Типы гибридных электромобилей (HEV)

Типы гибридных электромобилей (HEV)

Гибридный электромобиль (ГЭМ) — это транспортное средство, использующее для движения два источника энергии, одним из которых является электрическая энергия . В большинстве дорожных транспортных средств с гибридной трансмиссией используется двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в сочетании с электрической машиной (ЭМ).

По сравнению с обычным транспортным средством, работающим на ДВС, гибридный электромобиль способен выполнять следующие функции:

• быстрая остановка и запуск ICE
• рекуперация энергии при торможении (рекуперативное торможение)
• помощь по крутящему моменту / ускорение
• электрическое вождение
• выбег (по желанию)

Для подробного ознакомления с гибридными электромобилями, типами и принципами их работы, пожалуйста, прочитайте статью Что такое гибридный электромобиль (HEV) ?

В этой статье мы сосредоточимся на различных типах (архитектурах) трансмиссии HEV, выделив принцип работы и преимущества/недостатки по сравнению с другими типами.

Параллельная гибридная трансмиссия с двумя сцеплениями

В параллельной гибридной трансмиссии и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель могут передавать крутящий момент на ведущее колесо последовательно или одновременно. Для автомобиля с задним приводом (RWD) обычная архитектура гибридной трансмиссии использует электрическую машину между двумя сцеплениями.

Изображение: параллельная гибридная трансмиссия с двумя сцеплениями

где:
ДВС – двигатель внутреннего сгорания
EM – электрическая машина
TRN – трансмиссия
PE – силовая электроника

Первое сцепление между двигателем и электродвигателем позволяет отсоединить двигатель от трансмиссии и двигаться в чистом режиме EV. Кроме того, на этапах торможения, отключив двигатель, мы можем снять его тормозной эффект и повысить эффективность рекуперации кинетической энергии.

Второе сцепление позволяет отключить электрическую машину от трансмиссии и позволить автомобилю двигаться накатом во время замедления. С точки зрения реализации второе сцепление является частью трансмиссии, а не отдельным компонентом.

Состояния сцеплений во время каждого режима гибридной трансмиссии приведены в таблице ниже.

Режим	Сцепление перед состоянием EM	Сцепление после состояния EM
(1) Остановка и запуск двигателя	Открыть	Открыто закрыто
Рекуперация энергии	Открыть	Закрыто
Помощь/увеличение крутящего момента	Закрыто	Закрыто
Электрический привод	Открыть	Закрыто
Каботаж	Открыть	Открыть
Зарядка в состоянии покоя	Закрыто	Открыть

⁽¹⁾ при условии, что пуск/остановка двигателя осуществляется с помощью дополнительного электростартера

Есть несколько OEM-производителей, которые используют эту архитектуру гибридной трансмиссии для своих автомобилей. Одним из примеров является Nissan с двумя вариантами:

• Гибридная система переднеприводного автомобиля с передним расположением двигателя (FF HEV)
• Гибридная система автомобиля с передним расположением двигателя и задним приводом (FR HEV)

В системе FF HEV используется двигатель внутреннего сгорания вместе с электродвигателем и бесступенчатой трансмиссией (CVT) на передней оси.

Изображение: гибрид Nissan X-Trail.
Авторы и права: Nissan.

Гибридная система улучшает ходовые качества и расход топлива за счет использования двигателя для рекуперации мощности во время замедления и сохранения ее в аккумуляторе, а также поддержки двигателя за счет использования аккумулятора для питания двигателя при вождении электромобиля на низкой скорости и ускорении. Кроме того, потребление топлива увеличивается за счет использования аккумулятора для питания электронных компонентов автомобиля, когда автомобиль припаркован. Поскольку при необходимости двигатель можно отделить от трансмиссии, источник энергии как для двигателя, так и для электродвигателя можно использовать оптимально, а это означает отсутствие потерь от трения двигателя при рекуперации с двигателем, отделенным от трансмиссии, или во время вождения электромобиля. .

В системе используется Intelligent Dual Clutch Control, объединяющая один двигатель и два сцепления для создания гибридной системы с передним приводом, легкой и компактной. Муфта 1 устанавливается между двигателем и двигателем, а муфта 2 устанавливается между двигателем и вариатором. Использование двигателя или мотора можно дифференцировать в зависимости от обстоятельств, выбирая «вкл» или «выкл» для сцепления 1, что обеспечивает эффективное вождение.

Изображение: Nissan FF Hybrid Powertrain
Авторы и права: Nissan

Сцепление и двигатель гибридной системы спроектированы так, чтобы поместиться в пространство для гидротрансформатора, используемого в автомобилях с двигателем CVT. Соответственно, никакого конкретного шасси не требуется, и его можно использовать в самых разных моделях. Его также можно легко применить к полноприводным автомобилям и подключаемым гибридам. В качестве аккумулятора системы используется литий-ионный аккумулятор повышенной емкости, разработанный для гибридов и обладающий отличными показателями разрядки и зарядки.

В системе FR HEV гибридная система с одним двигателем и двумя сцеплениями может при необходимости отделить двигатель от трансмиссии. Он может использовать двигатель и двигатель в качестве источников энергии, от работы только на двигателе до использования двигателя и двигателя для полного ускорения, обеспечивая более эффективный привод в зависимости от ситуации. Во время регенерации и вождения в электрическом режиме двигатель полностью отключается от трансмиссии, что приводит к нулевым потерям на трение в двигателе.

Изображение: Nissan FR Hybrid Powertrain
Предоставлено: Nissan

Nissan заменил преобразователь крутящего момента существующей 7-ступенчатой автоматической коробки передач двигателем и двумя сцеплениями в компактной конфигурации. Использование одномоторной системы для привода колес и рекуперации электроэнергии позволяет сократить количество деталей и уменьшить вес.

Два сцепления механически передают энергию двигателю и мотору. Будучи эффективным и с небольшими потерями энергии по сравнению с обычным гидротрансформатором, система также имеет интуитивно понятное и быстрое ускорение. Благодаря интегрированному управлению этой системой и трансмиссией с использованием высокоуровневой технологии управления достигается привод, реагирующий на различные условия вождения.

Гибридный автомобильный литий-ионный аккумулятор может быстро разряжаться. Таким образом, доля работы двигателя увеличивается, и можно часто рекуперировать энергию торможения. Возможность эффективно использовать электроэнергию означает, что расход бензина снижается, что, соответственно, способствует увеличению пробега.

Параллельная гибридная трансмиссия с коробкой передач с двойным сцеплением

В некоторых транспортных средствах, особенно с передним расположением двигателя и передним приводом, упаковка компонентов имеет решающее значение из-за нехватки места. Установка сцепления между двигателем и электромашиной, вероятно, невозможна, так как для этого потребуется дополнительное пространство, которого нет.

В этом случае желательно использовать существующее силовое решение и сделать его гибридным. Одним из решений является использование трансмиссии с двойным сцеплением (DCT) и встраивание электрической машины на один из входных валов после сцепления.

Изображение: параллельный гибрид с трансмиссией DCT

В этой архитектуре электрическая машина интегрирована в подблок трансмиссии на четных или нечетных передачах. Благодаря двум входным валам и выходным валам для нечетных и четных передач входной крутящий момент двигателя внутреннего сгорания может передаваться на выход механическим путем, отличным от пути крутящего момента электрической машины. Крутящие моменты суммируются на зубчатом венце, соединенном с дифференциалом.

Компания Getrag преобразовала одну из своих 7-ступенчатых коробок передач с двойным сцеплением 7DCT300 в гибридную трансмиссию, интегрировав электрическую машину на вал четных передач. Передне-поперечная трансмиссия 7DCT300 имеет семь передач переднего хода и одну передачу заднего хода. Четные (2, 4, 6, R) и нечетные передачи (1, 3, 5, 7) разделены на две подтрансмиссии. Двигатель и две неполные трансмиссии связаны посредством мокрого двойного (двойного) сцепления.

В результате 7HDT300 представляет собой гибкую гибридную трансмиссию, способную интегрироваться в мягкие, полные и подключаемые гибридные электромобили. Полногибридный вариант трансмиссии включает в себя электрическую машину мощностью 40 кВт, которая позволяет разгонять электромобиль до скорости 50-60 км/ч (в зависимости от применения) .

Изображение: гибридная коробка передач с двойным сцеплением Getrag 7HDT300 Предоставлено: Getrag

Изображение: Гибридная коробка передач с двойным сцеплением Getrag 7HDT300, интеграция с электромашиной Предоставлено: Getrag

Это решение позволяет отключать двигатель, размыкая оба сцепления и полностью управляя электромобилем. Отключение электрической машины от остальной части трансмиссии также возможно путем отключения зубчатых синхронизаторов в трансмиссии.

Состояния сцеплений во время каждого режима гибридной трансмиссии DCT приведены в таблице ниже.

Режим	Состояние нечетных передач сцепления	Состояние даже передач сцепления
(1) Остановка и запуск двигателя	Открыть	Открыть
Рекуперация энергии	Открыть	Открыть
Помощь/увеличение крутящего момента	Закрыто/Открыто	Открыто закрыто
Электрический привод	Открыть	Открыть
Каботаж	Открыть	Открыть
Зарядка в состоянии покоя	Открыть	Закрыто

⁽¹⁾ при условии, что пуск/остановка двигателя осуществляется с помощью дополнительного электростартера

Основным преимуществом этого решения является то, что электрическая машина не требует дополнительного места для установки в картере трансмиссии, что обеспечивает высокую гибкость для интеграции в транспортное средство и приложений. Эта гибридная архитектура может обеспечить разную мощность электрической машины (15–110 кВт), работающую при разном уровне напряжения (48–360 В). По этой причине его можно легко интегрировать в различные типы гибридных автомобилей, от мягких гибридов до полных и подключаемых гибридов.

Параллельная гибридная трансмиссия с разделением осей

Другой тип параллельного гибридного электромобиля — это гибрид с разделенной осью. В этой архитектуре одна ось (обычно передняя) приводится в движение двигателем внутреннего сгорания и трансмиссией, а вторая ось приводится в движение электродвигателем и коробкой передач с фиксированным передаточным числом.

Изображение: Параллельная гибридная трансмиссия с разделением осей

Это решение требует автоматической коробки передач на передней оси, что сделает возможным отключение двигателя во время движения электромобиля. Преимущество такого решения в том, что автомобиль имеет полный привод до тех пор, пока аккумулятор не разрядится.

По сравнению с предыдущими параллельными гибридными решениями гибрид с разделенными осями не может заряжать аккумулятор, когда автомобиль стоит. Чтобы решить эту проблему, а также обеспечить непрерывный полный привод, двигатель оснащен интегрированной электрической машиной с вторичным ремнем. Дополнительная электрическая машина, постоянно подключенная к двигателю (архитектура P0), позволяет вырабатывать электроэнергию в состоянии покоя и во время движения.

Примером параллельного гибрида с разделением осей является гибрид Peugeot 3008. Эта гибридная силовая установка была разработана группой PSA в сотрудничестве с Bosch.

Изображение: гибридный силовой агрегат Peugeot 3008.
Предоставлено: Peugeot.

Передняя ось приводится в движение 2,0-литровым дизельным двигателем, работающим в паре с 6-ступенчатой  автоматизированной механической коробкой передач . На заднем мосту установлена электрическая машина с постоянными магнитами мощностью 20/27 кВт (постоянная/пиковая), соединенная с односкоростной коробкой передач. Вспомогательная электрическая машина мощностью 8 кВт соединена ремнем с двигателем, обеспечивает функцию двигателя «стоп-старт», а также может вырабатывать электроэнергию, необходимую для работы электродвигателя при любых обстоятельствах, если это необходимо (режим полного привода).

Изображение: Гибридная трансмиссия с разделенной осью.
Кредит: Bosch.

Гибридная трансмиссия серии

В серийной гибридной трансмиссии двигатель внутреннего сгорания не передает крутящий момент непосредственно на ведущие колеса. Вместо этого двигатель приводит в действие электрический генератор, который обеспечивает электроэнергией тяговый электродвигатель. В серийном гибриде используются две электрические машины:

• электрический генератор (подключен к двигателю)
• электродвигатель (соединенный с колесами через одноступенчатую коробку передач и дифференциал)

Есть и другие заметные различия между параллельным гибридом и последовательным гибридом. Поскольку прямой механической связи между двигателем и ведущими колесами нет, трансмиссия не нужна. Это преимущество с точки зрения упаковки, поскольку требуется меньше места для установки двигателя и генератора.

Изображение: серийный гибридный силовой агрегат

Также отсутствует сцепление между электродвигателем и ведущими колесами. Это преимущество с точки зрения компоновки, но оно не позволяет автомобилю двигаться по инерции, поскольку электродвигатель всегда будет подключен к ведущим колесам.

Что касается функций трансмиссии, серийный гибрид способен только:

• Остановка и запуск двигателя
• Рекуперация энергии
• Электрический привод
• Зарядка в состоянии покоя

Обе электрические машины должны иметь такую же номинальную мощность, как и двигатель внутреннего сгорания. Поскольку скорость автомобиля не зависит от частоты вращения двигателя, можно настроить рабочую точку двигателя (частоту вращения и крутящий момент) для достижения максимальной эффективности использования топлива. Это является преимуществом при низкой скорости транспортного средства, но недостатком при более высокой скорости транспортного средства.

Еще одним недостатком серийного гибрида является двойное преобразование энергии. Если батарея разряжена, энергия, необходимая рулю, поступает от двигателя внутреннего сгорания, после чего она преобразуется в электрическую энергию. Это еще больше снижает общую эффективность трансмиссии, когда двигатель обеспечивает основной источник энергии.

Поскольку серийный гибрид не является гибким с точки зрения выходной мощности для широкого диапазона скоростей транспортных средств, он не подходит в качестве архитектуры гибридной трансмиссии для дорожных транспортных средств. Тем не менее, за счет установки двигателя меньшего размера с меньшей номинальной мощностью, чем у тягового электродвигателя, серийный гибрид становится электромобилем с увеличенным запасом хода (REEV).

Последовательно-параллельный гибридный автомобиль

Последовательный гибрид становится последовательно-параллельным за счет добавления механического соединения (муфты) между двумя электрическими машинами. Преимущество этой архитектуры заключается в том, что на низких скоростях при разомкнутом сцеплении силовой агрегат ведет себя как последовательный гибрид, запуская двигатель в наиболее эффективной рабочей точке. При высокой скорости автомобиля сцепление замыкается, и двигатель может передавать крутящий момент на ведущее колесо, таким образом, трансмиссия становится параллельным гибридом.

Изображение: Последовательно-параллельная гибридная трансмиссия

Преимущество последовательно-параллельного гибрида по сравнению с последовательным гибридом заключается в меньшей номинальной мощности генератора, поскольку избыточная мощность двигателя может передаваться непосредственно на ведущие колеса. Недостаток в том, что, добавляя механическое соединение (муфту), мы теряем гибкость в плане упаковки.

С точки зрения функций трансмиссии, последовательно-параллельный гибрид способен:

• Остановка и запуск двигателя
• Рекуперация энергии
• Помощь/увеличение крутящего момента
• Электрический привод
• Зарядка в состоянии покоя

По сравнению с параллельным гибридом, последовательно-параллельный гибрид использует две электрические машины и выполняет те же задачи. По этим причинам последовательно-параллельная архитектура трансмиссии с муфтовым соединением между двумя электрическими машинами не получила широкого распространения у производителей автомобилей.

Гибридный силовой агрегат с разделением мощности

Гибридный автомобиль с архитектурой с разделением мощности сочетает в себе характеристики параллельного гибрида с характеристиками последовательного гибрида. Гибридная трансмиссия с разделением мощности механически связывает двигатель внутреннего сгорания и две электрические машины с помощью устройства разделения мощности (PSD) . Устройство разделения мощности обычно представляет собой одиночный планетарный ряд (PSG) или несколько PSG.

Изображение: Гибридный силовой агрегат с разделением мощности

Двигатель внутреннего сгорания имеет наибольшую номинальную мощность по сравнению с электрическими машинами. Часть мощности двигателя преобразуется одной электрической машиной в электрическую энергию, причем избыточная мощность передается на ведущее колесо параллельно с мощностью второй электрической машины.

За исключением движения по инерции, гибридная трансмиссия с разделением мощности выполняет все функции полного гибрида:

• Остановка и запуск двигателя
• Рекуперация энергии
• Помощь/увеличение крутящего момента
• Электрический привод
• Зарядка в состоянии покоя

Поскольку двигатель всегда связан с ведущими колесами через планетарный ряд, его скорость можно регулировать только в определенных пределах, зависящих от передаточных чисел КПГ и скорости двух электрических машин. Комбинация двигателя внутреннего сгорания, двух электрических машин и PSG дает общее поведение бесступенчатой трансмиссии (CVT). По этой причине гибридные электромобили с разделением мощности рекламируются как имеющие электрическую бесступенчатую трансмиссию (ECVT) .

Система Hybrid Synergy Drive от Toyota является примером гибридной трансмиссии с разделением мощности.

Изображение: гибрид Toyota Prius.
Предоставлено: Toyota.

Передняя ось приводится в движение гибридной силовой установкой с разделением мощности .

На низких и средних скоростях автомобиля гибрид с разделением мощности может вести себя как гибрид серии s, где двигатель приводит в действие одну электрическую машину (генератор), которая, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию и питает вторую электрическую машину (двигатель). При высокой скорости автомобиля, когда требуется высокая мощность, часть мощности двигателя передается непосредственно на ведущие колеса через планетарную передачу, в этом случае гибрид с разделением мощности является параллельным гибридом.

В гибриде с разделением мощности также существует механическая связь между двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами. Из-за этого их рабочие точки (крутящий момент и скорость) всегда взаимозависимы и не могут полностью отделить двигатель от электродвигателя. Гибрид с разделением мощности может существенно снизить расход топлива при низкой-средней скорости автомобиля, но с минимальным преимуществом при высокой скорости автомобиля.