КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

2.КЛАССИФИКАЦИЯ КЭУ

2.1.Классификация по функциям

Согласно зарубежным источникам существует несколько подходов при классификации автомобилей с комбинированными энергетическими установками. Критериями в данном случае могут являться функциональные особенности КЭУ или схемы циркуляции потоков мощности. Всё это вместе и по отдельности может определить конструктивные варианты выполнения КЭУ и параметры её основных узлов и агрегатов.

Так как в зарубежной литературе и, соответственно, в переводах КЭУ называют "гибридами", то по функциональным возможностям они классифицируются следующим образом:

–"микрогибрид" (micro hybrid),

–"средний гибрид" (mild hybrid),

–"полный гибрид" (full hybrid).

Один из вариантов предлагаемой за рубежом классификации автомобилей с КЭУ приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Классификация КЭУ по функциям

Эта классификация весьма условна, не всегда однозначна и вызывает путаницу. При такой классификации указанные функции КЭУ несколько расходятся с техническими признаками.

Например, функцией системы "микрогибрид" является только "старт – стоп", а систему называют "гибридом". В функциях "среднего гибрида" не указана возможность движения только на электротяге, хотя к примерам среднего гибрида относят автомобили, имеющие эту функцию, и, наоборот, в качестве примеров "среднего гибрида" при-

11

водят автомобили только с системой"старт – стоп", но имеющие более мощный стартер-генератор по сравнению с "микрогибридом".

Для внесения ясности целесообразно предложить однозначную классификацию, основанную на следующих отличительных признаках КЭУ:

–два источника энергии: бензин или дизельное топливо и электрохимический источник;

–два двигателя: ДВС и электрический;

–работа ДВС на режимах минимальных удельных расходов то-

плива;

–остановка ДВС при остановках автомобиля с последующим запуском без использования штатного стартёра(с помощью системы "старт – стоп" или с хода автомобиля засчёт накопленной им кинетической энергии);

–возможность движения только на электротяге, только на ДВС

ина обоих двигателях одновременно;

–рекуперация энергии при торможении и накопление её при избытке мощности ДВС;

–мощность электрического двигателя должна составлять не менее 30% от мощности ДВС;

–удельная мощность накопителей (мощность накопителей, отнесённая к полной массе автомобиля) не менее 3 Вт/кг.

Возвращаясь к зарубежной классификации, следует разобраться, являются ли автомобили, имеющие название "микрогибрид" и "средний гибрид" автомобилями с КЭУ согласно вышеизложенным признакам.

2.1.1. "Микрогибрид"

Отличительной особенностью "микрогибрида" является наличие стартер-генератора, предназначенного для работы системы"старт – стоп". Система "старт – стоп" обеспечивает автоматическую остановку двигателя при остановке автомобиля и его автоматический запуск при необходимости продолжения движения и предназначена для экономии топлива в условиях городского движения[9]. Других признаков, определяющих принадлежность этой системы к автомобилям с КЭУ нет, таким образом, "микрогибриды" нельзя считать автомобилями с КЭУ. Систему "старт – стоп" имеют, например, Citroёn C3, Saturn Aura Greenlinie Hybrid, Saturn Vue Greenlinie Hybrid.

12

Система "старт – стоп" может быть нескольких конструктивных исполнений. При одной из компоновочных схем, реализуемой компанией Continental, стартер – генератор выполняется в одном узле с маховиком (рис. 2.1).

Узел называют ISAD (Integrated Starter Alternator Damper – интегри-

рованный стартер-генератор – гаситель вибраций). Система "старт – стоп" устанавливается не только на "микрогибриды", для которых она является, единственной, относясейся к КЭУ (GMC Sierra, Chevrolet Silverado), но и на"средние гибриды": Mercedes S 400 BlueHybrid, Honda Civic Hybrid, Citroёn C4 HDi Hybrid.

В другом конструктивном -ис полнении, предлагаемом фирмой Valeo[29], стартер-генератор, представляющий собой обратимую элек-

трическую машину переменного тока, может быть установлен на месте штатного генератора и связан с коленчатым валом ДВС ремённой передачей (рис. 2.2).

1 - компрессор кондиционера; 2 - шкив коленчатого вала; 3 - реверсивный натяжитель; 4 - стартер-генератор

Рис. 2.2. Citroёn C3 с системой "старт – стоп" в конструктивном исполне-

нии Valeo.

13

Примерами автомобилей, имеющих только систему"старт – стоп" в конструктивном исполнении Valeo, могут служить Citroёn C3, Saturn Aura Greenlinie Hybrid (рис. 2.3), Saturn Vue Greenlinie Hybrid.

Рис. 2.3. Saturn Aura Greenlinie Hybrid с системой "старт – стоп" в конст-

руктивном исполнении Valeo.

Применение системы "старт – стоп" позволяет снизить расход топлива до 10% в городском, и до 6% в смешанном цикле.

Однако, при любом конструктивном исполнении подзарядка штатной или небольшой дополнительной батареи в системе"старт – стоп" происходит только при работе ДВС, как при работе обычного штатного генератора, рекуперации энергии торможения в этой системе нет. ДВС не работает по характеристике минимальных удельных расходов. Обратимая электромашина не предназначена для движения автомобиля в электрорежиме, т.к. её мощности достаточно только для запуска ДВС.

Таким образом, при любом конструктивном исполнении в системе "старт – стоп" отсутствуют многие признаки КЭУ: движение на электротяге; полноценная рекуперация; работа ДВС в режиме минимальных удельных расходов; соотношение мощностей теплового и электрического двигателей намного меньше 30 %. К признакам КЭУ относится только отсутствие штатного стартера – остановка ДВС при остановках автомобиля с последующим запуском без использования штатного стартера. Следовательно, автомобили, имеющие только систему "старт – стоп" нельзя отнести к автомобилям с КЭУ, т.е. "микрогибрид" – это автомобиль в штатной комплектации с системой "старт – стоп".

Однако, Chevrole Silverado и GMS Sierra 2004 г., имеющие толь-

ко систему "старт – стоп", согласно зарубежной классификации отно-

14

сятся даже не к "микро", а к "средним гибридам". Благодаря использованию более мощного стартер– генератора на этих автомобилях бортовое напряжение достигает 110 В, а мощность 2400 Вт, что позволяет пользоваться, например, электроинструментом. Мощность ДВС у них 216 кВт, мощность стартер – генератора 14 кВт (по мощности электромашины – это уже не "старт – стоп", а по соотношению мощностей – ещё не "полный гибрид"). Для помощи ДВС при разгоне электродвигатель не используется. Таким образом, по функциям эти автомобили относятся к автомобилям с системой"старт – стоп", а по техническим признакам (мощности электромашины) – к "среднему гибриду".

2.1.2. "Средний гибрид"

Зарубежные литературные источники к "средним гибридам" относят автомобили, имеющие помимо системы"старт – стоп" функцию разгона на обоих двигателях для достижения максимального ускорения. Отличие в технических признаках заключается в установке электромашины большей мощности, которая может использоваться как для обеспечения почти всех функций КЭУ, включая запуск ДВС, так и только в помощь ДВС при разгоне и обеспечении равномерного движения, а запуск ДВС обеспечивает отдельный стартер– генератор. Например, на Citroёn C4 HDi ДВС не запускается с хода замыканием сцепления, а заводится стартер – генератором.

В конструкциях средних гибридов чаще всего небольшой электродвигатель (обратимая электромашина) встраивается между ДВС и трансмиссией. В этом случае тепловой и электрический двигатели могут быть разделены сцеплением или связаны между собой жёстко, тогда при движении в электрорежиме электродвигатель вынужден помимо колёс проворачивать ещё и вал ДВС. В отличие от системы "старт – стоп" электродвигатель в этом случае становится механически связан с колёсами, то есть можно обеспечить движение в электрорежиме; присутствует рекуперация энергии торможения, но это только некоторые признаки КЭУ. Судя по соотношению мощностей теплового и электрического двигателей не всегда можно обеспечить работу ДВС по характеристике минимальных удельных расходов. В некоторых случаях в системе "средний гибрид" снижение расхода топлива осуществляется установкой ДВС меньшей, чем требуемая, мощности. Недобор мощности компенсирует электродвигатель при совместной с ДВС работе во время разгона.

15

При установке на "средний гибрид" штатного ДВС и электродвигателя небольшой мощности запас мощности ДВС для заряда накопителей может оказаться слишком большим, и работа ДВС в режиме минимальных удельных расходов тоже будет невозможна. В этом случае, даже при совмесной работе ДВС и электродвигателя, динамика автомобиля не улучшится.

Взарубежной классификации для "средних гибридов" не указана функция электрорежима, хотя к примерам средних гибридов согласно мощности ЭД относятся автомобили, имеющие эту функцию: на Honda Civic Hybrid электродвигатель может обеспечить равномерное движение с невысокой скоростью, на Citroёn C4 HDi ЭД может обеспечить не только равномерное движение, но и разгон до 50 км/ч, следовательно, по указанным функциям это"полные гибриды", а по мощности ЭД – "средние".

На Chevrole Silverado и GMS Sierra 2004 г. нет электрорежима,

есть только система "старт – стоп", но по зарубежной классификации они тоже относятся к"средним гибридам". На Mercedes S 400 BlueHybrid тоже нет электрорежима, но есть совместная работа ДВС и ЭД

исистема "старт – стоп" – единственный автомобиль, который и по всем функциям и по техническим признакам – "средний гибрид".

Таким образом, получается, что в "средних гибридах" функция электрорежима может как присутствовать, так и отсутствовать; загрузка ДВС по характеристике минимальных расходов может как быть, так и не быть.

Врезультате такие системы могут не обеспечивать работу ДВС по ХМУР, и в ряде случаев допускают лишь кратковременное движение в электрорежиме с небольшими скоростями. Чётким отличием от системы "старт – стоп" можно считать рекуперацию энергии при торможении и связь электродвигателя с трансмиссией. Как показывает анализ зарубежной периодической литературы, "средний гибрид" – это система с неявно выраженными функциями КЭУ, но с мощностью электромашины порядка 14 – 16 кВт. Таким образом, некоторые автомобили этой группы могут быть отнесены к автомобилям с КЭУ,

анекоторые к традиционным автомобилям с дополнительными функциями.

Вкачестве примеров"средних гибридов" можно привести: Chevrolet Silverado 2004, Citroёn C4 Hybrid HDi 2006, Citroёn C- Metisse 2006, GMS Sierra 2004, Honda Civic IMA 2004, Honda Civic IMA 2006, Honda Insight IMA 1999, Kia Rio Hybrid 2007, Peugeot 307 Hybrid HDi 2006, Mercedes S 400 BlueHybrid.

16

2.1.3. "Полный гибрид"

Абсолютно всеми признаками КЭУ обладают"полные гибриды". Только для них функциональные возможности согласно зарубежной классификации и приведённые выше признаки КЭУ совпадают. К "полным гибридам" относятся: Audi Duo 1997, Audi Q7 Hybrid 2005, BMW X3 Efficient Dynamics 2005, Chevrolet Tahoe Hybrid 2008, Chevrolet Volt Concept 2007, Daihatsu Hybrid Vehicle Sports 2005, Daihatsu UFE-III 2005, Ford Escape Hybrid 2005, GMC Yukon Hybrid 2008, Lexus GS450h 2006, Lexus RX400h 2005, Lexus LS600h 2007, Mazda Tribute HEV 2007, Mercury Mariner Hybrid 2006, Nissan Altima Hybrid 2006, Opel Astra GTC Diesel Hybrid 2005, Saab BioPower Hybrid 2006, Subaru B5-TPH 2005, Toyota Camry Hybrid 2006, Toyota Estima Hybrid 2006, Toyota Hybrid X 2007, Toyota Prius 2001, Toyota Prius 2006, Volkswagen Touran EcoPower II 2007 и дру-

гие.

Проведённый анализ показал, что зарубежная классификация по функциям является некорректной, так как смешивает признаки классификации. Наиболее чётким признаком классификации комбинированных энергетических установок являются схемы передачи энергии, следовательно, и классифицировать их целесообразно по этим признакам.

2.2. Классификация по схемам передачи энергии

Принципиальным признаком, отличающим различные схемы КЭУ друг от друга, может быть наличие или отсутствие механической связи ДВС с ведущими колёсами автомобиля. В настоящее время известно множество конструкций КЭУ автомобилей, причём производители дают им свои собственные фирменные названия[5]. Однако все их можно разделить на четыре принципиально отличающиеся схемы передачи энергии:

-последовательную (Seriell Hybrid);

-параллельную (Parallel Hybrid);

-дифференциальную (Powersplit Hybrid);

-последовательно-параллельную (патент на изобретение РФ № №2424919 от 27.07.2011 г.) [19].

17

2.2.1. КЭУ с последовательной схемой передачи энергии

Отличительной особенностью такой схемы является отсутствие механической связи ДВС с ведущими колёсами автомобиля (рис. 2.4). В этом случае коленчатый вал двигателя(1), работающего на постоянном режиме минимального удельного расхода топлива, вращает только ротор электрического генератора(2). В приводе ведущих колёс установлена обратимая электрическая машина (ОЭМ) (3), которая соединена с накопителями электрической энергии(6) (аккумуляторами или конденсаторами). Так как накапливать можно только электроэнергию постоянного тока, а электромашины в КЭУ, как правило, переменного тока, то между ними устанавливается соответствующий преобразователь (5).

5 6

1

4

Рис. 2.4. КЭУ с последовательной схемой передачи энергии:

1 – ДВС, 2 – генератор, 3 – обратимая электромашина, 4 – ведущий мост, 5

– преобразователь, 6 – накопитель электрической энергии, 7 – топливный бак.

Схема получила своё название в связи с тем, что энергия последовательно передаётся от ДВС к генератору, от генератора к ОЭМ, от ОЭМ к ведущим колёсам.

В зависимости от режима работы ДВС и условий дорожного движения, электрический ток, вырабатываемый генератором, может подаваться:

-только на ОЭМ, работающую, в этом случае, в режиме электродвигателя;

-только в накопитель энергии;

-одновременно в оба эти устройства.

При замедлении транспортного средства ОЭМ работает в режиме генератора, оказывая сопротивление его движению и обеспечивая рекуперацию кинетической энергии. Таким образом, режим работы ДВС не зависит от параметров движения транспортного средства в

18

данный момент времени. Нагрузка на ДВС определяется только генератором.

Достоинствами последовательной схемы являются возможность работы ДВС на режиме минимального удельного расхода топлива при постоянной частоте вращения коленчатого вала, бесступенчатое изменение передаточного числа трансмиссии и её значительное -уп рощение. Недостатком – малый КПД системы передачи энергии от ДВС до ведущих колёс. По этим причинам КЭУ с последовательной схемой передачи энергии редко встречается в трансмиссиях легковых автомобилей, но получила весьма широкое распространение на грузовых автомобилях и автобусах.

2.2.2. КЭУ с параллельной схемой передачи энергии

При параллельной схеме передачи энергии (рис. 2.5 а, б) ДВС имеет механическую связь с ведущими колёсами. На автомобиле, в отличие от последовательной схемы, может быть установлена только одна электрическая машина(3). Она должна быть обратимой, т.е. иметь возможность работать как в режиме электрического генератора, так и в режиме электрического двигателя. ДВС (1) и ОЭМ (3) могут передавать крутящие моменты на трансмиссию автомобиля как раздельно, так и совместно. ДВС, работающий по ХМУР, через трансмиссию отдаёт энергию ведущим колёсам автомобиля и при избытке его энергии может через ОЭМ (3), работающую в этом случае в режиме генератора, питать накопитель (7). При недостатке энергии ДВС для движения автомобиля дополнительная энергия к ведущим колёсам может подводиться от ОЭМ, работающей в режиме электродвигателя.

Достоинством параллельной схемы является более высокий КПД передачи энергии от первичного двигателя(ДВС) к ведущим колёсам в сравнении с последовательной и возможность применения одной электромашины вместо двух. Недостатками являются обязательное усложнение трансмиссии (так как нужно обеспечить подвод крутящего момента как отдельно от ОЭМ, так и отдельно от ДВС), сложность, а в некоторых случаях и невозможность, обеспечения работы ДВС в режиме минимальных удельных расходов топлива и определённое усложнение механизмов управления трансмиссией.

19

6 7

1 2

3 8

а) 1 – ДВС, 2 – сцепление, 3 – обратимая электромашина, 4 – механический трансформатор крутящего момента, 5 – ведущий мост, 6 – преобразователь, 7 – накопитель электрической энергии, 8 – топливный бак.

6 7

5

б) 1 – ДВС, 2 – механический трансформатор крутящего момента, 3 – обратимая электромашина, 4 – задний ведущий мост, 5 – передний ведущий мост, 6 – преобразователь, 7 – накопитель электрической энергии, 8 – топливный бак.

Рис. 2.5. КЭУ с параллельной схемой передачи энергии:

а) с приводом от ДВС и ОЭМ на общую трансмиссию, б) с приводом от ДВС и ОЭМ на разные оси.

Параллельная схема КЭУ может быть реализована в двух вариантах исполнения. В первом варианте (рис. 2.5 а) ДВС и ОЭМ связаны с ведущими колёсами через общую трансмиссию. ДВС связан с трансмиссией через сцепление(2) и механический трансформатор крутящего момента (4). Такую схему передачи энергии имеют, на-

пример, КЭУ автомобилей Audi Q7, BMW X3, X5, Citroёn C4 HDi, Honda Civic Hybrid, Subaru B5-TBH, Mitsubishi Canter и другие.

Во втором варианте исполнения(рис. 2.5 б) ДВС и ОЭМ передают крутящией моменты на разные оси: например, ДВС приводит в движение колёса передней оси, ОЭМ – задней, или наоборот, а при совместной работе обоих двигателей автомобиль становится полноприводным. В зарубежной литературе такую схему иногда называют

20