Гибридный синергетический привод

Toyota Prius, капот открыт

Гибридный двигатель

Гибридный двигатель

Слева — генератор, справа — электродвигатель, между ними цепь с корзины планетарной передачи на главную передачу

Инвертор THS (с NHW11)

Гибри́дный синергети́ческий при́вод (англ. Hybrid Synergy Drive, HSD; произносится [ха́йбрид си́неджи драйв]) — технология силовой установки автомобиля, основанная на синергетическом эффекте, разработанная японской корпорацией «Toyota». Впервые применена в 1997 году в серийном автомобиле «Prius».

Объединяет семь основных компонентов:

• бензиновый двигатель 1NZ-FXE (2ZR-FXE) с изменяемыми фазами газораспределения, (цикл Аткинсона, сжатие 13:1), соединён с водилом планетарной передачи
• электродвигатель (синхронный, с постоянным магнитом), соединён с коронной шестернёй планетарной передачи, также может работать как генератор
• электрогенератор, соединён с солнечной шестерней планетарной передачи; также может работать как двигатель
• планетарная передача
• аккумуляторная батарея (рассчитана на весь срок службы автомобиля)
• инвертор (преобразует постоянный ток в переменный)
• распределитель энергии (PSD = power split device), электронный «ключ», превращающий планетарную передачу в подобие вариатора)

Комплекс управляется компьютером по концепции Drive-by-Wire (без прямого механического контакта)

Фазы работы

Планетарная передача представляет собой, по сути, дифференциал. На одном его плече — электродвигатель и колёса, на другом — генератор.

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

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

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

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

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

Проектирование гибридной силовой установки

Для создания гибридного привода необходимо следовать следующим пунктам:

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

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

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

Преимущества и недостатки

Плюсы:

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

Минусы:

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

См. также

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

Ссылки

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

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

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