Последовательный, параллельный и смешанный гибрид: сравнение устройства и режимов работы.
Лаборатории гибридного привода
Смежные лаборатории
Схемы гибридного привода: устройство и принцип работы
Последовательный, параллельный и смешанный гибрид: сравнение устройства и режимов работы.
Какие бывают гибриды
Гибрид совмещает два источника тяги — ДВС и электромотор — так, чтобы каждый работал там, где он хорош. Отличаются схемы тем, как мотор и ДВС соединены с колёсами и друг с другом.
Зачем совмещать. Бензиновый ДВС слаб на низких оборотах и набирает наибольший момент около 4000 об/мин, а меньше всего топлива на единицу работы тратит на средних оборотах (порядка 2000–3000 об/мин) при большой нагрузке; дизель — в узкой зоне около 2000–2700 об/мин. Мотор даёт полный момент с места и слабеет на высоких оборотах. Вместе они перекрывают весь диапазон: смотрите график «Момент от оборотов».
Четыре способа экономии. Остановка ДВС на холостом ходу, рекуперация при торможении, помощь мотором при разгоне и езда на электротяге там, где ДВС работал бы невыгодно. Микрогибрид умеет первое, мягкий — первые три, полный — все четыре.
Последовательный. Колёса крутит только мотор, ДВС крутит генератор и не связан с колёсами. ДВС всегда на выгодном режиме, но вся мощность проходит двойное преобразование, а батарея и мотор нужны большие.
Параллельный. Мотор и ДВС вращают один вал через коробку: моменты складываются. Сцепление между ними позволяет ехать на электротяге. Батарея может быть небольшой, но обороты ДВС привязаны к скорости через передачу.
Последовательно-параллельный. Делитель мощности (планетарный ряд) и два мотор-генератора: можно ехать на электротяге, складывать мощности, а обороты ДВС выбирать независимо от скорости. В городском цикле обычно самая экономичная (на трассе разница с параллельной схемой меньше), но и самая сложная.
Гибрид с вариатором. Параллельная схема с ремённым вариатором вместо коробки и отдельным мотором на второй оси. Пускает ДВС ременной стартер-генератор.
Детали в модели «Типы гибридов: последовательный, параллельный, смешанный, мягкий, микро»
Двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый ДВС: момент мал на низких оборотах и растёт к 4000 об/мин. В гибриде блок управления старается держать его в зоне наилучшего КПД, а на стоянке и при малой нагрузке глушит.
Генератор (MG1). В последовательной схеме ДВС крутит только генератор, ток идёт в батарею и к тяговому мотору. В последовательно-параллельной схеме генератор стоит на солнечной шестерне делителя: он забирает часть мощности ДВС и им же регулируются обороты двигателя. Он же пускает ДВС.
Тяговый мотор-генератор. Синхронный мотор с постоянными магнитами: полный момент с места, дальше — постоянная мощность. При торможении работает генератором (рекуперация). Где он стоит, и определяет тип гибрида: за ДВС на одном валу (параллельный), отдельно на колёсах (последовательный) или на выходе делителя (смешанный).
Сцепление. В параллельной схеме сцепление между ДВС и мотором размыкается для езды на электротяге и рекуперации, чтобы мотор не крутил заглушенный двигатель. В мягком и микрогибриде это обычное сцепление перед коробкой.
Делитель мощности (планетарный ряд). Водило соединено с ДВС, солнечная шестерня — с генератором, коронная — с тяговым мотором и колёсами. Часть мощности ДВС идёт на колёса механически, часть — через генератор и провода к мотору. Обороты ДВС не привязаны к скорости. Подробно — в модели «Делитель мощности».
Коробка передач. Ступенчатая автоматическая коробка (5 передач): обороты ДВС и мотора привязаны к скорости машины через передачу.
Вариатор. Ремённый вариатор плавно меняет передаточное число (2,4…0,43): блок управления держит обороты ДВС на экономичной линии независимо от скорости. Мотор-генератор стоит на входе вариатора и помогает ДВС.
Редуктор тягового мотора. Постоянная понижающая передача: мотор крутится быстрее колёс и даёт на них больший момент. Коробка передач с переключением мотору не нужна.
Ременной стартер-генератор. Стоит вместо обычного генератора и связан с коленчатым валом ремнём. Мягко пускает ДВС после остановки, немного помогает при разгоне и заряжает батарею при торможении. Ехать без ДВС он машину не может: он слабый и крутит только коленчатый вал.
Усиленный стартер. В микрогибриде стартер рассчитан на частые пуски: на каждой остановке ДВС глохнет, при отпускании тормоза стартер снова его запускает. Аккумулятор 12 В — с повышенным ресурсом.
Мотор второй оси. В гибриде с вариатором вторая ось приводится только своим мотором (как последовательный гибрид): помогает при трогании и пробуксовке и рекуперирует при торможении.
Тяговая батарея. Размер зависит от схемы: самая большая у последовательного гибрида (всё движение через мотор), у полных гибридов около 1,3–1,5 кВт·ч, у мягкого — небольшая батарея около 48 В. У микрогибрида тяговой батареи нет. Заряд держится в окне 20…80 %.
Силовой блок (инвертор). Инверторы превращают постоянный ток батареи в трёхфазный для моторов и обратно при генерации. Через него идут все электрические потоки, поэтому при его отключении каждая схема ведёт себя по-своему.
Высоковольтные кабели. Оранжевые кабели соединяют батарею, силовой блок и мотор-генераторы. В мягком гибриде 48 В — не высокое напряжение, кабели обычные (синие в модели).
Аккумулятор 12 В. Питает блоки управления, свет и реле. В полном гибриде его заряжает преобразователь от тяговой батареи, в микрогибриде — обычный генератор.
Топливный бак. Бензин — единственный источник энергии гибрида без внешней зарядки: батарея только запасает энергию торможения и излишки работы ДВС.
Карданный вал и главная передача. Передают момент от коробки, вариатора или редуктора на колёса. В учебной платформе привод задний, чтобы все узлы стояли в одну линию.
Колёса. Ведущая в учебной платформе — задняя ось. В гибриде с вариатором передняя ось получает свой мотор, и машина становится полноприводной.
Тормозные механизмы. Подсвечиваются, когда энергию торможения забирают колодки, а не мотор. Чем больше доля рекуперации, тем меньше нагрев и износ колодок.
Показ по шагам
Одна платформа — шесть схем. Спереди ДВС, сзади ведущая ось. Между ними меняется «середина»: генератор, сцепление, моторы, делитель или вариатор. Янтарные частицы — механическая мощность, голубые — ток из батареи, зелёные — ток в батарею.
Последовательный. Колёса крутит только мотор. ДВС стоит отдельно и крутит генератор — красный крест показывает, что вала к колёсам нет. ДВС работает на выгодных оборотах независимо от скорости.
Параллельный. Мотор стоит между ДВС и коробкой на одном валу. Сцепление разомкнуто — едем на электротяге, замкнуто — моменты ДВС и мотора складываются (белая линия на графике).
Последовательно-параллельный. Делитель мощности делит мощность ДВС: часть идёт на колёса валом, часть — через генератор и провода к мотору. Умеет всё: электротягу, помощь, рекуперацию и выгодные обороты ДВС.
Мягкий. Ременной стартер-генератор вместо обычного генератора: старт-стоп, небольшая помощь при разгоне и рекуперация. Электротяги нет — мотор слишком слабый и стоит на ремне ДВС.
Микро. Обычный ДВС с усиленным стартером: экономия только за счёт остановки на стоянке. Тяговой батареи, мотора и рекуперации нет.
С вариатором. Параллельная схема спереди назад: ДВС, мотор-генератор и вариатор держат выгодные обороты. Вторая ось — только своим мотором, как последовательный гибрид.
Разряженная батарея. Посмотрите, как меняется поведение: ДВС работает и на стоянке, электротяги нет. Переключайте схемы — у каждой своя реакция.
Учебные ситуации: как ведёт себя каждая схема
Батарея разряжена. Признаки: последовательный: ДВС не глохнет и тянет генератором, разгон ограничен мощностью генератора. Параллельный и смешанный: ДВС работает и на стоянке, заряжая батарею, электротяги нет. Мягкий: старт-стоп не глушит ДВС, помощи при разгоне нет. Микро: старт-стоп отключается (заряд 12 В мал). Что проверить: это не неисправность, пока заряд восстанавливается. Если батарея не заряжается — заряд по диагностике, разброс напряжения блоков, вентилятор батареи.
Батарея полная. Признаки: при торможении с горы или после долгого спуска мотор почти не тормозит, и всю энергию забирают тормозные механизмы. У микрогибрида так всегда. Что проверить: особенность, а не неисправность. Если рекуперации нет при среднем заряде — ошибки системы торможения и мотор-генератора.
Отключился силовой блок. Признаки: последовательный и смешанный — машина не едет. Гибрид с вариатором не может даже пустить ДВС. Параллельный едет только на ДВС, без электротяги и старт-стопа. Мягкий — как обычная машина без старт-стопа. Микрогибриду всё равно: силового блока у него нет. Что проверить: ошибки силового блока, температура инвертора и насос его охлаждения, сопротивление изоляции. Работы — только с допуском к высокому напряжению.
Упрощения модели
Одна учебная платформа с задним приводом и узлами в одну линию, чтобы схемы было легко сравнить. В реальных машинах агрегаты чаще стоят поперечно, а мощности узлов подобраны под каждую машину.
ДВС, моторы, батареи и КПД — типичные учебные значения. Расход считается по упрощённой карте КПД двигателя (лучший около 35 %) и показывает сравнение схем, а не паспортный расход.
Заряд батареи меняется в 4 раза быстрее, чем в жизни, чтобы его изменение было видно за один цикл.
Средний расход не приведён к одинаковому заряду: схема, которая за цикл разрядила батарею, выглядит экономичнее, чем есть, — энергию придётся вернуть топливом позже. Сравнивайте расход вместе с изменением заряда.
Не учтены потери на прокручивание заглушенного ДВС, прогрев, отопитель и кондиционер. Микрогибрид в модели не рекуперирует; некоторые микрогибриды заряжают аккумулятор 12 В генератором при торможении.
Делитель мощности показан упрощённо: доля мощности через генератор задана от скорости. Точная кинематика и номограмма — в модели «Делитель мощности».
Вариатор показан схематично: ремень и шкивы не меняют радиус, а передаточное число выводится в тексте.
Работы с высоким напряжением выполняют только обученные специалисты: оранжевые кабели и разъёмы нельзя трогать самостоятельно.