Как планетарная передача объединяет ДВС и два мотор-генератора.
Делитель мощности гибрида: устройство и принцип работы
Как делитель мощности заменяет коробку передач
В последовательно-параллельном гибриде ДВС, два мотор-генератора и колёса связаны одним планетарным рядом. Коробки передач и сцепления нет: обороты ДВС задаёт момент MG1, а тягу дополняет MG2.
Три звена — три машины. Солнце соединено с MG1, водило — с ДВС, коронная — с колёсами и через понижающий ряд с MG2. Обороты связаны уравнением n_MG1·30 + n_кор·78 = n_ДВС·108: на номограмме три точки всегда на одной прямой.
Два пути мощности. Механический: 72 % момента ДВС через водило сразу на коронную. Электрический: MG1 генерирует, ток через силовой блок идёт в MG2. Без момента MG1 мощность ДВС на колёса не передаётся — двигатель просто раскрутится.
Батарея — буфер. Если MG1 даёт больше тока, чем берёт MG2, излишек заряжает батарею; при разгоне батарея добавляет мощность. Система держит заряд около 60 %: ниже 45 % ДВС заряжает её на ходу и на стоянке.
Электротяга, задний ход, рекуперация. ДВС стоит, водило неподвижно: MG2 везёт машину вперёд или назад (просто меняет направление), MG1 свободно вращается в обратную сторону. При торможении MG2 работает генератором.
Понижающий ряд MG2. У него неподвижное водило: MG2 вращается в 2,48 раза быстрее барабана и умножает момент. Поэтому на номограмме выход отмечен оборотами коронной, а MG2 — в 2,48 раза больше.
Детали в модели «Делитель мощности гибрида»
ДВС с выходным валом. Рядный 4-цилиндровый двигатель, работающий по циклу Аткинсона: высокая степень расширения ради экономичности. Коленвал через демпфер соединён с водилом делителя. Стартера и генератора на ремне нет — их работу делает MG1.
Демпфер и входной вал. Лёгкий маховик с пружинным демпфером гасит крутильные колебания коленвала. Входной вал проходит внутри полого ротора MG1 к водилу планетарного делителя.
Мотор-генератор MG1. Синхронная машина с постоянными магнитами на солнечной шестерне делителя. Чаще работает генератором и, меняя свой момент, задаёт обороты ДВС. Пускает двигатель как стартер. Вращается до 10 000 об/мин в обе стороны.
Датчик положения ротора MG1. Вращающийся трансформатор: овальный ротор на валу MG1 и неподвижные катушки. По нему блок управления знает угол ротора и включает фазы статора точно вовремя.
Планетарный делитель мощности. Один простой планетарный ряд: солнце 30 зубьев — MG1, водило с четырьмя сателлитами — ДВС, коронная 78 зубьев — выход к колёсам. 72 % момента ДВС идут прямо на коронную, 28 % — на MG1. Вместо коробки передач обороты ДВС задаёт момент MG1.
Понижающий планетарный ряд MG2. Солнце 23 зуба на валу MG2, сателлиты на водиле, прикреплённом к картеру, коронная 57 зубьев на общем барабане с коронной делителя. MG2 вращается в 2,48 раза быстрее барабана и во столько же раз увеличивает момент — мотор меньше при той же тяге.
Мотор-генератор MG2. Тяговая машина 50 кВт: через понижающий ряд всегда связана с колёсами. Помогает ДВС при разгоне, одна везёт машину на электротяге и задним ходом (крутится назад), при торможении работает генератором.
Картер гибридной трансмиссии. Корпус с колоколом к двигателю и гнёздами статоров MG1 и MG2. Внутри общее масло: оно смазывает шестерни и охлаждает обмотки; к водилу понижающего ряда картер прикреплён перегородкой.
Промежуточная передача. Ведущая шестерня 60 зубьев на барабане коронных и ведомая 48 на промежуточном валу. На этом же валу малая шестерня главной передачи. Здесь соединяются механический поток ДВС и поток MG2.
Главная передача и дифференциал. Шестерня 17 зубьев на промежуточном валу и ведомая 68 на корпусе дифференциала. От коронной до колёс общее передаточное число 3,2. Сателлиты дифференциала дают колёсам вращаться с разной скоростью в повороте.
Приводные валы. Передают момент от дифференциала к ступицам колёс через шарниры равных угловых скоростей.
Силовой блок (инверторы). Два инвертора (для MG1 и MG2), повышающий преобразователь 201,6 → до 650 В и преобразователь 12 В. Ток MG1 идёт в MG2 через общую шину — это электрический путь мощности, батарея лишь добавляет или забирает разницу.
Высоковольтная батарея. 28 модулей по 7,2 В — 201,6 В, 6,5 А·ч. Система держит заряд в окне около 40–80 %, стремясь к 60 %: ниже — ДВС заряжает, выше — меньше рекуперации и больше электротяги.
Показ по шагам
Что внутри. Слева ДВС с демпфером, дальше по одной оси MG1, планетарный делитель, барабан коронных с шестернёй промежуточной передачи, понижающий ряд и MG2. Справа номограмма: три шкалы оборотов.
Делитель: три звена. Солнце — MG1, водило с сателлитами — ДВС, коронная — выход к колёсам и MG2. Звенья окрашены как шкалы номограммы: солнце с валом MG1 зелёное, водило с входным валом оранжевое, коронная с барабаном голубая. Точки трёх звеньев на номограмме всегда лежат на одной прямой.
Трогание на электротяге. Тянет только MG2 от батареи. Водило с ДВС стоит, поэтому MG1 вращается назад, не вырабатывая тока: прямая проходит через ноль на шкале ДВС.
Пуск ДВС. MG1 даёт положительный момент и раскручивает коленвал. Реакция толкает коронную назад — MG2 добавляет момент, чтобы машину не дёрнуло.
Равномерное движение. ДВС работает в экономичной точке. Часть мощности идёт прямо на колёса, часть MG1 превращает в ток для MG2 и для зарядки батареи.
Полный разгон. На малой скорости обороты ДВС ограничены оборотами MG1 (до 10 000 об/мин): на номограмме точка MG1 у верхнего края, и ДВС крутится около 3500–4500 об/мин. Свои 5000 об/мин он набирает только на высокой скорости. MG2 тянет от тока MG1 и батареи одновременно, батарея отдаёт до 25 кВт.
Торможение и рекуперация. MG2 становится генератором и заряжает батарею, ДВС стоит. Батарея принимает не больше 20 кВт, поэтому на высокой скорости часть торможения дают колодки; на малой скорости и при полной батарее — тоже колодки.
Задний ход. Отдельной передачи нет: MG2 просто вращается в обратную сторону. MG1 при этом свободно вращается вперёд.
Что ломается и как это проявляется
Низкий заряд батареи. Признаки: ДВС работает на стоянке и в пробке без остановки, электротяга не включается, расход в городе вырос. На панели может быть предупреждение о низком заряде. Что проверить: сканером: SOC, напряжения блоков батареи и их разброс, коды батареи. Низкий заряд после стоянки — постоять в READY: ДВС запустится и зарядит батарею. Если READY не включается или ДВС не пускается из-за глубокого разряда, нужна сервисная зарядка батареи по руководству. Большой разброс блоков — ремонт батареи.
Перегрев MG2. Признаки: машина вяло разгоняется, особенно после долгого подъёма или буксировки прицепа, может гореть предупреждение. После остывания всё восстанавливается. Что проверить: уровень и состояние масла трансмиссии, насос и контур охлаждения силового блока, датчик температуры MG2 и его цепь, стоп-кадр кода: температура и нагрузка.
Отказ датчика положения ротора MG1. Признаки: ДВС не заводится, машина едет только на электротяге и медленно, горит предупреждение гибридной системы. Когда заряд упадёт до 30 %, машина остановится. Что проверить: коды и стоп-кадр датчика MG1, сопротивление обмоток датчика и разъём на картере, изоляцию проводов. Дальше — проверка самого MG1.
Упрощения модели
Скорость машины считается: тяга от моментов ДВС и MG2 через главную передачу 3,2 минус сопротивление качению и воздуха (машина 1350 кг). В режиме «Равномерно» система держит выбранную скорость, ползунком скорость можно задать сразу.
Режимы выбираются кнопками; в жизни блок управления меняет их плавно и сам. Здесь он тоже запускает ДВС при электротяге выше 50 км/ч, при большой мощности и при заряде ниже 45 %.
Обороты ДВС следуют за заданными без инерции колебаний; момент MG1 считается из баланса моментов ряда с учётом разгона коленвала. КПД шестерён 97 %, электромашин с инверторами 90 %, потери в батарее не учтены.
Заряд батареи меняется в реальном времени, батарея маленькая (около 1,3 кВт·ч), поэтому заряд заметно движется за минуту.
Обороты MG2 в показаниях даны «по ходу машины», как у сканера. Физически при неподвижном водиле понижающего ряда его ротор вращается против барабана — так он и вращается в модели.
Картер вокруг шестерён снят; ДВС, силовой блок и батарея упрощены. У сателлитов 24 и 17 зубьев (стандартное зацепление). Обороты на экране замедлены.
Звенья делителя окрашены условно, в цвета номограммы: солнце с валом MG1 — зелёное, водило с входным валом и осями сателлитов — оранжевое, коронная с барабаном — голубая. В жизни это стальные детали.
Высокое напряжение опасно: оранжевые кабели и разъёмы отключают только обученные специалисты по инструкции.