Что такое гибридная трансмиссия

Как устроена гибридная трансмиссия?

Кажется, что только гибридные автомобили, которые работают на бензине или дизеле и одновременно используют электричество, могут соответствовать экологическим нормам, которые в странах Европы постоянно ужесточаются. Производители непрерывно совершенствуют двигатели и вынуждены заниматься модернизацией трансмиссий как одного из главных элементов общего устройства автомобиля.

Шасси Toyota Prius

Коробка передач никогда не строилась и не переоборудовалась отдельно от мотора — каждая трансмиссия строится под конкретные внешние скоростные характеристики определенного двигателя. Чтобы поддерживать малообъемный двигатель в зоне оптимальных рабочих оборотов, была создана многоступенчатая КП.

С того момента, как в автомобиль стали устанавливать два рабочих двигателя (ДВС и электромотор), пришлось модернизировать и элементы трансмиссии, переводя их работу на два источника энергии.

Классы гибридных трансмиссий

Гибридные трансмиссии классифицируются по принципу подключения:

последовательно;
параллельно;
по смешанной схеме.

Особенности последовательной гибридной трансмиссии

В данной схеме трансмиссии электрический мотор передает энергию на главные ведущие колеса, мотор (чаще всего бензиновый) передает свой КПД на генератор. Главной особенностью параллельной трансмиссии является то, что электромотор может обеспечить максимальную мощность (в своих пределах) в любой момент. С помощью электромотора намного легче привести в движение транспорт огромной массы с большой силой инерции.

Устройство последовательной гибридной трансмиссии

Топливный ДВС запускает генератор, энергия которого заряжает аккумулятор и в дальнейшем переходит на электродвигатель, который обеспечивает крутящий момент и передает его на колеса. В таком рабочем цикле из трансмиссии исключаются коробка передач и блок сцепления. Энергия рекуперативного торможения не переходит в тепло, а направляется для дополнительного питания аккумуляторной батареи.

Гибридная трансмиссия последовательного типа позволяет использовать ДВС очень малой мощности, а в режиме «город» при езде на минимальной скорости и с частыми остановками ДВС возможно отключить полностью. Последовательная схема трансмиссии широко используется в городском транспорте и самосвалах, где аккумуляторы имеют максимальную емкость и большой объем при скромных объемах и минимальной мощности ДВС.

Chevrolet Volt оборудован последовательной гибридной системой

Chevrolet Volt, построенный General Motors в 2010 году, использует в своем силовом блоке последовательную гибридную трансмиссию. Это скорее электромобиль, чем классический бензиновый хэтчбек. Используя только электромотор, автомобиль может преодолеть расстояние до 65 км. Если использовать турбированный мотор, дальность поездки на одной батарее превысит 1020 км.

Под капотом у Chevrolet Volt

Особенности параллельной гибридной трансмиссии

Эта трансмиссия остается к 2019 году наиболее технологичной. В системе используются основные элементы коробки передач. Электрический блок устанавливается в параллельных гибридах между коробкой и двигателем внутреннего сгорания.

Устройство гибридной трансмиссии параллельного типа

Подключение электромотора осуществляется через использование нескольких схем. В качестве первой гибридной трансмиссии можно рассматривать 8-ступенчатую коробку-автомат с двойным сцеплением от производителя ZF. Ведущие оси получают крутящий момент как от ДВС, так и от электромотора, который также исполняет работу генератора.

zf_8-скоростная трансмиссия с двойным сцеплением

Работа трансмиссии с параллельной схемой подключения контролируется и управляется электронным модулем. В автомобиле с параллельной гибридной трансмиссией необходимо использовать и стандартную трансмиссию в переходных режимах движения авто. Крутящий момент, которые передают два мотора, распределятся в зависимости от условий передвижения. При старте, во время ускорения к ДВС подключается электродвигатель, во время торможения и при стабильной скорости электродвигатель выполняет функции генератора.

В Audi Q5 используется параллельный тип трансмиссии

Первая популярная трансмиссия параллельного гибридного типа сконструирована инженерами корпорации «Хонда». Система интегрированного помощника ДВС (Integrated Motor Assist) позволяет увеличить КПД главного мотора на 40%, при этом количество отработанного топлива в атмосферу практически не снижается, экологические показатели автомобиля остаются на низком уровне.

Honda IMA

В блок IMA входит бензиновый мотор в качестве главного силового блока, электрический мотор, дополнительная батарея для электромотора. Во время торможения происходит перенаправление энергии на электромотор, который используется и как генератор — энергия не переходит в тепло, а сохраняется в батарее, во время ускорения электроэнергия перенаправится в электромотор для начала его работы. Данный тип трансмиссии, используется компанией при комплектации Honda Civic и Honda Insight.

Тип средние гибриды

Классификация гибридных параллельных трансмиссий начинается с определения роли электрического мотора во всем силовом блоке авто. Если электромотор используется только как помощник ДВС, например, как в Honda Insight, трансмиссию относят к классу «умеренный гибрид». Мощность электромотора в гибридной трансмиссии среднего класса не превышает 60 кВТ.

Одну из своих последних инноваций в области гибридных трансмиссий использовала корпорация БМВ при создании модели BMW ActiveHybrid 7. Седан комплектуется КП в единственном исполнении – 8-миступенчатый «автомат».

Система полный гибрид

Lexus RX 400h оснащается системой “полный гибрид”

Если электродвигатель используется для передачи крутящего момента на колеса, применяется термин «полный гибрид» — такая трансмиссия использована в модели Lexus RX 400h. Автомобиль может передвигаться при помощи и ДВС, и энергии электродвигателя. В коробке передач отсутствует гидротрансформатор. Впервые в Европе схему полного параллельного гибрида установили в 1998 на комплектацию Audi Duo.

Сегодня большинство мировых производителей используют схему «полный гибрид» на Mercury Mariner, Kia Optima, Ford Escape/ C-Max/ Fusion, Lincoln MKZ и др.

Микрогибрид

Трансмиссия авто, где генератор имеет дополнительные функции, часто называют классом «микрогибрид». Это автомобили, которые имеют систему старт/стоп, электромотор не передает свою энергию для движения колес. Микрогибридная схема позволяет только резко глушить мотор во время коротких остановок. Система запускается стартером, в автомобиле используется стандартная КП с встроенным импульсным насосом для скоростной подачи давления в масляные каналы КП.

Схема последовательно-параллельная

Смешанный тип гибридной трансмиссии исключает использование традиционной коробки передач. Совместная работа электродвигателя и ДВС происходит через использование планетарной передачи. Топливный мотор передает крутящий момент на колеса совместно с электромотором, одновременно происходит и работа генератора. Автоматическая регулировка оборотов осуществляется через электронный блок управления.

Планетарная передача

Такой тип бесступенчатой трансмиссии ECVT широко используется компанией Toyota в последнем модельном ряду Toyota Prius. Инженеры компании создали свою уникальную схему гибридной трансмиссии HSD. В схему устройства включили делитель мощности (планетарную передачу) и отдельный генератор.

При таком типе гибрида электромотор работает большую часть времени, топливный мотор использует для работы цикл Аткинсона, в то время как большинство ДВС работают по принципу Отто. Ноу-хау японских инженеров приобрели компании Форд и Ниссан для установки на свои полногибридные модели.

Достоинства и недостатки

На сегодняшний день все автомобили с гибридной трансмиссией имеют высокую стоимость и не входят в средний ценовой сегмент. Так же дорого стоит их диагностика и ремонт. Это главный недостаток автомобилей, которые используют два силовых мотора.

Активисты «зеленого движения» США и экологи считают, что польза для экологии, которую принесут гибридные автомобили, абсолютно условна. Утилизация одного аккумулятора приносит вред окружающей среде, сравнимый с годовым выбросом простого бензинового двигателя. Технологией экологической утилизации занимаются только в нескольких странах.

Электромоторы даже минимальной мощности обеспечивают плавный и надежный запуск ДВС в любую погоду. Динамичные характеристики автомобиля также остаются на высоте, при необходимости увеличить тяговые показатели к ДВС подключается электродвигатель, автомобиль получает максимальное ускорение за короткое время.
Пробег на одном заряде увеличивается на 40%. За счет экономии топлива и использования электромотора водители реже заправляются.

Смогут ли гибридные трансмиссии полностью вытеснить традиционные, пока не ясно. При всех выгодах использования смежного электромотора у разработки остаются многочисленные недостатки, в первую очередь — высокая цена и сложность схемы. В 2018 компания Porsche отказалась самостоятельно производить гибриды любой схемы. Представители Mitsubishi считают, что гибридные установки — это переходной этап, и концентрируют интеллектуальную инженерную базу корпорации на создание электромобиля.

Гибридная трансмиссия

Непрерывное ужесточение экологических норм заставляет производителя заниматься модернизацией не только двигателя, но и трансмиссии. Скоро будут введены такие нормы, вписаться в которые сможет только гибридный автомобиль. Это значит, что все автомобили, продаваемые в Европе, а потом и в во всем мире, будут гибридными.

На самом деле секрета никакого нет. Дело в том, что коробка передач строится под характеристики ВСХ конкретного двигателя. Современные моторы в погоне за экономией топлива имеют небольшой рабочий объем, и поэтому зона рабочих оборотов, при которых он выдает приемлемую мощность, невелика. Для поддержания двигателя в диапазоне рабочих оборотов и были созданы многоступенчатые КП. С увеличением числа передач конструкторы добиваются наиболее эффективной работы двигателя по экономичности и тяговым возможностям.
Однако простым увеличением количества ступеней дело не заканчивается. Непрерывное ужесточение экологических норм заставляет производителя заниматься модернизацией не только двигателя, но и трансмиссии. Скоро будут введены такие нормы, вписаться в которые сможет только гибридный автомобиль.

Содержание

Основные типы гибридных трансмиссий

Последовательный – самый очевидный из них. В нем двигатель крутит генератор, а ведущие колеса приводит электромотор. Преимущества схемы очевидны: в силу идеальной характеристики электромотора, он на любых оборотах в состоянии выдать максимальную мощность. Его крутящий момент почти по экспоненте возрастает с падением оборотов, стремясь к бесконечности при нулевых оборотах (на самом деле, бесконечности не будет, поскольку в моторе все же есть кроме реактивного сопротивления, которое и создает, собственно, крутящий момент, и активное – сопротивление проводов). С помощью электромотора гораздо легче сдвинуть с места тяжелые грузы, обладающие огромной инерцией. По такой схеме построены тепловозы и большегрузные самосвалы. Однако последовательный гибрид громоздок и дорог. Раздельный гибрид (он же сплит) – пожалуй, наиболее совершенный с технической точки зрения гибрид на сегодняшний день. Наилучшим образом реализует возможности и ДВС, и электропривода. Но, к сожалению, требует разработки и изготовления целого ряда оригинальных узлов, причем, весьма сложных, оттого дорог. Подобный гибрид используется в Toyota Prius
Параллельный гибрид хоть и не может похвастать наивысшими характеристиками, но он – самый технологичный, и, стало быть, самый дешевый в производстве. Изготовителю трансмиссий гораздо проще начать производство именно таких гибридов, поскольку в них используются уже имеющиеся коробки передач, производство которых хорошо отлажено. Электромотор в параллельном гибриде устанавливается между ДВС и коробкой передач. Можно смело предположить, что именно этот тип гибридов получит наибольшее распространение в ближайшее время в Европе, а, значит, и в России. А раз так, имеет смысл остановиться подробнее именно на них. Примером послужит серийная автоматическая 8-ступенчатая КП компании ZF с разными типами параллельного подключения электромотора.

Типы параллельных гибридных трансмиссий

Параллельные системы разбиты на три типа. Самый простой из них микрогибрид.

Микрогибрид

Микрогибрид способен обеспечить двигателю лишь режим старт-стоп, нужный для того, чтобы глушить двигатель на коротких остановках, например, на светофоре, чтобы он не работал впустую на холостом ходу. Пуском его занимается мощный стартер, который часто работает «по совместительству» и генератором. Коробка передач при этом используется штатная, с одним маленьким дополнением под названием HIS – Hydraulic Impulse Oil Storage – импульсный масляный насос. Он нужен для того, чтобы быстрее создать давление масла в каналах КП при пуске двигателя. Автомобили с подобными системами уже вовсю выпускаются.

Средний гибрид

Средний гибрид более сложный. Он предусматривает наличие электромотора мощностью 30-60 кВт. Такой мотор может помогать ДВС разгонять автомобиль, особенно на малых оборотах коленвала, а при торможении способен запасать электроэнергию в аккумулятор. Коробка передач в остальном самая обыкновенная, серийная, без каких-либо переделок.

Полный гибрид

Наконец, полный гибрид. Он обеспечивает, кроме прочего, движение только на элекротяге, при выключенном ДВС. Разумеется, электромотор здесь еще большей мощности, 60-100 кВт, а на грузовиках и автобусах – до 250 кВт.
В этой коробке передач уже нет гидротрансформатора – его роль с успехом выполняет электромотор. Он же используется и в качестве генератора для пополнения заряда АКБ. Разумеется, режим рекуперации здесь тоже имеется. Для движения на электротяге, при выключенном ДВС, предусмотрена специальная фрикционная муфта, отсоединяющая его от коробки передач. Вместо импульсного масляного насоса установлен электрический – IEP – Integrated Electric Oil Pump. Он необходим для нормальной работы автоматической коробки при неработающем ДВС. Для полноценной работы подобного гибрида нужна батарея большой емкости, в привычных автолюбителю единицах измерения, 400-600 А*ч или больше, а это удовольствие ох какое недешевое.

Преимущества и недостатки

Автомобиль с гибридной трансмиссией сложен и дорог, особенно с батареями большой емкости, цена которых сопоставима с ценой самого автомобиля. Видимо, дорогим окажется и его ремонт.
К выгодам гибрида можно отнести экономичность — полный гибрид в городском трафике снижает расход топлива до 30%. Кроме того, значительно надежнее пуск двигателя, особенно зимой – мощный электоромотор легко раскручивает ДВС до полутора-двух тысяч оборотов и даже больше, тогда как привычный стартер только до 200 об/мин.br>

Как устроена гибридная трансмиссия?

Шасси Toyota Prius

Классы гибридных трансмиссий

Гибридные трансмиссии классифицируются по принципу подключения:

последовательно;
параллельно;
по смешанной схеме.

Особенности последовательной гибридной трансмиссии

Устройство последовательной гибридной трансмиссии

Chevrolet Volt оборудован последовательной гибридной системой

Под капотом у Chevrolet Volt

Особенности параллельной гибридной трансмиссии

Устройство гибридной трансмиссии параллельного типа

zf_8-скоростная трансмиссия с двойным сцеплением

В Audi Q5 используется параллельный тип трансмиссии

Тип средние гибриды

Устройство промежуточной трансмиссии

Система полный гибрид

Lexus RX 400h оснащается системой “полный гибрид”

Сегодня большинство мировых производителей используют схему «полный гибрид» на Mercury Mariner, Kia Optima, Ford Escape/ C-Max/ Fusion, Lincoln MKZ и др.

Микрогибрид

Схема последовательно-параллельная

Достоинства и недостатки

Toyota Prius Plug-in Hybrid

Пробег на одном заряде увеличивается на 40%. За счет экономии топлива и использования электромотора водители реже заправляются.

Гибридные автомобили: какими они бывают и зачем они нужны

Электромобили пока стоят дорого и требуют частой зарядки. Если вам нужен экономичный транспорт на каждый день, лучше присмотреться к гибриду. Рассказываем, как работает гибридный автомобиль, в чем его преимущества, и что нужно знать перед покупкой.

Принцип действия гибридного автомобиля

Слово «гибридный» означает «смешанный». Гибридные автомобили используют два источника энергии — горючие нефтепродукты и электричество. В таких машинах больше одного мотора. Силовые агрегаты работают вместе, передавая мощность на колеса через сложную трансмиссию.

Обычно электромотор помогает двигателю внутреннего сгорания в сложных ситуациях: при подъеме, при старте со светофора, при обгоне. Обороты основного мотора снижаются, замедляется износ, сокращается расход топлива, а динамика остается такой же или улучшается.

Принцип работы некоторых гибридов позволяет авто стартовать на электротяге. Лучшие модели проезжают до 50–100 км без запуска двигателя внутреннего сгорания — в городе они едут бесшумно, с нулевым выхлопом.

Есть и гибридные автомобили, в которых одна ось приводится бензиновым двигателем, а вторая — электрическим. Это позволяет повысить проходимость и улучшить управляемость, не усложняя схему автомобиля и почти не увеличивая расходы на его обслуживание.

Преимущества и недостатки гибридов

Главный плюс гибридного автомобиля — меньший расход топлива. Toyota Prius 2021 года потребляет 4,3 литров бензина на 100 км в смешанном цикле. Сопоставимая по мощности Skoda Octavia 1,6 MPI расходует 7,5 литров топлива в тех же условиях. При среднем годовом пробеге 16 000 км и стоимости бензина 50 рублей за литр машины потратят:

Skoda Octavia — 7,5 * (16 000 / 100) * 50 = 7,5 * 160 * 50 = 60 000 рублей;
Toyota Prius — 4,3 * 160 * 50 = 34 400 рублей.

Годовая экономия — 25 600 рублей.

Если учесть, что Toyota Prius может заряжаться от сети и проезжать около 30 км на электротяге, мы получим еще более впечатляющую цифру. Разделив среднегодовой пробег на число рабочих дней в году, получим 60 км в день. Половину из них гибрид проезжает на электричестве, затрачивая 5 кВт*ч энергии. Стоимость одного киловатта в Москве — 5,66 рублей. Тогда затраты равны:

бензин — 4,3 * (8 000 / 100) * 50 = 17 200 рублей;
электричество — (8000 / 30) * 5 * 5,66 = 7 550 рублей;
итого — 17 200 + 7 550 = 24 750 рублей.

Годовая экономия — 35 250 рублей.

Сниженный расход топлива гибридных автомобилей — не единственный плюс. Гибриды дольше обходятся без заправки. Toyota Prius может добраться от Москвы до Санкт-Петербурга без посещения АЗС. Если гибридная машина может двигаться на электротяге, она шумит намного меньше бензиновой — комфортнее как для пассажиров, так и для окружающих. Кроме того, электромотор развивает максимальный крутящий момент на малых оборотах — гибрид быстрее стартует с места.

Минусы исходят из принципа действия гибридного автомобиля. Кроме двигателя внутреннего сгорания, ему требуются электромоторы, батареи, сложные агрегаты в трансмиссии и дополнительные блоки управления. Машина получается намного сложнее и стоит дороже. Стоимость подержанного Prius в нашем примере начинается от 1 миллиона рублей, новой Skoda Octavia — от 800 тысяч рублей, а б/у машины с бензиновым двигателем — от 450-500 тысяч рублей

Часто приходится слышать о том, что гибридные автомобили требуют больше затрат на ремонт. Это популярный миф, расходы на обслуживание даже ниже. Бензиновый двигатель работает в максимально щадящих условиях и изнашивается медленнее. Но проблема с ремонтом существует: в России пока мало автомехаников, которые специализируются на гибридном приводе и электромоторах. Приготовьтесь к тому, что на специализированном СТО будет очередь.

Классификация гибридных автомобилей по устройству

Микрогибриды

Вместо обычного стартера установлен мощный мотор-генератор. При плавном замедлении он вырабатывает электричество, заряжая батарею повышенной емкости. Двигатель внутреннего сгорания тратит меньше энергии на вращение обычного генератора или не тратит ее вовсе. Такую технологию устройства гибридов используют Mazda, Hyundai, BMW, Audi и другие бренды. Она сокращает расход топлива на 5–15 % в зависимости от манеры вождения.

Мягкие (умеренные) гибриды

Двигателю внутреннего сгорания помогает электромотор малой мощности до 30 лошадиных сил. Он включается в особо тяжелых условиях, чтобы снизить расход топлива и замедлить износ. Машина не может двигаться на электротяге. В лучшем случае она стартует бесшумно, а на скорости выше 5 км/ч запускается бензиновый двигатель. Источником питания служат компактные батареи или конденсаторы. Последние дешевле, надежнее и менее чувствительны к холоду. Технологию умеренного гибрида используют General Motors, Honda, BMW и даже Ferrari. Экономия топлива достигает 15–25 %.

Параллельный гибрид

Автомобиль может двигаться на чистой электротяге до 30–150 км без запуска двигателя внутреннего сгорания. Чаще всего дополнительный мотор установлен в силовом агрегате между основным двигателем и коробкой передач. Тогда его мощность невелика — до 50 лошадиных сил. Он работает самостоятельно, когда вы едете с постоянной скоростью 30–60 км/ч, без динамичных рывков. Такую конструкцию используют Volkswagen, Porsche, Audi и Mercedes-Benz.

Если электромотор установлен отдельно, его мощность не ограничивается — у некоторых моделей она превышает 200 лошадиных сил. Соответственно, вы получаете лучшую динамику на чистой электротяге. Такую технологию предпочитают Toyota, BMW и Lexus.

Иногда двигатель внутреннего сгорания и электромотор установлены на разных осях. Так удается получить полный привод с относительно простой механической схемой. Проходимость автомобиля повышается, расход топлива снижается, управляемость улучшается. По такой схеме работают гибридные авто Peugeot, Citroën, Nissan и FIAT.

Последовательный гибрид

Автомобиль всегда движется на электротяге. Запас хода — от 150–200 километров. Когда батарея разряжается, запускается двигатель внутреннего сгорания. Здесь он служит генератором, который не связан с колесами напрямую. Мотор работает в спокойном режиме при постоянных оборотах, поэтому изнашивается он намного медленнее, чем в обычных автомобилях. Расход топлива — от 1,5 до 3,5 литров на 100 км. Серийных примеров пока немного, можно вспомнить Chevrolet Volt и Opel Ampera.

Параллельно–последовательный гибрид

Такой гибридный автомобиль сочетает особенности двух конструкций. Когда он едет по ровной дороге с постоянным темпом, двигатель внутреннего сгорания вращает мощный генератор и заряжает батарею. Когда нагрузка повышается, включается электромотор, который ускоряет разгон и помогает преодолевать неровности. Такую схему довела до совершенства Toyota. Ее также можно встретить в Volvo и BMW.

Перспективы гибридизации

Гибридные автомобили изначально создавались для американского и японского рынков. Там были «обкатаны» технологии и испробованы разные варианты компоновки. Популярность гибридов растет — они появляются в других странах, включая Россию. Цена снижается, что делает их более доступными для широкой публики. В 2021 году гибридные машины стоит покупать ради их надежности, динамики и впечатляющего запаса хода. В ближайшие годы список преимуществ пополнится экономичностью. Если разница в цене будет окупаться за 4–5 лет, владеть гибридом будет намного выгоднее. Требования к двигателям внутреннего сгорания постоянно ужесточаются. Поэтому к 2030–2035 годам гибридные машины могут стать единственной альтернативой электрокарам.

Кинематика гибридных трансмиссий.

Гибридным автомобилем сегодня уже никого не удивишь, но возможно вам будет интересно оценить варианты реализации таких авто на уровне кинематики.

Ужесточение требований к экономии топлива и к сокращению вредных выбросов стимулировали быстрое продвижение новых технологий передачи мощности от источника энергии к ведущим колесам транспортного средства.

В последнее время были существенно развиты различные типы трансмиссий, способные одновременно обеспечить регулировку скорости транспортного средства и работу двигателя на постоянном режиме. Для снижения удельного расхода топлива и количества вредных выбросов необходимо, чтобы двигатель работал в некоторых определенных, желательно стационарных режимах.

Большая часть ДВС может работать наиболее эффективно только на некоторых, весьма ограниченных режимах. Значение мощности на этих режимах может не всегда соответствовать потребной мощности на ведущих колесах. В связи с этим возникла необходимость обеспечить между ДВС и ведущими колесами буфер мощности, который бы обеспечивал работу ДВС на постоянном режиме, независимо от изменения потребной мощности на ведущих колесах. В результате появились и стали стремительно развиваться транспортные средства с гибридной трансмиссией.

Использование на транспортном средстве гибридной трансмиссии позволяет уменьшить размер ДВС, используемого в автомобиле, поскольку наличие дополнительного источника энергии в случае необходимости может обеспечивать дополнительную мощность. Кроме того, наличие гибридной трансмиссии значительно облегчает решение задачи рекуперации энергии на режимах торможения, когда существенная часть кинетической энергии от ведущих колес может быть возвращена обратно в аккумулирующее устройство, что невозможно для обычных типов трансмиссий.

Несмотря на большое количество вариантов построения кинематических схем гибридных трансмиссий, все они должны удовлетворять следующим требованиям:

• обеспечивать суммирование крутящего момента от двух источников энергии и передавать его на колеса транспортного средства;

• обеспечивать разделение мощности ДВС, часть которой передаётся через электрическую ветвь трансмиссии, а другая часть — через механическую;

• обеспечивать движение транспортного средства только на одном из двух источников энергии;

• обеспечивать независимое управление двумя источниками энергии;

• обеспечивать бесступенчатое изменение передаточного отношения трансмиссии;

• обеспечивать рекуперацию энергии торможения транспортного средства;

• иметь относительно небольшие механические и электрические потери.

Существует большое количество вариантов построения гибридных трансмиссий. Наиболее часто встречаемые — это последовательные и параллельные варианты. В настоящее время все большее распространение получают гибридные трансмиссии с разделением мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

При последовательном варианте (рис. 1) мощность передается от ДВС на генератор, далее к электродвигателю, который соединен с ведущими колесами. Между ДВС и ведущими колесами отсутствует прямая механическая связь (ДВС и ведущие колеса — независимы друг от друга). Пара электродвигатель-генератор совместно с аккумуляторами представляют собой электрическую трансмиссию, которая обеспечивает бесступенчатое изменение передаточного отношения и регулирование мощности между ДВС и ведущими колесами. В этом случае происходит двойное преобразование энергии ДВС: механической в электрическую и обратно.

Рисунок 1. Последовательный вариант построения гибридной трансмиссии

Каждое преобразование приводит к потере в среднем 10% мощности. Таким образом, КПД трансмиссии в этом случае может быть не более 81%. Кроме того, максимальная мощность, по крайней мере, одной электромашины должна соответствовать максимальной мощности ДВС. Это условие приводит к увеличению габаритов и веса трансмиссии. По этим причинам последовательные варианты построения гибридной трансмиссии используются, главным образом, для коммерческих транспортных средств, работающих в режиме «stop-and-go».

В случае параллельной гибридной трансмиссии (рис. 2) электромашина располагается параллельно обычной механической трансмиссии. Электрическая машина может быть объединена с ДВС, трансмиссией или просто быть соединена с ведомым валом. В этом случае существует два независимых потока мощности. Регулирование передаточного отношения осуществляется с помощью механической коробки передач, а регулирование мощности с помощью электромашины. Поскольку имеется прямая механическая связь между ДВС и ведущими колесами, то частоты их вращения являются зависимыми друг от друга. Параллельные гибридные трансмиссии хорошо себя зарекомендовали при движении по магистрали, но оказались непригодными по экономическим соображениям для городских условий движения. Жесткая связь частот вращения ДВС и ведущих колес требует в этом случае использования в составе трансмиссии коробки передач или вариатора.

Рисунок 2. Параллельный вариант построения гибридной трансмиссии

Простые варианты параллельного построения гибридной трансмиссии используются, главным образом, для систем, в которых мощность, проходящая через электрическую часть трансмиссии, не превышает 15% мощности ДВС.

Трансмиссия с разделением мощности ДВС (рис. 3) является другим, наиболее перспективным вариантом построения гибридной трансмиссии, который с недавнего времени пользуется повышенным вниманием со стороны разработчиков трансмиссий. Следует отметить, что в этом случае для разделения потока мощности ДВС в настоящее время используются как простые планетарные ряды, так и сложные планетарные механизмы.

Рисунок 3. Гибридная трансмиссия с разделением мощности ДВС

Первая серийно выпускаемая гибридная трансмиссия — трансмиссия с разделением мощности ДВС, называемая «Toyota Hybrid System» (THS), используется в автомобилях Prius. THS фактически представляет собой электромеханическое устройство, в котором мощность передается от ДВС на ведомый вал трансмиссии двумя потоками (механическим и электрическим), независимо от того, используется или не используется энергия аккумуляторных батарей. THS позволяет бесступенчато изменять передаточное отношение трансмиссии, но для этого потребовалось использовать две электромашины.

Разработаны три поколения этой трансмиссии. Трансмиссия автомобиля Prius имеет четыре вала (рис. 4). В этой компоновке электромашина В непосредственно через большое центральное колесо (БЦК) планетарного ряда соединена с главной передачей.

Рисунок 4. Трансмиссия «Toyota Hybrid System», используемая в автомобилях Prius

Для автомобилей RX400, Highlander и Camry используется несколько иная кинематическая схема (рис. 5). В этой компоновке трансмиссия имеет только три вала. Кроме того, используется второй, дополнительный, планетарный ряд, который установлен между электромашиной В и основным планетарным рядом. Малое центральное колесо (МЦК) этого дополнительного ряда соединено с электромашиной В, водило постоянно замкнуто на картер, а БЦК выполнено за одно целое с БЦК основного планетарного ряда. Таким образом, дополнительный ряд работает в режиме редуктора, соответствующим образом изменяя крутящий момент и частоту вращения электромашины В.

Рисунок 5. Гибридная трансмиссия автомобилей RX400, Highlander и Camry

Для автомобиля Lexus GS450 потребовалось совершенно новое компоновочное решение. Это было обусловлено не только расположением ДВС и приводом на задние колеса, но и необходимостью достижения более высоких эксплуатационных характеристик. Проектирование трансмиссии с учетом габаритов существующих шестискоростных автоматических трансмиссий потребовало уменьшения диаметра электромашин при увеличении их максимальной мощности. Принятое решение схематично показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Гибридная трансмиссия автомобиля Lexus GS450

В трансмиссии GS450 электромашина В соединена с БЦК основного планетарного ряда с помощью двухскоростной планетарной коробки передач, построенной по схеме Равенье. Обе передачи этой коробки понижающие, на первой передаче передаточное отношение равно 3,9, а на второй — 1,9. Переключение с первой передачи на вторую происходит, приблизительно, при скорости движения автомобиля 80 км/ч. Такое решение позволило спроектировать трансмиссию, которая по габаритам вписалась в существующую платформу автомобиля, и позволяет передавать большую мощность. Во всех гибридных трансмиссиях Toyota использованы синхронные электромашины переменного тока с постоянными магнитами.

В 2003 г. GM начал производство городских автобусов с гибридной трансмиссией, в которой реализуются два режима бесступенчатого регулирования передаточного отношения:

• режим с разделением потока мощности ДВС на входе в трансмиссию (EVT1);

• режим со сложным способом разделения мощности ДВС (EVT2).

Для разделения мощности ДВС были использованы планетарный механизм, состоящий из трех планетарных рядов, и два фрикционных элемента управления (рис. 7).

Рисунок 7. Трансмиссия городского автобуса GM

Следует отметить, что данная схема полностью удовлетворяет всем требованиям, которые предъявляются гибридным трансмиссиям. Начало движения можно осуществлять как с использованием только мощности аккумуляторной батареи, так и с использованием только мощности ДВС.

Дальнейшим развитием двухрежимной трансмиссии стала гибридная трансмиссия с двумя режимами бесступенчатого регулирования передаточного отношения и четырьмя фиксированными передаточными отношениями. Кинематическая схема планетарного механизма в этой трансмиссии осталась такой же, как и в простой двухрежимной гибридной трансмиссии, только были добавлены тормоз Т2 звена 3 и блокировочная муфта М2 (рис. 8). Дополнительные элементы управления позволили организовать совместно с тормозом Т1 и блокировочной муфтой М1 четыре передачи переднего хода с фиксированными передаточными отношениями.

Рисунок 8. Трансмиссия с 4-мя фиксированными передаточными отношениями

Таким образом, эта трансмиссия может реализовывать, помимо описанных выше двух режимов работы с двумя способами разделения мощности ДВС, еще и четыре фиксированных передаточных отношения.

Использование четырех фиксированных передаточных отношений позволило получить следующие преимущества:

1. Электромашины могут быть освобождены от необходимости передавать максимальную часть мощности ДВС, поскольку их можно использовать только в режимах бесступенчатого изменения передаточного отношения трансмиссии, при реализации которых развиваемая ДВС мощность меньше ее максимального значения. Максимальную же мощность ДВС должен развивать при движении с фиксированным передаточным отношением. В трансмиссии происходит переход на режим движения с фиксированным передаточным отношением всякий раз, когда этот уровень мощности, передаваемой электромашинами, превышает предельное значение. Таким образом, можно обходить режимы работы, когда требуется чрезмерно большая мощность электромашин. Это позволяет использовать электромашины небольших размеров при работе трансмиссии с ДВС большой мощности.

2. Трансмиссия может переходить на режим с фиксированными передаточными отношениями всякий раз, когда электромашины перегреваются. То есть, если температура одной из электромашин достигает критического уровня, то система управления может выводить трансмиссию из режима бесступенчатого регулирования передаточного отношения и устанавливать режим движения только с фиксированными передаточными отношениями.

Tsai L.W., Schultz G. и Higuchi N. предложили схему гибридной трансмиссии (рис. 9), которая является, по существу, трансмиссией, построенной по параллельной схеме [1]. Предложенная схема включает в себя основные компоненты, используемые в большинстве 3-х и 4-ступенчатых автоматических трансмиссиях, но она может при этом передавать крутящий момент к ведущим колесам от двух источников энергии.

Рисунок 9. Схема гибридной трансмиссии Tsai L.W., Schultz G. и Higuchi N

Данная кинематическая схема трансмиссии позволяет реализовать тринадцать режимов работы:

• один режим движения только на электромашине;

• три режима при совместной работе ДВС и электромашины, работающей в режиме электродвигателя;

• один режим бесступенчатого регулирования передаточного отношения трансмиссии и зарядки аккумуляторных батарей (электромашина работает как генератор);

• четыре режима движения только с помощью ДВС;

• четыре режима с регенерацией энергии торможения.

Фирмой «Timken Company» была предложена оригинальная схема гибридной трансмиссии с разделением потока мощности ДВС (рис. 10). Планетарный механизм этой трансмиссии обладает четырьмя степенями свободы, для которых построение плана угловых скоростей невозможно.

Рисунок 10. Схема гибридной трансмиссии фирмы «Timken Company»

Я не стал отягощать здесь ваше сознание планами скоростей и пояснением режимов работы планетарных механизмов. Думаю, что в данной теме надо ограничиться общими представлениями.

Если интересно, полную версию статьи «Обзор кинематических схем построения гибридных трансмиссий» можно увидеть в Журнале Автомобильных Инженеров .

Все, что нужно знать о гибридных машинах: типы, нюансы, характеристики

Если максимально кратко, то гибрид — это автомобиль, в котором одновременно используются двигатель внутреннего сгорания и электромотор.

Во многом такое решение можно рассматривать как переходный этап между двумя мирами — машинами, которые сжигают топливо, и стопроцентными электрокарами.

Трудно сказать, когда состоится окончательный переход из одной эры в другую (и состоится ли он вообще), но прямо сейчас производители заявляют, что через 5-10 лет все выпускаемые модели будут в той или иной степени электрифицированы. Это не значит, что ДВС исчезнет как класс, но с высокой долей вероятности можно говорить, что гибриды станут повсеместной нормой. Правда, решать они будут очень разные задачи — в зависимости от конструкции и общей философии.

Типы гибридных автомобилей

Первое и главное, зачем делаются такие машины, — экономия топлива и необходимость вписываться во все более жесткие экологические нормы. Помимо прочего, оценивается средний уровень вредных выбросов по всей модельной линейке каждого производителя, поэтому компании идут на некоторые ухищрения.

«Мягкие» гибриды (mild hybrid)

Самая простая и доступная технология, позволяющая не сильно перекраивать конструкцию автомобиля и при этом демонстрировать нужные показатели по выбросам. В большинстве случаев все сводится к установке мощного стартер-генератора — электромотора, который может как запасать энергию, так и расходовать ее.

Например, в пробках это позволяет расширить функционал системы старт-стоп: двигатель глушится еще до полной остановки автомобиля (в это время как раз накапливается заряд), а при трогании стартер-генератор запускает его и помогает разгоняться в первые несколько секунд. Еще не полноценная езда на электротяге, но уже небольшие ее отголоски.

Помимо некоторой экономии топлива, такая система позволяет сгладить переходные процессы — ведь традиционная схема старт-стоп зачастую работает с рывками, например, когда мотор приходится запускать через секунду после того, как он был заглушен. Кроме того, «мягкому» гибриду не требуется большая батарея, которая увеличивала бы массу и отбирала пространство у пассажиров или багажа. Наконец, большинство подобных автомобилей вместо стандартной 12-вольтовой бортовой сети использует 48-вольтовую, от которой, помимо стартер-генератора, питаются современные технические решения вроде электрических турбонагнетателей и активных стабилизаторов поперечной устойчивости — особенно любят такие решения в немецком премиуме.

При этом традиционная 12-вольтовая сеть в «мягких» гибридах (как, впрочем, и полноценных электромобилях вплоть до Tesla) сохранена: гораздо проще питать фары, мультимедийку, дворники и прочие вспомогательные устройства от традиционного аккумулятора, чем заново изобретать все процессы.

Параллельные гибриды (parallel hybrid)

Именно такие машины можно называть обычными, самыми распространенными гибридами. Емкость батарей здесь уже выше, а электромотор обычно располагается между ДВС и трансмиссией, причем элементы этой цепочки могут работать и сообща, и отдельно друг от друга.

Это позволяет автомобилю перемещаться как на чистой электротяге — когда ДВС заглушен и отсоединен от колес — так и в настоящем гибридном режиме, когда на разгон работают и топливо, и электричество. Кроме того, аккумуляторы можно заряжать на торможениях за счет рекуперации, а также от обычного двигателя, который в этом случае выполняет роль генератора.

Получается своеобразная игра: во дворах и в пробках параллельный гибрид вполне может ездить, не загрязняя атмосферу, а если вам потребуется больше динамики — на помощь придут оба типа энергии и позволят разгоняться активнее, чем на одном только ископаемом топливе. И пусть запас хода на чистой электротяге чаще всего составляет всего несколько километров, при городских режимах эксплуатации экономия топлива оказывается уже ощутимой.

Последовательные гибриды (series hybrid)

В этой схеме вообще не предусмотрена механическая связь двигателя внутреннего сгорания и колес — он только производит энергию для электромоторов. Теоретические плюсы понятны: водитель получает «электрическое» удобство управления тягой без пауз и задержек, ДВС работает в оптимальном режиме и не крутится в отсечку, а машина превращается в милое и почти экологичное привидение с моторчиком.

Но в реальности этот метод приводит к двойным потерям энергии: сначала на преобразование топлива в электричество, а потом на передачу его к колесам. Поэтому в чистом виде такая схема не используется, зато отдельные модели вроде BMW i3 или Chevrolet Volt отметились опциями под названием range extender, то есть увеличитель запаса хода — ДВС в большинстве случаев бездействует, но готов прийти на помощь, если у вас закончилось электричество. Считайте, просто генератор, который всегда с собой.

Последовательно-параллельные гибриды (parallel-series-hybrid)

Особая категория, представленная, по сути, только запатентованными изобретениями компании Toyota и отдельными силовыми установками, сделанными по лицензии. Здесь ДВС и электричество работают как единое целое, постоянно и бесшовно распределяя энергию туда, где она нужна. Самое массовое применение технология нашла на Toyota Prius, где без особых изменений используется уже почти 15 лет.

Называется этот уникальный привод Hybrid Synergy Drive, а примечателен он в первую очередь тем, что лишен обычной трансмиссии — в то время как в большинстве гибридов используются вариаторы, «роботы» или классические «автоматы». Здесь же два электромотора объединены с ДВС через хитрую планетарную передачу, которая вообще стирает границу между двумя мирами для конечного пользователя. Самый яркий пример — бензиновый двигатель здесь может одновременно работать на разгон и заряжать батареи, если вы не требуете от машины максимальной динамики.

Подключаемые гибриды (plug-in hybrid, PHEV)

Главный принцип здесь один: наличие отдельного разъема для зарядки аккумуляторов. При этом сам гибрид может быть как последовательным (тот же BMW i3 или Fisker Karma), так и параллельным (Porsche Cayenne e-Hybrid или Volvo XC60 Recharge). И если с первым случаем все понятно (по сути это электромобили с бензиновыми генераторами), то параллельные подключаемые гибриды интереснее. Идея заключается в том, что емкость батарей у таких автомобилей уже действительно солидная — например, у современного «Кайена» это 18 кВтч, то есть примерно треть от того, что можно найти в среднем электромобиле. Да и электромотор вполне самостоятелен: на многих подключаемых гибридах его мощность превышает 100 лошадиных сил.

Иными словами, при определенных сценариях вы можете ездить на такой машине, как на настоящем электрокаре: запас хода составляет несколько десятков километров, разгоняться можно до сотни с лишним километров в час — но делать надо все плавно. Прикатили по пробкам в центр на работу, вечером вернулись домой, подзарядились от розетки — и никаких выбросов. При этом в вашем распоряжении остается и настоящий бензиновый двигатель — со всей своей мощностью, универсальностью и возможностью заправляться когда угодно и сколько угодно. Нажимаете акселератор посильнее, и он включается в работу.

Никто не отменял и дополнительной помощи от электромотора: в спортивном режиме бензоэлектрическая силовая установка даст динамику, на которую традиционный ДВС в одиночку будет не способен. Но надо понимать, что без питания от розетки подключаемые гибриды мало чем отличаются от обычных параллельных: да, запас электричества можно принудительно пополнять от бензинового мотора, но эффективности, экологичности и смысла в этом откровенно мало.

Экзотические разновидности

Не во всех случаях гибридная тяга применяется исключительно ради экономии топлива. Например, французы из Peugeot и Citroen при помощи электричества компенсируют отсутствие полноценных полноприводных машин: задние колеса вращаются при помощи электромотора. Для тяжелого бездорожья такая схема подходит слабо, но задачу всепогодного вождения решает довольно успешно.

А производители спорткаров уже давно используют гибридные технологии для того, чтобы их машины ехали быстрее — ведь максимум тяги электромотора доступен всегда и везде, и это здорово помогает на разгонах, когда бензиновый двигатель еще не вышел на пиковую отдачу. Среди ранних образцов подобных машин можно вспомнить Porsche 918 Spyder, а среди современных Koenigsegg Regera или Aston Martin Valkyrie— одни из самых быстрых гиперкаров планеты.

Гибридные автомобили в России

В наших широтах официальные продажи гибридов невелики, причем часть ранее представленных вариантов выкосило кризисом — например, Nissan Murano, Mitsubishi Outlander и даже Toyota Prius. В строю пока остаются кроссоверы Lexus NX и RX, Porsche Cayenne и Panamera, несколько моделей Mercedes-Benz, «подключаемый» Volvo XC90 и россыпь Audi — но там речь идет о «мягком» гибриде.

Впрочем, есть и пополнения: внезапно на российский рынок вышел «мягкий» Geely Atlas Pro, а плюс к тому недавно началось серийное производство отечественного седана Aurus Senat, который по конструкции является самым настоящим параллельным гибридом.