К оглавлению

 Последовательно-параллельные гибридные автомобили

Устройство гибридных автомобилей
Схема последовательно-параллельного гибридного автомобиля

Автомобиль с разделяемым потоком мощности или параллельно последовательный гибрид может работать и как последовательный, так и как параллельный гибридный автомобиль.
Трансмиссия автомобиля имеет устройство, называемое делителем мощности, которое делит мощность, направляемую от двигателя внутреннего сгорания к ведущим колёсам автомобиля, на два потока. Основная часть потока мощности идёт по механической ветке, а оставшаяся часть по электрической ветке.
Предназначение этого устройства разделение потока мощности ДВС в соответствии с требованиями водителя к необходимой для движения автомобиля мощности, подводимой к ведущим колёсам, в соответствии с условиями движения автомобиля.
Двигатель внутреннего сгорания имеет минимальный крутящий момент на низких оборотах двигателя, поэтому для обеспечения приемлемого ускорения автомобиля при трогании с места, возникает необходимость установки на автомобиль ДВС, обладающего мощностью, значительно превышающую мощность двигателя, необходимую при установившемся постоянном движении (режим частичных нагрузок), что вызывает снижение топливной экономичности и ухудшает токсичность автомобиля.
А электрический двигатель наоборот обладает максимальным крутящим моментом, когда ротор двигателя находится в состоянии покоя, что, несомненно, может помочь двигателю внутреннего сгорания на низких оборотах. Для совместного использования с делителем мощности можно использовать двигатель внутреннего сгорания меньшей мощность, с невысокой гибкостью, но с более высокой эффективностью.
В гибридных автомобилях вместо двигателей внутреннего сгорания, работающих по циклу Отто, имеющих высокую мощность и хороший крутящий момент на низких оборотах, часто устанавливаются ДВС, работающие по циклу Аткинсона. Эти двигатели обладают меньшей удельной мощностью и низким крутящим моментом, но обладают более высокой эффективностью, по сравнению с двигателями, работающими по циклу Отто.

По такой схеме построен самый продаваемый гибридный автомобиль в мире Toyota Prius.
Использовав эту схему как основу и модернизировав её многие автомобильные фирмы, включая саму Тойоту, разработали более сложные и многофункциональные и эффективные системы.

 

 

2.4 – Гибридные автомобили параллельно-последовательной схемы с возможностью подзарядки аккумуляторной батареи от постороннего источника электрической энергии

PHEV – (Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

При конструировании автомобилей всегда учитывается множество технических параметров. Причём почти всегда улучшение одного параметра приводит к ухудшению одного или нескольких других параметров автомобиля. На первый взгляд кажется, что увеличение ёмкости высоковольтной батареи приведёт к улучшению потребительских качеств гибридного автомобиля. Но аккумуляторные батареи имеют большой вес и высокую стоимость. Необоснованное увеличение ёмкости аккумуляторной батареи приведёт к увеличению веса автомобиля и, следовательно, к ухудшению его динамических качеств и к значительному увеличению стоимости автомобиля. А поскольку стоимость гибридного автомобиля и так выше стоимости подобного по классу автомобиля с ДВС, автомобиль не будет продаваться.

Для гибридного автомобиля очень важен показатель, указывающий какое расстояние может проехать автомобиль при использовании только электрического мотора. Этот показатель имеет вид – PHEV**, где ** указывают расстояние, которое может проехать гибридный автомобиль только на одной электрической тяге, например: PHEV10, PHEV20, PHEV30. При этом расстояние указывается в милях. Но этот показатель можно отобразить и в километрах, например: PHEV16km, PHEV32km,PHEV48km.

Увеличивающееся производство гибридных автомобилей привело к бурному развитию технологий производства высоковольтных тяговых аккумуляторных батарей. Новые батареи имеют меньший удельный вес, меньшие удельные габаритные показатели и, главное, новые батареи имеют более низкую удельную стоимость. Поэтому на новых гибридных автомобилях ёмкость устанавливаемых аккумуляторных батарей значительно увеличилась. Это привело к резкому увеличению пробега автомобиля при использовании только электрической тяги. Если первые гибридные автомобили могли на электрической тяге проехать только несколько, от 2-х до 5-ти километров, то впоследствии этот показатель стал превышать 60 км.

Как не странно, но первые к этому решению пришли не производители, а потребители автомобилей. В США появилось несколько небольших частных фирм, выпускающих специальные модернизационные комплекты (дополнительный блок батарей, зарядное устройство и дополнительный электронный блок управления), позволяющий производить подзарядку аккумуляторные батареи от домашней сети самого распространённого гибридного автомобиля (HEV) Toyota Priusпредыдущих моделей. На последнюю модель Toyota Priusподобное оборудование устанавливается непосредственно на заводе. Следовательно, Toyota Prius из HEV превратилась в автомобиль PHEV.

Справедливости ради необходимо отметить, что многие источники указывают, что первым серийным гибридным автомобилем с возможностью подзарядки аккумуляторных батарей от внешнего источника электрической энергии (PHEV) был автомобиль китайского производителя BYD Auto, моделиF3DM, выпуск которого был начат в 2008 году.

Статистические подсчёты показывают, что большая часть пользователей автомобилей (в США) за день не проезжают более 50 км. Отсюда появилось желание производить зарядку аккумуляторной батареи не от генератора автомобиля, приводимого ДВС, а от постороннего источника электрической энергии. Разумеется, лучше всего использовать для этих целей домашнюю электрическую сеть и заряжать аккумуляторную батарею ночью, поскольку во многих странах ночные тарифы на электричество значительно ниже дневных. Что, правда, не исключает возможность подзарядки аккумуляторной батареи в условиях специальных зарядных станций. В том числе и с ускоренными способами зарядки.

За последние 2 – 3 года производство подобных автомобилей начали все основные мировые производители. Многие эксперты указывают, что именно PHEV получат широкое распространение в ближайшие годы.

Режим совместной работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и тягового электрического двигателя зависит от режима движения автомобиля. Пользователи, имеющие короткий суточный пробег, вообще могут использовать автомобиль только на электрической тяге, сведя при этом потребление бензина к нулю. Двигатель внутреннего сгорания автоматически включается, если запас энергии аккумуляторной батареи опустится ниже установленного предела или если для обеспечения необходимых динамических параметров автомобиля мощности электрического двигателя не достаточно. При совместной работе электрического двигателя и ДВС пробег автомобиля может быть более 500 км.

Очень странно, но я, ни разу не встречал рассмотрение вопроса экономичности подобной эксплуатации подзаряжаемого гибридного автомобиля. В основе расчётов этого автомобиля лежит наблюдение, что 80% американских автомобилей имеют суточный пробег менее 50 километров. Разумеется, автомобиль не самолёт, где борьба за снижение веса идёт буквально на граммы. Но и конструкторы автомобилей предлагают большие усилия для снижения общего веса автомобиля, принимая при этом достаточно дорогостоящие технические решения. А тут автомобиль постоянно возит практически ненужные в этом режиме эксплуатации тяжёлый двигатель внутреннего сгорания и механические элементы трансмиссии. Более того, для сохранения двигателя периодически возникает необходимость его запуска, когда для нормального движения автомобиля его работа вообще не требуется. Всё это требуется только для одного, устранить в водителя боязнь не доехать до места назначения.

Возможно, при коротких пробегах в пределах одного населённого пункта более подойдёт не гибридный, а электрический автомобиль.

Во всех раннее рассмотренных автомобилях использовался только один источник энергии – двигатель внутреннего сгорания, установленный непосредственно не автомобиль. В гибридном автомобиле с возможностью подзарядки аккумуляторной батареи от постороннего источника электрической энергии (PHEV) используется два источника энергии – двигатель внутреннего сгорания и городская электрическая сеть.

3 – Электрические автомобили (EV)

Дальнейшее развитие аккумуляторных батарей дало возможность конструкторам создать чисто электрические автомобили. В этих автомобилях двигатель внутреннего сгорания отсутствует, а автомобиль движется только за счёт электрической энергии, накопленной аккумуляторной батареей от внешнего источника электрической энергии. Емкость современных аккумуляторных батарей в некоторых случаях обеспечивает пробег автомобиля между зарядками аккумуляторной батареи от 150 до 200 километров. Правда, это возможно только при движении в тёплое время года, когда не требуется включения климатической установки автомобиля ни в режиме кондиционера, ни в режиме отопителя. Работа климатической установки автомобиля на полную мощность может уменьшить пробег автомобиля всего до 70 километров.

Наиболее ярким представителем современного электрического автомобиля можно считать автомобиль Nissan Leaf.

3.1– Электрические автомобили на топливных элементах

В настоящее время считается перспективным использование как источник электрической энергии для движения электрического автомобиля не аккумуляторной батареи, а топливных элементов. Топливные элементы это устройство, преобразующие химическую энергию непосредственно в электрическую. Чаще всего в химических реакциях, происходящих в топливных элементах, используется водород и кислород. При этом используется кислород, содержащийся в окружающем воздухе и водород, хранящийся под высоким давлением или в жидкой форме на борту автомобиля. Соответственно, по причине отсутствия аккумуляторной батареи, пропадает необходимость в зарядке от постороннего источника электрической энергии. Правда возникают проблемы по заправке автомобиля водородом и безопасным способом его хранения в сжатом или жидком состоянии

Но из-за высокой стоимости топливных элементов и других, не решённых технических проблем, электрические автомобили с топливными элементами выпускаются только в экспериментальном порядке и в промышленном масштабе не выпускаются. В тоже время топливные элементы широко используются как источник электрической энергии в космической и других отраслях, где стоимость играет меньшее значение, чем в производстве массового автомобиля.

Е.Н. Жарцов

К оглавлению