Конструктив: как устроена гибридная трансмиссия? Toyota Prius_ч.1

На канале много материалов, посвященных автоматическим коробкам передач, гидротрансформатору, полному приводу, дифференциалам и их блокировкам — это достаточная база, чтобы сформировалось понимание, как происходит передача мощности от ДВС к колесам автомобиля.

Инженеры не остановились на наработанном конструктиве и, пытаясь уменьшить количество выбросов и расход топлива , стали предлагать рынку свои альтернативные классическим инновационные гибридные системы . У каждого автопроизводителя подход оказался разным, разный был и результат.

В дальнейшем предлагаю изучить устройство гибридных трансмиссий от разных производителей, оценить успешность технических решений, понять, а зачем оно, собственно, нужно? Уточню, мы не будем рассматривать автомобиль целиком и его потребительские качества, нас будет интересовать трансмиссия и взаимодействующие с ней узлы .

Начнем с самого массового гибрида — Toyota Prius , который уже дорос до полноценной 4-й версии своей уникальной гибридной системы.

Немного истории

Компания Toyota начала свои эксперименты с гибридной тематикой задолго до появления всем известной модели. В ноябре же 1994 года руководство Toyota сформулировали для компании новую амбициозную задачу: снизить расход топлива выпускаемых автомобилей в 2 раза. И, кажется, у них это неплохо получилось!

При разработке собственной гибридной системы Toyota Hybrid System (THS) специалисты компании изучили более 100 вариантов возможных компоновок . И в 1997 году на рынке появился серийный автомобиль с гибридной трансмиссией — Toyota Prius NHW10 .

Основные компоненты Toyota Hybrid System (THS)

Toyota создали уникальную в своем роде последовательно-параллельную гибридную систему : одновременно данная гибридная трансмиссия была и параллельной и последовательной. Что это значит? Такой тандем объединяет плюсы двух указанных систем : последовательной в городе и параллельной на скоростных дорогах, при этом переход из одного режима работы в другой остается незамеченным для водителя.

Ключевой особенностью является принцип работы «электрического вариатора» , где изменение скорости вращения происходит не клиновой цепью, а путем суммирования потоков мощности от ДВС и двух электрических машин через планетарный редуктор . Фактически, в такой трансмиссии отсутствуют какие-либо органы управления в виде фрикционов, муфт, синхронизаторов, сложной гидравлики, нет изнашиваемых деталей, а управление происходит «электронно».

Как видите, внутреннее устройство трансмиссии Prius выглядит намного проще, чем таковое у классических автоматических трансмиссий.

Для THS первого поколения можно выделись следующие основные компоненты:

• Планетарный редуктор , связывающий 3 компонента между собой. Его еще называют «устройством распределения мощности» или Power Split Device (PSD);
• ДВС (1NZ-FXE, цикл Миллера, степень сжатия 13:1, 43кВт), соединенный с водилом планетарного передачи;
• Тяговый электродвигатель (мотор-генератор МГ2) (синхронный, на постоянных магнитах, 30кВт/305Нм), соединенный с коронной шестерней и имеющий постоянную связь с колесами;
• Электродвигатель-генератор (МГ1) (18кВт), соединенный с солнечной шестерней планетарной передачи;
• Инвертор, преобразующий постоянный ток высоковольтной батареи в переменный и наоборот;
• Высоковольтная аккумуляторная батарея (ВВБ) (никель-металлогидрид, напряжение 320В).

Режимы работы

Как я указывал ранее: эта трансмиссия может обеспечить параллельный и последовательный режимы работы. На практике это позволяет реализовать, например, такие режимы:

• Зарядка высоковольтной аккумуляторной батареи припаркованного автомобиля от ДВС через генератор;
• Движение только при помощи электродвигателя с заглушенным ДВС от энергии ВВБ;
• Движение с суммированием мощности от ДВС и электродвигателя (часть мощности ДВС идет на колеса, часть через генератор на тяговый электродвигатель);
• Зарядка ВВБ во время движения от ДВС через генератор (часть мощности ДВС идет на колеса, часть через генератор в батарею)
• Рекуперация энергии в ВВБ при торможении;
• Движение задним ходом реализовано только за счет электродвигателя . Если заряд ВВБ низкий, ДВС через генератор дает энергию для движения.

Подробнее про компоненты

Мы рассмотрели принципиальное устройство самой массовой гибридной трансмиссии.

Во второй части статьи мы рассмотрим особенности каждого из компонентов THS, и, главное, как электрический вариатор преобразует скорости вращения компонентов и движет автомобилем. Подписывайтесь, долго ждать не придется!

Трансмиссия гибридного автомобиля — Hybrid vehicle drivetrain

Трансмиссии гибридных транспортных средств передают мощность на ведущие колеса гибридных транспортных средств . У гибридного автомобиля есть несколько форм движущей силы.

Гибриды бывают разных конфигураций. Например, гибрид может получать энергию за счет сжигания бензина, но переключаться между электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания.

Электромобили имеют долгую историю сочетания внутреннего сгорания и электрической передачи — как в дизель-электрической силовой передаче — хотя в основном они используются для железнодорожных локомотивов . Дизель-электрическая трансмиссия не подпадает под определение гибрида, поскольку трансмиссия с электроприводом напрямую заменяет механическую трансмиссию, а не является дополнительным источником движущей силы. Одной из первых форм гибридных наземных транспортных средств был эксперимент с «безрельсовым» троллейбусом в Соединенных Штатах (Нью-Джерси), который проводился с 1935 по 1948 год, в котором обычно использовался тяговый ток, передаваемый по проводам. Троллейбус был оснащен двигателем внутреннего сгорания (ДВС) для непосредственного питания механической трансмиссии, а не для выработки электроэнергии для тягового двигателя. Это позволило использовать автомобиль для коммерческих услуг, где не было контактного провода. С 1990-х годов троллейбусы-гибриды использовались с небольшими электростанциями, чтобы обеспечить возможность низкой скорости для аварийных ситуаций и технического обслуживания, но не для поддержки общих доходов.

Силовой агрегат включает в себя все компонентах , используемых для преобразования сохраненной потенциальной энергии . Силовые агрегаты могут использовать химические, солнечные, ядерные или кинетические двигатели, что делает их полезными для движения. Самый старый пример — паровоз. Распространенный современный пример — электрический велосипед . Гибридные электромобили объединяют в себе аккумулятор или суперконденсатор, дополненный ДВС, который может заряжать батареи или приводить в действие транспортное средство. В других гибридных силовых агрегатах для хранения энергии используются маховики .

Среди различных типов гибридных автомобилей только электрический / ДВС был коммерчески доступен по состоянию на 2016 год. Один вариант работал параллельно, обеспечивая мощность от обоих двигателей одновременно. Другой работал последовательно с одним источником, обеспечивающим исключительно электроэнергию, а второй — электричеством. Любой источник может обеспечивать основную движущую силу, а другой — увеличивать основную.

Другие комбинации обеспечивают повышение эффективности за счет превосходного управления энергопотреблением и регенерации, которое компенсируется стоимостью, сложностью и ограничениями батареи. Гибриды с двигателем внутреннего сгорания (CE) имеют аккумуляторную батарею гораздо большей емкости, чем автомобиль, работающий только на двигателе внутреннего сгорания. Гибрид с электрическим двигателем внутреннего сгорания имеет легкие батареи, которые предлагают более высокую плотность энергии, но являются гораздо более дорогостоящими. ДВС требует только батареи, достаточно большой для работы электрической системы и зажигания двигателя.

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Типы по дизайну
  • 1.1 Параллельный гибрид
    • 1.1.1 Гибрид через дорогу (TTR)
  • Гибридная серия 1.2
  • 1.3 Электродвигатели тяговые
    • 1.3.1 Подробно
    • 1.3.2 Колесные двигатели
  • 1.4 Гибрид с разделением мощности или последовательно-параллельный
• 2 Типа по степени гибридизации
  • 2.1 Микрогибриды
  • 2.2 Мягкие гибриды
  • 2.3 Полные гибриды
  • 2.4 Двойные гибриды
  • 2.5 Подключаемый гибрид
• 3 типа по источнику питания
  • 3.1 Гибрид электродвигателя внутреннего сгорания
  • 3.2 Гибрид электрического топливного элемента
  • 3.3 Гибрид двигатель внутреннего сгорания — гидравлический
  • 3.4 Двигатель внутреннего сгорания — пневматический
  • 3.5 Сила человека-сила окружающей среды
• 4 режима работы гибридного автомобиля
• 5 вариантов вторичного рынка
• 6 См. Также
• 7 ссылки
• 8 Внешние ссылки

Типы по дизайну

Параллельный гибрид

Параллельные гибридные системы имеют как двигатель внутреннего сгорания, так и электродвигатель, которые могут приводить в движение автомобиль по отдельности или оба соединены вместе, обеспечивая привод. Это самая распространенная гибридная система по состоянию на 2016 год.

Если они соединены на одной оси (параллельно) , скорости на этой оси должны быть одинаковыми, а прилагаемые крутящие моменты складываются (большинство электрических велосипедов относятся к этому типу). Когда используется только один из двух источников, другой должен быть подключен через одностороннюю муфту или муфту свободного хода, чтобы он мог свободно вращаться.

В автомобилях два источника могут быть применены к одному и тому же валу (например, с электродвигателем, подключенным между двигателем и трансмиссией), вращаясь с равными скоростями, и крутящие моменты складываются с электродвигателем, добавляя или уменьшая крутящий момент в системе по мере необходимости. (Первые два поколения Honda Insight используют эту систему.)

Параллельные гибриды могут быть дополнительно разделены на категории по балансу между различными двигателями, обеспечивающими движущую силу: ДВС может быть доминирующим (включение электродвигателя только в определенных обстоятельствах) или наоборот; в то время как в других может работать только электрическая система, но поскольку существующие параллельные гибриды не могут обеспечить режимы только электрического или внутреннего сгорания, их часто классифицируют как мягкие гибриды (см. ниже).

Параллельные гибриды больше полагаются на рекуперативное торможение, а ДВС также может выступать в качестве генератора для дополнительной подзарядки. Это делает их более эффективными в городских условиях «без остановки». Они используют меньший аккумулятор, чем другие гибриды. Первые гибриды Honda Insight, Civic и Accord, использующие IMA, являются примерами серийных параллельных гибридов. Параллельно-гибридный грузовик General Motors (PHT) и гибриды BAS, такие как гибриды Saturn VUE и Aura Greenline и Chevrolet Malibu, также используют параллельную гибридную архитектуру.

Гибрид через дорогу (TTR)

Альтернативный параллельный гибрид — это «сквозной» тип. В этой системе обычная трансмиссия приводит в движение одну ось, а электродвигатель или двигатели — другую. Такое расположение использовалось в самых первых троллейбусах, не предназначенных для движения по маршруту. Фактически он обеспечивает полную резервную силовую передачу. В современных двигателях аккумуляторы можно заряжать рекуперативным торможением или нагружая колеса с электроприводом во время круиза. Это позволяет упростить управление питанием. Такая компоновка также имеет то преимущество, что в некоторых условиях обеспечивает полный привод. (Примером этого принципа является велосипед оснащен передней ступицы двигателя, который помогает мощность педали велосипедиста на заднее колесо.) Транспортные средства этого типа включают в себя Ауди 100 Duo II и Subaru VIZIV концепции автомобилей, PSA Группа транспортных средств 3008 , Peugeot 508 , 508 RXH , Citroen DS5 — все они используют систему HYbrid4 , подключаемый гибрид Volvo V60 , BMW 2 Series Active Tourer , BMW i8 и Honda NSX второго поколения .

Гибридная серия

Гибрид серии также называют расширенным диапазоном электрических транспортных средств (EREV) или диапазон-продлил электрические транспортные средства (REEV), или электрическое транспортное средство с расширенным диапазоном (никогда). (Серийные гибриды с особыми характеристиками классифицируются Калифорнийским советом по воздушным ресурсам как электромобили с увеличенным запасом хода (BEVx) .)

Электрическая трансмиссия доступна в качестве альтернативы обычным механическим трансмиссиям с 1903 года. Обычно механические трансмиссии налагают множество штрафов, включая вес, габариты, шум, стоимость, сложность и снижение мощности двигателя при каждом переключении передач, выполняемом вручную или автоматически. В отличие от ДВС, электродвигатели не требуют трансмиссии.

Фактически вся механическая трансмиссия между ДВС и колесами удаляется и заменяется электрическим генератором, некоторыми кабелями и элементами управления, а также электрическими тяговыми двигателями , с тем преимуществом, что ДВС больше не связан напрямую с потребностями.

Это серия гибрида расположение и является общим в дизель-электрических локомотивов и судов (русский речной корабль вандала , запущенный в 1903 году, был первым в мире дизельным двигателем и дизель-электрический приведенный в действие судно) и Фердинанд Порше успешно использовали этот механизм в начало 20 века в гоночных автомобилях, включая Lohner – Porsche Mixte Hybrid . Компания Porsche назвала систему System Mixte, которая имела двигатель ступицы колеса с двигателем в каждом из двух передних колес, установив рекорды скорости.

Аргументы в пользу большей гибкости, более высокой эффективности и меньшего количества выбросов в точке использования достигаются в последовательно-гибридной системе для дорожных транспортных средств, когда промежуточная электрическая батарея, действующая как буфер энергии, находится между электрическим генератором и тяговыми электродвигателями.

ДВС вращает генератор и механически не связан с ведущими колесами. Это изолирует двигатель от нагрузки, позволяя ему постоянно работать с максимальной эффективностью. Поскольку основная движущая сила вырабатывается аккумулятором, можно установить генератор / двигатель меньшего размера по сравнению с обычным двигателем с прямым приводом. Электро тяговые двигатели могут получать электроэнергию от батареи, или непосредственно от двигателя / генератора, или от того и другого. Тяговые двигатели часто получают питание только от электрической батареи, которую можно заряжать от внешних источников, например, от электросети.

Это позволяет автомобилю с двигателем / генератором, который работает только при необходимости, например, когда батарея разряжена, или заряжать батареи.

Электродвигатели тяговые

Электродвигатели более эффективны, чем ДВС, с высоким отношением мощности к массе, обеспечивающим крутящий момент в широком диапазоне скоростей. ДВС наиболее эффективны при повороте с постоянной скоростью.

ДВС могут оптимально работать при включении генератора. Последовательно-гибридные системы обеспечивают более плавное ускорение, избегая переключения передач. Серии-гибриды включают:

• Только электрическая тяга — использование только электродвигателей для поворота колес.
• ДВС — крутит только генератор.
• Генератор — включается ДВС для выработки электроэнергии и запуска двигателя.
• Батарея — буфер энергии.
• Регенеративное торможение — приводной двигатель становится генератором и восстанавливает энергию, преобразовывая кинетическую энергию в электрическую, что также замедляет транспортное средство и предотвращает тепловые потери.

• Может быть подключен к сети для подзарядки аккумулятора.
• Суперконденсаторы помогают аккумулятору и восстанавливают большую часть энергии при торможении.

В деталях

Электродвигатель может полностью питаться электричеством от батареи или через генератор, вращаемый ДВС, или и то, и другое. Такое транспортное средство концептуально напоминает дизель-электрический локомотив с добавлением батареи, которая может приводить в действие транспортное средство без запуска ДВС и выступать в качестве энергетического буфера, который используется для ускорения и достижения большей скорости; Генератор может одновременно заряжать аккумулятор и приводить в действие электродвигатель, приводящий в движение транспортное средство.

Когда автомобиль остановлен, ДВС выключается без холостого хода, в то время как аккумулятор обеспечивает необходимую мощность в состоянии покоя. Транспортным средствам, стоящим на светофоре или в медленном движении с остановками и троганием с места, не нужно сжигать топливо на стоянке или при медленном движении, что снижает выбросы.

Серийные гибриды могут быть оснащены суперконденсатором или маховиком для хранения энергии рекуперативного торможения , что может повысить эффективность за счет рекуперации энергии, которая в противном случае теряется в виде тепла через тормозную систему. Поскольку серийный гибрид не имеет механической связи между ДВС и колесами, двигатель может работать с постоянной и эффективной скоростью независимо от скорости автомобиля, достигая более высокого КПД (37%, а не среднего 20% для ДВС) и на низком уровне. или смешанные скорости, это может привести к увеличению общей эффективности примерно на 50% (19% против 29%).

Lotus предложила двигатель / генераторную установку, которая работает на двух скоростях, давая 15 кВт электроэнергии при 1500 об / мин и 35 кВт при 3500 об / мин через встроенный электрический генератор, используемый в концепте Nissan Infiniti Emerg-e .

Такой рабочий профиль дает больше возможностей для альтернативных конструкций двигателей, таких как микротурбина , роторный двигатель с циклом Аткинсона или двигатель линейного внутреннего сгорания .

ДВС согласовывается с электродвигателем путем сравнения выходной мощности на крейсерской скорости . Как правило, мощность для двигателей внутреннего сгорания рассчитана на мгновенную (пиковую) мощность, но на практике ее нельзя использовать.)

Использование электродвигателя, приводящего в движение колесо, напрямую исключает использование традиционных механических элементов трансмиссии: коробки передач, валов трансмиссии и дифференциала, а иногда и гибких муфт .

В 1997 году Toyota выпустила первый серийный гибридный автобус, проданный в Японии. Компания Designline International из Ашбертона, Новая Зеландия, производит городские автобусы с серийно -гибридной системой с приводом от микротурбины . Wrightbus производит серийные гибридные автобусы, включая Gemini 2 и New Routemaster . Суперконденсаторы в сочетании с литий-ионным аккумулятором использовались AFS Trinity в переделанном автомобиле Saturn Vue SUV. Используя суперконденсаторы, они заявляют до 150 миль на галлон в последовательно-гибридной схеме.

К хорошо известным гибридным моделям автомобильной серии относится вариант BMW i3 , оснащенный расширителем запаса хода. Другой пример серийного гибридного автомобиля — Fisker Karma . Шевроле Вольт почти серия гибрид, но также включает в себя механическую связь от двигателя к выше 70 миль в час колеса.

Серийные гибриды были подхвачены авиационной промышленностью. DA36 E-Star, самолет, разработанный Siemens , Diamond Aircraft и EADS , оснащен серийной гибридной трансмиссией с пропеллером, вращаемым электродвигателем Siemens мощностью 70 кВт (94 л.с.). Устранен энергозатратный блок понижения скорости гребного винта. Цель состоит в том, чтобы снизить расход топлива и выбросы до 25 процентов. Электроэнергия вырабатывается бортовым роторным двигателем и генератором Austro Engine Wankel мощностью 40 л.с. (30 кВт) .

Ванкель был выбран из-за его небольших размеров, небольшого веса и большого соотношения мощности и веса. (Двигатели Ванкеля также эффективно работают при постоянной скорости около 2000 об / мин, что подходит для работы генератора. Соблюдение постоянного / узкого диапазона компенсирует многие из предполагаемых недостатков двигателя Ванкеля в автомобильной промышленности.)

Электрический гребной двигатель использует электричество, хранящееся в батареях, при неработающих двигателях, для взлета и набора высоты, что снижает уровень шума. Трансмиссия снижает вес самолета на 100 кг по сравнению с его предшественником. DA36 E-Star впервые поднялся в воздух в июне 2013 года, что сделало его первым полетом в серии с гибридной трансмиссией. Diamond Aircraft заявляет, что технология масштабируется до 100-местного самолета.

Колесные моторы

Если двигатели прикреплены к кузову транспортного средства, требуются гибкие муфты , но не в том случае, если тяговые двигатели встроены в колеса . Одним из недостатков является то, что неподрессоренная масса увеличивается, а отзывчивость подвески снижается, что влияет на ходовые качества и, возможно, на безопасность. Однако воздействие должно быть минимальным, поскольку электродвигатели в ступицах колес, таких как Hi-Pa Drive , могут быть очень маленькими и легкими, имея исключительно высокое отношение мощности к весу, а тормозные механизмы могут быть легче, поскольку колесные двигатели тормозят транспортное средство.

Преимущества индивидуальных колесных двигателей включают упрощенное управление тяговым усилием , полный привод, если требуется, и более низкий этаж (полезно для автобусов и других специализированных транспортных средств (некоторые полноприводные военные автомобили 8×8 используют индивидуальные колесные двигатели). Дизель-электрические локомотивы использовали эту концепцию (отдельные двигатели ведущих осей каждой пары колес) на 70 лет.

Другие меры включают легкие алюминиевые колеса для уменьшения неподрессоренной массы колеса в сборе; конструкция транспортных средств может быть оптимизирована для снижения центра тяжести путем размещения более тяжелых элементов (включая аккумулятор) на уровне пола; В типичном дорожном транспортном средстве установка передачи мощности может быть меньше и легче, чем эквивалентная традиционная установка механической передачи энергии, освобождая пространство; Для установки генератора внутреннего сгорания требуются только кабели для приводных электродвигателей, что увеличивает гибкость в размещении основных компонентов в транспортном средстве, обеспечивая превосходное распределение веса и максимизируя пространство в кабине транспортного средства, а также открывая возможность создания превосходных конструкций транспортных средств, использующих эту гибкость.

Гибрид с разделением мощности или последовательно-параллельный

Гибрид с разделением мощности или последовательно-параллельный гибрид — это параллельные гибриды, которые включают в себя устройства с разделением мощности, обеспечивающие пути передачи мощности от ДВС к колесам, которые могут быть механическими или электрическими. Главный принцип — отделить мощность, подаваемую от первичного источника, от мощности, потребляемой драйвером.

Выходной крутящий момент ДВС минимален при более низких оборотах, а обычные автомобили увеличивают объем двигателя, чтобы соответствовать рыночным требованиям к приемлемому начальному ускорению. Более крупный двигатель имеет большую мощность, чем требуется для круиза. Электродвигатели развивают полный крутящий момент в состоянии покоя и хорошо подходят для восполнения дефицита крутящего момента ДВС на низких оборотах. В гибриде с разделением мощности может использоваться двигатель меньшего размера, менее гибкий и более эффективный. Традиционный цикл Отто (более высокая удельная мощность, более высокий крутящий момент на низких оборотах, более низкая топливная эффективность) часто модифицируется на цикл Аткинсона или цикл Миллера (более низкая удельная мощность, меньший крутящий момент на низких оборотах, более высокая топливная эффективность; иногда его называют циклом Аткинсона-Миллера. цикл). Двигатель меньшего размера, использующий более эффективный цикл и часто работающий в благоприятной области карты удельного расхода топлива при торможении , значительно способствует более высокой общей эффективности транспортного средства.

Интересными вариациями простого дизайна (на фото справа), которые можно найти, например, в хорошо известной Toyota Prius, являются:

• вторая планетарная передача с фиксированным передаточным числом, используемая в Lexus RX400h и Toyota Highlander Hybrid . Это позволяет использовать двигатель с меньшим крутящим моментом, но с большей мощностью (и с более высокой максимальной скоростью вращения), т. Е. С более высокой удельной мощностью.
• Планетарная передача типа Равиньо (планетарная передача с 4 валами вместо 3) и два сцепления, как в Lexus GS450h . При переключении сцеплений передаточное число от MG2 (тягового двигателя) к валу колеса переключается либо на более высокий крутящий момент, либо на более высокую скорость (до 250 км / ч / 155 миль / ч) при сохранении более высокой эффективности трансмиссии. Это эффективно выполняется в приводах Prius HSD поколения 3 (Prius v, Prius Plug-in и Prius c), хотя HSD поколения 3 имеет этот второй планетарный ряд, установленный на 2,5: 1, а не на переключение между 1: 1 и 2,5: 1 как «носитель» удерживается неподвижным.

• Две дополнительные планетарные передачи в сочетании с четырьмя сцеплениями для создания двухрежимной гибридной конфигурации, способной работать в полностью электрическом, смешанном электрическом и ДВС или только ДВС с четырьмя фиксированными передачами. Примеры Двухмодовое Гибриды включают General MotorsГибридные Двухмодовое грузовиков полноразмерных и внедорожников, BMW X6 ActiveHybrid и Mercedes ML 450 гибридных .

Гибридная система Toyota THS / Hybrid Synergy Drive имеет одно устройство разделения мощности (объединенное как единый трехвальный планетарный редуктор) и может быть классифицировано как разделение по входу, поскольку мощность двигателя распределяется на входе в коробка передач. Это, в свою очередь, делает эту установку очень простой с механической точки зрения, но имеет свои собственные недостатки. Например, в HSD поколения 1 и поколения 2 максимальная скорость в основном ограничена скоростью меньшего электродвигателя (часто функционирующего как генератор). HSD поколения 3 отделяет путь ICE-MG1 от пути MG2, каждый со своим индивидуальным передаточным числом (1,1: 1 и 2,5: 1, соответственно, для более поздних Prius, включая Prius c). В HSD 4-го поколения отсутствует вторая планетарная передача, электродвигатели размещены на параллельных осях с комбинированной зубчатой ​​передачей между этими осями, а полученный результат передается на дифференциал главной передачи. Это очень похоже на гибридную систему Aisin Seiki, дочерней компании Toyota , и значительно экономит место.

General Motors , BMW и DaimlerChrysler совместно работали над системой под названием «Двухрежимный гибрид» в рамках Глобального сотрудничества по гибридным технологиям . Технология была внедрена осенью 2007 года на Chevrolet Tahoe Hybrid . Система также была представлена ​​на концептуальном автомобиле GMC Graphite SUV на Североамериканском международном автосалоне 2005 года в Детройте . BYD Auto «s F3DM седан представляет собой последовательно-параллельного гибрида автомобиля, который поступил в продажу в Китае в 2008 году.

Название « Двухрежимный гибрид» подчеркивает способность трансмиссии работать в полностью электрическом (режим 1 или разделение входов ), а также в гибридном (режим 2 или разделение соединений ). Конструкция позволяет работать более чем в двух режимах. Доступны два режима разделения мощности, а также несколько режимов с фиксированной передачей (по существу, параллельные гибридные). Такую конструкцию можно назвать многорежимной. Конструкция двухрежимной гибридной трансмиссии может быть классифицирована как составная конструкция, поскольку добавление четырех муфт внутри трансмиссии позволяет использовать несколько конфигураций разделения мощности двигателя. Помимо муфт, эта трансмиссия имеет вторую планетарную передачу. Цель конструкции — варьировать процентное соотношение механически передаваемой мощности по сравнению с электрически передаваемой, чтобы справиться как с низкими, так и с высокими рабочими условиями. Это позволяет двигателям меньшего размера выполнять работу более крупных двигателей по сравнению с одномодовыми системами, поскольку полученная пиковая электрическая мощность пропорциональна ширине диапазона непрерывного изменения. Четыре фиксированных шестерни позволяют двухрежимному гибриду работать как обычный параллельный гибрид в регионах с высокой непрерывной мощностью, таких как длительный круиз на высокой скорости или буксировка прицепа. Полный электрический наддув доступен в режимах с фиксированной передачей.

Типы по степени гибридизации

Тип	Система старт-стоп	Рекуперативное торможение Электрический наддув	Режим истощения заряда	Перезаряжаемый
Микрогибрид	да	Нет	Нет	Нет
Мягкий гибрид	да	да	Нет	Нет
Полный гибрид	да	да	да	Нет
Подключаемый гибрид	да	да	да	да

Микрогибриды

Микрогибрид — это общий термин, обозначающий автомобили, которые используют какой-либо тип системы старт-стоп для автоматического выключения двигателя при работе на холостом ходу . Строго говоря, микрогибриды не являются настоящими гибридными автомобилями, потому что они не полагаются на два разных источника энергии.

Мягкие гибриды

Мягкие гибриды — это, по сути, обычные автомобили с некоторым гибридным оборудованием, но с ограниченными гибридными функциями. Как правило, они представляют собой параллельный гибрид со старт-стопом и умеренными уровнями поддержки двигателя или рекуперативного торможения. Мягкие гибриды обычно не могут обеспечить полностью электрическую тягу.

Мягкие гибриды, такие как параллельный гибридный грузовик General Motors 2004–2007 (PHT) и гибриды Honda Eco-Assist, оснащены трехфазным электродвигателем, установленным в колоколе между двигателем и трансмиссией, что позволяет выключить двигатель. всякий раз, когда грузовик движется по инерции, тормозит или останавливается, быстро перезапускайтесь для обеспечения мощности. Аксессуары могут продолжать работать от электроэнергии при выключенном двигателе, и, как и в других гибридных конструкциях, рекуперативное торможение возвращает энергию. Большой электродвигатель раскручивает двигатель до рабочих скоростей перед впрыском топлива.

Chevrolet Silverado PHT 2004–2007 гг. Был полноразмерным пикапом . Chevrolet удалось повысить эффективность на 10% за счет выключения и перезапуска двигателя по требованию и использования рекуперативного торможения. Электрическая энергия использовалась только для привода вспомогательного оборудования, такого как гидроусилитель руля. GM PHT использовал 42-вольтовую систему через три 12-вольтовые свинцово-кислотные батареи, соединенные последовательно (всего 36 В), для подачи энергии, необходимой для пускового двигателя, а также для питания электронных аксессуаров.

Затем General Motors представила свою гибридную систему BAS , еще одну реализацию умеренного гибрида, официально выпущенную на Saturn Vue Green Line 2007 года . Его функция «старт-стоп» работает так же, как и у Silverado, но через ременное соединение с двигателем / генератором. Однако гибридная система GM BAS также может оказывать умеренную помощь при ускорении и во время устойчивого движения, а также улавливать энергию во время рекуперативного (смешанного) торможения. В испытаниях Saturn VUE 2009 года, проведенных Агентством по охране окружающей среды, компания BAS Hybrid продемонстрировала повышение эффективности использования комбинированного топлива на 27%. Эту систему также можно найти на гибридах Saturn Aura 2008–2009 годов и Chevrolet Malibu 2008–2010 годов .

Другой способ предложить запуск / остановку — использовать двигатель статического запуска. Такой двигатель не требует стартера, но использует датчики для определения точного положения каждого поршня, а затем точно синхронизирует впрыск и зажигание топлива, чтобы включить двигатель.

Мягкие гибриды иногда называют гибридами с усилителем мощности, поскольку они используют ДВС в качестве основного источника энергии, с электродвигателем, увеличивающим крутящий момент, подключенным к (в основном) обычной силовой передаче. Электродвигатель установлен между двигателем и трансмиссией. По сути, это большой стартер, который срабатывает, когда двигатель нужно перевернуть, когда водитель «нажимает на газ» и требует дополнительной мощности. Электродвигатель также может перезапускать двигатель внутреннего сгорания и останавливать основной двигатель на холостом ходу, в то время как усовершенствованная аккумуляторная система используется для питания вспомогательного оборудования. GM анонсировала мягкие гибриды Buick LaCrosse и Buick Regal, получившие название Eassist.

До 2015 года гибриды Honda , включая Insight , использовали эту конструкцию, используя свой опыт создания небольших эффективных бензиновых двигателей; их система получила название Integrated Motor Assist (IMA). Гибриды IMA не могут обеспечить движение только на электроэнергии. Однако, поскольку количество необходимой электроэнергии намного меньше, размер системы уменьшается.

Другой вариант — это гибридная система Saturn Vue Green Line BAS, в которой используется электродвигатель меньшего размера (установлен сбоку от двигателя) и аккумулятор, чем в Honda IMA, но функционирует аналогично.

Другой вариант этого типа — система Mazda e-4WD, предлагаемая на Mazda Demio, продаваемую в Японии. Этот переднеприводный автомобиль оснащен электродвигателем, который может приводить в движение задние колеса, когда требуется дополнительное тяговое усилие . Система отключена во всех других условиях движения, поэтому она не напрямую увеличивает производительность или экономичность, но позволяет использовать двигатель меньшего размера и более экономичный по сравнению с общей производительностью.

Форд назвал гибриды Honda «мягкими» в своей рекламе Escape Hybrid, утверждая, что полностью гибридный дизайн Escape более эффективен.

Полные гибриды

Полный гибрид , иногда называемый также сильный гибрид , это транспортное средство , которое может работать только на двигатель, аккумуляторы, или комбинацию. Toyota Prius , Toyota Camry Hybrid , Ford Escape Hybrid / Mercury Mariner Hybrid , Ford Fusion Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid / Mercury Milan Hybrid , Ford C-Max Hybrid , Kia Optima Hybrid , а также General Motors 2-режим гибридных грузовики и Внедорожники являются примерами такого типа гибридизации, поскольку они могут работать только от батареи. Большой аккумулятор большой емкости обеспечивает работу только от аккумулятора. Эти автомобили имеют разделенный путь мощности, что обеспечивает большую гибкость трансмиссии за счет взаимного преобразования механической и электрической энергии. Чтобы уравновесить силы от каждой части, в транспортных средствах используется связь по типу дифференциала между двигателем и двигателем, соединенным с головной частью трансмиссии.

Торговая марка Toyota для этой технологии — Hybrid Synergy Drive , которая используется в Prius, гибридном внедорожнике Highlander и гибридном Camry . Компьютер наблюдает за работой системы, определяя, как смешивать источники питания. Операции Prius можно разделить на шесть различных режимов.

Режим электромобиля — ДВС выключен, и аккумулятор питает двигатель (или заряжается во время рекуперативного торможения). Используется для холостого хода , когда батарея состояние заряда (SOC) высока. Крейсерский режим — автомобиль движется по крейсерскому режиму (т.е. не ускоряется), и ICE может удовлетворить спрос. Мощность двигателя распределяется между механическим трактом и генератором. Аккумулятор также питает двигатель, мощность которого механически суммируется с двигателем. Если уровень заряда аккумулятора низкий, часть энергии от генератора заряжает аккумулятор. Режим повышенной передачи — часть энергии вращения производит электричество, потому что полная мощность ДВС не требуется для поддержания скорости. Эта электрическая энергия используется для вращения солнечной шестерни в направлении, противоположном ее обычному вращению. В результате коронная шестерня вращается быстрее, чем двигатель, хотя и с меньшим крутящим моментом. Режим зарядки аккумулятора — также используется для холостого хода, за исключением того, что в этом случае уровень заряда аккумулятора низкий и требуется зарядка, которая обеспечивается двигателем и генератором. Режим повышения мощности — используется в ситуациях, когда двигатель не может поддерживать желаемую скорость. Аккумулятор питает двигатель, дополняя мощность двигателя. Отрицательный режим разделения — автомобиль движется, а уровень заряда аккумулятора высокий. Батарея обеспечивает питание как двигателя (для обеспечения механической энергии), так и генератора. Генератор преобразует это в механическую энергию, которую он направляет на вал двигателя, замедляя его (но не изменяя его выходной крутящий момент). Целью этого «перетягивания» двигателя является повышение топливной экономичности транспортного средства.

Двойные гибриды

Примером двойных гибридов являются автомобили Формулы-1 .

Подключаемый гибрид

• Может быть подключен к электрической розетке для зарядки.
• Можно путешествовать с питанием только от аккумулятора.

Это полные гибриды, способные работать от батареи. Они предлагают большую емкость аккумулятора и возможность подзарядки от сети . Они могут быть как параллельными, так и последовательными. Их также называют гибридами с дополнительным газом или решетчатыми гибридами. Их главное преимущество заключается в том, что они могут работать независимо от бензина на значительных расстояниях, с увеличенным запасом хода ДВС для дальних поездок. Исследования Института электроэнергетики показали более низкую совокупную стоимость владения PHEV благодаря снижению затрат на обслуживание и постепенному совершенствованию аккумуляторной технологии. « Хорошо к колесу » эффективность и выбросы PHEVs по сравнению с бензиновыми гибридов зависит от источников энергии сетки (сетка США 30% угля , сетки Калифорнии в первую очередь природный газ , гидроэлектростанции и энергия ветра ).

Прототипы PHEV с более крупными аккумуляторными блоками, которые можно заряжать от электросети, были построены в США, в частности в Гибридном центре Энди Франка при Калифорнийском университете в Дэвисе . Одно производство PHEV, то Renault Kangoo , поступил в продажу во Франции в 2003 году DaimlerChrysler построил PHEVs на базе Mercedes-Benz Sprinter фургон . Легкие грузовики предлагает Micro-Vett SPA так называемый Daily Bimodale.

California Cars Initiative преобразовала Toyota Prius 2004 года выпуска и новее в прототип того, что она называет PRIUS +. С добавлением 140 кг (300 фунтов) свинцово-кислотных батарей , то ПРИУС + достигается примерно в два раза бензиновый пробег стандартного Prius и может совершать поездки до 16 км (10 миль) , используя только электрическую энергию.

Китайский производитель аккумуляторов и автопроизводитель BYD Auto выпустил компактный седан F3DM на китайский рынок автопарков 15 декабря 2008 года, который позже был заменен подключаемым гибридом BYD Qin .

General Motors начала поставки Chevrolet Volt в США в декабре 2010 года, а его собрат, Opel Ampera, был выпущен в Европе к началу 2012 года. По состоянию на ноябрь 2012 года на нескольких рынках были доступны другие подключаемые гибриды Fisker Karma. , Toyota Prius Plug-in Hybrid и Ford C-Max Energi .

По состоянию на октябрь 2012 года самым продаваемым PHEV является Volt: с декабря 2010 года по всему миру было продано более 33 000 единиц семейства Volt / Ampera, во главе с 27 306 продажами в США, за которыми следуют Нидерланды с 2175 амперами, проданными до октября 2012 года. Подключаемый модуль Prius Hybrid к октябрю 2012 года был продан по всему миру 21 600 единиц, из них в США было продано 9623 единицы, за ней следует Япония с 9 500 единицами.

Типы по источнику питания

Гибрид электродвигателя внутреннего сгорания

Есть много способов создать гибрид электрического двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Разнообразие конструкций электрического ДВС можно дифференцировать по тому, как соединяются электрическая часть трансмиссии и часть внутреннего сгорания трансмиссии, в какое время каждая часть работает и какой процент мощности обеспечивается каждым гибридным компонентом. Две основные категории — это серийные гибриды и параллельные гибриды , хотя сегодня наиболее распространены параллельные конструкции .

Большинство гибридов, независимо от их типа, используют рекуперативное торможение для восстановления энергии при замедлении транспортного средства. Это просто включает в себя привод двигателя, который действует как генератор.

Многие конструкции также отключают двигатель внутреннего сгорания, когда он не нужен, для экономии энергии. Эта концепция не уникальна для гибридов; Компания Subaru впервые внедрила эту функцию в начале 1980-х годов, и Volkswagen Lupo 3L является одним из примеров обычного автомобиля, который выключает двигатель при остановке. Однако необходимо предусмотреть некоторые аксессуары, такие как кондиционер, которые обычно приводятся в действие двигателем. Кроме того, системы смазки двигателей внутреннего сгорания по своей природе наименее эффективны сразу после запуска двигателя; Поскольку основная часть износа двигателя происходит при запуске, частый запуск и остановка таких систем значительно сокращают срок службы двигателя. Кроме того, циклы запуска и остановки могут снизить способность двигателя работать при оптимальной температуре, тем самым снижая эффективность двигателя.

Гибрид на электрическом топливном элементе

Транспортные средства на топливных элементах часто оснащаются аккумулятором или суперконденсатором для обеспечения максимальной мощности ускорения и уменьшения размеров и ограничений мощности для топливного элемента (и, следовательно, его стоимости); По сути, это также серийная гибридная конфигурация.

Двигатель внутреннего сгорания-гидравлический гибрид

Гидравлическое гибридное транспортное средство использует гидравлические и механические компоненты , а не электрический. Поршневой насос переменной заменяет электрический двигатель / генератор. Гидроаккумуляторы накапливает энергию. В сосуде обычно находится гибкий баллон с предварительно заряженным сжатым азотом. Перекачиваемая гидравлическая жидкость прижимается к баллону, накапливая энергию в сжатом газообразном азоте. Некоторые версии имеют поршень в цилиндре, а не баллон под давлением. Гидравлический аккумулятор потенциально дешевле и долговечнее аккумуляторов. Гидравлическая гибридная технология была первоначально внедрена в Германии в 1930-х годах. Volvo Flygmotor экспериментально использовала нефтегидравлические гибриды в автобусах с начала 1980-х годов.

Первоначальная концепция включала гигантский маховик (см. Gyrobus ) для хранения, подключенный к гидростатической трансмиссии. Система разрабатывается Eaton и рядом других компаний, в основном для тяжелых транспортных средств, таких как автобусы, грузовики и военные автомобили. Примером может служить концептуальный грузовик Ford F-350 Mighty Tonka, показанный в 2002 году. Он оснащен системой Eaton, которая может разгонять грузовик до скорости шоссе.

Компоненты системы были дорогими, что не позволяло устанавливать их в грузовики и легковые автомобили меньшего размера. Недостатком было то, что силовые двигатели были недостаточно эффективны при частичной нагрузке. Фокус переключился на автомобили меньшего размера. Британская компания совершила прорыв, представив гидравлический двигатель / насос с электронным управлением, который эффективен во всех диапазонах и нагрузках, что сделало возможным небольшое применение нефтегидравлических гибридов. Компания переделала автомобиль BMW, чтобы доказать свою жизнеспособность. BMW 530i дал вдвое больше топлива на галлон при езде по городу по сравнению со стандартным автомобилем. В тесте использовался стандартный двигатель объемом 3000 куб. Нефтепроводно-гидравлические гибриды позволяют уменьшить мощность двигателя до средней, а не пиковой мощности. Пиковая мощность обеспечивается энергией, накопленной в аккумуляторе.

Скорость восстановления кинетической энергии торможения выше, поэтому система более эффективна, чем гибриды с зарядкой от батареи 2013 года, демонстрируя прирост экономии от 60% до 70% в тестах EPA. В тестах EPA гидравлический гибрид Ford Expedition _{показал} 32 мили на галлон (7,4 л / 100 км) при движении по _городу и 22 мили на галлон (11 л / 100 км) на шоссе.

Целью одной исследовательской компании было создание нового дизайна для улучшения упаковки бензино-гидравлических гибридных компонентов. Все громоздкие гидравлические компоненты были интегрированы в шасси. Одна конструкция утверждала, что при испытаниях она достигает 130 миль на галлон с использованием большого гидроаккумулятора, который также является структурным шасси. Гидравлические приводные двигатели встроены в ступицы колес и реверсируют для рекуперации энергии торможения. Цель — 170 миль на галлон в средних условиях вождения. Энергия, создаваемая амортизаторами, и кинетическая энергия торможения, которая обычно тратится впустую, помогает заряжать аккумулятор. ДВС, рассчитанный на среднее потребление энергии, заряжает аккумулятор. Аккумулятор рассчитан на работу автомобиля в течение 15 минут при полной зарядке.

В январе 2011 года Chrysler объявила о партнерстве с EPA для проектирования и разработки экспериментальной бензино-гидравлической гибридной трансмиссии, подходящей для использования в легковых автомобилях. Chrysler адаптировал существующий серийный минивэн к трансмиссии.

NRG Dynamix из США заявила, что ее подход снизил стоимость на одну треть по сравнению с электрическими гибридами и добавил всего 300 фунтов (136 кг) к весу транспортного средства по сравнению с 1000 фунтов (454 кг) для электрических гибридов. Компания заявила, что стандартный пикап с 2,3-литровым 4-цилиндровым двигателем достигает 14 миль на галлон (16,8 л / 100 км) при движении по городу. При использовании нефтехимической установки экономия топлива достигла «середины 20-х».

Двигатель внутреннего сгорания-пневматический

Сжатый воздух может приводить в действие гибридный автомобиль с бензиновым компрессором, обеспечивающим мощность. Компания Motor Development International во Франции разрабатывала такие автомобили с воздушным двигателем. Команда, возглавляемая Цу-Чин Цао, профессором механической и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе , сотрудничала с инженерами Ford для создания и внедрения пневматической гибридной технологии. Система похожа на систему гибридно-электрического транспортного средства в том, что энергия торможения используется и сохраняется, чтобы помочь двигателю по мере необходимости во время ускорения.

Человеческая сила-сила окружающей среды

Многие наземные и водные транспортные средства используют человеческую энергию в сочетании с дополнительным источником энергии. Обычными являются параллельные гибриды, например, парусная лодка с веслами, моторизованные велосипеды или гибридное транспортное средство с человеком и электричеством, такое как Twike . Существуют гибриды нескольких серий. Такие транспортные средства могут быть трехрядными транспортными средствами , объединяющими три источника энергии, например бортовые солнечные батареи, аккумуляторные батареи и педали.

Режимы работы гибридного автомобиля

Гибридные автомобили можно использовать в разных режимах. На рисунке показаны некоторые типичные режимы параллельной гибридной конфигурации.

http://zen.yandex.ru/media/unlock_autoblog/konstruktiv-kak-ustroena-gibridnaia-transmissiia-toyota-priusch1-5c4de1c13f060000adf5c7ae
http://ru.qaz.wiki/wiki/Hybrid_vehicle_drivetrain