Представяме ви принципната работа на хибридната система на Toyota и нейната еволюция
Как работи HYBRID SYNERGY DRIVE
Хибридната схема на Toyota и Lexus, изградена върху идеята за синергията, е конгломерат от множество отделни механизми, работещи в сложен синхрон и на практика е комбинация от двете хибридни концепции. Ако сведем нещата до основни принципи, формулата на успеха на хибридните автомобили по отношение на разхода на гориво се гради на два пункта – възможността за изключване на двигателя по време на престой и способността им да оползотворяват и съхраняват част от иначе прахосваната енергия в режим на спиране. Тези два фактора обаче далеч не са единствените причина за икономичността на Prius. Отделените агрегати са свързани в, както казахме, концептуално обща синергетична схема, отразена и в името на задвижващата система - HSD (Hybrid Synergy Drive), при която има по-гъвкавото използване на електроенергията. Още по-сложна е системата Lexus Hybrid Drive, която е своеобразно надграждане на HSD, включващо допълнителни механизми, целящи оптимизация на работата на системата в някои неблагоприятни режими като циркулация на енергия. С това специалистите от Toyota изпреварват концептуално колегите си от Honda с техния „паралелен хибрид” създавайки машина, при която електроенергията не изминава елементарния път „акумулатор – електромотор” и обратно, а се включва в сложен кръговрат приобщавайки ДВГ, чиято механична енергия се използва за генериране на ток за задвижване в реално време. В Prius ДВГ не работи на празен ход (излишен режим), в ниски оборотни режими под 1000 об./мин (поради лошото смесообразуване), както и с твърде високи обороти (липса на достатъчно време за качествено осъществяване на процесите на газообмен и горене и увеличено триене), и потегля само с помощта на електродвигателя. В голяма част от времето ДВГ работи в близък до максималното натоварване режим – т. е. когато дроселовата клапа е широко отворена, а бензиновият агрегат функционира с висока ефективност. Това е възможно, тъй като при тази хибридна схема скоростта на движение на автомобила не се определя в пряка функция от оборотния режим на двигателя. Още едно важно предимство което осигурява системата поради липсата на ниски оборотни режими е възможността за реализиране на режим на работа на двигателя по цикъла на Аткинсън, с което допълнително се повишава неговата ефективност.
Способността на електрическите машини да създават достатъчно голям въртящ момент при нулеви и ниски обороти по принцип прави класическата предавателна кутия излишна, а инженерите на Toyota са използвали в Prius интересна схема за трансформиране на енергията. Както казахме, HSD е смесен тип хибридна система, при която в зависимост от конкретната ситуация Prius работи или като „чист” електромобил, или като последователен и паралелен хибрид едновременно – гъвкава схема, която се нуждае от подходящ предавателен механизъм. Най-ефективен се оказва планетарният тип, който се използва често при необходимост от обединяване на задвижването от два източника или от разпределяне на задвижващата сила на един източник в две посоки. Внедряването му в сложната хибридна схема на взаимодействие обаче не е лесна задача. Нови неща в принципната схема на работа на хибрида са добавени едва при Lexus RX 400h и второто му поколение RX 450h (допълнителен електродвигател на задния мост и едностепенен планетарен редуктор), Lexus GS 450h и Lexus LS 600h (допълнителен двустепенен редуктор на оборотите на електродвигателя). В последното еволюционно стъпало на системата се добавя една четистепенна планетарна трансмисия, която по същество работи като автоматична предавателна кутия. Благодарение на нея най-после системата разполага с повече редуктори на оборотите на мотор-генератор 2 и най-важното – на директно механично задвижване на колелата, което при тази система както ще видим е от особена полза.
Но да се върнем на планетарния механизъм, който в Toyota предпочитат да наричат PSD (Power Split Device) и може би имат право, защото в Prius и хибридите на Lexus няма същинска предавателна кутия в класическия смисъл на понятието. Планетарният механизъм е изграден от три основни части – назъбена от вътрешната страна пръстеновидна „корона” (вж. схемата), „слънчево” концентрично вътрешно зъбно колело и разположени между тях „сателитни” зъбни колела с оси, свързани с общо „водило”. При движение на механизма сателитите обхождат вътрешно короната и външно слънчевото колело. При спиране на един от елементите, между другите два може да се предава движение. Когато и трите звена са свободни, те са обвързани помежду си в преки и точно определени математически взаимовръзки, като при движението на два от компонентите един спрямо друг, движението на третия може винаги да се определи с формула.
Инженерите на Toyota просто са „закачили” водилото с планетните колела към изходящия вал на ДВГ. Когато той работи, произвежданият от него въртящ момент се предава от водилото към сателитните колела, които на свой ред го разпределят в две посоки. Първата води към короната, свързана с електрическия мотор-генератор MG2, който от своя страна предава движението към предните колела. Втората посока е към свързаното с другия мотор-генератор MG1 слънчево колело. Стойностите на силите, предавани от водилото и сателитите към слънчевото зъбно колело и короната са еднакви, но поради различния диаметър на двата зъбни елемента всеки от тях всъщност се сдобива с различен дял от въртящия момент. При Prius 72% от въртящият момент се насочва към МG2, респ. към колелата, а 28% отиват към слънчевото колело и МG1.
На практика всичко това означава следното. Поради пряката връзка между колелата и MG2, оборотите на МG2 са строго фиксирани за всяка определена скорост на движение на автомобила. В зависимост от оборотите на ДВГ (които компютърът задава въз основа на натискането на „електронния” педал на газта и условията на движение), управляващият блок на системата решава едно просто уравнение и определя динамично скоростта на въртене на МG1. В зависимост от ситуацията всяка от електрическите машини може да работи като генератор или мотор, като при бавно движение MG1 действа като генератор. В този случай електрониката настройва консумацията на генерираната от MG1 електрическа енергия, увеличавайки или намалявайки оборотите на ДВГ до постигане на желаната динамика, а генерираният от МG1 електрически ток се насочва към МG2. В същото време по закона на планетарния механизъм 72% от въртящия момент на ДВГ отиват към МG2, респ. към колелата, а 28% към МG1 и в крайна сметка колелата се задвижват от механична енергия, обединена след пристигането й по два пътя - чрез директна механична връзка и по електрически път след електронно управлявани трансформации. Действието на системата може би звучи безсмислено сложно, но именно благодарение на нея е изграден гъвкав и ефективен подход в разпределението на енергийните потоци в Prius.
Логичният въпрос как автомобилът потегля при липса на усилваща въртящия момент предавателна кутия има прост отговор – в повечето случаи това става при изключен ДВГ и благодарение на мощния МG2, черпещ електричество от батериите. При ниско ниво на батериите системата автоматично стартира ДВГ, който задвижва генератора МG1 и произвежда необходимото на тяговия MG2 електричество. Просто и ясно – основната задача на сложната електроника се заключава в това, да определи нуждите и съобразно с тях да балансира ролите на MG1, MG2 и ДВГ. При движение с ниска скорост се използва само електроенергия от батериите, при ускоряване се включват и двата енегоизточника, като MG1 за кратко също преминава в режим на мотор за да увеличи оборотите на ДВГ и да симулира преминаване на по-ниска предавка, а при шофиране с постоянна скорост основната роля се изпълнява от предаващия тягата си по два пътя двигател с вътрешно горене... Тук е мястото да споменем, че електрическите машини са променливотокови и трифазни и поради тази причина постоянният ток от батериите и обратният поток преминават през сложни електронни преобразуватели.
Решението каква ще бъде ролята на МG1 и МG2 се взема от електрониката в зависимост от ситуацията с отчитане на определени дадености. Оборотите на ДВГ и MG2 винаги са „положителни” (изключение при MG2 е движението на заден ход), докато оборотите на МG1 могат да бъдат както „положителни” така и „отрицателни” и на него е поверена ролята на главен балансиращ елемент в системата. В случай, че Prius се движи на електричество, завъртането на MG1 в положителна посока води до стартиране на ДВГ – абсолютно неусетен и безшумен процес, тъй като електромоторът е с голяма мощност и веднага извежда ДВГ в зоната над 1000 об./мин. Интересно е да се отбележи също, че при определена скорост (около 100 км/ч при 3000 об./мин на ДВГ за Prius) MG1 отново започва да се върти в обратна на MG2 посока, но този път електрониката го вкарва в моторен режим. MG2 от своя преминава в режим на генератор, при което се получава режим на т.нар. „циркулация на мощност”, водеща до загуби. В този случай кръговратът на енергия води до намаляване на КПД на системата, което обяснява по-ниската ефективност при движение с високи скорости. Всичко това се прави в името на намаляването на оборотите на ДВГ.
Режимите на работа
Режимите на работа, определящи поведението на енергийната и силова уредба на автомобила.
Стартиране на двигателя при спрял автомобил. Към МG1 се подава напрежение, което би задвижило автомобила в обратна посока, но това се предотвратява от подаване на достатъчно голямо блокиращо напрежение на МG2, който задържа автомобила неподвижен, а силата на МG1 се предава към ДВГ, който се стартира неусетно поради голямата мощност на електрическите агрегати.
Симулация на ниски предавки. При ускоряване от място оборотите на ДВГ са значително по-високи от тези на MG2, но към него и съответно към колелата не се предава достатъчно голям въртящ момент. В такъв случай МG1 работи като генератор, токът от който системата насочва към МG2. В схемата при нужда могат да се включат и акумулаторите.
Симулация на високи предавки. При висока скорост на движение ДВГ може да работи и с по-ниски обороти от МG2, но се управлява така, че да работи в максимално ефективен режим с висок въртящ момент. При „най-високи предавки” управляващият компютър превръща МG2 в генератор, който натоварва ДВГ, а генерираното от него електричество изпраща към МG1, който от своя страна става задвижващ мотор. Именно тази схема позволява на ДВГ да работи с по-ниски обороти при сравнително висока скорост на движение, а системата може да симулира множество предавки между ниски и високи, променяйки ролите на МG1 и МG2 между мотор и генератор. В част от режимите едната електрическа машина зарежда и батериите (напрежението в тях никога не пада под определена граница с цел запазване на по-дългия им експлоатационен живот), но в повечето режими генерирана от едната електрическа машина енергия се насочва изцяло към другата. Принципно зареждането отнема енергия от ДВГ, но в тези случаи той работи с по-високо КПД, а акумулираната в батерията се използва в случаи на много ниска ефективност, което „капитализира” с ползи изразходената преди това.
Задна предавка. Батериите подават обратно напрежение към МG2 и автомобилът потегля назад. Ако в този момент акумулаторите нямат достатъчен капацитет, се включва ДВГ, който задвижва изпълняващия ролята на генератор МG1 и осигурява необходимия ток.
„Тих” режим. МG2 се захранва единствено от батериите, ДВГ и водилото са неподвижни, а МG1 се върти свободно в обратна посока, без да произвежда електричество и да натоварва системата.
Неутрална предавка. В този случай HSD просто прекъсва електрическата верига на МG1 и МG2. Никакъв въртящ момент не може да бъде пренесен към колелата.
Регенерация. В режим на намаляване на скоростта системата насочва генерираната от МG2 електрическа енергия към акумулаторите. При нужда (в случай, че акумулаторите са препълнени и в положение В на „скоростния” лост) Prius може да прибегне и до използване на реалната спирачна сила на ДВГ. В такава ситуация MG2 започва да генерира енергия и да я отправя към МG1, а натоварването идва от спирачния момент на ДВГ. И в двата случая хибридът на Toyota/Lexus успява да оползотвори сериозен дял от излишната енергия на движещия се автомобил, а конструкторите са си позволили лукса да оразмерят спирачната система по-скромно от типичното за автомобил от този клас и тегло.
Допълнителен електроускорител. Акумулираната в батериите енергия е важен резерв, който дава възможност на компютъра да държи ДВГ в оптимален режим на натоварване без оглед на режима на движение на автомобила.
Зареждане на акумулаторите. Използвайки МG1 като генератор, хибридната система може да зарежда акумулаторните батерии и без автомобилът да се движи.
Спрял автомобил. ДВГ работи само при нужда от зареждане на батериите – поради изключително ефективната охладителна система достигането на оптималната му работна температура става много бързо.
Главната цел на хибридната схема на Toyota/Lexus е да осигури максимална енергийна ефективност на системата като цяло, но конструкторите на Toyota са се постарали всеки един от нейните компоненти да бъде изключително ефективен сам по себе си.
Захранващата мрежа с високо напрежение (High Voltage Power Curcuit). С цел да се намали големината на преминаващия през проводниците ток, а оттам и тяхното тегло и енергийните загуби, постоянното напрежение на акумулаторните батерии от 202 волта се увеличава с помощта на трансвертер (DC/AC) до променливо от 500 волта (постепенно увеличавано при следващите поколения). Това става възможно благодарение на технологията, наречена биполярен транзистор с изолиран гейт. Акумулаторните батерии на Toyota Prius и хибридите на Lexus са никел-металхидридни, а при Prius Plug-in и новите модели – литиево-йонни.
Електрическият мотор. Високоефективният променливотоков асинхронен агрегат MG2 е с постоянни магнити.
Генераторът. Втората електрическа машина е от същия тип, но е изключително издръжлива на големи натоварвания – може да достига 10 000 об./мин. и притежава много висока ефективност в най-използваните средни оборотни режими.
Двигателят с вътрешно горене е бензинов и работи по т. нар. „цикъл на Аткинсън” с удължена фаза на разширение и скъсена фаза на сгъстяване – всмукателният клапан се затваря по-късно и остава отворен при почти една трета от обратния ход на буталото. Този тип двигатели са неефективни при много ниски оборотни диапазони (поради разширената фаза на пълнене), но при хибридите на Toyota и Lexus ДВГ просто не работи в такива режими. Управлението на процесите в бензиновия агрегат е поверено на 32-битов процесор, а към системата за охлаждане е добавен специален високотехнологичен съд, който съхранява топлината в течността до няколко дни след изключване на двигателя.
Адаптивната електрическа кормилна уредба. Тази управлявана от бърз 32-битов процесор система също пести енергия, защото сервоусилвателят се включва само при необходимост.
Агрегатите на оптимизираната климатична инсталация също се задвижват изцяло с електричество. Поради необходимостта от бърз пренос на голямо количество информация между отделните управляващи и изпълнителни модули на системата се използва високоскоростна мрежа САN.
Еволюцията
Пропорцията между преминаващата по директен механичен път мощност и тази по електрическия път Prius е постоянна и зависи от конструкцията на планетарния механизъм, а това означава че колкото по-голяма е скоростта на автомобила и/или натоварването, толкова по-голяма мощност се предава чрез електротрансформация. Когато се добави и факторът циркулация на мощност за която стана дума по-рано става ясно защо Toyota Prius в голяма степен загубва предимствата си при постоянно движение с много висока скорост и единствено регенеративния режим и отличната аеродинамика в известна степен компенсират тези загуби. Само в така наречената „механична точка” в която MG1 достига нулеви обороти се реализира чисто механично предаване, което обикновено в тези системи се използва като симулация на висока предавка. Гореизброените проблеми характерни за Prius се решават в голяма степен при моделите на Lexus с добавянето на допълнителни механизми променящи предавателното отношение именно на връзката тягов електромотор-колела, като при Lexus RX 450h той бе едностепенен, а при Lexus GS 450h и LS 600 h - с две допълнителни степени, реализирани чрез двоен планетарен механизъм и управлявани чрез целенасоченото спиране на отделните негови елементи с помощта на фрикциони. По този начин изходящият електроагрегат вече не е свързан постоянно в съотношение 1:1 с главното предаване, а връзката се променя при което при увеличаване на скоростта може чрез „превключване на предавките” да се намалят оборотите на електродвигателя (както е при конвенционалните автоматични трансмисии) и не само да се измести точката на размяна на ролите на двете електрически машини и настъпването на циркулация на мощност, но също да се намали размера им поради гъвкавото управление на режимите на работа. Тази интервенция на практика променя оборотните режими и респективно въртящия момент на тяговия мотор, но принципно взаимовръзката между трите агрегата - ДВГ и двете електрически машини се запазва.
В последната версия на системата, наречена Multi Stage Hybrid System, както споменахме се добавя четиристепенен механизъм наподобяващ автоматична предавателна кутия. Задачата му е до осигури както намаляване на оборотите на MG2, така и директни механични предавки. На практика инженерите са симулирали три степени в самия хибриден механизъм и след като те преминат през всяка една от трите степени в планетарната трансмисия се умножават до девет. Последната степен нея служи като деректна механична връзка и на практика се превръща в десета степен.
Междувременно обаче много неща се промениха и в самите агрегати на Prius и неговите производни Auris HSD, Lexus CT-200h, бъдещите Yaris HSD, Prius V и Prius C. Постепенно се въвеждат литиево-йонни батерии, компановката на електромоторите и вида им, но в дълбоката си същност всичко е еволюция на първоначалния и описан в тази поредица механизъм.
Текст: Георги Колев
Естребовски
При 0 оборота, няма въртящ момент. Засега само Чък Норис може да умножава по нила.