# Радикальное повышение эффективности силовой установки гибридного автомобиля

Нурбей Владимирович Гулиа

Использование в автомобильных гибридах маховичного накопителя с механическим отбором мощности и бесступенчатой трансмиссии с разделением потока мощности позволит почти втрое снизить потери энергии в гибридах за счет существенного снижения протекающей через варьирующее звено. Такая трансмиссия может иметь в качестве бесступенчатого звена как вариатор, предпочтительно планетарный, так и электровариатор пониженной мощности. Вышеупомянутый маховичный накопитель по удельной энергоёмкости, КПД, и, особенно, удельной мощности превосходит все другие накопители энергии.

Д.т.н. профессор Гулиа Н.В. - директор по НИОКР ЗАО 'Комбарко', г. Москва,

В.В.Давыдов - Главный конструктор ЗАО 'Комбарко', г. Москва,

А.И.Лаврентьев - инженер-испытатель ЗАО 'Комбарко', г. Москва


1. Немного истории


Недавно авторы этой статьи провели очередной поиск публикаций по автомобильным гибридам и были удивлены практически полным отсутствием сведений о гибридах с маховичными накопителями энергии, за исключением, пожалуй, системы KERS фирмы Flybrid. Это при сотнях материалов об автомобильных гибридах с электроаккумуляторами! При этом в исторических обзорах об автомобильных гибридах, преимущественно из англоязычных публикаций, упомянуты почти все типы гибридов с электроаккумуляторами, начиная с Порше 1900 года. При этом были начисто забыты гибридные автомобили Роберта Кларка с маховичными накопителями и ступенчатыми коробками передач - 'Гиректа' и 'Гидректа', созданные в 50-х годах прошлого века. И ни слова о том, что одним из авторов этой статьи - проф. Н.В.Гулиа в 1966...1972 годах были построены и испытаны первые в мире гибридные грузовик и автобус с маховичными накопителями и бесступенчатой трансмиссией с вариаторами - почти полные прообразы современной системы KERS! Испытания их показали экономию около 45% топлива в городском цикле движения. А в 1974...76 годах группой исследователей под руководством Н.В.Гулиа аналогичные результаты были показаны на разработанном и построенном ими гибридном автобусе с гидрогазовым накопителем и гидростатической трансмиссией. При этом об этих испытаниях было много публикаций, телевизионных и киноочерков. Правда, финансирование этих проектов в СССР было прекращено из-за невероятно низких цен на бензин в то время, а следовательно, ничтожном экономическом эффекте гибрида при этом. А об экологии, которая тоже существенно выигрывала при этом, тогда всерьёз в СССР и не думали. Но речь здесь пойдёт не о восстановлении приоритетов, а об анализе основных силовых компонентов автомобильных гибридов в связи со 'вновь открывшимися обстоятельствами'. А обстоятельства эти состоят в том, что, как оказалось, использование в качестве накопителя гибрида маховика с механическим отбором мощности, а в качестве трансмиссии - бесступенчатой с разделением потока мощности, коренным образом меняет характер процесса передачи энергии в гибриде. В разы снижаются потери энергии в трансмиссии, и повышается экономическая эффективность, при одновременном снижении габаритно-массовых показателей и стоимости агрегата. Кроме того, вышеупомянутый тип накопителя по удельной энергоёмкости в разы, а в ближайшей перспективе и на порядок превосходит электрохимические накопители, а по такому важному для автомобильных гибридов показателю, как удельная мощность, уже превосходит более, чем на порядок, ионисторы, считающиеся 'чемпионом' по этому показателю. Ниже приведен вышеупомянутый анализ в достаточно краткой и доступной форме для специалистов по автомобильным гибридам широкого профиля - электриков, гидравликов, механиков.


2. Основные силовые компоненты автомобильных гибридов


Перечислим, не вдаваясь в специфику работы, из каких основных силовых элементов в самом общем случае состоит любой автомобильный гибрид. Прежде всего, это - первичный источник энергии, или двигатель, для подавляющего большинства автомобильных гибридов - двигатель внутреннего сгорания. Выдает этот двигатель энергию в форме механической, и, что важно - в виде вращения вала. Двигатель гибрида должен иметь ярко выраженную зону оптимального режима работы при минимальном удельном расходе топлива, для функционирования, преимущественно, в этой зоне. Далее, это - накопитель энергии, являющийся непременным компонентом гибридного силового агрегата, так как он играет роль энергетического 'банка', накапливающего энергию при работе двигателя на оптимальном режиме или при её отборе от энергии, накопленной в массе самого автомобиля. Это возникает, например, при плановых торможениях автомобиля, а также на спусках. Выделяемая из накопителя энергия идёт на движение автомобиля, в том числе и параллельно с энергией работающего двигателя. Заметим, что потребляется энергия для движения автомобиля в том же виде, что и выделяется двигателем - в виде механической энергии вращения ведущих колес, что важно. Основные типы накопителей энергии - электрический, как электрохимический, так и электростатический (ионистор), механический - в виде маховика, вращающегося в корпусе, и гидрогазовый - в виде баллонов со сжатым газом (чаще всего азотом) и рабочим телом в виде масла. Третий основной силовой компонент автомобильного гибрида - это трансмиссия, связывающая, в общем случае, двигатель, накопитель и ведущие колёса автомобиля разнообразными способами. В случае электрического накопителя энергии, это - электромеханическая трансмиссия, включающая генератор, электродвигатель (один или несколько) и механический привод, соединяющий двигатель и электрические силовые компоненты с ведущими колёсами, а иногда и друг с другом. То же имеет место, если в качестве накопителя использован маховик со встроенной обратимой электромашиной, что часто имеет место в скоростных маховиках. При использовании гидрогазового накопителя обязательна гидростатическая трансмиссия, включающая обратимые гидронасос, гидродвигатель и механический привод, соединяющий гидромашины, двигатель и ведущие колёса. При наличии маховичного накопителя с механическим отбором мощности трансмиссия может быть как полностью механической - с вариатором, в частности планетарным, в качестве бесступенчатого звена, так и электромеханической или гидромеханической, соответственно, с электро- или гидромашинами в качестве бесступенчатого звена. И обязательной в такой трансмиссии является дифференциальная передача с разделением потока мощности, которая, совместно с маховичным накопителем обеспечивает прохождение через бесступенчатое звено лишь малой доли (около 15%) всей энергии, что обеспечивает снижение её потерь (перехода в тепло) почти в три раза, а также уменьшение габаритно-массовых показателей трансмиссии.


3. Супервариатор


Оказалось, что отмеченные выше решающие положительные особенности маховичного накопителя с механическим отбором мощности и трансмиссией с бесступенчатым планетарным звеном и разделением потока мощности, ранее нигде не описывались, и на них не акцентировалось внимание проектировщиков автомобильных гибридов. Ведь при наличии накопителя любого другого типа, в том числе и маховичного со встроенной обратимой электромашиной, получение вышеупомянутого эффекта невозможно. Причём одного наличия нужного типа накопителя недостаточно, так как здесь ещё необходим особый тип трансмиссии. Интересно то, что и накопители нужного типа (маховики с механическим отбором мощности), и трансмиссии с бесступенчатым звеном и разделением потока мощности, порознь широко применялись, причём даже в автомобильных гибридах. Например, в гибридном агрегате KERS присутствует маховичный накопитель с механическим отбором мощности, вариатор, а также планетарная трансмиссия. В гибриде Р.Кларка присутствовал маховик с механическим отбором мощности, но не было вариатора. В ранних гибридах Н.В.Гулиа присутствовал маховик, механически связанный с вариатором, но не было трансмиссии с разделением потока мощности. Экономичнейшим из решений же является сочетание маховичного накопителя с механическим отбором мощности с трансмиссией, включающей планетарный вариатор, а также дифференциальные системы повышения диапазона варьирования одновременно, как это ни кажется парадоксальным, с повышением КПД. Такое решение было оформлено конструктивно, изготовлено, испытано, и названо супервариатором (патент РФ ? 2311575, 08.07.2003, Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор), автор - Н.В.Гулиа). Опишем вкратце принципиальное устройство и работу супервариатора. Обычные вариаторы, например, торовые, использованные, в частности, в системе KERS, имеют диапазон варьирования около 6-ти. Для обычной коробки передач этого достаточно, потому, что водитель имеет возможность регулировать частоту вращения двигателя, не менее, чем в 3 раза. Итого - изменение частоты вращения ведущих колёс не менее, чем в 18 раз. И если не учитывать 'ползучих' скоростей, получаемых или дополнительным снижением частоты вращения двигателя, или дополнительными понижающими передачами, то этот диапазон изменения частоты вращения обеспечит скорости автомобиля от 10 до 180 км/ч. Но частоту вращения маховика накопителя изменить произвольно нельзя, более того, при разгоне автомобиля его энергией, даже совместно с двигателем, частота вращения маховика обычно понижается до полутора раз. Тогда диапазон изменения передаточного отношения трансмиссии гибрида, в данном случае супервариатора, должен быть не менее 27. Такой же диапазон потребуется и для городских автомобилей, например, автобусов, но с устойчивым регулированием скорости, например, с 3 до 80 км/ч. Большие скорости движения получают только от двигателя повышением частоты его вращения и при отключённом маховике. Повышения диапазона варьирования супервариатора по сравнению с обычным вариатором достигается подключением последнего в дифференциальный механизм. Он позволяет, например, повышать частоту вращения выходного вала и при уменьшении, и, что с первого взгляда кажется невозможным, при увеличении передаточного отношения вариатора. Такие механизмы с вариаторами, выполненные по замкнутой схеме, известны ещё с 60-х годов прошлого века, и предложены они Ф.В. Костиковым. Эти схемы были развиты и дополнены патентами, в частности, принадлежащими концерну Дженерал Моторс. В новых схемах таких трансмиссий было уже несколько ступеней переходящих друг в друга без разрыва потока мощности для достижения нужного диапазона. Но схемы эти были очень сложны и недостаточно экономичны. Дополнительный шаг в упрощении и, главное, повышении экономичности трансмиссии, был сделан в цитированном выше патенте на супервариатор. Здесь в качестве базового вариатора был использован изобретённый тем же автором планетарный вариатор с соосными входным и выходным валами, вращающимися в одну сторону, органически вписавшийся в конструкцию предложенного устройства, названного супервариатором. Но главным было даже не упрощение конструкции, а использование именно планетарного вариатора, обладающего специфическим свойством, которое надо пояснить. Дело в том, что дифференциальные схемы с разделением потоков мощности, применяемые в супервариаторе, позволяют пропускать через базовый вариатор различные доли полной мощности. При самом малом передаточном отношении вариатора эта доля доходит до 60%, а при самом высоком - всего до 5%. Остальная мощность идёт напрямую - через вал и зубчатую передачу, имеющую КПД не ниже 98%. А спецификой планетарного вариатора является то, что его КПД тем выше, чем меньше передаточное отношение, и при передаточном отношении, например, равном единице, КПД равен 100%. Поэтому, при прохождении через планетарный вариатор 60% мощности вместо 100%, потери в нём несколько падают, но добавляются потери от зубчатых передач. В результате КПД планетарного вариатора практически равен КПД супервариатора, что-то около 96%. Но при высоком передаточном отношении, когда КПД планетарного вариатора невелик и практически равен КПД обычного (непланетарного) вариатора, через него протекает всего 5% мощности и потери в нём ничтожны. Поэтому КПД супервариатора в этом режиме, несмотря на невысокий КПД базового вариатора, очень высок, и практически равен 97%. А этот режим работы особенно важен для гибрида, так как при нём достигается максимальная скорость автомобиля. Такая трансмиссия, включающая базовый планетарный вариатор, на который Н.В. Гулиа выдан целый ряд патентов, в том числе в Китае, США, России и некоторых странах Европы, и дифференциальную часть, названная супервариатором, по сложности и размерам близка к гидромеханической коробке передач той же мощности. Но это при диапазоне варьирования до 30-ти и КПД не менее 95%, что ранее считалось недостижимым для бесступенчатых трансмиссий. Сравним в количественном отношении потери энергии (переход её в тепло, разумеется!) в гибридном силовом агрегате наиболее распространённого типа - с электрохимическим накопителем и электротрансмиссией, и в таковом с маховичным накопителем с механическим отбором мощности и супервариатором. При этом специфика работы автомобильного гибрида состоит в том, что при передаче энергии через привод в накопитель, а затем использовании этой энергии для движения автомобиля, что наиболее ярко проявляется при рекуперативном торможении - типичном режиме работы гибридного автомобиля, потери энергии складываются. Короче говоря, при расчете и определении потерь энергии, КПД привода и накопителя надо возводить в квадрат. Приведём краткий расчёт потерь энергии в двух вышеназванных гибридных силовых агрегатах автомобиля. Например, при КПД системы генератор-двигатель, равном 85% и КПД процесса экстренной зарядки или разрядки электрохимического накопителя, равном 90%, общий КПД их без учёта всех других потерь равен их произведению, т.е. 76,5%. А в цикле зарядки-разрядки накопителя это значение КПД надо брать в квадрате, что составит уже 58,5%. Это очень низкий показатель для гибридного силового агрегата, но он таков, так как в этом случае через привод, а именно через бесступенчатое его звено (генератор-двигатель) проходят полные величины передаваемых энергии и мощности. Определим теперь величины потерь энергии при наличии в гибриде маховичного накопителя с механическим отбором мощности и трансмиссии в виде супервариатора. КПД процесса зарядки и разрядки маховичного накопителя с понижающим планетарным редуктором (смотри следующий раздел) около 97%, а в квадрате это составит 94%. КПД супервариатора, если взять его минимальное значение, составит 95%, а в квадрате это 90%. С учётом КПД накопителя в квадрате 94% общий КПД составит 85%. То есть общие потери энергии в первом случае, когда КПД гибрида был 58,5% составляют 41,5% общей энергии, а во втором случае, когда КПД гибрида был 85% - 15%. Снижение потерь в 2,8 раза, почти троекратное! Если говорить о компоновке гибрида, то маховичный накопитель располагается в любом удобном месте под полом автомобиля (автобуса) и связан с первичным валом супервариатора карданной передачей. Если позволяет место, то супервариатор выполняется в одном блоке с маховичным накопителем. Выходной вал супервариатора связан с главной передачей автомобиля. Моделирование работы городского микроавтобуса, массой до 3,5 тонн с гибридом, включающим маховичный накопитель с супервариатором, а также специально отрегулированный дизельный или бензиновый двигатель, показало снижение расхода топлива в городском цикле движения в 2...2,5 раза, а в 'пробках' - до 4-х раз. На более тяжёлых машинах расход топлива снизится ещё больше. Системы с разделением потоков мощности могут применяться и в случае использования в качестве бесступенчатого звена не только вариатора, но и электро- и гидропривода. Тогда электро- и гидромашины будут иметь значительно, в разы, меньшие габаритно-массовые показатели, чем в случае прохождения полных мощностей. И меньшие величины энергий, проходящие через эти машины, вызовут значительно меньшие потери. Дополнительным преимуществом здесь является и то, что типоразмеры электро- и гидромашин, необходимые для гибрида, производятся серийно, и могут быть приобретены. Отметим, что эти машины объединены друг с другом, двигателем, а также с накопителем, дифференциальными механизмами с разделением потока мощности, позволяющими оптимизировать её распределение между этими агрегатами. Но габаритно-массовые показатели и стоимость гибрида с электро- и гидромашинами побольше, а экономичность - практически та же, что у гибрида с супервариатором. Описанный выше автомобильный гибрид запатентован, патент РФ ?2357876, 10.06.09, Гибридный силовой агрегат транспортного средства, автор - Н.В.Гулиа. Изобретение предполагается патентовать в основных зарубежных странах.


4. Маховичный накопитель для гибрида в сравнении с накопителями других типов


Имеет смысл сравнивать маховичный накопитель только с накопителями электроэнергии, так как гидрогазовый накопитель сильно проигрывает этим двум типам накопителей и по удельной энергоёмкости и по КПД. Из накопителей электроэнергии здесь рассматриваются только те, которые могут иметь применение в автомобильных гибридах. Заглядывая в ближайшую перспективу, заметим, что здесь целесообразен опять же 'гибрид' из электрохимических накопителей (вероятнее всего литий-ионных и никель-металлогидридных) и ионисторов (суперконденсаторов). Электрохимические накопители имеют достаточно высокую удельную энергоёмкость - примерно до 50...100 Вт-ч/кг, но за несколько секунд рекуперативного торможения накопитель примет лишь ничтожную часть заряда, к тому же с невысоким КПД. А ионистор, хотя и имеет на порядок меньшую удельную энергоёмкость, но он воспринимает высокие мощности зарядки-разрядки при рекуперативном торможении и последующем разгоне автомобиля. Поэтому 'гибрид' из упомянутых двух накопителей электроэнергии является наиболее рациональным решением, что отмечается рядом публикаций по автомобильным гибридам. Правда, такой 'гибрид' накопителей, кроме положительных, наследует от составляющих его устройств и отрицательные качества. Например, 'эффект памяти', узкий диапазон температур эксплуатации, малую долговечность, опасность перезарядки и глубокой разрядки и другие - у электрохимических накопителей, и резко изменяющуюся характеристику по напряжению при зарядке-разрядке, трудности последовательного соединения для повышения рабочего напряжения, а также другие недостатки - у ионисторов. А в довершение всего - взрывоопасность ионистора, ведь это - маленькая 'бомбочка', готовая взорваться при коротком замыкании или механическом повреждении. Но о накопителях электроэнергии много написано, и с их характеристиками легко ознакомиться. Хуже обстоят дела с объективной информацией по маховикам и современной их разновидностью - супермаховикам. Поэтому информация специалистов, некоторые из которых занимались их расчетом, проектированием, испытаниями и созданием новых конструкций ещё с начала 60-х годов прошлого века, может быть полезной. К тому же, как полагают патентоведы, первый супермаховик - маховик, навитый из высокопрочных проволок или волокон с натягом на упругий центр на связующем и обладающий безопасным выходом из строя - изобрёл один из авторов этой статьи - Н.В.Гулиа (Авт. свид. СССР ?1048196 с приоритетом 15.05.1964). Супермаховик, навитый из углеродных волокон - карбона - имеет удельную энергоёмкость около 500 Вт-ч/кг. Это - самая высокая удельная энергоёмкость для любых накопителей энергии. Введение в углеродное волокно (например 'Зайлон') нанотрубок углерода позволяет существенно увеличивать прочность волокна. Например, введение всего 10% нанотрубок увеличивает прочность волокна, а следовательно, и удельную энергоёмкость супермаховика на 60%. Изготовление же супермаховика из волокна, состоящего из 'склеенных' между собой нанотрубок ('суперкарбона', пока ещё очень дорогого) может повысить его удельную энергоёмкость до фантастических величин - свыше 10 кВт-ч/кг! Но такая высокая удельная энергоёмкость супермаховика излишня для накопителя гибрида, ибо тогда масса его будет измеряться граммами. Считаем, что маховик накопителя должен иметь удельную энергоёмкость, равную таковой у электрохимического накопителя, но удельную мощность при этом в десятки раз большую, даже, чем у ионисторов. Это необходимо для экономичного восприятия больших мощностей при рекуперативном торможении в малой массе накопителя, подобранного по показателю энергоёмкости. На наш взгляд, маховичный накопитель с полезной энергоёмкостью 400 Вт-ч идеален для гибридной силовой установки городского автомобиля (микроавтобуса) массой до 3,5 тонн. Во сколько раз тяжелее автомобиль (при том же его рабочем цикле), во столько же раз примерно надо увеличивать энергоёмкость маховика его гибрида. Такой маховик можно было бы изготовлять составным из набора штампованных дисков равной прочности, используя в качестве материала мартенситно-стареющую сталь. Эта сталь, обладающая очень высокой прочностью при достаточной вязкости и нечувствительности к концентраторам напряжений, является, по заключениям специалистов, прекрасным материалом для монолитных маховиков. При удельной энергоёмкости в 50 Вт-ч/кг для накопления упомянутых выше 400 Вт-ч потребуется маховик массой около 10 кг при диаметре 0,3 м, что вполне приемлемо. Однако частота вращения такого маховика будет не 60000 об/мин, как в системе KERS, а вдвое-втрое меньше. Подшипники - каскадные, состоящие из обычных шариковых с консистентной смазкой, среда в корпусе - водород или гелий при давлении 1кПа, уплотнение - магнитожидкостное. Такой накопитель из штампованных монолитных маховиков и разрабатывает наш коллектив авторов (что несколько парадоксально для коллектива с участием изобретателя витых супермаховиков!), для автомобильного гибрида, памятуя, что технология должна соответствовать автомобилестроению, а не, например, космической технике. Конечно, супермаховик относительно безопасен при случайном разрыве, но достаточно толстая защита ему всё-таки нужна. Наш же маховик, благодаря своим конструктивным особенностям, в настоящее время патентуемым, в принципе разрывобезопасен - он автоматически стопорится при опасности разрыва. Если по удельной энергоёмкости такой маховик близок к электрохимическим накопителям, то, как это отмечалось выше, удельная мощность у него огромна. Ведь отбор мощности осуществляется валом, который при высокой частоте вращения может передавать колоссальную мощность. Например, для рассмотренного выше маховика при частоте вращения 25000 об/мин и диаметре вала 30 мм с прочностью, равной прочности полуоси автомобиля, мощность зарядки и разрядки накопителя может превышать 2 мегаватта! Таково уж свойство маховиков, и об этом хорошо знают их разработчики. КПД такого маховичного накопителя при кратковременной зарядке-разрядке доходит до 99%, а если между маховиком и супервариатором имеется редуктор (обычно планетарный) то КПД составит 97%. Это выше, чем у ионисторов, даже без преобразователей напряжения, и гораздо выше, чем у электрохимических накопителей. Для накопителя автомобильного гибрида общее время сохранения в нём энергии не имеет решающего значения. 400 Вт-ч - это энергия маленькой рюмки бензина, и если эта энергия даже погасится за время ночной стоянки автомобиля, проблем не возникнет. Хотя, с применением магнитных подшипников и более низкого давления в корпусе, маховик может вращаться без остановки сутками. Долговечность маховичных накопителей заведомо гораздо больше, чем у электрохимических, быстро выходящих из строя. Ионисторы, конечно, подолговечней последних, если, их правильно эксплуатировать, не допуская повышения напряжения, коротких замыканий и механических повреждений. В последних двух случаях ионистор выходит из строя со взрывом. Долговечность же маховичного накопителя - это долговечность его подшипников. Магнитные подшипники не имеют предела по сроку службы, а у обычных долговечность в гораздо большей мере зависит от нагрузки, чем от частоты вращения. При этом заметим, что нагрузка от силы тяжести маховика массой 10...15 кг, распределённая на две каскадные опоры по четыре подшипника в каждой, поистине ничтожна. А частота вращения разделяется этими каскадными опорами надвое. Поэтому долговечность даже обычных подшипников может быть огромной. Здесь надо отметить одно специфическое свойство маховика, которое часто недопонимается неспециалистами - гироскопический эффект. Не вдаваясь в математические описания этого эффекта, скажем только, что для реального маховика гибрида все мыслимые маневры автомобиля, особенно его резкий поворот, вызовут перераспределение реакций на колёсах, эквивалентные, например, передвижению пассажира на сидении на полметра вбок. Ввиду кратковременности гироскопических нагрузок, существенного влияния на долговечность подшипников они не оказывают, особенно при упругом, а, тем более, кардановом, подвесе маховичного накопителя.


Выводы


1. Использование маховичного накопителя с механическим отбором мощности вместо накопителей любых других типов, в гибридном силовом агрегате автомобиля позволит существенно, в разы, снизить потери энергии при работе гибрида, особенно при рекуперативных торможениях. 2. Наилучшие габаритно-массовые и экономические показатели гибрида с вышеупомянутым накопителем может обеспечить трансмиссия, включающая супервариатор на основе планетарного вариатора и дифференциальных механизмов. 3. Маховичный накопитель с механическим отбором мощности по показателям удельной энергоёмкости и КПД превосходит накопители всех других типов, а по удельной мощности это превосходство больше, чем на порядок.


Prof. Nurbej Gulia, R&D Director, JSC "Combarco", Moscow, RU

Vitaly Davydov, Chief Technology Officer, JSC "Combarco", Moscow, RU

Alexander Lavrentiev, Testing Engineer, JSC "Combarco", Moscow, RU


Drastic improvement of a hybrid vehicle powertrain efficiency


Continuously variable power-split transmission can reduce energy losses in flywheel hybrid vehicles by three times, due to power flow limitation through a variable ratio unit. The variable ratio unit can be implemented as a frictional variator, preferably of a planetary type, or as a moderate power electrical variator. The flywheel storage unit offers the best performance, capacity and efficiency among other storage devices.