BMW на 39-м Токийском автосалоне. BMW Active Hybrid.

Концерн BMW Group представляет на Токийском автосалоне концепцию привода BMW Active Hybrid — перспективное решение в целях достижения эффективной динамики. Основой для его демонстрации послужил концептуальный автомобиль BMW Concept X3 EfficientDynamics, носитель интеллектуальных технических решений на основе компонентов привода, коробки передач и накопителя энергии. Так, например прозрачные пороги позволяют увидеть электрические накопители энергии медного цвета. Они являются составной частью концепции BMW Active Hybrid. Данная концепция позволяет увеличить приемистость и динамичность автомобиля при невысоком расходе топлива, который обеспечивает регенерация энергии, питающей дополнительный электрический привод.

BMW Concept X3 EfficientDynamics — это носитель высоких технологий, который впечатляющим образом демонстрирует, как чувство удовольствия за рулем в будущем сможет сочетаться с высокой динамичностью и малым расходом топлива.

Управление энергией в стиле BMW: высокая динамика при оптимальном использовании топлива.

Под гибридной схемой концерн BMW Group понимает интеллектуальное управление потоками энергии в автомобиле. Гибридный концепт должен иметь такие типичные свойства BMW, как динамичность при оптимальном использовании топлива, пригодность к любым условиям эксплуатации и возможность максимально широкого использования для всего модельного ряда. Именно этой философии следует технология BMW Concept X3 EfficientDynamics, которая значительно отличается от разработанных и реализованных до сих пор гибридных систем: ключевым элементом является активная коробка передач, которая, не увеличившись в размерах, дополнительно включает в себя электродвигатель и всю электронику. Питание осуществляется не от обычной батареи, а от высокоемких конденсаторов.

Более высокие ходовые качества, низкий уровень выбросов.

Насколько удобна концепция BMW для водителя, свидетельствуют расчеты ходовых качеств, сделанные на основе BMW Concept X3 EfficientDynamics: в соответствии с этими расчетами автомобиль разгоняется значительно быстрее, чем аналогичный серийный автомобиль с обычным приводом. Согласно расчетам, этот носитель высоких технологий разгоняется до 100 км/ч приблизительно за 6,7 секунды, а максимальная скорость составляет около 235 км/ч. Подобные ходовые качества сопровождаются снижением расхода топлива и выбросов вредных веществ на 20 процентов (при измерении по европейскому тестовому циклу). Интеллектуальная система управления потоками энергии позволяет увязать классические достоинства BMW с рекордной экономичностью.

Динамичный и экономичный базовый двигатель:
шестицилиндровый силовой агрегат с технологией струйного управления непосредственным впрыском.

Этот синтез экономичности, экологической чистоты и чувства удовольствия за рулем достигается благодаря рациональному сочетанию двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. В качестве основного источника энергии традиционно служит рядный шестицилиндровый двигатель в своем самом современном исполнении: бензиновый силовой агрегат с высокоточным впрыском и системой струйного управления непосредственным впрыском, которая обеспечивает значительный прирост эффективности при высоких оборотах и мощности по сравнению с современным поколением. Струйное управление непосредственным впрыском — это не единственная особенность. Шестицилиндровый силовой агрегат станет первым двигателем без клинового ремня. Вспомогательные агрегаты, среди которых насос гидроусилителя руля, усилитель тормозов и компрессор кондиционера, приводятся в действие собственными электродвигателями. Задачу генератора берет на себя электродвигатель активной коробки передач.

Преимущество электродвигателя: высокий крутящий момент уже при старте.

Дополнительное использование электродвигателя позволяет взять на вооружение его естественные преимущества: хотя чисто электрические системы привода уступают двигателям внутреннего сгорания, электромотор в сочетании с ДВС демонстрирует интересные свойства. Двигатель внутреннего сгорания может развивать крутящий момент, только достигнув определенной минимальной частоты вращения, а вот электромотор уже с самого начала может выдать свой максимальный крутящий момент. Кроме того, электродвигатели, рассчитанные даже на низкую мощность, имеют относительно высокий крутящий момент. Подобная характеристика позволяет транспортному средству с электродвигателем трогаться с места без использования дополнительных устройств, а автомобиль с двигателем внутреннего сгорания всегда нуждается для трогания с места в сцеплении, которое компенсирует разницу в частоте вращения с неподвижно стоящими колесами.

С увеличением частоты вращения мощность растет у обоих вариантов двигателей приблизительно в линейной пропорции. Однако электродвигателю с ростом мощности требуется также соответствующее увеличение накопителя энергии — при этом масса батарей или топливных элементов очень быстро приближается к разумным границам. Как только электромотор при разгоне достиг максимальной мощности, его крутящий момент падает в сверхпропорциональной зависимости.

Впечатляющее сочетание: двигатель внутреннего сгорания с усилителем.

Для разработчиков BMW с самого начала было ясно: польза от электродвигателя на низких оборотах оказывается самой высокой. В этом низком диапазоне частоты вращения двигатель внутреннего сгорания выдает только часть своего максимального крутящего момента. Поэтому вместо сложных мер по увеличению крутящего момента двигателя внутреннего сгорания инженеры BMW разработали концепцию, согласно которой электродвигатель используется для увеличения крутящего момента. Другими словами, полная тяга с самых «низов».

Ноу-хау от BMW: активная коробка передач.

Разработчики BMW изучили множество возможных сочетаний электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания в целях создания единой системы привода и нашли адекватное решение: активная коробка передач BMW Concept X3 EfficientDynamics. В корпусе серийной автоматической коробки находятся шестерни шести ступеней, электродвигатель с двумя муфтами и вся управляющая и силовая электроника. Тем самым инженерам BMW удалось разработать концепцию, которая позволяет разместить в объеме гидротрансформатора и муфты его блокировки весь дополнительный привод без увеличения потребности в монтажном пространстве.

Для достижения этого инженеры BMW разработали компактный, оптимизированный по массе электродвигатель, который ставится на входе коробки. Рассчитанный на 30 кВт электродвигатель имеет то преимущество, что он без дополнительных затрат может на короткое время выдавать максимальную мощность до 60 кВт. Это свойство, которое можно удачно использовать для усилителя. К тому же система отличается компактными размерами. Синхронный электродвигатель работает с напряжением от 100 до 200 Вольт. Это соответствует диапазону системного напряжения для интегрированной силовой электроники.

Электродвигатель с двумя муфтами заменяет гидротрансформатор.

Кроме того, расположение на линии передачи потока мощности от двигателя к коробке передач имеет одно существенное преимущество: электродвигатель может, с одной стороны, использовать передаточные числа коробки, а с другой стороны, взять на себя целый ряд функций привода с различными требованиями к мощности и крутящему моменту. Вот один из примеров. У использующихся в настоящее время автоматических коробок передач гидротрансформатор берет на себя функцию сцепления. На первых метрах гидротрансформатор увеличивает крутящий момент — проще говоря, он направляет больше момента на колеса, чем выдает сам двигатель. Именно этот эффект может обеспечить компактный электродвигатель.

Вместо гидротрансформатора и муфты его блокировки устанавливается активная коробка передач с электродвигателем и двумя муфтами в масляной ванне. Первый комплект фрикционных дисков соединяет двигатель внутреннего сгорания с электродвигателем, а второй соединяет электродвигатель с коробкой передач. В итоге вся эта конструкция, включая силовую электронику, по длине и диаметру вписывается в колокол сцепления и может устанавливаться вместо обычного «автомата» BMW. Эта компактная конструкция делает активную коробку уникальным явлением в мировой практике разработок гибридных приводов.

Сгусток энергии: старт на электротяге, разгон на шести цилиндрах.

Техника — это только половина концепции BMW Active Hybrid. Вторая половина — это уникальное ноу-хау в стратегии работы. Так, водителю не надо сначала запускать двигатель внутреннего сгорания. Нажатия на педаль акселератора достаточно, чтобы автомобиль тронулся с места. В активной коробке передач открывается первая муфта между двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем, а вторая соединяет между собой электродвигатель и коробку передач. Трогание с места осуществляется при помощи электродвигателя и происходит совершенно бесшумно. Как только автомобиль пришел в движение, мягко замыкается первая муфта и включается двигатель внутреннего сгорания. Электродвигатель в этот момент выполняет роль стартера. Данная стратегия работы обеспечивает комфортабельность процесса, который осуществляется без каких-либо рывков.

До 600 ньютон-метров: сильный, как дизель, приемистый, как бензиновый двигатель.

Энергетическая стратегия перспективной гибридной концепции BMW сочетает тем самым высокую приемистость и оптимальное использование энергии: если водитель тормозит до полной остановки, двигатель внутреннего сгорания выключается. Таким образом он не расходует топливо, и отсутствуют какие-либо выбросы. При первом нажатии на педаль акселератора повторяется процесс запуска. Если водитель продолжает давить на педаль, то сначала автомобиль уверенно тянет вперед электродвигатель, развивающий крутящий момент 400 Нм и мощность до 60 кВт. При умеренном разгоне подключения двигателя внутреннего сгорания не происходит, и автомобиль приводится в движение электродвигателем. Только при сильном ускорении или на высоких скоростях в дело включается двигатель внутреннего сгорания.

Для быстрого старта с места одновременно включается двигатель внутреннего сгорания. На низких оборотах крутящие моменты обоих двигателей накладываются друг на друга, в результате чего при частоте вращения ниже 1500 об/мин удается развить крутящий момент до 600 Нм. Это новые горизонты для бензинового двигателя, так как данные показатели превосходят даже те, что демонстрирует трехлитровый дизель BMW.

Электродвигатель поддерживает двигатель внутреннего сгорания приблизительно до 3 000 об/мин, после чего он — в зависимости от динамики движения — либо обесточивается, либо переключается в режим зарядки.

Больше силы на всех шести передачах.

Концепция активной коробки передач проявляет свои преимущества не только при трогании с места. Так как электродвигатель расположен перед коробкой, он может каждый раз, когда двигатель внутреннего сгорания работает на низких оборотах, использоваться как своеобразный усилитель момента, причем на любой из шести передач автоматической коробки. В результате распределения задачи по выполнению команд водителя между двумя двигателями удается добиться того, что и в нормальном режиме движения дополнительная электрическая поддержка, как и при трогании с места, действует очень короткое время. Всего трех секунд — так высчитали разработчики BMW — достаточно в большинстве случаев увеличения нагрузки для достижения эффекта значительного усиления при одновременном значительном сокращении расхода топлива.

Динамика в чистом виде: быстрый разгон, быстрая зарядка.

Эти в общем короткие отрезки работы электродвигателя имеют еще одно преимущество: количество энергии, которое должен предоставить накопитель, оказывается соответственно малым. Непосредственно сразу после использования энергии еще до следующего ее отбора производится подзарядка накопителя. Для этого электродвигатель в первую очередь при торможении и движении накатом переключается в режим генератора. Разумеется, при этом подзаряжаются не только высоковольтные накопители, но и — через трансформатор — обычный 12-вольтный аккумулятор. Во избежание потерь при торможении двигателем, открывается муфта между двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем. Тем самым активная коробка может моментально преобразовывать кинетическую энергию в электрическую. Таким образом эта кинетическая энергия не пропадает, как это свойственно обычным автомобилям, у которых она преобразуется в тепло. Специалисты называют этот процесс восстановления энергии рекуперацией.

Уникально: полный накопитель энергии при каждом нажатии на педаль тормоза.

Вот один пример. Если водитель, двигаясь в пробке, нажимает педаль акселератора, накопители электроэнергии разряжаются, но при последующем замедлении они также быстро заряжаются. Именно в таких ситуациях со значительными сменами нагрузки расход топлива у двигателя внутреннего сгорания значительно возрастает. BMW Active Hybrid предлагает в таких случаях водителю сразу два преимущества: еще больше динамики при одновременном снижении расхода топлива.

Дополнительно накопитель энергии можно подзарядить при необходимости от двигателя внутреннего сгорания. Регулировочная стратегия BMW Active Hybrid последовательно ориентирована на то, чтобы никогда не отдавать больше электрической энергии, чем ее можно будет получить в кратчайшее время в самом неблагоприятном случае. Поэтому в условиях реальной эксплуатации водитель никогда не лишится мощности вследствие того, что электрический накопитель опустел. Он может быть уверен, BMW Active Hybrid во всех условиях ведет себя одинаково.

Оптимальный накопитель энергии для динамичных автомобилей: Super Caps.

Если речь заходит о накопителях электрической энергии, непроизвольно думаешь в первую очередь об аккумуляторах. Но они для условий применения BMW Active Hybrid, которые характеризуются высокой динамикой и быстрыми периодами разрядки и зарядки, совершенно непригодны. Данные условия требуют применения накопителей энергии с высочайшей плотностью мощности. Для этого лучше всего подходят двухслойные конденсаторы, которые также называются Super Caps. Их удельная мощность составляет около
15 кВт на килограмм массы. Аналогичный показатель никель-металлгидридного аккумулятора составляет 1,3 кВт/кг. Super Caps превосходят аккумуляторы в этом более чем в десять раз. В автомобильных условиях это соотношение сохраняется: здесь Super Caps имеют показатель около 5 кВт/кг, а аккумуляторы не достигают и 0,5 кВт/кг. В итоге коэффициент полезного действия двухслойных конденсаторов при одинаковых параметрах массы, напряжения и отбираемой мощности составляет 98 процентов, а у NiMH-аккумуляторов — 84 процента.

Рациональное использование: Super Caps медно-красного цвета в порогах.

В BMW Concept X3 EfficientDynamics элементы Super Caps нельзя не заметить. Медно-красные трубки встроены в прозрачные пороги. Это место установки является оптимальным с точки зрения поперечной и вертикальной динамики автомобиля, а также с точки зрения использования свободного пространства. Вместе с активной коробкой передач они образуют ключевые элементы концептуального автомобиля. Super Caps могут без каких-либо потерь за доли секунды «впитать» в себя очень много электрической энергии и так же быстро отдать ее. До сих пор их использовали прежде всего на ветровых электростанциях в качестве не требующих обслуживания накопителей энергии с неограниченным сроком службы. Использованные в концептуальном X3 Super Caps имеют диаметр 50 мм и общую мощность 190 кВт.

Минимальное внутреннее сопротивление: смена циклов зарядки и разрядки без потерь.

Единственный недостаток конденсаторов по сравнению с электрохимическими батареями заключается в значительно меньшей удельной энергии. Этот недостаток, однако, существует только теоретически, так как имеющаяся удельная энергии электрохимических батарей используется сегодня, учитывая срок службы, лишь отчасти: около 5 ватт-час на килограмм (Втч/кг) у NiMH-аккумуляторов и около 4 Втч/кг у Super Caps. Еще одна причина: у аккумуляторов очень высокое внутреннее сопротивление, которое еще больше растет вместе с разрядкой. Высокое внутреннее сопротивление означает большие потери энергии при зарядке. Большая часть полученной при торможении энергии оказывается тем самым потраченной, и процесс зарядки длится дольше. Внутреннее сопротивление Super Caps практически равно нулю, и оно никак не зависит от состояния зарядки. На практике это означает, что циклы зарядки и разрядки можно повторять сколь угодно часто и в течение кратчайшего времени. Тем самым Super Caps создают оптимальные предпосылки, например, для уже описанного варианта использования в условиях пробок.

Общая мощность Super Caps, составляющая 190 кВт, достаточна для использования в очень динамичных автомобилях. Водитель также может использовать только электрическую тягу, например, на парковке или при маневрировании. Super Caps предоставляют для этого достаточно энергии.

Гибридные автомобили BMW: 15 лет исследований и разработок.

Концерн BMW Group уже с начала девяностых годов работает над гибридным приводом. В частности, шла разработка электродвигателя в форме диска, который был бы пригоден для использования на автомобиле. Именно такой двигатель стоит на концептуальном автомобиле. Уже в 1991 году BMW заявила патент на «электрическую коробку». Были построены различные прототипы, однако из-за высокой массы аккумуляторов и электрических компонентов привода высокие требования BMW к концепциям, готовым к выходу на рынок, не могли быть выполнены в достаточной мере.

За дополнительной информацией обращайтесь в BMW Russland Trading к Ксении Климушиной по телефону: +7 095 795 2923 или по e-mail: Ksenia.Klimushina@bmw.com