Гибридный синергетический привод

Гибри́дный синергети́ческий при́вод (англ. Hybrid Synergy Drive, HSD; произносится [ха́йбрид си́неджи драйв]) — силовой агрегат гибридных автомобилей Toyota, конструктивная специфика которого предполагает параллельное (одновременное) использование на общем валу энергии двигателя внутреннего сгорания и тягового электродвигателя посредством планетарной передачи, что позволяет каждому из двигателей вращаться с любой доступной независимой друг от друга частотой, определяемой текущим режимом движения.^{[источник не указан 4504 дня]} Название происходит от термина синергия. Впервые применён в 1997 году в серийном автомобиле «Prius».

Основные элементы привода

Двигатель внутреннего сгорания (ICE)

Бензиновый, 4-цилиндровый, тип 1NZ-FXE или (2ZR-FXE) с изменяемыми фазами газораспределения, работающий по циклу Аткинсона, мощностью степень сжатия — 13:1.

Электрический вспомогательный мотор-генератор (MG1)

Асинхронный, с ротором на постоянных магнитах, мощностью 33 кВт.^{[источник не указан 369 дней]}

Электрический тяговый мотор-генератор (MG2)

Синхронный, с ротором на постоянных магнитах, мощностью 50 кВт.^{[источник не указан 369 дней]}

Планетарная передача гибридного привода

Плоская, однорядная, трёхзвенная, схемы СВЭ. Двигатель внутреннего сгорания соединён с водилом (В). Вспомогательный мотор-генератор соединён с солнцем (С). Тяговый мотор-генератор соединён с эпициклом/короной (Э).

Цепная передача

Отвечает за перенос энергии вращения (мощности) с оси гибридного привода на ось ведущей шестерни главной передачи.

Главная передача и межколёсный дифференциал

Главная передача — цилиндрическая, по типу главной передачи любого переднеприводного легкового автомобиля с поперечно расположенным двигателем. Межколёсный дифференциал — стандартного типа на конических шестернях.

Тяговая аккумуляторная батарея

Никель-металл-гидридная аккумулятор (рассчитана на весь срок службы автомобиля)

Инвертор

Отвечает за преобразование переменного тока мотор-генераторов в постоянный ток для заряда тяговой батареи.

Фазы работы

Внешние изображения
	Анимация работы

Механической основой элемента Power Split Device является простая трёхзвенная плоская планетарная передача. Планетарная передача здесь не имеет фиксированной роли и может работать и как планетарный редуктор с опорным звеном и как дифференциал. В качестве опорного звена (т.е. заторможенного) здесь на разных режимах работы могут выступать как связанный с тяговым мотор-генератором (MG2) эпицикл планетарной передачи, так и связанное с двигателем внутреннего сгорания (ICE) её водило.

Основной режим гибридного автомобиля — работа от двигателя внутреннего сгорания. Если замкнуть генератор постоянным сопротивлением, при любой смене дорожных условий система «пойдёт вразнос», одно плечо дифференциала почти остановится, а другое — будет крутиться с излишней скоростью. Потому компьютер рассчитывает, какое нужно передаточное число и какое оно сейчас, и в зависимости от этого сильнее или слабее нагружает генератор. Чем больше нагрузка на генератор, тем медленнее он вращается, и, соответственно, быстрее вращаются колёса — так электронный «вариатор» ставит высокую «передачу». Полученная с генератора энергия не пропадает даром — она идёт частично на подзарядку аккумулятора, частично на электродвигатель. При активном разгоне энергия идёт только на электродвигатель, ещё и аккумулятор помогает.

На небольшое время и на скоростях до 50 км/ч автомобиль может превратиться в полный электромобиль, ДВС при этом останавливается. Запас хода в таком режиме невелик (у Toyota Prius 4 не превышает 20 км^[1], у более ранних — до 2 км) — но этого хватит, чтобы не дымить в гараже или бесшумно отъехать. Задний ход у Toyota Prius также чисто электрический (в гибридных кроссоверах это решается вторым планетарным рядом).

При торможении компьютер выключает бензиновый двигатель, а электродвигатель переключается в режим генерации тока и возвращает энергию в батарею (рекуперация). Для резкого торможения есть и полноценные барабанные тормоза сзади и дисковые спереди (в первых Prius), дисковые на всех колёсах (для последующих).

Фактически, силовая установка автомобиля разбита на два модуля — электрическая подсистема отвечает за работу на переходных и установившихся режимах, подсистема внутреннего сгорания — только за работу на установившихся режимах. Такой подход кардинально меняет требования к двигателю внутреннего сгорания и целевые функции конструкторов при разработке всей силовой установки автомобиля, а не только одной трансмиссии, как, например, в опытной разработке General Motors, DaimlerChrysler AG и BMW «Two-Mode» (англ.), которая предназначена для гибридизации стандартных бензиновых или дизельных двигателей старых конструкций, разработанных без учёта работы в составе гибридного агрегата.

«Хайбрид Синерджи Драйв» оказался весьма удачным маркетинговым ходом компании во время подъёма движения по защите окружающей среды, приуроченном к экологической конференции в декабре 1998 года. ^[2] Несмотря на невысокие показатели расхода топлива автомобиля Prius с данным приводом, имел отличные преференции при налогообложении в ряде развитых стран. Фактически является переходной ступенью к электромобилям.

Проектирование гибридной силовой установки

Для создания гибридного привода необходимо следовать следующим пунктам:

1. Выбрав для расчетов эталонную тяговую систему и эталонный участок эксплуатации, необходимо произвести тяговые расчеты, чтобы получить характеристики при эксплуатации системы на данном участке. В результате расчетов мы получим информацию о расходе/избытке энергоресурсов, времени следования в том или ином режиме, характеристики мощности и другие необходимые для дальнейших расчетов показатели.

2. Далее, исходя из полученной схемы движения на участке, мы сможем определить количество энергии, которую тяговая система вырабатывает в излишек, к примеру, как в случае движения на спуск, и энергию, необходимую транспортному средству для того, чтобы держать двигатели в номинальном режиме работы в случаях, когда необходима максимальная мощность, как, например, при движении на подъём. Получив две эти величины, мы определим среднее значение энергии, которое будет отвечать требованиям минимальной достаточности для подачи на двигатели и полноты накопления в процессе эксплуатации, так как нецелесообразно ставить накопитель большого объёма, если за весь участок пути он так и не будет заряжен полностью.

3. На следующем этапе по полученным характеристикам мы определяем необходимую нам аккумуляторную батарею (либо объём любой иной аккумулирующей системы), её количество и компоновку. Для этого исходя из необходимой выдаваемой мощности, времени работы и напряжения батареи рассчитывается необходимый ток зарядки АКБ и её емкость. Имея две эти величины, можно начать подбор аккумуляторных батарей, ориентируясь уже только на стоимость, массогабаритные показатели, долговечность и устойчивость к перепадам нагрузок. Немаловажным моментом является компоновка системы аккумуляторных батарей, поскольку помимо того, что эту систему необходимо правильно разместить, от способа подключения батарей между собой зависит выходная мощность и емкость всей системы.

Преимущества и недостатки

Плюсы:

• Низкий расход топлива в городе, по отзывам владельца, иногда доходит до 2,6 л/100 км (3-е поколение), производитель указывает 4,2 л/100 км.
• Оптимизация ДВС по фазам газораспределения под один режим работы — плавное движение.
• Простое управление на минимальных скоростях: электродвигатель (при правильном охлаждении) позволяет двигаться сколь угодно медленно, вплоть до удержания на подъёме электротягой.
• Позволяет недалеко и недолго ездить на полной электротяге^[3].
• Из-за электродвигателя динамика разгона не уступает автомобилям-«одноклассникам», несмотря на слабый двигатель и высокую массу (Toyota Prius 4 — разгон 0→100 за 10 с).
• Высокая долговечность и ремонтопригодность, отсутствие необходимости в обслуживании, так как отсутствуют изнашиваемые элементы (фрикционы).

Минусы:

• Высокая стоимость.
• Повышенный расход топлива при равномерном ритме движения (по трассе)^[4].
• Сложная электрическая часть.
• Смешанный расход топлива практически совпадает с показателями дизельных автомобилей (Toyota Prius 2 (2005) — расход топлива, город/трасса/смешанный — 5/4.2/4.3 л/100 км^[5], Citroen C3 1.6HDi MT (2005) — расход топлива, город/трасса/смешанный — 5,7/3,8/4,5 л/100 км)^[6].
• В простейшем варианте задний ход только на электротяге (в гибридных кроссоверах решается вторым планетарным рядом).

См. также

• На Викискладе есть медиафайлы по теме Гибридный синергетический привод
• 1NZ-FXE
• Гибридный автомобиль
• Рекуперативное торможение
• Холостой ход

Примечания

Ссылки

• Технология гибридного привода
• Видеоролик о гибридном приводе Архивная копия от 17 мая 2006 на Wayback Machine
• «Общая мощность бензо-электрического агрегата…»

• Power Split Device (нем.)
• A Guide to Hybrid Synergy Drive (англ.)
• Macromedia flash info from Toyota on Hybrid Synergy Drive (HSD) (англ.)
• Фотографии плат контроллеров двигателя и электомотора (англ.)

• BMW, GM и Daimler потратят миллиард… (рус.)
• BMW, GM и Daimler: Two-Mode (рус.)
• Зачем менять фазы газораспределения

Эта страница в последний раз была отредактирована 2 апреля 2024 в 13:11.