Гибридные электрические автомобили

Гибридные электрические автомобили

HEV – (Hybrid Electric Vehicle)

Гибридными называются автомобиль имеющие несколько независимых источников механической энергии, например ДВС и электрический двигатель. Причём эти источники механической энергии могут двигать автомобиль, как по отдельности, так и совместно.

В данной статье мы не будем касаться схемы гибридных автомобилей использующих для накопления энергии другие устройства, кроме высоковольтных тяговых аккумуляторных батарей, но, необходимо сознавать, что для накопления энергии могут использоваться и другие устройства сохранения энергии. Например, маховик, сжатый воздух, жидкость, находящаяся под давлением, или ультраконденсаторы.

Чаще всего гибридным называется автомобиль, имеющий двигатель внутреннего сгорания, генератор, один или несколько тяговых электрических двигателей, блок аккумуляторных батарей, питающих электрический двигатель (двигатели) и различных управляющих и силовых электрических устройств и высоковольтных проводов. Зарядка высоковольтной аккумуляторной батареи осуществляется в режимах работы двигателя на частичных нагрузках, когда мощность, развиваемая ДВС выше мощности, необходимой для движения автомобиля, в соответствии с требованиями водителя и дорожных условий. В этом случае излишняя мощность ДВС, которая в данный момент не требуется для движения автомобиля, преобразуется в электрическую энергию и накапливается в аккумуляторной батарее.

Единственным источником энергии этого автомобиля является Двигатель внутреннего сгорания, поскольку для работы Тягового электрического двигателя используется только механическая энергия ДВС, преобразованная в электрическую энергию при помощи генератора и сохранённая в высоковольтной аккумуляторной батарее.

Учитывая это очень важное замечание, может возникнуть вопрос – А зачем надо было сооружать столь сложную трансмиссию, если всё равно используется энергия только двигателя внутреннего сгорания?

Основное, такая трансмиссия позволяет устанавливать на автомобиль ДВС меньшей мощности и, следовательно, меньшего размера, при этом обеспечивается работа двигателя внутреннего сгорания в наиболее благоприятном для него режиме работы. При конструировании автомобиля учитывается много различных технических требований. Нас в данный момент интересуют максимальное ускорение, максимальная скорость и максимальная нагрузка, при этом всегда обязательными являются требования по экологической безопасности и топливной экономичности автомобиля. Мощность устанавливаемого на автомобиль ДВС определяется из необходимости обеспечения проектного максимального ускорения при полной нагрузке автомобиля. Но на этом режиме автомобиль движется очень незначительное время, а при движении на частичных нагрузках, на которых работает автомобиль большую часть времени, мощность двигателя используется только частично, следовательно, мощность установленного на автомобиль ДВС чаще всего избыточна, что снижает экономические и экологические показатели автомобиля. К тому же более мощный двигатель внутреннего сгорания имеет больший вес, на перемещение которого требуется дополнительная энергия, что потребует сжигания большего количества топлива.

На автомобилях с гибридной силовой установкой, для движения с частичной нагрузкой, вполне хватает ДВС с меньшей мощностью и, следовательно, уменьшенного размера. При этом часть мощности даже этого уменьшенного ДВС используется для зарядки высоковольтной тяговой аккумуляторной батареи. Но когда возникает ситуация при которой мощности уменьшенного ДВС автомобиля не хватает для обеспечения установленного ускорения или максимально скорости, электронная система управления мощностью, в помощь ДВС, подключается тяговый электрический двигатель. Совместная работа двух двигателей обеспечивает необходимые динамические характеристики автомобиля.

Топливная экономичность и экологичность двигателя внутреннего сгорания очень зависит от режима работы двигателя, то есть от нагрузки и скорости вращения. Электрическая часть трансмиссии гибридного автомобиля позволяет ДВС чаще работать на наиболее экономичных режимах. Это уменьшает выброс в атмосферу вредных веществ при одновременном снижении выхлопа углекислого газа (СО2), вызывающего парниковый эффект и улучшение топливной экономичности автомобиля.

Гибридные автомобили оборудованы системой рекуперации тормозной энергии. При торможении обычного автомобиля тормозная система преобразует кинетическую энергию движущегося автомобиля в тепловую и рассеивает эту энергию в окружающее пространство. При рекуперативном торможении тяговый электродвигатель (электродвигатели) переключается в режим генератора, электрическая энергия, вырабатываемая мотор-генератором во время торможения, используется для дополнительной подзарядки тяговой высоковольтной аккумуляторной батареи.

По своей конструкции гибридные автомобили подразделяются на:

2.1 – Последовательные
2.2 – Параллельные
2.3 – Последовательно параллельные
2.4 – Гибридные автомобили с возможностью подзарядки аккумуляторной батареи от постороннего источника электрической энергии

 

2.1 – Последовательные гибридные автомобили

Устройство гибридного автомобиля
Схема последовательного гибридного автомобиля

Последовательные гибридные автомобили имеют как двигатель внутреннего сгорания, так и электрический двигатель. В этой схеме двигатель внутреннего сгорания механически не связан с ведущими колёсами автомобиля. Двигатель внутреннего сгорания приводит только генератор, а тяговый электрический мотор (или моторы) получают электрическую энергию, вырабатываемую генератором. Тут может возникнуть вопрос, а чем этот автомобиль отличается от автомобиля с электрической трансмиссией? Дело в том, что гибридный автомобиль имеет блок аккумуляторных батарей большой ёмкости, позволяющей автомобилю на некоторых режимах двигаться при неработающем двигателе внутреннего сгорания. А при больших нагрузках энергия, накопленная в аккумуляторной батарее, поступает на тяговый электрический двигатель совместно с электрической энергией, вырабатываемой в данное время генератором, что позволяет устанавливать на автомобиль двигатель внутреннего сгорания и генератор уменьшенной мощности и, соответственно, уменьшенного веса.

Но в этом автомобиле ДВС остался единственным источником энергии. На установившихся режимах движения автомобиля, когда мощность, потребляемая тяговым электродвигателем, ниже мощности, вырабатываемой генератором, излишняя электрическая энергия через элементы электрического управления, поступает в аккумуляторную батарею. На режимах частичной нагрузки, на которых автомобиль эксплуатируется большую часть времени, электрический двигатель работает на электрической энергии, поступающей от генератора, но в режимах энергичного ускорения или других высоких нагрузок этой электрической мощности может быть недостаточно. В этом случае недостающая энергия берётся от аккумуляторной батареи. Кроме этого во время торможения тяговый двигатель начинает работать в режиме генератора и вырабатываемая им электрическая энергия так же накапливается в аккумуляторной батарее. Наличие мощной аккумуляторной батареи позволяет уменьшить двигатель внутреннего сгорания. Этот двигатель может работать в наиболее приемлемых для него режимах работы, не зависимо от скорости движения и нагрузки автомобиля, что значительно улучшает топливную экономичность и уменьшает эмиссию двигателя. При этом ДВС имеет значительно меньший вес и более простую конструкцию, поскольку двигатель работает практически как стационарный, что позволяет не оборудовать двигатель различными системами, обеспечивающих работу двигателя на различных режимах работы.

По своим тяговым характеристикам электрический двигатель значительно отличается от двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания развивает максимальную мощность и максимальный крутящий момент только на высоких оборотах, а электрический двигатель развивает максимальный крутящий момент в самом начале вращения, кроме этого у электромотора отсутствует необходимость в холостом ходе. Электрический двигатель может вращаться в противоположном направлении. Это позволяет исключить из конструкции автомобиля сцепление и коробку передач, а при использовании не одного электродвигателя, а нескольких мотор-колёс, пропадает необходимость в использовании дифференциала. Отсутствие этих агрегатов значительно упрощает конструкцию автомобиля и уменьшает его вес, что частично компенсирует большой вес аккумуляторной батареи.

Современные аккумуляторные батареи обладают увеличенной удельной ёмкостью, то есть количеством сохранённой энергии в каждом килограмме веса (или объёма) аккумулятора, что позволило увеличить общую емкость аккумуляторной батареи. При этом значительно увеличился пробег, который способен выполнить автомобиль, работая только на электрической тяге. Увеличение этого пробега привело к тому, что он превысил средний суточного пробег среднего водителя, и у инженеров появилась возможность создать автомобиль, аккумулятор которого заряжается от постороннего источника электрической энергии. Аккумулятор может подзаряжаться без использования ДВС автомобиля во время стоянки от простой электрической розетки городской сети или ускоренно заряжаться от специальной зарядной станции.
Гибридный автомобиль, зарядку которого можно осуществлять от постороннего источника электрической энергии имеет обозначение PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle)Гибридный электрический автомобиль с возможностью зарядки от постороннего источника.
Примером такого автомобиля является Chevrolet Volt иToyota Prius нового поколения

Дальнейшее увеличение удельной ёмкости аккумуляторных батарей и значительное снижение их стоимости привело к тому, что движение автомобиля за счёт энергии, запасённой в аккумуляторной батарее, стало основным. А для привода генератора, необходимого для подзарядки аккумуляторных батарей, что требуется для увеличения общего пробега автомобиля, когда зарядки аккумулятора недостаточно для дальних поездок на автомобиль стали ставить не стандартный автомобильный двигатель, а упрощённый и облегченный двигатель внутреннего сгорания. Такие двигатели называются «Range Extender», а гибридный автомобиль с подобным двигателем получил наименование REEV (Range ExtenderElectric Vehicle).

Е.Н. Жарцов

К оглавлению