Гибридизация по-тойотовски

Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, паркетных внедорожников серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса – Lexus LS 600h.

В августе 2009 года суммарное производство автомобилей Prius превысило 2 миллиона экземпляров. За четыре года было произведено около 150 тысяч гибридных кроссоверов. Доля версии 400h в общем объеме продаж машины достигла 69 процентов, а по Западной Европе этот показатель еще выше: 95%! Технологию гибридного привода Toyota Hybrid Synergy Drive лицензировали Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).

Рассмотрим принцип работы гибридного автомобиля на примере последовательно – параллельной гибридной силовой установки Hybrid Synergy Drive, которую устанавливает на свои автомобили компания Toyota. Термин «синергия» означает совместное действие нескольких компонентов. В силовой установке Hybrid Synergy Drive сочетаются бензиновый двигатель – и два электромотора. Вернее, их три, но о третьем, который обеспечивает задний привод, пока забудем. Бензиновый двигатель – это V-образная шестёрка, объемом 3, 3 л, мощностью 150 кВт. Два электромотора, которые располагаются в передней и задней частях и приводят в движение, соответственно колёса переднего и заднего мостов, имеют суммарную мощность 200 кВт и рабочее напряжение 650В. Высоковольтная аккумуляторная батарея, которая питает оба электромотора и запасает энергию при рекуперативном торможении, также является неотъемлемой частью системы.

Устройство распределения энергии – это связующее звено между ДВС, электромоторами и генератором. В данном случае его роль играет компактная планетарная передача, обладающая малой массой и меньшим количеством движущихся частей, в сравнении с 5-ти или 6-ти ступенчатыми АКПП автомобилей премиум – класса, что в свою очередь, ведёт к повышению надёжности и увеличению срока службы этого узла.

Энергетический центр, управляющий созданием и распределением запасов энергии, состоит из высоковольтной никельметаллгидридной аккумуляторной батареи, блока управления энергией, полупроводникового коммутационного устройства и рекуперативной тормозной системы. Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения управляют потоком энергии между генератором, батареей и электромоторами. Данные устройства осуществляют преобразование электроэнергии в соответствии с потребностями системы. Потребность в преобразовании продиктована следующими причинами: генератор и электромоторы – машины переменного тока, в то время как аккумуляторная батарея оперирует постоянным током, кроме того, выходное напряжение батареи не соответствует выходному напряжению генератора, а также входному напряжению электромоторов. Инвертор – блок, преобразующий постоянный ток, поступающий от аккумуляторной батареи, в переменный, используемый для питания электромоторов. В данной гибридной силовой установке предусмотрена высоковольтная схема преобразования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток более высокого напряжения. При этом происходит равномерный рост электрической мощности при той же величине силы тока.

При рекуперативном торможении система переводит моторы в генераторный режим. Вырабатываемая при этом энергия поступает на хранение в аккумуляторную батарею. Особо эффективно сохраняет энергию при езде в городских условиях режим «старт – стоп», который позволяет автоматически глушить двигатель при остановках или даже во время замедления.

Для начала движения и на малых скоростях используется только электромотор. При плавном наборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блок управления электропитанием, который, в свою очередь, направляет энергию на электромоторы, что позволяет автомобилю плавно трогаться с места.

При движении в нормальном режиме момент на ведущие колёса поступает с ДВС и электромоторов. При необходимости генератор осуществляет заряд батареи, отдавая ей излишки энергии.

В целях обеспечения максимальной эффективности распределение энергии контролируется электронным блоком управления.

При разгоне бензиновый двигатель работает в нормальном режиме, а при необходимости, дополнительная энергия для улучшения динамики поступает от электромоторов.

Для оптимизации количества сохраняемой энергии, электроника принимает решение о том, когда следует использовать гидравлическую систему торможения, а когда – рекуперативное торможение.

Хотелось бы отдельно сказать несколько слов о высоковольтной аккумуляторной батарее. Компания Toyota уже долгое время использует никельметаллгидридные батареи, которые переносят низкие температуры без заметного снижения рабочих характеристик. Японцы проводили испытания при температуре около минус 30, и автомобиль заводился и нормально работал. Срок службы батареи – такой же, как и у всего автомобиля, 300–350 тысяч километров.

Первый серийный гибридный «Мерседес»

Это «Мерседес» S400 BlueHybrid, в котором 279 – сильному двигателю помогает электромотор, мощностью 15 кВт (20 л.с.). Конструкция гибрида проста – в маховик автомобиля встроен электрический мотор-генератор, отдающий ток аккумуляторной батарее при торможении и «подрабатывающий» тяговым двигателем при разгоне. И все. Никаких сцеплений, как у Infiniti или Porsche, уже не говоря про хитроумную планетарную схему тойотовского гибридного привода. Соответственно, Mercedes S 400 BlueHybrid не может бесшумно ехать на «чистой» электротяге, вообще не загрязняя воздух. Но мерседесовцы указывают на достоинства своей схемы. Расход топлива в смешанном цикле составляет до 7, 9 литра на 100 км – это на 2, 2 литра меньше, чем у бензинового Мерседеса S 350. Выбросы СО сокращаются на 21% – до рекордных в классе 190 г./км. Для сравнения: гибридный Lexus LS 600h выбрасывает 219 граммов углекислоты на километр пробега, но при этом суммарная мощность силовой установки с пятилитровым мотором V8 у него на 146 л.с. выше. Ещё один плюс этой конструкции – компактность и малая масса «гибридных» узлов. Кузов не потребовал доработок, салон и багажник остались нетронутыми. Прибавка в весе составила всего 75 килограммов. А гибридный Lexus стал тяжелее обычного бензинового на 200 кг. Обойтись «малой кровью» удалось благодаря применению маленькой литий-ионной батареи объемом всего 13 литров, вставшей на место обычного аккумулятора под капотом. Батарею, равно как и все остальные компоненты гибридного привода, поставляет концерн Continental – причем не только на Daimler, но и на BMW: точно такая же механика будет и у гибридной «семерки» BMW.

Литий-ионные батареи привлекают инженеров давно. Но «хочется, да колется» – компактные и эффективные батареи… взрывоопасны. Велика вероятность неконтролируемой «разгонной» реакции, когда перегрев провоцирует резкое ускорение химической активности, в свою очередь вызывающее выделение тепла и лавинообразный эффект. Немецкая батарея состоит из 35 аккумуляторов цилиндрической формы, хотя, например, Nissan уверяет, что более эффективны плоские «конвертные» ячейки. От взрыва батарею предохраняют система охлаждения, поддерживающая температуру от 15 до 35 градусов, и электронная система управления и диагностики, питающаяся от маленького резервного 12-вольтового аккумулятора в багажнике. А если все же рванет? Тогда поможет корпус, сделанный с помощью лазерной сварки из высокопрочной стали, – он призван защитить батарею и от разрушения при аварии. Есть у литий-ионной батареи еще один коварный недостаток. После разрядки «в ноль» ее придется выбросить – между тем как никельметаллгидридные аккумуляторы, которые используются на нынешних гибридомобилях Toyota, Lexus и Honda, после «опустошения» восстанавливаются полностью. Хорошо, что темп саморазряда у литий-ионных аккумуляторов невелик – по 5 процентов в месяц. На ходу Mercedes S 400 BlueHybrid ничем особенным не выделяется. Двигатель запускается, лишь при отпускании педали тормоза, – это работает система «старт-стоп». Маленький аккумулятор используется «по полной». Да и заряжается быстро – на спусках, длиной 3–4 километра запас электроэнергии пополняется с минимально допустимых 30 процентов до максимальных 90 с лишним. А стоит коснуться тормоза – и заряд растет прямо на глазах. Плавное торможение с замедлением до 0, 2 g обеспечивает только генератор, причем от режима «автомата» эффективность рекуперации не зависит. По данным компании Continental, в реальной жизни четыре из пяти торможений производятся с замедлением не более 0, 3 g – так что помимо получения дармовой рекуперированной энергии можно здорово сэкономить и на износе тормозов. А они срабатывают только при большем нажатии на педаль. Правда, тормоза у S-класса традиционные, а не электрогидравлические, как на гибридных седанах Lexus, и для гибрида мерседесовцам пришлось конструировать оригинальный педальный узел. Перед полной остановкой, как только скорость падает ниже 15 км/ч, двигатель для экономии топлива глушится – значит, останавливается и мотор-генератор. Снова он заведется, как только водитель снимет ногу с педали тормоза. Запуск от 15-киловаттного электромотора, раскручивающего мотор сразу до 500–600 об/мин происходит быстрее, чем от обычного 12-вольтового стартера мощностью 1–1, 5 кВт. Правда, в самых медленных пробках система «старт-стоп» не работает: электроника допускает только четыре цикла «старт-стоп» подряд. Не глушится двигатель и при прогреве, на морозе (если температура в системе охлаждения упала ниже 60 градусов), при заряде батареи менее 30 процентов и в парковочных режимах после включения заднего хода. Мерседесовцы уверяют, что уже в этом поколении S-класса появится дизельная гибридная установка, но проблема более шумного и вибронагруженного перезапуска дизельного двигателя пока не решена – дело даже не дошло до ходовых испытаний. Новые гибридные модели немцы обещают показывать не реже, чем раз в год. Причем следующим будет двухрежимный «полный» гибрид на базе внедорожника М-класса с планетарной трансмиссией по образцу тойотовской! Японских патентов мерседесовцы не покупали – они уверяют, что усовершенствовали непревзойденную на сегодняшний день тойотовской схему: в частности, избавились от больших потерь при высоких оборотах, вызванных тем, что электродвигатель и мотор-генератор вращаются постоянно. Мощность электротяги гибридного М-класса – около 50 кВт, тяговая батарея разместится в багажнике. Причем она будет никельметаллгидридной. Видимо, пока не удается решить проблемы с охлаждением большой литий-ионной батареи. Кстати, «кондиционер» для никельметаллгидридного аккумулятора гибрида Lexus LS 600h потребляет столько энергии, что в некоторых режимах сводит на нет эффективность всей гибридной установки!

Варианты конструкций.

Существует три основные схемы устройства гибридных силовых установок: последовательная, параллельная и смешанная. Последовательная гибридная схема появилась первой (её придумал в 1899 году сам Фердинанд Порше), но в легковых автомобилях распространена меньше. По ней, например, построены силовые агрегаты карьерных самосвалов, некоторых автобусов и локомотивов. В последовательной схеме колёса приводит в движение электромотор, а малолитражный ДВС крутит генератор, вырабатывающий электроэнергию. Тут отсутствует необходимость в коробке передач и мощном двигателе внутреннего сгорания. Зато требуются аккумуляторы большой ёмкости.

Самая распространённая сейчас схема — параллельная. Она запатентована ещё в 1905 году немцем Генри Пипером. Ей отвечают почти все умеренные гибриды. Они оснащаются мощным электромотором (10–15 кВт), который помогает двигателю внутреннего сгорания при разгоне, а при торможении запасает рекуперативную энергию. В качестве трансмиссии, как правило, используются вариатор или планетарная передача.

Распространены также смешанные, или, как их ещё называют, последовательно-параллельные гибриды. Классические представители этого семейства — хэтчбек Toyota Prius и Лексусы с индексом h, оснащённые фирменным «синергитическим» приводом HSD (Hybrid Synergy Drive). Чтобы объяснить принцип его работы ниже размещены иллюстрации (можно открыть в отдельном окне кликом мыши по картинке). Благодаря планетарной передаче и возникает синергия — взаимодействие двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Тут ДВС крутит колёса в паре с электромотором, одновременно вращая генератор. В традиционной коробке передач нет необходимости: электроника регулирует обороты моторов и генератора, превращая такую систему в бесступенчатую трансмиссию ECVT.

Большинство двигателей, установленных на гибридах, — бензиновые. Многие работают по циклу Аткинсона с более коротким тактом сжатия и более эффективным рабочим процессом. Это обеспечивает лучшие экологические и экономические показатели. Распространение, казалось бы, более экономичных дизельэлектрических силовых установок сдерживает прежде всего то, что большинство гибридов продаются в не знакомой с дизелем Америке. Кроме того, дизельный мотор дороже бензинового, а это лишь увеличивает немалую цену гибрида.

Небольшая компания MotoCzysz из Орегона, известная своими гоночными электробайками с литий-ионными батареями, на технической выставке EVS25 в китайском Шеньчжене показала первую в мире полностью интегрированную электрическую силовую установку. Непроизносимое название агрегата - D1g1gital Dr1ve D1, пестрящее единичками, несет в себе очевидный смысл. Компания Майкла Чижа рвется в лидеры нарождающегося рынка модульных систем электропривода – механизмов, снимающих головные боли конструкторов об адаптации передовых силовых установок к новым видам техники.

D1g1tal Dr1ve D1 - это суперкомпактная система, включающая в себя безщеточный электромотор HVH250 от Remy Motors, преобразователь, масляную помпу, редуктор и дифференциал. Вся эта электромеханика помещается в легком алюминиевом корпусе. Пиковая мощность D1 – 75 кВт, а постоянная 60. При этом крутящий момент системы составляет более 1000 Нм при массе всего в 59 кг. D1 можно ставить как на спортивные байки, так и на легковушки. Причем, и на передне-, и на заднеприводные.

Агрегат станет первым в целом семействе модульных систем электропривода с различными динамическими характеристиками. КПД системы 90%. Максимальная частота вражения вала до 4300 об/мин. Размеры 489х330х372 мм.

Заключение

Тратятся миллионы долларов, десятки и сотни тысяч человек продолжают работу над новыми батареями, электромоторами, топливными элементами. Можно сказать, что именно сейчас происходит рождение транспортных средств будущего. Всё большее количество автопроизводителей обращают своё внимание на разработку и серийный выпуск транспортных средств с гибридными силовыми агрегатами. Заставляют их это делать несколько факторов, среди которых – ужесточающиеся с каждым годом экологические требования к выбросам вредных веществ, а также реальная угроза того, что запасы нефти рано или поздно иссякнут.

С каждым годом гибридные автомобили совершенствуются. По количеству вредных выбросов и по экономичности они все больше приближаются к электромобилям, в то же время, по разгонной динамике, управляемости и ездовому комфорту ничем не отличаются от своих собратьев, потребляющих бензин или солярку. Главным минусом гибридов на сегодняшний день, таким образом, является высокая стоимость производства. Конечная цена такого транспортного средства также будет выше. У разных производителей разница стоимости между версиями с ДВС и гибридом одной и той же модели варьируется от 15 до 50 процентов. Тем не менее владельцев гибридных авто становится всё больше и больше. Правительства большинства развитых и развивающихся государств разрабатывают и принимают законы, стимулирующие как производство, так и приобретение экологически чистого транспорта. Например, в Америке применяют «нематериальные методы стимулирования» экосознания владельцев машин: у некоторых офисных зданий парковки разделены на зоны. Места поближе к входу – для электромобилей и гибридов, а подальше – для обычных автомобилей. Разве самолюбие позволит боссу топать с дальнего паркинга, когда приезжающие на «Приусах» подчиненные встают прямо у дверей?

Для поршневого ДВС включен обратный отсчет, и, скорее всего, немощные и тихоходные сегодняшние электромобили означают для миллионов наших любимых пожирателей бензина и солярки то же, что значили маленькие теплокровные крысы для несметного числа динозавров, когда-то населявших Землю.

Список использованной литературы

1. Архангельский В.М. и др. Автомобильные двигатели. «Машиностроение», - М., 1967

2. Макаров Ю.В., " Гибридный автомобиль из серийного" " Изобретатель-Рационализатор" N8 (728) 2010 г.

3. Ксеневич И.П., Ипатов А.А., Изосимов Д.Б. " Технологии гибридных автомобилей: состояние и пути развития отечественной автомобильной техники с комбинированными энергоустановками", Мобильная техника, 2003, № 2, 3

4. Гибридные автомобили и их компоненты (обзор зарубежной печати), Мобильная техника, 2003, № 1—3

5. Златин П.А., Кеменов В.А., Ксеневич И.П." Электромобили и гибридные автомобили", М.: Агроконсалт, 2004

6. Эблесон Дональд В." Разрабатываемые технологии электромобилей", Приводная техника, 1999, № 9, 10