2.3 Достоинства гибридного автомобиля
2.3.1 Экономная эксплуатация
Экономная эксплуатация - главное преимущество гибридов. Чтобы достичь её, необходимо было искать баланс, то есть уравновесить все технические показатели машины, но при этом сохранить все полезные параметры обычного автомобиля: его мощность, скорость, способность к быстрому разгону, и множество других, весьма важных характеристик, заложенных в современных автомобилях. Мало того, способность накапливать энергию, в том числе и не терять понапрасну кинетическую энергию движения во время торможения, а заряжать аккумуляторные батареи, помимо основных явных преимуществ, привнесло автолюбителям некоторые побочные «мелкие радости», например, меньший износ тормозных колодок.
Как была достигнута экономия:
-снижением объема и мощности двигателя;
-работа двигателя в оптимальном и равномерном режиме, в гораздо меньшей зависимости от условий езды;
-полная остановка работы двигателя, когда это необходимо;
-возможность движения только на электродвигателях;
-рекуперативное торможение с зарядкой аккумулятора.
Вся эта система до такой степени сложна, что стала возможна в полной мере только в современных условиях, с применением достаточно непростых алгоритмов работы бортового компьютера. Даже правильное и эффективное (с точки зрения безопасности) торможение управляется бортовым компьютером.
2.3.2 Экологическая чистота
Снижение расхода углеродного топлива, немедленно сказалось на экологической чистоте. Полная остановка работы двигателей в местах скопления автомобилей на дорогах городов, и прежде всего в пробках, имеет самую первостепенную роль. Применение же аккумуляторных батарей, гораздо меньшей емкости, чем в электромобилях, снизила проблему утилизации использованных аккумуляторов. Развитие гибридной технологии в общественном транспорте, и для грузовых автомобилей, ещё больше улучшит экологическую обстановку городов.
2.3.3 Хорошие ходовые характеристики
Теперь нет необходимости устанавливать двигатель из расчёта пиковых нагрузок эксплуатации. В момент, когда необходимо резкое усиление тяговой нагрузки, в работу включаются одновременно как электро-, так и обычный двигатель (а в некоторых моделях и дополнительный электродвигатель). Это позволяет сэкономить на установке менее мощного двигателя внутреннего сгорания, работающего основное время в наиболее благоприятном для себя режиме. Такое равномерное перераспределение и накопление мощности, с последующим быстрым использованием, позволяет использовать гибридные установки в автомобилях спортивного класса и внедорожниках. Несмотря на то, что электродвигатели обладают достаточно сильным крутящим моментом в пересчёте на массу и габариты двигателя, по сравнению с другими двигателями, разработчики всё же в ряде моделей устанавливают не слишком мощные электродвигатели, уменьшая их габариты. При этом, в целях суммирования мощностей, применяются комбинированные схемы передачи крутящего момента, с прямой передачей механического крутящего момента, непосредственно от двигателя. Такая схема называется «гибридно-совместный привод».
2.3.4 Увеличение дальности пробега
Время — это самый ценный ресурс для человека. Исключение половины заездов на заправочные станции, и даже большего количества таких заездов, при езде по городу, высвобождает у автовладельца некоторое количество времени для других больших и важных дел.
2.3.5 Сохранение и повторное использование энергии
Устранён главный недостаток двигателя на углеродном топливе — невозможность возврата энергии обратно в углеродное топливо. Инженеры по транспорту давно пытались сохранить энергию движения при торможении, чтобы её повторно использовать. Например, применялись специальные конструкции с большим маховиком. Но только электрическую энергию удаётся сохранить с самыми минимальными потерями и максимально дёшево. В качестве накопителя применяются как аккумуляторы, так и специальные конденсаторы.
2.3.6 Обычная заправка топливом
У электромобилей пока есть один большой недостаток — необходимость зарядки аккумулятора. Процесс долгий, и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом он становится непригодным для длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из наноматериалов до 80% ёмкости за 5-15 минут.
У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеродным топливом, тогда, когда это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.
В городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80% времени работает в режиме электромобиля. В феврале 2006 года автолюбители из США смогли взломать электронную систему управления Toyota Prius, и научились принудительно переключать автомобиль в режим электромобиля. Французская компания PSA Peugeot Citroen к 2010 году начнет серийное производство гибридных версий Peugeot 307 и Citroen C4. В автомобилях предусмотрен режим электромобиля на скоростях менее 50 км/ч. Водитель может по желанию включать режим электромобиля.
2.4 Недостатки гибридного автомобиля
2.4.1 Высокая сложность
Гибридные автомобили сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт автоиндустрии США говорит о том, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами.
Далеко не все крупные автопроизводители смогли создать собственную гибридную систему. Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не пыталась создать гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои усилия на разработке электромобилей. Наиболее удачная на сегодня серийная разработка — Hybrid Synergy Drive (произносится [ха́йбрид си́неджи драйв]) компанией Toyota.
2.4.2 Утилизация аккумуляторов
Гибридные автомобили, как и электромобили, хоть и в меньшей степени, подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал. А ведь оно может быть опасным.
2.4.3 Высокая стоимость некоторых моделей.
Естественно сложность и "нетрадиционность" создания некоторых моделей влечет за собой увеличение цены на автомобили.
2.5 Гибриды в городском транспорте
Наибольшее распространение гибридные автобусы получили в Северной Америке. General Motors с 2004 года к июню 2008 года поставил более чем в 30 городов США и Канады 1000 гибридных автобусов. Компания Orion Bus Industries к сентябрю 2009 года произвела 2200 гибридных автобусов [Рис. 2(б)]. Первые шесть гибридных автобусов в Лондоне начали эксплуатироваться в начале 2006 года First Automotive Works начала производство гибридных автобусов осенью 2005 года[Рис. 2(а)].
Рис.2(а) Рис. 2(б)
Гибридный автобус фирмы First Automotive Works
2.5.1 Экобус – транспорт будущего
Конструкторское бюро энгельсского ЗАО «Тролза» при содействии компании БПЦ Энергетические Системы разработало уникальную новинку-ЭКОБУС[Рис. 3, 3.1]. «ЭКОбус» - революционный транспорт в основу которого был положен микротурбинный двигатель Capstone. Если вдуматься в корни названия, то сразу становится ясно, что ЭКОбус - это экологически чистый автобус. «Экобус» - настоящая находка для современных городов. Мобильное, экологичное и экономичное транспортное средство, придя на замену загрязняющим атмосферу дизельным автобусам, позволит кардинально улучшить состояние окружающей среды. Теплый и уютный салон в сочетании с низкопольной платформой и бесшумным ходом сделают этот вид транспорта комфортным для пассажиров. Гибридный тяговый привод, в основе которого сверхэкологичный микротурбинный двигатель Capstone, обеспечивает движение по городским маршрутам с минимальными затратами топлива, уровнем шума и выбросами токсичных веществ, а при стоянке на остановках или в пробках вообще сводит их к нулю.
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.
3.1(а)Начало движения
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.
3.1.(б)Движение.
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.
3.1(в)Разгон.
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.
3.1.(г)Торможение.
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.
3.2.2 Статор
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)
3.2.3Ротор
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.
3.3 Достоинства и недостатки ВД
3.3.1 Достоинства и недостатки ВД
В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.
ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.
3.3.2Достоинства
Высокое быстродействие и динамика, точность позиционирования
Широкий диапазон изменения частоты вращения
Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина
Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
Большая перегрузочная способность по моменту
Высокие энергетические показатели (КПД более 90 % и cosφ более 0,95)
Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов
Низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками
3.3.2 Недостатки
Относительно сложная система управления двигателем
Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора
Во многих случаях оказывается более рациональным применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты.
Страницы: 1, 2
