Война гибридов

Полгода назад мой приятель, что называется, по случаю приобрёл гибридный автомобиль Toyota Prius. До этого он ездил на бензиновой Mazda, которая постоянно требовала техобслуживания, а топлива потребляла больше десяти литров на сотню километров. Знаменитый Prius, начальная цена которого у нас больше миллиона рублей, приятель купил почти вдвое дешевле. Столько запросили в одном из автосалонов из-за пробега в пятьдесят тысяч километров. Как оказалось, Prius был одним из гибридов из гаража столичной мэрии, которая закупила их в начале века и теперь распродавала за ненадобностью.

Видимо, при градоначальнике-пчеловоде, имевшем патенты во многих отраслях техники, нельзя было не продемонстрировать приверженность экологии. Всё должно было быть, как в лучших мэриях мира.

Рис. 1. В Toyota Prius установлены две электрические
машины. Одна работает как мотор, другая – как
электрогенератор. Фото из пресс-материалов Toyota.

Но японский Prius – это автомобиль для практичных людей среднего класса, считающих свои собственные деньги, потраченные на горючее и ремонт. В нём нет шикарных и просторных диванов, на которых расслабляются в пути наши чиновники. Не стал этот тихий автомобиль и предметом мечтаний крутых пацанов, которые любят внушительный вид внедорожников и рык мощных моторов BMW или Audi. Обычная публика в автосалоне за мэрскими автомобилями тоже не давилась. Видимо, в силу неосведомлённости о плюсах гибридизации.

Теперь мой знакомый с гордостью демонстрирует окружающим показания приборов своего автомобиля. Его гибрид тратит четыре с половиной – пять с половиной литров бензина на сотню километров. Радостной неожиданностью оказалось и ненужность серьёзных вложений на обслуживание.

В описанной ситуации отразились многие проблемы, типичные для рынка гибридных автомобилей. О них – чуть ниже, а пока – об основополагающих принципах.

Мичуринские идеи

Бензин нынче дорог. Не только в нашей энергетической сверхдержаве, но и в импортирующих энергоносители странах. И, что самое неприятное, продолжает дорожать. Поэтому использовать его лучше экономно. Именно эти соображения, а также всё возрастающие возможности и удешевление современных технологий, и привели к рождению гибридных автомобилей.

Идея гибридизации состоит в замене стандартного мотора на новую силовую установку, представляющую собой связку двух двигателей разного типа. Это могут быть симбиозы двигателя внутреннего сгорания, электромотора, гидравлического двигателя, пневмо- или гидроцилиндра, механического маховика. Наиболее распространены гибриды первых двух. Это, так сказать, большевики.

Почти во всех подобных конструкциях гибридная силовая установка включает в себя и дополнительный аккумулятор соответствующего вида энергии, электрическую батарею, например. В среднем двигатель внутреннего сгорания у большинства из них примерно вдвое мощнее электромотора.

Казалось бы, какой смысл городить такой огород, ведь всё равно исходное углеводородное топливо будет преобразовано в тягу автомобиля, да ещё через лишнее передаточное звено – электродвигатель?

Дело в том, что в гибридных силовых установках двигатель внутреннего сгорания может работать в оптимальных для него по мощности либо экономии топлива режимах. Эти режимы не предполагают значительного изменения числа оборотов вала двигателя и усилия на нём, то есть скорости вращения и мощности. Именно их непостоянство, то есть перегазовки, ускорения, частые торможения, медленная езда и холостой ход в разы снижают и без того невысокий КПД обычных двигателей. При этом львиная доля бензина тратится впустую. Идея гибридизации очевидна, крейсерские режимы всегда выгоднее форсажных.

Это, однако, в идеале. В реальности двигатель соединён с колёсами через или совместно с особым электромотором, который иногда также может брать на себя функции трансмиссии и коробки переключения передач. Конструкции гибридов современных производителей очень разнообразны и продолжают совершенствоваться, поэтому в оптимальном режиме двигатель будет работать ровно настолько, насколько это заложено в его электронные мозги.

Вопрос о доле участия каждого мотора в движении можно очень точно решить с помощью современной электроники, которая будет включать двигатель и мотор по заданной программе в зависимости от условий движения. Эта программа может быть очень разной в зависимости от основного назначения гибридного автомобиля – минимум загрязнений окружающей среды либо максимальная экономия топлива. Но и первые тоже существенно экономят топливо. В среднем большинство режимов движения гибрида оказывается ближе к рабочему оптимуму его двигателя внутреннего сгорания, чем у обычного авто.

Меньший износ гибрида связан с меньшей удельной энергонагруженностью всей его силовой установки из–за сниженной по сравнению с бензиновыми собратьями мощности двигателя внутреннего сгорания. Кроме этого, современная электрика и электроника более надёжны, чем механика.

Плюсы гибридизации

Гибридные автомобили наиболее приспособлены для городского цикла движения. Они имеют улучшенную аэродинамику и шины с низким сопротивлением качению, автоматически выключают двигатели при остановке, многие вспомогательные системы у них сделаны электрическими, а не механическими.

Существенная экономия топлива достигается потому, что КПД электромотора во всём диапазоне рабочих параметров в разы больше максимального КПД обычного двигателя внутреннего сгорания, а электромеханические трансмиссии более адаптивны и эластичны по режимам движения и их эффективность выше чисто механических. Управление всеми процессами, и даже перепрограммирование автомобиля на разные режимы, осуществляется электронно, а не механически. Делается это простым нажатием кнопки или прикосновением к сенсорному дисплею на панели приборов.

Значительный энерговклад также вносит и возможность возвращения энергии при торможении. При такой рекуперации электродвигатель играет роль тормоза. Он становится электрогенератором и с тем же высоким КПД возвращает аккумулятору энергию движения автомобиля. Первый гибридный авто с тормозной рекуперацией три с лишним десятилетия назад построил американский инженер Дэвид Артурс (David Arthurs). Он переоборудовал свой Opel GT.

Но здесь тоже не всё просто. Энергию резкого торможения надо ещё суметь быстро перевести в депо. Узким горлом для энергопотока оказывается скорость зарядки аккумуляторных батарей. Суммарная эффективность такой передачи иногда не превышает одной трети. Поэтому разрабатываются и альтернативные системы рекуперации, например, гидравлические. Не так давно появились энергоёмкие и быстро заряжаемые электрические суперконденсаторы. В них скорость зарядки не ограничена химическими процессами, как в аккумуляторах.

Несколько лет назад для гибридных авто были адаптированы литий-ионные аккумуляторы, хорошо всем знакомые по сотовым телефонам. По сравнению со свинцово-кислотными они в два-три раза более ёмки и во столько же легче. У литиевых батарей отсутствует эффект памяти, они дают напряжение, более чем в три раза выше металлогидридных. Выше и выдаваемая ими удельная мощность, меньше токи утечки. Время их жизни примерно равно времени эксплуатации всего гибридного автомобиля. В производстве литиевых батарей лидирует японцы, фирма Hitachi.

Из-за снижения вредности выхлопа гибридного авто экология сильно выигрывает. Доля вредных эмиссий сегодняшних гибридов даже ниже пяти тонн углекислого газа за время жизни среднего автомобиля, рекомендованных Агентством по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency). Три самые распространённые гибридные модели Honda Civic, Honda Insight и Toyota Prius выбрасывают 4,1, 3,5, 3,5 тонны диоксида углерода соответственно. Что касается смогообразующих загрязнений, то их выброс у гибридов ещё меньше, до 90 процентов ниже обычного.

Классификация

Типологию современных гибридных автомобилей нельзя назвать устоявшейся. Классифицируют их по разным критериям. Это тип топлива, конструкции силовой установки и трансмиссии, режимы работы, доля участия разных моторов в движении.

Прежде всего гибриды делятся на параллельные и последовательные. В параллельных схемах электромотор, обычно единственный, и двигатель внутреннего сгорания вместе подключены к механической трансмиссии и могут одновременно передавать усилие на колёса. Двигатель используется и для зарядки электроаккумулятора. Двигатель и электромотор обычно соединяются с коробкой передач автоматическими сцеплениями. При этом в режиме параллельной работы двигатель и электромотор вращаются с одинаковой скоростью. Такие схемы наиболее эффективны на больших скоростях.

Обычно мощность электромотора не превышает нескольких десятков лошадиных сил. Вместе с небольшим аккумулятором это не даёт возможности начать движение только на электротяге. Гибрид Honda Insight был первым массовым параллельным гибридом. Сегодня таковы трансмиссии Honda, установленные на моделях Civic, Accord, или система Chevrolet Malibu от General Motors.

В последовательных схемах двигатель внутреннего сгорания крутит электрогенератор, который нагружен на тяговый электромотор и/или заряжает питающие его аккумуляторы. Механической связи между двигателем и электромотором нет. Последовательные силовые установки обычно имеют меньшие, чем у параллельных, двигатели, но бОльшие батареи. Это удорожает их, но делает более приспособленными для городского режима движения. Последовательные гибриды приспособлены к малым скоростям. Двигатель оптимизирован для работы с электрогенератором, когда энергии батарей недостаточно для движения. На последовательном гибриде удобно установить и тяговые мотор-колёса.

Рис. 1. Chevrolet Volt, модель 2011 года. Это гибрид с последовательной схемой – двигатель внутреннего сгорания крутит электрогенератор. Фото из пресс-материалов Chevrolet.

Пример такой силовой установки даёт широко рекламируемый выпущенный в прошлом году Chevrolet Volt от General Motors, аккумуляторы которого можно заряжать и от обычной электросети. На них он может пробежать до 35 километров. Компания производитель позиционирует Volt как электромобиль с бензогенератором, увеличивающим дальность пробега. Гибрид Volt, предназначенный для США, Бразилии, Швеции, даже подвинул на второе место Prius, самый эффективный до него по использованию топлива из продаваемых в США.

Бывают и конструкции, совмещающие оба схемных принципа и обладающие преимуществами обоих. Это системы с разделением потока мощности, параллельно-последовательные. Усилие двух моторов может быть в разных пропорциях совмещено для передачи на колёса с помощью делителя мощности в виде планетарной передачи. Она позволяет менять вклад каждого мотора в движение от нулевого до полного. При движении по шоссе главный источник мощности – это обычно двигатель внутреннего сгорания. Электромотор лишь помогает ему при ускорении. В городском цикле до некоторой скорости он обычно выключен.

Электромотор может работать и как генератор и заряжать аккумуляторы. И всё же в современных моделях гибридных автомобилей, построенных по наиболее популярной схеме с разделяющимся потоком мощности, обычно установлены две электрические машины. Одна из них работает как мотор, другая – как электрогенератор. Так устроены Toyota Prius, Ford Escape, Lexus RX400h, RX 450h, GS450h, LS600h и другие гибриды от Nissan, Ford, GM Chrysler.

Другая, пересекающаяся с описанной выше классификация гибридных авто подразделяет их по степени гибридизации. Она делит их на неполные и полные, иногда называемые сильными. Полные гибридные автомобили могут перемещаться только на двигателе внутреннего сгорания или только на аккумуляторных батареях. К ним относят силовые установки фирмы Ford, систему Hybrid Synergy Drive от Toyota, технологию Two Mode Hybrid от General Motors и Chrysler. Фактически полные гибриды могут двигаться в режиме электромобиля, но для этого их оборудуют дорогими и энергоёмкими батареями. Обычно трансмиссия с разделением мощности позволяет полным гибридам гибко регулировать доли вкладов мотора и двигателя, правда, за счёт сложности конструкции. Таковы, например, Toyota Prius, Ford Escape и Ford Fusion.

На своём слабом, в несколько десятков лошадей, электромоторе неполный гибрид не может передвигаться как электромобиль. Фактически, неполный гибрид – это обычный автомобиль с очень большим стартером, позволяющим быстро глушить и надёжно запускать двигатель, когда это требуется. Соответственно его не хватает, чтобы полностью использовать все преимущества гибридизации.

Обычно мотор, установленный между двигателем и трансмиссией, добавляет мощности при разгоне и рекуперирует энергию при торможении. Экономия топлива не превышает пары десятков процентов. Однако и сложность конструкции, и мощность электромотора, и цена аккумуляторов ниже.

Рис. 2. Chevrolet Silverado, модель 2005 года – неполный гибрид. Фото из пресс-материалов Chevrolet.

Отличный пример неполного гибрида – это полноразмерный пикап Chevrolret Silverado 2005–2007 годов, экономивший десятую долю топлива на рекуперации и выключении мотора. К параллельным неполным гибридам относятся Honda Civic, Honda Insight, Mercedes Benz S400, BMW 7-series Hybrid, Smart for Two Hybrid.

Особо интересный подтип гибридных автомобилей так называемые плагин-гибриды. Их можно подключать к обычной электросети, таким образом, «заправлять» электроэнергией дома, а не бензином на АЗС. Обычно это параллельные или последовательные гибриды с увеличенной ёмкостью батарей, чаще литий-ионных. Плагин имеет и значительно больший автономный пробег, чем его гибридный прародитель.

Этот гибридный тип позволяет не только серьёзно сэкономить на топливе, но и резко снизить затраты на амортизацию двигателя и вредные выбросы. Последние в этом случае частью ложатся на совесть энергокомпании. Заметим, что сегодня в мире электроэнергия для частных потребителей повсеместно дешевле углеводородного топлива. В Японии, например, ночной тариф на электроэнергию почти на порядок меньше дневного. В нашей стране ночной тариф ниже в разы.

Продолжение следует.

Источник(и):

1. Наука и технологии РФ