III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Ужесточение требований к экономии топлива и к сокращению вредных выбросов стимулировали быстрое продвижение новых технологий передачи мощности от источника энергии к ведущим колесам транспортного средства. Способность непрерывно регулировать передаточное отношение трансмиссии от двигателя (ДВС) к ведущим колесам стало обязательным требованием при решении задачи снижения вредных примесей в выхлопных газах и экономии топлива.

Большая часть ДВС может работать наиболее эффективно только на некоторых, весьма ограниченных режимах. Значение мощности на этих режимах может не всегда соответствовать потребной мощности на ведущих колесах. В связи с этим возникла необходимость обеспечить между ДВС и ведущими колесами буфер мощности, который бы обеспечивал работу ДВС на постоянном режиме, независимо от изменения потребной мощности на ведущих колесах. В результате появились и стали стремительно развиваться транспортные средства с гибридной трансмиссией.

Использование гибридной трансмиссии позволяет уменьшить размер ДВС, используемого в автобусе, поскольку наличие дополнительного источника энергии в случае необходимости может обеспечивать дополнительную мощность. Кроме того, наличие гибридной трансмиссии значительно облегчает решение задачи рекуперации энергии на режимах торможения, когда существенная часть кинетической энергии от ведущих колес может быть возвращена обратно в аккумулирующее устройство, что невозможно для обычных типов трансмиссий.

Несмотря на большое количество вариантов построения кинематических схем гибридных трансмиссий, все они должны удовлетворять следующим требованиям [1]:

обеспечивать суммирование крутящего момента от двух источников энергии и передавать его на колеса транспортного средства;

обеспечивать разделение мощности ДВС, часть которой передаётся через электрическую ветвь трансмиссии, а другая часть - через механическую;

обеспечивать движение транспортного средства только на одном из двух источников энергии;

обеспечивать независимое управление двумя источниками энергии;

обеспечивать бесступенчатое изменение передаточного отношения трансмиссии;

обеспечивать рекуперацию энергии торможения транспортного средства;

иметь относительно небольшие механические и электрические потери.

Рассмотрим виды компоновочных схем гибридных приводов:

1. Последовательная

2. Параллельная

3. Последовательно-параллельная

Рассмотрим преимущества и недостатки каждой:

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА

Принцип работы: колеса вращаются от электродвигателя, который питается от генератора, приводимого в движение ДВС. Т.е. упрощенно: ДВС приводит генератор, который вырабатывает электричество для тягового электромотора. Последовательной установку называют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.  

Данную схему реализовали на автобусе ЛиАЗ-5292 - результат совместной работы концерна «РУСЭЛПРОМ» и Ликинского автобусного завода. Автобус комплектуется дизельным двигателем Cummins, экологического стандарта Евро - 4, максимальной мощностью 136 кВт и комплектом тягового оборудования, состоящего из тягового асинхронного мотор-генератора ТАГ 225-280 той же мощности, тягового асинхронного обратимого двигателя ТАД 225-380 максимальной мощностью 250 кВт, системы нейтрализаторов и суперконденсаторов.

Применение последовательной схемы гибридного силового привода на городском автобусе позволяет:

- снизить в несколько раз уровень вредных выбросов при движении в городском цикле;

- снизить расход топлива на 18-20%;

- применить двигатель внутреннего сгорания мощностью на 25-30% ниже при сохранении момента на ведущих колесах;

- повысить комфортность автобуса (снижение уровня шума, вибрации и т.д.);

- исключить КПП

- производить быструю замену двигателя (т.к. отсутствует жёсткая связь с трансмиссией);

Но так же есть и недостатки. Пара электродвигатель-генератор совместно с аккумуляторами представляют собой электрическую трансмиссию, которая обеспечивает бесступенчатое изменение передаточного отношения и регулирование мощности между ДВС и ведущими колесами. В этом случае происходит двойное преобразование энергии ДВС: механической в электрическую и обратно. Каждое преобразование приводит к потере в среднем 10% мощности [2]. Таким образом, КПД трансмиссии в этом случае может быть не более 81%. Кроме того, максимальная мощность, по крайней мере, одной электромашины должна соответствовать максимальной мощности ДВС. Это условие приводит к увеличению габаритов и веса трансмиссии. Кроме того, надежность этой конструктивной схемы зави­сит от надежности работы электродвигателя, ДВС и генератора, т.е. при выходе одного из строя продолжать дви­жение невозможно. Явный недостаток - зарядка аккумуляторов происходит только при постоянно включенном ДВС.

Для расчёта силовой установки сначала определяется необходимая мощность электродвигателя, достаточная для движения автобуса во всех режимах. Рассчитывается среднее количество использованной мощности электродвигателем при различных условиях движения.  Далее подбирается ДВС, мощность которого на режиме максимального КПД должна равняться средней затрачиваемой мощности электродвигателем на всех режимах езды плюс мощности, затрачиваемые на потери в трансмиссии  и на работу вспомогательного оборудования [6].

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА

Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса. Простые варианты параллельного построения гибридной трансмиссии используются, главным образом, для систем, в которых мощность, проходящая через электрическую часть трансмиссии, не превышает 15% мощности ДВС [2]. 

Применение подобной конструкции на серийных автобусах имеет ряд существенных преимуществ:

1. Использование ДВС более меньшей мощности, так как электромотор выручит, когда потребуется большая мощность;

2. Использование стандартной трансмиссии (принимаем КПП от базового образца автобуса);

3. Для создания гибридного автобуса, в серийный добавляется лишь электродвигатель, АКБ, дополнительная муфта и блок управления (длина моторно-трансмиссионной установки изменяется незначительно), так же заменяется ДВС на менее мощный, всё это сказывается на дешевизне перехода на гибридный привод;  

1. Экономичность достигает 30%, а вредные выбросы снижаются до 40% [7];

2. В случае поломки одного из двигателей, автобус сможет добраться самостоятельно до места ремонта на другом двигателе.

Подбор ДВС меньшей мощности и ЭД осуществляется со следующими условиями:

при установившемся режиме мощность ДВС должна обеспечивать заданную скорость автобуса, заряд АКБ, питание вспомогательного оборудования, а так же компенсировать все потери в приводе;

после выбора ДВС выбирается ЭД такой мощности, чтобы суммарная мощность ДВС и ЭД, была равной мощности ДВС установленного на базовом образце автобуса.

Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею. Регулирование передаточного отношения осуществляется с помощью механической коробки передач, а регулирование мощности с помощью электромашины. Поскольку имеется прямая механическая связь между ДВС и ведущими колесами, то частоты их вращения являются зависимыми друг от друга. Параллельные гибридные трансмиссии хорошо себя зарекомендовали при движении по магистрали, но оказались непригодными по экономическим соображениям для городских условий движения. Жесткая связь частот вращения ДВС и ведущих колес требует в этом случае использования в составе трансмиссии коробки передач или вариатора [6].

С параллельной компоновочной схемой компания Volvo представила «ультразелёный» автобус 7700 Hybrid, базирующийся на обычной версии свежей городской модели 7700. Компания называет новичка «первым в мире коммерчески жизнеспособным гибридным автобусом». Volvo 7700 Hybrid расходует на 30% меньше горючего, чем такой же, но чисто дизельный 7700-й и выдаёт на 30% меньше углекислого газа. А выброс сажевых частиц и оксидов азота у нового автобуса ниже на 40-50%. Место стандартного для модели 7700 9-литрового ДВС в 7700 Hybrid занял более скромный 5-литровый дизель, которому помогает мощный электромотор. Машина может двигаться как на одном дизеле, так и на одном электромоторе, равно как при помощи обоих агрегатов одновременно.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА          

Уже по названию можно догадаться, что эта схема объединяет в себе две предыдущие и устраняет их недостатки. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом, достигается максимальная эффективность силовой установки. 

На обычном автобусе двигатель внутреннего сгорания рассчитан на высокое ускорение и движение на крутой подъем, поэтому он почти всегда работает с низкой эффективностью (КПД). Из-за наличия электрических моторов и батареи в конструкцию устанавливается менее мощный ДВС (подбор осуществляется по приведенной выше методики  для параллельной схемы).

Гибридный привод с последовательно-параллельной схемой имеет два электрических мотора/генератора.

Мотор/генератор 1 (MG1) связан с солнечной шестерней устройства распределения мощности (PSD). Он - меньший из двух и имеет максимальную мощность около 22,5% от мощности ДВС. Обычно он осуществляет запуск ДВС и регулирует обороты ДВС изменением производимого количества электроэнергии. Мотор/генератор 2 (MG2) связан с коронной шестерней планетарного механизма (устройства распределения мощности) и далее через редуктор на колеса. Поэтому он непосредственно приводит в движение автобус. Он - больший из двух моторов-генераторов и имеет максимальную мощность 41,25% от мощности ДВС. MG2 иногда называют "тяговый мотор", и его обычная роль - приводить автобус в движение как двигатель или возвращать энергию торможения как генератор. Оба мотора/генератора охлаждаются антифризом.

Гибридная последовательно-параллельная трансмиссия не увеличивает механический вращающий момент на низкой скорости транспортного средства, поскольку трансмиссия имеет только одно передаточное отношение.  Действительно, двигатель соединен с колесами, как будто автобус движется на высшей передаче.  Это было бы вредным недостатком, если бы не присутствие мощного электрического мотора в дополнение к бензиновому двигателю.  Автобус, с этим мотором, добавляющим свой значительный вращающий момент, ускоряется так, будто всегда включена низшая ступень в коробке передач.

Рассмотрим преимущества последовательно-параллельной схемы:

1. Использование ДВС более меньшей мощности, по сравнению с базовым;

2. В случае поломки одного из двигателей, автобус сможет добраться самостоятельно до места ремонта на другом двигателе.

3. Экономия топлива, в сравнении с базовым, достигает 40%

4. Производим бесступенчатое регулирование скорости автобуса

5. Устраняем КПП

Лидером по созданию гибридов данной схемы является компания Toyota. А лидирующая модель Toyota Prius. Кроме Prius гибридная система применяется на следующих моделях: Alphard, Harrier, Highlander, Coaster, Crown, Camry и FCHV. На Lexus тойотовская гибридная система используется в моделях: RX400H (и его молодым братом RX450H, GS450H и LS600H.

Список литературы

1. Gregory A. Schultz, Lung-Wen Tsai, Naritomo Higuchi, Ivan C. Tong, «Development of a Novel Parallel Hybrid Transmission», SAE paper № 2001-01-0875.

2. Xiaolan Ai, Scott Anderson, «An ElectroMechanical Infinitely Variable Transmission for Hybrid Electric Vehicles», SAE paper № 2005-01-0281.

3. Deve Hermance, Shinichi Abe, «Hibrid Vehicles Lessns Learned and Future Prospects», SAE 2006-21-0027.

4. Tim M. Grewe, Brendan M. Conlon, Alan G. Holmes, «Defining the General Motors 2-Mode Hybrid Transmission», SAE 2007-01-0273.

5. Автомобили особо малого класса (квадрициклы) с гибридной энергосиловой установкой. Умняшкин В.А., Ижевск. РХД 2004г.

6. Жарнал автомобильных инженеров, Г.О. Котиев, д.т.н., профессор / С.А. Харитонов, к.т.н., доцент. МГТУ им. Н.Э. Баумана / М.В. Нагайцев, к.т.н., доцент. ОАО «АВТОВАЗ»

7. Лазарева А.Н. Диссертация Разработка методики расчета базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы для легкового автомобиля

8. Разработка алгоритма управления электромеханическим приводом

гибридного легкового автомобиля, Копотев Д.А., Филькин Н.М., ГОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет", г. Ижевск, Россия

Код для цитирования: Скопировать