Варіанти гібридного приводу

Golf VI TwinDrive

У 2008 році VW оснастив Golf VI двома електродвигунами та двигуном внутрішнього згоряння. Кожен електродвигун мав потужність 30 кВт, двигун внутрішнього згоряння – 85 кВт. Всі три приводи були з’єднані між собою за допомогою зчеплення. З двома електродвигунами цей Golf досягав максимальної швидкості 120 км/год, після чого привід перебирав на себе двигун внутрішнього згоряння. На електротязі Golf міг проїхати майже 60 кілометрів. Максимальна швидкість становила 170 км/год. Літій-іонна батарея вагою 150 кг мала ємність 12 кВт-год.

Під час руху на електротязі двигун внутрішнього згоряння відключався. Високовольтна батарея, розташована в задній частині автомобіля, постачала енергію для приводу 1-го електродвигуна. 2-й електродвигун запускав двигун внутрішнього згоряння при послідовному русі, а потім працював як генератор для зарядки високовольтної батареї.

Під час розгону генератор знову ставав 2-м електродвигуном і прискорював автомобіль разом з 1-м електродвигуном і двигуном внутрішнього згоряння. Однак для цього потрібно, щоб високовольтна батарея мала достатню ємність.

Під час гібридного руху та заряджання автомобіль рухався за допомогою двигуна внутрішнього згоряння, одночасно заряджалася і високовольтна батарея. Під час рекуперації обидва електродвигуни перемикалися в режим генератора, а перетворена енергія зберігалася у високовольтній батареї.

Для VW Golf TwinDrive був тестовим об’єктом; було побудовано лише 20 автомобілів. Через два електродвигуни на додаток до двигуна внутрішнього згоряння виробничі витрати були занадто високими. На просунутій стадії розробки від другого двигуна відмовилися і в якості гібридної технології (PHEV) використовували двигун внутрішнього згоряння з підтримкою від електродвигуна. Звичайна конфігурація, яка розповсюджена і сьогодні.

Лише через десять років інший концептуальний автомобіль VW, T-Prime Concept GTE на базі Touareg, показав, як швидко розвивається гібридна технологія.

Гібридний Audi A8 PHEV

A8 PHEV e Quattro – це паралельний гібридний привід, в якому двигун внутрішнього згоряння, електродвигун і трансмісія розташовані на загальному приводному валу.

Спочатку Audi пропонувала A8 Hybrid з електродвигуном потужністю 15 кВт і 2,0-літровим TFSI. Крутний момент бензинового двигуна потужністю 155 кВт становив 350 Нм, крутний момент системи з електромотором – 480 Нм. Однак, виключно на електротязі з електродвигуном потужністю 40 кВт при 2300 об/хв. можна було проїхати лише лише три кілометри. Максимальна швидкість електромобіля становила 100 км/год. Розташована в задній частині автомобіля високовольтна батарея з 72 послідовно з’єднаними елементами мала номінальну напругу 266 В, а її ємність становила 5 кВт-год.

В якості приводного двигуна був встановлений синхронний двигун з постійним збудженням. Ротор складається з 32 постійних магнітів неодим-залізо-бор (NdFeB). У статорі розташовано 24 магнітні котушки, на які керуюча електроніка подає змінний струм. Електродвигун використовується для запуску двигуна внутрішнього згоряння, для чисто електричного руху та для підтримки 2,0-літрового TFSI під час прискорення. Якщо автомобіль приводиться в рух лише бензиновим двигуном, електродвигун працює як генератор і відповідає за повне електропостачання автомобіля.

Електродвигун має водяне охолодження. Охолодження інтегровано в температурний контур двигуна внутрішнього згоряння і циркулює за допомогою насоса охолоджувальної рідини. Насос регулюється відповідно до вимог блоку управління двигуном. У статорі між котушками електродвигуна розташований датчик температури. Якщо температура перевищує 180-200 °C, електроніка поступово зменшує потужність двигуна до нуля та інформує про це водія на дисплеї.

Другий датчик в електродвигуні відповідає за точний контроль магнітного поля в статорі. Для цього точне положення ротора визначається за допомогою 24 котушок і кулачкового диска, який прикріплений до ротора.

Тим часом Audi значно модернізувала гібридну версію A8 до 60 TFSI e Quattro. Під капотом тепер працює трилітровий шестициліндровий двигун TFSI. Разом з електродвигуном система приводу досягає максимального крутного моменту 700 Нм і потужності 340 кВт (462 к.с.). Літій-іонна батарея в задній частині кузова тепер зберігає 14,4 кВт-год (брутто 17,9 кВт-год) енергії. Це дозволяє A8 проїхати майже 60 кілометрів в чисто електричному режимі. Максимальна електрична потужність становить 100 кВт протягом короткого часу при максимальній швидкості 135 км/год.

Гібридний Audi Q7 e-tron

Audi також пропонувала Q7 e-tron у двох гібридних версіях, що підключаються до електромережі. Обидві були зняті з виробництва без заміни. З двигуном внутрішнього згоряння покупці спочатку могли вибирати між 3,0-літровим шестициліндровим дизельним двигуном TDI або бензиновою версією з 3,0-літровим TFSI. Однак кілька років тому гібрид TDI було вилучено з програми, після чого залишився тільки V6 TFSI. Згодом його теж прибрали. Наразі Q7 доступний лише з бензиновим двигуном V8 та відносно економічним трилітровим TDI у версіях 45 та 50 TDI Quattro.

Дизель у гібридній установці TDI має потужність 190 кВт, потужність маленького бензинового двигуна – 185 кВт, а потужність системи з 3,0-літровим TFSI – 381 або 462 кВт, тобто, як у A8. В обох версіях електродвигун розташований між двигуном внутрішнього згоряння і відмінною восьмиступінчастою автоматичною коробкою передач ZF, в яку він інтегрований.

Наступні описи стосуються гібрида з дволітровим бензиновим двигуном, який, як уже згадувалося, більше не пропонується, але демонструє численні цікаві деталі. Короткочасна потужність електродвигуна становить 94 кВт, а короткочасний крутний момент – 350 Нм. Безперервна потужність становить 60 кВт, а крутний момент – 200 Нм. Споживана потужність вражає. При максимальній вихідній потужності на високовольтну батарею подається струм 450 А, що призводить до значного виділення тепла.

Для захисту від перегріву струм знижується до 200 А при безперервній роботі. Крива потужності та крутного моменту показана на наступній діаграмі.

Як це зазвичай буває з електродвигунами, обидві криві різко падають, починаючи з близько 2700 об/хв. У випадку з двигуном внутрішнього згоряння тенденція прямо протилежна.

Основними компонентами синхронного двигуна є статор і ротор.

Три комплекти котушок, кожен з яких має вісім паралельно розташованих котушок, з’єднані разом у статорі, утворюючи з’єднання типу «трикутник».

З 24 котушок кожна третя котушка підключена до одного комплекту, тобто котушки 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 і 24 утворюють комплект котушок. Комплекти котушок управляються силовою та керуючою електронікою за допомогою трифазного змінного струму.

Ротор як зовнішній ротор оснащений 16 парами полюсів, що відповідає 32 постійним магнітам. У синхронному двигуні частота прикладеної змінної напруги і частота обертання ротора однакові, тобто синхронний двигун рухається синхронно з змінною напругою.

У корпусі тягового двигуна розташований енкодер, який визначає положення постійних магнітів ротора по відношенню до котушок статора. Силова електроніка використовує цю інформацію для управління трифазним струмом таким чином, щоб ротор запускався в потрібному напрямку обертання з максимальним крутним моментом і мінімальним споживанням енергії. Енкодер активується, коли водій відчиняє двері автомобіля.

Щоб запобігти перегріванню тягового двигуна, між двома магнітними котушками встановлений датчик температури NTC. Він передає виміряну температуру на силову та керуючу електроніку електроприводу. Якщо температура перевищує 185 °C, електроніка обмежує потужність; при температурі 215 °C електродвигун працює без навантаження і не працює ні як двигун, ні як генератор. Під час роботи без навантаження обмотки статора отримують змінний струм, який не створює крутного моменту на роторі.
Статор також охолоджується. Охолоджуюча рідина з низькотемпературного контуру протікає через канали в корпусі статора. Корпус статора, виготовлений з литого під тиском алюмінієвого сплаву, також має високу теплопровідність і тому забезпечує високу безперервну потужність 60 кВт.

Високовольтна батарея

У дволітровому гібриді TFSI тягову батарею, як зазвичай, встановили за другим рядом сидінь. Високовольтна батарея в Q7 важить 207 кг і складається з 14 модулів по 12 елементів у кожному та контролера.

Номінальна напруга становить 308 вольт, ємність акумулятора – 56 А-год, а вміст енергії – 17,3 кВт-год, з яких 13,8 кВт-год можуть бути використані, що забезпечує максимальний запас ходу 50 кілометрів.

Корпус батареї виготовлений з литого алюмінію, а кришка – з алюмінію. Трубки для охолоджувальної рідини і з’єднання для вентиляційної лінії розташовані в корпусі і в проміжній підлозі. Через коливання температури всередині батареї виникають зміни тиску, які скидаються через цю лінію.

Кожен з 14 модулів має власний контролер елементів. Він вимірює напругу кожної окремої комірки за допомогою NTC-резистора, а також температуру модуля. Визначені значення надсилаються на блок управління для регулювання заряду батареї.

Блок управління підключений до гібридної батареї і аналізує напругу елементів і температуру батареї. Якщо температура занадто висока, вмикається насос охолоджувальної рідини для високовольтної батареї.

Блок управління визначає стан заряду батареї і, як наслідок, визначає допустимі струми заряду і розряду як в режимі електромобіля, так і в режимі генератора і під час стаціонарної зарядки. Якщо напруга на елементі занадто висока, елемент частково розряджається в процесі балансування, в результаті чого всі елементи мають однакову напругу і перезаряд виключається. Для захисту акумулятора рівень заряду підтримується в межах від 15 до 95 відсотків.

Блок управління електроприводом отримує відповідні дані від датчиків положення ротора і температури для точного управління електродвигуном. Конденсатор проміжного контуру стабілізує коливання напруги у високовольтній мережі, які можуть виникати під час запуску двигуна.

Mercedes-AMG E 53

З 2024 року AMG також пропонує E-клас як гібрид з трилітровим шестициліндровим рядним двигуном.

Максимальна потужність системи, що складається з двигуна внутрішнього згоряння та електричної синхронізованої машини, становить 430 кВт. Це дозволяє автомобілю розвивати максимальну швидкість 280 км/год. Трилітровий турбобензиновий двигун має потужність 330 кВт. Збільшенню продуктивності сприяє новий двоспіральний турбокомпресор з тиском наддуву 1,5 бар замість 1,1 бар.

Електродвигун потужністю 120 кВт інтегрований в дев’ятиступінчасту коробку передач виробництва Mercedes і забезпечує короткочасний крутний момент 480 Нм. Високовольтна батарея, встановлена ззаду під підлогою багажника, має загальну ємність 28,6 кВт-год при напрузі 400 вольт. Оскільки частина батареї зарезервована для бустінгу, її чиста ємність дещо нижча – 21,2 кВт-год.

Високовольтний накопичувач заряджається за допомогою бортового зарядного пристрою потужністю 11 кВт. За запитом також доступний швидкий зарядний пристрій постійного струму потужністю 60 кВт для зарядки постійним струмом. Це дозволяє зарядити батарею з 10% до 80% за 20 хвилин.

У режимі D-Auto максимальна потужність рекуперації при піднятій педалі акселератора становить вражаючі 120 кВт. У більшості робочих діапазонів при випереджувальному стилі водіння немає необхідності вмикати гідравлічне гальмо. Однак слід подбати про те, щоб гальмівні диски не іржавіли.

Porsche Panamera 4 E-Hybrid

Гібридний Porsche Panamera також є абсолютно новим.

Тут 2,9-літровий бензиновий двигун з бітурбонаддувом (224 кВт) поєднується з синхронним електродвигуном з постійним збудженням потужністю 140 кВт. В результаті потужність системи становить 346 кВт, а крутний момент – 650 Нм. Акумуляторна батарея має загальну ємність 25,9 кВт-год, за допомогою якої можна подолати відстань близько 90 км виключно на електротязі.

Panamera Turbo E-Hybrid обіцяє ще більше потужності. Вона оснащена чотирилітровим восьмициліндровим V-подібним двигуном з турбонаддувом та електроприводом потужністю 140 кВт і обертовим моментом 450 Нм. Таким чином, загальна потужність системи становить 500 кВт/680 к.с. і 930 Нм. Навіть з таким приводом автомобіль може проїхати понад 90 кілометрів – за даними WLTP – виключно на електротязі з максимальною швидкістю 140 км/год.

Двигун оснащений моноспіральним турбокомпресором, що забезпечує високу потужність вдосконаленого восьмициліндрового двигуна. У зв’язку з посиленням норм викидів, Porsche відмовився від двоспирального турбонагнітача, що встановлювався раніше, який характеризується двопотоковим, а не однопотоковим корпусом вихлопної системи. Односпіральний турбокомпресор скорочує фазу прогріву каталітичних нейтралізаторів, а також підвищує максимально допустиму температуру вихлопних газів.

Збільшення потужності восьмициліндрового двигуна також пов’язане з вищим піковим тиском у камері згоряння – 140 бар. Деактивація циліндрів не відбувається, натомість час відкриття клапанів скорочується завдяки іншій кривій кулачків, коли потрібна менша потужність. При повному навантаженні клапани знову відкриваються з довгим ходом і на тривалий час.

Новою особливістю є глибока інтеграція електродвигуна в автоматичну коробку передач з подвійним зчепленням. Відсутність окремого корпусу електродвигуна економить п’ять кілограмів ваги. Використовується внутрішній ротор, в якому статор охоплює ротор.

При рушанні з місця роз’єднувальна муфта відкрита, тому автомобіль прискорюється виключно електрично. Лише коли потрібна більша потужність, восьмициліндровий двигун запускається і розганяє Panamera. Porsche змінив охолодження електроприводу з водяного на масляне та інтегрував охолодження в масляний контур трансмісії. Це дозволило збільшити вихідну потужність і – що важливо при гальмуванні – привід може рекуперувати до 88 кВт, що є перевагою порівняно з попередником, який міг рекуперувати лише 19 кВт.

Toyota C-HR PHEV

Toyota, безумовно, абсолютний піонер у виробництві гібридних транспортних засобів, з 2024 року також пропонує C-HR у версії PHEV. Дволітровий атмосферний бензиновий двигун потужністю 112 кВт і обертовим моментом 190 Нм поєднується з електродвигуном потужністю 120 кВт на передній осі. Крутний момент електродвигуна становить 208 Нм, а загальна потужність – 164 кВт.

Батарея має ємність 13,6 кВт-год. На чисто електричному ходу автомобіль може подолати відстань майже 70 кілометрів. За даними WLTP, загальний запас ходу становить до 900 км. Це пов’язано не тільки з низьким споживанням палива бензиновим двигуном (об’єм бака 43 літри), але особливо з комплексною і дуже ефективною стратегією управління, яку Toyota досягла завдяки своєму багаторічному досвіду роботи з гібридами.

Доступні чотири режими водіння. У режимі EV автомобіль рухається виключно на електротязі після запуску до повного розрядження акумулятора. У режимі Auto EV/HV двигун внутрішнього згоряння вмикається, коли потрібна додаткова потужність. Потім двигун внутрішнього згоряння вимикається, і автомобіль рухається лише на електротязі.

Якщо ємність акумулятора вичерпана, автомобіль рухається в режимі HV, використовуючи лише двигун внутрішнього згоряння. У режимі заряджання акумулятор заряджається додатково під час їзди на автомобілі. У стаціонарному режимі акумулятор можна зарядити або за допомогою бортового зарядного пристрою потужністю 7 кВт протягом двох з половиною годин, або – набагато повільніше – від побутової розетки.

Новий Prius демонструє, наскільки добре розвинута технологія PHEV компанії Toyota. У порівнянні з подібними автомобілями, такими як Peugeot 408 PHEV, ефективність Prius просто вражає. За даними WLTP, йому потрібно лише 0,7 літра бензину і 12,6 кВт-год на 100 км. Peugeot витрачає 1,2 літра і 14,4 кВт-год.

Висновок

Немає сумнівів, що PHEV є хорошою альтернативою двигуну внутрішнього згоряння та електромобілю з акумуляторною батареєю (BEV). Однак лише за умови ефективного керування таким транспортним засобом, усвідомлення водієм переваг PHEV та послідовного їх використання. Тривалі поїздки на повному ходу по автомагістралях також призводять до високого споживання пального гібридом. Гібрид може бути чимось більшим, ніж просто перехідною технологією до електромобіля; при вмілому використанні, зокрема, PHEV може бути дійсно розумним і відносно чистим засобом пересування. Особливо, якщо запас ходу електромобіля дозволяє долати відстані близько 100 кілометрів, що підходить для повсякденного використання.