MHEV plus: następna generacja napędu hybrydowego w Audi

MHEV plus: następna generacja napędu hybrydowego w Audi

„Dzięki nowej technologii MHEV plus rozwijamy elektryfikację w naszych nowych pojazdach z silnikami spalinowymi opartych na płycie podłogowej Premium Platform Combustion, która jest dostosowana do potrzeb naszych klientów” – mówi Geoffrey Bouquot, członek zarządu Audi ds. rozwoju technicznego. „Wzmocni to nasze portfolio produktów obejmujące modele całkowicie elektryczne, hybrydy plug-in oraz pojazdy z wydajnymi silnikami spalinowymi”. MHEV plus oferuje atrakcyjne funkcje, takie jak częściowo elektryczna jazda, elektryczne doładowanie oraz znaczny wzrost wydajności i komfortu. System mild hybrid w nowych Audi A5 i Q5 składa się z trzech głównych komponentów: kompaktowo zaprojektowanego nowego generatora zespołu napędowego (PTG) ze zintegrowaną elektroniką mocy i trwale wzbudzonym silnikiem synchronicznym (PSM), akumulatora 48 V oraz rozrusznika/alternatora napędzanego paskiem (BAS). Komponenty systemu 48 V są chłodzone cieczą w celu osiągnięcia optymalnych warunków pracy. Architektura systemu MHEV plus może być zintegrowana z różnymi modelami o napędzie przednim i quattro, które są skonstruowane na płycie podłogowej Premium Platform Combustion (PPC). Zależne od sytuacji chłodzenie cieczą elektroniki mocy i silnika elektrycznego umożliwia pracę komponentów w optymalnych warunkach roboczych w celu spełnienia wymagań dotyczących mocy i momentu obrotowego we wszystkich sytuacjach. Nowa technologia MHEV plus umożliwia czysto elektryczny tryb jazdy, może również wspierać silnik spalinowy. W ten sposób system zwiększa wydajność i zwinność, jednocześnie zmniejszając zużycie paliwa i emisję CO2.

Przykładowo, w A5 2.0 TDI o mocy 150 kW i z napędem przednim lub quattro (zużycie paliwa w l/100 km: 5,7-4,8; emisja CO2 w g/km: 150-125) można zaoszczędzić do 10 g/km lub 0,38 l/100 km, a w wersji 3.0 TFSI z silnikiem V6 o mocy 270 kW z napędem quattro (zużycie paliwa w cyklu mieszanym l/100 km: 8,0-7,4; emisja CO2 w cyklu mieszanym 182-169 g/km); możliwe są oszczędności do 17 g/km lub 0,74 l/100 km (według WLTP).

Generator zespołu napędowego jako dodatkowy, wydajny moduł napędowy

Kolejną ważną zaletą jest to, że system MHEV plus poprawia osiągi i komfort jazdy. Kompaktowym, ale wydajnym modułem napędu elektrycznego w nowym systemie MHEV plus jest generator zespołu napędowego (PTG). Komponent ten stanowi również największą różnicę w stosunku do technologii MHEV oferowanej wcześniej przez Audi, która działa wyłącznie z rozrusznikiem/alternatorem napędzanym paskiem. PTG, który jest zainstalowany w kompaktowej jednostce ze zintegrowaną elektroniką mocy bezpośrednio na wale wyjściowym skrzyni biegów, może dostarczyć do 18 kW (24 KM) mocy elektrycznej.

Moduł zapewnia maksymalny moment obrotowy 230 Nm na wyjściu skrzyni biegów, który jest dostępny jako moment napędowy już po uruchomieniu pojazdu. Kompaktowa przekładnia PTG pracuje z przełożeniem 3,6:1. MHEV plus wykorzystuje PTG do prędkości 140 km/h, zapewniając maksymalną wydajność. Przy wyższych prędkościach PTG odłącza się od układu napędowego za pomocą zintegrowanego sprzęgła kłowego.

PTG waży około 21 kilogramów i umożliwia uzyskanie maksymalnie 5550 obrotów na minutę na wale wyjściowym. W zależności od pojazdu i wariantu napędu odpowiada to prędkości od 130 do 140 km/h.

Przy minimalnych modyfikacjach otaczających części i komponentów stworzono wymaganą przestrzeń do zintegrowania silnika elektrycznego na wyjściu skrzyni biegów w istniejących granicach tunelu pojazdu. Umiejscowienie bezpośrednio za skrzynią biegów daje kilka zalet: 18 kW mocy napędowej lub do 25 kW mocy z hamowania rekuperacyjnego dostarczanej przez PTG jest dostępne bezpośrednio na kołach osi napędowej bez żadnych dalszych strat. Dzięki tej konfiguracji PTG może być stosowany zarówno w pojazdach z napędem na przednie, jak i na wszystkie koła bez żadnych modyfikacji i w sposób modułowy.

Aby spełnić wysokie wymagania dotyczące komfortu działania systemu, należy zapewnić precyzyjną kontrolę momentu obrotowego, prądu i prędkości silnika elektrycznego. Zakres temperatur roboczych wynosi od minus 40 do plus 75 stopni Celsjusza. Płaszcz wodny otacza silnik elektryczny, a także chłodzi kompaktową i wysoce zintegrowaną elektronikę mocy we wspólnym obiegu chłodziwa, który jest zamontowany bezpośrednio na silniku elektrycznym, aby zaoszczędzić miejsce. Wysokowydajne moduły mocy są rozmieszczone wokół radiatora w elektronice mocy. Kondensatory obwodu pośredniego są otoczone radiatorem w sposób oszczędzający miejsce i optymalny termicznie.

Rozwój skoncentrowany na wymaganiach klienta

Audi opracowało technologię MHEV plus z myślą o przewidywanych wymaganiach klientów. Konwencjonalne układy napędowe dostępne z pierwszą generacją układu start-stop lub systemem miękkiej hybrydy opierają się na kluczowych elementach wydajności, takich jak wyłączenie silnika podczas postoju pojazdu, swobodna jazda z wyłączonym silnikiem (żeglowanie), tryb wybiegu oraz odzyskiwanie energii 12 V lub 48 V. Główne zalety zwiększonego stopnia elektryfikacji dzięki nowej technologii obejmują dodatkową efektywniejszą pracę w trybie start-stop, bezemisyjny tryb wybiegu, odzyskiwanie energii, częściowo elektryczną jazdę, na przykład do podczas parkowania i manewrowania, a także zwiększoną wydajność dzięki elektrycznemu wsparciu silnika spalinowego.

Dzięki temu pojazd może być napędzany wyłącznie elektrycznie, pozostawiając silnik spalinowy wyłączony na dłużej, na przykład podczas powolnej jazdy po mieście lub gdy ruch na drogach poza miastem jest powolny. Co więcej, reakcja pojazdu na ruszanie jest znacznie lepsza i bardziej spontaniczna, ponieważ PTG dostarcza moment obrotowy do 230 Nm nawet przy niskich prędkościach. Skutkuje to zauważalnie lepszą responsywnością, co przekłada się na wyraźnie zauważalny wzrost zwinności, zwłaszcza na pierwszych kilku metrach podczas ruszania.

Przy prędkościach od 0 do maksymalnie 140 km/h, PTG może wspomagać silnik spalinowy. Oznacza to, że MHEV plus oferuje dodatkową moc elektryczną do 18 kW, pozwalając silnikowi spalinowemu pracować tak wydajnie, jak to tylko możliwe. W tym zakresie prędkości PTG może odzyskać do 25 kW energii poprzez hamowanie rekuperacyjne na krótko przed zatrzymaniem pojazdu. Zintegrowany system sterowania hamulcami z możliwością mieszania zapewnia hamowanie bezciśnieniowe i optymalne hamowanie odzyskowe, zwykle bez użycia hamulców ciernych. Dzięki elektrycznej sprężarce klimatyzacji, MHEV plus umożliwia również ciągłą pracę układu klimatyzacji, nawet gdy silnik spalinowy jest wyłączony, na przykład podczas oczekiwania na czerwonym świetle.

BAS, akumulator litowo-jonowy i iBRS: idealne połączenie

W ramach technologii MHEV plus rozrusznik/alternator napędzany paskiem (BAS) ma za zadanie uruchomić silnik i dostarczyć energię elektryczną do akumulatora. Napęd paskowy ma zalety akustyczne w porównaniu z rozrusznikiem zębatkowym i zapewnia wyższą prędkość rozruchową silnika spalinowego. Skutkuje to lepszym zużyciem paliwa i większym komfortem rozruchu. Rozrusznik z alternatorem paskowym może również odzyskiwać energię silnika po jego wyłączeniu i ustawia cylindry w optymalnej pozycji do ponownego uruchomienia.

Akumulator litowo-jonowy wykonany z fosforanu litowo-żelazowego (LFP) ma pojemność 37 amperogodzin, co odpowiada nieco poniżej 1,7 kWh (brutto). Jego maksymalna moc rozładowania wynosi 24 kW. Ze względu na wymagania dotyczące dostępności, mocy i momentu obrotowego, akumulator jest zintegrowany z niskotemperaturowym obiegiem chłodzenia wodą, który zapewnia optymalne warunki w zakresie od 25 do 60 stopni Celsjusza. To pierwszy raz, kiedy Audi wykorzystuje akumulator LFP w swoich napędach z układem miękkiej hybrydy.

Zintegrowany układ kontroli hamulców (iBRS) odgrywa ważną rolę w odzyskiwaniu energii. W modelach z technologią MHEV plus, iBRS zapewnia bezciśnieniowe hamowanie i osiąga niezbędne opóźnienie poprzez hamowanie rekuperacyjne bez użycia mechanicznego hamulca koła. Hamulce mechaniczne są uruchamiane tylko wtedy, gdy pedał hamulca jest wciśnięty z większą siłą. Nie ma to wpływu na odczucia podczas hamowania.

Zaawansowana strategia operacyjna MHEV plus

W systemie hybrydowym zasadą jest, że akumulator naładowany od 50 do 60 procent działa najwydajniej, ponieważ może dostarczać energię do silnika elektrycznego i przechowywać ją podczas odzyskiwania energii. System hybrydowy nie koncentruje się na zasięgu elektrycznym, ale na rozładowywaniu i ładowaniu akumulatora w szybkich cyklach. Umożliwia to odzyskanie jak największej ilości energii i jej szybkie ponowne efektywne wykorzystanie do napędu.

W technologii MHEV plus oprogramowanie sterujące ocenia stan pracy pojazdu pod kątem optymalnej interakcji między silnikiem spalinowym, PTG i BAS. W tym celu przechowywane są wartości charakterystyczne dla optymalnego wykorzystania dwóch silników elektrycznych i pożądanych poziomów momentu obrotowego do napędu lub odzyskiwania energii. Uwzględniany jest również stan naładowania akumulatora.

Celem jest stabilna praca, a system sterowania osiąga różne wyniki w zależności od sytuacji. Dzieje się tak, ponieważ strategia działania dodatkowych napędów elektrycznych jest zoptymalizowana dla każdego silnika spalinowego. Rezultatem jest najniższe możliwe zużycie paliwa bez uszczerbku dla dynamiki jazdy.

Strategia działania uwzględnia wybrany tryb skrzyni biegów i pozycję pedału przyspieszenia. Na przykład, podczas jazdy w trybie D, pełna dodatkowa moc elektryczna wynosząca maksymalnie 18 kW jest wykorzystywana przez generator układu napędowego dopiero od poziomu około 80 procent wciśnięcia pedału przyspieszenia lub redukcji. W trybie jazdy S dodatkowa moc 18 kW jest dostępna już przy niższych wartościach nacisku na pedał przyspieszenia. W trybie D, PTG można odłączyć od prędkości 85 km/h, aby zapobiec stratom elektrycznym w silniku elektrycznym PTG podczas jazdy ze stałą prędkością z silnikiem spalinowym na autostradach i drogach poza granicami miasta. W trybie S, PTG pozostaje sprzężony do maksymalnej dopuszczalnej prędkości obrotowej silnika wynoszącej 5550 obr/min, aby umożliwić spontaniczną reakcję w dowolnym momencie.

Jeśli chodzi o tryby jazdy D i S, strategia działania różni się w szczególności, jeśli chodzi o docelowy SoC (stan naładowania) 48-woltowego akumulatora. W trybie D, średni poziom SoC wynoszący od 50 do 55 procent zapewnia optymalną równowagę dla zapewnienia wystarczającej ilości energii dostępnej do elektrycznego wspomagania silnika spalinowego, aż do jazdy częściowo elektrycznej. Taka wartość SoC jest również wystarczająca do przechowywania dużych ilości odzyskanej energii, która pochodzi z łagodnych i dłuższych faz hamowania na światłach lub przy wjeździe do miasta. W trybie skrzyni S, wyższy docelowy SoC wynoszący około 70 procent zapewnia większą ilość dostępnej energii dla elektrycznego wsparcia silnika spalinowego podczas bardziej sportowej jazdy. Jak można się spodziewać, sportowa jazda wiąże się z krótszymi i bardziej intensywnymi fazami hamowania, co oznacza mniej energii do odzyskania.

Zastosowanie generatora zespołu napędowego oferuje również korzyści w zakresie dynamiki jazdy, ponieważ dodatkowy i natychmiast dostępny moment obrotowy oznacza, że pojazd może bardziej spontanicznie reagować na zmiany obciążenia i bardziej zwinnie przyspieszać na zakrętach. Rodzaj zmiany obciążenia jest również modulowany inaczej w trybach D i S, aby zapewnić bardziej komfortowe prowadzenie w trybie D i bardziej responsywne, dynamiczne prowadzenie w trybie S.

Modele z napędem MHEV plus mogą również pracować wyłącznie na napędzie elektrycznym, na przykład gdy pojazd zbliża się do miasta, a następnie utrzymywać prędkość za pomocą PTG. Jeśli moc wymagana przez kierowcę lub tempomat adaptacyjny (ACC) przekroczy określoną wartość, silnik spalinowy uruchamia się i przejmuje napęd. Próg rozruchu zależy od aktualnego SoC akumulatora 48 V i prędkości pojazdu.

Jeśli bieżące SoC jest poniżej docelowego, silnik spalinowy włącza się wcześniej. Z jednej strony ma to na celu uniknięcie zużycia dodatkowej energii na jazdę elektryczną, a tym samym dalsze obniżenie SoC. Z drugiej strony, silnik spalinowy może ponownie zwiększyć SoC w razie potrzeby za pomocą zwiększonej mocy w połączeniu z BAS i PTG – innymi słowy, naładować akumulator. Nie dotyczy to manewrowania z napędem elektrycznym, pełzania w wolno poruszającym się ruchu lub parkowania, które można utrzymać przy znacznie niższym stanie naładowania.

Jeśli aktualna wartość SoC jest wyższa od docelowej wartości, silnik spalinowy włącza się później – gdy zapotrzebowanie na moc jest nieco wyższe. W ten sposób 48-woltowy akumulator rozładowuje się w kierunku docelowego SoC, dzięki czemu może wchłonąć wystarczającą ilość energii podczas przyszłych faz odzyskiwania energii. Wraz ze wzrostem prędkości pojazdu obniża się próg zapotrzebowania na moc z silnika spalinowego. W uproszczeniu oznacza to, że im wyższa prędkość, tym bardziej silnik spalinowy zasila samochód.

W połączeniu z paliwem, które znajduje się w zbiorniku, wzrost wydajności układu napędowego zauważalnie poprawia całkowity zasięg pojazdu. Sprawia to, że pojazdy wyposażone w technologię MHEV plus znacznie lepiej nadają się do podróży na długich dystansach i sprawiają, że są one znacznie wygodniejsze.