Гибридный двигатель что это такое: Гибридный двигатель

Содержание

Гибридный двигатель

Автор admin На чтение 7 мин. Просмотров 1.1k.

Подавляющее большинство современных автомобилей в качестве силового агрегата используют двигатель внутреннего сгорания. На фоне постепенного истощения запасов нефти, а также возрастающих требований к экологичности, автоинженеры разрабатывают новые технологии, позволяющие отказаться от использования углеводородов в качестве топлива или, как минимум, снизить расход.

Решить эту проблему можно двумя способами: установить вместо ДВС электромотор или гибридный двигатель. К последнему прибегают многие автомобильные марки.

Как видно из названия, подобный силовой агрегат представляет из себя классический двигатель внутреннего сгорания и одновременно электродвигатель, объединенные в одно целое. По многим причинам такое решение предпочтительнее одной только электрической тяги.

На сегодняшний день электромобиль имеет серьезные минусы.
Наиболее значимые из них – это отсутствие развитой сети электрозаправок, а также недостаточная дальность поездки без дозарядки (у разных моделей электромобилей она составляет от 80 до 160 км).

К тому же на то, чтобы полностью зарядить батареи потребуется несколько часов, а значит, мобильность такого авто ограничивается поездками от дома до работы и обратно.

Тем не менее, нельзя забывать и про плюсы электромотора, среди которых более высокий КПД (у ДВС максимальный КПД достигается только на определенных оборотах), отсутствие каких-либо выбросов, большой крутящий момент.

Электрический двигатель, в отличие от работающего на нефтепродуктах, не нуждается в постоянной подаче топлива. Он может находиться в выключенном состоянии сколь угодно долго, пока на него не будет подано напряжение. При подаче электричества он практически моментально передает колесам максимальную тягу.

Гибридный двигатель совместил преимущества обоих моторов, благодаря чему достигается экономичность, экологичность и неплохие динамические характеристики.

Принцип работы гибридных двигателей

Гибридный двигатель устроен таким образом, что оба мотора работают, условно говоря, друг на друга. Двигатель внутреннего сгорания крутит генератор и снабжает энергией электромотор, а тот позволяет «напарнику» работать в оптимальном режиме без резких колебаний и нагрузок. К тому же, гибриды обычно оснащаются системой рекуперации кинетической энергии KERS (аналогичную той, что применяется на болидах Формулы-1).

Эта система позволяет заряжать аккумуляторные батареи во время торможения и при движении машины накатом. Принцип ее работы в том, что при торможении колеса приводят в действие электромотор, который в этом случае сам играет роль генератора и заряжает аккумуляторы. Особенно полезна KERS при езде по городу в режиме «тронулся-остановился».

Список автомобилей с гибридными двигателями
Audi Q5 Hybrid
BMW Active Tourer
Chevrolet Volt
Ford Escape Hybrid (Fusion Hybrid)
Hyundai Sonata Hybrid
Honda CR-Z (Insight Hybrid)
Jaguar Land Rover
Mitsubishi Outlander PHEV
Nissan Altima Hybrid
Toyota Prius (Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid

По степени гибридизации силовые агрегаты разделились три типа: «умеренные», «полные» и plug-in.

В «умеренных» постоянно работает двигатель внутреннего сгорания, а электромотор включается только тогда, когда необходима дополнительная мощность.

Автомобиль с «полным» гибридом способен двигаться на одной электротяге, не расходуя горючего.

Plug-in, как и полный гибрид, может передвигаться только на электричестве, но имеет возможность заряжаться от розетки, совмещая таким образом все преимущества электромобиля, и избавляясь от его главного недостатка — ограниченного пробега без подзарядки. Когда заряд батарей кончается, plug-in работает как обычный гибрид.

Схемы взаимодействия электромотора и ДВС

Инженеры разных компаний по-разному подходят к вопросу гибридного двигателестроения. Современные машины оснащаются гибридными двигателями, построенными по одной из трех схем взаимодействия топливной и электрической составляющей, которые будут рассмотрены ниже.

Последовательная схема

Это наиболее простой вариант. Принцип его работы заключается в следующем: крутящий момент от ДВС в данном случае передается исключительно генератору, который вырабатывает электричество и заряжает аккумуляторы. Автомобиль при этом движется только на электротяге.

Также для зарядки аккумуляторной батареи применяется система рекуперации кинетической энергии. Своим названием данная схема обязана последовательным преобразованиям энергии: энергия сгорания топлива двигателем внутреннего сгорания превращается в механическую, затем в электрическую при помощи генератора и снова в механическую.

Плюсы такой конструкции заключаются в следующем:

ДВС всегда работает на неизменных оборотах, с максимальным КПД;
нет необходимости оснащать автомобиль мощным и прожорливым двигателем;
не нужно сцепление и коробка передач;
автомобиль способен передвигаться и с выключенным двигателем внутреннего сгорания за счет энергии, запасенной аккумуляторной батареей.

Однако есть у последовательной схемы и свои минусы:

потери энергии в процессе преобразований;
большой размер, вес и высокая стоимость аккумуляторных батарей.

Наибольшая эффективность такой схемы достигается при движении с частыми остановками, когда активно работает KERS.

Поэтому она нашла применение в городском транспорте. Также гибридные двигатели с последовательной схемой применяются в карьерных самосвалах, которым для работы важен большой крутящий момент и не требуется высокая скорость.

Параллельная схема

Принцип работы «параллельного» гибридного двигателя полностью отличается от вышеописанного. Автомобили с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, ездят с использованием и ДВС, и электромотора. Электродвигатель в таком случае должен быть обратимым, т.е. способным работать в качестве генератора. Согласованная работа обоих моторов достигается посредством компьютерного управления.

В зависимости от режима езды блок управления распределяет крутящий момент, поступающий от обоих элементов гибрида. Основную работу выполняет двигатель внутреннего сгорания, электромотор же подключается когда нужна дополнительная мощность (при трогании, ускорении), при торможении и замедлении он работает как генератор.

Плюсы подобной компоновки в том, что нет необходимости устанавливать аккумуляторную батарею большой емкости, потери энергии намного меньше, чем при последовательной схеме, поскольку ДВС напрямую связан с ведущими колесами, а кроме того, сама по себе конструкция довольно проста, а значит, дешева.

Основные минусы схемы – меньшая топливная экономичность по сравнению с другими вариантами и низкая эффективность в городских условиях. Машины с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, наиболее эффективны при движении по трассе.

По данной схеме построены гибридные автомобили марки Хонда. Главный принцип руководства компании: схема гибридного двигателя должна быть как можно более простой и дешевой, а функция электромотора заключается лишь в помощи ДВС сэкономить максимально возможное количество топлива. У этой марки существует две гибридных модели – Civic (снят с производства в 2010 году) и Insight.

Последовательно-параллельная схема

Последовательно-параллельная схема представляет собой совмещение первых двух. В параллельную схему добавлен дополнительный генератор и делитель мощности. Благодаря этому автомобиль при трогании и на малых скоростях движется только на электрической тяге, ДВС только обеспечивает работу генератора (как при последовательной схеме).

На высоких скоростях крутящий момент на ведущие колеса передается и от двигателя внутреннего сгорания. При повышенных нагрузках (например, при подъеме в гору), когда генератор не в силах обеспечить требуемый ток, электромотор получает дополнительное питание от аккумулятора (параллельная схема).

Поскольку в системе имеется отдельный генератор, заряжающий аккумуляторную батарею, электромотор используется только для привода ведущих колес и во время рекуперативного торможения. Через планетарный механизм (он же делитель мощности), часть крутящего момента от ДВС частично передается на колеса и частично отбирается для работы генератора, который питает либо электромотор, либо аккумуляторную батарею. Электронный блок управления все время регулирует подачу мощности из обоих источников.

Плюсы последовательно-параллельного гибридного двигателя данной схемы, в максимальной топливной экономичности и высокой экологичности. Минусы системы – сложность конструкции и высокая стоимость, поскольку требуется дополнительный генератор, достаточно емкая аккумуляторная батарея и сложный электронный блок управления.

Применяется последовательно-параллельная схема на автомобилях марки Тойота (Prius, Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid), а также на некоторых моделях Лексус. Подобными гибридными двигателями оснащаются машины Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid.

Мне нравится1Не нравится

Что еще стоит почитать

Что такое автомобиль гибрид?

Гибридный автомобиль (hybrid) представляет собой транспорт, который оснащается не привычным двигателем внутреннего сгорания, а так называемым гибридным силовым агрегатом. Главным отличием гибридных автомобилей является то, что транспортные средства данного типа приводятся в движение посредством использования нескольких источников энергии: тепловой и электрической. Другими словами, гибридная машина имеет на борту несколько типов двигателей, которые приводят в движение автомобиль.

Что касается самого понятия гибридного двигателя, то данный термин многими ошибочно понимается как особая силовая установка. На самом деле под «гибридом» следует понимать несколько двигателей разного типа, которые объединены в комплексную единую систему по преобразованию различных источников энергии в полезную работу. В современном автомобилестроении машины гибриды оснащаются двумя типами силовых агрегатов: электродвигатель работает в паре с двигателем внутреннего сгорания.

Содержание статьи

Основные преимущества и недостатки гибридных авто

Главным плюсом от использования тандема ДВС и электромотора стало заметное снижение расхода горючего. Показатель расхода топлива у современных гибридных машин до 30 % меньше по сравнению с обычными авто. Сжигание меньшего количества бензина или солярки одновременно позволило снизить уровень токсичности гибридов. Получается, гибридные авто являются более экономичными и дружелюбными к окружающей среде сравнительно с традиционными аналогами, которые оснащаются только ДВС. Также гибриды производят меньше шума в процессе работы.

Что касается электромобилей, гибридные решения сравнительно с электрокарами имеют больший запас хода, а также являются «универсальными» с точки зрения повседневной эксплуатации. Гибрид не требует обязательной зарядки от электросети и заправляется простым бензином. После сжигания топлива часть энергии накапливается в аккумуляторе, от которого приводится в действие электродвигатель. Дополнительным источником питания для заряда аккумулятора выступает рекуперация торможения, то есть преобразование кинетической энергии движущегося авто в электричество.

Также гибридные авто имеют целый ряд конструктивных решений и максимум вспомогательных систем для высокой экономичности и снижения уровня вредных выбросов: система старт-стоп, изменение фаз ГРМ, система EGR, подогрев ОЖ отработавшими газами и т.д.

К недостаткам гибридов эксперты относят высокую начальную стоимость, а также определенные сложности в процессе ремонта и обслуживания подобных машин. Еще одним минусом является возможный критический разряд аккумулятора гибрида и быстрый выход из строя данного элемента в условиях значительных колебаний температур.

Стоит добавить, что хотя гибридные машины демонстрируют высокие показатели экономичности в городском потоке (постоянные остановки, работа в режиме холостого хода, движение на малых скоростях), на трассе эффективность гибридной силовой установки не так заметна. Дело в том, что в основе работы гибридов лежит определенное распределение нагрузок между агрегатом на электротяге и двигателем на углеводородах. Для поддержания высокой скорости основная нагрузка ложится именно на ДВС, в результате чего расход топлива закономерно возрастает.

Как взаимодействует ДВС и электромотор в гибридах

Одной из первых разработок была схема, в которой каждая из силовых установок задействуется при определенных условиях. Если машина простаивает или движение происходит на малой скорости, тогда колеса крутит электродвигатель. Для ускорения и дальнейшего поддержания скорости подключается бензиновый двигатель. Последующее развитие технологии привело к тому, что на гибридах встречается несколько вариантов реализации взаимодействия привычного двигателя и электрического мотора. Такое взаимодействие может быть:

последовательным;
параллельным;
последовательно-параллельным;

Последовательное взаимодействие

Последовательная схема напоминает электромобили, так как движение транспортного средства реализуется посредством работы электромотора. ДВС в такой конструкции подключается к генератору, от генератора питание поступает на сам электродвигатель, а также параллельно происходит заряд аккумуляторной батареи. На одном заряде литий-ионного аккумулятора с увеличенной емкостью зачастую можно пройти около 50 км. пути, после чего задействуется ДВС, который продлевает указанный отрезок до 10 раз (около 500 км.)

Параллельное взаимодействие

Гибриды с параллельным взаимодействием установок предполагают возможность как отдельной работы ДВС и электромотора, так и одновременное функционирование. Данная конструкция реализуется путем объединения при помощи специальных муфт электрического агрегата, двигателя внутреннего сгорания и трансмиссии. Подобные автомобили гибридного типа получают маломощный электродвигатель, который не только движет автомобиль, но и отдает мощность при разгоне. Зачастую такой электромотор является стартером и автомобильным генератором, конструктивно занимая промежуточное положение между ДВС и КПП.

Последовательно-параллельное взаимодействие

В указанной конструкции двигатель внутреннего сгорания и электромотор соединяются посредством планетарного редуктора. Особенностью данной схемы реализации является то, что каждая силовая установка может задействоваться и отключаться, отдавая при этом минимум или максимум мощности на колеса. Более того, указанная мощность отдается отдельно или одновременно. В устройстве такой схемы присутствует генератор, который питает электромотор гибрида.

Лидером на рынке гибридных автомобилей сегодня является корпорация Toyota, которая использует последовательно-параллельную реализацию под названием Hybrid Synergy Drive.

Электрический двигатель, ДВС и генератор объединены в общую систему посредством планетарного редуктора. Двигатель внутреннего сгорания отдает минимум мощности на «низах» (цикл Аткинсона), позволяя экономить топливо. Гибридный автомобиль с такой схемой взаимодействия предполагает:

Экономичный режим движения только на электротяге с отключенным ДВС, во время которого электромотор питается от аккумулятора.
Поддержание заданной скорости путем распределения мощности ДВС на колеса и генератор, от которого питается параллельно работающий электродвигатель. Также осуществляется дозарядка аккумулятора.
Режим интенсивного ускорения и серьезных нагрузок, когда ДВС и электромотор работают параллельно. В данном режиме электрический двигатель питается от батареи, без отбора мощности у генератора.

Эксплуатация гибридов: разрушаем мифы

Гибридные авто являются новинкой, которая до конца не усовершенствована и имеет множество недоработок. Это миф, так как бренд Тойота занимается полномасштабным серийным производством гибридных моделей почти 20 лет.
В гибридах разряжаются аккумуляторы, что приводит к проблемам. Это правда, но только частично. На начальных этапах развития технологии подобные случаи встречались, но сегодня высокоточная электроника не допускает глубокого разряда батареи.
Гибридные авто чаще ломаются, их дорого и сложно ремонтировать. Это миф, так как гибридные автомобили не менее надежны в эксплуатации по сравнению с обычными дизельными и бензиновыми ДВС. Большинство СТО комплексно обслуживают гибриды наравне с обычными авто. Более того, КПП в гибридах исключает наличие фрикционов, что делает такую трансмиссию простой и надежной, чего не скажешь о различных типах АКПП. Что касается ДВС, мотор на гибридах чаще работает на низких оборотах, не выходит на пиковые нагрузки. Если также учесть цикл Аткинсона, тогда моторесурс двигателя на гибриде намного больше обычного мотора.
ДВС гибрида имеет меньшую мощность, такие авто теряют в динамике сравнительно с аналогами. Да, мощность ДВС на гибридах меньше, но за счет добавления электромотора суммарная мощность установок значительно превосходит мощность обычных аналогов с одним бензиновым мотором.
Расход гибридной машины на практике не сильно отличается от обычного авто. Частично это правда, так как показатель расхода гибридных автомобилей напрямую зависит от режимов езды. Для достижения максимальной экономичности необходимо изменить стиль вождения на медленный, спокойный и плавный, избегая разгонов, активного дросселирования и т.д. Другими словами, сильные нажатия на педаль газа будут давать команду системе управления к тому, что необходимо завести ДВС.

Идея экономии горючего в гибридных авто состоит в том, чтобы при заряженном аккумуляторе как можно дольше двигаться только на электротяге на скоростях до 60 км/ч., чего зачастую хватает в плотном городском потоке. Также необходимо добавить, что система учитывает большое количество факторов: наружную температуру, степень прогрева ДВС и ОЖ, заряд батареи, движение под уклон или на горку и т.д. В разных условиях гибрид может задействовать ДВС, а может передвигаться только на электрической энергии.

Аккумулятор для гибрида трудно найти в свободной продаже, а также батарея занимает много места в багажнике автомобиля. Это миф, так как аккумуляторы для гибридов всегда доступны к заказу в авто магазинах, а также представлен широкий выбор на различных Интернет-ресурсах. Что касается свободного места, батарея практически не занимает полезное пространство в багажном отсеке.
На гибридную машину нельзя поставить газ. Это миф, так как мировые производители ГБО производят оборудование, совместимое с электронным блоком управления гибридным авто.

принцип работы, что значит, схема мотора

Автор автомеханик А.Зарядин На чтение 10 мин. Просмотров 223 Опубликовано 15.07.2020

Гибридный двигатель имеет несколько источников энергии: бензиновый и электрический моторы. Оба агрегата приводят автомобиль в движение по отдельности или совместно. Разработано несколько видов гибридных конструкций, и каждая реализует в себе главное преимущество перед «обычными» моторами — топливную экономичность. А значит, и в возможность достичь высоких экологических требований к транспорту.

История гибридных двигателей

Гибридные силовые установки были известные ещё в 19 веке. Изобретателем первого гибрида, работающего на электроэнергии, стал Роберт Андерсон. Однако, патент на систему получил Генри Пайпер в 1905 году. В этом же направлении работал Фердинанд Порше. Серийными производителями гибридных моторов были французская компания Parisienne des Voitures Electriques, американская корпорация General Electric, бельгийская Pieper.

Бурного развития технология гибридов в начале 20 века не получила по нескольким причинам:

низкая стоимость топлива;
нерентабельность по сравнению с бензиновым ДВС.

К концу 20 века рост на энергоносители и ужесточение экологических стандартов заставили автопроизводителей возвратиться к разработкам эффективных моторов. Изначально в гонку включились VW, Mercedes, GM, Audi, но до серийного производства гибридных автомобилей так и не дошли, перейдя в другие сферы разработок. Первым удачным автомобилем с гибридным двигателем стал Toyota Prius 1997 года. За год компания смогла продать 25 000 моделей. Вторым популярным гибридом на рынке стал Honda Insight.

После Приуса, Тойота наладила серийный выпуск моделей: Hybrid Harrier, Highlander, Estima Hybrid, Crown, Camry Hybrid, Lexus RX. Среди разработок Хонда с гибридной установкой известны Accord Hybrid и Civic Hybrid. Единичные автомобили встречаются у Форда, Ауди, Мазды, Рено, БМВ, Ниссан, Хёндай.

Поговорим подробнее, что значит машина-гибрид. Рассмотрим устройство, принцип работы, в чём плюсы и минусы гибридных установок.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Принцип работы гибридных двигателей основан на комбинировании возможностей ДВС и электромотора. Бензиновый агрегат развивает максимальный крутящий момент на высоких оборотах, в то время, как электрический двигатель — на низких. Объединение установок позволяет исключить из конструкции механизмы преобразования механической энергии, увеличить КПД силового агрегата и снизить расход топлива.

Полная конструкция

Автомобиль с гибридным мотором устроен иначе, чем привычные машины с ДВС. Здесь под днищем находятся:

двигатель внутреннего сгорания;
один или несколько электрических моторов;
блок аккумуляторных батарей.
для управления и преобразования энергии установлен электронный блок с инвертором.

Источником энергии в гибридном двигателе служит ДВС, работающий на бензине или дизеле. Мощность, преобразованная генератором, запускает тяговый электродвигатель и заряжает аккумуляторные батареи. Именно от блока аккумуляторов электромотор получает дополнительное питание, если не будет хватать энергии генератора.

Инвертор преобразует постоянный ток высоковольтного аккумулятора в 3-фазный переменный ток большего напряжения. Энергия используется для:

управления электромотором;
обратной конвертации тока с генератора для подзарядки батареи;
питания бортовой электросети.

Конструктивно инвертор представляет собой корпус с набором электронных плат и транзисторными сборками.

Общий принцип работы гибридного автомобиля рассмотрим далее.

Функционирование двигателя

Режим совместной работы ДВС и электромотора зависит от конструктивного устройства гибридного силового агрегата и режима движения автомобиля. Так, в начале движения бензиновый двигатель не всегда нужно запускать. Машина тронется за счёт работы электрического мотора, питающегося от батареи.

Большая ёмкость аккумулятора с возможностью внешней подзарядки может сократить потребление бензина до нуля, если суточный пробег автомобиля короткий.

Электромотор поддерживает работу автомобиля на холостом ходу: при стоянке на светофоре, временной остановке. В это время ДВС отключен, до те пор, пока хватает мощности электротяги. Обычно бензиновый мотор подключается на скорости 60км/ч. При больших нагрузках, например, для заезда в горку, понадобится двойное усилие обоих агрегатов. В таком режиме автомобиль сможет проехать более 500 км.

Отличительно, как работает гибридный двигатель во время торможения. Тормозная система привычного автомобиля с ДВС преобразует кинетическую энергию в тепловую, рассеивая её в воздухе. Гибриды оснащены системой рекуперации, т.е. возвращения. При замедлении движения электромотор переключается в режим генератора, отдавая электрическую энергию в аккумуляторную батарею.

Типы гибридных агрегатов

Гибридные двигатели различаются по типу применения и компоновочной схеме. По первому критерию гибриды делятся на микрогибриды, умеренные гибриды и полные гибриды. Более подробно о них поговорим ниже.

Применение разных компоновочных систем гибридных двигателей отражает уровень развития гибридизации, суть которой заключается в желании производителей перевести автомобиль на альтернативный источник энергии. Наиболее прогрессивными в плане разработок являются компании Тойота, БМВ, Хёндай, Вольво.

Схемы взаимодействия мотора и ДВС

Конструктивная схема гибридного двигателя выбирается исходя из проектных характеристик автомобиля: требуемой мощности, скорости разгона, расхода топлива и т.д. Различают последовательную, параллельную и комбинированную схемы.

Последовательная схема

Гибридная система автомобиля с последовательной компоновкой была придумана Порше в 1899 году. Схема включает в себя ДВС с генератором, тяговый электродвигатель и аккумуляторные батареи. По этой схеме двигатель внутреннего сгорания запускает генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую, питая электрический мотор. В свою очередь электродвигатель воздействует на ведущие колёса, приводя машину в движение.

Большая ёмкость аккумуляторов позволяет автомобилю в некоторых режимах работать только на электрической энергии, при выключенном ДВС. Батареи заряжаются от генератора, когда потребляемая мощность электромотора невысока, например, во время размеренного движения. Однако, в режиме ускорения мощности генератора может не хватать, и тогда недостаток энергии компенсирует аккумулятор.

Последовательная схема гибридного двигателя хороша тем, что ёмкая АКБ позволяет устанавливать ДВС меньших габаритов и меньшего веса. Более простая конструкция расходует меньше топлива и требует меньших затрат на обслуживание.

Электрический мотор вращается в любом направлении, что позволяет упростить конструкцию автомобиля, убрав сцепление и коробку передач. А при установке электродвигателей с редуктором в ведущие колёса, можно обойтись и без дифференциала. Подобная схема встречается на карьерных самосвалах БелАЗ и городских автобусах ЗИЛ. В легковых автомобилях встречается редко.

Параллельная схема

Гибридные двигатели с параллельной системой могут приводить автомобиль в движении от ДВС, тягового электромотора или их совместной работы. Часто электрический двигатель устанавливают вместо маховика, используя электромотор в качестве генератора и стартера для трогания и остановки автомобиля. Аккумуляторные батареи подзаряжаются во время рекуперативного торможения.

Параллельная схема подходит для автомобилей небольшой мощности. За счёт использования малоёмких батарей снижается вес и начальная стоимость машины. Подобная конструкция встречается в моделях Honda Insight, BMW 7 ActiveHybrid.

Последовательно-параллельная схема

По сути данная схема представляет собой доработку параллельной. Особенность гибридных двигателей с последовательно-параллельной системой — наличие делителя мощности в трансмиссии. Энергия ДВС разделяется на 2 потока в соответствии с режимом движения автомобиля. Часть мощности переходит к ведущим колёсам, другая — к накопителю электрической энергии.

Для реализации подобной компоновки необходим менее мощный ДВС, но с высокой эффективностью. Например, двигатель, работающий по циклу Аткинсона с коротким тактом сжатия. По такой схеме построены Toyota Prius и Lexus RX.

https://www.youtube.com/watch?v=k1nG8PkP28E&feature=youtu.be

Классификация по степени электрификации

Разбираясь в особенностях гибридных двигателей, поговорим и о различном применении электромоторов. Степень электрификации машины указывает на возможности электрической установки. В одном случае, она идёт как приложение, в другом — позволяет полноценно передвигаться на электротяге. Чтобы понять насколько прогресс ушёл вперёд, рассмотрим этапы электрификации последовательно.

Микрогибрид

Двигатель-микрогибрид представляет собой простейшую форму гибридизации. Автомобиль оснащается системой «Старт-Стоп», в которой электрическая установка используется, как стартер и генератор, но не передаёт энергию колёсам. Во время работы машины на холостом ходу блок управления глушит бензиновый двигатель, позволяя сэкономить топливо. В среднем расход в городе снижается на 10%.

Энергия, сохранённая от рекуперативного торможения, питает систему «Старт-Стоп» и бортовые устройства.

В силовую установку микрогибрида устанавливают штатную коробку передач с импульсным масляным насосом. В режиме «Старт-Стоп», пока двигатель не работает, необходимо сохранить элементы переключения включенными. Насос поддерживает давление масла в каналах КПП, чтобы после запуска двигателя, автомобиль был готов ехать спустя 0,3 с.

Мягкий гибрид

Термин «мягкий» или «умеренный» гибрид означает, что электромотор используется в автомобилях как лёгкая «поддержка» ДВС. Основную работу в режиме ускорения и штатного движения выполняет бензиновый двигатель. Суть использования электрической установки — помощь при трогании и ускорении автомобиля, а также для подзарядки батареи во время торможения. Мощность электродвигателя не превышает 50 кВт.

К гибридам подобного действия относятся: BMW 7 ActiveHybrid, Honda Civic Hybrid, Suzuki Smart Hybrid, Mercedes S 400 Hybrid.

Полный гибрид

Полноценный гибридный автомобиль способен работать на одном тяговом электромоторе при выключенном ДВС. Электрический двигатель заменяет сцепление, работает как генератор для заряда аккумуляторных батарей, в том числе в режиме рекуперативного торможения. В отличие от умеренного гибрида, здесь применяется электромотор мощностью 60 — 250 кВт.

Принцип полного гибрида реализован в Audi A1 и BMW X6 ActiveHybrid. В такие гибриды устанавливают мощные литий-ионные аккумуляторные батареи. Однако, при ёмкости в 12кВт/ч, накопитель электроэнергии сможет обеспечить пробег автомобиля не более 60 км. При низком уровне заряда ДВС подключается автоматически, но чтобы снизить потребление топлива и увеличить пробег электрического мотора, инженеры разработали Plung-In.

Гибриды плагины

Plung-In или гибрид-плагин по принципу работы схож с полным гибридом. Разница заключается в возможности подзарядки аккумулятора от внешней сети. Расстояние, которое может проехать машина на одной электрической тяге, характеризуется показателем PHEV.

Чтобы превратить гибридный двигатель в Plung-In, необходимо поставить дополнительное оборудование: зарядное устройство, дополнительный блок управления и блок батарей. Розетка для заряда располагается возле лючка для заправки топливного бака. Для подпитки батареи можно использовать домашнюю электросеть, учитывая рекомендации производителя.

Преимущества и недостатки гибридных авто

Разобравшись, как работает гибридный автомобиль, подведём итог в виде объективной оценки. Сведём плюсы и минусы гибридного двигателя в таблицу.

Преимущества	Недостатки
1. Высокий КПД за счёт использования крутящего момента от ДВС при любых нагрузках	1. Мало специалистов по ремонту и обслуживанию гибридов
2. Экономия бензина в городе 10 — 30%	2. Высокая стоимость аккумуляторных батарей. При выходе из строя одного элемента приходится менять весь блок в сборе. Проблема с утилизацией
3. Энергия торможения рекупируется в электрическую энергию	3. Наличие большого количества электроники. Сложность с запчастями. Дорогой ремонт.
4. Использование ДВС меньшей мощности и габаритов. Возможность отказаться от сцепления и КПП	4. Недостаточное количество станций для подзарядки аккумуляторов. Малый пробег на одной электротяге
5. Надёжный запуск зимой	5. Плохая маневренность
6. Снижение токсичных выхлопов	6. Из-за холодов батареи быстрее выходят из строя
7. Тихая работа	7. Бесшумная работа приводит к авариям

Заключение

Принцип работы гибридного автомобиля основан на использовании энергии бензинового и электрического двигателей. Их совместная работа позволяет достичь жёстких требований экологических стандартов, снижая расход топлива и выбросов. Инженеры постоянно совершенствуют конструкции, придумывают новые решения. Однако, не все компании видят перспективу в гибридах, концентрируясь на создании полноценных электромобилей.

Гибридный двигатель на автомобиле — устройство и принципы работы

Дорогие соотечественники, сегодня поговорим, что такое гибридный двигатель на автомобиле, как он работает, из чего состоит, о плюсах и минусах новых разработок.

В большинстве современных автомобилей в качестве силовой установки используется двигатель внутреннего сгорания, но учитывая истощение запасов нефти, и возрастающие требования к экологичности двигателей, автокорпорации занялись разработкой новых технологий, которые позволили бы отказаться от углеводородов как от основного топлива или хотя бы снизить их потребление.

Вместо двигателя внутреннего сгорания устанавливать электромоторы пока не эффективно, потому как энергоемкость аккумуляторов связана с большим весом и соответственно их высокой стоимостью.

Однако уже почти все крупнейшие мировые авто производители начали выпускать свои модели гибридных автомобилей. Они сочетают двигатель внутреннего сгорания и электрическую энергоустановку.

Признанный лидер в разработке и выпуске гибридных автомобилей остается Toyota. Этот концерн выпустил в серию первый гибрид еще в 1997 году и продолжает выпускать еще несколько моделей надежных автомобилей.

Что такое гибридный двигатель. Принцип работы энергоустановки

Гибрид — переводится на русский как скрещивание. Сочетание этих двух различных технологий благополучно выполняют основную задачу — движения автомобиля.

Функция гибридного двигателя состоит в том, что мотор внутреннего сгорания приводит в движение генератор, который отдаёт энергию на энергоустановку: аккумуляторная батарея-электродвигатель. А энергоустановка в свою очередь, через трансмиссию передает крутящий момент на колеса.

Таким образом достигается оптимальный режим движения и создаётся добавочное усилие. Кроме того сглаживются пиковые нагрузки и колебания, в следствии чего растёт производительность и КПД.

Гибридный двигатель. Устройство

Существует несколько вариантов гибридного двигателя:

Параллельный. Бензиновый движок питается от топливного бака, а электродвигатель от аккумуляторной батареи. В итоге два двигателя вращают трансмиссию, которая затем передаёт крутящий момент на колёса.
Микрогибридный. Этот вариант разработали специалисты компании «Тойота». Их гибридный автомобиль стартует и движется на малых скоростях только с помощью электрической тяги. А вот на повышенной скорости начинает работать двигатель внутреннего сгорания. При этом на сложных участках дороги – подъёмы, песок, грязь, другие нагрузки, электродвигатель подпитывается ещё и от аккумуляторной батареи для параллельной работы и усиления тяги. Все эти режимы контролирует электроника.
Среднегибридный. У такого авто свои особенности ‒ на электрическом двигателе езда не предусмотрена. Но электротяга заметно увеличивает эффективность, благодаря получению более высокого напряжения, чем даёт аккумуляторная батарея, а это соответственно повышает мощность силовой установки в целом.
Полногибридный. Здесь электричество на первом месте ‒ за его счёт обеспечивается движение. Батарея заряжается благодаря рекуперации. А раздельное сцепление между двумя двигателями обеспечивает возможность разъединения этих систем. В результате бензиновый двигатель подключается лишь в случае крайней необходимости.
Раздельный. Содержит пару двигатель-генератор и бензиновый мотор. Посредством планетарной передачи крутящий момент поступает на коробку передач. Какая-то часть энергии используется для обеспечения движения машины, а другая направляется в высоковольтную батарею.
Последовательный. Здесь схема следующая: бензиновый двигатель вращает генератор, который заряжает аккумуляторную батарею, а с неё энергия поступает к электродвигателю, а уже тот вращает трансмиссию и, собственно, колёса.

Плюсы и минусы гибридного двигателя автомобиля

Конечно, плюсы перевешивают, но есть и минусы, как во всех новинках. К примеру, чаще встречается бензиновый гибридный двигатель, хотя экономичность дизелей не подвергается сомнению.

Но так уж сложилось – технологию разрабатывали в Америке, а там солярка не в почёте. Да и гибридный дизельный агрегат стоил бы дороже, а учитывая, что цена и так далеко выше средней, то вопрос можно считать закрытым.

Больше всего автолюбителей смущает гибридный двигатель из-за аккумуляторной батареи. Это весьма капризный компонент, так как требует постоянной эксплуатации, иначе срок её службы значительно снизится.

Также аккумуляторы боятся перепадов температур, саморазряжаются. Плюс ко всему высокая стоимость запчастей и ремонта. Причём самому его сделать вряд ли получится.

Но давайте о приятном. Одно из главных преимуществ гибридного двигателя низкий расхода топлива и минимальные выбросы вредных веществ в атмосферу, а все это благодаря:

согласованной работе двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя;
применению батареи большой емкости;
использованию энергии торможения (рекуперативное торможение), которое преобразует кинетическую энергию движения в электричество.

Кроме того гибридный двигатель собрал в себе массу других инноваций, которые позволят сэкономить топливо и сберечь атмосферу. Среди них:

изменение фаз газораспределения;
стоп-старт;
рециркуляция отработавших газов;
подогрев тосола отработавшими газами;
электропривод водяного насоса, климат-контроля и усилителя руля;
шины с улучшенным качением.

Заметный эффект наблюдается при использовании гибридного автомобиля в городском цикле, когда происходят частые остановки, двигатель работает на холостом ходу.

А вот на трассе, при движении с высокой скоростью, гибридный двигатель уже не так эффективен.
С другой стороны та же батарея даёт возможность более продолжительное время ездить без заправки. Притом батарею можно не заряжать, а заправлять авто лишь топливом.

Двигатель, благодаря компьютерному управлению, всегда работает в оптимальном режиме, как бы вы ни старались его перегрузить.

Часто подобные гибридные автомобили могут передвигаться без топлива. А ещё они отличаются тем, что мотор работает едва слышно.

Надеюсь что статья поможет вам найти правильное решение, если встанет вопрос выбора автомобиля с гибридной силовой установкой.

Разместите ссылку на статью в социальных сетях – возможно ваши друзья уже имеют опыт эксплуатации подобной техники и поделятся своими впечатлениями с вами, а также с читателями нашего блога.

До новых встреч.

Гибридный двигатель – схема, принцип работы, характеристика + видео » АвтоНоватор

Почему мы хотим разобрать вместе с вами вопрос, как работает гибридный двигатель? Все дело в том, что в большинстве сфер нашей жизни сегодня наблюдается взаимодействие различных технологий, которые в результате дают более эффективные методы, приборы и механизмы. Не остались в стороне и моторы для нашего любимого транспортного средства. О принципах работы, плюсах и минусах таких агрегатов мы и поговорим на этой странице.

Как работает гибридный двигатель – простыми словами о новых технологиях

Если уж мы начали о смешении технологий, то следует пояснить, как это касается и затронутой нами темы. Гибридный мотор также сочетает в себе два вида: топливный (бензин/дизель) и электрический. Этот коктейль, конечно, несовершенен, но привнес в жизнь автомобилистов много положительного. Но об этом чуть ниже, а для начала следует разобрать принцип работы гибридного двигателя.

Топливная часть такого мотора может работать совместно с электрической, но возможно и осуществление совершенно независимых циклов. Конечно, машины с гибридным двигателем снабжаются компьютерами, которые и распределяют правильно нагрузку на обе части. Так, за городом, где важна мощность силового агрегата, в дело вступает бензиновая или дизельная технология, к тому же, на трассе не так губительны для человека выхлопные газы.

А вот в городе преимущественно работает электрическая составляющая, потому что такой вариант чище и экономичнее. Автомобили с гибридным двигателем умеют сами себя обслуживать, касается это электрической части мотора. Электрический компонент не бездельничает, пока работает топливный, он аккумулирует вырабатываемую энергию, чтобы потом снова пустить ее в дело.

Не исключены ситуации, когда оба элемента двигателя работают одновременно, например, при разгоне, когда от автомобиля требуются большие силовые затраты.

Устройство гибридного двигателя – описание схемы

Что значит гибридный двигатель, мы вкратце разобрали. Теперь хотелось бы углубиться немного и рассмотреть его схему. Следует учесть, что их существует целых три. Поэтому начнем с самой простой, которая для нас представляет наименьший интерес – это последовательный гибрид. Электромотор является главным участником в запуске и движении колес транспорта, а вот двигатель внутреннего сгорания (ДВС) всего лишь находится у него на поддержке, раскручивает генератор.

Для сегодняшнего авто такое устройство гибридного двигателя не будет лучшим вариантом, ведь требуются емкие аккумуляторы, малолитражные ДВС, а сама машина будет медленная и неповоротливая. Хотя все же есть некоторые представители среди легкового автопарка, например, Chevrolet Volt. Но из-за главенствующего электро-компонента ему присущи все минусы электромобилей, взять хотя бы зависимость километража на одном заряде батареи, но это постепенно решают применением турбо-ДВС.

Следующие схемы называют параллельной и смешанной. Смешанная схема чаще всего встречается в Lexus и представляет собой плотное взаимодействие электромотора и ДВС. Они работают вместе, приводя авто в движение, принцип работы построен так, что даже трансмиссия является бесступенчатой, далекой от привычной нам. Такие варианты очень современные, но и очень дорогие.

А вот привычная нам схема называется параллельной и встречается довольно часто. Электромотор тут является хоть и не ведущим, но незаменимым помощником, страхуя ДВС в случаях потребности в дополнительной мощности. Батареи не являются большими и емкими, отчего их легко зарядить прямо во время движения, и они всегда готовы отозваться по первому требованию.

Авто с гибридным двигателем – плюсы и минусы

Информация была бы неполной без указания положительных и отрицательных сторон гибридных моторов. Конечно, плюсов будет больше, но и минусы имеются, как во всем новом и малоизученном со стороны потребителя. Например, почему-то чаще всего встречается гибридный бензиновый двигатель, хотя давно всем известна экономичность и большая мощность «дизелей». Но никакого секрета тут нет, потому что, во-первых, технологию разрабатывали за океаном, т.е. в Америке, а там с соляркой пока что знакомы слабо. Во-вторых, гибридный дизельный двигатель стоил бы еще дороже, хотя цена на такие технологии уже далеко выше средней.

Небольшой скепсис вызывают гибриды из-за электромотора, т.е. его батареи. Это достаточно капризный элемент, требующий постоянной эксплуатации, иначе срок службы гибридного двигателя значительно снизится именно из-за нее. Она плохо переносит перепады температур, может саморазряжаться, в дальнейшем возникают неясности с ее утилизацией. Так же тень на репутацию смешанных моторов накладывает не только их дороговизна, но и большая стоимость комплектующих и ремонта, если он понадобится. Причем самостоятельно его провести невозможно.

Ну, а теперь можно рассказать и о приятном. Про экологичность и экономичность можно говорить смело, это действительно так, хотя бы исходя из двойственной природы агрегата. Наличие батареи позволяет дольше ездить без заправки, сохраняя все технические показатели в актуальном состоянии. Эту батарею не нужно заряжать, заправка авто осуществляется только топливом. Двигатель, благодаря компьютеру, работает всегда в оптимальном режиме, как бы вы ни пытались его «насиловать». Иногда такие машины могут двигаться вовсе без топлива, причем отличаются они еще и тихоходностью, мотор работает чуть слышно.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Как устроен гибридный автомобиль?

Вас, наверное, каждый раз поражает повышение цен на бензин. Заправляя бак, Вы, возможно, подумываете перейти на более экономичный автомобиль. Или, может быть, Вас беспокоит выброс выхлопов с парниковыми газами в атмосферу.

Автомобильная промышленность разработала технологию, которая поможет справиться с этими проблемами. Это гибридный автомобиль. На рынке представлено множество моделей гибридов, и большинство производителей уже заявили о намерении начать выпускать собственные варианты.

Как же устроен гибридный автомобиль? Что же такого находится под капотом, что делает гибрид экономичнее обычного автомобиля? И правда ли это, что при меньшем расходе у него меньше вредных выхлопов? В этой статье мы поможем Вам разобраться в том, как устроена эта технология, а также дадим Вам несколько советов по вождению гибрида для максимальной экономичности.

Многие люди пользовались каким-либо гибридом. Например, мопед (велосипед с мотором) является гибридным транспортным средством, т.к. бензиновый двигатель можно отключить и крутить педали. На самом деле, гибридные транспортные средства повсюду. Большинство локомотивов в поездах являются дизель-электрическими гибридами. В некоторых городах, например, Сиэтле, используются дизель-электрические автобусы, которые могут использовать электричество от проводов, а если над ними нет проводов, то могут ехать на дизельном топливе. Огромные горнодобывающие грузовики также зачастую являются дизель-электрическими гибридами. Подводные лодки тоже гибриды — некоторые ядерно-электрические, а некоторые дизель-электрические. Любое транспортное средство, в котором используется два и более источников энергии, которая непосредственно или косвенно обеспечивает тяговую мощность, является гибридом. Большинство существующих гибридных автомобилей являются бензин-электрическими, хотя французский производитель PSA Peugeot Citroen разрабатывает два дизель-электрических гибрида. Бензиновые гибриды стали очень популярными, поэтому в этой статье мы расскажем о них поподробнее.

Гибридные автомобили, такие как 2007 Honda Civic Hybrid, были разработаны для экономии топлива и уменьшения выхлопа.

Бензин и электричество

Бензин-электрические гибридные автомобили являются нечто средним между автомобилем с бензиновым двигателем и электромобилем. Давайте рассмотрим несколько примеров для того, чтобы понять разницу между автомобилем с бензиновым двигателем и электромобилем.

В автомобиле с бензиновым двигателем установлен топливный бак, из которого бензин поступает в двигатель. Двигатель вращает трансмиссию, которая вращает колеса.

В электромобиле имеется комплект батарей, которые осуществляют подачу питания на электродвигатель. Двигатель вращает трансмиссию, которая вращает колеса.

Гибрид объединяет эти два подхода. Он рассчитан на снижение расхода топлива и вредных выхлопов бензинового двигателя, устраняя при этом недостатки электродвигателя.

Такой автомобиль должен соответствовать минимальным требованиям.

·        Пробег между дозаправками должен быть не менее 300 миля (482 км)
·        Заправка должна быть быстрой и несложной
·        Соответствовать скорости движения потока

Автомобили с бензиновым двигателем соответствуют данным требованиям, однако загрязняют атмосферу и имеют очень высокий расход. Электромобили, в свою очередь, практически не загрязняют окружающую среду, однако полного заряда батарей хватает только на 50-100 миль (80-161 км). Проблема также заключается в том, что электромобили медленно, и их неудобно подзаряжать.

Бензин-электрический автомобиль объединяет оба типа в одну систему, которая использует как бензин, так и электричество.

Устройство бензин-электрического гибрида

Бензин-электрические гибриды включают следующие элементы:

·        Бензиновый двигатель — В гибридном автомобиле используется практически такой же бензиновый двигатель, как и в обычном. Однако двигатель гибрида меньше и в нем используются улучшенные технологии снижения выхлопа и расхода топлива.
·        Топливный бак — Топливный бак гибридного автомобиля является аккумулятором энергии для бензинового двигателя. Энергетическая плотность бензина значительно выше, чем у аккумулятора.             Например, для хранения энергии 1 л бензина (750 г) требуется 453 кг аккумуляторных батарей.
·        Электродвигатель — В гибридных автомобилях используются современные и сложные электродвигатели. Современная электроника позволяет использовать двигатель также в качестве генератора. Например, при необходимости, происходит потребление энергии аккумулятора для разгона автомобиля. Но также, работая в качестве генератора, электродвигатель может понизить скорость автомобиля и заряжать аккумулятор.
·        Генератор — Принцип действия генератора схож с электродвигателем, однако генератор работает только на выработку электроэнергии. В основном, он используется в последовательных гибридах.
·        Аккумуляторы — Аккумуляторы в гибридных автомобилях являются накопителем энергии для электродвигателя. В отличие от бензина в топливном баке, который может питать только бензиновый двигатель, электродвигатель может не только потреблять энергию, но и заряжать аккумуляторы.
·        Трансмиссия — Трансмиссия гибридного автомобиля выполняет те же функции, что и трансмиссия обычного автомобиля. В некоторых гибридных автомобилях, например, Honda Insight, установлены обычные трансмиссии. В других же, например, Toyota Prius, установлены совершенно другие.

Существуют различные комбинации источников энергии в гибридном автомобиле. Например, в т.н. параллельном гибриде используется топливный бак, питающий бензиновый двигатель и комплект аккумуляторов, питающих электродвигатель. Оба двигателя могут вращать трансмиссию одновременно, а трансмиссия, в свою очередь, вращает колеса.

В последовательном гибриде бензиновый двигатель вращает генератор, а генератор либо заряжает аккумуляторы, либо питает электродвигатель, вращающий трансмиссию. Таким образом, в данном типе гибрида, бензиновый двигатель не принимает непосредственного участия во вращении колес.

Конструкция гибридного автомобиля предусматривает использование двух источников энергии для повышения экономичности и производительности. В следующем разделе статьи мы расскажем о производительности гибридного автомобиля.

К.п.д. гибридного автомобиля

Ключевой особенностью гибридных автомобилей является то, что в них используются гораздо меньшие бензиновые двигатели, чем в обычных автомобилях, но при этом они более производительные. Во многих автомобилях используются довольно большие двигатели для обеспечения достаточной мощности при разгоне. Однако в небольшом двигателе к.п.д. можно увеличить за счет использования меньших, облегченных деталей, сокращения количества цилиндров и работы двигателя с практически максимальной нагрузкой.

Существует несколько причин, почему у небольших двигателей к.п.д. выше, чем у больших:

·        Большие двигатели тяжелее небольших, поэтому автомобиль затрачивает дополнительную энергию при разгоне и подъеме.
·        Поршни и другие детали значительно тяжелее, что требует затраты дополнительной энергии при их движении в цилиндре.
·        Рабочий объем цилиндров больше, следовательно, для каждого цилиндра требуется больше топлива.
·        В больших двигателях обычно установлено больше цилиндров, и в каждом цилиндре сгорает топливо при запуске двигателя, даже если автомобиль стоит на месте.

Это объясняет, почему у двух автомобилей одной модели с разным объемом двигателя разный расход. При движении обоих автомобилей по шоссе с одинаковой скоростью, меньше энергии затрачивает тот, у которого меньше объем двигателя. Обоим двигателям необходимо одинаковое количество мощности для движения автомобиля, но меньший двигатель затрачивает меньше мощности на преодоление собственной массы. Но как двигатель меньшего объема может производить столько же мощности, сколько и более мощные автомобили?

Давайте сравним Chevrolet Camaro с большим 8-цилиндровым двигателем и гибридный автомобиль с небольшим бензиновым и электрическим двигателем. Двигатель Camaro более мощный, чем требуется при езде в общем потоке. Двигатель гибрида обладает достаточной мощностью для движения автомобиля по шоссе, но если нужно увеличить скорость, то ему требуется дополнительная помощь. Эту помощь оказывают электродвигатель и аккумулятор, которые обеспечивают дополнительную мощность.

Объем двигателя обычного автомобиля рассчитан на использование максимальной мощности (например, когда Вы полностью выжимаете педаль газа). На самом же деле, большинство водителей используют максимальную мощность автомобиля реже 1% всего времени. В гибридах используется меньший двигатель, который рассчитан на среднее потребление мощности, а не на максимальные нагрузки.

Снижение расхода топлива

Помимо небольшого, но более производительного двигателя, в современных гибридах используются и другие способы понижения расхода топлива. Некоторые из этих способов могут снизить расход для любого автомобиля, а некоторые подходят только для гибридов. Для максимальной экономии топлива гибридный автомобиль:

Восстанавливает энергию и хранит ее в аккумуляторе — Каждый раз, когда Вы нажимаете на педаль тормоза, автомобиль расходует энергию. Чем быстрее движется автомобиль, тем большей кинетической энергией он обладает. При торможении автомобиль расходует энергию, переводя ее в тепло. Гибридный автомобиль может использовать часть этой энергии и накапливать в аккумуляторе для дальнейшего использования. Это происходит за счет рекуперативного торможения. В этом случае вместо простого торможения, электродвигатель также замедляет движение автомобиля. При этом электродвигатель работает в качестве генератора и заряжает аккумуляторы при торможении автомобиля.
Иногда отключает двигатель — Гибридному автомобилю не всегда требуется использовать бензиновый двигатель, т.к. он может использовать другой источник энергии — электродвигатель и аккумуляторы. Таким образом, гибридный автомобиль может иногда отключать бензиновый двигатель, например, при остановке на светофоре.
Улучшенная аэродинамика для снижения сопротивления — Когда Вы едете по шоссе, большая часть мощности двигателя уходит на преодоление сопротивления воздуха. Эта сила также называется аэродинамическое сопротивление. Сопротивление может быть снижено различными способами. Например, можно уменьшить площадь лобовой поверхности автомобиля. При этом большому внедорожнику приходится оказывать сопротивление большей площади, чем компактному спортивному автомобилю.
Использование шин с низким сопротивлению качению — Большинство автомобильных шин предназначены для обеспечения спокойной езды без шума и хорошего сцепления с дорогой в любую погоду. Но они редко рассчитаны на снижение расхода. В действительности же, именно шины вызывают наибольшее сопротивление при езде. В гибридных автомобилях используются специальные более жесткие шины, которые накачены под более высоким давлением, чем обычные. В результате, они снижают сопротивление качению вдвое.
Использование более легких материалов — Снижение общей массы автомобиля помогает уменьшить расход топлива. Легкие автомобили расходуют меньше энергии при разгоне или движении в гору. Для снижения массы могут быть использованы такие композитные материалы, как углепластик или легкие металлы, например, алюминий или магний.

Во всех современных гибридных автомобилях применяются вышеописанные способы снижения расхода. Далее мы подробнее расскажем о Honda Insight и Toyota Prius.

Несмотря на то, что оба автомобиля являются параллельными гибридами, у них есть свои отличия. У Honda Insight и Toyota Prius установлены бензиновые двигатели, электродвигатели и аккумуляторы, но на этом, пожалуй, все сходства заканчиваются. Давайте начнем с Honda Insight.

Honda Insight

Honda Insight была представлена в США в 2000 г. Автомобиль был сконструирован специально для максимального снижения расхода топлива. Несмотря на то, что Honda больше не выпускает Insight, этот автомобиль остается хорошим примером гибрида.

Honda сделала все возможное для максимального снижения расхода. Insight — это небольшой, легкий двухместный автомобиль с маленьким, но мощным бензиновым двигателем. Согласно Управлению по охране окружающей среды США, у Insight самые высокие показатели топливной экономичности из всех гибридов, представленных на рынке.

Honda Insight представляет собой упрощенный параллельный гибрид. Электродвигатель сопрягается с бензиновым двигателем там, где обычно располагается маховик. Honda назвала данную разработку «комбинированный электроусилитель двигателя». В Insight устанавливается либо обычная 5-ступенчатая механическая трансмиссия, либо автоматическая бесступенчатая трансмиссия CVT (вариатор).

Электродвигатель Insight обеспечивает экономию топлива:

·        Содействует работе бензинового двигателя, обеспечивая дополнительную мощность при разгоне и движении в гору
·        Обеспечивает рекуперативное торможение для накопления энергии, выделяемой при торможении
·        Запускает двигатель, заменяя стартер

Однако электродвигатель не может приводить машину в движение самостоятельно, для этого необходимо, чтобы работал бензиновый двигатель.

Honda использовала все вышеперечисленные способы снижения расхода топлива. Но в Insight производитель опирался на три основных момента:

·        Снижение массы — Несмотря на то, что автомобиль и так небольшой, кузов изготовлен из алюминия для дополнительного снижения массы. Благодаря сниженной массе, стало возможным использование небольшого двигателя, к.п.д. которого соответствует обычным автомобилям. Insight весит менее 1.900 фунтов (862 кг), что на 500 фунтов (227 кг) меньше, чем масса самого легкого автомобиля компании Honda Civic.
·        Использование небольшого, но производительного двигателя — Масса двигателя Insight объемом 1.0 л составляет всего 124 фунта (56 кг), а его мощность 67 л.с. при 5.700 об/мин. В двигателе используется система Honda VTEC (электронная система газораспределения с автоматически изменяемыми фазами клапанов), а также технология, основанная на использовании бедной смеси. Расход топлива Insight составляет 3,9 л/100 км по городу и 3,5 л/100 км по шоссе. Помимо этого, благодаря дополнительной мощности электродвигателя, автомобиль может разгоняться от 0 до 100 км/ч за 13 секунд.
При работающем электродвигателе, мощность Insight составляет 73 л.с. при 5.700 об/мин. Если сравнить с показателями только бензинового двигателя, то получается, что электродвигатель увеличивает мощность всего на 6 л.с. Но максимальных показателей электродвигатель достигает на низких оборотах бензинового двигателя. Мощность электродвигателя Insight составляет 10 кВт (около 13 л.с.) при 3.000 об/мин.
·        It’s the peak torque numbers that really tell the story. Без электродвигателя, крутящий момент Insight составляет 89,5 Н*м при 4.800 об/мин. С электродвигателем, крутящий момент Insight составляет 107 Н*м при 1.500 об/мин. Таким образом, электродвигатель увеличивает крутящий момент на низких оборотах, когда не справляется бензиновый двигатель. Такое решение позволяет Honda Insight иметь маленький двигатель с показателями большого.

·        Улучшенная аэродинамика — Honda Insight имеет классический дизайн, автомобиль выполнен в форме капли: задняя часть автомобиля уже передней.   Задние колеса частично закрыты кузовом для придания более обтекаемой формы, а днище закрыто пластиковыми панелями. Благодаря этому, коэффициент волочения составляет всего 0,25, что делает Honda Insight одним из самых аэродинамичных автомобилей на рынке.

Садясь за руль, Вы понимаете, что Insight не очень сильно отличается от обычных автомобилей. При разгоне бензиновый двигатель выполняет большую часть работы. При быстром разгоне, подключается электродвигатель для увеличения мощности.

При езде по шоссе, бензиновый двигатель выполняет большую часть работы. Когда Вы нажимаете на тормоз или отпускаете педаль газа, электродвигатель включается для накопления энергии и подзарядку аккумуляторов. Вам не нужно подключать Insight к розетке, электродвигатель генерирует энергию, необходимую для заряда аккумуляторов.

Следует отметить, что в Insight механическая трансмиссия отделена от бензинового и электрического двигателей муфтой сцепления. Это значит, что если Вы из тех водителей, которые любят выжимать сцепление или переключать на нейтральную передачу при замедлении хода, рекуперативное торможение происходить не будет. Для накопления энергии автомобиль должен быть на передаче.

Теперь мы предлагаем ознакомиться с Toyota Prius. Prius значительно отличается от Insight.

Toyota Prius

Toyota Prius была представлена в Японии в конце 1997 г. и сконструирована для снижения вредных выбросов в городах. Для выполнения поставленной задачи Toyota создала силовой агрегат для параллельных гибридов, который получил название Toyota Hybrid System (THS). Новая конструкция обладала некоторыми преимуществами последовательного гибрида. Prius соответствует стандарту Калифорнии SULEV (автомобиль с максимально низким выбросом вредных веществ). Автомобиль представляет собой четырехдверный седан, силовой блок обеспечивает скорость выше 15 миль/ч (24 км/ч) только за счет электродвигателя. Это способствует снижению расхода при езде по городу, но не по шоссе. Prius получил награду Лучший автомобиль Северной Америки 2004.

В отличие от Honda, Toyota сосредоточила свое внимание на силовом блоке для достижения поставленных целей по снижению выбросов и расхода. Prius весит 2.900 фунтов (1.315 кг), при этом размер салона и багажника такие же, как у Toyota Corolla.

В Prius используются два основных способа увеличения к.п.д. и снижения выбросов:

· Двигатель работает только в том диапазоне оборотов и нагрузок, который обеспечивает максимальную экономичность — Для снижения выхлопа, Prius разгоняется до 15 миль/ч (24 км/ч) за счет электродвигателя. Бензиновый двигатель подключается только при достижении определенного порога скорости. После этого бензиновый двигатель работает только в узком диапазоне частот.

· Трансмиссия с разветвлением потоков мощности — Бензиновый двигатель можно отрегулировать для более эффективной работы в определенном диапазоне оборотов и нагрузки. Трансмиссия с разветвлением потоков мощности в Prius позволяет двигателю работать в диапазоне оборотов и нагрузки, который обеспечивает максимальной экономии топлива.

Toyota разработала для Prius объемом 1,5 л для работы с максимальной скоростью всего 5000 об/мин, при этом его мощность составляет 76 л.с. Низкая максимальная скорость двигателя позволяет использовать более легкие компоненты, которые также снижают расход.

Мощность электродвигателя Prius составляет 67 л.с. при 1.200 — 1.540 об/мин. Крутящий момент при 0 — 1.200 об/мин составляет 400 Н*м, что более, чем достаточно для движения автомобиля без помощи бензинового двигателя.

Преимущества гибридного автомобиля

У Вас может возникнуть вопрос: зачем создавать такой сложный автомобиль, если большинство водителей устраивают их обычные машины? Ответ прост: для снижения выхлопа и расхода топлива. На самом деле, эти две задачи тесно связаны.

Давайте в качестве примера рассмотрим стандарт на содержание отработавших газов Калифорнии, в котором указаны нормы по составу выхлопа на территории Калифорнии. Содержание вредных веществ обычно указывается в граммах на километр (г/км). Например, для малотоксичных транспортных средств (LEV) стандарт допускает выброс 5,4 г/км моноксида углерода (угарного газа). Ключевым аспектом данного стандарта является то, что нормы не зависят от расхода топлива автомобиля. Если у одного автомобиля расход в два раза больше, чем у другого, то и выброс вредных веществ у него будет в два раза больше. Дополнительный выхлоп вредных веществ устраняется при помощи оборудования для контроля выбросов в атмосферу. Благодаря снижению расхода топлива можно снизить выброс.

Двуокись углерода(CO2) также содержится в выхлопе. Его содержание не контролируется правительством США, однако ученые считают, что данный газ способствует глобальному потеплению. Вследствие отсутствия контроля, в автомобилях не используются устройства для устранения СО2 из выхлопа. Если у одного автомобиля расход в два раза больше, чем у другого, то и выброс СО2 в атмосферу у него будет в два раза больше.

Производители автомобилей в США стремятся снизить расход топлива еще по другой причине. Согласно законодательству, их продукция должна соответствовать Закону о среднем расходе топлива автомобилями, выпускаемыми корпорацией (CAFE). Согласно действующим стандартам, средний расход всех продаваемых новых автомобилей должен составлять 27,5 миль/галлон (8,55 л/100 км). Это значит, что если производитель продает 1 гибрид с расходом 60 миль/галлон (3,92 л/100 км), он также может продать 4 дорогих автомобиля класса люкс с расходом 20 миль/галлон (11,76 л/100 км).

Каждый должен знать способы снижения расхода топлива. На следующей странице мы расскажем, как сократить расход топлива Вашего гибрида (или обычного автомобиля).

Источник: https://auto.howstuffworks.com/hybrid-car.htm

Понимание микро-, умеренных, полноразмерных и подключаемых гибридных электромобилей — x-engineer.org

Большинство транспортных средств, используемых во всем мире, по-прежнему оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС), бензиновыми / бензиновыми или дизельными. Гибридный электромобиль (HEV) имеет как минимум два источника энергии для приведения в движение: двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель.

Есть три основные причины, по которым производители автомобилей разрабатывают и продают HEV:

сокращение выбросов CO ₂ (за счет снижения расхода топлива)
сокращение токсичных выбросов выхлопных газов
улучшение динамика трансмиссии (за счет увеличения общей мощности и крутящего момента)

Трансмиссия HEV является довольно сложной , потому что она содержит все компоненты транспортного средства с ДВС плюс большинство компонентов чисто электрического транспортного средства (EV).Также, в зависимости от уровня гибридизации, ему необходимы два источника энергии: топливный бак для двигателя и аккумулятор для электрической машины.

Изображение: Toyota Prius V Hybrid Powertrain (HEV)
Кредит: Toyota

Если у нас есть автомобиль с ДВС, чтобы превратить его в HEV, нам нужно добавить:

высоковольтную батарею (от 200 до 400 В)
контроллер силовой электроники (инвертор)
электрическая машина
преобразователь постоянного тока в постоянный

Основные недостатки HEV : он увеличивает вес транспортного средства из-за дополнительных электрических компонентов, его сложнее построить, и общая стоимость покупки и владения увеличивается (по сравнению с автомобилем с ДВС).

В большинстве ТЭН электропривод осуществляется с помощью электрических машин с постоянными магнитами. Основные преимущества электрической машины по сравнению с ДВС:

постоянный высокий крутящий момент на низких скоростях
очень высокая эффективность
мгновенная передача крутящего момента
возможность рекуперации энергии

Изображение: Chevrolet Malibu Hybrid powertrain (HEV)
Кредит: Chevrolet

Обозначения:

Двигатель внутреннего сгорания 1,8 л и блок электропривода
Система литий-ионных высоковольтных батарей

По сравнению с обычным силовым агрегатом, собирает электрическую машину с ДВС мы получаем следующие преимущества:

за счет поддержки крутящего момента с электродвигателем, ДВС может работать в наиболее экономичной точке (скорость и крутящий момент)
ДВС можно уменьшить в размерах, сохраняя при этом постоянную общий крутящий момент и мощность трансмиссии, благодаря помощи электродвигателя
кинетическая энергия Транспортное средство во время торможения может быть восстановлено и сохранено в высоковольтной батарее, с помощью электрической машины, работающей как генератор
, можно улучшить реакцию трансмиссии на крутящий момент благодаря мгновенной передаче крутящего момента электродвигателем
. передаточные числа трансмиссии могут быть понижены, чтобы двигатель работал на более низких оборотах (лучшая топливная экономичность), потому что электродвигатель может передавать мгновенный запрос крутящего момента от водителя

Имея два источника мощности, гибридной системе управления требуется чтобы решить, каков крутящий момент между ДВС и электрической машиной, в зависимости от действий водителя и рабочего состояния автомобиля.

Гибридный электромобиль может выполнять по меньшей мере одну или несколько из следующих функций:

остановка / запуск двигателя на холостом ходу
электрическая помощь крутящему моменту (наполнение и усиление)
рекуперация энергии (рекуперативное торможение)
электрическое движение
зарядка аккумулятора (во время движения)
зарядка аккумулятора (от сети)

Гибридный электромобиль, также называемый полногибридным электромобилем (FHEV) , чтобы отличаться от других типов гибридов электромобили (легкие и сменные).

Изображение: режимы полного гибридного электромобиля (FHEV)

Обозначения:
ENG — двигатель внутреннего сгорания
MOT — электродвигатель (машина)
TX — трансмиссия
BATT — высоковольтная батарея
PE — модуль силовой электроники (контроллер MOT)

Функция остановки / запуска на холостом ходу

Когда автомобиль неподвижен, функция остановки / запуска (S&S) отключает двигатель внутреннего сгорания без вмешательства водителя (через ключ зажигания).Эта функция снижает общий расход топлива автомобиля. Когда водитель демонстрирует намерение ехать (педаль сцепления нажата или педаль тормоза отпущена), двигатель автоматически перезапускается.

Большинство автомобилей с функцией остановки / запуска на холостом ходу имеют также какую-то функцию управления энергией , которая оптимизирует потребление энергии аккумуляторной батареи низкого напряжения (12 В). В обычном транспортном средстве с ДВС без какого-либо управления энергопотреблением основная функция низковольтной батареи заключается в выработке электроэнергии, необходимой для запуска двигателя.После запуска двигателя электрическая энергия для всех потребителей электроэнергии подается генератором переменного тока (генератором), который создает крутящий момент нагрузки на двигатель.

Если в автомобиле есть функция управления энергопотреблением, даже при работающем двигателе аккумулятор подает электроэнергию потребителям. Таким образом, генератор не должен вырабатывать электрическую энергию, момент нагрузки генератора почти равен нулю, а расход топлива снижается. Кроме того, аккумулятор заряжается, когда двигатель работает в наиболее экономичных режимах или когда автомобиль тормозит (за счет рекуперации энергии).

Изображение: Двигатель Renault 1.6 dCi (Micro Hybrid)
Кредит: Renault

Примером функций остановки / запуска на холостом ходу и функций управления энергопотреблением является двигатель Renault 1.6 dCi. Он поставляется с функцией Energy Smart Management (ESM) , которая позволяет аккумулировать энергию, создаваемую при торможении и замедлении, в низковольтной батарее, помогая еще больше снизить расход топлива.

Автомобили с функциями остановки / запуска на холостом ходу и управления энергопотреблением называются Micro Hybrids .

Электрический усилитель крутящего момента

Электродвигатель может обеспечивать дополнительный крутящий момент на колесе, улучшая общий отклик крутящего момента трансмиссии. Есть два типа поддержки крутящего момента:

Когда привод нажимает на педаль акселератора, он запрашивает больший крутящий момент от трансмиссии. Двигатель внутреннего сгорания (особенно дизельный) имеет определенную задержку в передаче требуемого крутящего момента. Задержка отклика крутящего момента двигателя внутреннего сгорания имеет несколько причин:

инерция воздуха во впускном коллекторе
механическая инерция движущихся частей
ограничение крутящего момента (для предотвращения дыма в выхлопе)

В этих ситуациях, называемых переходными процессами крутящего момента (двигатель меняет рабочую точку), электродвигатель может помогать, обеспечивая дополнительный крутящий момент, который компенсирует задержку отклика крутящего момента двигателя.Эта функция называется моментом заполнения .

Изображение: Honda IMA powertrain (MHEV)
Кредит: Honda

Двигатель внутреннего сгорания имеет максимальный крутящий момент, который зависит от частоты вращения двигателя. За счет добавления крутящего момента электродвигателя к крутящему моменту двигателя максимальный общий крутящий момент трансмиссии увеличивается (положительное смещение). Эта функция называется Повышение крутящего момента и может работать только на короткое время (порядка секунд) из-за разряда батареи.

Функция поддержки крутящего момента с электроприводом обычно обеспечивается мягкими гибридными электромобилями (MHEV), полногибридными электромобилями (FHEV) и подключаемыми гибридными электромобилями (PHEV).

Когда и двигатель, и электродвигатель обеспечивают крутящий момент для ускорения транспортного средства, транспортное средство находится в гибридном / параллельном режиме .

Рекуперация энергии (рекуперативное торможение)

Когда водитель нажимает на педаль тормоза, автомобилю необходимо снизить скорость.В основном нам нужен тормозной момент на колесах, чтобы снизить скорость автомобиля. Общий требуемый тормозной момент на колесах может быть достигнут несколькими способами:

только за счет фундаментных тормозов (гидравлических тормозов)
через фундаментные тормоза плюс трансмиссии

Если автомобиль имеет обычную трансмиссию, только с внутренним двигатель внутреннего сгорания, когда водитель тормозит, впрыск топлива прерывается (прекращается подача топлива) и двигатель выходит за пределы допустимого диапазона (торможение двигателем).Величина моторного тормоза равна суммарным потерям крутящего момента двигателя (крутящий момент на трение + насосные потери + вспомогательные устройства).

Изображение: Audi Prologue concept (MHEV)
Кредит: Audi

Легенда:

Электрическая машина 48 В
Литий-ионная батарея 48 В
Аккумулятор 12 В
Преобразователь постоянного тока в постоянный (двунаправленный)
Электрическая система 12 В

В гибридном электромобиле, когда водитель тормозит, от электрической машины может быть запрошен отрицательный крутящий момент , повышая тормозную способность трансмиссии .Во всех гибридных электромобилях при торможении автомобиля электрическая машина работает в режиме генератора. Кинетическая энергия транспортного средства раскручивает ротор генератора, преодолевая его отрицательный крутящий момент, и вырабатывается электрическая энергия. Количество электроэнергии, генерируемой (собираемой) при торможении (рекуперация / регенерация), зависит от мощности электрической машины.

Электрический привод

Если электрическая машина достаточно мощная, транспортное средство может двигаться в электрическом режиме (EV) .В этом режиме двигатель внутреннего сгорания выключен, и электродвигатель обеспечивает необходимый крутящий момент для приведения в движение транспортного средства.

В случае полностью гибридных электромобилей электрический режим возможен только до транспортных средств со скоростью 5–10 км / ч из-за ограниченной энергии, доступной в батарее. В случае подключаемых к сети гибридных электромобилей высоковольтная батарея имеет более высокую емкость, при этом режим электромобиля возможен на скоростях до 90–100 км / ч.

Зарядка аккумулятора (во время движения)

Каждая батарея имеет минимальный уровень заряда (SOC) , который необходимо поддерживать во избежание необратимого повреждения.Состояние заряда представляет собой теоретическое количество электроэнергии, доступной в аккумуляторе. Если SOC батареи составляет 100%, это означает, что существует максимальное теоретическое количество электроэнергии, которое можно использовать. Если минимальное значение SOC для батареи составляет 20%, мы можем использовать только 80% от теоретического максимума.

Изображение: Трансмиссия Mitsubishi Outlander (PHEV)
Кредит: Mitsubishi

В зависимости от размера, мощности и химического состава аккумулятора минимальный SOC может быть разным. В таблице ниже представлен синтез минимальной функции батареи SOC для типа гибридного электромобиля:

Тип гибридного электромобиля	Micro (S&S)	Mild (MHEV)	Full (FHEV)	Plug-in (PHEV)
Минимальный уровень заряда батареи [%]	80… 90	40… 60	30… 50	10… 20
Напряжение аккумулятора [В]	12	48/160	200–300	300–400
Химический состав аккумулятора	свинцово-кислотный	литий-ионный / никель-металлогидридный	литий-ионный	литий-ионный

В любом гибридном электромобиле, в зависимости от уровня SOC, батарея может находиться в нескольких состояниях:

разряжена
поддерживается заряд
заряда ng

Изображение: BMW i8 powertrain (PHEV)
Кредит: BMW

Когда аккумулятор полностью заряжен, можно использовать электрическую энергию.В этом случае батарея находится в режиме полного разряда . Когда SOC батареи достигает минимального уровня, двигатель внутреннего сгорания отвечает за зарядку батареи, чтобы SOC не опускался ниже минимального уровня. В этом случае батарея находится в режиме поддержания заряда . Когда автомобиль тормозит, кинетическая энергия автомобиля преобразуется в электрическую и накапливается в аккумуляторной батарее. В этом случае аккумулятор находится в режиме зарядки .

Зарядка аккумулятора (от сети)

С точки зрения зарядки аккумулятора, основное различие между полностью гибридным электромобилем и подключаемым к электросети электромобилем состоит в том, что PHEV также можно заряжать, подключив его к розетке. .Модуль управления силовой электроникой подключаемого гибридного электромобиля содержит выпрямитель , который преобразует переменный ток (AC) в розетке питания в постоянный ток (DC) и хранится в высоковольтной батарее.

Изображение: BMW 330e PHEV, зарядка от сети
Кредит: BMW

В зависимости от функций, которые может выполнять электрическая система, мы различаем следующие типы гибридных электромобилей:

stop /

Функции	Тип гибридного электромобиля
Функции	Micro (S&S)	Mild (MHEV)	Full (FHEV)	Plug-in (PHEV)
♦	♦	♦	♦
электрическая помощь крутящему моменту (наполнение и наддув)		♦	♦	♦
9024 рекуперативное торможение 9023 9023 9023 9024 рекуперативное торможение ♦	♦	♦
электрический привод (режим EV)			♦	♦
ba зарядка аккумулятора (во время движения)	♦	♦	♦	♦
зарядка аккумулятора (от сети)				♦

в корпусе электромобилей (MHEV) существует два разных типа:

со встроенным в ремень стартер-генератором
со встроенным в коленчатый вал электродвигателем-генератором

Стартер-генератор со встроенным ремнем (BiSG) использует электрическую машину, установленную на передний привод вспомогательных агрегатов (FEAD), связанный с двигателем внутреннего сгорания ремнем.Это наиболее распространенное решение, используемое производителями автомобилей для мягких гибридных электромобилей. Valeo разработала систему BiSG для MHEV, которую используют несколько производителей автомобилей.

Изображение: Valeo Система ленточного стартера-генератора (MHEV)
Кредит: Valeo

В генераторе с интегрированным коленчатым валом (CiMG) используется электрическая машина, установленная на коленчатом валу, между двигателем и трансмиссией. Примером системы CiMG является технология Integrated Motor Assist (IMA) от Honda.Основное различие между BiSG и CiMG состоит в том, что в решении с двигателем-генератором, интегрированным в коленчатый вал, используется более мощная электрическая машина и аккумулятор с более высоким напряжением и мощностью.

В таблице ниже вы можете найти синтез типов гибридных электромобилей с точки зрения напряжения батареи, мощности электрической машины и потенциального расхода топлива:

Электрический мощность машины [кВт]
(двигатель)

Параметр	Micro Hybrid	Mild Hybrid	Full Hybrid	Plug-in Hybrid
Напряжение аккумулятора [В]	12	48 — 160	200-300	300258	2… 3	10… 15	30… 50	60… 100
Мощность электрической машины [кВт] (генератор)	<3	10 … 12	30… 40	60… 80
Диапазон режима EV [км]	0	0	5… 10	<50
CO _{2 9001 1 расчетная выгода [%]}	5… 6	7… 12	15… 20	> 20

В будущей статье мы опишем каждый тип гибридного электромобиля более подробно.

По любым вопросам, наблюдениям и запросам по этой статье используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Интеллектуальное использование двигателей внутреннего сгорания в гибридных электромобилях

1. Введение

С начала 1900-х годов бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания представляли собой наиболее успешные автомобильные силовые системы, несмотря на их низкую эффективность, проблемы с выбросами и растущую стоимость топливо.Их главное преимущество перед газовыми двигателями и аккумуляторными электромобилями (BEV) заключается в очень высокой плотности энергии жидкого топлива, которая позволяет использовать большие запасы топлива с небольшими (и легкими) резервуарами для хранения, а также безопасными и быстрыми процессами заправки. Более того, бензин и дизельное топливо имеют налаженную инфраструктуру распределения, которую сложно и очень дорого воспроизвести для других источников энергии.

Экологические проблемы, энергетические кризисы, опасения по поводу пикового потребления нефти и ожидаемого увеличения количества автомобилей в развивающихся странах в конечном итоге стимулировали исследования альтернативных источников энергии.Однако они все еще не могут выйти на рынок из-за ряда технологических ограничений.

Главный недостаток БЭВ — аккумуляторы. Они по-прежнему слишком дороги, слишком громоздки и тяжелые (из-за низкой плотности энергии). Кроме того, они имеют неудовлетворительный жизненный цикл и требуют длительной перезарядки. Транспортные средства, использующие топливные элементы (FCV) с очень чистой системой преобразования топлива, имеют еще больший технологический недостаток. Они добавляют к проблемам BEV использование очень легкого газообразного топлива, которое имеет серьезные ограничения с точки зрения процесса производства, системы хранения, безопасности и инфраструктуры распределения.Таким образом, они не должны рассматриваться как жизнеспособный способ экологической мобильности в ближайшем будущем (German, 2003).

Гибридные электромобили характеризуются наличием двух различных типологий систем хранения энергии: обычно аккумулятор и бак для бензина или дизельного топлива. HEV не имеют ограничений по дальности по сравнению с обычными транспортными средствами и используют существующую инфраструктуру распределения. Основными преимуществами HEV являются: гибкость в выборе рабочей точки двигателя, которая позволяет двигателю работать в области высокого КПД, и возможность уменьшения размера ДВС и, таким образом, получения более высокого среднего КПД.Кроме того, двигатель можно выключить, когда транспортное средство остановлено (например, на светофоре) или когда запрос мощности очень низкий (снижение потерь холостого хода).

PHEV могут рассматриваться либо как BEV, которые могут работать в гибридном режиме при низком уровне заряда (SOC) батарей, либо как HEV с батареями, которые можно заряжать от электросети. Для них характерно использование гораздо большей аккумуляторной батареи по сравнению со стандартными HEV. Размер батареи влияет на полный электрический диапазон (AER), важный конструктивный параметр PHEV, который определяется как количество миль, которое автомобиль может пробежать в чисто электрическом режиме в цикле UDDS.Транспортное средство классифицируется как PHEVXY, если его AER составляет XY миль.

PHEV требуют меньшего количества дозаправок на заправочной станции, чем обычные автомобили, и имеют преимущество перед HEV в том, что они заряжаются дома.

BEV, HEV и PHEV также могут частично восстанавливать энергию тормозов, инвертируя поток энергии от батарей к колесам через электрическую машину.

Simpson, 2006 представил сравнение затрат (затраты на покупку транспортных средств и затраты на электроэнергию) и преимуществ (снижение потребления бензина) PHEV по сравнению с HEV и обычными транспортными средствами.На основе своей модели Симпсон обнаружил, что PHEV могут снизить потребление бензина на автомобиль. В частности, сокращение потребления бензина более чем на 45% может быть достигнуто с использованием конструкций PHEV20 или выше (т. Е. Транспортных средств, содержащих достаточно полезной энергии, хранящейся в их батарее, чтобы пробежать более 20 миль (32 км) по циклу UDDS в электрическом режиме в соответствии с к предыдущему определению AER).

Исследование Simpson, 2006 подчеркнуло, что с экономической точки зрения PHEV могут стать конкурентоспособной технологией, если стоимость бензина будет продолжать расти, а стоимость батарей будет снижаться.

Из-за различных характеристик нескольких источников энергии экономия топлива и воздействие гибридных транспортных средств на окружающую среду в основном зависят от правильной стратегии управления мощностью. Конкретная операционная стратегия, используемая в этом типе транспортных средств, значительно влияет на характеристики компонентов и ценность технологии PHEV (Gonder et al. 2007).

Вообще говоря, воздействие экологичного транспортного средства на окружающую среду должно определяться методом «от скважины к колесу» (WTW).С точки зрения «танка на колесо» (TTW), BEV или PHEV, работающие в электрическом режиме, не производят ни загрязняющих веществ, ни парниковых газов, в то время как выбросы загрязняющих веществ и CO ₂ в процессах WTW зависят от первичного источник и технология, используемая для выработки электроэнергии в сети. Выбросы CO ₂ FCV от скважины до колеса могут быть такими же, как и у автомобиля с дизельным двигателем, если он использует водород, произведенный из невозобновляемых источников энергии (Guzzella and Sciaretta, 2007).

В гибридном транспортном средстве локальные выбросы CO ₂ и загрязняющих веществ сильно зависят от стратегии управления, используемой для ДВС, что становится основной проблемой как для HEV, так и для PHEV.

2. Классификация гибридных транспортных средств

Гибридные электрические транспортные средства можно классифицировать в соответствии с их архитектурой, режимом разрядки / перезарядки батарей и уровнем гибридизации.

Что касается архитектуры, HEV называются «параллельными», когда они используют бензиновый или дизельный двигатель, механически соединенный с электродвигателем на том же валу, чтобы удовлетворить запрос мощности на колесах.Параллельный HEV может работать в пяти режимах работы (Guzzella et al, 2007): усилитель мощности (электродвигатель передает дополнительный крутящий момент на вал, когда запрос превышает доступный крутящий момент двигателя), подзарядка аккумулятора (часть мощность двигателя используется для подзарядки аккумуляторов), электрического режима (двигатель выключен), обычного транспортного средства (электрический двигатель выключен) и рекуперативного торможения.

В «серийном» гибриде запрос мощности полностью удовлетворяется электродвигателем.Электрический ток, подаваемый на двигатель, представляет собой алгебраическую сумму формы тока аккумуляторов и тока, производимого генератором с приводом от двигателя. Последовательный HEV может работать в четырех режимах (то же самое, что и в параллельном автомобиле, кроме обычного режима, поскольку двигатель не подключен к валу).

Комбинированный гибрид, который может работать как в параллельном, так и в последовательном режиме, также был разработан и представлен на автомобильном рынке.

Традиционно серийные HEV игнорировались в научной литературе, поскольку они менее эффективны, чем параллельные HEV, и требуют большего дополнительного веса.Более того, их управление энергопотреблением считалось тривиальным: простое двухпозиционное управление двигателем считалось достаточным. Тем не менее, растущий интерес к сменным автомобилям дал новый импульс исследованиям передовых стратегий управления для серийных архитектур.

Существует два возможных способа регулирования энергоменеджмента гибридных автомобилей с батареями. Первый (режим разряда, CD) принимает аккумуляторы полностью разряженными во время миссии. В этом режиме SOC батареи может увеличиваться или уменьшаться во времени, но имеет тенденцию уменьшаться по ходу миссии.Этот подход можно рассмотреть только для автомобилей с подзарядкой от сети. Второй (режим поддержания заряда, CS) пытается поддерживать аккумулятор всегда заряженным, чтобы не влиять на автономность автомобиля. SOC может увеличиваться или уменьшаться во времени, но имеет тенденцию к разрыву основной постоянной во время миссии (для последовательных и параллельных HEV, что невозможно для BEV).

PHEV обычно работают в режиме CD без использования механизма до достижения заранее назначенной нижней границы SOC, затем принимается стратегия CS. Другая возможность — постепенно разряжать аккумулятор на протяжении поездки, как в так называемом смешанном режиме , управление (Tulpule et al., 2009).

Это делает PHEV более сложным, более зависимым от информации о трафике и маршруте и более эффективным, чем стандартная серия HEV.

Другая важная классификация гибридов — это степень гибридизации. Micro-Hybrids очень похожи на обычные транспортные средства, от этого они отличаются наличием немного большей батареи и немного более мощного электродвигателя, который позволяет выключать двигатель, когда автомобиль останавливается на перекрестных огнях и затем снова включается, когда машины движутся.Эта система под названием Start & Stop в настоящее время принята несколькими автомобильными компаниями, чтобы соответствовать стандарту Euro V. Не требует увеличения напряжения электросетей. Увеличение стоимости и сложности довольно незначительно, как и возможность снижения расхода топлива. Путем дальнейшего увеличения электроэнергии и напряжения можно восстановить энергию торможения (+ 5-10% экономии топлива, Chan, 2007). Если мощность электродвигателя увеличивается, двигатель внутреннего сгорания может быть уменьшен, а электродвигатель используется для увеличения мощности захвата с помощью логики Power Assist.Это случай мягких гибридов (таких как Honda Civic и Honda Insight), которые могут увеличить экономию топлива на 20-30% (Chan, 2007) при аналогичном увеличении стоимости. Мягкие гибриды обычно не могут работать с полным электроприводом, как Full Hybrids . Полные гибриды могут достичь экономии топлива на 40-50% выше, чем у обычных автомобилей. (Чан, 2007) Они работают с очень высоким напряжением, чтобы принимать самую большую электроэнергию. Их можно подразделить на гибридные синергии и мощные гибриды.Первые предназначены для максимальной экономии топлива (уменьшенные размеры двигателя), а вторые используют электродвигатель для увеличения доступного крутящего момента (без уменьшения габаритов).

Наконец, термин Range extender используется для определения серийных гибридных транспортных средств, в которых небольшая группа двигатель-генератор переменного тока используется только для подзарядки аккумулятора, когда их SOC слишком низкий.

2.1. Проектирование и управление двигателями внутреннего сгорания для гибридных приложений

Роль двигателя внутреннего сгорания в гибридных электромобилях (HEV) сильно отличается от обычных транспортных средств.Двигатель не должен больше разрабатываться для выполнения требуемых для транспортного средства характеристик (максимальная скорость, ускорение и набор высоты), но его можно уменьшить, тем самым снижая расход топлива и выбросы парниковых газов. Более того, двигателем внутреннего сгорания можно лучше управлять, чтобы избежать низкоэффективных операций с высоким уровнем выбросов, таких как холостой ход, остановки транспортного средства и сильные ускорения.

Текущий подход к проектированию HEV заключается в использовании двигателей внутреннего сгорания, разработанных для обычных транспортных средств.С этой точки зрения преимущество топливной экономичности HEV может быть фактически сведено на нет из-за более высокой сложности, веса и объема силовой передачи. Однако многие из устройств с электронным управлением, используемых в двигателях для повышения их эффективности и снижения выбросов на холостом ходу и в режиме работы с низким крутящим моментом и низкой частотой вращения, совершенно бесполезны в приложениях HEV. Это означает, что для гибридных приложений можно разработать более простой, легкий и менее дорогой двигатель.

Хорошо известно, что двигатели внутреннего сгорания имеют низкую экономию топлива и больше, если они работают при низких температурах.Это особенно важно для гибридных электромобилей, поскольку они позволяют выключать двигатель на длительные периоды, в течение которых температура двигателя снижается. Это может привести к более высоким выбросам при холодном запуске, в частности, из-за низкой эффективности преобразования устройств последующей обработки, когда температура выключения не достигается. С другой стороны, гибридные электрические устройства позволяют управлять либо двигателем, либо устройствами дополнительной обработки, либо обоими устройствами, чтобы сократить период прогрева и улучшить их характеристики при полностью интегрированном подходе (Bayar et al., 2010). В HEV двигатель запускается на более высокую скорость, чем в обычных транспортных средствах, и это делает условия сгорания во время процесса запуска совершенно другими. Yu et al., 2006, исследовали влияние скорости вращения коленчатого вала на запуск / остановку бензинового двигателя для гибридных приложений. Еще раз, экономия топлива и выбросы во время процесса запуска двигателя зависят от стратегии управления, используемой для двигателя и двигателя.

Для сокращения периода прогрева двигателя Lee et al., 2011 рассматривал рекуперацию системы теплообмена выхлопных газов охлаждающей жидкостью и трансмиссионным маслом одновременно. Соответственно, они разработали устройство рекуперации тепла выхлопных газов, которое выполняет интегральный теплообмен тепла выхлопных газов двигателя для повышения температуры охлаждающей жидкости и масла коробки передач, тем самым уменьшая потери на трение и улучшая экономию топлива.

2.2. Подходы к диспетчерскому управлению модели

Способность HEV снижать расход топлива и выбросы загрязняющих веществ сильно зависит от стратегии диспетчерского управления и конкретных условий вождения.Фактически, в гибридных электромобилях система диспетчерского управления каждый раз определяет распределение мощности между системой преобразования топлива (двигатель / генератор переменного тока или топливный элемент) и системами хранения электроэнергии (батареи и / или суперконденсаторы), чтобы минимизировать потребление топлива. , поддерживайте заряд аккумулятора и снижайте выбросы загрязняющих веществ. Обратите внимание, что эти цели являются конкурентоспособными, и производительность HEV сильно зависит от того, какой цели ему придается большее значение. В идеале оптимизацию следует проводить на протяжении всего жизненного цикла транспортного средства, даже если обычно учитывается гораздо более короткий временной интервал (от небольшого количества минут до нескольких часов).

В литературе было представлено несколько подходов к оптимизации управления энергией HEV (Serrao, 2009). Их можно разделить на четыре категории: численная оптимизация, аналитическая теория оптимального управления, мгновенная оптимизация и эвристические методы управления.

Методы эвристического контроля основаны на наборе правил, которые генерируют управляющее воздействие (т. Е. Мощность, подаваемую от двух источников энергии) в соответствии со значением некоторых параметров транспортного средства, таких как скорость, ускорение, SOC аккумулятора и т. Д.Эти методы легко реализовать в транспортных средствах, но они не гарантируют минимизацию расхода топлива или выбросов и достижение поддержания заряда в конце миссии.

Численная оптимизация обычно применяет динамическое программирование для оптимизации поведения транспортного средства с нереалистичным предположением об идеальном знании условий вождения транспортного средства (Lin et al, 2003).

Альтернативой динамической программе является применение принципа Понтрягина.Этот подход предполагает, что силовую передачу можно описать простыми аналитическими функциями. Таким образом, часто это слишком упрощенный подход, и он также требует знания ездового цикла для применения (Anatone et al. 2005, Serrao et al. 2008).

В подходе мгновенной оптимизации проблема глобальной минимизации реализуется и решается как последовательность задач локальной оптимизации. Самая известная из этих стратегий — стратегия минимизации эквивалентного потребления для транспортных средств, поддерживающих зарядку.ECMS пытается минимизировать эквивалентный расход топлива, который вычисляется как сумма во временном интервале Δt фактического расхода топлива двигателем и топливного эквивалента электрической энергии, накопленной / извлеченной из батареи в интервале времени Δt. Поскольку аккумулятор используется только в качестве энергетического буфера, его энергия в конечном итоге вырабатывается из топлива, которое двигатель потреблял / экономил в прошлом (или будет потреблять в будущем). Главный недостаток подхода заключается в том, что он требует определения эквивалентных коэффициентов при преобразовании энергии топлива в электрическую и наоборот (Guzzella and Sciarretta, 2007).

Недавно Millo et al. В 2011 году техника ECMS была расширена за счет включения выбросов двигателя. В частности, они сопоставили использование аккумулятора с эквивалентными выбросами NOx и сравнили результаты оптимизации, ориентированной на расход топлива, и оптимизации NOx с точки зрения истории состояния заряда, рабочих точек двигателя и т. Д. По отношению к нескольким стандартным ездовым циклам. .

Использование стандартных ездовых циклов при оптимизации стратегий управления является обычным способом получения субоптимального контроллера, который, однако, может давать плохие результаты в реальных условиях движения.

2.3. Прогнозирование моделей вождения транспортного средства

Как объяснялось ранее, возможность оценки будущего профиля вождения (скорости и соответствующей потребности в мощности) является ключевой проблемой при разработке гибридных транспортных средств. Фактически, диспетчерский контроллер HEV может использовать будущий профиль скорости для оптимизации распределения мощности в будущем временном окне, чтобы минимизировать расход топлива, выбросы загрязняющих веществ, использование батареи и так далее. Кроме того, информацию о будущем можно использовать для включения электрического прогрева двигателя и устройств нейтрализации.Таким образом, они будут иметь нужную температуру, когда двигатель будет включен, и поток выхлопных газов попадет в устройство последующей обработки.

В литературе определен ряд «автоадаптивных» методов, которые пытаются предсказать будущие условия вождения на основе прошлых. Возможный подход состоит в том, чтобы предсказать будущие условия вождения на основе прошлого поведения транспортного средства (Sciarretta et al. al, 2004), исходя из предположения, что аналогичные условия эксплуатации будут существовать.Но будущий профиль вождения также зависит от мгновенных решений, которые водитель примет, чтобы реагировать на физическую среду (модели вождения). Более того, недавние исследования показали, что стиль водителя, тип дороги и уровень загруженности дорог существенно влияют на расход топлива и выбросы (Ericson, 2000, Ericson, 2001). По этим причинам стратегии контроля, предложенные в некоторых схемах (Вон и др., 2005), включают знания об окружающей среде вождения.

В случае серийного HEV знание условий вождения, как было установлено в литературе, менее важно, чем в случае параллельных гибридов (Barsali et al ,.2004 г.).

В случае подключаемых к сети гибридных электромобилей управление более сложным, сильно зависит от начального значения SOC и продолжительности миссии, особенно если используются методы управления смешанным режимом. Фактически, если бы была известна полная поездка, наилучшие результаты были бы получены, если бы SOC достигло более низкого значения в конце поездки (Karbowski et al. 2006). Gong et al. В 2007 году была разработана интеллектуальная транспортная система, которая использует информацию GPS и исторические данные о дорожном движении, которые действительно определяют модели движения, которые будут использоваться при оптимизации.Донатео и др. 2011, численно подсчитали, что знание ездового цикла в будущем временном окне 60 секунд может улучшить расход топлива в серии PHEV с управлением смешанным режимом на 20%.

3. ИКТ и устойчивая мобильность

3.1. Интеллектуальные автомобильные технологии

По данным Гусихина и др. 2008, транспортное средство может быть определено как интеллектуальное, если оно способно определять свой собственный статус и статус окружающей среды, общаться с окружающей средой, а также планировать и выполнять соответствующие маневры.Первым применением интеллектуальных автомобильных систем стало повышение безопасности за счет помощи водителю в критические моменты. Комбинация бортовых камер, радаров, лидаров, цифровых карт, связи с другими транспортными средствами или системами шоссе используются для предупреждения о выезде с полосы движения, адаптивного круиз-контроля, параллельных парковочных ассистентов, предупреждения о столкновениях, автоматического предотвращения столкновений, интеллектуальных систем парковки.

Markel et al. В 2008 году изучался эффект интеграции парка электрифицированных транспортных средств и электросети с целью увеличения количества возобновляемой энергии, используемой для питания электромобилей, путем оптимизации времени и мощности процессов зарядки в течение дня.Различные протоколы связи были рассмотрены и сопоставлены Markel et al. Интеллектуальные транспортные системы, такие как управление движением, могут иметь прямое влияние на выбросы CO ₂, производимые автомобильными поплавками (Dimitrakopoulos, 2011). По данным Janota et al. 2010, Интеллектуальные транспортные системы могут снижать потребление и выбросы, воздействуя на транспортное средство (путем мониторинга и управления двигателем), на инфраструктуру (сокращение количества / продолжительности заторов и остановок, оптимизация перекрестков, совместные системы для предотвращения заторов) и на водитель (планирование экологических маршрутов на основе информации в реальном времени, поддержка водителя для экономичного вождения).

Недавно были предложены методы информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) для сбора информации о маршрутах движения транспортных средств и дорожных условиях, которые могут позволить оценить будущий запрос мощности транспортного средства в течение большого временного окна. Методы ИКТ могут использоваться для оценки будущего профиля вождения, предлагать водителю модели поведения с низким потреблением энергии, предлагать альтернативный маршрут, сообщать местоположение и статус электрических зарядных станций и т. Д. (Sciarretta et al, 2004).

Schuricht et al. В 2010 году проанализированы две активные меры энергоменеджмента. В первом используются современные светофоры и системы связи для поддержки водителя при приближении к перекрестку. Во втором изучается использование источников информации и датчиков дорожной телематики для прогнозирования оптимального управления гибридными автомобилями в режиме онлайн.

3.2. Подход CAR

Роль интеллектуальных транспортных систем в улучшении характеристик PHEV и распространении электрификации транспортных средств является предметом исследования Центра автомобильных исследований при Университете штата Огайо.Исходя из осознания того, что трафик, погода и дорожные условия будут доступны в ближайшем будущем через связь между транспортными средствами и транспортными средствами и инфраструктурой, исследователи из CAR подчеркивают возможность этой информации, чтобы адаптировать настройку энергии. Контроллер управления в HEV, предсказывающий будущий профиль вождения, сигнализирующий о доступности станций подзарядки, предсказывающий маршрут и генерирующий статистическую информацию для изменения предварительно сохраненных карт.

В статье Tulpule et al.В 2011 году авторы сосредоточились на влиянии имеющихся данных на управление энергопотреблением, чтобы определить наиболее важные факторы, влияющие на фактический расход топлива PHEV. Факторы, проанализированные в исследовании, названные «Факторы воздействия», основаны как на информации о погоде (температура и влажность), так и на информации о дорожном движении (состояние светофоров, присутствие пешеходов, дорожные происшествия на внутригородских и междугородних магистралях). Их важность для эффективности стратегии ECMS была оценена на основе большого количества данных, полученных на Toyota Prius, переведенной в режим plug-in.Подключаемый модуль Prius был проработан в общей сложности 60 000 миль на территории кампуса Университета штата Огайо, и были собраны несколько параметров, таких как информация GPS, температура, расход топлива, уровень заряда аккумулятора и т. Д., А также время и дата.

Чтобы изучить влияние модели вождения, Gong et al. В 2011 использовался статистический подход для анализа профилей реального мира и получения информации о средней скорости, ограничениях скорости, длине сегмента и т. Д. Эти данные использовались для построения серии эталонных ездовых циклов с использованием моделирования цепи Маркова.Результаты исследования показали, что модели вождения имеют существенное влияние на производительность подключаемого HEV и что статистические значения ускорения имеют наибольшее влияние на настройку стратегии ECMS.

3.3. Подход CREA

Идея интеллектуального гибридного транспортного средства CREA включает возможность определения дорожной среды, в которой он движется, для прогнозирования будущих условий вождения (Ciccarese et al. 2010). В частности, предполагается, что транспортное средство получает информацию от GPS, бортовых датчиков и средств автомобильной связи.Схема интеллектуального HEV согласно исследовательскому центру CREA показана на рисунке 1.

Эту информацию можно использовать на борту для выполнения моделирования трафика в заранее установленном временном окне, чтобы предсказать шаблон запроса мощности. в будущем и выполните оперативную оптимизацию управления энергопотреблением по прогнозируемой схеме мощности. Основное отличие подхода CAR заключается в том, что предполагается, что транспортное средство способно на борту моделировать условия дорожного движения, используя микроскопическое моделирование дорожного движения, чтобы получить свой собственный профиль запроса мощности в будущем и оптимизировать расход топлива, использование аккумулятора, уровни выбросов и др.Этот подход требует соответствующих бортовых вычислительных возможностей, которые, по нашему мнению, могут быть доступны в ближайшем будущем для других приложений, таких как безопасность, развлечения и т. Д. В качестве альтернативы, моделирование схем движения и расчет профилей скорости транспортных средств в конкретной городской зоне может выполняться центральным вычислительным блоком, который может отправлять результаты транспортным средствам, движущимся в этой зоне.

Рис. 1.

Интеллектуальный гибридный автомобиль в соответствии с подходом CREA

Серая область на рисунке 1 представляет инструменты, которые будут реализованы на борту.Они включают в себя систему прогнозирования, которая используется для оценки профиля будущей скорости транспортного средства, симулятор силовой передачи, который оценивает изменение расхода топлива и SOC аккумулятора в течение интервала прогнозирования, и оптимизатор, который используется для оптимизации параметров. стратегии управления.

3.3.1. Блок прогнозирования

Этот блок собирает сообщения о состоянии, которые транслируются вокруг транспортных средств и / или инфраструктуры. Сообщения, передаваемые автомобилем, содержат информацию о состоянии, такую как положение, скорость, ускорение и т. Д., и, необязательно, некоторая информация, относящаяся к его маршруту. Вместо этого сообщения, генерируемые инфраструктурой, несут текущий статус и время включения светофора. Помимо информации о состоянии, полученной через автомобильную связь, система собирает информацию о состоянии «прогнозирующего транспортного средства», полученную локально с помощью GPS-приемника и / или бортовых датчиков, а также извлекает данные о дорожной сети из цифровых карт, используемых GPS. навигационное устройство.

Собранная информация используется для регулярного создания моментальных снимков сценария трафика в заданной области.Каждый моментальный снимок является входом для запуска модуля, который моделирует динамику трафика в течение определенного временного интервала, продолжительность которого не более чем равна горизонту прогноза. В Ciccarese et al. С 2010 г. модифицированная версия ПО СУМО рассматривается как бортовой тренажер.

SUMO (Simulation of Urban Mobility) — микроскопический симулятор дорожного движения с открытым исходным кодом. Входные параметры SUMO состоят из дорожной сети, характеристик каждого транспортного средства, пути (маршрута), по которому следует каждое транспортное средство, и времени включения светофора.

Транспортные средства с одинаковыми характеристиками сгруппированы по классам, и для каждого класса предоставляется набор механических характеристик, максимальная скорость, ускорение и замедление., Длина транспортного средства, масса, коэффициенты трения и т. Д.

Дорожная сеть представлена следующим образом: ориентированный граф, где узлы соответствуют перекресткам, а дуги — полосам с односторонним движением. Для каждой полосы также должны быть указаны максимальная скорость, уклон и классы транспортных средств, которым разрешено движение по ней.Маршрут транспортного средства состоит из списка последовательных дуг на графе.

Используя входные данные, SUMO генерирует трассировку мобильности для всех транспортных средств в соответствии с моделью слежения за автомобилем (Wang et al. 2001): каждое транспортное средство пытается поддерживать скорость, близкую к максимальной, разрешенной для текущей полосы движения, и замедляется, если он приближается либо к перекрестку, либо к другому транспортному средству на той же полосе; в последнем случае его скорость адаптируется к скорости движущегося впереди транспортного средства.

Точность предложенного метода прогнозирования проверена экспериментально (Ciccarese et al.2012) в среде дополненной реальности, чтобы имитировать присутствие в кампусе Ecotecke определенного количества транспортных средств, способных взаимодействовать с целевым транспортным средством. Экспериментальная кампания показала, что погрешность метода прогноза не превышает 4 км / ч. На рисунке 2 показано сравнение прогнозируемого и фактического профиля скорости целевого транспортного средства во временном окне в 100 секунд. Более подробную информацию об экспериментальной кампании можно найти в Ciccarese et al. 2012.

Рисунок 2.

Пример профилей скорости, полученных в экспериментальной среде

3.3.2. Имитатор силовой передачи

Блок имитатора силовой передачи реализует модель силовой передачи. Блок обрабатывает выходные данные системы прогнозирования и вычисляет соответствующую потребность в мощности прогнозируемого транспортного средства с учетом аэродинамической силы, инерционного вклада, силы качения и силы уклона. Информация от бортовых датчиков (температура окружающей среды, состояние асфальта, давление и температура в шинах) может использоваться для корректировки прогнозируемой нагрузки.Затем блок моделирует потоки энергии в соответствии с выбранной стратегией управления энергией (описанной выше) и оценивает изменение расхода топлива и SOC батареи в течение интервала прогнозирования.

Для моделирования гибридного транспортного средства обычно используются две разные парадигмы (Guzzella and Sciaretta, 2007). В обратной парадигме скорость транспортного средства является входной. В соответствии со спецификацией автомобиля и значениями скорости вычисляется запрос мощности на колесе.Посредством статических карт потребление энергии как двигателем, так и аккумуляторами рассчитывается в соответствии с выбранной стратегией управления энергопотреблением. Если силовая передача не может соответствовать требованиям цикла, ускорение уменьшается, и транспортное средство отклоняется от цикла движения.

В прямой или динамической модели мощность, запрашиваемая водителем через педали ускорения и торможения, используется в качестве входных данных для оценки ускорения и скорости автомобиля. Такая модель используется для разработки систем управления, тогда как обратный метод лучше всего подходит для анализа и оценки потока энергии и мощности в трансмиссии автомобиля.Таким образом, в предлагаемой схеме рассматривается обратная модель.

Если цикл движения прогнозируется с помощью модели движения, которая учитывает фактические возможности ускорения и замедления силовой передачи, нет необходимости проверять, может ли транспортное средство следовать предписанному циклу движения.

3.3.3. Система управления энергией

Этот блок реализует систему супервизора, которая определяет, каждый раз, распределение мощности между системой преобразования топлива (двигатель / генератор переменного тока в серии HEV) и системами хранения электроэнергии (обычно аккумуляторными батареями) с ограничениями, которые сумма мощности, извлекаемой из каждого источника энергии, должна быть равна общей мощности, запрашиваемой на колесах.

3.3.4. Оптимизатор

Роль блока оптимизатора — адаптировать параметры фактической стратегии управления к будущим условиям движения. Этот блок может быть реализован либо как онлайн-оптимизатор, либо как устройство памяти для загрузки оптимизированных карт (Донатео и др. 2011).

3.3.5. Блоки мониторинга

В систему также входит блок Energy monitoring, который отслеживает энергетические параметры транспортного средства (КПД двигателя, уровень бензина в баке, SOC аккумулятора и т. Д.)) и оценивает эффективность оптимизации энергоменеджмента. Эта оценка выполняется через равные промежутки времени, равные горизонту прогнозирования.

Другой блок, названный Точность предсказания, оценивает ошибку предсказания (на основе сравнения между фактическим профилем скорости, оцененным GPS, и профилем, оцененным системой предсказания). Выходные данные блока точности прогнозирования можно использовать для запуска нового прогона прогнозирования.

4. Контрольный пример: ITAN500

Чтобы оценить эффективность подхода CREA в снижении расхода топлива подключаемого HEV, было проведено численное исследование в отношении ITAN500.. ITAN500 — прототип четырехколесного транспортного средства размером, сопоставимым с размером большого скутера. ITAN500 можно классифицировать как PHEV40, поскольку его полностью электрический запас хода составляет 40 миль по циклу UDDS.

Автомобиль был разработан для достижения максимальной скорости 90 км / ч в гибридной конфигурации с массой около 800 кг. Принимая во внимание общее передаточное отношение (1 / 3,46), двигатель постоянного тока был выбран так, чтобы генерировать крутящий момент около 27 Нм при скорости 3560 об / мин. Набор из шести последовательно соединенных свинцово-кислотных аккумуляторов используется для создания номинального напряжения 72 В, необходимого для питания электродвигателя.Выбор свинцово-кислотных аккумуляторов был обусловлен необходимостью снижения стоимости транспортного средства. Однако в настоящее время рассматриваются другие типы батарей.

Небольшой бензиновый двигатель с максимальной мощностью 9,9 кВт при 3600 об / мин используется для увеличения запаса хода автомобиля. Более подробную информацию о силовой передаче (показанной на рисунке 3) можно найти в предыдущей публикации (Donateo et al. 2012).

Рисунок 3.

Схема силовой передачи ИТАН500

4.1. Симулятор силовой передачи VPR

VPR (Vehicle Power Request) — это обратная модель, которая использует квазистатические карты для основных компонентов силовой передачи (тепловой двигатель, двигатель и батареи) для прогнозирования их эффективности в соответствии с запрошенными значениями крутящего момента. и скорость.

Основные результаты модели VPR — это изменение расхода топлива и SOC аккумулятора в течение ездового цикла. Начиная с трассы скорости и уклона, запрашиваемая мощность транспортного средства рассчитывается с учетом аэродинамической силы, силы уклона, инерционного вклада и силы качения. Пример трассировки запроса мощности транспортного средства показан на рисунке 4 вместе с другими выходными данными VPR.

Обратите внимание, что во время замедления запрос мощности отрицательный, что означает, что энергия торможения может быть восстановлена и сохранена в аккумуляторах.В примере, показанном на рисунке 4, двигатель включается только в небольшой части миссий транспортного средства, примерно через 500 секунд от начала цикла.

Рисунок 4.

Пример результатов VPR

Эффективность электродвигателя в зависимости от крутящего момента и скорости была экспериментально оценена на инерционном испытательном стенде (Donateo et al. 2011).

Поскольку двигатель работает с постоянной частотой вращения 3000 об / мин, его эффективность рассматривается только как функция крутящего момента. Литературные данные были использованы для построения карт на Рисунке 5.

Данные на рисунке 5 относятся к полностью прогретому корпусу, т.е. температура блока цилиндров соответствует номинальной температуре 90 ° C. Однако КПД двигателя сильно зависит от его температуры; особенно при холодном запуске. В модели VPR данные эффективности на Рисунке 5 корректируются, как было предложено Guzzella et Onder, 2004, путем умножения эффективности полностью прогретого двигателя на поправочный коэффициент, зависимость которого от температуры показана на Рисунке 6.

Рисунок 5.

Эффективность полностью прогретого двигателя в зависимости от крутящего момента при 3000 об / мин

Рис. 6.

Поправочный коэффициент для КПД двигателя как функция температуры блока

Обратите внимание, что если VPR работает на борту, температура блока двигателя составляет измеренные данные, а в настоящем исследовании они должны быть смоделированы. По этой причине была предложена тепловая модель, основанная на моделировании двигателя в нулевой размерности (Донатео и др. 2012). Тепловая модель может имитировать повышение температуры при работающем двигателе в зависимости от его фактического крутящего момента.Когда двигатель выключен, его температура снижается из-за передачи тепла в окружающий воздух. Более подробную информацию о тепловой модели можно найти в Donateo et al. 2012.

Пример графика зависимости температуры от времени, полученный из VPR с теми же входными условиями, как на рис. 4, показан на рис. 7.

рис. 7.

Пример графика температуры, полученного с помощью тепловой модели двигателя

Общий электрический КПД между измельчителем и колесами устанавливается постоянным и равным 0.65 для настоящего расследования.

4.2. Стратегия управления энергопотреблением

Стратегия управления энергопотреблением, разработанная для ITAN500, включает режим начального разряда заряда (CD), в котором батарея используется только до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение SOC батареи ( SOC _CD). Затем автомобиль может работать в трех разных режимах.

В режиме 1 мощность на двигатель подается только от группы генератор / двигатель.

Режим 2 использует только батарею для питания.В остальных режимах используются двигатель и аккумулятор. В частности, в режиме 3 двигатель используется как для зарядки аккумулятора, так и для подачи энергии на двигатель, в то время как в режиме 4 двигатель и аккумулятор используются вместе для питания двигателя.

В соответствии с фактической мощностью, подаваемой на двигатель для перемещения колес ( P _{нагрузка}) и мгновенным значением SOC, силовая передача работает в одной из областей 1-11 рисунка. 8. В частности, режим 1 предпочтителен в области высокой мощности, за исключением случаев, когда уровень заряда батареи очень высокий (область 5).Режим 2 является обязательным в трех случаях: когда аккумулятор полностью заряжен (область 3), при торможении (область 1) и когда мощность нагрузки очень мала (область 2). Кроме того, использование режима 2 является предпочтительным, когда SOC является достаточно высоким, а мощность нагрузки относительно низкой по сравнению с номинальной мощностью двигателя (области 4 и 7), в противном случае предпочтительно использование двигателя (области 8). Области 6 и 9 соответствуют использованию двигателя для подзарядки аккумулятора (режим 3). Однако это возможно только в том случае, если сумма мощности нагрузки и мощности, запрашиваемой для перезарядки батареи, ниже, чем P _{ICE, max}.В противном случае используется режим 1.

Обратите внимание, что области 11 и 10 на рисунке 8 не были приняты во внимание, потому что запрос мощности всегда ниже, чем P _{ICE, max} для всех рабочих условий, рассмотренных в настоящем исследовании.

Фактический размер каждой области зависит от значений параметров управления энергопотреблением SOC _CD, SOC _мин, k и P _{ICE, мин}, что влияет результаты с точки зрения расхода топлива и использования аккумуляторной батареи для конкретной миссии транспортного средства.Значение SOC _min и P _{ICE, min} довольно прямолинейно, в то время как некоторые пояснения должны быть даны для K. Параметр K был введен для решения дилеммы между использованием режима 1 или режима 2 в областях 7 и 8, поскольку ни двигатель, ни аккумулятор не работают наилучшим образом в этом регионе. Используя K, можно предпочесть аккумулятор при относительно низкой мощности и высоком SOC (область 8) и двигатель в противном случае.

Рисунок 8.

Стратегия управления энергопотреблением

4.3. Оптимизатор

Оптимальное сочетание параметров может быть легко выполнено в автономном режиме с помощью общего алгоритма оптимизации, такого как генетические алгоритмы (Paladini et al. 2007).

Роль оптимизатора состоит в том, чтобы найти оптимальную комбинацию параметров в Таблице 1, которые определяют размер областей на Рисунке 8. Для оптимизации, описанной в этом параграфе, минимальные и максимальные значения и шаги изменения дизайна учитывались переменные, указанные в таблице 1.

Переменная	Мин.	Макс.
SOCCD (%)	60	80
SOCMIN (%)			1
PICE, мин [Вт]	500	6200

Таблица 1.

Расчетные переменные для оптимизации

В каждом случае целью оптимизации было сокращение эквивалента расход топлива рассчитывается следующим образом:

m˙tot = wFCm˙ICE (ϑ) + m˙eq, BATTE1

(1)

где:

m˙ICE (ϑ) — эффективная функция расхода топлива от температуры двигателя θ ; wFC — это вес, присвоенный уровню топлива в баке.Он устанавливается равным 1, если уровень в баке больше 25%. Когда уровень в баке очень низкий, этот параметр увеличивается, чтобы предпочесть использование батареи при низком уровне топлива. В частности, w _FC равно 1,2 для 10%

Обратите внимание, что ур. (1) было получено путем адаптации эквивалентного расхода топлива, определенного Sciarretta et al. 2004 г. для параллельного HEV к конкретной силовой передаче ITAN500.

Эквивалентный расход топлива аккумуляторной батареи получается следующим образом:

мэкв, BATT = ηγ⋅PBATTQLHV⋅ΔtE2

(2)

, где η представляет собой средний расход топлива аккумулятором, который считается постоянным и одинаковым по обвинению и разряду в настоящем расследовании.

Когда аккумулятор заряжен, P _BATT представляет мощность, которая может храниться в аккумуляторе. Из-за эффективности батареи η фактическая мощность, запасенная в батарее (которая определяет эквивалентный расход топлива), ниже, чем P _BATT. Это учтено установкой γ = 1. В разряде P _BATT — мощность, запрашиваемая от батареи, увеличивается на η (γ = -1).

Чтобы завершить описание ур.(3), Q _LHV — это нижняя теплотворная способность топлива (в настоящем исследовании рассматривается бензин с Q _LHV = 44 МДж / кг, а Δt — временной шаг цикл движения ( Δt = 1 с)

Штрафная функция f _p (SOC) учитывает использование батареи в процессе оптимизации и была определена в соответствии с Sciarretta et al.2004.

4.3.1. Ездовые циклы

В данном исследовании для ITAN500 были приняты во внимание три типа ездовых циклов. Первые два — это стандартный ездовой цикл, принятый для регистрации на новых автомобилях (NEDC и UDDS). Остальные числовые циклы были получены с помощью СУМО. ITAN500 был смоделирован для движения в кампусе Ecotekne Университета Саленто в течение примерно 10 000 секунд (2,8 часа) вместе с другими транспортными средствами, которые, в отличие от ITAN500, могут въезжать и выезжать на территорию кампуса.Были учтены различные сценарии вождения путем изменения количества и спецификации транспортных средств, движущихся в этом районе.

Технические характеристики транспортных средств используются в рамках SUMO для расчета максимальных значений ускорения / замедления, разрешенных для каждого транспортного средства в соответствии с разницей между фактической запрашиваемой мощностью (в зависимости от аэродинамики, качения и инерции) и максимальной силой тяги / тормозная мощность автомобиля. Полученные таким образом циклы были названы от Trace A to Trace H.Более подробную информацию о процедуре, используемой для получения числовых циклов, можно найти в Donateo et al. 2011.

Был учтен еще один цикл, названный R. Этот цикл является реальным ездовым циклом, полученным с помощью системы GPS на борту транспортного средства ITAN500, когда он работает во всем электрическом диапазоне. Предполагается, что цикл будет выполнен 25 раз (R * 25), чтобы получить результаты по расходу топлива и использованию батареи, сопоставимые с результатами циклов A и B.

Спецификации циклов, учтенные в исследовании, следующие. представлены в таблице 2.Обратите внимание, что все циклы, учтенные в настоящем исследовании, относятся к условию нулевой оценки.

90 9098 10801

Цикл	Общее время [с]	Средняя скорость [м / с]	Макс. Скорость [м / с]	Мин. Скорость [м / с]
Cycle_NEDC	1225	8,93	33,36	0
Cycle_UDDS	1370	8,73	25,37	0
	19,45	0
Cycle_HWFET	766	21,56	26.80	0
0
Trace A	10001		10001		10001	6,88	13,90	0
Trace C	9999	1,79	8,33	0
Trace D	10001 200	8,33	0
Трассировка E	10001	1,38	8,33	0
Трассировка F	10001				10001	1,95	8,33	0
Trace H	10001	1,47	8,33	0
Цикл R	389875	41,61	0,2

Таблица 2.

Задание ездового цикла, учитываемого при создании карт

4.3.2. Подход с полным знанием

В этом подходе предполагается, что цикл движения полностью известен, а параметры таблицы 1 оптимизированы для каждого цикла таблицы 2. Результаты применения этого подхода к циклам A, B, R, NEDC и UDDS представлены в таблице 3.

_{0 K
2 90 [кВт]} UDDS241201241201 2,516

Цикл	Продолжительность [с]	Экв.расход топлива. [л / 100км]	Δ SOC [%]	FC [л]	SOCCD (%)	SOCMIN (%) 9000 MIN4
#A	10000	2,78	24,8	1,02	65	44,4	0,9	3,2	3,1208		1.96	77,9	50,1	0,6	2,6
# R * 25	9550	3,38	24,8	1,91	77,3				1370	1,66	18,7	0,08	60,6	37,6	0,97	6,1
#NEDC	1225	1225	71,4	35,6	0,26	5,9

Таблица 3.

Результаты оптимизации в случае полного знания (исходное SOC 45%)

4.3.3. Подход без знания

Предполагается, что ездовой цикл полностью неизвестен. Параметры стратегии управления оптимизированы для цикла NEDC и применяются к другим циклам. Результаты представлены в таблице 4.

9120 9120 9 9023 9023

Цикл	Продолжительность [с]	Экв.расход топлива. [л / 100 км]	Δ SOC [%]	FC [л]	SOCCD (%)	SOCMIN (%) 9000 MIN4	K 9325 90 [кВт]
#A	10000	3,47	25	1,29	71,4	35,6	0,26	5,9
2.38	71,4	35,6	0,26	5,9
# R * 25	9550	3,89	25	2,19	71,4		71,4	9023 UDDS	1370	1,67	18,7	0,08	71,4	35,6	0,26	5,9
#NEDC	1225	2,58	16	71,4	35,6	0,26	5,9

Таблица 4.

Результаты оптимизации в случае незнания (исходное SOC 45%)

4.3.4. Система диспетчерского управления прогнозированием и картированием

Чтобы уменьшить вычислительную нагрузку на борту, требуемую подходом CREA, Donateo et al. В 2011 году было предложено использовать карты, оптимизированные в автономном режиме с учетом стандартных условий движения. Они были получены с помощью следующей процедуры.

Все циклы таблицы 2 были учтены для создания одного глобального ездового цикла 85208 с (около 23 часов). Затем VPR использовался для вычисления соответствующего запроса мощности в соответствии со спецификацией транспортного средства, и была получена трассировка глобального запроса мощности. Эта трассировка запроса мощности разделена на 1420 мини-циклов включения питания (MPC) по 60 секунд.

1420 MPC были распределены в 90 групп с помощью метода кластеризации K-средних. Для каждой группы был определен и пронумерован типичный ездовой цикл, названный эталонным мини-циклом мощности.

На рисунке 9 разными цветами показаны пять MPC, принадлежащих одной группе. Жирная синяя линия — это RMPC, выбранный с помощью алгоритма кластеризации.

Автономная оптимизация была выполнена для каждого из 90 RMPC, двух уровней температуры двигателя (холодный-горячий), трех уровней начального состояния заряда и трех уровней топливного бака. Таким образом было получено 1620 оптимизированных карт. Каждая карта содержит оптимизированные значения SOC _min, k и P _{ICE, min}.для конкретной комбинации RMPC, температуры двигателя, начального уровня заряда и уровня в топливном баке.

Карты могут использоваться в интеллектуальном гибридном электромобиле следующим образом.

В любом интервале 60 секунд прогнозируемый профиль скорости получается из блока прогнозирования;
Соответствующий профиль запроса мощности за 60 секунд рассчитывается в соответствии со спецификацией (например, классом) транспортного средства и дороги с помощью VPR;
Профиль запроса мощности сравнивается с каждым из RMPC и находится наиболее похожий с точки зрения среднеквадратичной ошибки;
По измеренным значениям температуры двигателя, уровня топлива в баке и степени заряда аккумулятора загружается соответствующая карта;
Оптимизированные значения параметров управления энергопотреблением выбранной карты применяются в течение следующих 60 секунд.

Рисунок 9.

Пример RMPC

4.4. Анализ подхода к прогнозированию и картированию

Предложенный бортовой инструмент прогнозирования-оптимизации был оценен численно следующим образом. ITAN500 смоделирован для выполнения одного из циклов движения, указанных в таблице 2, с предположением, что они известны (путем прогнозирования) блоками по 60 секунд.

В любые 60 секунд запрос мощности в зависимости от времени в следующем временном окне в 60 секунд оценивается с помощью VPR и сравнивается с каждым из RMDC, чтобы найти наиболее похожий.Затем мгновенные значения температуры двигателя, уровня SOC и уровня топлива устанавливаются в качестве начальных значений и загружается соответствующая оптимизированная карта. Тепловая модель VPR используется для прогнозирования профиля температуры двигателя во время полета. Значения параметров управления энергопотреблением используются для оценки расхода топлива и использования батареи в следующие 60 секунд на основе фактического запроса мощности (не на выбранном RMDC).

Результаты с точки зрения расхода топлива и использования аккумулятора, полученные с помощью этого подхода, представлены в таблице 5.

#UDDS

Цикл	Продолжительность [с]	Эквив. Расход топлива. [л / 100 км]	ΔSOC [%]	FC [л]	SOCCD (%)	SOCMIN (%) 9000 MIN4	K 2 9024 [ 9024 кВт]
#A	10000	3,38	24.9	1,26	Из карт
#B	10800	3,76	24,9	2,32
# R * 25	9550
		92572	1370	2,42				13,4	0,19
#NEDC	1225	2,61	15,6	0,18

оптимизированные карты с таблицей 5. исходный SOC 45%)
4.4.1. Процент выполнения задания с контролируемым разрядом аккумулятора (CBD%)
Для сравнения результатов трех подходов можно принять во внимание разные показатели.
Первая метрика, полезная для сравнения результатов трех подходов, может быть получена путем анализа типичной кривой SOC в зависимости от времени в подключаемом гибридном электромобиле. На рисунке 10 показан пример двух различных начальных значений SOC батареи.
Следы SOC показывают начальную зону, где результаты, соответствующие полному знанию , предсказанию и картам и без знания полностью перекрываются, и SOC монотонно уменьшается (электрический режим).Конечно, эта область особенно очевидна и актуальна, когда исходное значение SOC выше (75%).
Кроме того, существует область, в которой SOC имеет тенденцию к уменьшению, но может оставаться локально постоянным или увеличиваться благодаря использованию механизма (гибридный режим Plug-in). Эта область заканчивается, когда батарея полностью разряжена (SOC = 20%). После этого SOC остается глобально постоянным для всех случаев ( полное знание, прогноз и карты и без знания ) с небольшими отклонениями, которые не видны в масштабе, используемом для цифр (режим разряженной батареи).Таким образом, разные результаты с точки зрения расхода топлива, полученные с помощью трех методов, могут быть объяснены разной продолжительностью зон EM, PHM и DBM.
В EM-регионе расход топлива равен нулю, но SOC сильно снижается из-за интенсивного использования аккумулятора. В режиме PHM аккумулятор является основным источником энергии, и двигатель включается (когда его эффективность высока) для уменьшения крутизны кривой SOC. Область DBM является наихудшей с точки зрения расхода топлива, поскольку двигатель должен работать также в области низкого КПД, поскольку батареи полностью разряжены.Подключаемый модуль HEV работает наилучшим образом, когда область DBM (SOC = 20%) достигается точно в конце миссии, а область EM распространяется на максимально возможную часть миссии. Это возможно, когда миссия машины полностью известна ( случай с полным знанием ). Кривые на Рисунке 10 показывают, что предложенный метод работает лучше, чем случай без знания , поскольку он позволяет уменьшить длину DBM и увеличить PHM. Как следствие, ДВС в среднем работает с высоким КПД.
Таким образом, полезным показателем для оценки эффективности стратегии управления энергопотреблением для PHEV может быть процент выполнения миссии в режимах EM + DBM. Этот показатель назван здесь CBD%, тогда как в предыдущем исследовании (Donateo et al. 2012) он назывался Δmission.
Рисунок 10.
Объяснение значения CBD% для цикла A
Значение CBD% было рассчитано для каждого подхода со ссылкой на цикл A, B и R * 25 в таблице 2. R * 25 означает этот цикл R был повторен 25 раз для достижения продолжительности, аналогичной продолжительности циклов A и B.
Рисунок 11.
Значения CBD% для циклов A, B и R * 25 с SOCin = 45% и 75%
Анализируя результаты на Рисунке 16, можно заметить, что эффективность предложенной стратегии очень близко к полному знанию для цикла A (для обоих значений SOCin) и для цикла R с SOCin = 75%. Значения CBD % всегда немного выше, чем в подходе без знания для других циклов.
Эти результаты предполагают, что лучшие характеристики могут быть получены путем увеличения продолжительности окна прогнозирования, используемого в настоящем исследовании (60 с), даже если это может привести к худшей точности прогноза.Дальнейшее развитие будет связано с оптимизацией горизонта прогнозирования для увеличения процента выполнения миссии EM + DBM.
4.4.2. Процент выполнения заданий с EngineON (engON%)
Еще один аспект, который необходимо учитывать при оценке эффективности предложенной стратегии управления энергопотреблением, — это использование двигателя внутреннего сгорания с точки зрения процента заданий, во время которых двигатель включен ( ЭНГОН% ).
Результаты показаны на Рисунке 12 относительно циклов A и B, чтобы понять результаты Рисунка 11.Обратите внимание, что для цикла B требуется, чтобы двигатель был включен на гораздо более высокий процент выполнения задания по сравнению с циклом A. Это объясняет, почему этот цикл более важен для оптимизации метрики CBD%. Даже если прогноз и карты не очень успешны в оптимизации CBD%, он может значительно сократить использование двигателя как в цикле A, так и в цикле B.
Рисунок 12.
Значения EngON% для циклов A и B ( SOCin = 45%)
4.4.3. AEE (Средняя эффективность двигателя)
Средняя эффективность двигателя (AEE) — еще один важный аспект, который необходимо учитывать.Результаты сравнения представлены на рисунке 13.
И снова худшие характеристики метода прогнозирования и картирования получены для цикла B.
Рисунок 13.
Значения
AEE (SOCin = 45%)
4,4 .4. Выбросы CO между скважинами и колесами ₂
Конечная цель передовых технологий силовых агрегатов — снизить общие выбросы парниковых газов. Таким образом, было бы интересно оценить общие выбросы CO ₂ от скважины к колесу (WTW), полученные с использованием различных подходов, рассмотренных в этом исследовании.
При полном сгорании 1 литра бензина образуется 2,4 кг CO ₂. При плотности 700 кг / м3 1 кг бензина производит 3,42 кг CO ₂ (выбросы из бака в колесо). Салливан и др. 2004 г. учитывайте коэффициент умножения 1,162 для перехода от TTW к WTW с выбросами CO ₂. Таким образом, можно предположить, что 1 кг бензина дает 3,98 кг CO ₂ (WTW). Используя этот коэффициент преобразования, общее количество CO ₂, произведенное в циклах #A, #B и # R25, было рассчитано на основе результатов в таблице 3 (т.е.е. для случая полного знания).
Что касается выбросов электричества, то вклад TTW, очевидно, равен нулю, в то время как выбросы от скважины к резервуару (WTT) зависят от смешивания энергии, используемого для выработки электроэнергии, хранящейся в батареях. В отчете Международного энергетического агентства за 2011 год указывается, что в Италии средний выброс CO ₂ кг составляет 0,386 кг на 1 кВтч электроэнергии. Используя данные о емкости батарей (эквивалент 1,8 кВтч) и результаты в терминах SOC, можно оценить общую энергию, используемую для каждого цикла и для каждого подхода.Таким образом, электрическая эмиссия WTT CO ₂ может быть легко рассчитана.
Расчетные значения выбросов CO ₂ от двигателя и батарей с использованием подхода с полным знанием приведены в таблице 6. Обратите внимание, что выбросы в электричестве почти ничтожны по сравнению с количеством CO ₂, произведенным двигатель, даже если двигатель используется только для части миссии. Более того, они одинаковы для всех циклов, так как батареи во всех случаях полностью разряжены.
Расчет общих выбросов CO ₂ был повторен для случаев без информации и прогнозов и карт случаев. Сравнение показано на рисунке 14.
_{56 #A .8}
Цикл Потребление электроэнергии Расход топлива CO ₂ от двигателя
(WTW) CO ₂ от аккумулятора ( WTT) всего CO ₂
(WTW)
[кВтч] [литры] [кг] [кг] [кг]
1,02 2,92 0,172 3,09
#B 24,7 1,96 5,61 0,172 5,78 0,172 5,78 6 6 6 5,47 0,172 5,64
Таблица 6.
Выбросы CO от скважины до колеса ₂ в случае полного знания
Результаты на Рисунке 14 показывают, что полная информация о будущей миссии по вождению может помочь значительно снизить общий выброс CO ₂ от подключаемого модуля серии HEV.Расчетное сокращение составляет от 12% для цикла № R * 25 до 20% для цикла №A.
Рис. 14.
Выбросы CO2 от скважины к колесу для предлагаемых подходов
Результаты подхода прогнозирования и карт занимают промежуточное положение между случаями полного знания и незнания. Тем не менее, результаты по CO ₂ неудовлетворительны, так как предлагаемый подход помогает снизить выбросы парниковых газов всего на 2-4%. Эти результаты предполагают возможность заменить или интегрировать цель процесса оптимизации (ур.1) с функцией затрат, которая учитывает общий выброс CO ₂ от скважины до колеса. Более того, лучшие результаты могут быть получены за счет увеличения продолжительности горизонта прогнозирования.
Что такое гибридный автомобиль?
Гибридный автомобиль — это автомобиль, который имеет два или более основных источника тяги. Большинство гибридных автомобилей, которые в настоящее время продаются потребителям, оснащены как обычными бензиновыми, так и электрическими двигателями, которые могут приводить в движение автомобиль либо независимо, либо в тандеме.Эти автомобили правильно называют газо-электрическими гибридами. Другие источники энергии могут включать водород, пропан, КПГ и солнечную энергию. Используемая технология зависит от целей, поставленных перед автомобилем, будь то топливная эффективность, мощность, запас хода или сокращение выбросов парниковых газов. Гибридные автомобили, ориентированные на потребителя, которые существуют на рынке около десяти лет, обычно настраиваются на снижение выбросов и запас хода. Кроме того, владельцы автомобилей hybird часто пользуются социальными льготами, такими как престиж и скидки на вторичные услуги.Некоторые отели Чикаго, а также отели в других городах предоставляют скидки на парковку людям, ведущим гибридные автомобили. Корпоративные и государственные автопарки, находящиеся в эксплуатации в течение двадцати и более лет, обычно настроены на экономию топлива, часто за счет запаса хода, мощности и выбросов углеводородов.
Бензино-электрический гибридный автомобиль имеет один или два вспомогательных электродвигателя, дополняющих основной бензиновый двигатель. По сравнению с обычными автомобилями бензиновый двигатель в газоэлектрическом гибриде меньше, менее мощный и более эффективный.Хотя одного бензинового двигателя будет достаточно для приведения в движение транспортного средства в большинстве случаев, во время маневров, требующих необычно высокой мощности, также используется электродвигатель. Эти условия включают обгон, подъем на холм и ускорение с места. Некоторые гибридные автомобили, такие как Toyota Prius, отключают бензиновый двигатель в условиях, когда достаточно одного электродвигателя, например, при движении накатом или торможении. Фактически, у Toyota Prius есть специальный режим работы только с электричеством, предназначенный для движения с остановками и движением.Это стало возможным благодаря сверхмощному электродвигателю, используемому в Prius, который способен приводить автомобиль в движение с места без помощи бензина. Таким образом, в отличие от большинства других гибридных автомобилей, Prius на самом деле использует электродвигатель больше, чем бензиновый.
Многие из технологий, используемых в гибридных транспортных средствах, будут полезны для автомобилей любого типа, включая обычные бензиновые автомобили. Однако инженерные и производственные затраты, связанные с этими технологиями, часто приводят к увеличению цены автомобиля до такой степени, что по сравнению с ним экономия топлива незначительна.Эти технологии применимы только к субсидируемым налогами электромобилям и гибридным транспортным средствам, при которых связанный с этим рост затрат покрывается государством, а не производителем или потребителем. Эти технологии включают рекуперативное торможение, аэродинамические усовершенствования и легкие строительные материалы.
Терминологические вопросы по технологиям жизни
.

Разное

Цикл	Потребление электроэнергии	Расход топлива	CO ₂ от двигателя (WTW)	CO ₂ от аккумулятора ( WTT)	всего CO ₂ (WTW)
	[кВтч]	[литры]	[кг]	[кг]	[кг]
1,02	2,92	0,172	3,09
#B	24,7	1,96	5,61	0,172	5,78	0,172	5,78	6 6 6 5,47	0,172	5,64