Гибридные трансмиссии транспортных средств передают мощность на ведущие колеса гибридных транспортных средств . Гибридное транспортное средство имеет несколько форм движущей силы и может иметь множество конфигураций. Например, гибрид может получать энергию, сжигая бензин, но переключаться между электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания .
Типичная силовая установка включает в себя все компоненты, используемые для преобразования накопленной потенциальной энергии . Силовые установки могут использовать химическую, солнечную, ядерную или кинетическую энергию для движения. Самый старый пример — паровоз. Современные примеры включают электровелосипеды и гибридные электромобили , которые обычно объединяют батарею (или суперконденсатор ), дополненную двигателем внутреннего сгорания (ДВС), который может либо подзаряжать батареи, либо приводить в действие транспортное средство. Другие гибридные силовые установки могут использовать маховики для хранения энергии.
Среди различных типов гибридных транспортных средств по состоянию на 2017 год в продаже имеется только электрический/ICE тип. Одна разновидность работает параллельно, чтобы обеспечить питание от обоих двигателей одновременно. Другая работает последовательно , при этом один источник обеспечивает исключительно питание, а второй — электричество. Любой источник может обеспечивать основную движущую силу, а другой — дополнять основную.
Другие комбинации предлагают повышение эффективности за счет превосходного управления энергией и регенерации, что компенсируется стоимостью, сложностью и ограничениями батареи. Гибриды внутреннего сгорания и электричества (CE) имеют аккумуляторные батареи с гораздо большей емкостью, чем транспортное средство только с двигателем внутреннего сгорания. Гибрид внутреннего сгорания и электричества имеет легкие батареи, которые обеспечивают более высокую плотность энергии и стоят гораздо дороже. Для двигателей внутреннего сгорания требуется только батарея, достаточно большая для работы электрической системы и зажигания двигателя. [1]
Электромобили имеют долгую историю сочетания внутреннего сгорания и электрической трансмиссии – как в дизель-электрической силовой установке – хотя они в основном использовались для железнодорожных локомотивов . Дизель-электрическая силовая установка не соответствует строгому определению гибрида, поскольку электрическая приводная трансмиссия напрямую заменяет механическую трансмиссию, а не является дополнительным источником движущей силы.
Одной из самых ранних форм гибридного наземного транспортного средства был эксперимент с «безрельсовым» троллейбусом в Соединенных Штатах (Нью-Джерси), который проводился с 1935 по 1948 год и который обычно использовал тяговый ток, подаваемый по проводам. Троллейбус был оснащен двигателем внутреннего сгорания для непосредственного питания механической трансмиссии, а не для выработки электроэнергии для тягового двигателя. Это позволило использовать транспортное средство для коммерческих перевозок там, где не было контактного провода.
С 1990-х годов появились гибридные троллейбусы с небольшими силовыми установками, которые обеспечивали возможность движения на низкой скорости в аварийных ситуациях и при техническом обслуживании, но не для поддержки общих коммерческих перевозок.
Параллельные гибридные системы имеют как двигатель внутреннего сгорания, так и электродвигатель, которые могут по отдельности приводить в движение автомобиль или оба в паре, обеспечивая привод. Это самая распространенная гибридная система по состоянию на 2016 год.
Если они соединены на оси (параллельно) , скорости на этой оси должны быть идентичны, а прилагаемые крутящие моменты будут складываться (большинство электровелосипедов относятся к этому типу). Когда используется только один из двух источников, другой должен быть подключен через одностороннюю муфту или обгонную муфту , чтобы он мог свободно вращаться.
В автомобилях оба источника могут быть применены к одному и тому же валу (например, с электродвигателем, подключенным между двигателем и трансмиссией), вращаясь с одинаковой скоростью, а крутящие моменты складываются, при этом электродвигатель добавляет или вычитает крутящий момент из системы по мере необходимости. (Первые два поколения Honda Insight используют эту систему.)
Параллельные гибриды можно дополнительно классифицировать по балансу между различными двигателями, обеспечивающими движущую силу: ДВС может быть доминирующим (задействуя электродвигатель только в определенных обстоятельствах) или наоборот; в других случаях они могут работать только от электрической системы, но поскольку современные параллельные гибриды не способны работать только в электрическом режиме или режиме внутреннего сгорания, их часто относят к категории умеренных гибридов (см. ниже).
Параллельные гибриды больше полагаются на рекуперативное торможение , а ДВС также может выступать в качестве генератора для дополнительной подзарядки. Это делает их более эффективными в городских условиях «стоп-энд-гоу». Они используют меньший аккумуляторный блок, чем другие гибриды. Ранние гибриды Honda Insight, Civic и Accord, использующие IMA, являются примерами серийных параллельных гибридов. [2] Параллельные гибридные грузовики General Motors (PHT) и гибриды BAS, такие как гибриды Saturn Vue и Aura Greenline и Chevrolet Malibu, также используют параллельную гибридную архитектуру.
Альтернативный параллельный гибрид — это тип «через дорогу». [3] [4] В этой системе обычная трансмиссия приводит в действие одну ось, а электродвигатель или двигатели приводят в действие другую. Такая компоновка использовалась в самых первых «внедорожных» троллейбусах. По сути, она обеспечивает полную резервную силовую передачу. В современных двигателях батареи можно подзаряжать посредством рекуперативного торможения или путем загрузки электроприводных колес во время движения. Это позволяет использовать более простой подход к управлению питанием. Такая компоновка также имеет преимущество, поскольку в некоторых условиях обеспечивается полный привод. (Примером этого принципа является велосипед, оснащенный передним мотор-колесом, который помогает велосипедисту вращать педали на заднем колесе.) К транспортным средствам этого типа относятся концепт-кары Audi 100 Duo II и Subaru VIZIV , Peugeot 3008 , Peugeot 508 , 508 RXH , Citroën DS5 (все используют систему HYbrid4 от PSA ), подключаемый гибрид Volvo V60 , BMW 2 серии Active Tourer , BMW i8 и второе поколение Honda NSX .
Последовательные гибриды также называются электромобилями с увеличенным запасом хода (EREV) [5] или электромобилями с увеличенным запасом хода (REEV) или электромобилями с увеличенным запасом хода (EVER). Все последовательные гибриды — это EREV, REEV или EVER, но не все EREV, REEV или EVER являются последовательными гибридами. Последовательные гибриды с определенными характеристиками классифицируются как электромобили с увеличенным запасом хода (BEVx) Калифорнийским советом по воздушным ресурсам . [6]
Электрические трансмиссии были изобретены в 1903 году. Механические трансмиссии влекут за собой расходы из-за своего веса, объема, шума, стоимости, сложности и расхода мощности двигателя при каждом переключении передач, что влияет как на ручные, так и на автоматические системы. В отличие от ДВС, электродвигатели обычно не требуют трансмиссии.
По сравнению с параллельными гибридами механическая передача между двигателем и колесами отбрасывается. Вместо этого двигатель действует как электрогенератор, присоединенный к аккумулятору через кабель. Связь осуществляется от двигателя к аккумулятору, к электродвигателю к колесам. В некоторых случаях генератор также напрямую подключается к двигателю.
Такая последовательная компоновка распространена в тепловозах и судах (русское речное судно «Вандал» , спущенное на воду в 1903 году, было первым в мире судном с дизельным и дизель-электрическим приводом). Фердинанд Порше успешно использовал эту компоновку в начале 20 века в гоночных автомобилях, включая Lohner–Porsche Mixte Hybrid . Порше назвал систему System Mixte, которая имела мотор-ступицу колеса , с двигателем в каждом из двух передних колес, устанавливая рекорды скорости.
Такой подход изолирует двигатель от спроса, позволяя ему работать только на самой эффективной скорости. Двигатель может быть намного меньше, поскольку ему не нужно приспосабливаться к высокой скорости/ускорению. Тяговые двигатели обычно питаются только от аккумулятора, который также можно заряжать от внешних источников.
Линия e-Power от Nissan ( Note , [7] Serena , [8] Kicks , [9] X-Trail , [10] и Qashqai ) [11] использует двигатель для привода генератора и тягового электродвигателя EM57. [12] Mazda MX -30 опционально оснащается расширителем запаса хода. [13] BMW i3 подключал генератор только к аккумулятору. Гибридные транзитные автобусы ThunderVolt [14] и транзитные автобусы, оснащенные силовыми агрегатами BAE Systems (ранее Lockheed Martin ) HybriDrive, также являются последовательными гибридами. [15] [16]
Электродвигатели более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, с высоким отношением мощности к весу, обеспечивающим крутящий момент в широком диапазоне скоростей. Двигатели внутреннего сгорания наиболее эффективны при вращении с постоянной скоростью.
ДВС могут работать оптимально при вращении генератора. Последовательно-гибридные системы обеспечивают более плавное ускорение, избегая переключения передач. Последовательно-гибридные системы включают:
Кроме того:
Электродвигатель может питаться электричеством от аккумулятора или через генератор, вращаемый ДВС, или и то, и другое. Такое транспортное средство концептуально напоминает дизель-электрический локомотив с добавлением аккумулятора, который может питать транспортное средство без запуска ДВС и действовать как энергетический буфер, который используется для ускорения и достижения большей скорости; генератор может одновременно заряжать аккумулятор и питать электродвигатель, который приводит в движение транспортное средство.
Когда автомобиль останавливается, ICE отключается без холостого хода, в то время как аккумулятор обеспечивает всю необходимую мощность в состоянии покоя. Транспортным средствам на светофорах или в медленно движущемся потоке с остановками не нужно сжигать топливо, когда они стоят или движутся медленно, что снижает выбросы.
Последовательные гибриды могут быть оснащены суперконденсатором или маховиком для хранения рекуперативной энергии торможения, что может повысить эффективность за счет рекуперации энергии, которая в противном случае терялась бы в виде тепла через тормозную систему. Поскольку последовательный гибрид не имеет механической связи между ДВС и колесами, двигатель может работать с постоянной и эффективной скоростью независимо от скорости транспортного средства, достигая более высокой эффективности (37%, а не в среднем для ДВС 20% [17] ), а на низких или смешанных скоростях это может привести к увеличению общей эффективности примерно на 50% (19% против 29%).
Lotus предложила конструкцию двигатель/генераторной установки, которая работает на двух скоростях, выдавая 15 кВт электрической мощности при 1500 об/мин и 35 кВт при 3500 об/мин через встроенный электрический генератор [18] , используемый в концепте Nissan Infiniti Emerg-e .
Этот рабочий профиль обеспечивает большую свободу действий для альтернативных конструкций двигателей, таких как микротурбина , [ 19] роторный двигатель с циклом Аткинсона или линейный двигатель внутреннего сгорания . [20]
ДВС подбирается к электродвигателю путем сравнения выходных показателей на крейсерской скорости . Обычно выходные показатели двигателей внутреннего сгорания приводятся для мгновенных (пиковых) выходных показателей, [21] но на практике их использовать нельзя.
Использование электродвигателя, приводящего в движение колесо напрямую, исключает необходимость использования традиционных механических элементов трансмиссии: коробки передач, трансмиссионных валов и дифференциала, а иногда и гибких муфт .
В 1997 году Toyota выпустила первый серийно-гибридный автобус, проданный в Японии. [22] Designline International из Эшбертона, Новая Зеландия, производит городские автобусы с серийно-гибридной системой, работающей на микротурбине . Wrightbus производит серийно-гибридные автобусы, включая Gemini 2 и New Routemaster . Суперконденсаторы в сочетании с литий-ионным аккумулятором использовались AFS Trinity в переоборудованном внедорожнике Saturn Vue. Используя суперконденсаторы, они заявляют о расходе топлива до 150 миль на галлон в последовательно-гибридной компоновке. [23]
Известные серийные гибридные модели автомобилей включают вариант BMW i3 , который оснащен расширителем диапазона. Другим примером серийного гибридного автомобиля является Fisker Karma . Chevrolet Volt — это почти серийный гибрид, но также включает механическую связь между двигателем и колесами на скорости выше 70 миль в час. [24] [25]
Последовательные гибриды были приняты авиационной промышленностью. DA36 E-Star, самолет, разработанный Siemens , Diamond Aircraft и EADS , использует последовательную гибридную трансмиссию с пропеллером, вращаемым электродвигателем Siemens мощностью 70 кВт (94 л. с.). Энергосберегающий блок снижения скорости пропеллера устранен. Цель состоит в том, чтобы сократить расход топлива и выбросы до 25 процентов. Бортовой роторный двигатель и генератор Austro Engine Wankel мощностью 40 л. с. (30 кВт) обеспечивают электроэнергию.
Двигатель Ванкеля был выбран из-за его небольшого размера, малого веса и большого соотношения мощности к весу. (Двигатели Ванкеля также эффективно работают при постоянной скорости около 2000 об/мин, что подходит для работы генератора. Соблюдение постоянного/узкого диапазона компенсирует многие из предполагаемых недостатков двигателя Ванкеля в автомобильных приложениях. [26] )
Электродвигатель пропеллера использует электроэнергию, хранящуюся в батареях, при неработающих двигателях, для взлета и набора высоты, снижая уровень шума. Силовая установка снижает вес самолета на 100 кг по сравнению с его предшественником. DA36 E-Star впервые поднялся в воздух в июне 2013 года, что сделало этот полет первым в истории полетом серийной гибридной силовой установки. Diamond Aircraft заявляет, что технология масштабируется до 100-местного самолета. [27] [28]
Если двигатели прикреплены к кузову транспортного средства, гибкие муфты требуются, но не если тяговые двигатели встроены в колеса . Одним из недостатков является то, что неподрессоренная масса увеличивается, а отзывчивость подвески уменьшается, что влияет на езду и потенциальную безопасность. Однако влияние должно быть минимальным, поскольку электродвигатели в ступицах колес, таких как Hi-Pa Drive , могут быть очень маленькими и легкими, имея исключительно высокое отношение мощности к весу , а тормозные механизмы могут быть легче, поскольку двигатели колес тормозят транспортное средство.
Преимущества отдельных колесных двигателей включают упрощенное управление тягой , полный привод при необходимости и более низкий пол (полезно для автобусов и других специализированных транспортных средств (некоторые военные автомобили с полным приводом 8x8 используют отдельные колесные двигатели). Дизель-электрические локомотивы использовали эту концепцию (отдельные двигатели, приводящие в движение оси каждой пары колес) в течение 70 лет. [29] [ необходима полная цитата ]
Другие меры включают легкие алюминиевые колеса для снижения неподрессоренной массы колесной сборки; конструкции транспортных средств могут быть оптимизированы для понижения центра тяжести путем размещения более тяжелых элементов (включая аккумулятор) на уровне пола; в типичном дорожном транспортном средстве установка трансмиссии может быть меньше и легче, чем эквивалентная традиционная механическая установка трансмиссии, что освобождает пространство; для генераторной установки внутреннего сгорания требуются только кабели для приводных электродвигателей, что повышает гибкость в размещении основных компонентов по всему транспортному средству, обеспечивая превосходное распределение веса и максимально увеличивая пространство в салоне транспортного средства, а также открывая возможность для превосходных конструкций транспортных средств, использующих эту гибкость.
Гибрид с разделением мощности или последовательно-параллельный гибрид — это параллельные гибриды, которые включают устройства разделения мощности, позволяющие использовать пути мощности от ДВС к колесам, которые могут быть как механическими, так и электрическими. Основной принцип заключается в разделении мощности, поставляемой первичным источником, от мощности, требуемой водителем.
Выходной крутящий момент ICE минимален на низких оборотах, и обычные транспортные средства увеличивают размер двигателя, чтобы соответствовать требованиям рынка для приемлемого начального ускорения. Более крупный двигатель имеет большую мощность, чем необходимо для крейсерской езды. Электродвигатели вырабатывают полный крутящий момент на стоянке и хорошо подходят для восполнения дефицита крутящего момента ICE на низких оборотах. В гибриде с разделением мощности можно использовать меньший, менее гибкий и более эффективный двигатель. Обычный цикл Отто (более высокая плотность мощности, больший крутящий момент на низких оборотах, меньшая топливная экономичность ) часто модифицируется в цикл Аткинсона или цикл Миллера (более низкая плотность мощности, меньший крутящий момент на низких оборотах, более высокая топливная экономичность; иногда его называют циклом Аткинсона-Миллера). Меньший двигатель, использующий более эффективный цикл и часто работающий в благоприятной области карты удельного расхода топлива на торможение , вносит значительный вклад в более высокую общую эффективность транспортного средства.
Интересными вариациями простой конструкции (на фото справа), встречающимися, например, в известной Toyota Prius, являются:
Гибридная система Toyota THS / Hybrid Synergy Drive имеет одно устройство разделения мощности (встроенное в виде одной трехвальной планетарной передачи) и может быть классифицирована как Input-Split, поскольку мощность двигателя разделяется на входе в трансмиссию. Это, в свою очередь, делает эту установку очень простой с механической точки зрения, но имеет свои недостатки. Например, в HSD поколения 1 и поколения 2 максимальная скорость в основном ограничена скоростью меньшего электродвигателя (часто функционирующего как генератор). HSD поколения 3 разделяет путь ICE-MG1 от пути MG2, каждый со своим собственным, адаптированным передаточным отношением (1,1:1 и 2,5:1 соответственно для поздних Prius, включая Prius c). HSD поколения 4 устраняет второй планетарный набор передач и размещает электродвигатели на параллельных осях с объединяющей передачей между этими осями и передает объединенный результат на дифференциал главной передачи. Это очень похоже на гибридную систему Aisin Seiki , аффилированную с Toyota, и позволяет сэкономить значительное пространство.
General Motors , BMW и DaimlerChrysler объединились в работе над системой под названием «Two-Mode Hybrid» в рамках Глобального гибридного сотрудничества . Технология была представлена осенью 2007 года на Chevrolet Tahoe Hybrid . Система также была представлена на концептуальном автомобиле GMC Graphite SUV на Североамериканском международном автосалоне 2005 года в Детройте . [32] Седан F3DM от BYD Auto — это последовательно-параллельный подключаемый гибридный автомобиль, который поступил в продажу в Китае в 2008 году. [33] [34] [35]
Название Two-Mode Hybrid подчеркивает способность трансмиссии работать в полностью электрическом (Mode 1, или Input-Split ), а также в гибридном (Mode 2, или Compound-Split ) режимах. Конструкция позволяет работать в более чем двух режимах. Доступны два режима разделения мощности, а также несколько режимов с фиксированной передачей (по сути, параллельный гибрид). Такая конструкция может называться многорежимной конструкцией. [36] Конструкция двухрежимной гибридной трансмиссии может быть классифицирована как конструкция с составным разделением, поскольку добавление четырех сцеплений в трансмиссию позволяет использовать несколько конфигураций разделения мощности двигателя. В дополнение к сцеплениям эта трансмиссия имеет вторую планетарную передачу. Целью конструкции является изменение процента механически и электрически передаваемой мощности, чтобы справляться как с низкоскоростными, так и с высокоскоростными условиями эксплуатации. Это позволяет двигателям меньшего размера выполнять работу двигателей большего размера по сравнению с однорежимными системами, поскольку полученная электрическая пиковая мощность пропорциональна ширине диапазона непрерывного изменения. Четыре фиксированные передачи позволяют двухрежимному гибриду функционировать как обычный параллельный гибрид в областях высокой непрерывной мощности, таких как устойчивая высокоскоростная крейсерская езда или буксировка прицепа. Полный электрический наддув доступен в режимах с фиксированной передачей. [37]
Они содержат две разные системы рекуперации энергии. Это поперечная категоризация.
Микрогибрид — это общий термин, используемый для транспортных средств, которые используют некоторый тип системы «старт-стоп» для автоматического выключения двигателя на холостом ходу . Строго говоря, микрогибриды не являются настоящими гибридными транспортными средствами, поскольку они не используют два разных источника энергии. [38]
Мягкие гибриды по сути являются обычными транспортными средствами с некоторым гибридным оборудованием, но с ограниченными гибридными функциями. Обычно они представляют собой параллельный гибрид с системой «старт-стоп» и умеренными уровнями помощи двигателю или рекуперативного торможения. Мягкие гибриды, как правило, не могут обеспечить полностью электрическую тягу.
Мягкие гибриды, такие как General Motors 2004–2007 Parallel Hybrid Truck (PHT) и Honda Eco-Assist hybrids, оснащены трехфазным электродвигателем, установленным в колоколе между двигателем и трансмиссией, что позволяет выключать двигатель, когда грузовик движется по инерции, тормозит или останавливается, но быстро перезапускать его для обеспечения питания. Аксессуары могут продолжать работать на электропитании, когда двигатель выключен, и, как и в других гибридных конструкциях, рекуперативное торможение возвращает энергию. Большой электродвигатель раскручивает двигатель до рабочих оборотов перед впрыском топлива.
Chevrolet Silverado PHT 2004–2007 годов был полноразмерным пикапом . Chevrolet удалось повысить эффективность на 10% за счет отключения и повторного запуска двигателя по требованию и использования рекуперативного торможения. Электрическая энергия использовалась только для привода таких вспомогательных устройств, как усилитель рулевого управления. GM PHT использовал 42-вольтовую систему через три 12-вольтовых свинцово-кислотных аккумулятора с вентиляцией , соединенных последовательно (всего 36 В) для подачи мощности, необходимой для пускового двигателя, а также для питания электронных аксессуаров.
Затем General Motors представила свою систему BAS Hybrid , еще одну реализацию мягкого гибрида, официально выпущенную на Saturn Vue Green Line 2007 года . Ее функциональность «старт-стоп» работает аналогично Silverado, хотя и через ременное соединение с блоком двигателя/генератора. Однако гибридная система GM BAS также может оказывать скромную помощь при ускорении и во время равномерного движения, а также улавливает энергию во время рекуперативного (смешанного) торможения. BAS Hybrid показала улучшение комбинированной топливной экономичности на 27% в тестировании EPA Saturn VUE 2009 года. [39] Эту систему также можно найти на гибридах Saturn Aura Green Line 2008–2009 годов и Chevrolet Malibu 2008–2010 годов .
Другой способ предложить старт/стоп — использовать двигатель со статическим стартом. Такой двигатель не требует стартера, но использует датчики для определения точного положения каждого поршня, а затем точно синхронизирует впрыск и зажигание топлива, чтобы запустить двигатель. [40]
Мягкие гибриды иногда называют гибридами с поддержкой мощности , поскольку они используют ДВС в качестве первичной мощности, а электродвигатель, повышающий крутящий момент, подключен к (в основном) обычной силовой передаче. Электродвигатель устанавливается между двигателем и трансмиссией. По сути, это большой стартерный двигатель, который работает, когда двигатель нужно включить, и когда водитель «нажимает на газ» и требует дополнительной мощности. Электродвигатель также может перезапускать двигатель внутреннего сгорания и выключать основной двигатель на холостом ходу, в то время как улучшенная система аккумуляторов используется для питания аксессуаров. [ необходима цитата ] GM анонсировала мягкие гибриды Buick LaCrosse и Buick Regal, получившие название Eassist.
До 2015 года гибриды Honda, включая Insight , использовали эту конструкцию, используя их опыт в небольших эффективных бензиновых двигателях; их система называется Integrated Motor Assist (IMA). Гибриды IMA не могут обеспечить движение только на электрической энергии. Однако, поскольку количество необходимой электрической энергии намного меньше, размер системы уменьшается.
Еще одной разновидностью является гибридная система Saturn Vue Green Line BAS, в которой используется меньший электродвигатель (установленный сбоку двигателя) и аккумуляторная батарея, чем в Honda IMA, но функционирует она аналогично.
Другой вариант этого типа — система e-4WD от Mazda , предлагаемая на Mazda Demio, продаваемой в Японии. [41] Этот переднеприводный автомобиль имеет электродвигатель, который может приводить в движение задние колеса, когда требуется дополнительная тяга . Система отключается во всех других условиях вождения, поэтому она не повышает производительность или экономичность напрямую, но позволяет использовать меньший и более экономичный двигатель относительно общей производительности.
В рекламе Escape Hybrid компания Ford назвала гибриды Honda «мягкими», утверждая, что полностью гибридная конструкция Escape более эффективна.
Genesis G90 и Genesis GV80 Coupe предлагают мягкие гибридные варианты с электрическим нагнетателем . [42] [43]
Они содержат две различные системы рекуперации энергии.
Mercedes -Benz C-Class (W206) , Mercedes-AMG SL 43 (R232) , Mercedes-AMG CLE 53, бензиновый Mercedes C254/X254 и Porsche 911 Carrera GTS T-Hybrid имеют турбокомпрессор с электроприводом / MGU-H . [44] [45] [46]
Полный гибрид , иногда также называемый сильным гибридом , — это транспортное средство, которое может работать только от двигателя, аккумуляторов или их комбинации. 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 , Toyota Sienna Hybrid , а также двухрежимные гибридные грузовики и внедорожники General Motors являются примерами этого типа гибридизации, поскольку они могут работать только от аккумулятора. Большая батарея высокой емкости обеспечивает работу только от аккумулятора. Эти транспортные средства имеют разделенный путь мощности, что обеспечивает большую гибкость в трансмиссии за счет взаимного преобразования механической и электрической мощности. Чтобы уравновесить силы от каждой части, транспортные средства используют дифференциальную связь между двигателем и электродвигателем, подключенными к головной части трансмиссии.
Фирменное наименование Toyota для этой технологии — Hybrid Synergy Drive , которая используется в Prius, Highlander Hybrid SUV и Camry Hybrid . Компьютер контролирует работу системы, определяя, как смешивать источники энергии. Операции Prius можно разделить на шесть различных режимов:–
Они содержат две различные системы рекуперации энергии.
Примером двойных гибридов являются автомобили Формулы-1 . См. Двигатели Формулы-1#2014–2021 и Двигатели Формулы-1#2022–2025 .
Еще один — Porsche 919 Hybrid .
Проект Infiniti Black S был отменен.
Подключаемый гибридный электромобиль (PHEV) имеет две определяющие характеристики. Он:
Они являются полными гибридами, способными работать от аккумулятора. Они предлагают большую емкость аккумулятора и возможность подзарядки от сети . Они могут быть как параллельными, так и последовательными. Их также называют газовыми опциональными или сетевыми гибридами. Их главное преимущество в том, что они могут быть независимыми от бензина на значительных расстояниях, с увеличенным запасом хода ICE для более длительных поездок. Исследования Института исследований электроэнергетики показали более низкую совокупную стоимость владения для PHEV из-за снижения затрат на обслуживание и постепенного улучшения технологии аккумуляторов. Эффективность « от скважины до колеса » и выбросы PHEV по сравнению с бензиновыми гибридами зависят от источников энергии в сети (сеть США на 30% состоит из угля ; сеть Калифорнии в основном состоит из природного газа , гидроэлектроэнергии и энергии ветра ).
Прототипы PHEV с более крупными аккумуляторными батареями, которые можно было заряжать от электросети, были построены в США, в частности в Гибридном центре Энди Фрэнка [47] в Калифорнийском университете в Дэвисе . Один из серийных PHEV, Renault Kangoo , поступил в продажу во Франции в 2003 году. DaimlerChrysler построил PHEV на базе фургона Mercedes-Benz Sprinter . Легкие грузовики предлагаются Micro-Vett SPA [48] так называемые Daily Bimodale.
California Cars Initiative переделала Toyota Prius 2004 года и более новые модели в прототип того, что она называет PRIUS+. С добавлением 140 кг (300 фунтов) свинцово-кислотных аккумуляторов , PRIUS+ достиг примерно вдвое большего пробега на бензине , чем стандартный Prius, и мог совершать поездки на расстояние до 16 километров (10 миль) с использованием только электроэнергии. [49]
Китайский производитель аккумуляторов и автопроизводитель BYD Auto выпустил компактный седан F3DM на китайский рынок 15 декабря 2008 года, [50] [51] позже замененный подключаемым гибридом BYD Qin . [52] [53]
General Motors начала поставки Chevrolet Volt в США в декабре 2010 года, [5] а его родной брат, Opel Ampera, был выпущен в Европе в начале 2012 года. [54] [55] По состоянию на ноябрь 2012 года [обновлять]другими подключаемыми гибридами, доступными на нескольких рынках, были Fisker Karma , Toyota Prius Plug-in Hybrid и Ford C-Max Energi .
По состоянию на октябрь 2012 года [обновлять]самым продаваемым PHEV является Volt, с более чем 33 000 единиц семейства Volt/Ampera, проданных по всему миру с декабря 2010 года, во главе с продажами в США в размере 27 306, [56] [57] за которыми следуют Нидерланды с 2 175 проданными Ampera по состоянию на октябрь 2012 года. [58] [59] Prius Plug-in Hybrid был продан в количестве 21 600 единиц по всему миру по состоянию на октябрь 2012 года, с продажами в США в размере 9 623 единиц, за которыми следует Япония с 9 500 единицами. [57] [60] Совсем недавно 4xe-вариации Jeep Wrangler и Jeep Grand Cherokee стали самыми продаваемыми PHEV в США, продав соответственно 67 429 и 45 684 единиц в календарном 2023 году. [61]
Они содержат две различные системы рекуперации энергии.
Mercedes -AMG ONE — это подключаемый двойной гибрид.
Mercedes -Benz C-Class (W206) и Mercedes C254/X254 также имеют турбокомпрессор с электроприводом / MGU-H . [62] [45]
Существует множество способов создания гибрида электрического двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Разнообразие конструкций электрических ДВС можно дифференцировать по тому, как соединяются электрические и топливные части силовой установки, в какое время каждая часть находится в работе и какой процент мощности обеспечивается каждым гибридным компонентом. Две основные категории — это последовательные гибриды и параллельные гибриды , хотя сегодня наиболее распространены параллельные конструкции .
Большинство гибридов, независимо от конкретного типа, используют рекуперативное торможение для восстановления энергии при замедлении автомобиля. Это просто включает в себя приведение в действие двигателя, который действует как генератор.
Многие конструкции также отключают двигатель внутреннего сгорания, когда он не нужен, чтобы экономить энергию. Эта концепция не является уникальной для гибридов; Subaru впервые применила эту функцию в начале 1980-х годов, а Volkswagen Lupo 3L является одним из примеров обычного автомобиля, который отключает свой двигатель во время остановки. Однако необходимо предусмотреть некоторые положения для таких аксессуаров, как кондиционер , которые обычно приводятся в действие двигателем. Кроме того, системы смазки двигателей внутреннего сгорания по своей природе наименее эффективны сразу после запуска двигателя; поскольку именно при запуске происходит большая часть износа двигателя, частые запуски и остановки таких систем значительно сокращают срок службы двигателя. [ сомнительно – обсудить ] Кроме того, циклы запуска и остановки могут снизить способность двигателя работать при оптимальной температуре, тем самым снижая его эффективность.
Транспортные средства на топливных элементах часто оснащаются аккумуляторной батареей или суперконденсатором для обеспечения пиковой мощности ускорения и уменьшения ограничений по размеру и мощности топливного элемента (и, следовательно, его стоимости); по сути, это также последовательная гибридная конфигурация.
Гидравлический гибридный автомобиль использует гидравлические и механические компоненты вместо электрических. Насос переменного объема заменяет электродвигатель/генератор. Гидравлический аккумулятор хранит энергию. Сосуд обычно несет гибкий баллон предварительно заряженного сжатого азотного газа. Перекачиваемая гидравлическая жидкость сжимается в баллоне, сохраняя энергию в сжатом азотном газе. Некоторые версии имеют поршень в цилиндре, а не напорный баллон. Гидравлический аккумулятор потенциально дешевле и долговечнее батарей. Гидравлическая гибридная технология была первоначально реализована в Германии в 1930-х годах. Volvo Flygmotor экспериментально использовала петрогидравлические гибриды в автобусах с начала 1980-х годов.
Первоначальная концепция включала гигантский маховик (см. Gyrobus ) для хранения, соединенный с гидростатической трансмиссией. Система разрабатывается Eaton и несколькими другими компаниями, в основном для тяжелых транспортных средств, таких как автобусы, грузовики и военные автомобили. Примером может служить концептуальный грузовик Ford F-350 Mighty Tonka, показанный в 2002 году. Он оснащен системой Eaton, которая может разгонять грузовик до скоростей шоссе.
Компоненты системы были дорогими, что исключало установку в меньшие грузовики и автомобили. Недостатком было то, что силовые двигатели были недостаточно эффективны при частичной нагрузке. Фокус переключился на меньшие автомобили. Британская компания Artemis Intelligent Power совершила прорыв, представив гидравлический двигатель/насос с электронным управлением, который эффективен во всех диапазонах и нагрузках, что сделало возможным небольшое применение петрогидравлических гибридов. [63] Компания переделала автомобиль BMW, чтобы доказать жизнеспособность. BMW 530i показал вдвое больше миль на галлон при езде по городу по сравнению со стандартным автомобилем. В тесте использовался стандартный двигатель объемом 3000 куб. см. Петрогидравлические гибриды позволяют уменьшить размер двигателя до среднего потребления мощности, а не пикового потребления мощности. Пиковая мощность обеспечивается энергией, хранящейся в аккумуляторе. [64]
Скорость восстановления кинетической энергии торможения выше, и поэтому система более эффективна, чем гибриды с аккумуляторной батареей 2013 года, демонстрируя увеличение экономичности на 60–70 % в тестах Агентства по охране окружающей среды. [65] В тестах Агентства по охране окружающей среды гидравлический гибрид Ford Expedition показал расход топлива 32 мили на галлон США (7,4 л/100 км) при городском вождении и 22 мили на галлон США (11 л/100 км) на шоссе. [66]
Целью одной исследовательской компании было создание новой конструкции для улучшения упаковки бензиново-гидравлических гибридных компонентов. Все громоздкие гидравлические компоненты были интегрированы в шасси. Одна конструкция, как утверждается, достигла 130 миль на галлон в испытаниях с использованием большого гидравлического аккумулятора, который также является структурным шасси. Гидравлические приводные двигатели встроены в ступицы колес и реверсируют для рекуперации энергии торможения. Цель составляет 170 миль на галлон в средних условиях вождения. Энергия, создаваемая амортизаторами, и кинетическая энергия торможения, которая обычно тратится впустую, помогает заряжать аккумулятор. ДВС, рассчитанный на использование средней мощности, заряжает аккумулятор. Аккумулятор рассчитан на работу автомобиля в течение 15 минут при полной зарядке. [67] [68] [69]
В январе 2011 года Chrysler объявил о партнерстве с EPA с целью проектирования и разработки экспериментальной бензиново-гидравлической гибридной силовой установки, пригодной для использования в легковых автомобилях. Chrysler адаптировал существующий серийный минивэн к силовой установке. [70] [71] [72] [73] [74]
NRG Dynamix из США заявила, что ее подход снизил стоимость на треть по сравнению с электрическими гибридами и добавил всего 300 фунтов (136 кг) к весу автомобиля по сравнению с 1000 фунтами (454 кг) для электрических гибридов. Компания заявила, что стандартный пикап с 2,3-литровым 4-цилиндровым двигателем достигал 14 миль на галлон (16,8 л/100 км) при движении по городу. При использовании петрогидравлической установки экономия топлива достигла «середины 20-х годов». [75]
Сжатый воздух может питать гибридный автомобиль с бензиновым компрессором для обеспечения мощности. Motor Development International во Франции разрабатывала такие автомобили с пневматическим приводом. Команда под руководством Цу-Чин Цао, профессора механики и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе , сотрудничала с инженерами Ford, чтобы запустить пневматическую гибридную технологию. Система похожа на систему гибридно-электрического автомобиля в том, что энергия торможения используется и сохраняется для помощи двигателю по мере необходимости во время ускорения.
Многие наземные и водные транспортные средства используют человеческую силу в сочетании с дополнительным источником энергии. Распространены параллельные гибриды, например, парусная лодка с веслами, моторизованные велосипеды или гибридное транспортное средство с человеком и электричеством, такое как Twike . Существуют некоторые последовательные гибриды. Такие транспортные средства могут быть трибридными транспортными средствами , объединяющими три источника энергии, например, бортовые солнечные батареи, заряжаемые от сети аккумуляторы и педали.
Гибридные автомобили могут использоваться в разных режимах. На рисунке показаны некоторые типичные режимы для параллельной гибридной конфигурации.
P означает Position (Положение). Если в разных местах расположено несколько электродвигателей, можно записать как P1 + P3 или P0 + P2.5 + P4.
Расположение электродвигателя(ей) в трансмиссии:
Часто к автомобилю можно добавить силовой агрегат вторичного рынка . Решение вторичного рынка используется, когда пользователь доставляет планер ( шасси на колесах ) и гибридный (два двигателя) или полностью электрический (только электродвигатель) комплект силового агрегата автопроизводителю и получает автомобиль с установленной технологией. (Электрический или гибридный) силовой агрегат может быть добавлен к планеру [78] установщиком вторичного рынка.
В 2013 году группа дизайнеров из Университета Центральной Флориды On the Green работала над созданием комплекта для гибридной модификации с болтовым креплением, чтобы превратить старую модель автомобиля в гибридный автомобиль с бензиново-электрическим двигателем. [79]
Инженер из Калифорнии продемонстрировал переделку Mustang 1966 года. Система заменила генератор на 12 кВт (30 кВт пик) бесщеточный электродвигатель. Расход топлива и мощность улучшились. [80]
Существуют двигатели-ступицы , которые можно установить в колесе [81] или между колесом и тормозным ротором [82] транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, чтобы преобразовать их в гибридный индивидуальный привод колес (IWD).