Audin MHEV Plus -teknologia: uuden sukupolven hybridi

• MHEV plus -teknologian voimansiirtogeneraattori (PTG = powertrain generator) toimii sähkömoottorina parantaen taloudellisuutta osittaisella sähköisellä ajolla

• 48 voltin sähköjärjestelmä tukee polttomoottoria, vähentää CO2-päästöjä ja lisää suorituskykyä sekä ajomukavuutta

• Audin teknisestä kehityksestä vastaava johtaja Geoffrey Bouquot: "Edistämme sähköistämistä räätälöidysti asiakkaiden tarpeisiin."

Audin Premium Platform Combustion (PPC) -alustarakenteelle rakennettujen, uusien A5- ja Q5-mallien myötä Audi on lanseerannut ensimmäiset polttomoottorinsa uudella MHEV plus -teknologialla. Voimansiirtogeneraattorin (PTG), käynnistyslaturin (BAS) ja litiumrautafosfaattiakun ainutlaatuisen yhteistyön ansiosta 48 voltin kevythybridijärjestelmä tukee polttomoottoria, vähentää hiilidioksidipäästöjä ja samanaikaisesti lisää suorituskykyä ja ketteryyttä. Voimansiirtogeneraattori, joka voidaan joko täysin kytkeä tai irrottaa muusta voimansiirrosta, sisältää integroidun tehoelektroniikan ja sähkömoottorin, ja joka mahdollistaa osittain sähköisen ajon. Tämä vähentää kulutusta ja tekee ajokokemuksesta entistä mukavamman.

"Uuden MHEV plus -teknologian myötä edistämme sähköistämistä uusissa polttomoottoriautoissamme, jotka perustuvat Premium Platform Combustion -alustarakenteeseen, ja on räätälöity asiakkaidemme tarpeisiin", sanoo Geoffrey Bouquot, AUDI AG:n teknisestä kehityksestä vastaava johtaja. "Tämä vahvistaa tuotevalikoimaamme, joka koostuu täyssähkömalleista, ladattavista hybrideistä ja taloudellisista polttomoottoriautoista. "MHEV plus -teknologia tarjoaa houkuttelevia toimintoja, kuten osittain sähköisen ajon, sähköisen tehostuksen ja merkittävän taloudellisuuden ja mukavuuden lisäämisen. Uusien Audi A5 ja Q5 -mallien kevythybridijärjestelmä koostuu kolmesta pääkomponentista: kompaktisti suunnitellusta uudesta voimansiirtogeneraattorista (PTG), jossa on integroitu tehoelektroniikka ja kestomagnetoitu tahtimoottori (PSM), 48 voltin akusta ja käynnistyslaturista (BAS). 48 voltin järjestelmän komponentit ovat nestejäähdytettyjä optimaalisten käyttöolosuhteiden saavuttamiseksi. MHEV plus -järjestelmän arkkitehtuuri voidaan integroida eri malleihin, jotka ovat etuvetoisia tai quattro-nelivetoja, ja jotka perustuvat Premium Platform Combustion -alustarakenteeseen. Tehoelektroniikan ja sähkömoottorin tilannekohtainen nestejäähdytys mahdollistaa komponenttien toiminnan optimaalisissa käyttöolosuhteissa, jotta teho- ja vääntömomenttivaatimukset täyttyvät kaikissa käyttötiloissa. Uusi MHEV plus -teknologia mahdollistaa myös täysin sähköiset käyttötilat ja polttomoottorin tukemisen. Järjestelmä lisää siten suorituskykyä ja ketteryyttä samalla kun se vähentää polttoaineenkulutusta ja CO2-päästöjä.

Esimerkiksi V6 3.0 TFSI -moottorilla (270 kW quattro) voidaan säästää jopa 17 g/km tai 0,74 l/100 km (WLTP:n mukaan).

Voimansiirtogeneraattori lisätehomoduulina

Toinen merkittävä etu on, että MHEV plus -järjestelmä parantaa suorituskykyä ja ajomukavuutta. Uuden MHEV plus -järjestelmän kompakti mutta tehokas sähköinen tehomoduuli on voimansiirtogeneraattori (PTG). Tämä komponentti edustaa myös suurinta eroa Audin aiemmin tarjoamaan MHEV-teknologiaan, joka toimii yksinomaan käynnistyslaturilla. Voimansiirtogeneraattori on kompakti tehoyksikkö, joka voi tuottaa jopa 18 kW (24 hp) sähköisen lisätehon suoraan vaihteiston ulostuloakselille. Yksikkö mahdollistaa enintään 230 Nm:n vääntömomentin, joka on jo käytettävissä heti auton käynnistyksen jälkeen. Noin 21 kilogrammaa painavan voimansiirtogeneraattorin kompaktin vaihteiston välityssuhde on 3,6:1. MHEV plus hyödyntää voimansiirtogeneraattoria 140 km/h nopeuteen asti maksimaalisen tehokkuuden saavuttamiseksi. Suuremmilla ajonopeuksilla voimansiirtogeneraattori irrottautuu voimansiirrosta integroidun kytkimen avulla.

Tarvittava tila sähkömoottorin integroimiseksi vaihteiston ulostuloakselille olemassa olevien ajoneuvotunnelin rajojen sisällä luotiin ympäröivien osien ja komponenttien vähäisillä muutoksilla. Sijoittaminen suoraan vaihteiston taakse tarjoaa useita etuja: voimansiirtogeneraattorin tuottama 18 kW:n lisäteho tai jopa 25 kW:n rekuperointiteho jarrutuksesta on käytettävissä suoraan ulostuloakselilta ilman lisähäviöitä. Tämän kokoonpanon ansiosta voimansiirtogeneraattoria voidaan käyttää sekä etuvetoisissa että nelivetoisissa autoissa ilman muutoksia ja modulaarisesti.

Järjestelmän korkeiden mukavuusvaatimusten täyttämiseksi on varmistettava sähkömoottorin vääntömomentin, virran ja nopeuden tarkka hallinta. Käyttölämpötila-alue ulottuu -40:stä +75 asteeseen. Jäähdytysneste ympäröi sähkömoottoria ja jäähdyttää myös kompaktin ja integroidun tehoelektroniikan yhteisessä jäähdytyspiirissä, joka on asennettu suoraan sähkömoottorin päälle tilan säästämiseksi. Tehoelektroniikan korkean suorituskyvyn moduulit on järjestetty lämmönsiirtimen ympärille tehoelektroniikassa. Välipiirin kondensaattorit ovat tilaa säästävästi ja lämpöteknisesti optimaalisesti lämmönsiirtimen ympäröimiä.

Kehitystä asiakasvaatimusten mukaisesti

Audi kehitti MHEV plus -teknologian ennakoiden asiakkaiden tarpeita. Ensimmäisen sukupolven start-stop- tai kevythybridisaation käytettävissä olevat perinteiset voimansiirrot perustuvat keskeisiin tehokkuuskomponentteihin, kuten moottorin pysäyttämiseen ajoneuvon ollessa paikallaan, rullaamiseen, vapaakäyntiin moottorin ollessa sammutettuna ja 12 voltin tai 48 voltin energian talteenottoon. Uuden teknologian lisääntyneen sähköistämisasteen tärkeimmät edut ovat start-stop-toiminnon lisääntynyt mukavuus, päästötön rullaus, energian talteenotto, osittain sähköinen ajo, esimerkiksi sähköinen pysäköinti ja ohjaus, sekä lisääntynyt suorituskyky polttomoottorin sähköisen tuen ansiosta.

Tämä mahdollistaa täysin sähköisen ajamisen, jolloin polttomoottori pysyy pidempään sammutettuna, esimerkiksi ajettaessa hitaasti kaupungissa tai liikenteen liikkuessa hitaasti kaupungin ulkopuolisilla teillä tai lähestyttäessä seuraavaa kaupunkia. Lisäksi auton käynnistysvaste paranee merkittävästi ja on spontaanimpi, koska PTG tuottaa jopa 230 Nm:n ajovääntömomentin jo alhaisilla nopeuksilla. Tämä johtaa huomattavasti parempaan reagointikykyyn, mikä tarkoittaa selvästi havaittavaa ketteryyden lisääntymistä erityisesti ensimmäisten metrien aikana liikkeelle lähdettäessä.

Voimansiirtogeneraattori voi tukea polttomoottoria nopeuksilla 0 km/h–140 km/h. Tämä tarkoittaa, että MHEV plus tarjoaa jopa 18 kW:n lisäsähkötehon, jolloin polttomoottori voi toimia mahdollisimman tehokkaasti. Tällä nopeusalueella voimansiirtogeneraattori voi myös rekuperoida jopa 25 kW:n teholla jarrutuksen aikana, kunnes auto on lähes pysähtynyt. Jarrunohjausjärjestelmä varmistaa paineettoman jarrutuksen ja optimaalisen regeneratiivisen jarrutuksen yleensä ilman kitkajarrujen käyttöä. Sähköisen ilmastointikompressorin ansiosta MHEV plus mahdollistaa myös ilmastointijärjestelmän jatkuvan toiminnan, vaikka polttomoottori olisi sammutettuna, esimerkiksi pysähtyneenä punaisissa valoissa.

Käynnistyslaturi, litiumioniakku ja Integroitu jarrunohjausjärjestelmä: ihanteellinen yhdistelmä

Osana MHEV plus -teknologiaa käynnistyslaturi vastaa moottorin käynnistämisestä ja sähköenergian toimittamisesta akkuun. Hihnakäytöllä on akustisia etuja perinteiseen starttimoottoriin verrattuna, ja se saavuttaa korkeamman käynnistysnopeuden polttomoottorille. Tämä johtaa pienempään kulutukseen ja suurempaan käynnistysmukavuuteen. Käynnistyslaturi voi myös ottaa talteen moottorin energiaa, kun se on sammutettuna, ja asettaa sylinterit optimaaliseen asentoon uudelleenkäynnistystä varten.

Litiumrautafosfaatista valmistetusta litiumioniakulla on 37 ampeeritunnin varastointikapasiteetti, mikä vastaa hieman alle 1,7 kWh (brutto). Sen enimmäispurkausteho on 24 kW. Saatavuus-, teho- ja vääntömomenttivaatimusten vuoksi akku on integroitu matalan lämpötilan vesijäähdytyspiiriin, joka varmistaa optimaaliset olosuhteet 25–60 asteen lämpötila-alueella. Tämä on ensimmäinen kerta, kun Audi käyttää LFP-akkua kevythybridijärjestelmissään.

Integroitu jarrunohjausjärjestelmä (iBRS) on tärkeässä roolissa energian talteenotossa. MHEV plus -teknologialla varustetuissa malleissa iBRS varmistaa paineettoman jarrutuksen ja saavuttaa tarvittavan hidastuvuuden regeneratiivisen jarrutuksen kautta ilman mekaanisen jarrun käyttöä. Mekaanisia jarruja käytetään vain, kun jarrupoljinta painetaan voimakkaammin. Tämä ei vaikuta jarrutuntumaan.

Kehittynyt MHEV plus -käyttöstrategia

Hybridijärjestelmässä nyrkkisääntönä on, että 50–60 prosenttiin ladattu akku toimii tehokkaimmin, koska se voi toimittaa suuria virtoja sähkömoottorille ja varastoida suuria latausvirtoja energian talteenoton aikana. Hybridijärjestelmän painopiste ei ole sähköisessä toimintamatkassa, vaan akun purkamisessa ja lataamisessa nopeissa sykleissä. Tämä mahdollistaa mahdollisimman suuren energian talteenoton ja sen nopean uudelleenkäytön tehokkaasti ajossa.

MHEV plus -teknologian avulla ohjelmisto arvioi auton käyttötilan optimaalisen vuorovaikutuksen saavuttamiseksi polttomoottorin, voimansiirtogeneraattorin ja käynnistyslaturin välillä. Tähän tarkoitukseen on tallennettu ominaisarvot kahden sähkömoottorin optimaaliseen käyttöön ja halutut vääntömomenttitasot voimanlähteelle tai energian talteenotolle. Myös akun varaustila otetaan huomioon. Tavoitteena on vakaa toiminta – ja ohjausjärjestelmä saavuttaa erilaisia tuloksia tilanteesta riippuen. Tämä johtuu siitä, että lisäsähkömoottoreiden käyttöstrategia on optimoitu kullekin polttomoottorille. Tuloksena on mahdollisimman alhainen kulutus ilman kompromisseja ajodynamiikassa.

Käyttöstrategia ottaa huomioon valitun vaihdetilan ja kaasupolkimen moduloinnin. Esimerkiksi vaihteiston D-tilassa voimansiirtogeneraattorin täydellinen lisäsähköteho, enintään 18 kW, otetaan käyttöön vasta noin 80 prosentin kaasupolkimen tai kickdownin kohdalla. Vaihteiston S-tilassa 18 kW:n lisäteho on jo käytettävissä alhaisemmilla kaasupolkimen arvoilla. D-tilassa PTG voidaan irrottaa 85 km/h nopeudesta alkaen, jotta vältetään sähköiset häviöt voimansiirtogeneraattorin sähkömoottorissa ajettaessa tasaisella nopeudella polttomoottorilla moottoriteillä ja kaupungin ulkopuolisilla teillä. S-tilassa PTG pysyy kuitenkin kytkettynä enimmäiskäyttönopeuteensa 5 550 rpm asti, jotta saavutetaan spontaani reagointikyky milloin tahansa.

Vaihteiston D ja S-tilojen osalta käyttöstrategia eroaa erityisesti 48 voltin akun tavoitevaraustilan (SoC) suhteen. D-tilassa keskimääräinen SoC 50–55 prosenttia tarjoaa optimaalisen tasapainon, jotta sähkömoottorin tuki polttomoottorille ja osittain sähköinen ajo ovat riittävästi käytettävissä. Tämä SoC riittää myös varastoimaan suuria määriä talteenotettua energiaa, joka syntyy lempeistä ja pidemmistä jarrutusvaiheista liikennevaloissa tai kaupunkeihin tultaessa. S-tilassa korkeampi tavoitevaraustila, noin 70 prosenttia, varmistaa suuremman määrän käytettävissä olevaa energiaa polttomoottorin sähköiseen tukeen urheilullisempaa ajoa varten. Kuten odotettua, urheilullinen ajo sisältää lyhyempiä ja intensiivisempiä jarrutusvaiheita, mikä tarkoittaa, että talteenotettavaa energiaa on vähemmän.

Voimansiirtogeneraattorin käyttö tarjoaa myös etuja ajodynamiikan suhteen, koska lisätty ja välittömästi käytettävissä oleva vääntömomentti tarkoittaa, että auto voi reagoida spontaanimmin kuormitusmuutoksiin ja kiihdyttää ketterämmin ulos mutkista. Kuormitusmuutoksen tyyppiä moduloidaan myös eri tavalla D- ja S-tiloissa, jotta D-tilassa saavutetaan mukavampi käsittely ja S-tilassa reagoivampi, dynaamisempi käsittely.

MHEV plus -teknologialla varustetut mallit voivat myös toimia täysin sähköisesti, esimerkiksi lähestyttäessä kaupunkia, ja voivat sitten ylläpitää nopeutta voimansiirtogeneraattorin avulla. Jos kuljettajan tai mukautuvan vakionopeudensäätimen (ACC) vaatima teho ylittää tietyn arvon, polttomoottori käynnistyy ja ottaa vetovastuun. Käynnistyskynnys riippuu 48 voltin akun nykyisestä SoC:sta ja auton nopeudesta.

Jos nykyinen SoC on alle tavoitevaraustilan, polttomoottori käynnistyy aikaisemmin. Tämä johtuu toisaalta siitä, että vältetään lisäenergian kulutus sähköiseen ajoon ja siten SoC:n laskeminen entisestään. Toisaalta polttomoottori voi tarvittaessa lisätä SoC:ta lisäämällä tehoa yhdessä käynnistyslaturin ja voimansiirtogeneraattorin kanssa – toisin sanoen ladata akun uudelleen. Tämä ei koske sähköistä ohjausta, hitaasti liikkuvassa liikenteessä ryömimistä tai pysäköintiä, jotka voidaan ylläpitää huomattavasti alhaisemmalla varaustilalla.

Jos nykyinen SoC on yli tavoitevaraustilan, polttomoottori käynnistyy myöhemmin – kun tehontarve on hieman suurempi. Näin 48 voltin akku purkautuu kohti tavoitevaraustilaa, jotta se voi absorboida tarpeeksi energiaa tulevien energian talteenottovaiheiden aikana. Auton nopeuden kasvaessa kynnys pyytää tehoa polttomoottorilta pienenee. Yksinkertaisesti sanottuna tämä tarkoittaa, että mitä suurempi nopeus, sitä enemmän polttomoottoria käytetään.

Voimansiirron tehokkuuden parannukset parantavat huomattavasti auton kokonaistoimintamatkaa. Tämä tekee MHEV plus -teknologialla varustetuista autoista huomattavasti sopivampia pitkän matkan ajoon ja tekee näistä matkoista paljon mukavampia.