Управление главного конструктора АВТОВАЗ (коллектив авторов) - Высокой мысли пламень (Часть третья)
Частным случаем последовательной концепции являются так называемые электромобили с расширенным пробегом (Range Extender), отличающиеся от обычных электромобилей наличием мотор-генераторной установки небольшой мощности для возможности подзаряда тяговой аккумуляторной батареи во время движения с малой нагрузкой или при отсутствии электрической сети (к примеру, в полевых условиях).
Избыток этой энергии запасается в буферном накопителе, в качестве которого используется аккумуляторная батарея достаточно большой ёмкости. А вот совмещённый с генератором ДВС, как правило, делается на пониженную мощность или даже совсем крохотным.
К примеру, у Citroen Saxo Dynavolt масса ДВС составляет всего 8 кг, а батареи – около 300 кг. Применён двухтактный впрысковой двигатель мощностью 10 кВт с генератором 6,5 кВт; они расположены вместе с топливным баком под задним сиденьем.
При этом пробег в сравнении с чисто электромобильным вариантом Saxo Dynavolt увеличивается с 80 до 340 км, а средний расход топлива составляет всего 2,4 л на 100 км.
Общий выброс окислов углерода, в сравнении с серийным Citroen Saxo с четырёхтактным впрысковым двигателем, сокращается на треть.
В ПаГЭУ (Parallel HEV), в зависимости от режима движения автомобиля, привод ведущих колёс осуществляется или только от электродвигателя, или только от ДВС, или от того и другого одновременно.
У этого типа ГЭУ имеются три основных направления, получивших названия Микро гибрид (Micro-Hybrid), Средний гибрид (Midi-Hybrid) и Полный гибрид (Full-Hybrid). Назовём их соответственно МГ, СГ и ПГ.
В конструкции МГ используются мотор-генераторы мощностью до 4 кВт при напряжении от 14 до 42 V и реализующие, как правило, только так называемый режим старт-стоп, т. е. остановку и мгновенный запуск ДВС на светофорах.
МГ (их ещё называют стартёр-генераторами) требуют минимальных изменений в конструкции базового автомобиля, позволяя, тем не менее, экономить до 10% топлива.
Функционально они обеспечивают режим автоматического останова и пуска двигателя (быстрый повторный пуск ДВС менее чем за 0,3 секунды и до 600 об/мин в процессе пуска), а также выработку дополнительной электроэнергии (режим генератора) с увеличением общего кпд системы до 85 %.
Наличие дополнительной электроэнергии позволяет освоить и другие потенциалы, например, электрифицировать энергоёмкие системы – такие как кондиционер, гидроусилитель рулевого управления, электротормоза и т.п.
Частным случаем параллельной концепции служат автомобили со вспомогательным электроприводом (Power Assist), использующие электропривод сравнительно небольшой мощности, – не более 25% от мощности ДВС.
Однако влияние этой помощи на снижение расхода топлива по различным оценкам не превышает 20%, да и то лишь в городских режимах движения.
Бóльшую часть времени ДВС работает в далеко не оптимальной области, а значительная часть энергии при торможениях уходит в нагрев тормозных колодок из-за недостаточной мощности электропривода, неспособного в полной мере рекуперировать энергию торможения.
Типичным представителем этого класса автомобилей является Honda Insight, имеющий ДВС 51 кВт и электродвигатель 9,2 кВт, расположенный между ДВС и КП и фактически представляющий собой стартёр-генераторную установку повышенной мощности.
Сравнительно высокие показатели по экономичности и токсичности этого гибрида объясняются в основном лёгким кузовом и суперсовременным ДВС.
Под СГ понимаются ГЭУ, в которых мощность мотор-генератора достигает 15 кВт.
В дополнение к функциям МГ в данном случае обеспечивается создание дополнительного ускорения при разгоне и рекуперация электроэнергии при торможении.
Кпд системы, достигающий в режиме генератора 88%, несколько превышает уровень МГ. Такое решение требует использования компактной электрической машины в трансмиссии, размещённой, как правило, на коленчатом валу ДВС. Экономия топлива, в зависимости от реализованных функций, может составлять от 15 до 20%.
Под ПГ понимаются ГЭУ, в которых мощность мотор-генератора достигает 75 кВт. В дополнение к функциям СГ в данном случае обеспечивается режим езды только на одном электроприводе, без помощи ДВС.
Разработка глубоко затрагивает весь автомобиль, поскольку ПГ требует второго (со стороны электродвигателя) сцепления, а также тяговой аккумуляторной батареи с соответствующим запасом энергии.
Заметное увеличение мощности требует существенного увеличения уровня напряжения тяговой батареи. Существующая бортовая сеть на 14V при этом может быть сохранена, но дополняется промежуточным конвертором, обеспечивающим связь между этими двумя сетями.
Электродвигатель как правило устанавливается между ДВС и коробкой на месте маховика. Имеется также буферный накопитель, но в данном случае он уже небольшой, а вот ДВС – почти полноразмерный.
К примеру, у серийного гибридного автомобиля HondaCivic буферная аккумуляторная батарея весит всего 20 кг и расположена под полом багажника. Последовательное соединение 120 цилиндрических элементов по 1,2 V обеспечивает общее напряжение 144 V, но при этом ёмкость батареи – всего 6,5 А-ч.
ДВС – 1 л, 62,6 кВт, общий момент 157 Нм при 2 500 об/мин. Рекламируемый расход топлива 5,1 литра на 100 км, снаряжённая масса 1 200 кг.
Все силовые установки, которые не вписываются ни в одну из перечисленных концепций, относятся к комбинированному типу (Dual HEV).
Общим для всех ГЭУ комбинированного типа при всём их конструктивном разнообразии является наличие не менее двух электрических машин и достаточно сложная трансмиссия, в результате чего они могут работать как в последовательном, так и в параллельном режиме.
Компенсацией усложнению трансмиссии по сравнению с установками последовательного типа служит возможность работы в параллельном режиме, что снижает требования к пиковым мощностям узлов электропривода и тем самым снижает размеры, массу и стоимость установки.
Однако из-за необходимости второй электрической машины, выполняющей различные функции, ГЭУ комбинированного типа проигрывают по тем же показателям параллельной концепции.
В качестве примера комбинированной энергоустановки служит конструкция силового агрегата, получившего широкую известность, – первого серийного гибридного автомобиля Toyota Prius.
Его силовой агрегат называют ещё последовательно-параллельным. В нём привод ведущих колёс осуществляется, как и в параллельной схеме, и от электродвигателя, и от ДВС.
А преобразование механической энергии ДВС осуществляется и с помощью генератора, как в последовательной схеме, и с помощью механического делителя мощности, распределяющего её между генератором и приводом ведущих колёс.
Это наиболее сложный в реализации вариант гибридной энергоустановки, но, тем не менее, Toyota Prius серийно выпускается уже десятый год. Он неоднократно признавался лучшим автомобилем года.
Однако заявленные характеристики по расходу топлива 3,6 л/100 км в городском режиме практически не были подтверждены испытаниями.
Это, видимо, произошло из-за того, что они соответствуют японскому стандартному циклу езды 10/15, характеризующемуся низкой скоростью движения в городе и даже на открытой дороге, что является типичным для Японии. Реально получено 4,5 л/100 км.
Надо сказать, что на сегодняшний момент не выработано однозначной позиции, какой тип ГЭУ предпочтительнее. Citroen, например, имеет и последовательную, и параллельную схемы.
Проанализировав все эти варианты, мы остановили свой выбор на параллельном типе ГЭУ, как на наиболее просто реализуемом, так как при этом используется стандартный силовой агрегат, в который между ДВС и КП устанавливается электрический мотор-генератор.
Есть и ещё один довод в пользу параллельного типа энергоустановки. Он заключается в том, что конструкция силового агрегата практически одинакова, что для параллельного гибрида, что для СГУ. Различие заключается только в мощности электрической машины и в алгоритме её функционирования.
Если в СГУ электрическая машина должна разгонять только двигатель до оборотов х.х., то в параллельном гибриде она должна разгонять весь автомобиль, т.е. для гибридного варианта требуемая мощность всегда явно больше.
