Система управления силовой установкой гибридного автомобиля

Система управления силовой установкой гибридного автомобиля

Люди всегда загрязняли окружающую среду. Но до последнего времени загрязнение не было такой серьезной проблемой. В прошлом большинство людей проживали в малонаселенных сельских районах, и у них не было загрязняющих природу машин. Но с развитием перенаселенных индустриальных городов проблема загрязнения стала намного серьезнее. Использование автомобилей и других машин и механизмов привело к тому, что окружающая среда стала постоянно и интенсивно загрязняться. С 50-х годов прошлого столетия люди стали ощущать тревогу в связи с опасностью загрязнения окружающей среды.

Воздух, вода и почва необходимы для существования всех живых существ. Но загрязненный воздух может стать причиной болезни и даже смерти. Загрязненная вода приводит к гибели рыб и других существ, обитающих в море. На загрязненной почве нельзя выращивать пищевые продукты. Кроме того, загрязнение окружающей среды портит естественную красоту нашей планеты.

Загрязнение — это очень сложная и серьезная проблема. Автомобили загрязняют воздух, но они служат для быстрого перемещения людей (Рис.1). Заводы и фабрики загрязняют воздух и воду, но они обеспечивают рабочие места для людей и позволяют производить необходимые товары. Удобрения и пестициды необходимы для выращивания сельскохозяйственных культур, но они загрязняют почву.

Поэтому людям пришлось бы перестать использовать многие полезные вещи, если бы они захотели немедленно прекратить загрязнение окружающей среды. Однако большинство людей не согласятся на это. Но загрязнение можно уменьшить постепенно. Ученые и инженеры могут найти способы уменьшить загрязнение от автомобилей, заводов и фабрик. Правительство может издать законы, которые бы заставили предприятия принять меры по уменьшению загрязнения. Отдельные люди и группы людей могут сотрудничать в деле охраны окружающей среды.

Рис. 1 – загрязнение выхлопными газами

Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

При сгорании топлива в ДВС обильно выделяются тяжёлые металлы и токсичные примеси, чрезвычайно вредные свинцовые соединения, вызывающие тяжелейшие заболевания.

Ежегодно от заболеваний, связанных с выхлопными газами автомобилей, в Европе умирают 225000 человек. В Швейцарии трое из десяти тысяч умирают в результате вредного воздействия на окружающую среду в том числе и автомобильного транспорта. В Украине умирают от выхлопных газов как минимум в два раза больше..В условиях современного города такие болезни как атеросклероз, различные нарушения сердечно-сосудистой системы, рак лёгких можно заработать просто вдыхая воздух на улице. Похоже мы медленно, но верно вымираем.

По данным Минздрава Украины ежегодный ущерб от негативного воздействия автомобильных выхлопов на окружающую среду в результате эксплуатации автотранспорта составляет 3 млрд. долларов.

Современный европейский или японский автомобиль на порядок чище, чем автомобиль выпуска конца 70-х годов., благодаря переоборудованию автомобилей на газ и установке каталитических нейтрализаторов выхлопных газов.

В ближайшие 5 лет в Украине не реально ожидать ни массового переоборудования автомобилей на газ, ни установки нейтрализаторов на все авто. Поэтому в Украине имеет смысл поработать над более дешёвыми инструментами, повышающими экологичность отечественных ДВС путём внедрения инновационных технологий.

Истинную опастность того, чем мы дышим "благодаря" автомобилям, врачи и экологи уже донесли с помощью средств массовой информации.

Сегодня радетели за народ в борьбе с ужасающими последствиями автомобилизации вешают нам "лапшу" про то, что надо заставить действовать "отвечающих за экологию" через общесвенное давление, больше спрашивать с депутатов и т. д. Сегодня это достаточно подлый способ уйти от решения вопиющей экологической проблемы.

1.2 Способы решения проблемы загрязнения окружающей среды автомобилями

Снижение экологической опастности от выбросов громадного числа автотранспортных средств приобрело в наше время общебиологическое значение.

Людям пришлось бы перестать использовать многие полезные вещи, если бы они захотели немедленно прекратить загрязнение окружающей среды. Однако большинство людей не согласятся на это.

Раньше проблемы создания экологически чистого автомобиля с нулевыми выбросами (ZEV — Zero Emission Vehicle) обывателя не сильно волновали. Это были проблемы правительства, ученых, политиков и активистов «зеленых» организаций. Но непрерывный рост цен на бензин стимулирует массовый интерес к экологически чистым автомобилям и перспективным типам топлива и двигателей.

В Киеве отныне каждый третий горожанин — владелец собственной машины. Впрочем, ежедневно на дороги столицы выезжают 1,5 миллиона авто, учитывая, приезжие и транзитные. Кстати, аналитики расчитали, что к концу 2009 года — началу 2010 года в Киеве будет уже 2 миллионов машин.

Двигатели внутреннего сгорания ежедневно оказывают отрицательное влияние на здоровье миллионов украинцев. Люди страдают от участившихся случаев кашля, приступов астмы, острых и хронических бронхитов, а также от заболеваний сердца и системы кровообращения. Химический состав выхлопных газов настолько опасен, что наносит вред не только здоровью человека, животных, но и разрушает деревья и даже дома. Люди, долгое время подверженные влиянию вредных веществ в воздухе их городов, гораздо чаще умирают от инфарктов. Эта связь была особенно ярко выражена в местах с большой транспортной загруженностью.

Сегодня первостепенное значение для уменьшения загрязнения атмосферы выбросами автомобилей имеет техническое состояние автомобильного парка и поддержание его в технически исправном состоянии, удовлетворяющим экологическим требованиям. А автомоьильный парк в Украине изношен на 60-70%.

Но загрязнение можно уменьшить постепенно.

Правительство может издать законы, которые бы заставили предприятия принять меры по уменьшению загрязнения.

Отдельные люди и группы людей могут сотрудничать в деле охраны окружающей среды.

Ученые и инженеры могут найти способы уменьшить загрязнение от автомобилей, заводов и фабрик.

Одним из направлений решения экологической проблемы есть разработки технологических новинок, позволяющие усовершенствовать двигатели любой существующей конструкции. Создание более экономичных и экологически безвредных автомобилей.

1.3 Экологически чистый автомобиль

В Америке большинство покупателей «экологически чистых» машин менее всего волнуют вопросы загрязнения окружающей среды. Американцев интересует экономия средств — проехать большее количество километров, потратив меньшее количество топлива.

А в Германии вводится новое положение, при котором в случае покупки автомобиля владелец может узнать не только его технические характеристики, но и степень экологичности. Тем временем Европейская комиссия планирует ужесточить экологические нормы к автотранспорту. Так, начиная с 2012 года все новые автомобили должны выбрасывать в среднем не более 130 граммов углекислого газа на один километр пути.

В Польше же был проведен Всемирный День Carfree (Свободы от автомобилей), который проводится в Польше в четвертый раз и десятый раз в Европе. Проведение этого дня было начато по инициативе французских экологов. Они хотели убедить людей во всем мире в негативных побочных эффектах от использования автомобилей.

В Украине тоже существуют разработки для улучшения экологичности автомобилей. Разработка компании Falcon предлагает электронике прибор — усилитель процесса горения двигателей внутреннего сгорания УПГ — 2. Усилитель УПГ- 2 применяется для усовершенствования процессов горения топливо воздушной смеси в двигателях, работающих на любой марке бензина, дизтопливе или газе, что позволяет уменьшить количество выхлопных газов и в целом помогает экологической обстановке. Кроме того, электронный блок УПГ-2 позволяет увеличить мощность двигателей; экономить топливо до 20%; уменьшить содержание СО в 50 раз; переходить на бензин с более низким октановым числом; сократить период задержки самовоспламенения топлива в дизельных двигателях и значительно уменьшить количество углеродистых отложений на электродах свечей зажигания и клапанах.

Количество выхлопных газов автомобилей в основном определяется массовым расходом топлива автомобилями. Расход по расстоянию нормируется и обычно указывается производителем (одна из потребительских характеристик).

Но самым оптимальным решением является создание гибридных автомобилей, и их серийный выпуск.

2. Гибридный автомобиль

2.1 Что такое гибридный автомобиль?

Гибри́дный автомоби́ль это — высокоэкономичный автомобиль, движимый системой «электродвигатель — двигатель внутреннего сгорания» (далее двигатель), питаемой как горючим, так и зарядом электрического аккумулятора. Главное преимущество гибридного автомобиля — снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера, начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации — использования электродвигателя как генератора электрического тока для пополнения заряда аккумуляторов.

Вообще, гибрид — это организм, полученный в результате скрещивания генетически различающихся родительских форм (видов, пород, линий и др.) (от лат. hibrida — помесь).

Генетически различающиеся формы в нашем случае — это двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электромотор. Причем в современной автоселекции гибридизация — это, похоже, единственно возможный вариант их выживания. С одной стороны, цена на нефть берет все новые высоты, что неизбежно приближает закат славной истории ДВС (в том же направлении работают экологические нормативы). С другой — отсутствие способов компактно и долго хранить электрическую энергию ставит под большое сомнение будущее электромобилей в их генетически чистом виде.

2.2 Причины создания и разработки гибрида

Основные причины, стоящие за разработкой гибридной силовой установки — уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу, что очень актуально именно для городского транспорта. Эта система позволяет снизить выброс сажи и углеводородов на 90%, оксидов азота — на 50%. При этом экономия топлива достигает 60% по сравнению с обычными автобусами с дизельными двигателями, а ускорение во время начала движения увеличилось на 50%. Такая силовая установка может устанавливаться на различные автомобили, которые выполняю самые разные задачи. Принцип работы гибридной силовой установки заключается в следующем: колеса приводятся в движение электродвигателем, который питается от АКБ, а дизельный двигатель приводит в действие генератор, питающий аккумулятор. К тому же дизель соединен с трансмиссией и часть своей мощности передает на колеса. Благодаря этому во время начала движения достигается максимальное ускорение без лишнего шума, затрат топлива и клубов дыма из выхлопной трубы.

Гибридные двигатели на катерах и яхтах

Электрические моторы устанавливают на лодках с 1838 года. Принцип их работы прост. Электродвигатель подключают к аккумуляторной батарее, а контроллер регулирует количество оборотов винта и скорость движения судна. Но даже с аккумуляторами большой емкости запас хода у лодки с электромотором ограничен. После того как тяговые аккумуляторы разрядятся для их зарядки приходится запускать двигатель внутреннего сгорания или возвращаться на базу и подключать зарядное устройство к береговой электросети. В результате электроустановка работает менее эффективно, чем дизельный двигатель с правильно подобранным дополнительным оборудованием. При этом она оказывается тяжелее, стоит дороже и занимает больше места.

Чтобы затраты на электромотор оказались оправданными, аккумуляторная батарея большой емкости и мощное зарядное устройство должны работать эффективнее традиционного двигателя

Транспортное средство с гибридной силовой установкой использует для движения две независимые системы привода. Чаще всего это двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель. В настоящее время гибридные двигатели – это основная технология в автомобильной промышленности, которая постепенно получает распространение и в судостроении.

Отличительная особенность гибридных энергосистем — накопитель энергии, благодаря которому бортовое оборудование может использовать несколько источников мощности. На катерах и яхтах это дизельный двигатель, береговая электрическая сеть, ветрогенератор, солнечные панели или гидрогенератор. Полученная из разных мест электрическая энергия сохраняется в аккумуляторах, позволяя гибридной установке длительное время работать на созданном запасе или сразу направляется потребителям.

Последовательная гибридная установка

Гибридную установку, состоящую из дизельного генератора переменного или постоянного тока и электродвигателя называют последовательной. Генератор увеличивает запас хода и питает электромотор, после того как разрядятся аккумуляторы. Чаще всего используют DC генератор на постоянных магнитах, для которого электромотор это единственная и самая большая нагрузка. Электромотор в последовательной установке должен быть достаточно мощным, чтобы противостоять неблагоприятным условиям, в которых может оказаться судно.

Режим работы при котором электродвигатель, вращающий гребной винт, напрямую работает от генератора называется дизель-электрическим

Эффективность использования последовательной гибридной установки зависит от скорости движения. Испытания, проведенные на яхте длиной 14,5 метров с дизельным двигателем мощностью 75 л.с показали, что на скорости 4 узла гибрид сохраняет 50% топлива. Но поскольку в этом режиме потребление топлива у традиционной системы также не высокое, экономия в литрах оказывается не значительной.

Удельное потребление топлива вдоль рабочей кривой винта в зависимости от скорости яхты. Данные испытаний в реальных условиях дизельного двигателя мощностью 75 л.с на яхте длиной 48 футов (14,5 м) и весом 16 тонн. На графике видна неэффективность обычной силовой установки при небольших нагрузках и медленной скорости судна. Точки пересечения горизонтальных линий с рабочей кривой отображают оптимальную скорость для различных режимов работы двигателя — дизель-электрического или от аккумуляторов. Выше этих скоростей эффективнее двигатель внутреннего сгорания

С ростом скорости экономия топлива снижается, и при 6,8 узлах двигатель внутреннего сгорания становится эффективнее (пороговая скорость). Если электродвигатель работает от аккумуляторных батарей, а не напрямую от генератора, то из-за того, что КПД аккумуляторов составляет 80-90%, удельный расход топлива на валу возрастает, и пороговая скорость снижается до 5,4 узлов.

Так же, как и в двигателях внутреннего сгорания эффективность электродвигателей падает при небольших оборотах и низких нагрузках. Чем мощнее двигатель, тем выше скорость, при которой возрастают потери. Последовательный гибрид станет экономически оправданным, если большую часть времени судно будет двигаться со скоростью ниже пороговой, лишь иногда превышая ее.

Альтернативные источники энергии

В основе гибридной установки лежит шина, с помощью которой электродвигатель и бортовое оборудование подключают к источникам электрической энергии. Для катеров и яхт такие источники — это береговая сеть, солнечные панели, ветро или гидрогенератор. Каждый кВтч выработанный без помощи двигателя внутреннего сгорания снижает удельный расход топлива, а в некоторых случаях не моторные источники энергии компенсируют всю потребляемую мощность. Например:

1. Небольшой паром, работающий на коротком маршруте,заряжает аккумуляторные батареи во время высадки и посадки пассажиров от береговой электрической сети. 20-30 минут работы мощного зарядного устройства достаточно, чтобы подготовить судно к новой поездке.
2. На скоростных парусных катамаранах за счет регенерации судно создает большой запас энергии, который сохраняется в аккумуляторах и используется для питания электродвигателя. Свободная площадь на катамаране позволяет дополнительно устанавливать солнечные панели большой мощности. , часто используется только чтобы войти и выйти из гавани, а в остальное время яхта двигается под парусом.

Во всех трех примерах судно работает на электрической тяге, а генератор находится в резерве для аварийных ситуаций и длительных поездок. Чем меньше работает генератор во время движения судна, тем экономичнее гибридная установка. Суммарное удельное потребление топлива у нее будет ниже, чем у традиционной системы, несмотря на то, что во время работы генератора расход топлива может быть больше.

В настоящее время, кроме регенерации, которая используется только на парусных яхтах, основных источников альтернативной энергии два – солнце и ветер. Их полноценному использованию мешают два обстоятельства – низкая удельная мощность устройств, вырабатывающих электричество и невысокая плотность хранимой в аккумуляторах энергии.

Каждый раз, когда в водоизмещающем режиме судно разгоняется выше предельной скорости, его сопротивление резко возрастает, мощности, генерируемой не связанными с двигателем источниками энергии становится недостаточно и аккумуляторные батареи быстро разряжаются. Последовательная гибридная установка не может поддерживать длительное время скорость движения выше пороговой без использования генератора и в этом режиме проигрывает двигателю внутреннего сгорания.

Напряжение системы

Самое большое сечение кабеля которое без затруднений можно использовать на судне – 2/0 AWG (70 мм2). Такой кабель рассчитан на ток 300 А, что при напряжении 12 вольт эквивалентно потребляемой мощности 12 х 300 = 3600 Вт. Чтобы не превышать уровень 300 А и использовать более мощные устройства увеличивают напряжение в системе.

Последовательные гибридные системы на судах длиной более 25 футов (7,5метров) используют напряжения от 70 до 700 вольт. При токе 300 ампер это дает мощность до 200 кВт. Высокое напряжении заставляет тщательно учитывать вопросы безопасности и устанавливать большое количество последовательно соединенных аккумуляторов. Чем больше аккумуляторов, тем больше проблем с их балансировкой и контролем и тем больше число потенциальных точек отказа.

Параллельные гибридные установки

В параллельной гибридной установке внешний электродвигатель дополняет уже установленный двигатель внутреннего сгорания. Электромотор подключают к валу, вращающему винт, с помощью муфты, благодаря чему он может работать как одновременно, так и независимо от основного двигателя.

Параллельная гибридная установка Fischer Panda. Цифрами на схеме обозначены: 1. Электрический двигатель 2. Контроллер EasyBox 3. Панель управления GD2 4. Рычаг управления 5. Электромагнитная муфта 6. Зарядное устройство 7. Береговое подключение 8. Инвертoр для оборудования 220 Вольт EasyBox – это сердце силовой установки. В нем находится блок управления электромотором, блок предохранителей, зарядное устройство и разъемы для подключения рычага управления, контрольной панели и аккумуляторной батареи.

При параллельной компоновке электродвигатель не обязательно должен быть очень мощным, его должно хватать для движения со скоростью ниже пороговой или выполнения маневров, а на высокой скорости винт вращает двигатель внутреннего сгорания. Менее мощный электродвигатель эффективнее на небольших скоростях, однако в параллельной установке он может работать только от аккумуляторов, которые являются источником дополнительных потерь энергии. Однако несмотря на потери в аккумуляторной батарее общая эффективность параллельной установки выше, чем последовательной.

Емкость аккумуляторов при параллельной установке меньше, чем при последовательной, а значит меньше их объем, вес и стоимость. Если придерживаться ограничения тока в 300 ампер, то максимальная мощность двигателя составит 300 ампер × 48 вольт = 14,4 кВт. Этого достаточно для маневрирования в гавани на яхте длиной 18-20 м.

В параллельном гибриде во время работы двигателя внутреннего сгорания электромотор может работать как генератор. При этом винт может вращаться или быть отключен. На парусных яхтах электромотор подключают к выходному валу таким образом, что во время движения под парусом винт вращает ротор электромотора и двигатель работает как гидрогенератор, заряжая аккумуляторные батареи

Работа электродвигателя в режиме генератора позволяет питать бортовую электрическую систему постоянного тока, и силовая установка оказывается более компактной, чем автономный генератор

Преимущества гибридного двигателя

Оба типа установок позволяют использовать электродвигатель для маневрирования в гавани и передвижения в водоемах, где запрещено использовать двигатели внутреннего сгорания. Принять решение о установке гибридного двигателя можно после сравнения крейсерской и пороговой скорости судна. Если пороговая скорость в дизель электрическом режиме выше крейсерской, то последовательная гибридная установка большую часть времени будет работать эффективнее дизельного двигателя. Если регулярная скорость больше пороговой, но используются дополнительные источники энергии, то расход топлива будет меньше, чем при работе двигателя внутреннего сгорания.

Если на судне планируется устанавливать вспомогательный генератор, то параллельная гибридная установка может заменить его. Как правило она работает эффективнее, чем генератор переменного тока, стоит не дороже его, занимает меньше места и не требует монтажа выхлопной, охлаждающей и топливной системы. Электродвигатель в этом случае оказывается дополнительным бонусом.

Задайте вопрос,

и получите консультацию по лодочным электромоторам, аккумуляторам или зарядным устройствам для катера или яхты

Гибридные автомобили

Очевидным способом преодолеть ограниченный запас хода аккумуляторных электромобилей является использование небольшого ДВС и электрического генератора для подзарядки аккумуляторных батарей во время движения. Рабочий объем ДВС может быть выбран из необходимости получения средней мощности, требующейся автомобилю, а не максимальной, нужной для ускорения. При этом ДВС большую часть времени может работать в режиме наилучшей экономичности и токсичности отработавших газов (или даже на время выключаться). Для обеспечения необходимой эффективности разгона может одновременно использоваться энергия от аккумуляторных батарей и ДВС.

Автомобиль выполнен по схеме параллельного «гибрида»:
1 — ДВС;
2 — электродвигатель № 1;
3 — сцепление;
4 — электродвигатель № 2;
5 — автоматическая коробка передач

В действительности гибридные автомобили могут быть разделены на два класса: последовательный гибрид, в котором вся энергия переводится в электричество, и параллельный гибрид, в котором ДВС соединяется с ведущими колесами механически через трансмиссию, а поток электроэнергии передается параллельно. Последовательный тип дает конструктору автомобиля наибольший выбор компоновки, потому что все соединения (за исключением привода от тягового двигателя к ведущим колесам) — электрические, каждый узел может быть размещен в любом месте автомобиля и с наибольшим удобством.

Гибридный автомобиль:
1 — синхронный электродвигатель с постоянными магнитами;
2 — преобразователь;
3 — ионно-литиевый аккумулятор;
4 — вариатор CVT;
5 — электродвигатель;
6 — сцепление;
7 — двигатель

С другой стороны, при параллельном типе может использоваться более легкий и малогабаритный электродвигатель. В последовательном гибриде электродвигатель должен развивать полную движущую силу, в то время как в параллельном гибриде он нужен для обеспечения только 30 % этой силы. Гибридный автомобиль включает в себя двигатель внутреннего сгорания и электропривод для оптимального использования энергии. Механическая энергия торможения преобразуется в электрическую и накапливается в аккумуляторной батарее. ДВС работает при наиболее эффективных скоростях и нагрузках. Фирма Nissan продемонстрировала этот гибридный привод в 1999 г.

Шасси гибридного автомобиля Toyota HV-M4

В течение долгого времени отношение к гибридному автомобилю определялось стоимостью применения вместо одной — двух силовых установок: ДВС и электродвигателя, а это означало, что такой автомобиль всегда будет дороже, чем его конкуренты. Совсем недавно проведенный детальный анализ показал, что гибридный автомобиль может быть конкурентоспособным, когда более высокая стоимость компенсируется лучшей экономичностью и низкими вредными выбросами, которые являются результатом действия системы управления энергией, заключающейся в ее гибкости и способности запасать, регенерировать и сохранять энергию, которая теряется в обычных ДВС. Эти новые подходы привели к созданию фирмами Toyota и Honda гибридных автомобилей моделей Toyota Prius и Insight. Шасси гибридного автомобиля Toyota HV-M4 включает в себя адаптированный бензиновый силовой агрегат объемом 2,4 л, который расположен поперечно спереди. Наиболее очевидными новшествами являются: смонтированный сзади электродвигатель (с приводом на задние колеса) и батарея аккумуляторов, установленная выше. По утверждению фирмы Toyota, в 2003 г. автомобили Toyota Prius начали приносить прибыль фирме от их продажи.
Гибридный автомобиль Honda Insight представляет собой легковой автомобиль с двухместным кузовом купе и с гибридной силовой установкой. Силовой узел интегрирован так же, как и на автомобиле Toyota Prius, с использованием концепции Honda (IMA). Используется трехцилиндровый, 12-клапанный, однолитровый двигатель с электродвигателем-генератором, который расположен между двигателем и пятиступенчатой механической коробкой передач. Двигатель автомобиля Insight имеет мощность 68 л. с. и максимальный крутящий момент 91 Н•м при 4 800 мин -1 . При полном использовании электродвигателя мощность в среднем поднимается до 76 л. с., а максимальный крутящий момент увеличивается до 113 Н•м всего при 1 500 мин -1 , что показывает преимущество электродвигателя, который развивает максимальные крутящие моменты при низких оборотах. Эти цифры указывают также на то, что автомобиль Insight является гибридом в меньшей степени, чем Toyota Prius — ДВС и электродвигатель сбалансированы в большей степени. Гибридный автомобиль Insight отличается от тех гибридных автомобилей, которые демонстрировались в конце 90-х гг. компаниями Citroёn и FIAT, и каждый из которых был в большей степени электромобилем с небольшим ДВС и генераторами, которые заменили аккумуляторы. При разряженных аккумуляторах и двигателе, работающем в маломощном режиме, эти автомобили могли двигаться со скоростью не более 50 км/ч. В таких случаях ДВС использовался только как автономный источник электричества, увеличивая возможное расстояние от зарядной станции. В настоящее время многие автомобильные компании имеют свои опытные варианты гибридных автомобилей.

Более подробно о типах гибридных трансмиссий — в главе Гибридная трансмиссия

Система управления силовой установкой гибридного автомобиля (стр. 3 из 4)

Действующий образец ЭКОБУСа был официально представлен заводом-изготовителем в мае 2008 года. На сегодняшний день Экобус уже прошел все необходимые испытания, получил сертификаты качества и готовится к запуску в серийное производство. Планируется, что первые серийные Экобусы были выпущены и начали эксплуатироваться в конце 2009 года.

(Рис. 3 — ЭКОБУС) (Рис. 3.1 – Экобус,вид сзади)

Гибридный тяговый привод[Рис. 4] обеспечивает движение большого городского автобуса по маршруту с минимальными затратами топлива, уровнем шума и выбросами токсичных продуктов. В стандартный комплект электропривода входит асинхронный тяговый электродвигатель.

(Рис. 4 — Гибридный тяговый привод)

3.ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД гибридного автомобиля

3.1 Гибридная силовая установка

Гибридная силовая установка сочетает в себе современный двигатель внутреннего сгорания, технологически совмещенный с электромоторами. Весь комплекс управляется электронной системой, и конечно же все компоненты отличаются высочайшим качеством. Гибридная силовая установка управляет расходом энергии в зависимости от условий движения автомобиля.

Для начала движения и при движении на малых скоростях используется только электромотор.

-При наборе скорости батарея направляет свою энергию на блок управления электропитанием.

-Блок управления направляет энергию на электромоторы, расположенные в передней и задней частях автомобиля.

-Передний и задний электромоторы позволяют автомобилю плавно трогаться с места.

При движении автомобиля в нормальном режиме привод колес осуществляется за счет бензинового двигателя и электромоторов; энергия двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, который в свою очередь приводит в движение электромоторы.

Распределение энергии находится под контролем в целях обеспечения максимальной эффективности. При необходимости генератор также осуществляет зарядку батареи, отдавая ему излишки энергии.

1.Бензиновый двигатель разгоняет автомобиль, работая в нормальном режиме.

2.Для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от электромотора.

3.При работе в нормальном режиме бензиновый двигатель также снабжает энергией генератор.

4.Генератор может направлять излишки энергии на блок управления электропитанием.

1.При торможении кинетическая энергия преобразуется в электричество.

2.Электромоторы направляют его на блок управления электропитанием.

3.Блок управления электропитанием возвращает энергию на высоковольтную батарею. Бензиновый двигатель автомобиля работает в обычном режиме.

3.2 Вентильный двигатель(ВД)

Наиболее често в гибридных автомобилях в качестве тягового электропривода используется вентильный двигатель.

Вентильный электродвигатель — это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.

3.2.1Описание ВД

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор[Рис. 5] имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

(Рис. 5 Статор бесколлекторного электродвигателя)

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

3.2.4 Датчик положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающееся магнитное поле.

3.2.5 Система управления ВД

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера. Наличия микропроцессора требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем.

3.2.6 Принцип работы ВД

Принцип работы ВД, основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью ШИМ контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.[www.autoteh.com.ua]

3.2.6 Управление двигателем

Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.