2014-11-18

1

PODZIAŁ

NAPĘDÓW

HYBRYDOWYCH

Napędy hybrydowe 2

HYBRYDOWY UKŁAD
NAPĘDOWY:

Układ napędowy, w którym
współdziałają dwa lub więcej
źródła energii i napędu.

Źródło pierwotne:

wytwarza energię (silnik spalinowy)

Źródło wtórne:

akumuluje energię (akumulator
elektrochemiczny)

Ogniwo pośrednie:

maszyna elektryczna o pracy odwra-
calnej (silnik lub generator prądu)

Podział napędów hybrydowych:

• konstrukcyjny

• funkcjonalny

HYBRYDOWY UKŁAD
NAPĘDOWY:

• szeregowy:

• równoległy:

część energii silnika spalinowego jest
przetwarzana na energię elektryczną,
a część na mechaniczną

energia źródła pierwotnego zamieniana
jest w energię elektryczną, a następnie
w mechaniczną

Pojazdy

o napędzie hybrydowym

0

2

4

6

8

10

1992-1998

1999

2000

2001

2002

Lata

M

o

d

el

e

[s

zt

.]

mieszany HEV

szergowy HEV

równoległy HEV S&A

równoległy HEV

2014-11-18

2

Pojazdy

o napędzie hybrydowym

0

5

10

15

20

1998

1999

2000

2001

2002

L

a

ta

Liczba marek pojazdów [szt.]

olej napędowy
benzyna
CNG

Konfiguracje napędów hybrydowych

M

G

M

M

M

M

G

M

G

Szeregowy

hybrydowy

Równoległy

hybrydowy I

Równoległy

hybrydowy II

Równoległy

hybrydowy III

Mieszany

hybrydowy

Skrzynia
biegów

Energia
chemiczna

Generator

Silnik
elektryczny

Silnik
spalinowy

Zasilanie
paliwem

Akumulator

Ładowanie
akumulatora
(opcja)

Energia
elektryczn
a
Energia
mechaniczna

Koła

Konfiguracje

napędów hybrydowych

mikro/mild hybrid

napęd równoległy (full hybrid)

napęd szeregowy

elektryczny

napęd

pasowy

napęd

zintegrowany

równoległy z podziałem

mocy

rozdzielony

range

extender

akumula-

torowy

szeregowy

(dwa silniki)

zróżnicowane warunki jazdy, duże odległości

miasto,

autostrada

miasto

silnik HV

sprzęgło

przekładnia

silnik

spalinowy

Konfiguracje

napędów hybrydowych

mikro/mild hybrid

napęd równoległy (full hybrid)

napęd szeregowy

elektryczny

napęd

pasowy

napęd

zintegrowany

równoległy z podziałem

mocy

rozdzielony

range

extender

akumula-

torowy

szeregowy

(dwa silniki)

zróżnicowane warunki jazdy, duże odległości

miasto,

autostrada

miasto

silnik HV

sprzęgło

przekładnia

silnik

spalinowy

mikro/mild hybrid

napęd równoległy (full hybrid)

napęd szeregowy

elektryczny

napęd

pasowy

napęd

zintegrowany

równoległy z podziałem

mocy

rozdzielony

range

extender

akumula-

torowy

szeregowy

(dwa silniki)

zróżnicowane warunki jazdy, duże odległości

miasto,

autostrada

miasto

silnik HV

sprzęgło

przekładnia

silnik

spalinowy

Rozszerzone struktury napędów HV

+

–

+

–

jednostka

mocy

zbiornik

silnik

spalinowy

silnik

elektryczny

mechanizm

różnicowy

generator

akumulator

+

–

+

–

sprzęgło

napęd szeregowy

napęd równoległy

napęd szeregowo-równoległy

napęd mieszany (complex)

napęd szeregowy

a)

b)

d)

c)

Przepływ mocy w podstawowych układach

napędów hybrydowych

ZI

zbiornik

silnik/

generator

przekładnia

akumulator

falownik

sprzęgła

generator

silnik

elektryczny

układ równoległy układ szeregowy

2014-11-18

3

Połączenia mechaniczno-elektrycznych

układów napędowych

DC

AC

DC

AC

generator

silnik

elektryczny

szeregowy

DC

AC

generator przekładnia

równoległy

DC

AC

DC

AC

przekładnia

planetarna

szeregowo-

równoległy

Różnice rozmieszczenia układów napędowych

wynikające z konstrukcji napędu

silnik

elektryczny

akumulator

zbiornik

paliwa

przekładnia

silnik

spalinowy

generator

silnik

elektryczny

akumulator

zbiornik

paliwa

silnik

spalinowy

napęd hybrydowy równoległy

napęd hybrydowy szeregowy

Sposoby umieszczenia równoległego układu

hybrydowego w przypadku różnego

usytuowania silnika spalinowego

Tryby pracy napędu równoległego

1. System start-stop
Silnik elektryczny jest uruchomiony
i może uruchomić silnik spalinowy

przez załączenie sprzęgła

2. Dynamiczne uruchomienie silnika
Sprzęgło jest załączone, i moment

obrotowy z silnika elektrycznego

przenoszony jest na silnik spalinowy

3. Odzyskiwanie energii
Energia hamowania jest odzyskiwana

i gromadzona w akumulatorach

elektrochemicznych

Tryby pracy napędu równoległego

4. Wspomaganie silnika spalinowego
Podczas przyspieszania moment silnika
spalinowego jest wspomagany przez

moment obrotowy silnika elektrycznego

(szczególnie przy małych prędkościach

obrotowych)

5. Wybieg silnika
Rozłączenie przekładni od kół pojazdu

(możliwe wyłączenie silników).

Naciśnięcie pedału przyspieszenia

aktywuje układ

6. Tryb czysto elektryczny
Wykorzystanie napędu elektrycznego

w strefach bezemisyjnych (non-emission

zones) lub z ochroną hałasu

Tryby pracy napędu szeregowo-równoległego

Ruszanie/obciążenie częściowe
Jeśli silnik spalinowy jest w strefie małej

sprawności – pojazd przy ruszaniu z miejsca,
małej prędkości lub zjeździe z nachylenia – ilość
dostarczanego paliwa jest redukowana lub silnik
jest zatrzymywany, a pojazd jest napędzany
przez silnik elektryczny (A)

generator falownik akumulator

silnik

benzynowy

ścieżka mechanicznej mocy napędowej

silnik

elektryczny

bieg jałowy

(A)

ścieżka elektrycznej mocy napędowej

Przyspieszanie przy pełnym obciążeniu
Podczas przyspieszania przy pełnym obciążeniu
moc jest dostarczana z silnika spalinowego (B),
z generatora (C) oraz z akumulatorów (A) do silnika
elektrycznego w celu powiększenia mocy napędowej

generator falownik akumulator

silnik ZI

ścieżka mechanicznej mocy napędowej

silnik

elektryczny

(A)

ścieżka elektrycznej mocy napędowej

(C)

(B)

Opóźnianie/hamowanie
Energia kinetyczna z kół jest przekazywana
przez silnik elektryczny, który funkcjonuje
jak generator (A). Odzyskiwana energia jest
magazynowana w akumulatorach

generator falownik akumulator

silnik ZI

ścieżka mechanicznej mocy napędowej

silnik

elektryczny

(A)

ścieżka elektrycznej mocy napędowej

bieg jałowy

2014-11-18

4

Tryby pracy napędu szeregowo-równoległego

Opóźnianie/hamowanie
Energia kinetyczna z kół jest przekazywana

przez silnik elektryczny, który funkcjonuje
jak generator (A). Odzyskiwana energia jest
magazynowana w akumulatorach

generator falownik akumulator

silnik ZI

ścieżka mechanicznej mocy napędowej

silnik

elektryczny

(A)

ścieżka elektrycznej mocy napędowej

bieg jałowy

Doładowywanie akumulatorów
Akumulatory są kontrolowane, tak aby utrzymywane
było ich stałe naładowanie. Gdy stopień naładowania
jest mały, moc do ładowania akumulatorów jest
dostarczana z generatora (D)

generator falownik akumulator

silnik ZI

ścieżka mechanicznej mocy napędowej

silnik

elektryczny

(D)

ścieżka elektrycznej mocy napędowej

Tryby pracy napędu szeregowo-równoległego

Normalna jazda (napęd)
Moc silnika jest rozdzielana przez mechaniczne

urządzenie rozdzielające; część napędza koła (B),
a część obsługuje generator elektryczny. Energia
elektryczna z generatora jest kierowana do silnika
elektrycznego, który wspomaga napęd kół (C).
Stosunki tych części są dobierane tak, aby uzyskać
optymalną sprawność układu

generator falownik akumulator

silnik ZI

sprzężenie mechaniczne

silnik

elektryczny

sprzężenie elektryczne

(C)

(B)

Topologia układów hybrydowych

Silnik

elektryczny

Silnik

spalinowy

Akumulator

Silnik

elektryczny

Micro Hybrid

Full Hybrid

Pojazd

elektryczny

Hybrydowy

szeregowy

Mild Hybrid

Rów

no

legły

Sz

eregow

y

Akumulator

Silnik

spalinowy

Ogniwo

paliwowe

Fuel Cell

Full Hybrid



System
start/stop



Całkowity odzysk
energii
przy hamowaniu



Pełna optymalizacja
silnika spalinowego



Wyłączanie
silnika



Hamowanie
odzyskowe



Asystent
silnika

Akumulatory

W

y

ko

rzy

st

an

ie

si

ln

ika

sp

al

in

o

w

eg

o

i

en

er

g

ii

el

ek

tr

y

czn

ej

Silnik spalinowy



Downsizing

Mild Hybrid

Micro

Hybrid



Napęd elektryczny

Systemy hybrydowe

Podział napędów hybrydowych ze względu

na udział napędów elektrycznych

start-stop

start-stop

start-stop

start-stop

hamowanie

odzyskowe

asystent

silnika

hamowanie

odzyskowe

asystent

silnika

tryb EV

hamowanie

odzyskowe

łagodny

hybrydowy

(mild hybrid)

pełno-

hybrydowy

(full hybrid)

napęd mikrohybrydowy

(micro hybrid)

Typowe parametry pracy napędów

hybrydowych

2014-11-18

5

Systemy implementowane w napędach

hybrydowych

dodatkowe układy elektryczne

duża szybkość rozruchu

modyfikacja punktów pracy napędu

pełny napęd

hybrydowy

(full hybrid)

łagodny napęd

hybrydowy

(mild hybrid)

micro

hybrid

hamowanie regeneracyjne

system start/stop

wyrównanie momentu obrotowego

ochrona układu wysokiego napięcia

wspomaganie pracy silnika spalinowego (boost)

pełne hamowanie regeneracyjne

pełne wspomaganie pracy silnika spalinowego/ napęd elektryczny

Sposoby ograniczenia udziału silnika

spalinowego napędzie pojazdów

hybrydowy

plug-in

pełno-

hybrydowy

48 V

eco driving

12 V

start/stop

napęd

elektryczny

re

du

kc

ja

em

isj

i CO

2

elektryfikacja napędów

technologia

niskonapięciowa

technologia

elektrycznego napędu

100% technologii elektrycznej

Rozwój napędów

Silniki
ZI i ZS

Down-

sizing

(Turbo

doła-

dowanie)

Automatyczne

skrzynie

biegów

Nowe

baterie

Zaawansowane

techniki

sterowania

Docelowo

(ogniwa

paliwowe,

zasilanie

elektryczne)

2004

12 V Stop / Start

rozrusznik / alternator

X

–

–

–

–

2007

42 V M

ała hybryda (micro)

rozrusznik / alternator

X

X

2010

42 V

Średnia hybryda (mild)

rozrusznik / alternator / silnik

X

X

X

–

–

2012

Pełna hybryda (full)

1 lub 2 silniki elektryczne,
kategoria pojazdów – ZEV

X

X

X

–

–

2017

Nowe akumulatory,

udoskonalone silniki

elektryczne,

sterowanie i odzysk energii

–

–

X

X

–

2023

Dodatkowe układy napędowe

– kategoria pojazdów ZEV;

ogniwa paliwowe

– ciekły wodór

–

–

–

X

X

2030

Hybrydy zasilane ogniwami

paliwowymi lub wodorem

–

–

–

–

X

Średni Pełny

HV

Pełny

HV

Start/

Stop

Mild

HV

Cena

Wyższa

E

ko

n

o

m

ia

p

al

iw

o

w

a

Start/stop

Le

ps

z

a

Start/stop

Hamow. regeneracyjne

Napęd EV

Asyst.

silnika

Charakterystyka

systemów hybrydowych

Rozwój układów rozruchu pojazdów hybrydowych

Światowa produkcja napędów hybrydowych

2014-11-18

6

Rozrusznik-

alternator napędzany paskiem

klinowym

Tryb pracy: alternator

Tryb pracy: rozrusznik

Napęd
dodatkowy

Wał
korbowy

Rozrusznik
-alternator

Napinacz

Napęd
dodatkowy

Wał
korbowy

Rozrusznik
-alternator

Napinacz

System dwóch napinaczy

Bilans energii

w pojeździe napędzanym klasycznie

Bilans energii przykładowego

pojazdu hybrydowego

Najczęściej stosowane kombinacje źródeł energii
zamienianej na ruch:

• ogniwo paliwowe,

• turbina gazowa,

• silniki o zapłonie samoczynnym i iskrowym

w układach hybrydowych z:

• kołami zamachowymi,

• akumulatorami elektrochemicznymi,

• ultrakondensatorami.

Elektryczny pojazd hybrydowy
posiada dwa źródła energii

Konfiguracja elektrycznego pojazdu hybrydowego

w układzie szeregowym

Szeregowy układ hybrydowy

Zbiornik

paliwa

Silnik elektryczny / Urządzenie sterujące

Generator

Zespół napędowy

Akumulator energii

Przekładnia

• Hybrydowy układ szeregowy - bardziej ekonomiczny,

ale słabszy od układu równoległego.

• Odległości (pierwotnie) najwyżej do 35 km.

• Silnik spalinowy może pracować w węższym zakresie

obrotów, dzięki czemu unika się szybkich zmian
prędkości i obciążenia, a tym samym dodatkowej emisji
szkodliwych spalin.

• Zaletą hybrydy szeregowej jest jej zasięg – może być

duży przy wyjątkowo małym zespole silnik –
generator.

Szeregowy układ hybrydowy

2014-11-18

7

Schemat struktury szeregowego hybrydowego układu napędowego

Szeregowy układ hybrydowy

Akumulator

Generator

Silnik

spalinowy

Silnik

elektryczny

Przekładnia

Koła

Zalety szeregowego połączenia silnika spalinowego z elektrycznym:



silnik spalinowy pracuje w optymalnym zakresie nastaw,



silnik spalinowy nie pracuje na biegu jałowym,



niektóre rozwiązania szeregowe nie potrzebują przekładni

mechanicznych.

• Część energii silnika spalinowego, przeznaczona do

ładowania akumulatorów, zostaje przeznaczona na
energię elektryczną.

• Zasadnicza część energii silnika spalinowego jest

przenoszona przez zespoły mechaniczne bezpośrednio do
kół jezdnych pojazdu.

• W niektórych typach równoległych układów napędowych

jest przewidziane sprzęgło do rozłączania silników
spalinowego i elektrycznego.

Równoległy układ hybrydowy

Konfiguracja pojazdu hybrydowego w układzie równoległym

Równoległy układ hybrydowy

Zbiornik paliwa

Zespół napędowy

Przekładnia

Akumulator energii

Silnik elektryczny / Urządzenie sterujące

• Nie da się umieścić silnika spalinowego w dowolnym

miejscu w samochodzie, ponieważ musi on być
sprzęgnięty z układem napędowym.

• Jeśli samochód porusza się, czerpiąc energię

wyłącznie z akumulatorów, to nie mogą one być w tym
czasie ładowane, (brak generatora).

Równoległy układ hybrydowy - wady

• Nadaje się do jazdy na dłuższych trasach

• Wykorzystywana gdy potrzebne są większe

przyspieszenia pojazdu.

• Lepiej sprawuje się przy pokonywaniu wzniesień.

Równoległy układ hybrydowy - zalety

Schemat struktury równoległego hybrydowego układu

napędowego

Równoległy układ hybrydowy

Silnik spalinowy

Akumulator

Silnik

elektryczny

Sprzęgło

Wał

napędowy

Przekładnia

Koła

W porównaniu z pojazdem o układzie szeregowym w
samochodzie z zastosowanym układem równoległym
występują następujące zalety:



pojazd posiada większą moc, ponieważ obydwa silniki

mogą dostarczać energię jednocześnie,



nie jest konieczna zabudowa generatora do ładowania

akumulatora,



wyższa sprawność energetyczna.

Równoległy układ hybrydowy

2014-11-18

8

Niezależny układ hybrydowy