Дослідження методів моделювання та оптимізації багаторежимних гібридних силових агрегатів автомобілів

Кирилов, Денис Анатолійович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8500
Title:	Дослідження методів моделювання та оптимізації багаторежимних гібридних силових агрегатів автомобілів
Authors:	Тарандушка , Людмила Анатоліївна Кирилов, Денис Анатолійович
Issue Date:	2023
Abstract:	Об’єкт дослідження − процеси гібридних силових агрегатів автомобілів. Предмет дослідження – модель гибридных агрегатов електроавтомобілів. Мета - дослідження методів моделювання та оптимізації багаторежимних гібридних силових установок автомобілів. Для досягнення поставленої мети виконано такі завдання: - проаналізовано структури гібридного автомобіля; - проаналізовано існуючі розробки гібридних технологій у автомобілебудуванні; - досліджено методи моделювання та оптимізації багаторежимних гібридних силових агрегатів автомобілів; - подано результати моделювання системи паливних елементів гібридних транспортних засобів; - розроблено рекомендації щодо застосування багаторежимних силових установок автомобілів, а також способи їх моделювання та оптимізації. Методи дослідження - для вирішення поставленої мети використовувалися емпіричні методи дослідження засновані на теоріях транспортних потоків, планування експерименту, математичнаа статистика та системномний аналіз. Кваліфікаційна робота магістра складається з 62 сторінок, 3 розділів, 2 таблиць, 31 рисунка, 12 джерел.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8500
Appears in Collections:	274 Автомобільний транспорт (Автомобільний транспорт)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Кирилов Д.А.pdf Restricted Access		1.42 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460, тел./факс (0472) 71 00 92 
                                        ЗАТВЕРДЖУЮ 
                                                                          зав. кафедри автомобілів та  
                                                                          технологій їх експлуатації, доцент 
                                                                          ______________ Л.А. Тарандушка 
                                                                          «___» __________________2023 р. 
 
 
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА 
«ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ МОДЕЛЮВАННЯ 
ТА ОПТИМІЗАЦІЇ БАГАТОРЕЖИМНИХ 
ГІБРИДНИХ СИЛОВИХ АГРЕГАТІВ 
АВТОМОБІЛІВ» 
 
Рецензент: 
 
 
Керівник роботи:  
д.т.н., професор                   _______________               Л.А. Тарандушка 
                  (посада)                                                             (підпис)                                           (Ініціали, прізвище) 
 
Виконавець: 
          студент 2 курсу, гр. мЗАВ-73                          ______________ 
спеціальності 274 – Автомобільний транспорт             Д.А. Кирилов 
                                                                   _______________  ________     
                                                                                               (підпис)                     (Ініціали, прізвище) 
 
2023 
  
РЕФЕРАТ 
 
«ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЇ 
БАГАТОРЕЖИМНИХ ГІБРИДНИХ СИЛОВИХ АГРЕГАТІВ 
АВТОМОБІЛІВ» 
Об’єкт дослідження − процеси гібридних силових агрегатів автомобілів.  
Предмет дослідження – модель гибридных агрегатов 
електроавтомобілів.  
Мета - дослідження методів моделювання та оптимізації 
багаторежимних гібридних силових установок автомобілів. 
Для досягнення поставленої мети виконано такі завдання: 
- проаналізовано структури гібридного автомобіля; 
- проаналізовано існуючі розробки гібридних технологій у 
автомобілебудуванні; 
- досліджено методи моделювання та оптимізації багаторежимних 
гібридних силових агрегатів автомобілів; 
- подано результати моделювання системи паливних елементів 
гібридних транспортних засобів; 
- розроблено рекомендації щодо застосування багаторежимних силових 
установок автомобілів, а також способи їх моделювання та оптимізації.  
Методи дослідження - для вирішення поставленої мети 
використовувалися емпіричні методи дослідження засновані на теоріях 
транспортних потоків, планування експерименту, математичнаа статистика та 
системномний аналіз. 
Кваліфікаційна робота магістра складається з 62 сторінок, 3 розділів,          
2 таблиць, 31 рисунка, 12 джерел. 
 
  
ЗМІСТ 
ВСТУП…………………………………………………………………………....3 
1 Аналіз структури гібридного автомобіля…………………….........................7 
1.1 Позначення гібрида……………………………………………….................7 
1.2 Структура і робота гібридного автомобіля……………………..................8  
1.3 Типи гібридів……………… ………………………………………............11 
1.4 Класифікація за типом батарей……………………………………............17 
2 Аналіз існуючих розробок гібридних технологій в 
автомобілебудуванні……………………………………………..................…..22 
2.1 Аналіз існуючих енергозберігаючих технологій………............................22  
2.2 Електричні транспортні засоби…………………………….......................27  
2.3 Гібридні транспортні засоби на електриці…………….............................30  
2.4 Гібридні транспортні засоби на паливних елементах…..........................32  
2.5 Конфігурація гібридного многорежимного силового  
агрегата. Інструменти моделювання…………….……………….....................42 
2.7 Узагальнення проведеного аналізу…………………….……………........40 
3 Аналіз циклів моделювання та оптимізації гібридних  
силових агрегатів автомобілів…………………………………......................42 
3.1 Моделювання гібридного транспортного засобу……………..................44 
3.2 Моделювання систем паливних елементів……………………................52 
3.3 Дослідження систем паливних елементів…………………………......... 53  
3.4 Рекомендації щодо застосування багаторежимних гібридних елементів 
силових агрегатів автомобілів і способів їх моделювання………...................57 
ВИСНОВКИ…………………………………………………….........................61 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………..............................62 
 
 
 
 
ВСТУП 
 
При стабільному зростанні кількості різних автомобілів і необхідності 
постійної забезпеченості енергетичними ресурсами, все більшої актуальності 
набуває проблема зниження витрати палива і покращення здатності 
контролювати його витрату при експлуатації автомобіля. Споживання такого 
ресурсу, як паливо, залежить від багатьох факторів. Мають значення 
транспортні умови, клімат та якість дорожніх покриттів та, нарешті, характер 
експлуатації автотранспорту. Можна з упевненістю сказати, що дорожнє 
покриття, з властивими йому елементами профілю та плануванням, а також 
особливостями місцевості мають основний, з усіх наведених факторів, вплив на 
ефективність використання паливних ресурсів. Методики та нормативна 
документація визначають допустимий рівень паливних витрат під час руху 
транспортного засобу. Але дані нормативи регламентують лише витрати на 
рівних дорогах, які не часто зустрічаються в дорожній мережі України. 
Переважна частина дорожнього покриття забудована дорогами з великою 
кількістю ям та нерівностей. Коли транспортний засіб рухається за вибоїстим 
дорожнім покриттям, потрібна додаткова потужність для того, щоб їхати по 
всіх нерівностях, зберігаючи задану швидкість. Ця ситуація веде до збільшення 
паливної витрати або, простіше кажучи, до зниження коефіцієнта корисної дії 
(ККД). 
Актуальність цієї проблеми може бути обґрунтована собівартістю 
вантажоперевезень за допомогою автотранспорту, особливо якщо взяти до 
уваги той факт, що вартість паливної сировини неухильно стає вищою. 
Гібридні автомобілі останнього покоління оснащені одночасно двигуном 
внутрішнього згоряння та електричним мотором. Безперечною перевагою 
автомобіля з гібридним приводом – його менша, порівняно з традиційною 
трансмісією, витрата палива. Це відбувається завдяки можливості акумулювати 
та використовувати надалі енергію гальмування (рекуперація). При 
гальмуванні електротрансмісія машини перетворюється на режим генератора і 
починає рекуперувати енергію гальмування. Отримана таким чином 
 
5 
 
електроенергія надходить до акумуляторної батареї (АКБ) і зберігається для 
подальшого використання. Цей процес настає при розгоні машини, коли 
гібридний автомобіль прискорюють одночасно дизель і електромотор. Під час 
руху на малих швидкостях, при маневруванні або трафіку машина може 
пересуватися на одному електромоторі. Підсумком впровадження в автомобіль 
такого досить складного гібридного приводу стає помітна економія палива, яка 
в різних моделях коливається від 25 до 50%. 
Тема щодо гібридних двигунів за останні роки набула досить широкого 
поширення. Дослідні зразки з комбінованим приводом створили та випустили 
переважну більшість світових автовиробників. Багато хто почав навіть 
дрібносерійний випуск. Звичайно, загальний світовий випуск гібридних 
комерційних автомобілів та автобусів на сьогоднішній день не перевищив поки 
що позначки 10000 одиниць. Але аналітики американської дослідницької 
компанії Frost & Sullivan стверджують, що автогібриди переважатимуть на 
наших дорогах вже до 2024 року. Це насамперед стосується міських автобусів, 
а також середньотоннажних розвізних та важких комунальних вантажівок. 
Аналізуючи причини, чому гібриди стануть популярними у споживачів 
найближчим часом, фахівці ринку вказали на три основні фактори: урбанізація 
міст, що підвищується, збільшення інтенсивності вантажоперевезень, а також 
тенденція зростання вартості палива, що зберігається. Популярність гібридних 
комерційних автомобілів поки що не помітна [1]. 
Гібриди чудово демонструють свої переваги на вулицях мегаполісів, там, 
де їм доводиться дуже часто розганятися та гальмувати. У розвізних гібридних 
транспортних засобів, що працюють у містах з частими розгонами та 
гальмуваннями, економія палива сягає 25-35%. 
Важливим моментом застосування гібридної технології стає збереження 
корисного навантаження транспортного засобу. Адже споряджена маса 
комерційного автомобіля трохи зростає після того, як його основний ДВЗ буде 
агрегатований з електротрансмісією та пов'язаним із нею важким блоком 
акумуляторних батарей. ДВЗ-електричні гібридні приводи можуть 
регенерувати лише 25 % енергії гальмування. Цей незначний відсоток 
 
6 
 
обумовлений небажанням автовиробників встановлювати більш ємні батареї в 
гібридний автомобіль. Якщо змонтувати ємні АКБ, то різко зменшиться 
вантажопідйомність машини, а ціна ще зросте. Тому конструкторам гібридних 
вантажівок завжди потрібно шукати компроміс між економічністю, вартістю і 
збереженням корисного навантаження [2]. 
Істотне подорожчання автомобіля – це дуже важливий аспект, який 
сьогодні супроводжує всі гібридні транспортні засоби. Аналітики вважають, 
що з розвитком нового автомобільного напрямку вдасться знизити ціну, хоча 
зростання популярності гібридної технології в результаті залежатиме від 
вартості палива та впровадження більш ефективних приводів. 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
 
7 
 
РОЗДІЛ1. АНАЛІЗ СТРУКТУРИ ГІБРИДНОГО АВТОМОБІЛЯ 
 
Гібридний автомобіль (Hybrid vehicle) - транспортний засіб, що рухається 
за допомогою силової установки, відмінною особливістю якої є використання 
двох джерел енергії та відповідним їм двигунів, що перетворюють енергію на 
механічну роботу. 
 
1.1 Позначення гібриду 
 
Як відрізнити гібрид від звичайного автомобіля. На корпусі автомобіля є 
позначення в різних місцях: в задній частині автомобіля (кришка багажника, 
задні двері), двері водія, ліве, праве переднє крило, інвертор (див. рис. 1.1). 
 
Рисунок 1.1 – Способи позначення гібридних автомобілей 
 
8 
 
1.2 Структура та робота гібридного автомобіля 
Основні компоненти гібридного автомобіля на прикладі Toyota Prius [2] 
показано на рис. 1.2. [3] 
 
Рисунок 1.2 – Основні компоненти гібридного автомобіля на прикладі 
Toyota Prius 
 
Принципи роботи гібридного автомобіля під час руху показані на 
рисунку 1.3 [3]. 
 
 
Рисунок 1.3 – Принципи роботи гібридного автомобіля під час руху 
 
Розглянемо роботу систем гібридного автомобіля із послідовно-
паралельною схемою. Початок руху (див. рис. 1.4). 
Для того щоб почати рух на невеликих швидкостях, використовується 
тільки один електромотор. 
Коли швидкість набирається, батарея починає спрямовувати свою 
 
9 
 
енергію на блок керування живленням машини. 
Після цього блок управління перенаправляє енергію на електромотори, 
розташовані в задній і передній частинах автомобіля. 
Задній та передній електромотори дозволяють машині плавно рушити з 
місця [4]. 
 
Рисунок 1.4 – Принципова схема початку руху гібридного автомобіля 
 
Рух (див. рис. 1.5). 
Коли машина рухається у нормальному режимі, привід провідних коліс 
буде здійснюватися за рахунок електромоторів та бензинового двигуна; 
енергія двигуна розподіляється між електричним генератором і колесами, 
потім генератор надає руху мотори, також він здійснює зарядку батарей, 
віддаючи їм зайву енергію. 
 
Рисунок 1.5 – Принципова схема руху гібридного автомобіля 
 
10 
 
Розгон (див. рис. 1.6). 
Працюючи в нормальному режимі, бензиновий двигун працює на розгін 
автомобіля. 
  
 
Рисунок 1.6 – Принципова схема розгону гібридного автомобіля 
Для того, щоб покращити динаміку, від електромотора надходить 
додаткова енергія. 
У нормальному режимі роботи бензиновий двигун енергією забезпечує 
генератор. 
На блок керування електроживленням генератором можуть бути 
надіслані надлишки енергії.  
Гальмування (див. рис. 1.7). 
У процесі гальмування кінетична енергія буде перетворена на 
електричну. 
 
Рисунок 1.7 – Принципова схема гальмування гібридного автомобіля 
 
11 
 
Електромотори спрямують його на блок керування електроживленням. 
Бензиновий двигун авто починає роботу у звичайному режимі. Перед цим  
блок який керується електроживленням поверне енергію на високовольтну 
батарею [4]. 
 
1.3 Типи гібридів 
 
Для правильної роботи з такими автомобілями дуже важливо розуміти, які 
існують типи гібридів (наведено міжнародну класифікацію) [5]. 
Мікрогібрид (див. рис. 1.8). 
Це автомобіль із звичайним паливним двигуном та системою «старт-стоп». 
Двигун вимикається, наприклад, коли водій зупиняється на світлофорі, а 
потім система автоматично активує стартер, як тільки натискається педаль 
зчеплення або відпускається педаль гальма Такі автомобілі мають звичайну 
12-вольтну електричну систему. 
 
 
Рисунок 1.8 – Структурна схема мікрогібриду 
 
М'який гібрид (також помірний гібрид, напівгібрид) (див. рис. 1.9). На 
таких гібридах встановлена та сама система «старт-стоп», але вже дещо 
модифікована. Тут традиційний стартер і генератор повністю замінені на 
електродвигун, який використовується для запуску двигуна та його підтримки, 
 
12 
 
при русі невеликий електродвигун збільшує потужність двигуна внутрішнього 
згоряння. Крім того, на цій машині особлива гальмівна система: в процесі 
гальмування від енергії, що виробляється, заряджається акумулятор. Окрім 
стандартної 12-вольтної системи, встановлені незалежні електричні ланцюги. 
Враховуючи, що такі машини не можуть працювати тільки від електродвигуна, 
система працює на низькій напрузі 36 вольт. Отже, при роботі з таким типом 
автомобіля нових небезпек для рятувальників не з'являється. 
 
 
Рисунок 1.9 – Структурна схема м'якого гібрида 
 
Повний гібрид (див. рис. 1.10). 
Робота систем повного гібрида та машин, описаних вище, схожа. Однак 
повний гібрид може працювати тільки від енергії електричного двигуна, а для 
цього потрібна висока напруга. У повністю гібридних системах автомобіль 
може рухатися електромотором на будь-якому етапі руху: і при прискоренні, і 
в русі з постійною швидкістю. Наприклад, у «міському циклі» автомобіль 
може використовувати лише електродвигун. Найбільш популярний повний 
гібрид – Toyota Prius. У Toyota встановлена акумуляторна батарея постійного 
струму напругою понад 200 вольт. Вона складається з 28 модулів, що 
складаються кожен із 6-ти гальванічних елементів, номінальна напруга 
 
13 
 
кожного з яких 1,2 вольта. 
Висока напруга в кузові становить небезпеку сама по собі, тому 
виробники створили різні системи безпеки з метою зменшення ризиків для 
рятувальників під час проведення рятувальних робіт. 
 
Рисунок 1.10 – Структурна схема повного гібрида (повний паралельний 
гібрид та повний послідовний гібрид) 
 
Зазвичай 12-вольтний ланцюг використовує металеві деталі корпусу як 
негативний полюс батареї (катод). У такому ланцюзі електрика проходить по 
корпусу. 
Якщо автомобіль знеструмлений або хоча б заглушений, ризик удару 
струмом при роботі з ним не зростає. 
Щоб працювати від електричної силової установки повні гібриди 
обладнані ланцюгом високої напруги. 
Позитивні та негативні (помаранчеві) (див. рис. 1.11) кольорові кабелі 
проходять від розташованої в задній частині автомобіля батареї до 
перетворювача під капотом. У високовольтному ланцюгу висока напруга 
проходить лише високовольтним проводам. А це означає, що, якщо плюсова 
клема зіткнеться з металевими деталями корпусу, короткого замикання не 
станеться. 
Види гібридних приводів [6, 7]. 
За принципом взаємодії електричної та паливної складових авто, 
гібридні приводи прийнято розділяти на три види: послідовний, паралельний 
та послідовно-паралельний. 
 
14 
 
 
 
Рисунок 1.11 – Конструкція гібридної силової установки 
 
Послідовний вид приводів (див. рис.1.12). 
 
 
Рисунок 1.12 – Послідовний привід 
 
Це найпростіша гібридна конфігурація. Двигун внутрішнього згоряння 
(ДВЗ) використовується тільки для приводу генератора, а електроенергія, що 
виробляється останнім, заряджає акумуляторну батарею і живить 
електродвигун, який і обертає провідні колеса. Це позбавляє необхідності в 
коробці передач і зчепленні. Для заряджання акумулятора також 
використовується рекуперативне гальмування. Свою назву схема отримала 
 
15 
 
тому, що потік потужності надходить на провідні колеса, проходячи ряд 
послідовних перетворень. Від механічної енергії, що виробляється ДВЗ в 
електричну, що виробляється генератором, і знову в механічну. При цьому 
частина енергії неминуче губиться. 
Послідовний гібрид дозволяє використовувати ДВЗ малої потужності, 
причому він постійно працює в діапазоні максимального ККД, або його можна 
зовсім відключити. При відключенні ДВЗ електродвигун і батарея можуть 
забезпечити необхідну потужність для руху. Тому вони, на відміну від ДВЗ, 
мають бути потужнішими. Найбільш ефективна послідовна схема під час руху 
у режимі частих зупинок, гальмування і прискорень, русі на низьку швидкість, 
тобто в місті. Тому використовують її у міських автобусах та інших видах 
міського транспорту. За таким принципом працюють також великі кар'єрні 
самоскиди, де необхідно передати великий момент, що крутить, на колеса, і 
не потрібні високі швидкості руху. 
Паралельний вид приводів (див. рис. 1.13). 
Тут провідні колеса рухаються і ДВЗ, і електродвигуном (який має бути 
оборотним, тобто може працювати як генератор). Для їхньої узгодженої 
паралельної роботи використовується комп'ютерне керування. При цьому 
зберігається необхідність у звичайній трансмісії, і двигуну доводиться 
працювати в неефективних перехідних режимах. 
 
Рисунок 1.13 – Паралельний привід 
 
Момент, що надходить від двох джерел, розподіляється залежно від 
 
16 
 
умов руху: у перехідних режимах (старт, прискорення) на допомогу ДВЗ 
підключається електродвигун, а в усталених режимах і при гальмуванні він 
працює як генератор, заряджаючи акумулятор. 
Таким чином, у паралельних гібридах більшу частину часу працює ДВЗ, 
а електродвигун використовується для допомоги йому. Тому паралельні 
гібриди можуть використовувати меншу акумуляторну батарею порівняно з 
послідовними. 
Послідовно-паралельна схема (див. рис. 1.14). 
 
Рисунок 1.14 – Послідовно-паралельна схема приводу 
 
Розроблена японськими інженерами система Hybrid Synergy Drive (HSD) 
поєднує особливості двох попередніх типів. У схему паралельного гібрида 
додається окремий генератор та дільник потужності (планетарний механізм). 
Гібриди, що мають послідовно-паралельну схему, називають Full 
Hybrid. 
В результаті гібрид набуває рис послідовного гібрида: автомобіль рушає 
і рухається на малих швидкостях тільки на електротязі. На високих 
швидкостях та під час руху з постійною швидкістю підключається ДВЗ. При 
високих навантаженнях (прискорення, рух у гору тощо) електродвигун 
додатково живиться від акумулятора - тобто гібрид працює як паралельний. 
Завдяки наявності окремого генератора, що заряджає батарею, 
електродвигун використовується тільки для приводу коліс та при 
рекуперативному гальмуванні. Планетарний механізм передає частину 
 
17 
 
потужності ДВЗ на колеса, а решту на генератор, який або живить 
електродвигун, або заряджає батарею. Комп'ютерна система постійно регулює 
подачу потужності від обох джерел енергії для оптимальної експлуатації за 
будь-яких умов руху. 
У цьому типі гібрида більшу частину часу працює електродвигун, а ДВЗ 
використовується лише в найбільш ефективних режимах. Тому його 
потужність може бути нижчою, ніж у паралельному гібриді. 
 
1.4 Класифікація за типом батарей 
 
Автомобіль на електричній тязі був розроблений раніше, ніж 
транспортний засіб із двигуном внутрішнього згоряння. Неприйнятна робота 
акумулятора не дозволила йому стати звичним транспортним засобом. Проте, 
можливо, ситуація кардинально зміниться. Використання літій-іонних 
акумуляторів у порівнянні зі свинцевими, нікель-кадмієвими та нікель-
металогідридними батареями означає більш високу щільність енергії, кращу 
надійність, а також більший ресурс. У міру поліпшення показників джерел 
струму з'являються все більш різноманітні моделі електротранспорту. Щоб 
зрозуміти, наскільки близька епоха електрифікації транспортного засобу, 
проведено аналіз продукції акумуляторних підприємств. 
Гібридні автомобілі можна розмежувати і за третьою ознакою – типу 
ємнісних батарей [8]. 
У серійних гібридах зустрічаються нікель-металогідридні (NiMH), літій-
метал-фосфатні (LiFePO4), літій-полімерні (Li-pol) та літій-іонні (Li-ion) 
батареї. Найбільшого поширення набули літій-іонні батареї. 
Як правило, акумуляторна батарея гібридного автомобіля (див. рис.1.15) 
поміщена в металевий корпус, розташована за заднім сидінням та надійно 
прикріплена до поперечки металевої підлоги багажного відділення 
автомобіля. 
Акумуляторна батарея гібридного автомобіля складається з 28 
низьковольтних (7,2 В) послідовно з'єднаних нікель-металогідридних модулів, 
 
18 
 
які генерує приблизно 201 В. Кожен модуль акумуляторної батареї не 
розливається і укладений у герметичний пластиковий корпус. 
Необхідно відзначити, що у вільному доступі знаходиться дуже мізерна, 
а часом суперечлива інформація про технічні характеристики акумуляторних 
батарей. Модуль деяких виробників включає, крім осередків, систему 
охолодження, а також систему контролю та управління. Тому питомі 
показники одних виробників занижені, а інших, навпаки, завищені. Відповідно 
до вищесказаного розподіл дозволяє проводити лише грубу оцінку та 
порівняння. 
Електроліт, що використовується в нікель-металогідридних модулях 
акумуляторної батареї, є лужною сумішшю гідроксиду калію та натрію. 
Електроліт абсорбується в комірчасті пластини акумуляторної батареї і 
переходить у форму гелю, тому, як правило, не витікає навіть внаслідок 
зіткнення автомобіля. 
 
Рисунок 1.15 – Акумуляторні батареї гібридного автомобіля 
  
Гібридний автомобіль комплектується герметичною свинцево-
кислотною 12-вольтною акумуляторною батареєю. Як і у звичайному 
автомобілі, допоміжна 12-вольтна акумуляторна батарея живить електричну 
систему транспортного засобу, негативна клема допоміжної акумуляторної 
батареї заземлена на металевому шасі транспортного засобу. 
Підкапотна наклейка (див. рис. 1.16) вказує розташування 
акумуляторної батареї (тягового акумулятора) та 12-вольтної допоміжної 
батареї. 
 
19 
 
Акумуляторна батарея гібридного автомобіля живить електричну 
систему високої напруги електрикою постійного струму. Позитивні та 
негативні високовольтні силові кабелі оранжевого кольору прокладені від 
акумуляторної батареї під металевим днищем кузова до 
інвертора/перетворювача. 
В інверторі/перетворювачі знаходиться ланцюг, який підвищує напругу 
акумуляторної батареї з 201 до 650 В постійного струму. Силові кабелі 
прокладені від інвертора/перетворювача до кожного високовольтного двигуна 
(електричного двигуна, електричного генератора та компресора 
кондиціонера). 
 
Рисунок 1.16 – Підкапотна наклейка 
 
Система безпеки високої напруги включає (див. рис. 1.17, 1.18): 
- високовольтний запобіжник 1, який забезпечує захист від короткого 
замикання акумуляторної батареї гібридного автомобіля; 
- позитивні та негативні високовольтні силові кабелі 2 з'єднані з 
акумуляторною батареєю гібридного автомобіля, які управляються 12-
вольтними реле з нормально розімкненими контактами 3. Коли автомобіль 
 
20 
 
вимикається, реле зупиняють подачу електричного струму від акумуляторної 
батареї; 
- як додатні так і від'ємні силові кабелі 2, які ізольовані від металевого 
корпусу. Електрика високої напруги проходить цими кабелями, а не металевим 
кузовом автомобіля. Контакт із металевим кузовом абсолютно безпечний, 
оскільки він ізольований від високовольтних компонентів; 
- реєстратор замикання на землю 4, який постійно контролює витік 
високої напруги на металеве шасі в процесі роботи автомобіля. Якщо виявлена 
помилка, бортовий комп'ютер 4 увімкне світлову аварійну сигналізацію на 
панелі приладів і виведе на мультиінформаційний дисплей повідомлення 
«Перевірте гібридну систему». 
Безперечно, необхідно підвищувати енергоємність системи. Зробивши 
порівняння з традиційною системою ДВЗ, ми бачимо, що при великій 
дальності поїздки, а також більшій швидкості електронакопичувальна 
установка поступається. 
 
Рисунок 1.17 – Система безпеки високої напруги - автомобіль 
увімкнений та готовий до роботи (READY світиться) 
 
21 
 
 
Рисунок 1.18 – Система безпеки високої напруги – автомобіль 
вимкнено (READY не світиться) 
Необхідне збільшення маси та обсягу накопичувальної системи для 
задоволення високої потреби в енергії, що, очевидно, призведе до збільшення 
всієї маси транспортного засобу, погіршення його технічних характеристик. 
Виробники акумуляторних батарей ведуть роботу з підвищення 
енергоємності, створення більш компактних та ефективних систем 
охолодження та управління акумуляторною батареєю. 
  
 
22 
 
РОЗДІЛ 2. АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ РОЗРОБОК ГІБРИДНИХ 
ТЕХНОЛОГІЙ В АВТОМОБІЛЕБУДУВАННІ 
 
2.1 Аналіз існуючих енергозберігаючих технологій 
 
Транспорт споживає дуже багато палива, але тільки 10-16 % йде 
безпосередньо на пересування. 
Втрати енергії розподілені за факторами, вибраними за принципом 
використання цієї енергії (див. рис. 2.1). Окремо виділені корисні 
навантаження, такі як мультимедіа система автомобіля, підігрів, кондиціонер, 
підсвічування, клімат контроль та інші елементи автомобіля, що потребують 
електроенергії, відображені також фактори вимушеної втрати енергії, такі як 
тертя кочення, виділення тепла і т.д. 
 
Рисунок 2.1 – Розподіл витрат енергії в автомобілі 
 
Лише 17% палива витрачаються на пересування. Іншими словами, ККД 
 
23 
 
автомобіля дорівнює 17%. Цей показник доводить, що дуже багато енергії 
витрачається подолання всіляких опорів. Звичайно, для комфортної їзди 
потрібне використання всіх мультимедіа та інших аксесуарів автомобіля, що в 
середньому становить 2%. У результаті 19% палива справді використовується 
за призначенням. Завдання будь-якої енергозберігаючої технології знизити 
показник 81% до мінімально можливого. 
Як видно на рис. 2.2 - тепло, що виділяється двигуном при русі 
автомобіля несе в собі 10-30% енергії, яку можна було б зберегти. Процес 
гальмування загалом також поглинає 30% енергії. Нерівності, які долає 
автомобіль у процесі пересування, забирають до 10% енергії, яка могла б бути 
спрямована з корисною метою. 
Енергозберігаючі технології, здатні разом заощадити 50-70% енергії, 
підвищивши ККД в 3-4 рази. Дане дослідження дозволяє дійти невтішного 
висновку у тому, що енергозберігаючі технології це одне з основних напрямів 
розвитку транспортної промисловості [12]. 
 
Рисунок 2.2 - Можливості енергозберігаючих технологій 
 
Представлені технології вже розробляють у всьому світі. Систему 
 
24 
 
рекуперативного гальмування (СРГ) найчастіше можна зустріти в автомобілях 
нового покоління із гібридними двигунами. Основну її частину становить 
електричний спосіб рекуперації кінетичної енергії. 
Ця енергія з'являється під час руху автомобіля. Надлишок кінетичної 
енергії, що відбувається при гальмуванні, у звичайній гальмівній системі 
переходить у теплову енергію шляхом тертя гальмівних колодок та 
гальмівного диска. З цього випливає, що витрата здійснюється вхолосту. 
Електродвигун, який входить у трансмісію автомобіля, застосовується 
для уповільнення СРГ. При уповільненні електродвигун починає працювати в 
режимі генератора, на валу двигуна виникає гальмівний момент і виходить 
електрична енергія, що зберігається в акумуляторній батареї. Цей запас 
витрачається для подальшого пересування автомобіля. 
Застосування СРГ спричиняє збільшення віддачі від кожного заряду 
акумуляторної батареї та високу економію палива. Рекуперативне 
гальмування має найбільшу користь, якщо вона розташована на передній вісі 
автомобіля, тому що до 70% кінетичної енергії в процесі зупинки автомобіля 
припадає саме на передню вісь. 
Ефективність використання СРГ досить сильно зменшується, якщо 
автомобіль рухається із низькою швидкістю. І щоб повністю зупинити 
автомобіль, застосовуються традиційні фрикційні гальма. 
Дія двох систем одночасно керується електронікою. 
Нижче наведено функції одного з електронних блоків керування: - 
керування швидкістю обертання коліс; 
- стабілізація гальмівного моменту електродвигуна, що 
використовується для гальмування автомобіля; 
- розподіл зусилля гальм на фрикційну систему гальм; 
- зберігання крутного моменту, який потрібен для заряджання 
акумуляторної батареї. 
У такій гальмівній системі між педаллю гальма та гальмівними 
колодками зв'язок механічний відсутній. Електроніка допомагає прийняти 
рішення про гальмування, ґрунтуючись на дослідженні дій автомобіліста та на 
 
25 
 
тому, як рухається автомобіль. 
У процесі гальмування електронна система рекуперативного 
гальмування працює у парі з АБС (антиблокувальна система) гальм, системою 
розподілу гальмівних зусиль, системою курсової стійкості, підсилювачем 
екстреного гальмування. 
Крім вищезгаданого електричного способу рекуперації енергії, є кілька 
інших варіантів уникнути втрат енергії: 
- механічний, 
- гідравлічний, 
- пневматичний. 
Найбільшої популярності набув перший варіант і сконструйована на 
його основі система рекуперації кінетичної енергії (Kinetic Energy Recovery 
Systems, KERS). Енергія транспортного засобу, що знаходиться в процесі руху, 
рекуперується під час зупинки і зберігається за допомогою маховика для 
можливості використання її в майбутньому. Різниця між СРТ та KERS у тому, 
що остання не створює гальмівний момент [10]. 
Маховик перебуває у трансмісії автомобіля, він здійснює рух 
обертального характеру у вакуумній камері. У момент гальмування швидкість 
обертання моховика може досягати 60000 об/хв. Конструктивні особливості 
уможливлюють зберегти 600 кДж енергії та потужність до 60 кВт, що в 
перекладі на кінські сили дасть показник 80 к.с. Рекуперована енергія надалі 
може використовуватися для різкого набору швидкості, ривків чи момент, 
коли транспортний засіб починає рух. 
Система KERS вже активно використовується в автомобільних 
перегонах. KERS встановлюється на боліди Formula 1 із 2009 року. Момент 
початку масового виробництва цієї системи поки що не настав, але у 
майбутньому технологію планується застосовувати у багатьох видах 
транспорту. На даний момент компанії Volvo знаходиться найближче до 
початку серійного виробництва даної технології. 
Систему KERS пропонується використовувати у міському циклі для 
будь-яких транспортних засобів. Загальний зміст технології полягає у 
 
26 
 
наступних етапах з моменту гальмування: 
1. двигун автомобіля вимикається, 
2. маховик розкручується та запасає енергію. 
Коли автомобіль починає рух, автомобіль рушає за рахунок енергії 
маховика, а двигун запускається вже в русі. 
Застосування цієї технології збереження енергії забезпечує зростання 
ефективності використання палива на 20% [10]. 
Відновлення відпрацьованого тепла. 
Розробка належить дослідникам з Університету Пердью, які працювали 
у партнерських відносинах із концерном із General Motors. Результатом цього 
співробітництва був зразок інноваційної системи енергозбереження. Дана 
система здатна зробити витрату палива транспортного засобу ефективнішим, 
за рахунок використання термоелектричних генераторів (ТЕГ). 
ТЕГ служить для підзарядки батареї та живлення бортової електричної 
системи автомобіля, це підвищує енергоефективність та розвантажує двигун. 
Пристрій вбудовується в систему вихлопу транспортного засобу за 
каталітичним конвертером. Це необхідно, щоб отримувати електрику з 
теплової енергії вихлопних газів, температура яких досягає 700 ° С [9]. 
Прототип має забезпечити 5% зростання енергоефективності. У 
майбутньому, коли з'являться генератори, здатні працювати при надвисоких 
температурах, цей показник може зрости до 10%. 
Термоелектричний матеріал знаходиться на кількох чіпах, конфігурація 
яких залежить від місця установки. Чіпи створені таким чином, що 
функціонують у різних температурних умовах. Ці умови різні і залежать від 
конкретного місця вимірювання точки в системі вихлопу. 
Струм при використанні термоелектричних матеріалів генерується за 
рахунок різниці температур. Одна сторона розташована поряд із нагрітою 
поверхнею, а інша знаходиться у холоднішому оточенні. Наявність різниці 
температур і є достатньою умовою для вироблення енергії. 
  
 
27 
 
2.2 Електричні транспортні засоби 
 
Найвідоміша технологія ZEV (zero-emission vehicle - транспортний засіб 
з нульовим рівнем викидів) - це EV технологія (electric vehicle -електромобіль), 
історія якого так само довга, як і у ICEV (internal combustion engine vehicle - 
автомобіль з двигуном внутрішнього згоряння) . 
Фактично, в 1900 році 38% всіх проданих автомобілів у США були 
електромобілями, тоді як тільки 22% були оснащені ДВЗ (40% були парові). 
Технологія EV була переведена в статус меншості і майже забута, тому що 
технологія ICEV розвивалася прискореними темпами, дозволяючи створювати 
більш дешеві та значно потужніші транспортні засоби. 
Концепцію транспортного засобу на батареях (BV) було відроджено під 
час розпалу нафтового ембарго ОПЕК у 1973 році. Декілька автовиробників 
розробили технології BV, які зрештою вдалося запустити в серію, зокрема, 
General Motors (GM) EV1. До 2001 року лише у Каліфорнії налічувалося 
близько 2500 BV [8]. Втім, ті BV, які були доступними, використовували 
переважно свинцево-кислотні (LA) батареї і за характеристиками були 
невигідні в порівнянні з ICEV технологіями. 
Причиною відродження технології BV став новий удосконалений тип 
батарей – насамперед нікель-метал-гідридні (NiMH) та літій-іонні (Li-Ion) 
батареї. 
Перші нині домінують на автомобільному ринку, а другі повсюдно 
застосовують у промисловості портативної електроніки. Однак, останнім 
часом, в галузі електричних транспортних засобів віддають перевагу Li-Ion 
акумуляторам, а не NiMH. 
Енергетична ємність Li-Ion акумуляторів приблизно вдвічі більша, ніж у 
NiMH, і, оскільки масштаб виробництва збільшується, Li-Ion акумулятори 
незабаром стануть помітно дешевшими. Очікується, що Li-Ion тип батарей 
стане домінуючим [10]. 
У всіх на слуху прикладом BV технології наступного покоління є Tesla 
Roadster від компанії Tesla Motors [11]. Roadster запитується від Li-Ion батарей 
 
28 
 
і при цьому прискорюється від 0 до 96 км/год протягом чотирьох секунд, а 
запас ходу на одному заряді становить до 320 км. Технології електромобілів, 
як видно на прикладі Roadster, здатні пристойно розганятися з простою 
механікою, оскільки високий момент, що крутить, на низьких швидкостях 
електричної машини (EM) виключає необхідність низьких передач і 
перетворювачів крутного моменту. Електромобіль також набагато тихіший, 
ніж порівняний за характеристиками автомобіль із двигуном внутрішнього 
згоряння. 
Іншою можливою технологією накопичення енергії для електромобілів 
є використання ультраконденсатора на транспортному засобі з 
ультраконденсаторною системою (UCV). 
Ультраконденсатор був виготовлений та запатентований у 1957 році 
компанією General Electric. 
Звичайні конденсатори є пасивним електронним компонентом, у 
найпростішому варіанті конструкція якого складається з двох електродів у 
формі пластин, розділених діелектриком, товщина якого мала в порівнянні з 
розмірами обкладок. 
Ультраконденсатор – це той же акумулятор, але з на порядок 
найкращими властивостями. Насамперед це стосується істотно швидшого 
заряду і розряду. Ультраконденсатор є елементом з двома електродами – між 
ними розташовується електроліт. Електроди виконані у вигляді пластини з 
певного матеріалу. Для поліпшення електричних параметрів 
ультраконденсатора пластини можуть додатково покриватися пористим 
матеріалом, наприклад, активованим вугіллям. Як електроліт може 
застосовуватися неорганічна або органічна речовина. 
Загалом ультраконденсатор – це гібрид хімічної акумуляторної батареї 
та звичайного конденсатора. 
Головна відмінність ультраконденсатора від звичного конденсатора - у 
наявності у першого не просто діелектрика між електродами, а подвійного 
електричного шару. У результаті між електродами утворюється дуже маленька 
відстань, яке можливість накопичувати електричну енергію (електрична 
 
29 
 
ємність) виходить набагато вище. 
Крім цього, ультраконденсатор від акумуляторної батареї відрізняється 
швидкістю накопичення, а також ступенем віддачі електричного заряду. 
Завдяки застосуванню подвійного електричного шару підвищується площа 
поверхні електродів за тих же загальних габаритів. Тобто у пристрої 
поєднуються найкращі електричні характеристики – суттєва ємність 
акумулятора та швидкість конденсатора. 
Ультраконденсатор – електрохімічний конденсатор, який має здатність 
накопичувати надзвичайно велику кількість енергії по відношенню до його 
розміру, а також у порівнянні з традиційним конденсатором. Ця властивість 
ультраконденсатора особливо цікава у створенні гібридних транспортних 
засобів в автомобільній промисловості, у тому числі у виробництві машин на 
акумуляторній електротязі, в яких ультраконденсатори застосовуються у 
вигляді додаткового накопичувача енергії [10, 12]. 
Ультраконденсатор як джерело енергії для електротранспорту дозволяє 
вирішити відразу кілька завдань. По-перше, зникає проблема залежності від 
дротів. Тролейбус не здатний об'їхати серйозну перешкоду, на відміну 
електричного автобуса. По-друге, спроби створити громадський транспорт на 
акумуляторах щоразу зазнавали краху через велику вагу та дорожнечу 
елементів живлення. Якщо заощаджувати на батареях, то пробіг виходив надто 
низьким. 
Але зараз технологія ще не відпрацьована. Наприклад, автобуси в 
м.Шанхай, які працювали за даною технологією, дуже швидко розряджалися і 
вимагали зарядки на кожній кінцевій зупинці маршруту. 
Таким чином, навіть при використанні найсучасніших джерел живлення 
електромобілів, чи то батареї, чи то ультраконденсатори, обмежує їх 
використання в основному для міського транспорту, що досить незручно для 
громадян таких великих країн як Канада, де поширені подорожі дальністю 
600км і далі. Це обмеження посилюється багатогодинним періодом, 
необхідним для перезаряджання батарей. Крім того, постійне, майже повне 
виснаження акумуляторного блоку значно скоротить його термін служби та 
 
30 
 
призведе до зниження продуктивності та витратних замін, оскільки 
продуктивність електробатарей зменшується у міру того, як стан їхнього 
заряду наближається до виснаження. 
Ультраконденсаторні транспортні засоби не призначені для далеких 
поїздок через невелику ємність накопичення. 
Таким чином, технології BV та UCV будуть затребуваними 
транспортними засобами в найближчому майбутньому, коли з'явиться 
революційна батарея або технологія UC, яка значно збільшить щільність 
енергії, питому енергію, щільність потужності, питому потужність та час 
життя циклу, а також значно знизить час заряджання. 
 
2.3 Гібридні транспортні засоби на електриці 
  
Основний принцип гібридних транспортних засобів (HV) полягає в тому, 
що різні двигуни працюють краще на різних швидкостях; електродвигун 
ефективніший для створення крутного моменту або потужності при повороті, 
а двигун внутрішнього згоряння працює краще для підтримки високої 
швидкості (краще, ніж звичайний електродвигун). Перемикання з одного на 
інше в потрібний час при прискоренні дає безпрограшний варіант з точки зору 
енергоефективності як такої, що, наприклад, призводить до підвищення 
ефективності використання палива [8]. 
В даний час існують три різні варіанти електричних автомобілів [9]: 
1. Гібридний електричний автомобіль (HEV). 
Має два двигуни (ДВС та електромотор), які можуть працювати як 
паралельно, так і послідовно. Батарея може заряджатися за допомогою 
рекуперативного гальмування. Відсутня можливість заряджання від мережі. 
Приклад: Toyota Prius. 
2. Гібридний автомобіль із підзарядкою від електромережі (PHEV). 
Аналогічний HEV, проте батарею можна заряджати від зовнішнього джерела 
електроенергії Приклад: Chevrolet Volt. 
3. Електромобіль на акумуляторних джерелах живлення (Електричний 
 
31 
 
автомобіль, BEV). 
Використовується тільки електродвигун і батарея, що перезаряджається. 
Наприклад: Nissan Leaf, Tesla Model S. 
Різні типи (технології) автомобілів можна ранжувати за ступенем 
електрифікації (degree of electrification, DOE). 
Гібридний електричний автомобіль (Hybrid electric vehicle, HEV) -
транспортний засіб, що рухається за допомогою гібридної силової установки, 
відмінною особливістю якої є використання двох джерел енергії та двох типів 
двигунів: електричного та двигуна внутрішнього згоряння (ДВС). 
Існує багато типів HEV. Найбільш поширеною формою HEV є гібридний 
електромобіль. 
Сучасні HEV використовують технології підвищення ефективності, такі 
як регенеративні гальма. Регенеративне гальмо - енергетичний механізм 
відновлення, який уповільнює транспортний засіб або об'єкт, перетворюючи 
його кінетичну енергію в іншу форму, яка може негайно використовуватися 
або збережена, поки не необхідний. Це контрастує зі звичайними гальмівними 
системами, де надмірна кінетична енергія перетворена, щоб нагрітися тертям 
у гальмівних накладках і тому витрачена даремно. 
Гібридний автомобіль з підзарядкою від електромережі (Plug-in hybrid 
electric vehicle, PHEV) - гібридний електричний транспортний засіб (ДВЗ плюс 
електродвигун) з високою ємністю акумулятора, що використовується як 
основне джерело енергії. ДВЗ переважно використовується для заряджання 
батареї або служить резервом на випадок повної розрядки батареї [12]. 
Електромобіль на акумуляторних джерелах живлення (Battery electric 
vehicle, BEV) - повністю електричний автомобіль, який рухається за 
допомогою електродвигуна, що використовує енергію батареї, встановленої в 
автомобілі. 
  
 
32 
 
2.4 Гібридні транспортні засоби на паливних елементах 
 
Паливний елемент є гальванічний елемент, який перетворює хімічну 
енергію паливного (часто водень) і окислювача (часто кисень) в електричну 
енергію через окислювально-відновні реакції. Паливні елементи відрізняються 
від більшості батарей тим, що для підтримки хімічної реакції потрібне 
постійне джерело палива та кисню (зазвичай з повітря), тоді як в батареї 
хімічна енергія зазвичай виходить від металів та їх іонів або оксидів, які 
зазвичай вже присутні в батареї. виробляти електрику безперервно, поки 
паливо та кисень поставляються. 
Існує багато типів паливних елементів, але вони складаються з анода, 
катода і електроліту, що дозволяє іонам, часто позитивно зарядженим іонам 
водню (протонам), переміщуватися між двома сторонами паливного елемента. 
На аноді каталізатор змушує паливо зазнавати реакцій окислення, які 
генерують іони (часто позитивно заряджені іони водню) та електрони. Іони 
рухаються від анода до катода через електроліт. У той самий час електрони 
протікають від анода до катода через зовнішній ланцюг, виробляючи 
постійний струм. На катоді інший каталізатор викликає реакцію іонів, 
електронів та кисню з утворенням води та, можливо, інших продуктів. Паливні 
елементи класифікуються за типом електроліту, який вони використовують, та 
за різницею в часі запуску в діапазоні від 1 секунди для паливних елементів з 
протонообмінною мембраною (паливні елементи PEM або PEMFC) до 10 
хвилин для твердооксидних паливних елементів (SOFC). Окремі паливні 
елементи виробляють відносно невеликі електричні потенціали, близько 0,7В, 
тому елементи «складені» або розташовані послідовно, щоб створити 
достатню напругу. На додаток до електрики, паливні елементи виробляють 
воду, тепло і, залежно від джерела палива, дуже невеликі кількості діоксиду 
азоту та інші викиди. Енергоефективність паливного елемента зазвичай 
становить від 40 до 60%; однак, якщо відпрацьоване тепло уловлюється у схемі 
когенерації, може бути досягнута ефективність до 85%. 
На рис. 2.3 представлено схему гібриду з паливними елементами. 
 
33 
 
 
Рисунок 2.3 - Гібрид з паливними осередками 
 
Виготовлений на базі BMW 1-ої серії, гібрид демонструє новий підхід до 
використання водню як паливо. Автомобіль обладнаний чотирициліндровим 
бензиновим ДВЗ, електродвигуном та допоміжною силовою установкою 
(ДСУ) на основі паливних елементів. Поєднання ДВЗ з паливними осередками 
дозволяє використовувати обидві технології з максимальною ефективністю. 
Використання водню забезпечує необхідну дальність ходу та швидку заправку 
[12]. 
«Розмір паливного елемента достатній для забезпечення руху автомобіля 
на малих швидкостях, тоді як ДВЗ ідеально підходить для далеких 
високошвидкісних заміських поїздок. В умовах міського руху електроенергія, 
що виробляється ЗСУ, запасається у суперконденсаторах. Ця енергія 
віддається електродвигуну при розгоні та старті зі світлофора. Під час 
гальмування та руху накатом електромотор працює як генератор, повертаючи 
енергію у суперконденсатори. Дослідження та випробування, що проводяться 
в даний час, мають на меті довести загальний пробіг гібрида в міському циклі 
до декількох сотень кілометрів. 
Всі компоненти гібрида легко встановлюються у стандартний 
 
34 
 
тридверний кузов BMW 1 Series. ДСУ розташована під капотом разом з ДВЗ, 
електродвигун займає місце заднього редуктора і надає руху задні колеса. 
82кВт «електричної» потужності і високий момент, що крутить, забезпечують 
з самого старту «спортивний дух» BMW. Батарея суперконденсаторів зайняла 
місце КПП у центральному тунелі. 120-сильний ДВЗ крутить передні колеса. 
Об'єм бензинового бака зменшено, що дозволяє розмістити поряд бак для 
водню. Таким чином, внутрішній простір кузова не зменшився, і в ньому, як і 
раніше, можуть розміститися п'ять осіб. Загальна ж вага автомобіля зросла 
незначно. На рис. 2.4 представлений приклад блоку паливних комірок. 
 
Рисунок 2.4 - Блок паливних комірок 
 
Технологія низькотемпературних паливних комірок із полімерною 
мембраною розроблялася BMW з 1997 року. Із самого початку дослідження 
були спрямовані на створення компактної ДСУ з максимально низькою вагою. 
Концепт BMW 750hL, представлений на початку 2000-х років, використав 
блок паливних комірок як джерело бортового живлення. Наразі виробляється 
вже четверте покоління ДСУ. Крім збільшення терміну служби до 5000 годин, 
ці пристрої менш складні, а отже, мають більш високу надійність. 
Вони впевнено працюють при атмосферному тиску, які ККД досягає 
58%. ДСУ швидко реагує на зміну навантаження. Перехід від режиму 
 
35 
 
холостого ходу до максимальної потужності займає лише 5 мілісекунд. 
Полімерні паливні осередки здатні працювати за низьких температур. Система 
приходить у робочий стан лише через 30 секунд після «холодного» старту. 
Дослідження показали, що після кількох сотень холодних пусків параметри 
ДСУ не змінилися [12]. 
ДСУ нового гібрида забезпечує електроживленням всіх споживачів 
мережі аналогічно до концепту BMW 750hL. При цьому вони не відбирають 
потужність ДВГ. Це дозволяє покращити і деякі функції комфорту. Наприклад, 
кондиціонер або медіа-системи можуть працювати під час стоянки, живлячись 
від батареї паливних осередків. ДСУ забезпечує невелику потужність 
протягом тривалого періоду часу; енергія, запасена в суперконденсаторах, 
дозволяє розвивати високу потужність протягом короткого часового відрізка. 
Спільна робота цих пристроїв дозволяє досягти ідеального руху в міських 
умовах. 
 
2.5 Конфігурація гібридного багаторежимного силового агрегату 
 
Конструкція силового агрегату, обраного на дослідження, представлена 
рис. 2.5. Ця конструкція заснована на рішеннях, описаних у патенті US6478705 
[11]. 
Конфігурація багаторежимного силового агрегату містить два пристрої 
поділу потоків потужності (PSD), три муфти та два мотор-генератори. PSD 
позначаються мітками "S", "C" і "R" для сонячної шестерні, водила і коронної 
шестерень відповідно. 
У конструкції: 
  - двигун через муфту (CL3) з'єднаний з коронною шестернею першої 
планетарної передачі (R1); 
- перший мотор-генератор (MG1) безпосередньо з'єднаний із сонячною 
шестернею першої планетарної передачі (S1), а також через проміжний вал і 
муфту (CL2) з коронною шестернею другої планетарної передачі (R2); 
- перше (C1) та друге (C2) водила безпосередньо з'єднані з карданним 
 
36 
 
валом; 
- коронна шестерня другої планетарної передачі (R2) з'єднана з 
нерухомим елементом через муфту (CL1); 
- другий мотор/генератор (MG2) з'єднаний із сонячною шестернею 
другої планетарної передачі (S2). 
Трирежимна структура силової установки здатна працювати як 
електромобіль (EV) або в одному з двох режимів розподілу потужності. 
Повністю електричний режим (AER) можливий завдяки конфігурації EV. AER 
обмежується за допомогою електронного блоку управління (ECU) на низьких 
швидкостях та потужностях для виключення небажаного виснаження системи 
накопичення енергії (ESS). AER практично завжди використовується 
виключно для початку руху транспортного засобу. Робота EV активується 
шляхом відключення муфти CL3 і подачею системи накопичення енергії ESS 
енергії на другий мотор-генератор MG2, який, у свою чергу, рухає колеса. 
Двигун та перший мотор-генератор MG1 вимкнені. 
 
Рисунок 2.5 – Структурна схема багаторежимного силового агрегату 
 
Для розділення потоків потужності муфта CL3 включається разом з 
однією з двох інших муфт. Двигун також запускається та починає виробляти 
енергію. 
Два режими поділу потоків потужності охоплюють умови низької та 
 
37 
 
високої швидкості відповідно. Низькошвидкісний режим спрацьовує при 
включенні муфти CL1 та вимкнення муфти CL2. Ця дія відключає перший 
мотор-генератор MG1 від другого пристроєм поділу потоків потужності PSD, 
фіксує коронну шестерню другої планетарної передачі R2 і в результаті 
відбувається поділ вхідного потоку. Цей режим використовується, коли 
необхідна швидкість не може бути отримана за допомогою AER, але і не є, 
власне, високою. 
Дорожня обстановка та бажання водія визначатимуть рівень потужності 
силового агрегату і, отже, ту швидкість, з якою режими будуть змінюватися. 
Слід зазначити, що на низькошвидкісному режимі схема практично 
ідентична конструкції автомобіля Toyota Prius THS. Дві наявні відмінності в 
конструкціях полягають у з'єднанні двигуна з коронною шестернею першої 
зубчастої передачі і тип вихідного зубчастого зачеплення: у конструкції 
General Motors використовується PSD з нерухомим коронним зубчастим 
колесом, а в THS використовується звичайна зубчаста передача. 
Високошвидкісний режим включається при перевищенні швидкості, 
позначеної як Vпермик., шляхом відключення муфти CL1 та увімкнення муфти 
CL2. Це з'єднує перший мотор-генератор MG1 з коронною шестернею другої 
планетарної передачі R2. Цей режим має два вузли, перший з яких є загальним 
для низькошвидкісного режиму, а другий, позначений як VS3, має більш 
високе співвідношення вихідна/вхідна швидкість. Додатковий вузол 
забезпечує ефективнішу роботу на високих швидкостях. Різні режими роботи 
наведено у табл. 2.1. 
Слід зазначити, що представлені ті режими, що забезпечують рух 
транспортного засобу вперед, хоча також можливі і режими із заднім ходом 
автомобіля. 
Режим заряджання системи накопичення енергії ESS, у якому відсутня 
рух, досягається шляхом застосування механічних гальм для запобігання будь-
якому переміщенню. Дві інші важливі швидкості при високошвидкісному 
режимі позначені як VS2 та VS4. VS2 це швидкість, на якій другий мотор-
генератор MG2 починає працювати як генератор. VS4 - це та швидкість, після 
 
38 
 
якої обидва мотор-генератори працюють як мотори.  
Таблиця 2.1 - Режими роботи ICEHV 
Режим Електричні CL1 CL2 CL3 
машини 
Рух вперед 
AER MG1 увімкнутий вимкнений вимкнений 
 
вимк./мотор 
MG2 мотор 
Низькошвидкісн MG1 увімкнутий вимкнений увімнкутий 
ий режим генератор 
V<Vперемик MG2 
мотрор 
Високошвидкісн MG1 мотор вимкнений вимкнений вимкнений 
ий режим  
MG2 мотор 
Vперемик<V<VS2 
Високошвидкісн MG1 мотор вимкнений увімнкутий увімнкутий 
ий режим MG2 
VS2<V<VS3 генератор 
Високошвидкісн MG1 вимкнений увімнкутий увімнкутий 
ий режим генератор 
VS3<V<VS4 MG2 мотор 
Високошвидкісн MG1 мотор вимкнений увімнкутий увімнкутий 
ий режим VS4<V MG2 мотор 
Гальмування 
Рекуперативний MG1 вимк. вимкн./увімкн. вимкн./увімкн. вимкн./увімкн. 
MG2 
генератор 
Заповільнення MG1 мотор вимкн./увімкн. вимкн./увімкн. вимкн./увімкн. 
двигуна MG2 
генератор 
Рекуперативний MG1 мотор вимкн./увімкн. вимкн./увімкн. вимкн./увімкн. 
+ Заповільнення MG2 
двигуна генератор 
 
39 
 
Активація цих двох швидкостей залежатиме від стану заряду (SOC) 
батареї; якщо рівень заряду батареї залишається досить високим, обидва 
мотор-генератори можуть працювати як мотори для отримання додаткової 
потужності. 
 
2.6 Інструменти моделювання 
 
Дослідження гібридних трансмісій транспортних засобів зосереджено 
на розробці їх віртуальних прототипів. Інструменти комп'ютерного 
моделювання, що використовуються для дослідження, є пакетами 
програмного забезпечення. Так, програмне забезпечення MATLAB від 
компанії The Math Works застосовують для комп'ютерного моделювання. Це 
програмне забезпечення широко використовується багатьма галузями 
промисловості для наукових досліджень. Програмне забезпечення має 
опціональний набір оптимізації інструментів, який використовується для 
математичної оптимізації. 
Друге програмне забезпечення розроблене Національною лабораторією 
відновлюваної енергії (NREL) у 1994 році (і постійно вдосконалюється за 
допомогою процесу з відкритим вихідним кодом) для моделювання та 
оптимізації транспортних засобів, відомого як ADvanced VehIcle SimulatOR 
(ADVISOR). ADVISOR був заснований на платформі MATLAB/Simulink, що 
робить його використання гнучким для поєднання процедур оптимізації. 
Програмне забезпечення ADVISOR було відкритим вихідним кодом, в якому 
велика кількість дослідницьких груп зробила свій внесок у бібліотеки 
моделей, що дозволило інструменту стати галузевим стандартом. 
Третій інструмент проектування – LSVTF, у якому можна виконати 
експериментальну перевірку результатів моделювання та симуляції. Засіб 
дозволяє відтворювати точні результати контрольованого середовища. 
  
 
40 
 
2.7 Узагальнення проведеного аналізу 
 
Проведений аналіз показав, що найбільша кількість енергії витрачається 
на роботу двигуна автомобіля і лише 17% енергії витрачається на 
пересування, тобто завдання впровадження енергозберігаючих технологій є 
актуальним як ніколи. Близько 10-30% енергії можна зберегти. Процес 
гальмування загалом також поглинає 30% енергії. Нерівності, які долає 
автомобіль у процесі пересування, забирають до 10% енергії, яка могла б бути 
спрямована з корисною метою. Існуючі енергозберігаючі технології, здатні 
разом заощадити 50-70% енергії, що підтверджує актуальність напрямів 
розвитку транспортної промисловості у цю сторону. Однією з основних 
концепцій розвитку є просування транспортних засобів на батареях. 
Найбільшого поширення мають батареї NiMH та Li-Ion типів, причому 
енергетична ємність Li-Ion акумуляторів приблизно вдвічі більша, ніж у 
NiMH, але вища і ціна. 
Друге народження зазнають і ультраконденсатори. Як відомо, 
ультраконденсатор – електрохімічний конденсатор, який має здатність 
накопичувати надзвичайно велику кількість енергії по відношенню до його 
розміру, а також у порівнянні з традиційним конденсатором. Ця властивість 
ультраконденсатора особливо цікава у створенні гібридних транспортних 
засобів в автомобільній промисловості, у тому числі у виробництві машин на 
акумуляторній електротязі, в яких ультраконденсатори застосовуються у 
вигляді додаткового накопичувача енергії. 
При проектуванні гібридних транспортних засобів необхідно визначати 
критерії на ранньому етапі, оскільки це може істотно знизити вартість і час 
проектування. 
Історично склалося так, що загальне правило автомобільної інженерії 
полягає в тому, що витрати та час виробництва пропорційні вазі та розміру 
автомобіля. Узагальнення більше неприйнятне. 
Дослідження гібридних трансмісій транспортних засобів зосереджено 
на розробці їх віртуальних прототипів із використанням інструментів 
 
41 
 
проектування та моделювання. Динамічне моделювання обраних конструкцій 
використовується для точного опису функцій механізмів трансмісії. 
Моделювання проводиться для прогнозування продуктивності розроблених 
моделей. 
Ці кроки є необхідними розробки віртуального прототипу. Віртуальний 
прототип незамінний у конкурентній галузі автомобільних розробок, оскільки 
він дозволяє швидко та легко оцінити ефект зміни елементів конструкції без 
необхідності створення дорогих натурних випробувань. 
 
 
 
  
 
42 
 
РОЗДІЛ 3. АНАЛІЗ ЦИКЛІВ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЇ 
ГІБРИДНИХ СИЛОВИХ АГРЕГАТІВ АВТОМОБІЛІВ 
 
Багаторежимна конфігурація, яка включає безліч можливостей, таких як 
паралельна робота і робота з поділом потоків потужності, є більш 
адаптованою до різноманітних типів транспортних засобів і областей 
застосування. Саме ця гнучкість переконала багатьох аналітиків 
автомобільної промисловості в тому, що багаторежимна архітектура 
перевершить конструкцію Toyota Hybrid System (THS) і стане переважаючою 
гібридною трансмісією. Daimler AG, Chrysler і BMW та інші автомобільні 
компанії використовують патенти General Motors, присвячені багаторежимній 
конфігурації гібридних автомобілів як основу, вказує на те, що керівництво 
цих компаній також вважає, що багаторежимні конфігурації силових агрегатів 
є досить багатообіцяючими. 
 
3.1 Моделювання гібридного транспортного засобу 
 
Щоб порівняти та проаналізувати продуктивність багаторежимної 
конфігурації, було проведено імітаційне моделювання, в якому 
багаторежимна модель порівнювалася з моделями THS, гібридного та 
звичайного силового агрегату. 
Конфігурації транспортних засобів були змодельовані з використанням 
мови програмування MATLAB/Simulink та за допомогою інтегрованого 
комплексу для симуляції та аналізу руху автомобіля ADVISOR. Версія, що 
використовується - це версія 2002 року з відкритим вихідним кодом. 
ADVISOR дозволяє виконувати стаціонарне моделювання, яке не здатне 
імітувати перехідні процеси. Тому динамічні процеси не враховуються, і 
поведінка компонентів між станами, що встановилися, не може бути нами 
проаналізовано. ADVISOR містить велику бібліотеку різних типів 
транспортних засобів, у тому числі можна вибрати необхідний. Базові моделі 
для THS, гібрида з паралельним проводом та стандартного силового агрегату 
 
43 
 
були прийняті за основу, і згодом змінені, щоб продемонструвати бажані 
характеристики транспортних засобів, що досліджуються. Багаторежимну 
модель було розроблено шляхом значної модернізації моделі THS. 
Кузов транспортного засобу, вибраного для моделювання, заснований 
на вантажівці Kenworth T400, типовому комерційному транспортному засобі. 
Характеристики автомобіля, включаючи всі компоненти, крім компонентів 
силової передачі, наведено у табл. 3.1. Дві різні ваги базового транспортного 
засобу розглядаються для випадків, коли транспортний засіб має корисне 
навантаження (завантажений) або не має корисного навантаження (не 
завантажений). 
 
Таблиця 3.1 Характерстики автомобіля що моделюється ICEHV 
Компонент Характеристика 
Колесна база 9,75 м 
Радіус колеса 0,5 м 
Вага транспортного засоба 5933 кг 
(незавантажений) 
Вага транспортного засоба 11333 кг 
(завантажений) 
Коефіцієнт опру хитання 0,00938 
Аеродинамічний коефіцієнт 0,7 
Площа лобового опору 8,55 м2 
 
Всі чотири конфігурації, що моделюються, використовують двигун із 
запаленням від стиснення (CI) з меншим розміром двигуна для трьох 
гібридних моделей. Моделі багаторежимні та THS мають практично однакові 
компоненти силових установок, а при паралельній конфігурації включені ті ж 
моделі двигуна і мотор-генератора. 
Оскільки чотири різних конфігурації матимуть різну вагу була спроба 
врахувати ці відмінності. У дослідженні, проведеному науково-дослідним 
інститутом електроенергетики, вага силового агрегату звичайного 
транспортного засобу була на 20% меншою, ніж у силової установки 
гібридного транспортного засобу з паралельною схемою [10]. Ця різниця була 
 
44 
 
врахована у цьому дослідженні. Крім того, передбачалося, що силові 
установки THS та багаторежимні силові установки були важчими, ніж у 
стандартного транспортного засобу на 25 % та 27 % відповідно. Останні два 
припущення про вагу були зроблені дещо довільно; однак припущення 
відображають оцінки ваги додаткових мотор/генераторів (MG), силової 
електроніки та пристрої розподілу потоків потужності (PSD). Також необхідно 
звернути увагу, що представлені значення потужності двигунів є 
номінальними, а не піковими. 
 
3.1.1 Моделювання 
 
  Для порівняння було обрано різні цикли при їзді, які представляють 
типові умови роботи важких комерційних автомобілів. Витрата палива 
вимірювали протягом циклів, представлених на рис. 3.1, та описані в 
посібнику з програмного забезпечення ADVISOR. Ці цикли при їзді 
включають: 
1) Міський трафік руху для транспортних засобів великої 
вантажопідйомності (UDDSHDV), що представляє ідеалізований міський 
трафік руху для важких транспортних засобів. Цикл включає середньо або 
високошвидкісний рух з періодичними повними зупинками. Пікова швидкість 
циклу становить 93,3 км/годину, а середня швидкість 30,3 км/годину за 
інтервал 1061 с. Пікове прискорення становить 2,0 м/с2. 
2) New York City Truck (NYCT) – характерний трафік з керування 
важким транспортним засобом у Нью-Йорку. Цикл має дуже низьку середню 
швидкість лише 12,1 км/год, а також максимальну швидкість 54,7 км/год. Пік 
прискорення становить 2,0 м/с2 а тривалість циклу становить 1017 c. 
3) Міський приміський маршрут для важких транспортних засобів 
(CSHVR) – сукупність коротких поїздок, типових для транспортних засобів 
великої вантажопідйомності. Швидкості варіюються від повільних приміських 
швидкостей до найвищих міських швидкостей. Пікова швидкість циклу 
становить 70,5 км/год та середня швидкість 21,8 км/год. Пік прискорення 
 
45 
 
становить 1,2 м/с2, а тривалість циклу 1781 с. 
4) Тест економії палива на автомагістралях (HWFET), який 
використовується EPA США для сертифікації CAFE. У цьому циклі найвища 
середня швидкість з усіх чотирьох циклів із середнім значенням 77,2 км/год. 
Пікова швидкість становить 96,3 км/год, пік прискорення – 1,4 м/с2, а 
тривалість циклу – 766 c. 
Результати дослідження показують, що багаторежимні зміни є 
перспективними для використання у важких транспортних засобах з різним 
ступенем корисного навантаження. Результати моделювання витрати палива 
представлені рис. 3.2 для випадку без навантаження і рис. 3.3 випадку з 
навантаженням. Як видно з рисунків, модель багаторежимного транспортного 
засобу перевершила автомобілі THS та автомобілі зі звичайними силовими 
агрегатами у всіх циклах їзди та за всіма умовами завантаження. 
 
 
Рисунок 3.1 – ICEHV імітація циклів їзди 
 
Середня відсоткова різниця між витратою палива, досягнутим у 
багаторежимному та звичайному виконанні, становить 22,4%, при цьому 
 
46 
 
найбільша різниця спостерігається при CSHVR (при завантаженні) – 57,8%. 
Середня відсоткова різниця між витратою палива, досягнутим у 
багаторежимному та THS-виконанні, становить 65,1%, при цьому найбільша 
різниця спостерігається для CSHVR (без завантаження) – 88,1%. 
Мультирежим не дозволяє знизити витрату палива в середньому 
порівняно з гібридом із паралельним приводом. Середня відсоткова різниця 
між багаторежимним та паралельним виконанням становить 3,3%, при цьому 
найбільша різниця спостерігається для NYCT (з навантаженням) –20,1%. 
Тим не менш, багаторежимне виконання перевершує паралельне у 
чотирьох випадках: UDDSHDV (без навантаження) – 1,2%; CSHVR (без 
навантаження) –11,6%; HWFET (без навантаження) – 9,6%; та HWFET 
(завантажений) - 4,7%. Таким чином, багаторежимне виконання силової 
установки є найкращим для пересування шосе. 
 
Рисунок 3.2 - Результати моделювання ICEHV: витрата палива у 
незавантаженому автомобілі 
Паралельна схема гібридного транспортного засобу як найбільш 
поширена конструкція гібрида для комерційних транспортних засобів 
продемонструвала найкращу загальну продуктивність і середню відсоткову 
 
47 
 
різницю у витраті палива на 25,6% порівняно зі звичайною конструкцією 
силового агрегату. 
Конфігурація THS вийшла сильно неадекватною для вибраних циклів 
їзди для важкого транспортного засобу з різним корисним завантаженням. Так 
TNS-виконання не показало покращень у витраті палива -середнє споживання 
палива збільшилося на 44,5% порівняно з автомобілем зі звичайною 
конструкцією силового агрегату, а порівняно з гібридом з паралельним 
приводом різниця у споживанні палива в середньому становила 68,0%. 
Моделювання багаторежимної конфігурації також необхідно детально 
проаналізувати. Як приклад було обрано цикл приводу CSHVR із 
завантаженими та незавантаженими умовами роботи. На рис. 3.4 показано 
потужність двигуна протягом усього циклу їзди. Як і очікувалося, вимоги до 
потужності двигуна значно вищі за повного завантаження - в середньому на 
18,9 кВт. 
 
Рисунок 3.3 - Результати моделювання ICEHV: витрата палива у 
завантаженому автомобілі 
 
48 
 
На рис. 3.5 показано потужність першого мотор-генератора MG1 
протягом усього циклу руху. Як і у випадку з потужністю двигуна, 
навантажений автомобіль вимагає від мотор-генератора більшої потужності в 
середньому 7,4 кВт і вище. 
На рис. 3.6 показано потужність другого мотор-генератора MG2 
протягом усього циклу руху. Тут також навантажений автомобіль вимагає від 
мотор-генератора більшої потужності – у середньому на 6,8 кВт вище. Рис. 3.7 
зображує стан заряду системи накопичення енергії (ESS SOC) протягом усього 
циклу руху. У цьому випадку середнє значення стану заряду (SOC) для 
незавантаженого автомобіля несподівано нижче, ніж у завантаженого. 
Середня різниця між двома випадками становить 1,6%. Невідомо, чи є цей 
результат похибкою моделювання при керуванні харчуванням або робота 
двигуна в незавантаженому автомобілі менш ефективна за умов моделювання. 
 
Рисунок 3.4 - Результати моделювання ICEHV: потужність двигуна з 
багаторежимною конфігурацією силової установки на трасі "Місто-
передмістя" 
 
49 
 
 
Рисунок 3.5 - Результати моделювання ICEHV: потужність першого 
мотор-генератора з багаторежимною конфігурацією силової установки 
на трасі "Місто-передмістя" 
 
Рисунок 3.6 - Результати моделювання ICEHV: потужність другого мотор-
генератора з багаторежимною конфігурацією силової установки на трасі 
"Місто-передмістя" 
 
50 
 
 
Рисунок 3.7 - Результати моделювання ICEHV: ESS SOC-крива з 
багаторежимною конфігурацією силової установки на трасі "Місто-
передмістя" 
 
Результати моделювання показують, що багаторежимна і паралельна 
конфігурації помітно впливають на поліпшення характеристик витрати палива 
в порівнянні з базовим стандартним транспортним засобом. Однорежимна 
конфігурація працює погано на відміну інших трьох. Паралельна конфігурація 
забезпечує найнижчу витрату палива в цілому, однак рівень, досягнутий при 
багаторежимній конфігурації в цілому не гірший. 
Аналіз результатів моделювання дозволяє зробити кілька висновків. 
По-перше, було показано, що багаторежимна конфігурація є досить 
перспективним проектом для поліпшення витрати палива, особливо в 
транспортних засобах з умовами завантаження, що сильно змінюються 
(наприклад, комерційних вантажівках). Як видно, спроба моделювання 
показала результати максимально наближені до продуктивності 
найпоширенішого гібрида з паралельним приводом важких транспортних 
засобах. Дослідження продемонструвало потенційні переваги вдосконаленої 
концепції багаторежимного проектування порівняно з однорежимними 
 
51 
 
конфігураціями. 
По-друге, стратегія керування живленням гібридних транспортних 
засобів є важливою сферою для потенційного покращення. Оскільки гібриди 
з паралельним приводом є набагато поширенішими, то і стратегії 
моделювання та контролю мають мінімальну кількість припущень. 
Що стосується продуктивності однорежимної конфігурації, то 
напрошується висновок про те, що існуюча стратегія управління живленням, 
реалізована в ADVISOR не може бути застосована до великого комерційного 
транспорту. Результат не говорить про те, що ця конфігурація в принципі не 
підходить для більш важких транспортних засобів. При правильно вибраній 
стратегії управління живленням конфігурація може перевершити 
продуктивність навіть гібрида з паралельним приводом, хоча, ймовірно, вона 
не зможе покращити витрату палива, досягнуту на гібриді з багаторежимною 
конфігурацією силової установки. 
Подальше моделювання має бути зосереджено на розробці стратегії 
управління живленням багаторежимної конфігурації, тим більше, що вона 
забезпечує більше можливостей для підвищення продуктивності, ніж 
однорежимна структура. 
Проведені дослідження можуть бути корисними на провідних 
виробничих майданчиках для вантажних та пасажирських перевезень. 
  
 
52 
 
3.2 Моделювання систем паливних елементів 
 
У цьому підрозділі розглянуто моделювання системи паливних 
елементів гібридних транспортних засобів. Моделюються потоки повітря, 
водню та води через систему, а також допоміжні компоненти системи 
паливних елементів (FCS) та те, як вони інтегровані у загальну модель FCS. 
Моделі потоку включають колектори, через які реагенти і продукти проходять 
вгору і вниз по потоку, відповідно. 
Компоненти обладнання включають: компресор для приведення 
повітря реагенту до необхідного тиску, систему охолодження (що складається 
з водяного насоса і вентилятора радіатора) для підтримки необхідної робочої 
температури та два зволожувачі для забезпечення належного рівня водяної 
пари. 
Була зроблена спроба моделювання у поєднанні з динамічною моделлю 
відгуку напруги, яка дозволить врахувати тимчасову реакцію системи зміну 
необхідного струму. В даний час перехідна складова моделі не реалізована. 
Системні рівняння були запрограмовані у MATLAB. 
Схема системи паливних елементів, що включає потоки і компоненти 
BOP, показана нижче на рис. 3.8. де зображені контури газоподібного водню 
та повітря, контур системи зволоження та система охолодження. 
 
 
Рисунок 3.8 – Схема системи паливних елементів 
 
 
53 
 
Компоненти обладнання отримують енергію від системи, що 
виробляється самої роботою паливного елемента, цим знижуючи загальну 
вихідну потужність. Газоподібний водень, що випускається, знаходиться під 
тиском, аналогічним тому, яке потрібно для батареї, і, таким чином, компресор 
для анодної сторони осередку часто не потрібно; у цьому випадку достатньо 
регулятора тиску та електромагнітного клапана. 
Подальші дослідження можуть містити повну модель зберігання водню. 
На рис. 3.7 водень, який бере участь у електрохімічної реакції, випускається в 
атмосферу. Однак можна припустити, щоб цей втрачений газоподібний водень 
був об'єднаний з воднем під тиском за допомогою системи рециркуляції. 
Додатковий модуль рециркуляції включено до моделі. Повітряний фільтр 
показано для повноти картини; передбачається, що він вносить незначні 
фізичні зміни у модель. Це потенційно суперечить дослідженням, де 
повітряний фільтр може призвести до втрати до 70% загальної потужності в 
установці обробки повітря. 
 
3.3 Дослідження систем паливних елементів 
 
Комплексне моделювання є оптимальним методом зниження витрат і 
часу на проектування. Важливим кроком у цьому є використання методів 
оптимізації визначення оптимальної конструкції без необхідності створення 
дорогих і трудомістких фізичних прототипів. Можливі рішення для 
прискорення комерціалізації паливних елементів у транспортних засобах 
можуть бути реалізовані набагато якісніше, якщо попередньо було проведено 
узагальнену оптимізацію. 
Наприклад, якщо визначено оптимальну гібридизацію для конкретного 
транспортного засобу, то згодом покращаться експлуатаційні характеристики 
транспортного засобу. 
Оптимізація широко використовується в багатьох областях 
проектування, але порівняно недавно була представлена в літературі з 
проектування паливних елементів. Конструкції системи паливного елемента, 
 
54 
 
механізмів, що керують роботою паливного елемента, мають настільки 
складну природу, що цільова функція може мати безліч локальних мінімумів, 
отже, оптимізація таких систем може бути досить складною. Пошук наукової 
літератури показує, що спроби суворої оптимізації FCS щодо рідкісні. 
Проте дослідження паливних елементів з використанням методів 
оптимізації були проведені декількома дослідницькими групами. 
Груйіциц із співавторами [8] використовують двовимірну 
обчислювальну модель, щоб оптимізувати електричний струм на ширину 
паливного елемента при напрузі елемента 0,7 В. Алгоритм оптимізації був 
заснований на методі послідовного квадратичного програмування (ПМК). Для 
отримання максимальної величини електричного струму були використані 
експлуатаційні параметри (вхідний тиск повітря) та геометричні параметри 
(товщина катода, довжина катода). 
Маварді із співавторами [9] використовували одновимірну механістичну 
модель паливного елемента для оптимізації щільності потужності з 
урахуванням обмежень кількох робочих параметрів. Оптимізація дозволила 
кількісно отримати ступінь впливу товщини мембран і електродів, а також 
величини концентрації на значення оптимальних умов експлуатації. 
Відносно недавно Ву із співавторами [10] виконали оптимізацію 
робочих умов протонообмінної мембрани паливного елемента (PEMFC) з 
використанням математичного моделювання та повної тривимірної моделі. 
Аналізованими робочими параметрами були рівень зволоження катода, 
катодний тиск, стехіометрія катода і температура комірки. 
Ванг і Донг [11] використовували напівемпіричну модель, засновану на 
даних з аналізу Балларда Марка IV та нову схему оптимізації, яку вони назвали 
методом адаптивної поверхні відгуку (ARSM), щоб знайти оптимальну 
конфігурацію запатентованої конструкції батареї паливних елементів. Було 
показано, що конкретна модель, відома модель радіатора TERS, має поліпшену 
продуктивність, а оптимізація також мінімізувала вартість пристрою. 
Напівемпірична модель не включає явища, які необхідні для точної 
комплексної моделі батареї паливних елементів. Оптимізація дозволила 
 
55 
 
максимізувати потужність для п'яти розрахункових змінних: стехіометрія 
повітря, ширина батареї, висота батареї, ширина конвекційних ребер та 
кількість осередків. 
Xу та Донг [12] використовували напівемпіричну модель паливного 
елемента Балларда Марка IV разом з декількома моделями для допоміжних 
систем, заснованих на кривих продуктивності, щоб створити модель FCS. Були 
отримані оптимальна площа перетину активної зони та стехіометричне 
співвідношення повітря для максимізації корисної потужності. При цьому 
виробничі витрати зведено до мінімуму. 
Годат і Маречал [12] використовували дуже просту модель батареї 
паливних елементів як частину системи, що включає реактор парової 
метанової конверсії (SMR), водогазообмін (WGS) і реактор кращого окислення 
(PROX) для повної переробки палива. Мета оптимізації полягала в тому, щоб 
визначити оптимальні значення відношення пари до вуглецю, температури 
SMR, температури диму в трубі та рівня використання палива. 
Франгопоулос та Накос [5] провели спільну оптимізацію продуктивності 
та вартості PEMFC. При оптимізації продуктивності використовувалися тільки 
температура і щільність струму як вступні змінні, ігноруючи великий вплив 
стехіометрії тиску і повітря на продуктивність системи. 
В цілому, підбиваючи підсумки, щоб мати можливість використовувати 
метод оптимізації, необхідно визначити проблему, яка містить кілька 
суперечливих цілей. Наприклад, для оптимізації окремого осередку батареї, де 
вихідна потужність має бути максимізована, суперечливі цілі в основному 
пов'язані з проблемами керування теплом та водою. Наприклад, якщо 
стехіометрія повітря мала, повітря не зможе усунути всю воду, що утворилася 
в катоді осередку, і в газодифузійному шарі батареї (GDL) відбудеться 
затоплення, що призведе до значного зменшення енергії, що генерується в 
потужність. 
З іншого боку, якщо стехіометрія дуже велика, мембрана висихає, 
знижуючи протонну провідність і, отже, зменшуючи вихідну потужність. 
Існує оптимальне значення стехіометрії повітря, для якого достатньо води для 
 
56 
 
зволоження мембрани без затоплення в газодифузійному шарі, саме при цьому 
досягається максимальна вихідна потужність. 
Таким чином, модель, яка використовується при оптимізації, повинна 
припускати, що мембрана повністю гідратована, отже, вищезгаданий конфлікт 
цілей не виникає. Через відсутність суперечливих цілей оптимізація вихідної 
потужності окремого елемента або батареї паливних елементів дає 
нереалістичні результати, оскільки змінні конструкції впливають на загальну 
продуктивність. 
Тому для вирішення суперечливих завдань система паливних елементів 
має бути оптимізована загалом. 
І тут потужність, споживана допоміжними системами, створює кілька 
конфліктів інтересів, коли чиста вихідна потужність має бути максимізована. 
Робота паливного елемента значно покращується при високій температурі та 
тиску, однак це збільшення призведе до більш високих втрат потужності через 
допоміжні системи, зокрема через систему охолодження та повітряного 
компресора відповідно. Саме через ці суперечливі інтереси конструкція 
системи паливних елементів є елементом для постійної оптимізації. 
Щоб вирішити проблему оптимізації, модель системи паливних 
елементів, що описана в попередньому підрозділі, має бути пов'язана з 
потрібними алгоритмами оптимізації. Зв'язок між алгоритмом оптимізації та 
моделлю досягається за допомогою проектних змінних, цільової функції та 
обмежень. 
Для проведення оптимізації вибирається початкове значення для 
проектних змінних або алгоритм оптимізації, або користувачем. Що 
стосується глобальних методів початкове значення проектних змінних 
вибирається випадковим чином. У разі локального методу, користувач сам 
вводить початкові значення для змінних проекту. 
Значення проектних змінних потім надаються моделі системи паливних 
елементів. Модель системи паливного елемента потім обчислює 
продуктивність системи. З цих результатів, програма обчислює значення 
цільової функції з урахуванням проектних обмежень. За допомогою цієї 
 
57 
 
інформації алгоритм оптимізації вибирає новий набір проектних змінних, які 
можуть потенційно підвищити продуктивність системи. Цей процес 
повторюється доти, доки буде досягнуто цільова функція. 
 
3.4 Рекомендації щодо застосування багаторежимних гібридних силових 
агрегатів автомобілів та способів їх моделювання 
 
Розвиток гібридних технологій в автомобілебудуванні йде 
прискореними темпами і для того, щоб не відстати остаточно, необхідно 
широко впроваджувати ці технології в нашій країні. 
Посилення норм викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище 
підвищує популярність гібридних технологій у автовиробників по всьому 
світу, а це, у свою чергу, може призвести до радикальних змін у способах та 
методах розробки автомобільних продуктів. 
У цьому ключі комплексне моделювання є оптимальним методом для 
зниження витрат і часу на проектування гібридних транспортних засобів. 
Важливим чинником у цьому є використання методів оптимізації для 
створення поліпшень у конструкції без необхідності створення дорогих і 
трудомістких фізичних прототипів. 
Для оптимізації роботи транспортного засобу потрібне керування 
потоком енергії в режимі реального часу. Особливо це важливо зараз, коли 
зросла складність систем силових установок гібридних автомобілів.  
Таким чином, очікується, що потреба у комп'ютерному моделюванні, 
симуляції та оптимізації комплексних систем протягом усього процесу 
проектування та розробки буде лише зростати. Метою цієї роботи було 
дослідження методів моделювання та оптимізації багаторежимних гібридних 
силових установок автомобілів. Далі викладено основні висновки та внесок, 
що випливають із різних аспектів проведеного дослідження. 
Багаторежимна конфігурація дозволяє проводити більш тонке 
налаштування гібридних силових установок транспортних засобів, оскільки є 
адаптованішою до різноманітних типів транспортних засобів і областей їх 
 
58 
 
застосування. 
Було проаналізовано дослідження, де багаторежимна конфігурація 
порівнюється однорежимною конфігурацією THS, гібридом з паралельним 
приводом і стандартним силовим агрегатом. Причому багаторежимну модель 
було розроблено шляхом значної модернізації моделі THS 
Проведений аналіз показав, що багаторежимна конфігурація дозволяє 
покращити витрату палива, особливо в таких транспортних засобах, як 
комерційний вантажний транспорт і транспорт для пасажирських перевезень, 
тобто з умовами завантаження, що періодично змінюються. Моделювання 
показало результати максимально наближені до продуктивності 
найпоширенішого гібрида на важких транспортних засобах – гібрида з 
паралельним приводом. Причому в чотирьох випадках, що моделюються, 
багаторежимна конфігурація перевершила гібрид з паралельним приводом. 
При багаторежимної конфігурації гібридного транспортного засобу, як і 
всіх гібридах, система накопичення енергії ESS допускає рекуперативне 
гальмування; використовувати повністю електричний режим AER і здатність 
вимикати двигун, коли його робота не потребує. Все це дозволяє знизити 
зношування гальм і шкідливі викиди в навколишнє середовище, а також 
підвищити економію палива. 
Багаторежимна конфігурація, порівняно з гібридом з послідовним 
приводом, має менший електродвигун і при цьому ефективність роботи при 
високих навантаженнях підвищується. 
На відміну від гібрида з паралельним приводом, багаторежимна 
конфігурація дозволяє від'єднувати двигун від трансмісії, забезпечуючи менші 
втрати та ефективнішу роботу, особливо на низьких швидкостях. Нарешті, 
кілька режимів поділу потужності вивченої багаторежимної конфігурації 
забезпечують ефективну роботу в ширшому діапазоні навантажень, ніж у 
конструкції THS з поділом потужності. 
Основним аспектом, відсутнім у досліджуваній багаторежимній 
конфігурації є стратегія управління живленням. Стратегія управління 
живленням координує роботу підсистем транспортного засобу для досягнення 
 
59 
 
цільових показників продуктивності, таких як максимальна економія палива 
та зниження викидів вихлопних газів. 
У моделі використовується модифікована версія стратегії, розробленої в 
ADVISOR для схеми поділу потужності THS. Було зроблено висновок, що 
стратегію управління харчуванням можна суттєво покращити. 
У літературі опубліковано багато робіт, у яких обговорюють 
різноманітні методології розробки стратегії управління живленням. Одним з 
найбільш поширених методів є використання евристичних методів керування, 
таких як правила керування, нечітка логіка або нейронні мережі. Однак ці 
методи не забезпечують оптимальну стратегію та можуть не забезпечувати 
ефективну роботу для циклів приводу, які не розглядалися на етапі 
програмування алгоритму. 
Щоб отримати оптимальну стратегію управління живленням, зазвичай 
використовує один із двох методів оптимізації. Перший клас методологій 
оптимізації має справу з алгоритмами миттєвої оптимізації, розробленими для 
застосування у реальному часі. Другий клас заснований на алгоритмах 
глобальної оптимізації, для яких цикл приводу надається апріорі, та 
визначається оптимальна стратегія для даного циклу руху. Остання стратегія 
перевищує миттєві результати оптимізації, але потребує значного часу на 
обчислення та потужності обладнання, і не може бути виконана в режимі 
реального часу. В результаті методи глобальної оптимізації були значною 
мірою обмежені дослідженнями моделювання. 
Однак методи GO можуть забезпечити оптимальні результати, які можна 
використовувати як зразок для оцінки продуктивності стратегії управління 
живленням в реальному часі миттєвих алгоритмів. Алгоритм миттєвої 
оптимізації, який показує продуктивність, найбільш наближену до 
продуктивності методів глобальної оптимізації, буде оптимальною стратегією 
управління живленням у реальному часі. 
Для розглянутої багаторежимної конфігурації пропонується 
використовувати ітеративний процес для підвищення продуктивності та 
зменшення вартості гібридного автомобіля за рахунок комбінованої 
 
60 
 
оптимізації стратегії управління живленням та визначення розмірів 
компонентів, що використовуються. Спочатку буде зроблено припущення про 
компоненти силової установки, і буде визначено оптимальну стратегію 
управління живленням для цих компонентів. Потім встановлюється стратегія 
управління живленням та проводиться оптимізація розмірів омпонентів. Цей 
процес триватиме до тих пір, поки поліпшення з кожною ітерацією не стануть 
суттєвими. 
Ця стратегія формує новий метод визначення глобальної оптимальної 
конфігурації як оптимальної стратегії управління харчуванням, і оптимального 
вибору компонентів. Поєднання двох завдань оптимізації дозволить отримати 
дійсно оптимальну конфігурацію. 
 
 
 
61 
 
ВИСНОВКИ 
 
1. Проаналізовано структури гібридного автомобіля. 
2. Проаналізовано існуючі розробки гібридних технологій у 
автомобілебудуванні. 
3. Досліджено методи моделювання та оптимізації багаторежимних гібридних 
силових агрегатів автомобілів. 
4. Подано результати моделювання системи паливних елементів гібридних 
транспортних засобів. 
5. Розроблено рекомендації щодо застосування багаторежимних силових 
установок автомобілів, а також способи їх моделювання та оптимізації. 
 
 
 
62 
 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Гібридні вантажівки: моделі, конструкції, перспективи. 
[Електронний ресурс]. 2013.URL: https://conf.ztu.edu.ua/wp-
content/uploads/2023/06/perspektyvy-rozvytku-1.pdf 
2. Все про гібриди: історія, принцип роботи, переваги. [Електронний 
ресурс]. – URL: http://autopark.pp.ua/4813-gbridniy-privd-avtomoblya-pitannya-
po-gbridam-vse-pro-avto.html 
3. Бензин, дизельА може гібрид? Що обрати? [Електронный ресурс] 
URL: https://www.actualidadmotor.com/uk/бензин-дизель-газ-гібрид-або-
електрика-що-купити/ 
4. Пристрій, схема гібридних автомобилей [Електронний ресурс]. – URL 
https://ir.lib.vntu.edu.ua/bitstream/handle/123456789/32364/Презентация_Рижков
.pdf?sequence=1&isAllowed=y 
5. Гібридна силова установка автомобиля [Електронний ресурс]. – URL: 
http://autopark.pp.ua/4845-gbridna-silova-ustanovka-vse-pro-avto.html   
8. At the heart of automotive revolution [Електронний ресурс]: URL 
sofindia.indiatimes.com/blogs/voices/people-are-at-the-heart-of-the-auto-
revolution-sustainable-skilling-will-drive-innovation-in-the-auto-industry/:.  
9. Batteries & Energy Products: Automotive Battery [Електронний 
ресурс]: URL: https://www.tainstruments.com/applications/battery-material-
testing/?gclid=CjwKCAjwgsqoBhBNEiwAwe5w04sqdoi5bbxX7Xql5RbejixydsR
M299_mi6x16dLEEm1kN_GO--AKhoCr2AQAvD_BwE 
10. Ultracapacitor Overview [Електронний ресурс]: URL: 
https://maxwell.com/products/ultracapacitors/  
11. Automotive Battery [Електронний ресурс]: URL: 
https://www.walmart.com/cp/batteries-accessories/1104292 
12. Tesla Roadster [Електронний ресурс]. – URL: 
https://teslaone.com.ua/tesla-roadster
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
