Гибридные версии Volkswagen Touareg и Porsche Cayenne S стали первыми в мире серийными автомобилями с полным параллельным гибридным приводом. Инновационная концепция силовой установки была разработана компанией Bosch в тесном сотрудничестве с обоими автопроизводителями. Современная система управления регулирует взаимодействие между двигателем внутреннего сгорания и электромотором без механического распределения мощности.
"Одно из главных преимуществ нашей системы состоит в ее простой конструкции", – отмечает руководитель проекта Оливер Шлезигер, работавший над новой концепцией гибридного двигателя с 2007 г. Компании Volkswagen и Porsche впервые использовали результаты проекта в серийном производстве в апреле 2010 г. Гибридные версии VW Touareg и Porsche Cayenne S оснащаются параллельным полным гибридным приводом, ключевые компоненты которого были разработаны при активном участии Bosch.
В сегодняшнем разнообразии типов гибридных приводов (параллельные, последовательные, "мягкие", полные) сможет разобраться далеко не каждый. Главный принцип гибридной конструкции состоит в сочетании двигателя внутреннего сгорания с электромотором. Новые Volkswagen Touareg и Porsche Cayenne представляют собой полные гибриды, которые, в отличие от "мягких", могут передвигаться на короткие расстояния на чисто электрической тяге. Обе модели построены на единой SUV-платформе с параллельной гибридной системой Bosch, главная особенность которой заключается в использовании "умной" электроники вместо обычной механики: крутящий момент между электрическим мотором и двигателем внутреннего сгорания распределяет не планетарный механизм, а блок управления. Это позволило сделать систему проще и, соответственно, сократить производственные затраты. "Кроме того, наш электрический двигатель является практически самодостаточным. Вы можете в любой момент поехать на чисто электрической тяге, просто выжав сцепление и заглушив ДВС", – объяснил О. Шлезигер.
Как это часто бывает, за впечатляющей простотой на деле скрывается результат напряженной интеллектуальной работы. Компания Bosch стояла у истоков появления первых гибридных приводов в семидесятые годы и непрерывно проводила исследования в этой области в течение десятилетий. В настоящее время разработкой электрических двигателей занимаются около 500 специалистов Bosch, которые систематически оптимизируют различные компоненты электрического привода и силовой электроники с применением инновационных разработок других подразделений Bosch. В частности, в основе новой концепции гибрида лежат ноу-хау в области двигателя внутреннего сгорания. "Мы накопили огромный опыт в ходе совершенствования двигателей с прямым бензиновым впрыском", – заявил О. Шлезигер, сам начавший свою карьеру в Bosch с участия в проектах, результатом которых стало появление первой системы управления Motronic для двигателей с прямым бензиновым впрыском. Работая над программированием Motronic, инженеры добились переключения между различными рабочими режимами без изменения крутящего момента. Например, система прямого впрыска переключает двигатель с гомогенного в обедненный режим настолько плавно, что водитель не замечает никаких изменений. "Сегодня Motronic можно использовать для плавного подключения любого дополнительного источника крутящего момента", – подчеркнул представитель Bosch.
Плавное подключение особенно важно при переключении тяги с электромотора на ДВС, при одновременной работе обоих двигателей или при временном выключении ДВС. В параллельных полных гибридах Volkswagen и Porsche все эти операции выполняются автоматически. "Важно только то, какой крутящий момент необходим водителю в данную секунду", – отметил руководитель подразделения гибридных систем Bosch Маттиас Кюзелль. Иными словами, блок управления определяет намерения водителя по силе нажатия на педаль газа и использует момент электромотора, ДВС или обоих двигателей в зависимости от ситуации, будь то плавное ускорение в городском потоке, быстрый разгон на свободной дороге, движение по магистрали на высокой скорости или неспешная прогулочная поездка. Одновременно по нажатию на педаль тормоза определяется крутящий момент торможения, который должен создать электрический двигатель. "Такие системы безопасности, как ABS и ESP®, имеют приоритет в любой ситуации", – добавил М. Кюзелль.
Очевидно, что ощутимое для водителя и пассажиров переключение между разными приводами сделало бы поездку на гибридном автомобиле малоприятной. Поэтому инженеры сделали все возможное для того, чтобы предотвратить дергание и вибрацию при смене режима. Но как удалось синхронизировать мощный двигатель Cayenne и Touareg с электромотором Bosch с точностью до нескольких миллисекунд? Иными словами, как разработчики заставили двигатель с прямым впрыском мощностью 333 л. с. и крутящим моментом до 440 Н-м плавно и незаметно взаимодействовать с электромотором в 47 л. с. (300 Н-м)? Ключевыми факторами стали измерение, управление и регулирование – то есть безупречное взаимодействие между сенсорикой, управляющей электроникой и сервоприводами.
Взгляд на устройство системы помогает понять принцип ее работы. Электрический двигатель автомобиля расположен между ДВС и автоматической восьмиступенчатой коробкой передач. Гибридный модуль длиной 145 мм и диаметром 30 см состоит из интегрированного мотора-генератора (IMG), отдельного сцепления с сервоуправлением, системы водяного охлаждения, постоянных магнитов и катушек ротора и статора. Кроме того, разработчики оснастили модуль цифровыми датчиками, непрерывно контролирующими положение ротора. Привод IMG позволяет Volkswagen и Porsche двигаться на чисто электрической тяге на скоростях до 60 км/ч. Одновременное включение электромотора и ДВС позволяет разогнать параллельный гибрид от 0 до 100 км/ч менее чем за 6,5 секунд. При этом мощность автомобиля возрастает до 380 л. с., а максимальный крутящий момент – до 580 Н-м. При спокойном движении и торможении IMG работает как генератор, обеспечивая электричеством другой ключевой элемент гибридного автомобиля – силовую электронику.
Силовая электроника для новых гибридов также поставляется компанией Bosch. Мощный трансформаторный блок объемом всего 10 л, расположенный внутри водяного контура охлаждения, выполняет две функции. Во-первых, система действует как интерфейс между мощной (288 В, 370 А) сетью гибридного привода и обычной 12-вольтной бортовой электросистемой. Во-вторых, биполярные транзисторы конвертируют постоянный ток батареи в переменный трехфазный для электрического двигателя, и наоборот.
Рабочая стратегия для этих компонентов определяется специальным блоком управления, также разработанным в Bosch. Команда О. Кюзелля использовала технологии прямого впрыска Motronic, а также ноу-хау из области систем "старт-стоп", помогающие быстро запускать ДВС в разных ситуациях без вибрации. Важной задачей было обеспечение непрерывного потока информации о температуре, положении поршней и числе оборотов с датчиков на блок управления. "Необходимые протоколы и интерфейсы были также изначально разработаны для систем 'старт-стоп'", – отметил О. Кюзелль. Еще недавно остановка и старт двигателя на светофоре были задачей, требовавшей нестандартных решений.
Сегодня система "старт-стоп" входит в стандартное оснащение гибридных Cayenne и Touareg, автоматически заглушающих двигатель на светофорах для экономии топлива. Кроме того, при достаточном заряде батареи после переключения светофора автомобили могут возобновить движение на электрической тяге, тогда как ДВС подключится только на более высокой скорости. Другая новая функция системы – автоматическое выключение ДВС каждый раз, когда водитель отпускает педаль газа (на скоростях до 160 км/ч). Это сокращает расход топлива и позволяет электромотору работать в качестве генератора, питающего 12-вольтную бортовую электросистему.
Когда необходимо подключение ДВС, мгновенно срабатывает специальная адаптивная система сцепления. Незаметно для водителя она непрерывно отслеживает момент, когда ДВС начинает поставлять крутящий момент. Эта "точка контакта" регистрируется блоком управления как контрольная величина для следующего переключения между двумя двигателями. Сенсорные данные от IMG, ДВС, батареи, и других компонентов системы также поступают в блок управления, который анализирует поток информации в режиме реального времени и экстраполирует эти данные для контроля над прочими узлами, которые не оснащены собственными датчиками. Это позволяет управлять подключением каждого из двигателей через сервоприводы сцепления с точностью в несколько миллисекунд.
Системный инженер Bosch Оливер Кефер считает этот процесс ключевым технологическим аспектом полного параллельного гибрида: "В тот момент, когда электрической тяги уже недостаточно и режим движения требует подключения ДВС, в дело вступает система сцепления". Сцепление включается только на время, необходимое для старта ДВС, а затем отключается снова. Это минимизирует расход энергии на запуск ДВС. "Как только ДВС набрал те же обороты, что и электромотор, сцепление включается в полную силу", – объяснил О. Кефер. Все это происходит за доли секунды: заметить какие-то изменения можно только внимательно глядя на тахометр.
Благодаря параллельному электроприводу гибридные версии Touareg и Cayenne S расходуют всего 8,2 л топлива на 100 км в европейском цикле и выбрасывают 193 г CO2 на километр. По сравнению с двигателем V8, которым оснащалось первое поколение этих моделей, расход горючего удалось сократить на 40%.
Но разработчики Bosch не собираются останавливаться на достигнутом: очередная задача состоит в том, чтобы система как можно скорее стала доступной не только для премиального, но и для массового сегмента авторынка. Это позволит максимально эффективно использовать потенциал технологии для защиты окружающей среды. "Прецизионное управление и контролируемое взаимодействие между электромотором и ДВС должно стать основой для массового распространения концепций даунсайзинга", – уверен О. Кюзелль. В частности, система могла бы помочь устранить недостаток плавности, характерный для трех- и двухцилиндровых двигателей с прямым впрыском и мощным турбонаддувом. "Плавное переключение между приводами позволяет также устранить дискомфорт при отключении цилиндров", – добавил представитель Bosch.
Залогом быстрого рыночного распространения технологии является сокращение затрат – разработчики Bosch учитывали это с самого начала. Все гибридные системы имеют модульную конструкцию и могут устанавливаться на автомобили любой марки. Увеличение объемов производства приведет к сокращению системных издержек, и это единственный путь для выхода гибридной технологии в массовый сегмент. Речь идет не только о долгосрочной стратегии: уже сегодня Bosch реализует многочисленные партнерские проекты с ведущими автопроизводителями, включая совместное предприятие по разработке гибридных приводов с французской группой PSA. В будущем Bosch планирует занять на рынке позиции системного поставщика, предлагающего электрические двигатели и литий-ионные батареи "из одних рук". В этих целях немецкий концерн создал совместное предприятие с Samsung SDI под названием SB LiMotive: компания уже строит первые поточные линии в Южной Корее, которые начнут выпуск первых мощных батарей для гибридных автомобилей с 2011 г., а для электромобилей – с 2012 г. По мере того как аккумуляторные батареи становятся все легче и эффективнее, потенциал гибридных технологий с точки зрения экономии топлива будет только расти. В ближайшие годы рост КПД автомобилей будет связан прежде всего с параллельным развитием современных ДВС и электрических двигателей, в том числе в рамках проектов, уже запущенных в серийное производство. "У нашей компании самые большие возможности для дальнейшего прогресса в этой области", – заявил О. Кюзелль.
Справка
Группа компаний Bosch является ведущим международным поставщиком технологий и услуг. Объем продаж корпорации, штат которой насчитывает около 275 000 сотрудников, занятых в таких отраслях, как производство автомобильных компонентов и промышленных технологий, производство потребительских товаров и строительных технологий, составил в 2009 финансовом году 38,2 миллиардов евро.
В состав группы Bosch входят Robert Bosch GmbH и более 300 дочерних компаний и региональных представительств более чем в 60 странах мира. С учетом партнеров Группы в области продаж и услуг, компания Bosch присутствует примерно в 150 странах. Эта глобальная сеть, занимающаяся разработками, производством и реализацией продукции, формирует основу для дальнейшего роста. Ежегодно компания Bosch выделяет более 3,5 миллиардов евро на НИОКР и подает заявки на более чем 3 800 патентов по всему миру. Все продукты и услуги Bosch предназначены для повышения качества жизни за счет внедрения инновационных и полезных решений.
