Последовательно-параллельная схема гибридного привода
Успешное решение для реализации последовательно-параллельной схемы гибридного привода Hybrid Synergy Drive (HSD) нашли разработчики концерная «Тойота». Инженеры компании последовательно-параллельную схему, объединив в своем приводе лучшие качества как последовательной, так и параллельной конструкции.
За основу разработчики последовательно-параллельного привода взяли схему параллельного гибрида и добавили в нее делитель мощности (планетарный механизм) и отдельный генератор. В результате такой доработки гибрид приобретает функции последовательного привода, где автомобиль выполняет трогание и движение на малых скоростях, только на тяге электромотора. Двигатель внутреннего сгорания включается в работу при движении автомобиля с постоянной скоростью или же на высоких скоростях.
В режимах больших нагрузок, (таких как движение в гору, ускорение и т.д.) гибрид начинает работать как параллельный, подпитывая электромотор от аккумулятора. В смешанной схеме привода предусматривается отдельный генератор, который служит для заряда аккумуляторной батареи. Электродвигатель вступает в работу лишь для привода колес и для возврата энергии (рекуперативное торможение).
Планетарный механизм позволяет передавать часть мощности ДВС на ведущие колеса, а оставшуюся часть генератору, который либо заряжает аккумулятор, либо питает электромотор.
При различных условиях движения для оптимальной эксплуатации, подачу мощности от обоих источников регулирует бортовая компьютерная система. В такой последовательно – параллельной схеме ДВС включается в работу только лишь в наиболее эффективных режимах, а большую часть времени гибрид работает на электромоторе. Поэтому по сравнению с параллельным приводом, в смешанной системе может использоваться ДВС с меньшей мощностью.
Особенности ДВС Toyota Prius - одного из самых известных автомобилей с Hybrid Synergy Drive компании Тойота
Для своей схемы последовательно-параллельного привода инженеры компании Toyota выбрали двигатель, работаюший не по стандартному для большинства ДВС циклу Отто, а по более экономичному циклу Аткинсона.
Так при работе двигателя по циклу Отто, поршень на такте впуска при движении вниз, создает разрежение в цилиндре, которое засасывает в него топливо и воздух. В режиме малых оборотов, при почти полностью закрытой дроссельной заслонке, появляются насосные потери.
При этом, помимо всего, ухудшается и наполнение свежим воздухом цилиндров, что ведет к повышению расхода топлива и увеличению вредных выбросов в атмосферу. При достижении поршнем нижней мертвой точки (НМТ), закрывается впускной клапан. На ходе такта выпуска, при открытии выпускного клапана, в отработанных газах еще остается давление, но их энергия уходит впустую. Этот эффект называется потерей выпуска.
В двигателях же работающих по циклу Аткинсона, впускной клапан на такте впуска закрывается значительно позже, а не вблизи НМТ, что дает ряд неоспоримых преимуществ.
Это снижение насосных потерь, так как при ходе поршня вверх после прохода НМТ, часть смеси не выбрасывается в глушитель, а выталкивается вновь во впускной коллектор и может быть использована в другом цилиндре. Помимо этого выталкиваемая из цилиндра горючая смесь забирает с собой и часть тепла со стенок цилиндра. В связи с тем, что по отношению к такту рабочего хода, уменьшается длительность такта сжатия, двигатель работает по циклу с выросшей степенью расширения. При этом более длительное время используется энергия отработанных газов, т.е. уменьшаются потери на выпуске. Это ведет к лучшим экологическим показателям, большему КПД и экономичности, но меньшей мощности. Но этого собственно и нужно было добиться разработчикам последовательно-параллельного привода. Так как мотор гибрида Тойоты эксплуатируется лишь в малонагруженных режимах, то недостатки цикла Аткинсона практически никак не сказываются.
Недостатки последовательно – параллельного привода
более высокая стоимость компонентов;
необходимость оснащения отдельным генератором;
наличие массивного и габаритного батарейного блока;
более сложная система компьютерного управления.
Интересные факты о последовательно-параллельной схеме гибридного привода
Разработку HSD - гибридного привода компании Тойота приобрели компании Ниссан и Форд и использовали при разработке Nissan Altima и Ford Escape Hybrid.
Модель компании Toyota Prius является лидером среди гибридных автомобилей с расходом топлива в черте города 4л/100 км пробега. Вообще это первый автомобиль с такими показателями по экономии топлива, где расход топлива в городском цикле меньше, чем при движении по трассе.
Последовательно-параллельная схема гибридного привода позволяет, благодаря применению специального элемента согласования работы электромотора и ДВС (скажем, несимметричного планетарного дифференциала) перераспределять исходящие потоки мощности. Согласующее устройство способно перераспределять потоки мощности между тепловым двигателем и электрическим накопителем и двумя потоками передачи момента на ведущие колеса (электромеханическим и механическим), передавая при этом между ними мощность в любом направлении.
Подобная схема хороша тем, что позволяет работать как от одного источника энергии, так и сразу от двух, а момент может передаваться как электромотором, так и двигателем внутреннего сгорания, либо каким - то одним из них (любым).
Смешанная схема привода задает высокую экономичность эксплуатации, повышенную гибкость в различных режимах работы в системе тягового привода. Но, в то же время, данная система последовательно-параллельного привода требует создания дорогих и сложных механических элементов, и достаточна сложна как в разработке, так и в реализации.
Разработка и внедрение гибридных приводов дало возможность продвинуть развитие автомобиля будущего на несколько шагов вперед. Так благодаря гибридным автомобилям появились компактные и емкие аккумуляторные батареи, новые технологии быстрого заряда батареи от внешнего источника, доработаны системы повторного использования энергии, новые мощные электромоторы и наиболее легкие кузова.
