КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Through the Road Hybrid, то есть с возможностью зарядки накопителей не через трансмиссию, как в предыдущем случае, а через дорогу – от колёс. В этом случае возможен такой режим, при котором тяга автомобиля осуществляется от ДВС, а излишки его энергии направляются в накопитель электрической энергии от колёс другого моста. Таким образом, колёса одного моста работают в тяговом режиме, а другого – в тормозном, что исключается при других схемах. С использованием такой схеме передачи энергии выполнены, например,

КЭУ автомобилей Saab BioPower, Audi metroproject quattro, Citroën C- Métisse, экспериментального автомобиля-лаборатории МАМИКВАНТ на базе УАЗ-3153 и другие.

Как видно, в обоих вариантах исполнения энергия передаётся двумя параллельными потоками, из-за чего схема и получила своё название.

2.2.3. КЭУ с дифференциальной схемой передачи энергии

При дифференциальной схеме (рис. 2.6), которую часто называют термином "сплит" (от английского split – разделённый пополам), ДВС (1) и две обратимые электромашины (3) и (4) связаны между собой и с ведущим мостом(5) через планетарную передачу (2). Водитель регулирует скорость движения путём воздействия на электронный блок управления, который в зависимости от режима движения и положения педали управления изменяет частоты вращения роторов обратимых электромашин [48, 50, 51]. В результате передаточное число трансмиссии будет изменяться бесступенчато.

6 7

5

1

3 2 4

8

Рис. 2.6. КЭУ с дифференциальной схемой передачи энергии:

1 – ДВС, 2 – дифференциальный механизм, 3 – генератор, 4 – обратимая электромашина, 5 – ведущий мост, 6 – преобразователь, 7 – накопитель электрической энергии, 8 – топливный бак.

21

Дифференциальный механизм (рис. 2.7) представляет собой простой планетарный ряд, солнечная шестерня которого связана с ротором одной из ОЭМ(генератором). Водило связано с коленчатым валом ДВС, при этом выходным звеном планетарной передачи является коронная шестерня, связанная с ротором второй ОЭМ(электродвигателем). В зависимости от соотношения частот вращения обратимых электромашин бесступенчато изменяется передаточное число трансмиссии.

ДВС

Рис. 2.7. Планетарный механизм КЭУ с дифференциальной схемой передачи энергии.

К достоинствам этой схемы следует отнести относительно высокий КПД передачи энергии от ДВС к ведущим колёсам и возможность работы ДВС на режиме минимальных удельных расходов топлива, к недостаткам – усложнение механической части трансмиссии (установка дополнительной планетарной передачи) и усложнение системы управления автомобилем. Такая схема передачи энергии применена, например, в КЭУ автомобилей Toyota Prius, Lexus RX400h, Lexus LS 600hL, Ford Escape, Daihatsu и другие.

2.2.4. КЭУ с последовательно-параллельной схемой передачи энергии

Существует возможность конструктивного объединения в одной КЭУ последовательной и параллельной схем для использования преимуществ каждой из них. Может оказаться, что в одних условиях движения ТС выгоднее использовать последовательную схему передачи энергии в КЭУ, а в других – параллельную. В этом случае необ-

22

ходимо предусмотреть в одной конструкции возможность реализации обеих схем. При такой схеме передачи энергии необходимо использовать две электрические машины, как в последовательной схеме, но при этом должна быть обеспечена механическая связь ДВС с ведущими колёсами, в которой необходиимо предусмотреь связующий узел с возможностью размыкания этой связи. Таким узлом может являться многодисковая фрикционная муфта, расположенная между этими электрическими машинами. При этом, в зависимости от состояния фрикционной муфты (замкнута – разомкнута), ДВС может быть как связан механически с ведущими колёсами, так и не связан. Следовательно, схема передачи энергии в КЭУ может быть как последовательной, так и параллельной. Последовательно-параллельная схема может быть выполнена как с приводом на общую трансмиссию (рис. 2.8 а), так и с приводом на разные оси (рис. 2.8 б).

6 7

2 4

3 5

1

8

а) 1 – ДВС, 2 – соединительная муфта 1, 3 – обратимая электромашина 1, 4 – соединительная муфта 2, 5 – обратимая электромашина 2, 6 – преобразователь электрической энергии, 7 – накопитель электрической энергии, 8 – топливный бак.

б) 1 – ДВС с соединительной муфтой 1, 2 – обратимая электромашина 1, 3 – соединительная муфта 2, 4 – редуктор, 5 – обратимая электромашина 2, 6 – п электрической энергии, 7 – накопитель электрической энергии, 8 – топливный бак.

Рис. 2.8. КЭУ с последовательно-параллельной схемой передачи энергии: а) с приводом от ДВС и ОЭМ на общую трансмиссию, б) с приводом от ДВС и

ОЭМ на разные оси.

23

Последовательно-параллельная схема является новым шагом в развитии комбинированных энергетических установок и запатентована сотрудниками научно-технического центра"Автомобили с КЭУ" Университета машиностроения [7, 19, 20, ].

Таким образом, согласно вышеизложенной классификации, на настоящий момент существует в КЭУ только четыре схемы передачи энергии. Остальные типы КЭУ, упоминающиеся в зарубежной литературе, являются конструктивным исполнением одной из указанных выше схем. КЭУ, подзаряжаемые от сети (Plug-In Hybrid), могут быть выполнены по любой схеме.

3. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ КЭУ С РАЗЛИЧНЫМИ СХЕМАМИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

3.1. Конструктивное исполнение КЭУ с последовательной схемой передачи энергии

КЭУ с последовательной схемой передачи энергии является самой простой в реализации, поскольку не имеет механической трансмиссии. Общепризнано, что её использование целесообразно в транспортных средствах, эксплуатация которых характеризуется либо выраженно переменными режимами движения с множеством остановок (городские автобусы), либо специфическими условиями работы (лесная техника, военная техника и прочая спецтехника) (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Примеры транспортных средств, имеющих КЭУ с последовательной схемой передачи энергии.

Немногие производители использовали последовательную схему для легковых автомобилей. Примерами могут служить GM, Fiat Multipla 2005 г. (рис. 3.2), GM, Chevrolet Volt, Volvo ReCharge.

24

1

2

Fiat Multipla 2005 г.:

1 – ДВС, 2 – генератор, 3 – электродвигатель, 4 - накопители

Рис. 3.2. Пример легкового автомобиля, имеющего КЭУ с последовательной схемой передачи энергии.

Наибольшее распространение КЭУ с последовательной схемой передачи энергии получила на грузовых автомобилях и автобусах по следующим причинам. Применение последовательной схемы имеет смысл тогда, когда масса транспортного средства меняется значительно, тогда и мощность, требуемая для его движения будет меняться в широких пределах. В этом случае при использовании параллельной схемы передачи энергии частота вращения вала ДВС будет -ме няться в относительно широком диапазоне и не позволит обеспечить работу ДВС по характеристике минимальных удельных расходов топлива. Может получиться так, что ДВС большую часть времени будет работать по характеристикам с наибольшими удельными расходами толлива.

Минимальный удельный расход топлива и минимальную токсичность выхлопных газов можно получить только при строго определенной частоте вращения и нагрузке на вал двигателя. Поэтому, если требуется обеспечить эффективную и экономичную работу транспортного средства при значительном диапазоне изменения фактической массы (например, автобус или грузовой развозной автомобиль), предпочтение следует отдатьКЭУ с последовательной схемой передачи энергии. Выбор КЭУ с последовательной схемой передачи энергии позволит создать конструктивно простую установку достаточно

просто адаптирующуюся к изменению количества потребной для

25

движения энергии за цикл, однако, с меньшим по сравнению с другими схемами КПД. При выполнении КЭУ например, автобуса с параллельной схемой передачи энергии диапазона регулирования нагрузки ДВС, которая обеспечивается генератором и тяговым электродвигателем, может оказаться недостаточно. Потребуется изменение режима работы ДВС, что проявится заметным ухудшением экономичности ДВС и повышением токсичности выхлопных газов. На автобусах потребная для движения мощность изменяется в значительных пределах, и, добившись экономичной работы в одном диапазоне нагрузок невозможно не ухудшить экономические показатели в других диапазонах, что может свести на нет все преимущества КЭУ . В связи с этим КЭУ с последовательной схемойпередачи энергии наиболее целесообразна для грузовых развозных автомобилей и автобусов. По такой схеме выполнены, например, КЭУ автобусов: MAN Lion’s City Hybrid, разработанный компаниями MAN Nutzfahrzeuge AG и Siemens; Orion VII Next Generation, производителем которого является Daimler AG; Solaris Urbino 18 Hybrid – прототип польской компании Solaris Bus & Coach; ЛиАЗ-5292Х (рис. 3.3) и др.

MAN Lion’s City Hybrid, разработанный компаниями MAN Nutzfahrzeuge AG и Siemens.

26

ЛиАЗ-5292Х

Рис. 3.3. Примеры автобусов, имеющих КЭУ с последовательной схемой передачи энергии.

В настоящее время ведутся разработки так называемых электромобилей с увеличенным пробегом(range-extended electric vehicles), в том числе легковых (рис. 3.4), которые, как правило, основаны на КЭУ с последовательной схемой передачи энергии с уменьшенной по мощности и массе двигатель-генераторной установкой и увеличенным блоком аккумуляторных батарей. Реализация электропривода колёс таких электромобилей может быть различной: от электромашины через механическую трансмиссию; от электромашин, расположенных около колёс (например, автомобиль БАЗ с КЭУ разработки МАМИ-КВАНТ (рис. 3.5)), от мотор-колёс. Индивидуальный привод колёс обеспечивает расширение функциональности за счёт использования несимметричной тяг на колёсах(особенности рассмотрены в разделе 5).

27

Рис. 3.4. Электромобиль Audi с увеличенным пробегом.

Генератор с системой Система управления тяго- автоматического управления вым электроприводом

Тяговые электродвигатели

Рис. 3.5. Автомобиль БАЗ с КЭУ разработки МАМИ-КВАНТ с электромашинами около колёс.

3.2. Конструктивное исполнение КЭУ с параллельной схемой передачи энергии

Несомненно, больше всего моделей гибридных автомобилей (как легковых, так и грузовых) имеют КЭУ с параллельной схемой передачи энергии. Среди них и второй по объёму выпуска в мире ав-

томобиль с КЭУ – Honda Insight.

В КЭУ с параллельной схемой передачи энергии режим работы ДВС зависит от параметров движения транспортного средства в дан-

28

ный момент времени (скорость, ускорение, фактическая масса, коэффициент сопротивления качению, подъём). ДВС в таких КЭУ работает в большинстве случаев в некотором диапазоне частот вращения и нагрузок. Некоторая часть энергии ДВС поступает на колёса с минимальными потерями через механическую трансмиссию, но, в то же время, в самом ДВС потери энергии несколько больше. "Электрическая часть" силовых агрегатов КЭУ сглаживает неравномерность нагрузки на первичный двигатель и исключает его работу в наиболее неэффективных режимах. По сравнению с двигателем ТС традиционной конструкции, ДВС транспортного средства с КЭУ с параллельной схемой передачи энергии может иметь меньшую мощность и согласно вышесказанному работает в меньших диапазонах изменения частоты вращения коленчатого вала и нагрузок.

Самый распространенный вариант параллельной схемыпередачи энергии – это расположенные друг за другом ДВС, сцепление, обратимая электромашина и автоматическая трансмиссия. Наличие сцепления между ДВС и ОЭМ позволяет реализовать движение в режиме электромобиля без прокручивания вала ДВС. Многоступенчатая автоматическая коробка передач может быть активно использована не только совместно с ДВС, но и при движении на электротяге (о преимуществах коробки передач в электроприводе– см. раздел 4). В качестве коробки передач может быть применён механическийва риатор (Honda Insight), либо ГМП (Volkswagen Touareg), либо авто-

матизированная механическая КП (Peugeot 3008 Hybrid).

В КЭУ с параллельной схемой передачи энергииHonda Civic Hybrid и Citroёn C4 HDi электродвигатель (обратимая электромашина) установлен между ДВС и коробкой передач (рис. 3.6 а, б).

За силовым агрегатом IMA (Integrated Motor Assist) Honda Civic Hybrid установлена бесступенчатая передача и между коленчатым валом ДВС и электродвигателем сцепления нет, они вращаются заодно.

В связи с этим движение автомобиля начинается только от ДВС или совместно от ДВС и электродвигателя(для обеспечения максимального ускорения). Начало движения в электрорежиме невозможно, судя по всему, из-за проблем с последующим запуском ДВС. Возможно только равномерное движение на электродвигателе с небольшой скоростью, при этом электродвигатель вынужден прокручивать вал ДВС, преодолевая трение поршневых колец о стенки цилиндров. ДВС при этом работает в режиме, когда все клапаны закрыты.

29

а)

б)

Рис. 3.6. КЭУ Honda Civic Hybrid:

а) ДВС с электромашиной; б) КЭУ с вариатором в сборе

На Citroёn C4 HDi (рис. 3.7 а, б) дизельный ДВС и обратимая электромашина разделены сцеплением, за электромашиной установлена шестиступенчатая роботизированная механическая коробка пе-

30