Hibrit Sistemler — Güç Dağılımı, Rejenerasyon ve Kontrol

0. Bu makalenin açıkladığı konular

• Seri, paralel ve seri-paralel hibritlerin enerji yolları.

• Toyota Hibrit Sistemi (THS) güç dağılımının sezgisel mantığı ve kısıtlamaları (gezegen dişli sistemi aracılığıyla).

• Şarj durumu (SOC), rejeneratif frenleme, motor çalıştırma ve termal ve güvenlik limitlerinin kontrolü.

1. Hibrit sistem aslında hangi sorunu çözüyor?

Tek başına bir motor, düşük yükte, düşük hızda ve kalkışta termal verimliliğini kaybederken, tek başına bir elektrik motoru da bataryanın kilogram başına ne kadar enerji depolayabileceğiyle sınırlıdır ve bu da menzili sınırlar. İki güç kaynağı nasıl birleştirilmeli ki her biri diğerinin zayıf yönlerini telafi etsin? İşte hibrit sistem tam olarak bu soruyu yanıtlıyor: Yakıtı mekanik güce dönüştüren bir motoru ve batarya elektriğini torka dönüştüren bir elektrik motorunu birden fazla enerji yolu üzerinden koordine ederek, motoru verimli çalışma bölgelerine yakın tutuyor, fazla gücü üretime gönderiyor ve yavaşlama sırasında araç kinetik enerjisini bataryaya geri döndürüyor.

2. Üç Yol

Şekil 1 — Seri hibrit, motorla üretim yapar ve tekerlekleri yalnızca elektrik motoruyla tahrik eder; paralel hibrit, motor ve elektrik motorunu mekanik olarak bağlar. Güç bölmeli hibrit, planet dişliyi elektrik yoluyla birleştirir.

3. Mimarilerin Farklılıkları

Seri bir düzende, motor bir jeneratördür ve elektrik motoru tek başına tekerlekleri tahrik eder. Tekerlekler. Düşük hız kontrolü basittir, ancak mekanik-elektrik-mekanik dönüşüm kayıpları her zaman mevcuttur. Paralel bir düzenek, motor ve jeneratörü tekerleklere debriyaj, kayış veya koaksiyel dişliler aracılığıyla bağlar ve seyir halindeyken mekanik yolu verimli bir şekilde kullanır, ancak koordineli vites değiştirme gerektirir. Seri-paralel sistemler, hız ve yük değiştikçe her iki yolu da değiştirir veya birleştirir.

4. THS planet dişlisi

Toyota, THS güç bölme cihazının motor çıkışını tekerlekler ve bir jeneratör arasında sürekli olarak yeniden dağıttığını açıklıyor. Güneş, halka ve taşıyıcıdan oluşan bir planet dişli seti, diş sayısı N_s,N_r için hız sınırlamasına sahiptir.

motorun, jeneratör MG1'in ve tekerlek/motor MG2'nin bu elemanlara atanması, motor hızını yol hızından ayırmayı mümkün kılar. Motor verimli bir noktaya yakın kalırken MG1 üretebilir, ancak dönüşüm kaybı ve bir MG1 hız sınırı kalır.

Gerçek tasarımlar genellikle diş sayısı oranını belirler. N_r/N_s yaklaşık 2. Motor sabit ve verimli bir hızda tutulurken yol hızı (kabaca MG2 hızı) artarsa, yukarıdaki kısıtlama, MG1'in dönüş yönünün belirli bir hızı geçene kadar yol hızıyla birlikte geniş bir şekilde değiştiğini gösterir. Bu tersine dönüş noktasının etrafında, güç akışı "üretmekten" (MG1, motorun çıktısının bir kısmını elektriğe dönüştürür) "motorlamaya" (MG1 aynı zamanda bir motor gibi davranarak MG2'ye tork ekler) geçer ve hiç mekanik şanzıman olmadan tek bir planet dişli seti, genellikle elektrikli CVT olarak adlandırılan sürekli değişken bir oran üretir.

5. Şarj Durumu ve Enerji Dengesi

Şarj durumu, akım entegrasyonu ile şu şekilde yaklaşık olarak hesaplanabilir:

deşarj akımı pozitif, nominal kapasite Q_n ve şarj verimliliği \eta_c ile. Üretim tahmincileri sıcaklık, açık devre voltajı ve iç kapasiteyi ekler. Direnç ve akım sensörü sapması. Eğer SOC üst sınırına ulaşırsa, rejenerasyon kullanılamaz ve motor bir serbestlik derecesini kaybeder; bu nedenle kontrolör hedef bir SOC aralığını korur.

Çoğu seri üretim hibrit araç, kontrolü, batarya paketinin gerçek kapasitesinin ortasına yakın dar bir aralıkla sınırlandırır (örneğin, toplam kapasitenin yaklaşık %40-80'i), böylece sürücü, hücre kimyasının aksi takdirde kaldırabileceği tam şarj veya deşarjı asla görmez. Üstteki boşluk, sert frenleme rejenerasyonunu emer; alttaki boşluk, motor tek başına sert hızlanma talebini karşılayamadığında motorun açığı kapatmasına olanak tanır. Bu aralığın genişliği, batarya boyutuyla dengelenerek, her modelin ne kadar büyük bir bataryaya ihtiyaç duyduğunu belirler.

6. Çalışma Modları

• Kalkış ve düşük hız: motor tahriki, motor çalıştırma şokunu önler.

• Orta yük: motoru verimli bir noktaya doğru hareket ettirin ve bataryayı fazla güçle şarj edin.

• Sert hızlanma: batarya gücünü ve invertörü izlerken motor ve elektrik motorunu birlikte kullanın. sıcaklık.

• Yavaşlama: Rejenerasyonu tercih edin, ardından SOC, sıcaklık veya ABS limitlerinde sürtünmeli frenlemeye geçin.

• Durdurma: Rölantiyi durdurun ve yardımcı ekipmanları bataryadan veya motor tarafından üretilen elektrikten besleyin.

7. Gerçek Konfigürasyonların Karşılaştırılması

8. Zorlu koşullar ve Güvenlik

Tekrarlanan kısa yolculuklar, motor ve egzoz arıtma sisteminin ısınmasından önce sona erer. Otoyollarda, bataryanın katkısı azalır ve kütlesi dezavantaj haline gelir. Soğuk koşullar gücü ve rejenerasyonu sınırlar ve batarya ısınması yakıt ekonomisini düşürür. Yüksek voltaj izolasyonu, kaza anında bağlantı kesilmesi, yakıt sızıntıları, egzoz ve çalıştırma sonrası tork değişiklikleri için ayrı güvenlik monitörleri gereklidir.

9. Pratik Seçimler

• Şehir içi ve trafik: rejenerasyon sıklığına, düşük hızda EV çalışmasına ve yumuşak motor çalıştırmalarına öncelik verin.

• Otoyollar: sürüş döngüsü boyunca motor termal verimliliğini, mekanik yol kaybını ve batarya kütlesini karşılaştırın.

• PHEV: şarj gücünü, elektrikli menzili, SOC sürdürme modunu ve uzun süreli depolama batarya yönetimini kontrol edin.

• Ticari araçlar: sürekli tırmanma soğutmasını, servis kolaylığını ve rejeneratif/sürtünmeli fren ömrünü değerlendirin.

10. Üç satırlık özet

Hibritler, seri, paralel veya güç bölme yolları aracılığıyla bir motor ve bir elektrik motorunu birleştirir. THS planet dişli sistemi, MG1 jenerasyonunu ve MG2 tahrikini tahsis ederken motor hızını yol hızından ayırır.

Teorik verimliliğin gerçek yakıt ekonomisine dönüşmesi için SOC, rejenerasyon, sıcaklık, çalıştırma ve izolasyon birlikte kontrol edilmelidir.

Referanslar

• Toyota Hibrit Sistem duyurusu
• Toyota THS-II teknik incelemesi
• Toyota 2.0 litrelik THS II
• NHTSA THS-II teknik belgesi