Фазы работы

На скорости выше средней бензиновый двигатель передаёт часть энергии (через водило и корону планетарной передачи) непосредственно на передние колеса, оставшаяся часть (через водило и солнечную шестерню) идёт на электрогенератор. От генератора часть тока ответвляется на подзарядку батареи, а часть возвращается (через инвертор 500 В) на тяговый электромотор, который вращает передние колеса через коронную шестерню.

При обгоне (максимальном ускорении) компьютер прекращает подзарядку батареи и направляет весь ток от генератора на электромотор. Кроме того, ток от батареи через инвертор также поступает на электромотор.

При торможении компьютер выключает бензиновый двигатель, а электродвигатель переключается в режим генерации тока и возвращает энергию в батарею (рекуперация).

На малой скорости (до 50 км/ч) автомобиль работает в режиме электромобиля, получая энергию только от батареи.

Фактически, силовая установка автомобиля разбита на два модуля — электрическая подсистема отвечает за работу на переходных и установившихся режимах, подсистема внутреннего сгорания — только за работу на установившихся режимах. Такой подход кардинально меняет требования к двигателю внутреннего сгорания и целевые функции конструкторов при разработке всей силовой установки автомобиля, а не только одной трансмиссии, как, например, в опытной разработке General Motors, Daimler Chrysler AG и BMW « Two-Mode», которая предназначена для гибридизации стандартных бензиновых или дизельных двигателей старых конструкций, разработанных без учета работы в составе гибридного агрегата.

Параллельная схема подключения двигателей гибридного автомобиля (слева)

Последовательно-параллельная схема подключения двигателей гибридного автомобиля (справа)_(Prius)

В основу работы системы Toyota Hybrid Synergy Drive (HSD) положена совместная работа двух двигателей: традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Разработка корпорации Toyota организована по параллельной схеме, то есть в зависимости от режима движения возможна совместная работа двух двигателей или отключение одного из них. От аналогов HSD отличается ещё и тем, что нет необходимости заряжать батареи от сети, энергии, вырабатываемой при торможении и работе бензинового двигателя достаточно. Основная задача совместного использования двух двигателей состоит в выравнивании нагрузки на ДВС. Если в обычных, не гибридных автомобилях параметры двигателя подбирают исходя из пиковой, максимально возможной нагрузки на автомобиль, то подход инженеров Toyota даёт возможность при расчёте параметров бензинового двигателя ориентироваться на среднюю нагрузку. Роль источника дополнительной мощности, для быстрого ускорения автомобиля, на себя берёт электродвигатель. В этих условиях баланс таких параметров автомобиля как экономичность, мощность, уровень выбросов в атмосферу близок к идеальному.

В состав системы HSD входят такие компоненты как: ДВС, электродвигатель, электрогенератор, аккумуляторные батареи, инвертор, бесступенчатая трансмиссия, планетарная передача. Учитывая особенности работы всю систему можно условно разделить на два блока – блок ДВС, отвечающий за работу на установившемся режиме движения и электрический блок, который используется на установившемся и неустановившемся режиме.

Кроме экономии топлива ставится ещё и задача максимально снизить уровень шума. Поэтому используется легкий, компактный бензиновый двигатель, работающий по циклу Аткинсона. такой подход даёт более высокий коэффициент расширения, сокращает потери энергии и более эффективно преобразует её в мощность двигателя. Интеллектуальная система открытия клапанов Variable Valve Timing (VVT) позволила снизить потребление воздуха и топлива, повысила уровень реагирования во всём диапазоне оборотов. Благодаря этому на низких и средних оборотах повышен крутящий момент, кроме этого уменьшены выбросы. Для снижения веса, жёсткость двигателя оптимизирована с помощью компьютерного анализа. Для блока цилиндров использована ребристая крышка из алюминия. Установлен двигатель по четырёхточечной схеме, для уменьшения вибрации и шума используются резиновые прокладки.

В состав системы HSD также входит два мотора-генератора: MG1 (вспомогательный) и MG2 (основной). Мотор MG1 может работать совместно с ДВС, генерировать энергию для заряда батаре й или использоваться для запуска бензинового двигателя. Основной мотор-генератор MG2 имеет несколько вариантов работы: при рекуперативном торможении он преобразует кинетическую энергию автомобиля в электрическую, выступая в роли генератора, и обеспечивает зарядку батарей; обеспечивает плавное ускорение с места только за счёт электроэнергии накопленной MG1, может работать совместно с ДВС.

Используется синхронный электродвигатель с постоянным магнитом. На выходе даёт мощность до 60 кВт. Способен развивать крутящий момент свыше 200 Нм, в то время как аналоги, так называемые «мягкие» гибридные системы дают около 30-40 Нм. Используется только воздушное охлаждение, при спокойном режиме вождения электродвигатель не работает в полную силу для экономии топлива.

Работу электродвигателя обеспечивают никелевые либо литий-ионные батареи, их замена не предусмотрена на протяжении всего жизненного цикла автомобиля. Размещены они в задней части автомобиля, под багажным отделением. Такое положение никак не влияет на размеры салона и багажного отделения автомобиля.

Блок управления Power Control Unit (PCU) по праву можно считать сердцем системы HSD. Несмотря на малые размеры, не более чем батарея на 12 В, именно он анализирует поступающую информацию и обеспечивает корректную работу системы в целом. Состоит из инвертора, преобразователя, повышающего напряжение и DC/DC преобразователя. Инвертор отвечает за преобразование постоянного тока, поступающего от батареи в переменный ток силой 605 В. В обычных, не гибридных автомобилях, для зарядки дополнительной батареи используется генератор, в этом случае его использование невозможно, так как он не сможет работать при выключенном электродвигателе. Для решения этой проблемы используется DC/DC преобразователь, который понижает напряжение до 14 В и обеспечивает питание вспомогательных систем и зарядку дополнительных батарей.

Используется гибридная КПП с электрической бесступенчатой трансмиссией – Electric Continuously Variable Transmission (E-CVT). Сравнимая по размера с обычной, КПП системы HSD включает в себя генератор, электромотор, устройство разделения мощности и понижающий редуктор. Управление реализовано без механического контакта, по принципу wire-by-wire. Это подразумевает, что водитель управляет непосредственно бортовым компьютером, а тот, учитывая ещё и внешние факторы, исполняет полученные команды.

В зависимости от ситуации конструкция E-CVT позволяет распределять мощность ДВС несколькими способами: при постоянной скорости вращения колеса возможно создание дополнительного крутящего момента; при постоянном крутящем моменте обеспечивается дополнительная скорость вращения колеса, часть мощности при этом резервируется для генератора. КПП содержит планетарный механизм, который, исходя из режима движения автомобиля (на основании данных с передних колёс) регулирует величину крутящего момента в целом и в отдельности крутящий момент, обеспечиваемый ДВС и моторами-роторами MG1 и MG2.

Работу HSD можно чётко разделить на несколько этапов, в зависимости от скорости и режима вождения:

1. Аккумуляторная батарея резервирует некий запас электроэнергии. Суть этого режима работы состоит в том, что электроника автоматически будет поддерживать заданный режим движения. В зависимости от ситуации энергия будет либо поглощаться, без ущерба для движения, либо будет предоставлена дополнительная энергия для повышения мощности двигателя.

2. Предусмотрено два режима торможения: рекуперативное (идёт зарядка батарей) и второй режим, торможение с использованием двигателя, со встроенной защитой от повреждения батарей. При максимальном уровне заряда батарей электронная система управления автоматически переходит на режим торможения с помощью двигателя, при этом поглощение энергии не происходит.

3. Режим движения при малых скоростях и сравнительно небольшом крутящем моменте. В случае, если батареи заряжены, автомобиль может проехать несколько километров при выключенном ДВС. При этом режиме движения работает только мотор-ротор MG2, MG1 в это время свободно вращается.

Работа системы HSD нацелена на максимальную экономичность без ущерба комфорту и скорости движения. Кроме экономии топлива значительно уменьшается воздействие на окружающую среду. Учитывая режимы движения современных автомобилей, наибольший эффект от её использования будет заметен в городских условиях.

46. Гибридные автомобили. Их достоинства и недостатки

Гибри́дный автомоби́ль — автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии.

Гибридным автомобилем называется транспортное средство, приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки. Отличительной особенностью гибридной силовой установки является использование двух и более источников энергии и соответствующим им двигателей, преобразующих энергию в механическую работу. В некоторых источниках информации используется термин "гибридный двигатель", который с технической точки зрения неверен.

Несмотря на многообразие источников энергии (тепловая энергия бензина или дизельного топлива, электроэнергия, энергия сжатого воздуха, энергия сжатого сжиженного газа, солнечная энергия, энергия ветра и др.) в промышленном масштабе на гибридных автомобилях используется комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.

Главное преимущество гибридного автомобиля заключается в существенном сокращении расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу, которое достигается:

• согласованной работе ДВС и электродвигателя;

• применением аккумуляторов большой емкости;

• использованием энергии торможения, т.н. рекуперативное торможение, преобразующее кинетическую энергию движения в электроэнергию.

Вместе с тем, в гибридных автомобилях используется множество других инновационных разработок, позволяющих экономить топливо и беречь атмосферу, в том числе: система изменения фаз газораспределения; система стоп-старт; система рециркуляции отработавших газов; система подогрева охлаждающей жидкости отработавшими газами; улучшенная аэродинамика; электропривод вспомогательных устройств (водяного насоса, климатической установки, усилителя руля и др.); шины с пониженным сопротивлением качению.

Необходимо отметить, что больший эффект от гибридных автомобилей наблюдается при движении в городском цикле, который характеризуется частыми остановками, работой в режиме холостого хода. При движении с постоянной высокой скоростью (загородный цикл) гибриды не так эффективны.

В зависимости от характера взаимодействия двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя различают следующие схемы гибридных силовых установок: последовательная, параллельная, последовательно-параллельная.

Преимущества гибридных автомобилей.

Главным преимуществом является экономная эксплуатация. В гибридах уравновешены все технические показатели, но при этом сохранены полезные параметры обычного автомобиля: мощность, скорость, способность к быстрому разгону и множество других важных характеристик. Гибридные автомобили способны накапливать энергию, в том числе не терять понапрасну кинетическую энергию движения во время торможения и заряжать ею аккумуляторные батареи.

Снижение расхода углеродного топлива положительно сказывается на экологической чистоте, а применение аккумуляторных батарей гораздо меньшей емкости, чем в электромобилях, снижает проблему утилизации использованных аккумуляторов. В гибридных автомобилях нет необходимости устанавливать двигатель из расчета пиковых нагрузок эксплуатации. В момент, когда необходимо резкое усиление тяговой нагрузки, в работу одновременно включаются электро- и обычный двигатель (а в некоторых моделях еще и дополнительный электродвигатель). Это позволяет сэкономить на установке менее мощного двигателя внутреннего сгорания, работающего основное время в наиболее благоприятном для себя режиме.

Недостатки гибридных автомобилей.

Гибридные автомобили сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте.

47. Электромобили. Их достоинства и недостатки

Электромобиль – автомобиль, приводимый движением несколькими электродвигателями, которые питаются от аккумулятора или топливных элементов. Под термином «электрический автомобиль» или «электромобиль»понимается транспортное средство, которое приводится в движение одним или несколькими электрическими двигателями. При этом питание электромотора может осуществляться от аккумуляторной батареи, солнечной батареи или топливных элементов. Наибольшее распространение получила конструкция электромобиля с питанием от аккумуляторной батареи.

Аккумуляторная батарея требует регулярной зарядки, которая может осуществляться от внешних источников тока, путем рекуперации энергии торможения, а также от генератора на борту электромобиля. Генератор приводится от двигателя внутреннего сгорания, но такая схема, по сути, электромобилем уже не является, а относится к одной из разновидностей гибридного автомобиля.

Работа по созданию электрических автомобилей ведется в двух направлениях - разработка новых моделей и адаптация серийных автомобилей. Последнее направление более предпочтительное, т.к. менее затратное. Выпускаемые электромобили в зависимости от предназначения можно разделить на три группы:

• городские электромобили (максимальная скорость до 100 км/ч);

• шоссейные электромобили (максимальная скорость свыше 100 км/ч);

• спортивные электромобили (максимальная скорость свыше 200 км/ч).

Достоинства:

1. Отсутствие вредных выхлопов, которые являются одним излавныхэлементов загрязнения окружающей среды;

2. Сравнительная надежность и долговечность двигателя при длительной эксплуатации;

3. Возможность зарядки аккумуляторов от стандартной электрической сети, что позволяет значительно экономить на расходах. Кроме того есть возможность экономить на дешевой ночной электроэнергии, которая вырабатывается электростанциями в ночное время суток.

4. Высокий коэффициент КПД, по сравнению с двигателями обычных автомобилей;

5. Вырабатывается меньшее количество шума;

6. Наличие возможности экстренного торможения электродвигателем находящимся в режиме электромагнитного тормоза.

Недостатки:

Аккумуляторы быстро выходят из строя. Неактуально! Современные батареи гарантируют пробег автомобиля 150-200 тыс. км., а это пробег, на котором подходит срок капитального ремонта двигателя на 99% серийных бензиновых автомобилях.

Аккумуляторы не обладают той мощностью двигателей, которая присуща обычным автомобилям. Неактуально! Современные электрокары с легкостью ставят скоростные рекорды. При этом даже серийные электроавтомобили могут потрясти своей динамикой. Электрическая тяга современных электромоторов ни разу не уступает двигателям внутреннего сгорания;

Дороговизна высокоэнергоемких аккумуляторов из-за применения дорогостоящих металлов. К тому же они работают при очень высоких температурах. Неактуально! Благодаря современной промышленности стоимость аккумуляторов сокращается на 20-30 процентов каждые 1-2 года. Про нагрев батарей. Разговор скорее всего про литий-ионные аккумуляторы. Их повреждение может привести к возгоранию. Начиная с 3 поколения li-ion батареи не нагреваются выше 60 градусов при повреждении. Не горят и не взрываются. Это в прошлом;

Большая потеря энергии аккумуляторами при резких стартах и не постоянных скоростях.Частично правда! На самом-то деле энергосистемы не любят резких разгонов и торможений. Это относится не только к электротранспорту. Разумному человеку будет очевидно, что более агрессивная езда требует больше ресурсов;

Проблема производства и утилизации аккумуляторов, содержащих ядовитые элементы.Неактуально! Дилер продавший вам технику обязан принять в утилизацию батареи и сделать скидку на новый комплект.

При широком распространении электромобилей потребуется создание соответствующей инфраструктуры для их обслуживания, также необходимо наличие квалифицированного персонала для проведения техобслуживания. Частично правда. Электротранспорт прекрасно заряжается от домашней сети, просто ему на это нужно больше времени. Обслуживание и сервис предоставляются дилерами, у которых вы покупаете автомобиль.

48. Синергетическая трансмиссия автомобиля Prius

В состав системы HSD также входит два мотора-генератора: MG1 (вспомогательный) и MG2 (основной). Мотор MG1 может работать совместно с ДВС, генерировать энергию для заряда батаре й или использоваться для запуска бензинового двигателя. Основной мотор-генератор MG2 имеет несколько вариантов работы: при рекуперативном торможении он преобразует кинетическую энергию автомобиля в электрическую, выступая в роли генератора, и обеспечивает зарядку батарей; обеспечивает плавное ускорение с места только за счёт электроэнергии накопленной MG1, может работать совместно с ДВС.

Используется синхронный электродвигатель с постоянным магнитом. На выходе даёт мощность до 60 кВт. Способен развивать крутящий момент свыше 200 Нм, в то время как аналоги, так называемые «мягкие» гибридные системы дают около 30-40 Нм. Используется только воздушное охлаждение, при спокойном режиме вождения электродвигатель не работает в полную силу для экономии топлива.

Работу электродвигателя обеспечивают никелевые либо литий-ионные батареи, их замена не предусмотрена на протяжении всего жизненного цикла автомобиля. Размещены они в задней части автомобиля, под багажным отделением. Такое положение никак не влияет на размеры салона и багажного отделения автомобиля.

Блок управления Power Control Unit (PCU) по праву можно считать сердцем системы HSD. Несмотря на малые размеры, не более чем батарея на 12 В, именно он анализирует поступающую информацию и обеспечивает корректную работу системы в целом. Состоит из инвертора, преобразователя, повышающего напряжение и DC/DC преобразователя. Инвертор отвечает за преобразование постоянного тока, поступающего от батареи в переменный ток силой 605 В. В обычных, не гибридных автомобилях, для зарядки дополнительной батареи используется генератор, в этом случае его использование невозможно, так как он не сможет работать при выключенном электродвигателе. Для решения этой проблемы используется DC/DC преобразователь, который понижает напряжение до 14 В и обеспечивает питание вспомогательных систем и зарядку дополнительных батарей.

Используется гибридная КПП с электрической бесступенчатой трансмиссией – Electric Continuously Variable Transmission (E-CVT). Сравнимая по размера с обычной, КПП системы HSD включает в себя генератор, электромотор, устройство разделения мощности и понижающий редуктор. Управление реализовано без механического контакта, по принципу wire-by-wire. Это подразумевает, что водитель управляет непосредственно бортовым компьютером, а тот, учитывая ещё и внешние факторы, исполняет полученные команды.

В зависимости от ситуации конструкция E-CVT позволяет распределять мощность ДВС несколькими способами: при постоянной скорости вращения колеса возможно создание дополнительного крутящего момента; при постоянном крутящем моменте обеспечивается дополнительная скорость вращения колеса, часть мощности при этом резервируется для генератора. КПП содержит планетарный механизм, который, исходя из режима движения автомобиля (на основании данных с передних колёс) регулирует величину крутящего момента в целом и в отдельности крутящий момент, обеспечиваемый ДВС и моторами-роторами MG1 и MG2.

49. Основные элементы вентильного двигателя

Конструктивно современные ВД состоят из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллер и силовой мост). Упоминая о конструкции ВД, полезно иметь в виду и неконструктивный элемент системы — программу (логику) управления.

Синхронная машина, используемая в ВД, состоит из шихтованного (собранного из отдельных электрически изолированных листов электротехнической стали — для снижения вихревых токов) статора, в котором расположена многофазная (обычно двух- или трёхфазная) обмотка и ротора (обычно на постоянных магнитах).

В качестве датчиков положения ротора в БДПТ применяются датчики Холла, а в ВД —вращающиеся трансформаторыинакапливающие датчики. В т. н. «бездатчиковых» системах информация о положении определяетсясистемой управленияпо мгновенным значениям фазных токов.

Информация о положении ротора обрабатывается микропроцессором, который, согласно программе управления, вырабатывает управляющие ШИМ-сигналы. Низковольтные ШИМ-сигналы микроконтроллера затем преобразуются усилителем мощности (обычно транзисторным мостом) в силовые напряжения, подаваемые на двигатель.

Статор

Статор имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Обмотка разбита на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фаз. Известно, что для равномерного вращения вала двигателя машины переменного тока достаточно двух фаз. Обычно синхронные машины, применяемые в ВД, трёхфазные, однако встречаются также и ВД с четырёх- и шестифазными обмотками.

Ротор

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитови имеет обычно от двух до шестнадцати пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Для изготовления ротора раньше использовались ферритовыемагниты, что определялось их распространённостью и дешевизной. Однако такие магниты характеризуются низким уровнем магнитной индукции. В настоящее время интенсивно используютсямагнитыиз сплавовредкоземельных элементов, поскольку они позволяют получить более высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.