Содержание

Как устроена гибридная трансмиссия?

Кажется, что только гибридные автомобили, которые работают на бензине или дизеле и одновременно используют электричество, могут соответствовать экологическим нормам, которые в странах Европы постоянно ужесточаются. Производители непрерывно совершенствуют двигатели и вынуждены заниматься модернизацией трансмиссий как одного из главных элементов общего устройства автомобиля.

Шасси Toyota Prius

Коробка передач никогда не строилась и не переоборудовалась отдельно от мотора — каждая трансмиссия строится под конкретные внешние скоростные характеристики определенного двигателя. Чтобы поддерживать малообъемный двигатель в зоне оптимальных рабочих оборотов, была создана многоступенчатая КП.

С того момента, как в автомобиль стали устанавливать два рабочих двигателя (ДВС и электромотор), пришлось модернизировать и элементы трансмиссии, переводя их работу на два источника энергии.

Классы гибридных трансмиссий

Гибридные трансмиссии классифицируются по принципу подключения:

последовательно;
параллельно;
по смешанной схеме.

Особенности последовательной гибридной трансмиссии

В данной схеме трансмиссии электрический мотор передает энергию на главные ведущие колеса, мотор (чаще всего бензиновый) передает свой КПД на генератор. Главной особенностью параллельной трансмиссии является то, что электромотор может обеспечить максимальную мощность (в своих пределах) в любой момент. С помощью электромотора намного легче привести в движение транспорт огромной массы с большой силой инерции.

Устройство последовательной гибридной трансмиссии

Топливный ДВС запускает генератор, энергия которого заряжает аккумулятор и в дальнейшем переходит на электродвигатель, который обеспечивает крутящий момент и передает его на колеса. В таком рабочем цикле из трансмиссии исключаются коробка передач и блок сцепления. Энергия рекуперативного торможения не переходит в тепло, а направляется для дополнительного питания аккумуляторной батареи.

Гибридная трансмиссия последовательного типа позволяет использовать ДВС очень малой мощности, а в режиме «город» при езде на минимальной скорости и с частыми остановками ДВС возможно отключить полностью. Последовательная схема трансмиссии широко используется в городском транспорте и самосвалах, где аккумуляторы имеют максимальную емкость и большой объем при скромных объемах и минимальной мощности ДВС.

Chevrolet Volt оборудован последовательной гибридной системой

Chevrolet Volt, построенный General Motors в 2010 году, использует в своем силовом блоке последовательную гибридную трансмиссию. Это скорее электромобиль, чем классический бензиновый хэтчбек. Используя только электромотор, автомобиль может преодолеть расстояние до 65 км. Если использовать турбированный мотор, дальность поездки на одной батарее превысит 1020 км.

Под капотом у Chevrolet Volt

Особенности параллельной гибридной трансмиссии

Эта трансмиссия остается к 2019 году наиболее технологичной. В системе используются основные элементы коробки передач. Электрический блок устанавливается в параллельных гибридах между коробкой и двигателем внутреннего сгорания.

Устройство гибридной трансмиссии параллельного типа

Подключение электромотора осуществляется через использование нескольких схем. В качестве первой гибридной трансмиссии можно рассматривать 8-ступенчатую коробку-автомат с двойным сцеплением от производителя ZF. Ведущие оси получают крутящий момент как от ДВС, так и от электромотора, который также исполняет работу генератора.

zf_8-скоростная трансмиссия с двойным сцеплением

Работа трансмиссии с параллельной схемой подключения контролируется и управляется электронным модулем. В автомобиле с параллельной гибридной трансмиссией необходимо использовать и стандартную трансмиссию в переходных режимах движения авто. Крутящий момент, которые передают два мотора, распределятся в зависимости от условий передвижения. При старте, во время ускорения к ДВС подключается электродвигатель, во время торможения и при стабильной скорости электродвигатель выполняет функции генератора.

В Audi Q5 используется параллельный тип трансмиссии

Первая популярная трансмиссия параллельного гибридного типа сконструирована инженерами корпорации «Хонда». Система интегрированного помощника ДВС (Integrated Motor Assist) позволяет увеличить КПД главного мотора на 40%, при этом количество отработанного топлива в атмосферу практически не снижается, экологические показатели автомобиля остаются на низком уровне.

В блок IMA входит бензиновый мотор в качестве главного силового блока, электрический мотор, дополнительная батарея для электромотора. Во время торможения происходит перенаправление энергии на электромотор, который используется и как генератор — энергия не переходит в тепло, а сохраняется в батарее, во время ускорения электроэнергия перенаправится в электромотор для начала его работы. Данный тип трансмиссии, используется компанией при комплектации Honda Civic и Honda Insight.

Тип средние гибриды

Устройство промежуточной трансмиссии

Классификация гибридных параллельных трансмиссий начинается с определения роли электрического мотора во всем силовом блоке авто. Если электромотор используется только как помощник ДВС, например, как в Honda Insight, трансмиссию относят к классу «умеренный гибрид». Мощность электромотора в гибридной трансмиссии среднего класса не превышает 60 кВТ.

Одну из своих последних инноваций в области гибридных трансмиссий использовала корпорация БМВ при создании модели BMW ActiveHybrid 7. Седан комплектуется КП в единственном исполнении – 8-миступенчатый «автомат».

Система полный гибрид

Lexus RX 400h оснащается системой “полный гибрид”

Если электродвигатель используется для передачи крутящего момента на колеса, применяется термин «полный гибрид» — такая трансмиссия использована в модели Lexus RX 400h. Автомобиль может передвигаться при помощи и ДВС, и энергии электродвигателя. В коробке передач отсутствует гидротрансформатор. Впервые в Европе схему полного параллельного гибрида установили в 1998 на комплектацию Audi Duo.

Сегодня большинство мировых производителей используют схему «полный гибрид» на Mercury Mariner, Kia Optima, Ford Escape/ C-Max/ Fusion, Lincoln MKZ и др.

Микрогибрид

Трансмиссия авто, где генератор имеет дополнительные функции, часто называют классом «микрогибрид». Это автомобили, которые имеют систему старт/стоп, электромотор не передает свою энергию для движения колес. Микрогибридная схема позволяет только резко глушить мотор во время коротких остановок. Система запускается стартером, в автомобиле используется стандартная КП с встроенным импульсным насосом для скоростной подачи давления в масляные каналы КП.

Схема последовательно-параллельная

Смешанный тип гибридной трансмиссии исключает использование традиционной коробки передач. Совместная работа электродвигателя и ДВС происходит через использование планетарной передачи. Топливный мотор передает крутящий момент на колеса совместно с электромотором, одновременно происходит и работа генератора. Автоматическая регулировка оборотов осуществляется через электронный блок управления.

Такой тип бесступенчатой трансмиссии ECVT широко используется компанией Toyota в последнем модельном ряду Toyota Prius. Инженеры компании создали свою уникальную схему гибридной трансмиссии HSD. В схему устройства включили делитель мощности (планетарную передачу) и отдельный генератор.

При таком типе гибрида электромотор работает большую часть времени, топливный мотор использует для работы цикл Аткинсона, в то время как большинство ДВС работают по принципу Отто. Ноу-хау японских инженеров приобрели компании Форд и Ниссан для установки на свои полногибридные модели.

Достоинства и недостатки

На сегодняшний день все автомобили с гибридной трансмиссией имеют высокую стоимость и не входят в средний ценовой сегмент. Так же дорого стоит их диагностика и ремонт. Это главный недостаток автомобилей, которые используют два силовых мотора.

Активисты «зеленого движения» США и экологи считают, что польза для экологии, которую принесут гибридные автомобили, абсолютно условна. Утилизация одного аккумулятора приносит вред окружающей среде, сравнимый с годовым выбросом простого бензинового двигателя. Технологией экологической утилизации занимаются только в нескольких странах.

Toyota Prius Plug-in Hybrid

Электромоторы даже минимальной мощности обеспечивают плавный и надежный запуск ДВС в любую погоду. Динамичные характеристики автомобиля также остаются на высоте, при необходимости увеличить тяговые показатели к ДВС подключается электродвигатель, автомобиль получает максимальное ускорение за короткое время.

Пробег на одном заряде увеличивается на 40%. За счет экономии топлива и использования электромотора водители реже заправляются.

Смогут ли гибридные трансмиссии полностью вытеснить традиционные, пока не ясно. При всех выгодах использования смежного электромотора у разработки остаются многочисленные недостатки, в первую очередь — высокая цена и сложность схемы. В 2018 компания Porsche отказалась самостоятельно производить гибриды любой схемы. Представители Mitsubishi считают, что гибридные установки — это переходной этап, и концентрируют интеллектуальную инженерную базу корпорации на создание электромобиля.

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, сжигая бензин, 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, потому что 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 для обеспечения возможности 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 сочетают в себе батарею 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 доступным с 2016 года. Один вариант работал параллельно, обеспечивая мощность от обоих двигателей одновременно. Другой работал последовательно с одним источником, обеспечивающим исключительно энергию, а второй — электричеством. Любой источник может обеспечить основную движущую силу, а другой — увеличить основную.

Другие комбинации обеспечивают повышение эффективности за счет превосходного управления энергией и регенерации, которое компенсируется стоимостью, сложностью и ограничениями батареи. Гибриды с двигателем внутреннего сгорания (CE) имеют аккумуляторные батареи с гораздо большей емкостью, чем автомобиль, работающий только на двигателе внутреннего сгорания. Гибрид с двигателем внутреннего сгорания имеет легкие батареи, которые предлагают более высокую плотность энергии, но стоят гораздо дороже. 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 электрический двигатель внутреннего сгорания
- 3.2 Гибрид электрического топливного элемента
- 3.3 Гибрид двигателя внутреннего сгорания и гидравлики
- 3.4 Двигатель внутреннего сгорания — пневматический
- 3.5 Человеческая сила — 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 либо также вращаться (холостой ход), либо быть соединенным с помощью односторонней муфты или свободного хода .

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 (задействовать электродвигатель 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 действовать как генератор 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 с использованием 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. Это устройство использовалось в самых первых троллейбусах, не предназначенных для движения по маршруту. Фактически он обеспечивает полную резервную силовую передачу. В современных моторах аккумуляторы можно заряжать рекуперативным торможением или нагружая колеса с электроприводом во время крейсерского полета. Это позволяет упростить управление питанием. Эта 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 была доступна в качестве альтернативы обычным механическим трансмиссиям с 1903 года. Обычно механические трансмиссии налагают множество штрафов, включая вес, объем, 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, в том числе Lohner – Porsche Mixte Hybrid . Porsche назвал систему System Mixte, которая имела мотор-ступицу с двигателем на каждом из двух передних колес, что установило рекорды скорости.

Аргументы в пользу большей гибкости, более высокой эффективности и меньших 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 меньший генератор / двигатель по сравнению с обычным двигателем с прямым приводом. Электро тяговые двигатели могут получать электроэнергию от батареи, напрямую от двигателя / генератора или от обоих. Тяговые двигатели часто получают питание только от электрической батареи, которую можно заряжать от внешних источников, таких как электросеть.

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 автомобиль и предотвращает тепловые потери.

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

В деталях

Электродвигатель может полностью питаться электричеством от батареи или через генератор, включенный 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 буфера энергии, 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 остановкой и стартом, 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 низкого или смешанные скорости, это может привести к увеличению общей эффективности примерно на 50% (19% против 29%).

Lotus предложила конструкцию 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 .

Этот 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 . Обычно значения выходной мощности для двигателей внутреннего сгорания соответствуют мгновенным (пиковым) значениям выходной мощности, но на практике их нельзя использовать.)

Использование электродвигателя, приводящего колесо, напрямую исключает обычные механические элементы трансмиссии: коробку передач, валы трансмиссии и дифференциал, а иногда и гибкие муфты .

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 микротурбин . Wrightbus производит серийные гибридные автобусы, включая Gemini 2 и New Routemaster . Суперконденсаторы в сочетании с литий-ионным аккумулятором были использованы AFS Trinity в переделанном автомобиле Saturn Vue SUV. Используя суперконденсаторы, они заявляют до 150 миль на галлон в последовательно-гибридной схеме.

Широко известные гибридные модели автомобильной серии включают вариант BMW i3 , оснащенный расширителем диапазона. 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 приняты в авиастроение. 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 — 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, малого 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 постоянной / узкой полосы частот компенсирует многие из предполагаемых недостатков двигателя Ванкеля в автомобильной промышленности.)

Электрический гребной двигатель использует электроэнергию, хранящуюся 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, такие 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 мостов 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 за счет 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 и 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 передачу мощности от ДВС к колесам, которые могут быть механическими или электрическими. Главный принцип — отделить мощность, подаваемую от основного 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 компенсации дефицита крутящего момента ДВС на низких оборотах. В гибриде с разделением мощности можно использовать двигатель меньшего размера, менее гибкий и более эффективный. Обычный 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 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), то есть 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, вместо переключения 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 разделяется 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 моделей Prius, включая Prius c). В HSD 4-го поколения отсутствует вторая планетарная передача, электродвигатели размещены на параллельных осях с комбинированной шестерней между этими осями, а полученный результат передается на дифференциал главной передачи. Это очень похоже на гибридную систему Aisin Seiki, принадлежащую 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 составных ). Конструкция позволяет работать более чем в двух режимах. Доступны два режима разделения мощности, а также несколько режимов фиксированной передачи (по существу, параллельные гибридные). Такую конструкцию можно отнести к многорежимной. Конструкция двухрежимной гибридной трансмиссии может быть классифицирована как конструкция с составным разъемом, поскольку добавление четырех сцеплений в трансмиссии позволяет использовать несколько конфигураций разделения мощности двигателя. Помимо муфт, эта трансмиссия имеет вторую планетарную передачу. Цель конструкции — варьировать процентное соотношение передаваемой механически и электрически мощности, чтобы справиться как с низкоскоростными, 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 разряда	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, в которых используется какой-либо тип системы старт-стоп для автоматического отключения 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 умеренным уровнем 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 едет накатом, тормозит или останавливается, быстро перезапускайтесь, чтобы обеспечить мощность. 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. Электроэнергия 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 мягкого гибрида, официально выпущенную на Saturn Vue Green Line 2007 года . Его функция «старт-стоп» работает аналогично Silverado, но с помощью ремня для подключения к двигателю / генератору. 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 для поворота двигателя.

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 работает, когда двигатель нужно перевернуть, и когда водитель «нажимает на газ» и требует дополнительной мощности. Электродвигатель может также перезапустить двигатель внутреннего сгорания и выключить 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 , в том числе 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 меньший электродвигатель (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.

Ford 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 этого типа гибридизации, поскольку они могут работать только от батареи. Большая батарея большой емкости обеспечивает работу только от батареи. 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 в стиле дифференциала между двигателем и двигателем, соединенным с головной частью трансмиссии.

Торговая марка Toyota для этой технологии — Hybrid Synergy Drive , которая используется в Prius, Highlander Hybrid SUV и Camry Hybrid . 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 при высоком уровне заряда аккумулятора (SOC). Круизный режим. Автомобиль движется в крейсерском режиме (т.е. не ускоряется), и ICE может удовлетворить спрос. Мощность двигателя распределяется между механическим трактом и генератором. Аккумуляторная батарея 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 двигателя, 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. Режим отрицательного 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 дуальных 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 из-за снижения затрат на обслуживание и постепенного совершенствования аккумуляторных технологий. « 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 Центре гибридных технологий Энди Фрэнка 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 брат 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 управление двигателем, чтобы он работал как генератор.

Многие конструкции также отключают двигатель внутреннего сгорания, когда он не нужен, для экономии энергии. Эта концепция не уникальна для гибридов; Subaru впервые применила эту функцию в начале 1980-х годов, и Volkswagen Lupo 3L является одним из примеров обычного транспортного средства, которое 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 основной износ 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, снижая, таким образом, эффективность двигателя.

Гибрид на электрическом топливном элементе

Транспортные средства на топливных элементах часто оснащены батареей или суперконденсатором для обеспечения максимальной мощности ускорения и уменьшения размеров и ограничений мощности на топливный элемент (и, следовательно, его стоимость); 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 азотом под давлением. 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 находится в разработке 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 преобразовала 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. Петрогидравлические гибриды позволяют уменьшить размер двигателя до средней, а не пиковой мощности. Пиковая мощность обеспечивается энергией, накопленной в аккумуляторе.

Скорость восстановления кинетической энергии торможения выше, и 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. Аккумулятор заряжается от ДВС, рассчитанного на среднее потребление энергии. 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. Крайслер 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 во главе с Цу-Чин Цао, профессором механической и аэрокосмической техники 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.

Сила человека-сила окружающей среды

Многие наземные и водные транспортные средства используют человеческую энергию в сочетании с дополнительным источником энергии. Распространены 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 элементы, аккумуляторные батареи и педали.