Принцип роботи бензиново-електричних гібридних автомобілів
Опубліковано в Електроавтомобілі Переглядів: 14546
Будь-який транспортний засіб, який використовує у своїй роботі два або більше джерел енергії, є гібридом. Величезна частина автомобілів, що випускаються в наш час, є бензиново-електричними гібридами, силова установка яких поєднує двигун внутрішнього згоряння та електромотор.
Бензиново-електричні гібридні автомобілі - це своєрідний симбіоз автомобілів з бензиновими двигунами та електромобілями. Відмінність, як відомо, між бензиновими та електричними автомобілями полягає у джерелі та механізмі їх живлення. У бензиновому автомобілі паливо надходить до двигуна з паливного бака, а в електромобілі електричний мотор забезпечують електроенергією акумуляторні батареї. Можна сказати, що гібридний автомобіль є своєрідним компромісним варіантом між цими двома автомобільними механізмами.
Щоб автомобіль був комфортним для користувача в процесі експлуатації, він повинен відповідати певним вимогам. Необхідно щоб автомобіль був у змозі:
- забезпечувати великий пробіг до моменту дозаправки/підзарядки;
- заправлявся швидко і легко.
Бензинові автомобілі відповідають вищевикладеним вимогам, але є джерелом значного забруднення довкілля. Електричні автомобілі в процесі своєї роботи практично не утворюють забруднюючих речовин, проте їх пробіг на одному заряді акумуляторних батарей, як правило, не перевищує 80-160 км. Головним недоліком електричних автомобілів є досить тривалий процес їхпідзарядки.
Бензиново-електричні гібридні автомобілі поєднують у собі переваги як електричних, так і бензинових машин, дозволяючи об'єднати в одній системі бензинове паливо та електроенергію. Спільне використання двигуна внутрішнього згоряння та електродвигуна дозволяє значно підвищити паливну ефективність силової установки транспортного засобу, забезпечити швидке досягнення необхідного показника швидкості руху шляхом практично моментальної подачі енергії, знизити обсяги шкідливих вихлопів, що утворюються, а також збільшити пробіг автомобіля завдяки ефективному функціонуванню системи рекуперативного гальмування, дозволяючи кінетичну енергію руху на електроенергію. До того ж, застосування гібридної силової установки в автомобілі створює можливість зменшення його сумарної ваги порівняно з бензиновим аналогом.
Широке використання гібридних автомобілів на дорогах сприяє значному зниженню викидів оксиду азоту в атмосферу (на 50%), а також сажі та вуглекислого газу.
Термін «гібридний автомобіль», найчастіше застосовується до засобів пересування, що поєднує у своїй конструкції двигун внутрішнього згоряння та один або кілька електродвигунів. Однак, не виключена можливість використання в гібридних автомобілях та інших джерел живлення, крім бензину та електроенергії. Останнім часом ряди гібридних автомобілів почали поповнюватися гібридними моделями, механізм роботи яких передбачає поєднання ДВЗ і двигуна, що працює на стислому повітрі, або електромотора і двигуна, що використовує у своїй роботі енергію сонця, вітру, біологічного палива.
Гібридні автомобілі діляться на два види: помірні та повні. Рух помірних гібридів забезпечуєтьсяпереважно роботою двигуна внутрішнього згоряння, а електромотор при цьому використовується лише як додатковий тяговий механізм (яскравий приклад - Honda Insight). Повним же гібридам властива можливість переміщення тільки на одній електротязі, незалежно від ДВС.
Найбільш популярними у світі гібридні автомобілі – Toyota Prius, Shevrolet Volt, Honda Insight. У моделі Toyota Prius реалізовано наступний механізм: рух автомобіля на низькій швидкості (до 40 км/год) відбувається завдяки роботі електродвигуна, що живиться літій-іонною акумуляторною батареєю, але при більшому розгоні активізується двигун внутрішнього згоряння, який забезпечує тягу на високій швидкості. При цьому електроніка регулює роботу моторів та генератора.
Протилежний механізм роботи реалізований у гібриді Shevrolet Volt. Пересування цього автомобіля відбувається завдяки електродвигуну, функції ДВС зводяться тільки до підзарядки його акумуляторних батарей.
Для гібридних автомобілів властивий механізм рекуперації енергії при гальмуванні – електричний двигун переходить у режим генератора, що перетворює кінетичну енергію на електричну, яка сприяє поповненню заряду акумуляторної батареї.
Схеми підключення двигунів гібридного автомобіля:
- Послідовна схема – малопотужний ДВС з'єднаний лише з генератором електроенергії, а електричний двигун – з колесами. ДВС приводить у рух невеликий генератор електричного струму, що виробляється електроенергія від якого надходить до акумуляторних батарей, що забезпечують живлення електричного двигуна. При такій схемі підключення ДВС ніколи безпосередньо не приводить транспортний засіб в рух, і головним силовим механізмом є електромотор.Конструкція таких гібридних автомобілів передбачає використання акумуляторів збільшеної ємності. Ця схема підключення двигунів була використана в перших гібридних автомобілях, сконструйованих Фердинандом Порше. На сьогоднішній день представниками Plug-in Hybrid є моделі Chevrolet Volt, Opel Ampera.
- Паралельна схема– ДВЗ, електричний двигун та коробка передач з'єднуються за допомогою автоматичних муфт. Дана схема властива практично всім поміркованих гібридів і ряду повних (наприклад, Audi Duo). Для гібридних автомобілів з паралельною схемою характерна можливість як одночасного, так і роздільного використання можливостей ДВЗ та електродвигуна для руху коліс. Електричний двигун сприяє швидкому розгону транспортного засобу, а також забезпечує виконання функції рекуперативного гальмування. Гібриди з паралельною схемою – Hyundai Elantra Hybrid, Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid.
- Послідовно-паралельна схема (змішана)- планетарний редуктор забезпечує зв'язок ДВЗ, електрогенератора та електричного двигуна. Яскравими прикладом гібридних автомобілів із послідовно-паралельною схемою (Full Hybrid) є Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Lexus RX 450h.
Послідовна схема підключення двигунів гібридного автомобіля
Паралельна схема підключення двигунів гібридного автомобіля (ліворуч)
Послідовно-паралельна схема підключення двигунів гібридного автомобіля (праворуч)
Гібридну силову установку автомобіля можуть утворювати такі компоненти:
Двигун внутрішнього згоряння.У гібридних автомобілях так само, як і в традиційних - бензинових, використовується ДВС,однак він значно менший і більш удосконалений у напрямку скорочення рівня шкідливих викидів в атмосферу та збільшення працездатності.
Паливний бак.Паливний бак у гібридах є пристроєм зберігання бензинового палива для роботи ДВЗ.
Електричний двигун.Сучасні автомобілебудівні технології дозволяють використовувати електродвигун як силового двигуна, так і генератора енергії при гальмуванні, тобто електромотор здатний прискорювати автомобіль, харчуючись від акумуляторних батарей, або може працювати в генеративному режимі при спусках автомобіля по схилу та гальмуванні, забезпечуючи заповнення енергії батарей.
Генератор.За механізмом своєї роботи генератор схожий із силовим електродвигуном, однак у ряді гібридному автомобілі він використовується тільки для виробництва електричної енергії.
Акумуляторні батареї– пристрої зберігання енергії для роботи електродвигуна гібридного автомобіля. У той час, коли для бензинового двигуна властиве лише черпання бензину з паливного бака, електричний двигун гібридного автомобіля може використовувати енергію батарей, так і заповнювати її за допомогою механізму рекуперативного гальмування.
У гібридних автомобілях зазвичай застосовуються більш компактні і легкі акумуляторні батареї, ніж в електромобілях.
Коробка перемикання передачвиконує в гібридному автомобілі ту ж функцію, що і бензиновому, з тією лише відмінністю, що контролює роботу як ДВС, так і електричного двигуна.
Для контролю потоку енергії між генератором, батареєю та електромотором використовується блок керування енергією та напівпровідниковий пристрій перемикання.
Ряд прийомів дозволяє збільшитиефективність використання бензинового палива та енергії акумуляторних батарей у гібридному автомобілі. Отже, у гібридному автомобілі з цією метою:
- Заповнюється енергія, що запасається в батареях завдяки функції рекуперативного гальмування електродвигуна.
- Припиняється робота ДВС. Гібридному автомобілю не потрібно покладатися на бензиновий двигун, оскільки в ньому, як правило, є повноцінний тяговий електромотор.
- використовується розвинена аеродинаміка з метою зменшення лобового опору.
- Застосовуються легкі матеріали. Зниження загальної ваги автомобіля є найпростішим способом збільшення його пробігу. Більш легкий автомобіль споживає значно менше енергії при прискоренні та підйомах вгору пагорбами. Композитні матеріали, такі як вуглецеве волокно або легкі метали (алюміній, магній) можуть використовуватися для зниження ваги загальної конструкції гібридного транспорту.
- Використовуються спеціальні шини зі зниженим опором коченню.
Існує кілька ефективних методів забезпечення максимального пробігу гібридного автомобіля:
- Поїздки на невеликих швидкостях – аеродинамічний опір різко зростає зі збільшенням швидкості.
- Підтримка стабільної швидкості - при зміні швидкості автомобіля, значна частина енергії витрачається марно; підтримка швидкості дозволяє більш ефективно використовувати паливо.
- Запобігання різким зупинкам – якщо транспортний засіб зупинятиметься триваліший проміжок часу, електродвигун зможе згенерувати більше енергії.