Гибриды. Часть 1

Друзья, рады Вас видеть снова в нашем блоге! Сегодня мы начнем рассказывать Вам про будущее, которое всех нас ждет, а именно про электрификацию автомобилей. Начнем с гибридов.

На сегодняшний день сложилась следующая условная классификация гибридных автомобилей:

1. Микрогибриды. По сути, это обычные автомобили с ДВС с функцией рекуперации энергии при торможении двигателем. При этом используются только компоненты 12-вольтовой бортовой сети, и электрическая энергия никак не используется для движения автомобиля.

2. «Мягкие» гибриды MHEV (Mild Hybrid Electric Vehicle). Эти автомобили имеют более сложную электрическую архитектуру. Здесь появляется 48-вольтовый участок бортовой сети, который может использоваться как для рекуперации энергии торможения, так и для запуска ДВС, а также для создания дополнительного крутящего момента при интенсивном разгоне.

3. «Полные» гибриды HEV (Hybrid Electric Vehicle). Такие автомобили имеют высоковольтный участок бортовой сети, включающий довольно мощную аккумуляторную батарею и могут какое-то время двигаться исключительно на электротяге или использовать для движения ДВС, который в некоторых режимах может работать в комбинации с электроприводом.

«Полные» гибриды еще можно условно разделить на «последовательные» и «параллельные», а также на «подключаемые» PHEV (Plugin Hybrid Electric Vehicle) и «неподключаемые».

На «последовательных» гибридах подразумевается использование ДВС только в качестве привода высоковольтного генератора, который, в свою очередь, будет обеспечивать энергией электрическую систему. Преимуществом такого варианта является то, что двигатель внутреннего сгорания практически постоянно работает на оптимальных режимах, что обеспечивает экономию топлива, а также упрощается конструкция трансмиссии, что приводит к снижению стоимости. При этом, невозможность использования ДВС для движения автомобиля является существенным недостатком, поэтому в «чистом» виде «последовательные» гибриды встречаются редко.

На автомобилях, где используется «параллельная» схема, двигатель внутреннего сгорания непосредственно подключается к трансмиссии и используется как в качестве привода генератора, так и непосредственно для движения автомобиля (в некоторых режимах одновременно («параллельно») с электроприводом.

«Подключаемые» и «неподключаемые» гибриды отличаются тем, что в «неподключаемых» автомобилях высоковольтная аккумуляторная батарея заряжается только от генератора, а «подключаемые» версии имеют возможность подзарядки то внешней электрической сети. «Подключаемая» схема удобнее, т.к. при коротких поездках полностью зарядить батарею только от генератора не представляется возможным. При этом, для реализации возможности подзаряда от внешней сети требуется более сложная (и, следовательно, дорогая) конструкция, а также необходимо наличие соответствующей зарядной инфраструктуры.

В модельном ряду Вольво присутствуют все три типа гибридных автомобилей.
Микрогибриды (или автомобили с функцией рекуперации энергии при торможении двигателем) впервые были представлены в продуктовой линейке Вольво в 2010 модельном году. Это были представители семейства «экологичных» машин DRIVe C30, S40 и V50 (платформа Р1). На данных машинах была также реализована функция старт-стоп.

Рекуперацией энергии торможения называется метод экономии топлива за счет использования собственной кинетической энергии автомобиля для подзарядки его аккумулятора. Такой вид регенерации энергии возможен благодаря тому, что уровень заряда аккумулятора автомобиля контролируется модулем BMS (Battery Monitoring Sensor).

Датчик BMS располагается на отрицательном выводе главного аккумулятора и непрерывно измеряет следующие параметры:
• напряжение
• силу тока
• температура (отрицательного вывода)
• внутреннее сопротивление аккумулятора
• снижение напряжения во время пуска двигателя
• потребляемый ток на автомобиле в состоянии покоя

Эти значения используются в датчике BMS для того, чтобы точно определить состояние аккумулятора и регулировать его зарядку от генератора.
Зарядка аккумулятора происходит в обычном порядке до тех пор, пока ее уровень не достигнет 80 % SOC (State of charge), в то время как на автомобиле без датчика BMS обычная зарядка выполняется всегда с целью достижения уровня 100 % SOC.

Благодаря тому, что оставляется определенный резерв для зарядки при отрицательном крутящем моменте (при торможении двигателем), возможна экономия расхода топлива порядка 1-3 %.
Датчик BMS должен постоянно контролировать суммарный исходящий (или, соответственно, входящий) ток аккумулятора, чтобы точно определять состояние аккумулятора. Поэтому, при подсоединении внешнего зарядного устройства, соединение с массой должно выполняться только в точке соединения с массой кузова, но не на отрицательном выводе аккумулятора (т.е. до места подсоединения датчика).

Если функционирование датчика BMS по какой-либо причине нарушено, он передает сигнал о том, что состояние аккумулятора не определено, по которому деактивируются функции старт-стоп и рекуперации энергии торможения.

Чтобы снова иметь возможность правильно определять состояние заряда аккумулятора (SOC), датчик BMS должен проверить состояние аккумулятора во время "периода покоя аккумулятора", на протяжении этого времени автомобиль должен находиться в состоянии покоя приблизительно 5 часов. Отбор тока свыше 250 мА прерывает такой период покоя, отсчет времени которого должен начаться заново.

Чтобы зарядка могла осуществляться посредством рекуперации энергии торможения, должны выполняться определенные условия:
• Аккумулятор должен иметь уровень заряда не менее 80 %. Если уровень заряда аккумулятора ниже, выполняется обычная зарядка аккумулятора (на протяжении почти 99 % времени работы аккумулятора уровень его заряда составляет выше 80 %).
• Температура аккумулятора должна составлять 5–60 C.
При температуре ниже 5 C зарядка выполняется обычным путем.
При температуре выше 60 C цель состоит в том, чтобы зарядка аккумулятора не выполнялась.
Различается 3 основных режима зарядки:
• нормальная зарядка (генератор работает в обычном режиме)
• рекуперация энергии торможения (уровень напряжения 13,6 В – 15,2 В)
• рекуперация энергии торможения с разрядом аккумулятора (уровень напряжения снижается до 12,2 – 13,6 В). Этот режим необходим, если зарядка приближается к 100% и следует обеспечить наличие свободной емкости аккумулятора для последующего заряда с помощью рекуперации.

С внедрением функции рекуперации энергии торможения автомобили Вольво стали комплектоваться свинцово-кислотными аккумуляторными батареями, изготовленными по технологии AGM (Absorbent Glass Mat), где пространство между пластинами заполнено слоями специального стекловолокна, которые абсорбируют электролит. Основные преимущества таких батарей в сравнении с обычными свинцово-кислотными аккумуляторами следующие:
• Конструкция, не требующая обслуживания.
• Значительно меньший саморазряд.
• До 2,5 раз большая скорость заряда (за счет меньшего внутреннего сопротивления), что уменьшает негативный эффект постоянного неполного заряда генератором батареи в городских условиях эксплуатации автомобиля, приводящего к преждевременному выходу АКБ из строя (особенно важно для автомобилей с системой «старт-стоп»).
• Конструкция герметизированная и имеет клапанную регулировку, предотвращает утечку кислоты и коррозию клемм.
• Более безопасная работа: при правильной зарядке батарей исключается возможность выделения газов и опасность взрыва.
• Уверенная работа при низких температурах в зависимости от технологии до −30 °С (ниже возможна кристаллизация электролита разряженной батареи и как следствие снижение срока службы ввиду повреждения активной поверхности).
• Увеличенный срок службы в условиях повышенной вибрации.
• Почти в 3 раза большая долговечность по циклам зарядки/разрядки

К основным недостаткам можно отнести более высокую стоимость и чувствительность к перезарядке, т.к. появляется риск снижения уровня электролита за счет выкипания, что критично для необслуживаемых батарей (при зарядке от внешнего источника напряжение не должно превышать 14,4 В).

На автомобилях платформы Р3 функция рекуперации энергии торможения начинает внедряться с середины 2010 модельного года, при этом в некоторых вариантах конфигураций старт-стоп мог отсутствовать.
На всех автомобилях платформ SPA и CMA функции рекуперации энергии торможения и старт-стоп присутствуют с начала производства.

«Мягкие» гибриды представлены в модельном ряду Вольво автомобилями на платформах SPA с бензиновыми и дизельными двигателями VEA 3-го поколения, а также автомобилями на платформе СМА с бензиновыми двигателями VEA 3-го поколения.

В маркировке двигателей VEA 3-го поколения перестали указывать цифру, обозначающую число клапанов на цилиндр.
«Мягкие» гибриды на платформе SPA выпускаются с 2020-го модельного года (в Россию поставки начались с 2022 м.г.).

Бензиновые двигатели могут иметь варианты HP (High Performance) мощностью 300 л.с., например, В420Т, такие автомобили имеют обозначение В6. Имеются также варианты MP (Medium Performance), например, B420T2(T10) мощностью 250(249) л.с. (обозначение – В5) и B420T6 мощностью 197 л.с. (обозначение – В4).
Дизельные двигатели представлены в вариантах HP (High Performance) мощностью 235 л.с., например, D420Т2 (обозначение – В5) и MP (Medium Performance), например, D420T8 мощностью 197 л.с. (обозначение – В4). В данных двигателях обязательно использование раствора мочевины (Ad-blue) для снижения содержания окислов азота в выхлопных газах.

Теперь, по обозначению на кузове (В4 или В5), нельзя определить, какой двигатель под капотом, бензиновый или дизельный.
В упрощенном виде схема электроснабжения «мягкого» гибридного автомобиля выглядит следующим образом (пример для платформы SPA):

Все основные системы автомобиля работают от бортового напряжения 12 В.
Система среднего напряжения 48 В предназначена для снижения расхода топлива за счет использования возможности сохранения рекуперированной энергии торможения, и в определенных условиях для поддержки двигателя внутреннего сгорания. Использование системы 48 В также обеспечивает расширенные функциональные возможности, которые требуют большую мощность, чем ту, которую может выдать система 12 В.

Система 48 В также, как и система 12 В является «однопроводной», т.е. «массой» является кузов автомобиля.
Система среднего напряжения включает в себя электрическую машину 48 В с встроенным преобразователем ISGM (Integrated Starter Generator Module), который соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания посредством приводного ремня. ISGM используется в качестве генератора с возможностью использования рекуперативной энергии торможения. В дополнение к этому ISGM также используется для запуска ДВС и подачи дополнительного крутящего момента.
Расположение ISGM:

1. ISGM
2. Система натяжителя ремня
3. Ремень привода навесного оборудования
4. Компрессор А/С
5. Шкив коленчатого вала

Устройство ISGM выглядит следующим образом:

Так как ISGM используется для запуска двигателя внутреннего сгорания не во всех режимах (как правило при прогретом двигателе и в режиме старт-стоп), автомобили также оснащены стартером 12 В. Выбор метода запуска управляется электронным модулем управления двигателем (ECM) в зависимости от температуры окружающего воздуха, температуры моторного масла и уровня заряда батарей.

Начиная с середины 2021 модельного года стартер 12 В исключен из конструкции автомобилей SPA с бензиновыми двигателями, т.е. только ISGM используется для запуска ДВС и при неисправности системы 48 В (батарея или стартер-генератор) машина не заведется.

Данная система также включает модуль преобразователя среднего напряжения MVCM (Mid Voltage Converter Module), который является преобразователем постоянного тока (DC/DC) между стороной 48 В и стороной 12 В. В сочетании друг с другом ISGM и MVCM замещают потребность в обычном генераторе 12 В. Так как система 12

В не имеет собственного генератора, модуль преобразователя среднего напряжения (MVCM) заряжает главную аккумуляторную батарею и подает питание в электрическую систему, постоянно преобразуя энергию из 48 В постоянного тока в 12 В постоянного тока (максимальная мощность преобразования 48 — 12 В составляет 3,5 кВт). MVCM также может выполнять обратное преобразование, используемое для предварительной зарядки системы 48 В от главной батареи перед тем, как произойдет подсоединение модуля аккумуляторной батареи среднего напряжения MVBM (максимальная мощность преобразования 12 — 48 В составляет 1 кВт). MVCM имеет жидкостное охлаждение.

1. Патрубок системы охлаждения
2. Патрубок системы охлаждения
3. Соединение + 48 В
4. Соединение на массу
5. Соединение + 12 В
6. Сигнальный разъем

Модуль аккумуляторной батареи среднего напряжения MVBM (Mid Voltage Battery Module), который включает в себя аккумуляторную батарею 48 В литий-ионного типа, располагается в багажном отделении и зафиксирован с помощью механических кронштейнов. В качестве дополнительной меры безопасности аккумуляторная батарея также зафиксирована с помощью ремня, предназначенного для удерживания аккумуляторной батареи на месте в случае столкновения.

Основным назначением аккумуляторной батареи 48 В является накопление энергии от рекуперативного торможения и электропитание стартера-генератора (ISGM), когда тот используется в качестве стартера или для дополнительного крутящего момента двигателя внутреннего сгорания. В дополнение к этому MVBM также подает электропитание в систему 12 В через модуль преобразователя среднего напряжения (MVCM), когда ISGM не вырабатывает энергию во время запуска двигателя и при работе системы старт-стоп. MVBM также действует в качестве стабилизатора напряжения для стартера-генератора (ISGM) во время постоянной регулировки с динамическим нагрузками со стороны системы 12 В.

Интерфейс связи представляет собой 12-контактный сигнальный разъем, встроенный в корпус аккумуляторной батареи. Связь осуществляется по шине CAN. MVBM имеет пассивное охлаждение. Патрубок вентиляции присутствует из соображений безопасности на случай необходимости вентиляции ячеек.

1. Соединение + 48 В
2. Соединение — 48 В
3. Ремень аккумуляторной батареи
4. 12-ти контактный интерфейс связи
5. Патрубок вентиляции

MVBM подключается к системе 48 В за счет замыкания внутреннего реле, которое управляется модулем управления двигателя ECM. MVBM подключается к системе на основании запроса на запуск двигателя внутреннего сгорания вручную. MVBM также может инициировать подключение к системе 48 В при низком уровне заряда, когда можно выполнять подзарядку от главной аккумуляторной батареи 12 В с помощью преобразователя 12 – 48 В в MVCM. MVBM подключен в течение всего ездового цикла (включая режим старт-стоп). Время до размыкания реле после выключения двигателя отличается в зависимости от соотношения степени заряда основной аккумуляторной батареи 12 В и аккумуляторной батареи 48 В.

Используется два вида батарей 48 В в зависимости от даты выпуска автомобиля (примерная граница – середина 2021 модельного года). Более ранний вариант имеет номинальную емкость 443 Втч, более поздний – 370 Втч. «Новые» батареи имеют более высокий уровень пожаробезопасности.

Для увеличения срока службы уровень заряда регулируется в пределах 22 – 72% (для «старых» батарей и 25 – 85% для «новых»). Целевым значением степени заряда является уровень 55%.
Зарядить батарею 48 В от внешнего источника нельзя, поэтому, если автомобиль длительное время не используется, рекомендуется периодически производить запуск двигателя на 20 – 30 минут для подзарядки батареи.

Модуль выключателя батареи BCSM (Battery Control Switch Module) имеется только на автомобилях, оборудованных стартером 12 В (т.е. на всех дизельных и бензиновых до середины 2021 модельного года).

Модуль выключателя батареи (BCSM) является главным блоком в управлении электропитанием автомобиля. Во время запуска двигателя с помощью стартера 12 В BCSM разделяет электрические цепи. Это делается с целью обеспечения достаточного уровня напряжения для нагрузок автомобиля (кроме стартера) за счет подачи питания с модуля преобразователя среднего напряжения (MVCM) в то время, как главная аккумуляторная батарея 12 В снабжает питанием стартер. BCSM располагается в моторном отсеке.

При запуске от стартера-генератора ISGM электропитание нагрузок автомобиля обеспечивается от главной аккумуляторной батареи 12 В совместно с преобразователем среднего напряжения (MVCM).

Автомобили с бензиновыми двигателями высокой мощности (НР) также оснащаются электрическим нагнетателем (E-charger). Электрический нагнетатель оказывает поддержку обычному турбонагнетателю в принудительной подаче воздуха на низких оборотах двигателя с целью увеличения давления наддува и предотвращения турбоямы.

Электрический нагнетатель состоит из электродвигателя (48 В), который приводит в действие крыльчатку внутри радиального компрессора, который нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Рабочий диапазон электрического нагнетателя распространяется до оборотов двигателя 3000 об/мин. E-charger активируется не при определенных оборотах двигателя, а по запросу на открытие дроссельной заслонки. Если двигатель получает запрос крутящего момента/мощности и давления наддува, которые не могут быть обеспечены турбонагнетателем, происходит активация электрического нагнетателя.

Электрический нагнетатель устанавливается после турбонагнетателя. Максимальная частота вращения рабочего колеса компрессора составляет 72000 об/мин, а максимальная потребляемая мощность — 5 кВт.

По причине высокого нагрева, E-charger оснащается водяным охлаждением. Охлаждающая жидкость поступает из системы охлаждения двигателя.

Внутри электрического нагнетателя находится электронный модуль ЕССМ (Electric Charge Air Compressor Module), который обменивается данными с модулем управления двигателя ECM по сети CAN.

Непосредственно перед электрическим нагнетателем установлен пассивный перепускной клапан, который направляет воздушный поток из турбонагнетателя в E-charger или напрямую в двигатель. Перепускной клапан представляет из себя механическое устройство, которое не управляется какой-либо из систем. Клапан состоит из заслонки, которая открывается, когда давление от турбонагнетателя выше, чем давление от электрического нагнетателя. В этом случае воздух подается в двигатель только турбонагнетателем в обход электрического нагнетателя.

1. E-charger
2. Пассивный перепускной клапан
3. Турбонагнетатель

«Мягкие» гибриды на платформе СМА представлены автомобилем ХС 40 (Официально в Россию не поставлялись).

Основные отличия от платформы SPA заключаются в том, что доступны только бензиновые двигатели VEA 3-го поколения MP (Medium Performance) без электрического нагнетателя, а главная аккумуляторная батарея 12 В находится в подкапотном пространстве.

Продолжение следует.