Низковольтная гибридная система

Похоже, дни классического двигателя внутреннего сгорания сочтены. И виной тому необходимость соблюдения экологических норм. Стандарт Евро-6, вступивший в силу с 1 сентября 2015 года, ужесточил требования к дизельным двигателям в части содержания в выхлопе оксидов азота и остаточных углеводородов. Выполнение установленных норм токсичности обеспечивают система каталитической нейтрализации, система рекуперации отработавших газов, усовершенствованный сажевый фильтр. С 1 сентября 2017 года сертификация новых автомобилей будет проводиться по более жесткому общемировому циклу движения и наличие перечисленных систем на дизельных двигателях будет недостаточно для выполнения установленных норм токсичности.

В соответствии с решением комиссии Европарламента, начиная с 2021 года, на все выпускаемые автомобили вводится норма выброса углекислого газа в объеме 95 г/км вместо нынешних 130 г/км. Это соответствует среднему расходу топлива для бензиновых двигателей 4,06 л/100 км, для дизельных двигателей 3,62 л/100 км. Такой уровень расхода топлива недостижим для классических ДВС.

Поэтому на передний план выходят гибридные конструкции привода автомобилей, полностью отвечающие предъявляемым экологическим требованиям. Но современные гибриды очень дороги. Компромиссным решением является так называемая низковольтная гибридная система. В основу системы положена 48-вольтовая электрическая сеть, которая планируется в качестве дополнения к основной 12-вольтовой бортовой сети.

Основные функции низковольтной гибридной системы:

Применение низковольтной гибридной системы на автомобилях позволяет сократить на 10-15% выбросы углекислого газа. Низковольтный гибрид с дизельным двигателем снижает выбросы оксидов азота на 20%, а вместе с системой каталитической нейтрализации – на 80%. Экономия топлива может достигать от 13 до 21%.

Разработкой низковольтных гибридных систем сегодня занимаются сразу несколько ведущих производителей, среди которых Bosch, Continental, Delphi, Ricardo, Valeo. В настоящее время большинство автопроизводителей приняли решение о внедрении, а Audi, Honda, Ford, Kia, Renault, Volkswagen уже устанавливают низковольтную гибридную систему на свои автомобили. По прогнозу к 2020 году 25% новых автомобилей будут иметь гибридный привод, а половина из них будет использовать 48-вольтовую электрическую сеть.

Типовая конструкция низковольтной гибридной системы состоит из следующих основных элементов, включенных в 48-вольтовую электрическую сеть: стартер-генератора, инвертора, преобразователя постоянного тока и 48-вольтовой аккумуляторной батареи.

Стартер-генератор является основным конструктивным элементом системы. Он работает в двух режимах – как генератор и как стартер (точнее как электрический двигатель). В генераторном режиме создается электрическая энергия, что позволяет полностью отказаться от традиционного 12-вольтового генератора. Стартерный режим используется для создания дополнительного крутящего момента при движении автомобиля. В качестве стартер-генератора применяются синхронные и асинхронные электрические машины переменного тока.

Конкретный вид электрической машины определяется конструктивной схемой низковольтной гибридной установки. Различают несколько конструктивных схем низковольтной гибридной силовой установки:

1. Стартер-генератор соединен с двигателем внутреннего сгорания ременным приводом.
2. Стартер-генератор установлен на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания.
3. Стартер-генератор расположен в коробке передач.

Самым простой и, поэтому, пока самой распространенной схемой интеграции стартер-генератора является соединение его с двигателем внутреннего сгорания с помощью ременного привода.

Работу стартер-генератора обеспечивает двунаправленный инвертор. Он преобразует постоянный ток аккумуляторной батареи в трехфазный переменный ток. При рекуперации энергии инвертор преобразует переменный ток в постоянный ток зарядки аккумуляторной батареи. По конструкции 48-вольтовый инвертор аналогичен высоковольтному инвертору, который используется в полных гибридах и электромобилях.

Преобразователь постоянного тока используется для передачи энергии между 48-вольтовой и 12-вольтовой электрическими сетями. Для 12-вольтовой электрической сети он заменяет генератор.

Каждая из сетей имеет собственную аккумуляторную батарею: 48-вольтовую литий-ионную и 12-вольтовую свинцово-кислотную батарею. 48-вольтовая аккумуляторная батарея служит для питания мощных устройств: компрессора системы кондиционирования, водяного насоса, электромеханических поворотных амортизаторов, активной подвески и др. 12-вольтовая аккумуляторная батарея обеспечивает энергией систему освещения, системы безопасности, информационно-развлекательную систему.