6.2. Гибридные приводы

Гибридные транспортные средства имеют два вида тяги, которые меняются или взаимно дополняют друг друга. Наиболее известной является комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Причина использования таких гибридных автомобилей заключается в том, что свинцовый электроаккумулятор слишком тяжел, если он должен самостоятельно обеспечивать движение с достаточной скоростью и на значительные расстояния. При движении вне города, где требования к чистоте выхлопных газов не так строги и, как правило, имеется возможность длительного равномерного движения, выгодно использовать небольшой двигатель внутреннего сгорания, а при въезде в городскую черту включать электродвигатель.

В такой комбинации аккумулятор не будет слишком большим и тяжелым, а заряжать его можно либо при движении вне города, либо на стоянках через собственный генератор.

Пример такого гибридного автомобиля изображен на рис. 33. Создателем этого образца является моторостроительная фирма "Бриггс энд Страттон" (США). Один из двигателей, выпускаемых этой фирмой, - двухцилиндровый, воздушного охлаждения с рабочим объемом 694 см³ и мощностью 14 кВт при 3600 мин^-1 применен для обеспечения привода автомобиля.

Рис. 33. Легковой автомобиль фирмы 'Бриггс энд Страттон' с гибридным приводом

Автомобиль весит 1450 кг, из которых 450 кг приходится на аккумуляторы. В нем использована трехосная ходовая часть автомобиля фирмы "Маратон Электрик", способствующая хорошему распределению массы по осям, поскольку в задней части автомобиля размещены заменяемые при зарядке аккумуляторы. Ведущей является средняя ось.

Автомобиль фирмы "Бриггс энд Страттон" предназначен для перевозки двух взрослых пассажиров, двух детей и багажа. При электроприводе он достигает скорости 65 км/ч, с бензиновым двигателем - 72 км/ч. В режиме совместной работы двух двигателей - 88,5 км/ч, что соответствует максимальной скорости движения в городе, установленной правилами движения в США. Максимальный расход топлива - 9,4 л/100 км. Если движение осуществляется преимущественно за счет электропривода, то расход топлива меньше. Запас хода, обеспечиваемый аккумуляторами, составляет 100 км. В автомобиле фирмы "Бриггс энд Страттон" не предусмотрено заряжать аккумуляторы от собственного двигателя внутреннего сгорания^*.

^* (Такая более совершенная схема гибридного привода применена в конструкции автомобиля-тягача фирмы "Штил" (ФРГ), используемого как средство промышленного транспорта на предприятиях. - Примеч. ред.)

Схема соединения двигателя внутреннего сгорания и инерционного аккумулятора показана на рис. 34. Двигатель внутреннего сгорания 1 через муфту выключения 2 связан с раздаточной коробкой 3, которая соединяет привод ведущей оси 7 либо с двигателем внутреннего сгорания, либо с инерционным аккумулятором 5. За раздаточной коробкой находится муфта сцепления 4 и автоматическая многоступенчатая коробка передач 6 без гидротрансформатора.

Рис. 34. Схема гибридного привода от двигателя внутреннего сгорания и инерционного маховика

Раздаточная коробка содержит зубчатый редуктор для привода маховика (либо автоматическую двухступенчатую передачу, обеспечивающую возможность изменить передаточное отношение между маховиком и двигателем), а также дифференциал для распределения мощности двигателя внутреннего сгорания между ведущей осью автомобиля и инерционным аккумулятором. Управление описанной системой производится в зависимости от режима движения и профиля дороги электронным регулятором (на рис. 34 не показан).

Гибридный привод с аккумулятором малой мощности прежде всего найдет применение в городских автобусах. Экономия энергии в этом случае достигает 25 %, что с избытком покрывает затраты на дорогую гибридную силовую установку. Автомобильные фирмы МАН и "Мерседес-Бенц" (ФРГ) интенсивно работают над созданием автобуса с гибридным двигателем. Фирма МАН сосредоточила внимание на аккумулировании энергии в гидравлическом масляном аккумуляторе и создании гидростатического привода, в то время как фирма "Мерседес-Бенц" использует инерционный аккумулятор.

Максимальное давление масла в гибридной схеме фирмы МАН составляет 33 МПа. Гидросистема имеет резервуары с низким и высоким давлениями масла. При торможении автомобиля двигатель внутреннего сгорания отключается от ведущей оси муфтой сцепления, приводной гидродвигатель начинает работать в режиме насоса, вращаемого ведущими колесами, и закачивает масло в резервуар высокого давления. При номинальном давлении в этом резервуаре энергии жидкости достаточно для разгона автомобиля с места до скорости 50 км/ч.

При поддержании этой скорости для преодоления аэродинамического сопротивления и сопротивления качению можно использовать двигатель внутреннего сгорания меньшей мощности. Фирма МАН готовит 80 автобусов с гибридным приводом, в которых будет использован четырехцилиндровый двигатель мощностью 100 кВт вместо применяемого сегодня шестицилиндрового мощностью 147 кВт. Мощность на колесах автобуса, однако, не уменьшится благодаря применению аккумулятора. К преимуществам автобусов с гибридной схемой привода относятся также меньшие уровни шума при движении и выброса с отработавшими газами вредных веществ, загрязняющих окружающую среду.

Автобус фирмы "Мерседес-Бенц", использующий инерционный аккумулятор, может накапливать 1,5 кВт⋅ч энергии, автобус фирмы МАН - 0,33 кВт⋅ч. Муфты выключения и сцепления могут соединять ведущую ось с аккумулятором или двигателем (см. рис. 34). Маховик диаметром 500 мм и массой 100 кг изготовлен из стали и работает в диапазоне частоты вращения 8900-12 000 мин^-1. Разработан и изготовляется маховик из графитоволоконного материала с максимальной частотой вращения 28 000 мин^-1 и массой 24 кг.

Интересна комбинация гидростатической передачи с инерционным аккумулятором у городского автобуса шведской фирмы "Вольво". Схема соединения та же (см. рис. 34), но вместо коробки передач 6 применен гидростатический привод. Масляный резервуар высокого давления в этом случае заменен инерционным аккумулятором. Дизель обеспечивает поддержание частоты вращения аккумулятора на требуемом уровне. Возможны следующие режимы работы привода:

при разгоне используется мощность двигателя (100 кВт) и аккумулятора (125 кВт), т. е. суммарно 225 кВт;

автобус движется только за счет дизеля мощностью 100 кВт при отключенном аккумуляторе;

автобус движется только за счет энергии аккумулятора с отключенным двигателем.

В последнем случае запас хода автобуса составит 1200 м с тремя остановками.

При использовании гидростатической передачи обеспечивается плавный разгон автобуса с ускорением 1,6 м/с², что создает комфортные условия для стоящих пассажиров. Благодаря аккумулированию энергии при торможении удается снизить расход топлива на 15-25 %. При равно-мерном движении избыточная мощность двигателя используется для заполнения масляного резервуара высокого давления.

Аналогичный принцип используется и в гибридном приводе экспериментального электромобиля фирмы "Гаррет", США. Как известно, срок службы электрического аккумулятора зависит не только от количества энергии, которую он может аккумулировать, но и от способа разрядки. Быстрая разрядка сильным током повреждает аккумулятор и уменьшает срок его службы. Наибольшее время безотказной работы обеспечивается при непрерывной разрядке током средней величины.

Однако движение в городе требует частых ускорений, т. е. сильного разрядного тока после каждой остановки. Движение с максимальной скоростью также требует повышенной мощности двигателя и соответственно высоких значений разрядного тока. Эти способы движения ведут к быстрой разрядке аккумулятора и существенно снижают срок его службы.

Свинцовый аккумулятор с плотностью энергии около 30-40 Вт⋅ч/кг довольно мало чувствителен к быстрой разрядке сильным током. Аккумуляторы с большой плотностью энергии 100 Вт⋅ч/кг и выше выдерживают меньше циклов разрядки и зарядки и имеют более короткий срок службы. Стоимость их довольно высока, и при малой долговечности замена аккумуляторов обходится дорого.

Поэтому для электромобилей также нужен неэлектрический аккумулятор энергии, который обеспечивает подпитку при пиковых нагрузках и тем самым защищает батарею электрических аккумуляторов от так называемых ударных нагрузок. Кроме того, при рекуперации энергии торможения в фазе последующего разгона значительно увеличивается запас хода электромобиля. Схема использования инерционного аккумулятора в электромобиле фирмы "Гаррет" показана на рис. 35.

Рис. 35. Схема гибридного привода электромобиля фирмы 'Гаррет Эр-рисёрч'

Валы инерционного аккумулятора-маховика 8 и двух электрических машин постоянного тока 5 и 7 связаны между собой зубчатой передачей с планетарным дифференциалом 6 и обгонной муфтой. Обе электрические машины могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора совместно с электрическим аккумулятором 3. Вычислительно-управляющий блок 4 с педалью управления нагрузкой 1 и педалью торможения 2 служит для управления этим гибридным приводом. Для трогания с места и разгона используется энергия маховика, который может отдавать ее как механически, непосредственно на колеса, так и через преобразование в электроэнергию посредством электрических машин и аккумулятора. При движении с невысокой постоянной скоростью используется только электропривод от накопленной в аккумуляторе электроэнергии. При торможении кинетическая энергия электромобиля преобразуется одной электрической машиной 7 в электроэнергию, которая далее через вторую электрическую машину 5 вновь трансформируется в механическую энергию, передаваемую и накапливаемую маховиком.

Изменение во времени скорости электромобиля, разрядного тока аккумулятора и частоты вращения маховика при движении на городском маршруте протяженностью 12 км в течение 23 мин с двадцатью остановками показано на рис. 36. Разряд аккумулятора имеет равномерный характер со средним значением тока 50 А и максимальным током, не превышающим 60 А. Участок, преодолеваемый между 200 и 300 с, характеризует движение с максимальной скоростью по шоссе, когда требуемая движущая сила больше, чем та, которую способен обеспечить электрический аккумулятор. В данном случае значительную часть требуемой энергии обеспечивает маховик, что видно по уменьшению его частоты вращения. При этом ток аккумулятора не превышает допустимой величины.

Рис. 36. Изменение скорости v электромобиля, разрядного тока I аккумулятора и частоты вращения n маховика электромобиля 'Гаррет Эр-рисёрч' за время τ движения по городскому маршруту протяжённостью 12 км

При дальнейшем движении ток от недогруженного аккумулятора и энергия, рекуперируемая при торможении, разгоняют маховик, так что в конце маршрута частота вращения маховика равна начальной.

Опытный образец гибридного электромобиля "Гаррет" имеет массу 1540 кг при массе аккумуляторов 499 кг. Время разгона до 48 км/ч составляет 7 с, до 80 км/ч - 15,5 с. От 40 км/ч до 88,5 км/ч автомобиль разгоняется за 10 с. Серийный автомобиль может быть несколько легче, и его запас хода должен составить более 145 км.

При частоте вращения 25 000 мин^-1 маховик имеет энергию 1 кВт⋅ч, емкость свинцового аккумулятора 18 кВт⋅ч. Всю энергию маховика можно использовать за короткий промежуток времени, избежав тем самым нежелательного высокого разрядного тока аккумулятора. Маховик изготовлен из волоконного материала "кевлар" (см. ниже) и, имея массу 12,7 кг, может аккумулировать энергию с плотностью 79,3 Вт⋅ч/кг. Легкий маховик не требует массивного корпуса, служащего для обеспечения безопасности в случае аварии маховика. Герметизация и создание в корпусе разрежения снижает, как уже говорилось, аэродинамические потери при вращении маховика.

Повреждение легкого маховика из кевлара может возникнуть при разгерметизации корпуса. Во время испытаний герметичность корпуса нарушили при частоте вращения маховика 25 000 мин^-1, что привело к сильному разогреву маховика за счет трения о воздух, деформации его материала и в итоге - заклиниванию стенкой корпуса, которое наступило через 2 с после разгерметизации.

Влияние гироскопического момента маховика на движение автомобиля при прохождении им поворота ограничено, так как направление вращения маховика противоположно направлению вращения колес автомобиля. Кроме того, электрический аккумулятор на этом электромобиле заключен в легкий корпус из пластмассы и имеет плотность энергии 39,6 Вт⋅ч/кг. Срок его службы вдвое выше, чем у обычного свинцового. Он выдерживает 800 циклов перезарядки в отличие от 300-500, достигнутых у серийных аккумуляторов в настоящее время.