ActiveHybrid 7 является “мягким” гибридом (Mild Hybrid). При этом речь идет о параллельном гибридном приводе.

Мягкий гибрид (Mild Hybrid) состоит в основном из следующих компонентов:

Электронная система управления электромашиной (EME)
Электромашина
Электронная система управления накоплением энергии (SME)

Электронная система управления электродвигателем (EME) является силовым электронным устройством. Силовое электронное устройство состоит из преобразователя постоянного напряжения и 2 преобразователей, необходимых для активизации электродвигателя.

Электронная система управления накоплением энергии (SME) интегрирована в высоковольтную аккумуляторную батарею (залита и заварена). ЭБУ SME управляет всеми функциями обеспечения безопасности, касающимися высоковольтной батареи.

Гибридный автомобиль имеет 2 бортовых сети, работающих с 2 различными напряжениями:
обычная бортовая сеть 12 В от BMW 7-й серии;
высоковольтная бортовая сеть для подачи питания на высоковольтные компоненты (номинальное напряжение 126 В).

Схема

Обозначение Пояснение

1 Высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания
2 Электродвигатель
3 Коробка передач для Mild-Hybrid
4 Высоковольтная аккумуляторная батарея (литий-ионная)
5 Высоковольтные провода
6 Электронный блок питания и управления

Краткое описание узла

Ниже описываются следующие узлы системы электропитания:

1. Блок высоковольтной аккумуляторной батареи с литий-ионной батарей и электронной системой управления накоплением энергии (SME)
2. Электрический компрессор климатической установки (EKK)
3. Электронная система управления электродвигателем (EME)
4. Электродвигатель

Схема системы

Трансмиссия с электродвигателем

Трансмиссия состоит в главным образом из двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Создаваемый крутящий момент передается на приводные колеса через 8-ступенчатую АКПП, карданный вал и редуктор заднего моста.

Автоматическая коробка передач имеет гидротрансформатор крутящего момента. Электромашина состоит из статора (находится внутри) и ротора (находится снаружи). Ротор заменяет маховик двигателя внутреннего сгорания.

Электродвигатель представляет собой электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов (синхронный) с максимальной мощностью 14 кВт. Электродвигатель соединен напрямую с коленвалом между двигателем внутреннего сгорания и гидротрансформатором крутящего момента.

При таком гибридном приводе двигатель внутреннего сгорания не может быть отсоединен от электродвигателя. Вследствие этого имеющаяся для рекуперации энергия снижается на тормозящий момент двигателя внутреннего сгорания. Режим движения исключительно на электрической энергии невозможен.

Электродвигатель используется для следующих функций:

Запуск двигателя внутреннего сгорания
Поддержка двигателя внутреннего сгорания (усиление)
Электрическое торможение (рекуперация)
Генератор
При усилении (ускорение за счет электрической энергии) может быть доступен дополнительный момент до 150 Н•м.

Электронная система управления электродвигателем (EME) находится слева на двигателе на высоте масляного поддона.

Электронная система управления электродвигателем (EME)

Электронная система управления электродвигателем (EME)

Силовое электронное устройство включает в себя следующие узлы:

2 преобразователя для активизации электродвигателя
Преобразователь постоянного напряжения для передачи энергии в обоих направлениях между 12-вольтной и высоковольтной бортовыми сетями
ЭБУ EME.
Управление направлением преобразования напряжения осуществляется с помощью программы управления электропитанием для высоковольтной системы, встроенной в EME:

Максимальная мощность преобразователя напряжения от высоковольтной бортовой сети к бортовой сети 12 В составляет 2,1 кВт или 150 A, в зависимости от того, какое предельное значение достигается раньше.
Максимальная мощность от бортовой сети 12 В к высоковольтной сети составляет 0,5 кВт.
Электрический компрессор кондиционера

Электрический компрессор кондиционера соединен с ЭБУ IHKA с помощью шины LIN и выполняет следующие функции:

Обеспечение функций кондиционера при остановленном двигателе (автоматический запуск и выключение двигателя)
Обеспечение оптимальной рабочей температуры высоковольтной аккумуляторной батареи;
Автономная система кондиционирования
Кондиционирование автомобиля в отличие от обычных автомобилей возможно даже при выключенном двигателе.

Электрический компрессор кондиционера через высоковольтные разъемы соединен с электронной системой управления электродвигателем.

Блок высоковольтной аккумуляторной батареи с литий-ионной батарей и электронной системой управления накоплением энергии (SME)

Блок высоковольтной аккумуляторной батареи с литий-ионной батарей и электронной системой управления накоплением энергии (SME)

1 Корпус блока высоковольтной аккумуляторной батареи
2 Пальцы крепления
3 Разъемы для входа и выхода охлаждающей жидкости
4 Высоковольтные провода к электронному блоку питания и управления
5 Разъем блока управления SME (питание, соединение с шиной и т. д.)

Блок высоковольтной аккумуляторной батареи содержит следующие узлы:

Литий-ионная аккумуляторная батарея:
Высоковольтная аккумуляторная батарея из 35 цилиндрических элементов, соединенных в последовательную схему. Электронный блок с датчиками напряжения и температуры передает информацию о состоянии элементов на блок управления SME. Номинальное напряжение составляет 126 В, а полезная энергия 400 Вт*ч.
Электронная система управления накоплением энергии (SME):
Этот блок управления выполняет следующие функции:
Контроль состояния литий-ионной батареи.
Управление запорным клапаном в контуре хладагента кондиционера, используемого для охлаждения высоковольтной аккумуляторной батареи.
Контроль высоковольтной бортовой сети в отношении нарушения изоляции.
Управление контакторами для включения высоковольтной системы.

Контакторы

Два контактора позволяют разделять высоковольтную батарею и высоковольтную бортовую сеть. Таким образом можно отключать высоковольтную систему.

Электронная система управления электродвигателем (EME)

Электронный блок питания включает два преобразователя частоты для управления электродвигателем, преобразователь напряжения для передачи энергии в обоих направлениях между бортовой сетью 12 В и высоковольтной бортовой сетью и блоком управления.

Управление направлением преобразования напряжения осуществляется с помощью программы управления электропитанием для высоковольтной системы, встроенной в EME:
Максимальная мощность преобразователя напряжения от высоковольтной бортовой сети к бортовой сети 12 В составляет 2,1 кВт или 150 A, в зависимости от того, какое предельное значение достигается раньше.
Максимальная мощность от бортовой сети 12 В к высоковольтной сети составляет 0,5 кВт.

Электродвигатель

Электродвигатель служит для пуска двигателя внутреннего сгорания, в качестве поддержки двигателя внутреннего сгорания (усиление), для электрического торможения (рекуперация), а также в качестве электродвигателя. Синхронная машина непосредственно связана в коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания.

Электрический компрессор кондиционера

Электрический компрессор кондиционера соединен с блоком управления IHKA с помощью шины LIN и выполняет следующие функции:
обеспечение функций кондиционера при остановленном двигателе (MSA);
обеспечение оптимальной рабочей температуры высоковольтной аккумуляторной батареи;
автономная система кондиционирования.

Системные функции

Ниже описываются следующие функции системы питания и управления электропитанием высоковольтной системы:
Зарядка высоковольтной батареи
Управление электропитанием высоковольтной системы

Выработка крутящего момента (положительного и отрицательного)

Электродвигатель поддерживает двигатель внутреннего сгорания путем подачи положительного крутящего момента на коленчатый вал. Эта поддержка повышает крутящий момент, имеющийся на приводных колесах (усиление). Для этого используется электрическая мощность, забираемая с высоковольтной батареи.

Мощность бензинового двигателя регулируется традиционным способом с помощью дроссельной заслонки. Это занимает приблизительно 0,5 секунды, пока отдача мощности двигателя внутреннего сгорания ожидает активизацию дроссельной заслонки. Дополнительную возможность регулировки мощности дает регулировка опережения зажигания. С помощью регулировки опережения зажигания можно значительно быстрее регулировать мощность (приблизительно за 0,05 секунды). Недостатком регулировки опережения зажигания является то, что при этом снижается КПД двигателя внутреннего сгорания. Для повышения динамики двигателя внутреннего сгорания с помощью регулировки опережения зажигания автомобили с бензиновыми двигателя редко эксплуатируются с оптимальным моментом опережения зажигания.

С помощью электродвигателя можно добиться таких же динамических характеристик, как и при регулировке опережения зажигания. При этом бензиновый двигатель может работать с почти оптимальным моментом зажигания. За счет этого повышается КПД бензинового двигателя.

Электродвигатель позволяет удерживать двигатель внутреннего сгорания на (сниженных) оборотах холостого хода исключительно на электрической энергии. Наряду с экономией топлива это служит также для подготовки целенаправленного отключения двигателя внутреннего сгорания. При электрическом холостом ходу такие системы автомобиля, как например усилитель рулевого привода остаются включенными. При этом в любой момент возможно моментальное включение двигателя внутреннего сгорания. Электродвигатель обеспечивает быстрый и тихий пуск двигателя внутреннего сгорания даже без вибрации.

Вращающийся электродвигатель может создавать электрическую мощность (отрицательный крутящий момент). Эта мощность подается в высоковольтную бортовую сеть. Через встроенный в силовой блок преобразователь постоянного напряжения электрическая энергия подается в 12-вольтную бортовую сеть. Также возможна передача энергии в обратном направлении, через преобразователь постоянного напряжения из 12-вольтной бортовой сети в высоковольтную бортовую сеть (облегчение пуска).

При торможении автомобиля возможно определенное разделение отрицательного крутящего момента между тормозной системой и электродвигателем. Часть кинетической энергии автомобиля таким образом может преобразовываться в электрическую энергию и аккумулироваться в высоковольтной батарее (рекуперация).

Обычно быстрые срабатывания системы автоматического контроля стабильности достигаются за счет регулировки момента зажигания. Эти действия (частично) могут выполняться и электродвигателем. При подтормаживании приводных колес электродвигатель создает электрическую энергию.

КПД двигателя внутреннего сгорания зависит от его рабочей точки (частота вращения и крутящий момент). Обычно, бензиновый двигатель достигает максимальной эффективности при 90 % своего максимального крутящего момента. При низких значениях крутящего момента (например, 20 % от зависящего от частоты вращения максимума) КПД значительно ниже. Дополнительный крутящий момент позволяет смещать точку нагрузки двигателя внутреннего сгорания без изменения оборотов двигателя.

Повышение точки нагрузки за счет отрицательного крутящего момента: Электродвигатель создает дополнительную нагрузку на двигатель внутреннего сгорания. Это ведет к улучшению КПД при одновременной выработке электрической энергии.

Зарядка высоковольтной батареи

Если заряд высоковольтной батареи слишком низок и ДВС не может быть запущен, то необходимо зарядить высоковольтную батарею: Зарядка осуществляется с помощью одного зарядного устройства через бортовую сеть 12 В: Преобразователь DC/DC преобразует затем энергию в направлении высоковольтной бортовой сети.

Процесс зарядки автоматически инициируется EME, если напряжение высоковольтной аккумуляторной батареи опускается ниже заданного нижнего порогового значения, распознается зарядное устройство (напряжение в бортовой сети выше 13,5 В со стороны бортовой сети 12 В) и две попытки пуска двигателя не привели к успеху:

Если напряжение высоковольтной аккумуляторной батареи слишком низкое и запустить двигатель не удается, на дисплее отображается следующее сообщение системы автоматической диагностики: "Автомобиль не готов к движению (ID 587)."
Если вторая попытка пуска двигателя также не приводит к успеху, на дисплее отображается следующее сообщение системы автоматической диагностики: Для зарядки включить зажигание (ID 588).
В процессе преобразования напряжения от бортовой сети 12 В к высоковольтной бортовой сети (высоковольтная батарея заряжается) отображается следующее сообщение системы автоматической диагностики: Высоковольтная батарея заряжается (ID 589).
Процесс отменяется в следующих случаях:

Зарядный ток высоковольтной аккумуляторной батареи опускается ниже порогового значения 1 А.
Зарядное устройство было отсоединено.
Обнаружена ошибка или зажигание отключено.
В этом случае отображается следующее сообщение: Процесс зарядки завершен (ID 590).

Зарядка высоковольтной батареи через 12-вольтную бортовую сеть производится только до границы пусковой мощности. Для эффективной и быстрой дальнейшей зарядки высоковольтной батареи необходимо выполнить следующие действия (см. также Указания по зарядке высоковольтной батареи):

Запустить двигатель внутреннего сгорания.
Индикацию на центральном информационном дисплее настроить на гибридный режим и отключить ненужных потребителей электроэнергии, напр., внешнее освещение или систему отопления и кондиционирования.
Выбрать положение рычага селектора P или N и установить частоту вращения коленвала двигателя на 2000 об/мин.
При нажатой педали тормоза зарядить высоковольтную батарею, пока не появится изображение, как минимум, четырех синих штрихов (процесс длится прим. 4 мин).
Затем заглушить двигатель и выключить зажигание.
Для выравнивания напряжения (эквилибрирование отдельными ячейками в высоковольтной батарее), перевести т/с в состояние покоя и дать ему постоять не менее 8 ч. После этого, при необходимости, снова зарядить высоковольтную батарею с помощью двигателя внутреннего сгорания.

Использовать достаточно мощное зарядное устройство.

Для обеспечения питания 12-вольтной бортовой сети и одновременной зарядки высоковольтной батареи необходимо использовать достаточно мощное зарядное устройство (макс. зарядный ток не менее 70 A), отключить ненужных потребителей электроэнергии в автомобиле (напр., внешнее освещение или систему отопления и кондиционирования) и обеспечить достаточный заряд 12-вольтной батареи.

Управление электропитанием высоковольтной системы

Программа управления электропитание высоковольтной системы, встроенная в EME, является расширенным вариантом прежней программы управления электропитанием в системе управления двигателем. Программа управления электропитанием высоковольтной системы выполняет следующие функции:

управление включением и выключением высоковольтной бортовой сети;
Управление мощностью преобразователя постоянного напряжения Hybrid;
ограничение мощности электрического компрессора кондиционера в зависимости от активной функции прибора (усиление, рекуперация) и имеющейся мощности высоковольтной аккумуляторной батареи;
управление условиями, препятствующими выключению, или командой к включению системы автоматического запуска и выключения двигателя (MSA):

При слишком большой нагрузке на бортовую сеть активизируется предотвратитель отключения или появляется требование включения. Условие, препятствующее выключению, активизируется в зависимости от температуры высоковольтной аккумуляторной батареи (ниже -15 °C или выше 46 °C).