Обзор существующих аналогов гибридных схем
Известны три варианта гибридных силовых установок:
Последовательная схема.
Рисунок 1.1 - Схема гибридной установки последовательного типа
ДВС работает только на генератор, при этом выбирается режим минимального расхода топлива. Энергия, вырабатываемая генератором, подается либо на тяговый электродвигатель, либо в накопитель энергии и на тяговый электродвигатель, либо только в накопитель энергии. Тяговый электродвигатель обеспечивает весь необходимый силовой и скоростной диапазоны транспортного средства и при его замедлении работает в режиме генератора, обеспечивая рекуперацию энергии торможения.
Достоинствами последовательной схемы являются: возможность работы первичного двигателя (ДВС) в постоянном режиме минимального расхода топлива, простота управления силовой установкой, отсутствие специальных узлов трансмиссии. К недостаткам следует отнести слишком малый КПД системы превращения энергии от двигателя внутреннего сгорания до приводных колес. Такая схема применяется на Toyota Coaster Hybrid и различных автобусах, оснащенных гибридными силовыми установками.
Параллельная схема.
Рисунок 1.2 - Схема гибридной установки параллельного типа
ДВС и тяговый электродвигатель (ТЭД), питаемый от аккумуляторной батареи (АБ) через трансмиссию, связаны с ведущими колесами. Преимуществом параллельной схемы является более высокий КПД передачи энергии от первичного двигателя к ведущим колесам, в сравнении с последовательной схемой, и возможность применения одной электромашины вместо двух.
Недостаток - обязательное усложнение трансмиссии для обеспечения отбора (подвода) мощности электрической машины, отход первичного двигателя от режима минимального расхода топлива при регулировании скорости движения транспортной машины и определенное усложнение системы управления трансмиссией.
Возможен вариант и параллельной схемы, при которой обратимая электромашина устанавливается в приводе другого ведущего моста, чем ведущий мост трансмиссии первичного ДВС. Например, при переднеприводной схеме трансмиссии первичного двигателя обратимый электрический мотор устанавливается в приводе заднего моста. Достоинством такого варианта следует считать определенное упрощение трансмиссии первичного двигателя, недостатком - использование колесного движителя в качестве элемента системы превращения энергии. Эта схема применяется на Honda Civic Hybrid.
Рисунок 1.3 - Увеличение крутящего момента при совместной работе ДВС и электродвигателя в параллельной схеме
На рисунке 3 1 - кривая суммарного момента; 2 - кривая момента ДВС; M? - суммарная величина момента ДВС (МДВС) и момента электродвигателя (MЭ).
В обычных условиях частичных нагрузок вполне достаточно ДВС уменьшенного объема, а в случае необходимости большей мощности (чаще дополнительного крутящего момента) на помощь ДВС приходит электрический двигатель. Особенно важно отметить, что технические характеристики двигателя внутреннего сгорания и электрического двигателя сильно отличаются. Двигатель внутреннего сгорания имеет максимальный крутящий момент только при достаточно высоких оборотах, а электрический двигатель развивает максимальный крутящий момент на самых низких оборотах вращения. Совместная работа ДВС и электродвигателя обеспечивает необходимые динамические качества автомобиля, даже при применении ДВС меньшей мощности.
Последовательно-параллельная схема.
Рисунок 1.4 - схема последовательно-параллельной гибридной установки
Эта система сочетает в себе последовательную гибридную систему с параллельной для получения максимальных преимуществ от обеих систем. Она имеет два двигателя, и в зависимости от условий движения использует только электромотор или приводится в движение совместно с ДВС для достижения высокого уровня эффективности. В дальнейшем, когда это необходимо, система приводит в движение колёса, одновременно вырабатывая электричество, задействовав генератор. Такая система используется на Toyota Prius, Estima Hybrid и Lexus RX400h. В последовательно-параллельном гибриде (Toyota Hybrid System), планетарный делитель мощности разделяет силовой поток, идущий от двигателя так, что соотношение мощности, поступающей непосредственно на колёса, и идущей на генератор может плавно изменяться. Поскольку электродвигатель может работать на вырабатываемой электроэнергии, то он используется больше, чем при параллельной схеме.
Система HSD устанавливается на хэтчбеке Toyota Prius, седане бизнес -класса Camry, всех дорожниках Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Harrier Hybrid, спортивном седане Lexus GS 450h и автомобиле люкс-класса -- Lexus LS 600h. Ноу-хау компании Тойота куплено компаниями Форд и Ниссан и использовано при создании Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid. Toyota Prius лидирует по продажам среди всех гибридов. Расход бензина в городе составляет 4 л на 100 км пробега. Это первый автомобиль, у которого потребление топлива при движении в городе меньше, чем на шоссе. На Парижском автосалоне 2008 была представлена модель Приус plug-in hybrid.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что, наверное, нет смысла считать гибридные автомобили решением всех проблем. Это скорее промежуточный этап на пути к будущей машине с нулевым выбросом вредных веществ. Гибридные технологии дают возможность отработать ее ключевые технические компоненты -- емкие компактные аккумуляторы, оптимизированные системы «повторного использования» энергии, технологию быстрой зарядки от внешних источников, новые электродвигатели, облегченные кузова. Только массовое производство этих узлов сможет приблизить то время, когда вместо поездки на заправку достаточно будет подключить железного коня на часок к обычной домашней электросети -- а потом ездить целый день без подзарядки.
1.2 Выбор датчиков
Высокоточный датчик тока.
Проблемы окружающей среды, такие как глобальное потепление, загрязнение воздуха и проч., находятся под пристальным вниманием ученых. Разработаны гибридные автомобили, позволяющие снизить нагрузку на экологию благодаря уменьшенному выбросу отработанных газов и потребляющие меньше топлива. По мере снижения стоимости производства гибридных автомобилей спрос на них неуклонно растет. Помимо этого осуществляются попытки популяризировать электромобили и автомобили на топливных элементах, которые имеют нулевые выбросы вредных веществ в атмосферу.
Требования к автомобильным датчикам тока.
Для гибридов, электромобилей и авто на топливных элементах, вносящих ощутимый вклад в борьбу за чистоту окружающей среды, а также для двигателей со встроенным источником питания необходима такая функция, как способность системы отслеживать и точно контролировать ток электромотора в режиме движения и токи заряда/разряда аккумуляторной батареи. Количество датчиков как ключевых компонентов, служащих «глазами» системы мониторинга, на борту таких автомобилей значительно выросло. В таблице 1.1 представлено сравнение самых распространенных на рынке датчиков тока. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки в точности, изоляционных свойствах, типе измеряемого тока, количестве компонентов, потреблении тока и стоимости. Выбор типа датчика обусловлен конкретным применением и специфическими требованиями.
ребования, предъявляемые к автомобильным датчикам.
Аккумуляторные батареи автомобиля обеспечивают питание постоянным током, но в транспортных средствах также используется и переменный ток. Поэтому есть необходимость измерять оба типа тока и, следовательно, токовый трансформатор, который не может измерять постоянный ток, не пригоден для использования.
Высокая точность.
Контроль токов инвертора и ЭД гибридного автомобиля, особенно токов заряда/разряда аккумулятора, производится методом расчета на основании данных от нескольких датчиков. Погрешности измерений всех датчиков суммируются, а это значит, что в данном применении к точности показаний предъявляются высокие требования. Более того, датчик тока должен обладать высокой точностью измерения в широком температурном диапазоне. Это требование делает непригодными в данных условиях токовый трансформатор и резисторный шунт.
Высокие изоляционные свойства.
В большинстве случаев на автомобилях используются высоковольтные аккумуляторные батареи (АБ) напряжением в несколько сотен вольт. Это означает, что есть необходимость полностью изолировать АБ от низковольтных электрических цепей и блоков управления, а значит, датчик тока, который разделяет высоко- и низковольтную часть, должен быть бесконтактным и низкоиндуктивным. Неизолированный резисторный шунт в таких случаях можно использовать, только если его дополнить трансформатором или оптопарой, а это приведет к ненужному усложнению схемы.
Высокая надежность.
Автомобильные стандарты устанавливают жесткие требования к оборудованию в условиях воздействия электростатического электричества, импульсных помех, резких перепадов температуры, вибрации и ударных нагрузок. Японская компания TDK разработала датчик тока SAA-200, первый в одноименной серии. Он был установлен на многие автомобили и получил высокую оценку за свою стабильную работу в составе системы.
Особенность датчика SAA-200.
Для достижения необходимой точности наиболее подходящими являются магнитопропорциональный метод и метод магнитного баланса. Компания TDK в своих датчиках использовала метод магнитного баланса, так как он позволяет достичь максимальной точности.
Принцип работы данного метода заключается в следующем. В воздушный зазор сердечника из магнитомягкого материала с высокой проницаемостью помещается датчик Холла. Магнитный поток В1, пронизывающий датчик Холла, увеличивается или уменьшается пропорционально измеряемому току (кабеля, токовой шины и т. д.), проходящему сквозь сердечник. Сигнал от датчика Холла подается на операционный усилитель, выход которого соединен с катушкой обратной связи, по которой течет ток обратной связи, вызывающий встречный магнитный поток В2. Обмотка обратной связи сделана так, чтобы магнитный поток В2 был равен В1.
Пример.
I1ЧN1 = I2ЧN2.
Если I1 = 200 A, N1 = 1 виток, N2 = 4000 витков, то имеем: 200Ч1 = I2Ч4000 = 200 A. Отсюда получаем I2 = 0,05 A.
Это означает, что через измерительный резистор протекает ток 0,05 A. Таким образом, измеряемый ток I1 определяется путем измерения напряжения на резисторе. Этот общепринятый метод обеспечивает отличную стабильность и точность.
Линейность выходной характеристики.
При использовании магнито - пропорционального метода магнитный поток в сердечнике возрастает пропорционально увеличению измеряемого тока, и предел измерения тока определяется уровнем, при котором происходит насыщение сердечника
Рисунок 1.7 - Пример выходной характеристики
В отличие от этого при использовании метода магнитного баланса магнитный поток внутри сердечника равен нулю - благодаря уравнивающему магнитному потоку, вызванному действием катушки обратной связи, как описано выше.
Магнитное насыщение отсутствует даже при измерении больших токов, и линейность выходной характеристики всегда очень хорошая и не зависит от линейности характеристики датчика Холла.
Температурная стабильность.
Коэффициент усиления датчика Холла в сильном магнитном поле зависит от окружающей температуры, поэтому и точность измерения тока также зависит от температуры. Однако на датчик тока, сделанный по методу магнитного баланса, влияет только температурный сдвиг, а в целом температурная характеристика близка к идеальной и обеспечивает высокую точность измерения в широком температурном диапазоне.
Дальнейшее развитие.
Напряжение источников питания в 5 В становится общепринятым для последнего поколения электронных блоков управления. Кроме того, дабы соответствовать требованиям рынка, вместо источников тока все чаще используют источники напряжения -- из-за простоты их использования. В то же время диапазон измерения тока планируется расширить с ±200 до ±300 A. Особенности датчиков SAA-200.
- выходная характеристика с отличной помехоустойчивостью;
- высокая точность измерений, не зависящая от величины измеряемого тока и окружающей температуры;
- бесконтактный метод, обеспечивающий полную изоляцию от токоведущих шин (электрических проводов).
Будучи установленным на транспортные средства, датчик успешно прошел тесты на надежность.
1.3 Двигатель внутреннего сгорания
За основу был взят двигатель 1NZ-FXE.
Двигатель 1NZ-FXE был произведен самым первым во всей серии. Его производство было начато в Японии. Диаметр цилиндра составляет 75 мм, а ход поршня 84,7 мм. На него устанавливались кованные шатуны и алюминиевый впускной коллектор. Степень сжатия очень высока и составляет 13:1. Вместе с высокой степенью сжатия впускные клапана закрываются с запаздыванием, чем симулируется цикл Аткинсона, а не обычный цикл Отто. Что в свою очередь положительно сказывается на эффективности двигателя.
Из-за того, что впускной клапан закрывается с опозданием во впускной коллектор возвращается часть смеси из цилиндра, это отрицательно сказывается на мощности, но положительно на эффективности и экологичности. Такая комбинация 1NZ-FXE отлично подходит для использования на так называемых "гибридных" автомобилях HSD (Hybrid Synergy Drive), на которых пик крутящего момента и мощности имеют меньшее значение. Мощность сего агрегата составляет 76 л.с. при 5000 оборотах в минуту и 115 Н · м при 4000 оборотах в минуту.
Двигатель работает по циклу Аткинсона.
В первом небольшом двигателе такого типа, запущенном в коммерческое производство, революционная технология EXlink от компании будет характеризоваться более длинным тактом расширения по сравнению с тактом сжатия, чтобы степень расширения была больше степени сжатия.
По сравнению со стандартным двигателем Отто, в котором длины хода поршней имеют практически одинаковое значение, EXlink характеризуется тем, что ход расширения и выпуска оказывается больше, чем ход впуска и сжатия. В результате степень расширения более чем в 1,4 раза превышает степень сжатия EXlink, обеспечивая меньшие насосные потери и значительно более высокий термический КПД по сравнению со стандартным двигателем.
В XIX столетии двигатель Аткинсона отличался исключительной экономией топлива, однако из-за своей сложной архитектуры он был непрост в изготовлении в небольшом масштабе и поэтому исчез из рядов разрабатываемых двигателей.
Говоря о моторе Аткинсона имеют ввиду «цикл Аткинсона» -- модифицированный цикл Отто четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, предложенный английским инженером Джеймсом Аткинсоном в 1886 году. Аткинсон изменил соотношение времен тактов цикла Николауса Отто.
В двигателе Аткинсона рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счет усложнения кривошипно-шатунного механизма, тогда, в XIX веке, двигатель распространения не получил из-за сложной механики. В нынешнем веке двигатель Аткинсона с компьютерным регулированием времен тактов применяется на автомобилях Toyota Prius, Lexus HS 250h, Lexus CT 200h, американском Ford Fusion, хотя примененный там принцип больше напоминает цикл Миллера.
Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах мотор выдает сравнительно малый момент и может заглохнуть.
Бензиновый двигатель Toyota Prius работает по циклу Аткинсона со сжатием 13:1 на обычном бензине (АИ-95). Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер. На этой машине применение двигателя Аткинсона особенно выгодно, так как на малых оборотах он не нагружается.
Фактически на данном автомобиле применен не двигатель Аткинсона, а его упрощенный аналог, построенный по принципу цикла Миллера. Prius разгоняется электромотором, который выдает полный момент в широком диапазоне оборотов.
Эти двигатели данной модели обладают переменной степенью сжатия.
Этот параметр специалисты считают одним из главных в двигателе. Ведь чем выше степень сжатия, тем больше мощность, КПД мотора и лучше его экономичность. Поэтому, чем современнее становились ДВС, тем больше у них становилась степень сжатия. Но в последнее время такая тенденция практически прекратилась. Дело в том, что бесконечно увеличивать этот параметр тоже нельзя, иначе в цилиндрах будет происходить взрывное, неконтролируемое сгорания рабочей смеси. Иными словами - детонация, которая может привести даже к разрушению мотора.
Причем особенно чувствительны к увеличению степени сжатия моторы с наддувом. Ведь у них нагрузка на детали больше, они сильнее нагреваются и риск появления детонации соответственно выше. Так что степень сжатия приходится снижать. При этом соответственно падает и эффективность двигателя.
Таким образом, в идеальном случае степень сжатия должна плавно меняться в зависимости от режима работы и нагрузки на мотор. Об этом задумались еще в середине прошлого века. Появилось множество проектов весьма оригинальных конструкций, у которых, по сути, была одна общая черта - сложность, дороговизна и как следствие, непригодность к серийному производству.
