Układ napędowy pojazdu hybrydowego

Układy napędowe pojazdów hybrydowych przekazują moc na koła napędowe pojazdów hybrydowych . Pojazd hybrydowy ma wiele form siły napędowej.

Hybrydy występują w wielu konfiguracjach. Na przykład hybryda może pobierać energię ze spalania benzyny, ale przełączać się między silnikiem elektrycznym a silnikiem spalinowym .

Pojazdy elektryczne mają długą historię łączącą spalanie wewnętrzne i transmisję elektryczną - jak w spalinowo-elektrycznym układzie napędowym - chociaż były one głównie używane w lokomotywach szynowych . Dieslowo-elektryczny układ napędowy nie spełnia definicji hybrydy, ponieważ elektryczna przekładnia napędowa bezpośrednio zastępuje przekładnię mechaniczną, a nie jest dodatkowym źródłem mocy napędowej. Jedną z najwcześniejszych form hybrydowych pojazdów lądowych był „bezszynowy” trolejbus eksperyment w Stanach Zjednoczonych (New Jersey), który trwał od 1935 do 1948 roku, który zwykle wykorzystywał prąd trakcyjny dostarczany drutem. Trolejbus został wyposażony w silnik spalinowy (ICE) do bezpośredniego napędzania mechanicznego układu napędowego, a nie do generowania energii elektrycznej dla silnika trakcyjnego. Umożliwiło to wykorzystanie pojazdu do obsługi skarbowej tam, gdzie nie było przewodu jezdnego. Od lat 90. XX wieku w małych elektrowniach wprowadzano hybrydowe trolejbusy, aby zapewnić niską prędkość w sytuacjach awaryjnych i konserwacyjnych, ale nie w celu wspierania ogólnych usług skarbowych.

Układ napędowy obejmuje wszystkie komponenty wykorzystywane do przekształcania zmagazynowanej energii potencjalnej . Układy napędowe mogą wykorzystywać środki chemiczne, słoneczne, jądrowe lub kinetyczne i czynić je użytecznymi do napędu. Najstarszym przykładem jest lokomotywa parowa. Powszechnym współczesnym przykładem jest rower elektryczny . Hybrydowe pojazdy elektryczne łączą akumulator lub superkondensator uzupełniony przez ICE, który może ładować akumulatory lub zasilać pojazd. Inne hybrydowe układy napędowe wykorzystują koła zamachowe do magazynowania energii.

Spośród różnych typów pojazdów hybrydowych od 2017 r. Na rynku dostępny był tylko typ elektryczny / ICE. Jedna odmiana działała równolegle, aby zapewnić moc z obu silników jednocześnie. Inny działał szeregowo , przy czym jedno źródło dostarczało wyłącznie moc, a drugie dostarczało energię elektryczną. Każde źródło może zapewnić główną siłę napędową, podczas gdy drugie wzmacnia pierwotną.

Inne kombinacje oferują wzrost wydajności dzięki doskonałemu zarządzaniu energią i regeneracji, który jest równoważony kosztami, złożonością i ograniczeniami akumulatorów. Hybrydy spalinowo-elektryczne (CE) mają akumulatory o znacznie większej pojemności niż pojazdy wyłącznie spalinowe. Hybryda spalinowo-elektryczna ma akumulatory, które są lekkie i oferują większą gęstość energii, które są znacznie droższe. ICE wymagają jedynie akumulatora wystarczająco dużego, aby obsługiwać układ elektryczny i zapalić silnik.

Rodzaje według projektu

Hybryda równoległa

Budowa równoległego hybrydowego pojazdu elektrycznego. Szare kwadraty reprezentują przekładnie różnicowe .

Równoległe układy hybrydowe mają zarówno silnik spalinowy, jak i silnik elektryczny, które mogą napędzać samochód indywidualnie lub oba połączone razem, dając napęd. Jest to najpopularniejszy system hybrydowy od 2016 roku.

Jeśli są połączone w osi (równolegle) , prędkości w tej osi muszą być identyczne, a dostarczane momenty obrotowe sumują się (większość rowerów elektrycznych jest tego typu). Gdy używane jest tylko jedno z dwóch źródeł, drugie musi być podłączone za pomocą sprzęgła jednokierunkowego lub wolnobiegu , aby mogło się swobodnie obracać.

W samochodach dwa źródła mogą być przykładane do tego samego wału (na przykład z silnikiem elektrycznym podłączonym między silnikiem a skrzynią biegów), obracając się z równymi prędkościami, a momenty obrotowe sumują się, a silnik elektryczny dodaje lub odejmuje moment obrotowy w układzie w razie potrzeby. (Pierwsze dwie generacje Hondy Insight korzystają z tego systemu).

Hybrydy równoległe można dalej podzielić na kategorie według równowagi między różnymi silnikami zapewniającymi moc napędową: ICE może dominować (włączając silnik elektryczny tylko w określonych okolicznościach) lub odwrotnie; podczas gdy w innych mogą działać tylko na systemie elektrycznym, ale ponieważ obecne hybrydy równoległe nie są w stanie zapewnić trybów wyłącznie elektrycznych lub tylko spalinowych, często są one klasyfikowane jako łagodne hybrydy (patrz poniżej).

Równoległe hybrydy polegają bardziej na hamowaniu regeneracyjnym , a ICE może również działać jako generator do dodatkowego ładowania. Dzięki temu są bardziej wydajne w miejskich warunkach „zatrzymaj się i jedź”. Używają mniejszego akumulatora niż inne hybrydy. Hondy Insight, Civic i Accord wykorzystujące IMA to przykłady hybryd równoległych do produkcji. General Motors Parallel Hybrid Truck (PHT) i hybrydy BAS , takie jak Saturn Vue i Aura Greenline oraz Chevroleta Malibu również wykorzystują równoległą architekturę hybrydową.

Hybryda po drodze (TTR).

Alternatywną hybrydą równoległą jest typ „przez drogę”. W tym systemie konwencjonalny układ napędowy napędza jedną oś, a silnik elektryczny lub silniki napędzają drugą. Ten układ był używany przez najwcześniejsze trolejbusy „poza torami”. W efekcie zapewnia to kompletny zapasowy układ napędowy. W nowoczesnych silnikach akumulatory mogą być doładowywane poprzez hamowanie rekuperacyjne lub ładowanie kół napędzanych elektrycznie podczas jazdy. Pozwala to na prostsze podejście do zarządzania energią. Ten układ ma również tę zaletę, że zapewnia napęd na cztery koła w niektórych warunkach. (Przykładem tej zasady jest rower wyposażony w silnik piasty przedniej, który wspomaga pedałowanie rowerzysty na tylnym kole). Pojazdy tego typu obejmują Samochody koncepcyjne Audi 100 Duo II i Subaru VIZIV , Peugeot 3008 , Peugeot 508 , 508 RXH , Citroën DS5 (wszystkie z systemem HYbrid4 firmy PSA ), hybryda plug-in Volvo V60 , BMW serii 2 Active Tourer , BMW i8 oraz Hondę NSX drugiej generacji .

Seria hybrydowa

Budowa pojazdu hybrydowego szeregowego. Szary kwadrat reprezentuje mechanizm różnicowy. Alternatywny układ (niepokazany) polega na umieszczeniu silników elektrycznych na dwóch lub czterech kołach.

Hybrydy seryjne są również określane jako pojazdy elektryczne o zwiększonym zasięgu (EREV) lub pojazdy elektryczne o zwiększonym zasięgu (REEV) lub pojazd elektryczny o zwiększonym zasięgu (EVER). (Seryjne hybrydy o szczególnych właściwościach są klasyfikowane przez California Air Resources Board jako pojazdy akumulatorowo-elektryczne o zwiększonym zasięgu (BEVx) .)

Przekładnia elektryczna jest dostępna jako alternatywa dla konwencjonalnych przekładni mechanicznych od 1903 roku. Zazwyczaj przekładnie mechaniczne nakładają wiele kar, w tym wagę, masę, hałas, koszt, złożoność i zużycie mocy silnika przy każdej zmianie biegów, wykonywanej ręcznie lub automatycznie. W przeciwieństwie do ICE, silniki elektryczne nie wymagają przekładni.

W efekcie cała przekładnia mechaniczna między ICE a kołami zostaje usunięta i zastąpiona generatorem elektrycznym, niektórymi kablami i elementami sterującymi oraz elektrycznymi silnikami trakcyjnymi , z tą korzyścią, że ICE nie jest już bezpośrednio podłączony do zapotrzebowania.

Jest to układ szeregowo-hybrydowy i jest powszechny w lokomotywach i statkach z napędem spalinowym (rosyjski statek rzeczny Vandal , zwodowany w 1903 roku, był pierwszym na świecie statkiem o napędzie spalinowym i spalinowo-elektrycznym ), a Ferdinand Porsche z powodzeniem zastosował ten układ w początku XX wieku w samochodach wyścigowych, w tym Lohner – Porsche Mixte Hybrid . Porsche nazwał system System Mixte, który miał silnik piasty koła układ z silnikiem w każdym z dwóch przednich kół, ustanawiający rekordy prędkości.

Chevrolet Volt działa głównie jako hybryda szeregowa.

Argumenty większej elastyczności, wyższej wydajności i mniejszej emisji w miejscu użytkowania są osiągane w systemie hybrydowym szeregowym dla pojazdów drogowych, w którym pośredni akumulator elektryczny, działający jako bufor energii, znajduje się między generatorem elektrycznym a elektrycznymi silnikami trakcyjnymi.

ICE obraca generator i nie jest mechanicznie połączony z kołami napędowymi. To izoluje silnik od zapotrzebowania, umożliwiając mu stałą pracę z najbardziej wydajną prędkością. Ponieważ główna siła napędowa jest generowana przez akumulator, można zamontować mniejszy generator/silnik w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem z napędem bezpośrednim. Elektryczne silniki trakcyjne mogą otrzymywać energię elektryczną z akumulatora lub bezpośrednio z silnika / generatora lub z obu. Silniki trakcyjne często są zasilane tylko z akumulatora elektrycznego, który może być ładowany z zewnętrznych źródeł, takich jak sieć elektryczna.

Dzięki temu pojazd z silnikiem/generatorem działa tylko wtedy, gdy jest to potrzebne, na przykład gdy akumulator jest wyczerpany, lub ładuje akumulatory. Pojazdy tego typu obejmują Nissana e-Power ( Note , Serena , Kicks i Qashqai ) wykorzystującą silnik benzynowy do napędzania generatora i silnika trakcyjnego EM57; MX -30 Mazdy , gdy jest wyposażony w silnik rotacyjny/generator zwiększający zasięg; Hybrydowe autobusy tranzytowe ThunderVolt zintegrowane przez ISE Corporation ; i autobusy tranzytowe wyposażone w BAE Systems (dawniej Lockheed Martin ) układy napędowe HybriDrive.

Elektryczne silniki trakcyjne

Silniki elektryczne są bardziej wydajne niż silniki spalinowe, a wysoki stosunek mocy do masy zapewnia moment obrotowy w szerokim zakresie prędkości. ICE są najbardziej wydajne, gdy obracają się ze stałą prędkością.

ICE mogą działać optymalnie podczas obracania generatora. Szeregowe układy hybrydowe zapewniają płynniejsze przyspieszenie dzięki unikaniu zmiany biegów. Hybrydy szeregowe obejmują:

  • Tylko napęd elektryczny – do obracania kół wykorzystuje się wyłącznie silniki elektryczne.
  • ICE – włącza tylko generator.
  • Generator – obracany przez ICE w celu wytworzenia energii elektrycznej i uruchomienia silnika.
  • Akumulator – bufor energii.
  • Hamowanie odzyskowe – Silnik napędowy staje się generatorem i odzyskuje energię, przekształcając energię kinetyczną w elektryczną, spowalniając również pojazd i zapobiegając stratom cieplnym.

Ponadto:

  • Może być podłączony do sieci w celu naładowania baterii.
  • Superkondensatory wspomagają akumulator i odzyskują większość energii z hamowania.

Szczegółowo

Silnik elektryczny może być w całości zasilany energią elektryczną z akumulatora lub przez generator obracany przez ICE, lub z obu. Taki pojazd koncepcyjnie przypomina lokomotywę spalinowo-elektryczną z dodatkiem akumulatora, który może zasilać pojazd bez uruchamiania ICE i działając jako bufor energii, który służy do przyspieszania i osiągania większej prędkości; generator może jednocześnie ładować akumulator i zasilać silnik elektryczny napędzający pojazd.

Gdy pojazd jest zatrzymany, ICE jest wyłączany bez pracy na biegu jałowym, podczas gdy akumulator zapewnia energię potrzebną w stanie spoczynku. Pojazdy na światłach lub w wolno poruszającym się ruchu stop-start nie muszą spalać paliwa, gdy stoją lub poruszają się powoli, co zmniejsza emisje.

Hybrydy szeregowe można wyposażyć w superkondensator lub koło zamachowe do magazynowania energii hamowania z odzyskiem energii, co może poprawić wydajność poprzez odzyskiwanie energii, która w innym przypadku byłaby tracona w postaci ciepła przez układ hamulcowy. Ponieważ seryjna hybryda nie ma mechanicznego połączenia między ICE a kołami, silnik może pracować ze stałą i wydajną prędkością niezależnie od prędkości pojazdu, osiągając wyższą sprawność (37% zamiast średniej ICE wynoszącej 20%) i przy niskim lub mieszanych prędkościach, może to spowodować około 50% wzrost ogólnej wydajności (19% vs 29%).

Lotus zaoferował zestaw silnik / generator, który działa z dwiema prędkościami, dając 15 kW mocy elektrycznej przy 1500 obr./min i 35 kW przy 3500 obr./min za pośrednictwem zintegrowanego generatora elektrycznego, używanego w koncepcyjnym Nissanie Infiniti Emerg- e .

Ten profil działania pozwala na większy zakres alternatywnych konstrukcji silników, takich jak mikroturbina , obrotowy silnik pracujący w cyklu Atkinsona lub liniowy silnik spalinowy .

ICE jest dopasowywany do silnika elektrycznego poprzez porównanie mocy wyjściowej przy prędkości przelotowej . Ogólnie rzecz biorąc, moce wyjściowe dla silników spalinowych są podawane dla chwilowych (szczytowych) mocy wyjściowych, ale w praktyce nie można ich użyć.

Zastosowanie silnika elektrycznego napędzającego koło eliminuje bezpośrednio konwencjonalne mechaniczne elementy przeniesienia napędu: skrzynię biegów, wały transmisyjne i mechanizm różnicowy, a czasami może wyeliminować elastyczne sprzęgła .

W 1997 roku Toyota wypuściła pierwszy autobus hybrydowy sprzedawany w Japonii. Designline International z Ashburton w Nowej Zelandii produkuje autobusy miejskie z układem szeregowo-hybrydowym napędzanym mikroturbiną . Wrightbus produkuje seryjne autobusy hybrydowe, w tym Gemini 2 i New Routemaster . Superkondensatory w połączeniu z baterią akumulatorów litowo-jonowych zostały użyte przez firmę AFS Trinity w przerobionym pojeździe SUV Saturn Vue. Korzystanie z superkondensatorów twierdzą, że do 150 mpg w układzie szeregowo-hybrydowym.

Do dobrze znanych modeli hybrydowych z serii motoryzacyjnej należy wariant BMW i3 wyposażony w przedłużacz zasięgu. Innym przykładem seryjnego samochodu hybrydowego jest Fisker Karma . Chevrolet Volt jest prawie seryjną hybrydą, ale zawiera również mechaniczne połączenie silnika z kołami powyżej 70 mil na godzinę.

Hybrydy szeregowe zostały przyjęte przez przemysł lotniczy. DA36 E-Star, samolot zaprojektowany przez firmy Siemens , Diamond Aircraft i EADS , wykorzystuje szeregowy hybrydowy układ napędowy ze śmigłem obracanym przez silnik elektryczny Siemens o mocy 70 kW (94 KM). Wyeliminowano jednostkę zmniejszającą prędkość śmigła zmniejszającą moc. Celem jest zmniejszenie zużycia paliwa i emisji nawet o 25 procent. Pokładowy Austro Engine Wankla i generator o mocy 40 KM (30 kW) zapewnia energię elektryczną.

Wankla wybrano ze względu na jego mały rozmiar, niską wagę i świetny stosunek mocy do masy. (Silniki Wankla działają również wydajnie przy stałej prędkości około 2000 obr./min, która jest dostosowana do pracy z generatorem. Utrzymywanie stałego / wąskiego pasma równoważy wiele dostrzeganych wad silnika Wankla w zastosowaniach motoryzacyjnych).

Elektryczny silnik napędowy wykorzystuje energię elektryczną zgromadzoną w akumulatorach, gdy silniki nie pracują, do startu i wznoszenia, redukując emisję hałasu. Układ napędowy zmniejsza masę samolotu o 100 kilogramów w stosunku do poprzednika. DA36 E-Star po raz pierwszy poleciał w czerwcu 2013 roku, co czyni go pierwszym w historii lotem seryjnego hybrydowego układu napędowego. Diamond Aircraft twierdzi, że technologia jest skalowalna do samolotu na 100 miejsc.

Silniki w kołach

Jeśli silniki są przymocowane do nadwozia pojazdu, wymagane są elastyczne sprzęgła , ale nie, jeśli silniki trakcyjne są zintegrowane z kołami . Jedną wadą jest to, że masa nieresorowana wzrasta, a reakcja zawieszenia maleje, co wpływa na jazdę i potencjalnie bezpieczeństwo. Jednak wpływ powinien być minimalny, ponieważ silniki elektryczne w piastach kół, takie jak Hi-Pa Drive , mogą być bardzo małe i lekkie, mając wyjątkowo wysoki stosunek mocy do masy , a mechanizmy hamulcowe mogą być lżejsze, ponieważ silniki kół hamują pojazd.

Zalety silników z pojedynczymi kołami obejmują uproszczoną kontrolę trakcji , w razie potrzeby napęd na wszystkie koła i niższą podłogę (przydatne w autobusach i innych pojazdach specjalistycznych (niektóre pojazdy wojskowe z napędem na wszystkie koła 8x8 wykorzystują silniki z pojedynczymi kołami). Lokomotywy spalinowo-elektryczne wykorzystały tę koncepcję (poszczególne silniki napędzające osie każdej pary kół) przez 70 lat [ potrzebne pełne źródło ]

Inne środki obejmują lekkie aluminiowe koła w celu zmniejszenia masy nieresorowanej zespołu koła; projekty pojazdów można zoptymalizować w celu obniżenia środka ciężkości poprzez umieszczenie cięższych elementów (w tym akumulatora) na poziomie podłogi; W typowym pojeździe drogowym układ przeniesienia napędu może być mniejszy i lżejszy niż odpowiednik konwencjonalnego mechanicznego układu przeniesienia napędu, uwalniając przestrzeń; generator spalinowy wymaga jedynie okablowania do napędzających silników elektrycznych, co zwiększa elastyczność w rozmieszczeniu głównych komponentów w całym pojeździe, zapewniając doskonały rozkład masy i maksymalizację przestrzeni w kabinie pojazdu oraz otwierając możliwość tworzenia doskonałych projektów pojazdów wykorzystujących tę elastyczność.

Hybryda z podziałem mocy lub szeregowo-równoległa

Budowa połączonego hybrydowego pojazdu elektrycznego

Hybryda z podziałem mocy lub hybryda szeregowo-równoległa to hybrydy równoległe, które zawierają urządzenia z podziałem mocy, umożliwiające ścieżki zasilania z ICE do kół, które mogą być mechaniczne lub elektryczne. Główną zasadą jest oddzielenie mocy dostarczanej przez źródło pierwotne od mocy wymaganej przez kierowcę.

Wyjściowy moment obrotowy ICE jest minimalny przy niższych obrotach, a konwencjonalne pojazdy zwiększają rozmiar silnika, aby spełnić wymagania rynku dotyczące akceptowalnego przyspieszenia początkowego. Większy silnik ma więcej mocy niż potrzeba do pływania. Silniki elektryczne wytwarzają pełny moment obrotowy podczas postoju i doskonale nadają się do uzupełniania niedoboru momentu obrotowego ICE przy niskich obrotach. W hybrydzie z podziałem mocy można zastosować mniejszy, mniej elastyczny i wydajniejszy silnik. Konwencjonalny cykl Otto (wyższa gęstość mocy, większy moment obrotowy przy niskich obrotach, mniejsze zużycie paliwa ) jest często modyfikowany do cyklu Atkinsona lub cyklu Millera (mniejsza gęstość mocy, mniejszy moment obrotowy przy niskich obrotach, wyższa oszczędność paliwa; czasami nazywany cyklem Atkinsona-Millera). Mniejszy silnik, pracujący w bardziej wydajnym cyklu i często pracujący w korzystnym regionie mapy zużycia paliwa na hamowanie , znacząco przyczynia się do wyższej ogólnej sprawności pojazdu.

Interesującymi odmianami prostego projektu (na zdjęciu po prawej), które można znaleźć na przykład w dobrze znanej Toyocie Prius , są:

  • przekładnia planetarna o stałym przełożeniu , stosowana w modelach Lexus RX400h i Toyota Highlander Hybrid . Pozwala to na zastosowanie silnika o mniejszym momencie obrotowym, ale większej mocy (i wyższej maksymalnej prędkości obrotowej), tj. o większej gęstości mocy
  • Ravigneaux (przekładnia planetarna z 4 wałkami zamiast 3) i dwoma sprzęgłami stosowanymi w Lexusie GS450h . Poprzez przełączanie sprzęgieł przełączane jest przełożenie z MG2 (silnika napędowego) na wał koła, w celu uzyskania wyższego momentu obrotowego lub wyższej prędkości (do 250 km/h / 155 mil/h), przy zachowaniu lepszej wydajności przekładni. Jest to skutecznie osiągane w Generacji 3 Prius HSD (Prius v, Prius Plug-in i Prius c), chociaż Generacja 3 HSD ma ten drugi zestaw przekładni planetarnej ustalony na 2,5: 1, zamiast przełączania między 1: 1 i 2,5: 1 jako „nośnik” jest nieruchomy.
Hybrydowy szeregowy rozdzielacz mocy Toyota Prius

Toyota Hybrid System THS / Hybrid Synergy Drive ma pojedyncze urządzenie do rozdziału mocy (zawarte jako pojedyncza trzywałowa przekładnia planetarna) i może być sklasyfikowane jako Input-Split, ponieważ moc silnika jest dzielona na wejściu do przenoszenie. To z kolei sprawia, że ​​ta konfiguracja jest bardzo prosta pod względem mechanicznym, ale ma swoje wady. Na przykład w HSD Generacji 1 i 2 maksymalna prędkość jest ograniczona głównie przez prędkość mniejszego silnika elektrycznego (często działającego jako generator). Generacja 3 HSD oddziela ścieżkę ICE-MG1 od ścieżki MG2, z których każda ma własne, dostosowane przełożenie (odpowiednio 1,1: 1 i 2,5: 1 dla późnych Priusów, w tym Priusa c). Generacja 4 HSD eliminuje drugą przekładnię planetarną i umieszcza silniki elektryczne na równoległych osiach, z przekładnią łączącą pomiędzy tymi osiami, i przenosi połączony wynik do głównego mechanizmu różnicowego. Jest to dość podobne do powiązanego z Toyotą hybrydowy system Aisin Seiki i oszczędza znaczną przestrzeń.

Wczesny hybrydowy napęd synergiczny. Pokazano Generację 1 / Generację 2 (połączone) ICE-MG1-MG2 Urządzenie podziału mocy HSD. Stosunek MG2 ustawiony na stałe na 1:1.
Późny hybrydowy napęd synergiczny. Pokazano urządzenie 3 generacji (bez łańcucha) ICE-MG1 do rozdzielania mocy/urządzenie do redukcji prędkości silnika MG2 HSD. Stosunek MG2 ustawiony na stałe na 2,5:1.

General Motors , BMW i DaimlerChrysler współpracowały nad systemem o nazwie „Two-Mode Hybrid” w ramach globalnej współpracy hybrydowej . Technologia została wprowadzona jesienią 2007 roku w Chevrolecie Tahoe Hybrid . System został również zaprezentowany w pojeździe koncepcyjnym GMC Graphite SUV na North American International Auto Show 2005 w Detroit . Sedan F3DM firmy BYD Auto to szeregowo-równoległa hybryda typu plug-in samochód, który trafił do sprzedaży w Chinach w 2008 roku.

Two -Mode Hybrid podkreśla zdolność układu napędowego do pracy w trybie całkowicie elektrycznym (Mode 1 lub Input-Split ), jak również hybrydowym (Mode 2 lub Compound-Split ). Konstrukcja pozwala na pracę w więcej niż dwóch trybach. Dostępne są dwa tryby podziału mocy, a także kilka reżimów o stałym przełożeniu (zasadniczo równoległych hybrydach). Taki projekt można nazwać projektem wieloreżimowym. Hybrydowy układ napędowy w dwóch trybach można sklasyfikować jako konstrukcję z dzieloną mieszanką, ponieważ dodanie czterech sprzęgieł w przekładni pozwala na wiele konfiguracji rozdziału mocy silnika. Oprócz sprzęgieł ta przekładnia ma drugą przekładnię planetarną. Celem projektu jest zróżnicowanie procentu mocy przenoszonej mechanicznie w stosunku do mocy przekazywanej elektrycznie, aby poradzić sobie zarówno w warunkach pracy przy niskiej, jak i dużej prędkości. Dzięki temu mniejsze silniki mogą wykonywać pracę większych silników w porównaniu z systemami jednomodowymi, ponieważ uzyskana szczytowa moc elektryczna jest proporcjonalna do szerokości zakresu ciągłych zmian. Cztery stałe biegi umożliwiają dwutrybowemu hybrydowi działanie jak konwencjonalna hybryda równoległa w regionach o dużej ciągłej mocy, takich jak długotrwała jazda z dużą prędkością lub holowanie przyczepy. Pełne doładowanie elektryczne jest dostępne w trybach stałego przełożenia.

Typy według stopnia hybrydyzacji

Typ System start-stop
Hamowanie rekuperacyjne Elektryczne wspomaganie 		Tryb rozładowania Akumulator
Mikro hybryda Tak NIE NIE NIE
Łagodna hybryda Tak Tak NIE NIE
Pełna hybryda Tak Tak Tak NIE
Hybryda typu plug-in Tak Tak Tak Tak

Mikrohybrydy

Mikrohybryda to ogólne określenie pojazdów wyposażonych w system start-stop , który automatycznie wyłącza silnik podczas pracy na biegu jałowym . Ściśle mówiąc, mikrohybrydy nie są prawdziwymi pojazdami hybrydowymi, ponieważ nie polegają na dwóch różnych źródłach zasilania.

Łagodne hybrydy

Główny artykuł: łagodna hybryda
Komora silnika GMC Sierra Hybrid z 2006 roku

Łagodne hybrydy to zasadniczo konwencjonalne pojazdy z pewnym osprzętem hybrydowym, ale z ograniczonymi funkcjami hybrydowymi. Zazwyczaj są to równoległe hybrydy z systemem start-stop i skromnymi poziomami wspomagania silnika lub hamowania rekuperacyjnego. Łagodne hybrydy generalnie nie mogą zapewnić napędu w pełni elektrycznego.

Łagodne hybrydy, takie jak General Motors 2004–2007 Parallel Hybrid Truck (PHT) i hybrydy Honda Eco-Assist, są wyposażone w trójfazowy silnik elektryczny zamontowany w dzwonowej obudowie między silnikiem a skrzynią biegów, co umożliwia wyłączenie silnika za każdym razem, gdy wózek toczy się, hamuje lub zatrzymuje się, ale szybko uruchom ponownie, aby zapewnić zasilanie. Akcesoria mogą nadal działać na zasilaniu elektrycznym, gdy silnik jest wyłączony, i podobnie jak w innych konstrukcjach hybrydowych, hamowanie rekuperacyjne odzyskuje energię. Duży silnik elektryczny rozpędza silnik do prędkości roboczych przed wtryskiem paliwa.

Chevrolet Silverado PHT z lat 2004–2007 był pełnowymiarowym pickupem . Chevrolet był w stanie uzyskać poprawę wydajności o 10%, wyłączając i ponownie uruchamiając silnik na żądanie oraz stosując hamowanie odzyskowe. Energia elektryczna była wykorzystywana tylko do napędzania akcesoriów, takich jak wspomaganie kierownicy. GM PHT wykorzystywał system 42-woltowy za pośrednictwem trzech 12-woltowych wentylowanych akumulatorów kwasowo-ołowiowych połączonych szeregowo (łącznie 36 V) do zasilania silnika rozruchowego, a także do zasilania akcesoriów elektronicznych.

General Motors przedstawił swój system BAS Hybrid , kolejną implementację łagodnej hybrydy oficjalnie wydaną w 2007 Saturn Vue Green Line . Jego funkcja „start-stop” działa podobnie do Silverado, ale poprzez połączenie pasowe z jednostką silnik / generator. Jednak system hybrydowy GM BAS może również zapewniać skromne wspomaganie podczas przyspieszania i podczas stabilnej jazdy, a także wychwytuje energię podczas hamowania rekuperacyjnego (mieszanego). BAS Hybrid oferował aż 27% poprawę w zakresie oszczędności paliwa w cyklu mieszanym w testach EPA Saturna VUE z 2009 roku. System można również znaleźć w Saturn Aura Green Line z lat 2008–2009 i Chevrolet Malibu z lat 2008–2010 .

Innym sposobem oferowania funkcji start/stop jest zastosowanie statycznego rozruchu silnika. Taki silnik nie wymaga rozrusznika, ale wykorzystuje czujniki do określenia dokładnego położenia każdego tłoka, a następnie precyzyjnego ustawienia wtrysku i zapłonu paliwa w celu obrócenia silnika.

Łagodne hybrydy są czasami nazywane hybrydami ze wspomaganiem , ponieważ wykorzystują silnik spalinowy do zasilania podstawowego, z silnikiem elektrycznym zwiększającym moment obrotowy podłączonym do (w dużej mierze) konwencjonalnego układu napędowego. Silnik elektryczny jest montowany między silnikiem a skrzynią biegów. Zasadniczo jest to duży rozrusznik, który działa, gdy silnik wymaga obrócenia, a kierowca „dodaje gazu” i potrzebuje dodatkowej mocy. Silnik elektryczny może również ponownie uruchamiać silnik spalinowy i wyłączać silnik główny na biegu jałowym, podczas gdy rozbudowany system akumulatorów służy do zasilania akcesoriów. [ potrzebne źródło ] GM ogłosił Łagodne hybrydy Buick LaCrosse i Buick Regal nazwane Eassist.

Przed 2015 rokiem hybrydy Hondy , w tym Insight , korzystały z tego projektu, wykorzystując swoje doświadczenie w zakresie małych, wydajnych silników benzynowych; ich system nosi nazwę Integrated Motor Assist (IMA). Hybrydy IMA nie mogą zapewnić napędu wyłącznie na energii elektrycznej. Ponieważ jednak ilość potrzebnej energii elektrycznej jest znacznie mniejsza, rozmiar systemu jest mniejszy.

Inną odmianą jest system Saturn Vue Green Line BAS Hybrid, który wykorzystuje mniejszy silnik elektryczny (zamontowany z boku silnika) i akumulator niż Honda IMA, ale działa podobnie.

Inną odmianą tego typu jest system e-4WD Mazdy , oferowany w Mazdzie Demio sprzedawanej w Japonii. Ten z napędem na przednie koła jest wyposażony w silnik elektryczny, który może napędzać tylne koła, gdy potrzebna jest dodatkowa przyczepność . System jest wyłączany we wszystkich innych warunkach jazdy, więc nie poprawia bezpośrednio osiągów ani oszczędności, ale pozwala na zastosowanie mniejszego i bardziej ekonomicznego silnika w stosunku do całkowitych osiągów.

Ford nazwał hybrydy Hondy „łagodnymi” w swojej reklamie Escape Hybrid, argumentując, że w pełni hybrydowa konstrukcja Escape jest bardziej wydajna.

Pełne hybrydy

Komora silnika Mercury Mariner Hybrid z 2006 roku

Pełna hybryda , czasami nazywana również silną hybrydą , to pojazd, który może być napędzany tylko silnikiem, akumulatorami lub kombinacją. Toyota Prius , Toyota Camry Hybrid , Ford Escape Hybrid / Mercury Mariner Hybrid , Ford Fusion Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid / Mercury Milan Hybrid , Ford C-Max Hybrid , Ford Maverick Hybrid , Kia Optima Hybrid , a także General Motors 2- tryb hybrydowy ciężarówki i SUV-y są przykładami tego rodzaju hybrydyzacji, ponieważ mogą działać wyłącznie na zasilaniu akumulatorowym. Duża bateria o dużej pojemności zapewnia działanie tylko na baterii. Pojazdy te mają dzieloną ścieżkę mocy, która zapewnia większą elastyczność układu napędowego poprzez wzajemne przekształcanie energii mechanicznej i elektrycznej. Aby zrównoważyć siły z każdej części, pojazdy wykorzystują różnicowy między silnikiem a silnikiem podłączonym do przedniego końca przekładni.

Marka Toyota dla tej technologii to Hybrid Synergy Drive , która jest stosowana w modelach Prius, Highlander Hybrid SUV i Camry Hybrid . Komputer nadzoruje działanie systemu, określając sposób mieszania źródeł zasilania. Operacje Prius można podzielić na sześć różnych reżimów.

Tryb pojazdu elektrycznego — ICE jest wyłączony, a akumulator zasila silnik (lub ładuje się podczas hamowania odzyskowego). Używany do pracy na biegu jałowym, gdy stan naładowania akumulatora (SOC) jest wysoki.
Tryb tempomatu — pojazd porusza się z prędkością przelotową (tj. nie przyspiesza), a ICE może zaspokoić zapotrzebowanie. Moc z silnika jest rozdzielana między ścieżkę mechaniczną i generator. Akumulator zasila również silnik, którego moc sumowana jest mechanicznie z silnikiem. Jeśli stan naładowania akumulatora jest niski, część energii z generatora ładuje akumulator.
Tryb Overdrive — część energii obrotowej wytwarza energię elektryczną, ponieważ pełna moc ICE nie jest potrzebna do utrzymania prędkości. Ta energia elektryczna jest wykorzystywana do napędzania koła słonecznego w kierunku przeciwnym do jego zwykłego obrotu. Efektem końcowym jest to, że koło koronowe obraca się szybciej niż silnik, aczkolwiek przy niższym momencie obrotowym.
Tryb ładowania akumulatora — używany również na biegu jałowym, z tym wyjątkiem, że w tym przypadku stan naładowania akumulatora jest niski i wymaga ładowania, które zapewnia silnik i generator.
Tryb zwiększania mocy — stosowany w sytuacjach, gdy silnik nie może utrzymać żądanej prędkości. Akumulator zasila silnik, uzupełniając moc silnika.
Tryb podziału ujemnego — pojazd jedzie z prędkością przelotową, a poziom naładowania akumulatora jest wysoki. Akumulator dostarcza energię zarówno do silnika (w celu zapewnienia mocy mechanicznej), jak i do generatora. Generator przekształca ją w energię mechaniczną, którą kieruje w stronę wału silnika, spowalniając go (choć nie zmieniając wyjściowego momentu obrotowego). Celem tego „przeciągania” silnika jest zwiększenie oszczędności paliwa pojazdu.

Podwójne hybrydy

Przykładem podwójnych hybryd są samochody Formuły 1 .

Zobacz silniki Formuły 1 nr 2014–2021

Hybryda typu plug-in

Ładowanie Chevroleta Volta
Główny artykuł: hybryda plug-in
Zobacz też: Pojazd z siecią i Pojazd elektryczny typu plug-in

pojazd elektryczny typu plug-in (PHEV) ma dwie charakterystyczne cechy. To:

  • Można podłączyć do gniazdka elektrycznego w celu naładowania.
  • Może podróżować zasilany tylko z baterii.

Są to pełne hybrydy, zdolne do pracy na zasilaniu bateryjnym. Oferują większą pojemność baterii i możliwość ładowania z sieci . Mogą to być projekty równoległe lub szeregowe. Nazywa się je również opcjonalnymi lub nadającymi się do grillowania . Ich główną zaletą jest to, że mogą być niezależne od benzyny na znacznych odległościach, z rozszerzonym zasięgiem ICE na dłuższe podróże. przez Electric Power Research Institute wykazały niższy całkowity koszt posiadania pojazdów PHEV ze względu na niższe koszty serwisowania i stopniową poprawę technologii akumulatorów. „ typu „well-to-wheel ” w porównaniu z hybrydami benzynowymi zależą od źródeł energii z sieci (sieć amerykańska składa się w 30% z węgla ; sieć kalifornijska to głównie gaz ziemny , energia wodna i wiatrowa ).

Komora silnika hybrydy plug-in BYD F3DM

Prototypy pojazdów PHEV z większymi akumulatorami, które można ładować z sieci energetycznej, zostały zbudowane w Stanach Zjednoczonych, w szczególności w Centrum Hybrydowym Andy'ego Franka na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis . Jeden produkcyjny PHEV, Renault Kangoo , trafił do sprzedaży we Francji w 2003 roku. DaimlerChrysler budował PHEV na podstawie furgonetki Mercedes-Benz Sprinter . Lekkie ciężarówki oferowane przez Micro-Vett SPA to tzw. Daily Bimodale.

California Cars Initiative przekształciła Toyotę Prius z 2004 roku i nowsze, aby stać się prototypem tego, co nazywa PRIUS +. Po dodaniu 140 kg (300 funtów) akumulatorów kwasowo-ołowiowych , PRIUS + osiągnął mniej więcej dwukrotnie większy przebieg na benzynie niż standardowy Prius i mógł pokonywać odległości do 16 kilometrów (10 mil) przy użyciu wyłącznie energii elektrycznej.

Chiński producent akumulatorów i producent samochodów BYD Auto wypuścił kompaktowego sedana F3DM na chiński rynek flotowy 15 grudnia 2008 r., Który później został zastąpiony przez hybrydę typu plug-in BYD Qin .

General Motors rozpoczął dostawy Chevroleta Volta w Stanach Zjednoczonych w grudniu 2010 r., A jego brat Opel Ampera został wypuszczony w Europie na początku 2012 r. Od listopada 2012 r. Inne hybrydy typu plug-in dostępne na kilku rynkach to Fisker Karma , Toyota Prius Plug-in Hybrid i Ford C-Max Energi .

Od października 2012 roku najlepiej sprzedającym się PHEV jest Volt, z ponad 33 000 egzemplarzami z rodziny Volt/Ampera sprzedanymi na całym świecie od grudnia 2010 roku, na czele z 27 306 sprzedażą w USA, a następnie w Holandii z 2175 Amperami sprzedanymi do października 2012 roku. Prius Plug-in Hybrid sprzedał się na całym świecie w liczbie 21 600 sztuk do października 2012 r., przy sprzedaży w USA 9 623 sztuk, a następnie w Japonii z 9 500 sztuk.

Typy według źródła zasilania

Hybrydowy silnik elektryczny i spalinowy

Istnieje wiele sposobów na stworzenie hybrydy elektrycznego silnika spalinowego (ICE). Różnorodność konstrukcji elektrycznego ICE można rozróżnić na podstawie sposobu, w jaki połączone są części elektryczne i spalinowe układu napędowego, w jakich godzinach każda część działa i jaki procent mocy dostarcza każdy komponent hybrydowy. Dwie główne kategorie to hybrydy szeregowe i hybrydy równoległe , chociaż obecnie najczęściej spotykane są konstrukcje równoległe .

Większość hybryd, bez względu na konkretny typ, wykorzystuje hamowanie rekuperacyjne do odzyskiwania energii podczas zwalniania pojazdu. Polega to po prostu na napędzaniu silnika, aby działał jak generator.

Wiele projektów wyłącza również silnik spalinowy, gdy nie jest potrzebny, w celu oszczędzania energii. Ta koncepcja nie jest unikalna dla hybryd; Subaru zapoczątkowało tę funkcję na początku lat 80., a Volkswagen Lupo 3L jest jednym z przykładów konwencjonalnego pojazdu, który wyłącza silnik podczas postoju. Należy jednak przewidzieć pewne przepisy dotyczące akcesoriów, takich jak klimatyzacja , które normalnie są napędzane silnikiem. Ponadto układy smarowania silników spalinowych są z natury najmniej skuteczne bezpośrednio po uruchomieniu silnika; ponieważ to podczas rozruchu występuje większość zużycia silnika, częste uruchamianie i zatrzymywanie takich układów znacznie skraca żywotność silnika. [ wątpliwe – dyskutuj ] Ponadto cykle uruchamiania i zatrzymywania mogą zmniejszać zdolność silnika do pracy w optymalnej temperaturze, zmniejszając w ten sposób jego wydajność.

Budowa hybrydowego pojazdu elektrycznego z ogniwami paliwowymi

Hybryda elektryczno-paliwowa

napędzane ogniwami paliwowymi są często wyposażone w akumulator lub superkondensator, aby zapewnić maksymalną moc przyspieszenia oraz zmniejszyć rozmiar i ograniczenia mocy ogniwa paliwowego (a tym samym jego koszt); jest to w rzeczywistości również szeregowa konfiguracja hybrydowa.

Hybryda z silnikiem spalinowym i hydrauliką

Chrysler oferuje minivana Pacifica jako hybrydę typu plug-in

Hydrauliczny pojazd hybrydowy wykorzystuje komponenty hydrauliczne i mechaniczne zamiast elektrycznych. Pompa o zmiennej wydajności zastępuje silnik elektryczny/generator. Akumulator hydrauliczny przechowuje energię. Naczynie zwykle zawiera elastyczny pęcherz wstępnie naładowanego gazowego azotu pod ciśnieniem. Pompowany płyn hydrauliczny jest dociskany do pęcherza, magazynując energię w sprężonym gazowym azocie. Niektóre wersje mają tłok w cylindrze zamiast pęcherza pod ciśnieniem. Akumulator hydrauliczny jest potencjalnie tańszy i trwalszy niż akumulatory. Hydrauliczna technologia hybrydowa została pierwotnie wdrożona w Niemczech w latach trzydziestych XX wieku. Volvo Flygmotor eksperymentalnie wykorzystywało hybrydy petrohydrauliczne w autobusach od wczesnych lat 80-tych.

Początkowa koncepcja obejmowała gigantyczne koło zamachowe (patrz Gyrobus ) do przechowywania połączone z przekładnią hydrostatyczną. System jest opracowywany przez Eaton i kilka innych firm, głównie w ciężkich pojazdach, takich jak autobusy, ciężarówki i pojazdy wojskowe. Przykładem jest koncepcyjna ciężarówka Ford F-350 Mighty Tonka pokazana w 2002 roku. Wyposażona jest w system Eaton, który może rozpędzić ciężarówkę do prędkości autostradowych.

Elementy systemu były drogie, co wykluczało instalację w mniejszych ciężarówkach i samochodach osobowych. Wadą było to, że silniki elektryczne nie były wystarczająco wydajne przy częściowym obciążeniu. Skupiono się na mniejszych pojazdach. Brytyjska firma Artemis Intelligent Power , dokonał przełomu, wprowadzając sterowany elektronicznie silnik/pompę hydrauliczną, który jest wydajny we wszystkich zakresach i obciążeniach, dzięki czemu możliwe są małe zastosowania hybryd petrohydraulicznych. Firma przerobiła samochód BMW, aby udowodnić rentowność. BMW 530i podwoiło MPG w jeździe miejskiej w porównaniu ze standardowym samochodem. W teście wykorzystano standardowy silnik o pojemności 3000 cm3. Hybrydy benzynowo-hydrauliczne umożliwiają zmniejszenie rozmiaru silnika do średniego zużycia energii, a nie szczytowego zużycia energii. Moc szczytową zapewnia energia zmagazynowana w akumulatorze.

Współczynnik odzyskiwania energii hamowania kinetycznego jest wyższy, a zatem system jest bardziej wydajny niż hybrydy z akumulatorami z 2013 r., wykazując wzrost oszczędności od 60% do 70% w testach EPA. W testach EPA hydrauliczny hybrydowy Ford Expedition zwrócił 32 mpg -US (7,4 l/100 km) podczas jazdy miejskiej i 22 mpg -US (11 l/100 km) na autostradzie.

Celem jednej z firm badawczych było stworzenie świeżego projektu w celu ulepszenia opakowania hybrydowych komponentów benzynowo-hydraulicznych. Wszystkie nieporęczne komponenty hydrauliczne zostały zintegrowane z podwoziem. Jeden projekt twierdził, że w testach osiągnął 130 mpg przy użyciu dużego akumulatora hydraulicznego, który jest również podwoziem konstrukcyjnym. Hydrauliczne silniki napędowe są wbudowane w piasty kół i obracają się w celu odzyskania energii hamowania. Celem jest 170 mpg w przeciętnych warunkach jazdy. Energia wytwarzana przez amortyzatory i energia kinetyczna hamowania, która normalnie zostałaby zmarnowana, pomaga w ładowaniu akumulatora. ICE o rozmiarze odpowiadającym średniemu zużyciu energii ładuje akumulator. Akumulator ma taki rozmiar, aby po pełnym naładowaniu mógł pracować przez 15 minut.

W styczniu 2011 roku Chrysler ogłosił partnerstwo z EPA w celu zaprojektowania i opracowania eksperymentalnego benzynowo-hydraulicznego hybrydowego układu napędowego odpowiedniego do użytku w samochodach osobowych. Chrysler dostosował istniejący produkcyjny minivan do układu napędowego.

Firma NRG Dynamix z USA twierdziła, że ​​jej podejście obniżyło koszty o jedną trzecią w porównaniu z hybrydami elektrycznymi i dodało tylko 300 funtów (136 kg) do masy pojazdu w porównaniu z 1000 funtów (454 kg) w przypadku hybryd elektrycznych. Firma twierdziła, że ​​​​standardowy pickup napędzany 4-cylindrowym silnikiem o pojemności 2,3 litra osiągnął 14 mpg (16,8 l / 100 km) w jeździe po mieście. Używając instalacji petro-hydraulicznej, zużycie paliwa osiągnęło „połowę lat dwudziestych”.

Silnik spalinowy-pneumatyczny

Sprężone powietrze może napędzać samochód hybrydowy za pomocą sprężarki benzynowej, aby zapewnić moc. Firma Motor Development International we Francji opracowywała takie samochody napędzane powietrzem. Zespół kierowany przez Tsu-Chin Tsao, z UCLA , współpracował z inżynierami Forda, aby uruchomić pneumatyczną technologię hybrydową. System jest podobny do tego w pojeździe hybrydowo-elektrycznym, ponieważ energia hamowania jest wykorzystywana i magazynowana, aby w razie potrzeby wspomagać silnik podczas przyspieszania.

Siła człowieka – siła środowiska

Wiele pojazdów lądowych i wodnych wykorzystuje siłę ludzką w połączeniu z dodatkowym źródłem zasilania. Powszechne są hybrydy równoległe, np. Żaglówka z wiosłami, rowery z napędem silnikowym lub pojazd hybrydowy z napędem elektrycznym, taki jak Twike . Istnieją hybrydy serii. Takie pojazdy mogą być pojazdami typu tribrid , łączącymi trzy źródła zasilania, np. pokładowe ogniwa słoneczne, akumulatory ładowane z sieci i pedały.

Tryby pracy pojazdu hybrydowego

Pojazdy hybrydowe mogą być używane w różnych trybach. Rysunek przedstawia niektóre typowe tryby dla równoległej konfiguracji hybrydowej.

Hybrid modes.gif

Opcje na rynku wtórnym

Do pojazdu można dodać nieoryginalny układ napędowy.

Rozwiązanie na rynku wtórnym jest stosowane, gdy użytkownik dostarcza szybowiec ( podwozie na kółkach ) i hybrydowy (dwa silniki) lub w pełni elektryczny (tylko silnik elektryczny) zestaw napędowy do producenta samochodów i otrzymuje pojazd z zainstalowaną technologią. Układ napędowy (elektryczny lub hybrydowy) może zostać dodany do szybowca przez instalatora z rynku wtórnego.

W 2013 roku zespół projektowy On the Green z University of Central Florida pracował nad opracowaniem przykręcanego zestawu do konwersji hybrydy, aby przekształcić starszy model pojazdu w hybrydę gazowo-elektryczną.

Inżynier z Kalifornii zademonstrował konwersję Mustanga z 1966 roku. System zastąpił alternator bezszczotkowym silnikiem elektrycznym o mocy 12 kW (szczytowej 30 kW). Poprawiono przebieg gazu i moc.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hybrid_vehicle_drivetrain&oldid=1139196918 ”