Многоликие гибриды
Гибридный автомобиль (Hybrid Electric Vehicle, HEV, он же Hybrid Vehicle, HV) - это автомобиль, обладающий как минимум двумя источниками энергии и, соответственно, двумя разными её преобразователями в кинетическую энергию.
Крупинки истории
Многим это покажется удивительным, но первый гибридный автомобиль был разработан и построен в Австрии в далёком 1901 г. не кем иным, как знаменитым конструктором Фердинандом Порше, и назывался он Lohner-Porsche Mixtewagen Semper Vivus (два последних слова на латыни означают «вечно живой»).
В США «отцом» гибридных автомобилей можно считать Виктора Воука, который начал разрабатывать их в 1960-1970 гг.
В 1980 г. компания Volvo проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этой идеи отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.
В Советском Союзе гибридные автомобили разрабатывались, в частности, под руководством Нурбея Гулиа. В прототипе, созданном им на базе грузовика УАЗ-450, накопителем энергии служил маховик, а трансмиссией - ленточный вариатор. Экономия топлива составила около 45%. В 1972-1973 гг. под руководством Н. Гулиа испытывались городские автобусы с маховичными гибридными агрегатами и вариаторами. Расход топлива снижался примерно вдвое, а токсичность выхлопов - в несколько раз. Однако эти технологии не были востребованы советским автопромом.
В самом конце XX века компания Toyota выпустила первый серийный гибридный автомобиль Toyota Prius. В мире легковых гибридов эта марка, пожалуй, самая популярная. Сегодня варианты массовых моделей авто с гибридной силовой установкой есть почти у всех крупнейших автопроизводителей.
Гибриды различают по схемным решениям (параллельный, последовательный, комбинированный или разветвлённый) и степени электрификации (микро-, средний, полный гибрид). Если автомобиль может не только использовать энергию моторного топлива, но и заряжаться от электросети, его называют подключаемым гибридом (Plug-In-Hybrid, PHEV).
Работаем вместе
В параллельных гибридах как двигатель внутреннего сгорания (ДВС), так и электродвигатель механически подключены к трансмиссии через дифференциал. При работающем ДВС электродвигатель может использоваться как генератор, подзаряжающий аккумуляторную батарею (АКБ), а может и «помогать» ДВС, увеличивая общую мощность и крутящий момент, например, при разгоне. Это позволяет уменьшить размеры и мощности обоих двигателей.
Соблюдаем субординацию
В случае последовательного гибрида с трансмиссией соединён только электродвигатель (или несколько электродвигателей, размещённых в ступицах ведущих колёс, - в этом случае коробка передач отсутствует). ДВС приводит в действие электрогенератор, который выдаёт напряжение на электродвигатель и заряжает АКБ. Такая схема издавна применяется, например, на сверхмощных карьерных самосвалах. При заряженной АКБ последовательный гибрид может вообще не использовать ДВС, поэтому его также называют электромобилем с увеличенным запасом хода (Range-Extender).
Валим всё в кучу
Комбинированный (разветвлённый) гибрид представляет собой сочетание параллельной и последовательной схем. ДВС непосредственно соединяется с приводом или вращает генератор, с помощью АКБ обеспечивая питание для электродвигателя. Режимы работы задаёт компьютерный контроллер.
Есть ли у вас розетка?
В подключаемых гибридах АКБ может заряжаться не только от ДВС, но и от сети. При поездках на небольшие расстояния автомобиль может работать на чистом электричестве, не тратя моторного топлива. К гибридам такого типа относится модель Chevrolet Volt, выпускаемая компанией General Motors с 2010 г. Машина способна проехать на электротяге до 65 км, а при полном баке запас хода достигает 1000 км.
Видимо, не доросли
Несмотря на то, что так называемые микрогибриды, оснащённые системой рекуперации энергии торможения и старт-стопной автоматикой, значительно экономят топливо и снижают токсичные выбросы в атмосферу, привод у них традиционный. Поэтому в узком смысле слова они не являются гибридными автомобилями.
В качестве примера можно привести систему Valeo i-StARS. Она может выключать двигатель ещё до полной остановки автомобиля, то есть когда скорость упадёт ниже 8 км/ч (для случая автоматической коробки передач) или 20 км/ч (для механической коробки передач). Тем самым оптимизируется расход топлива и упрощается вождение автомобиля. Как только водитель снимает ногу с педали акселератора и начинает притормаживать, система отправляет сигнал на стартёр-генератор, который преобразует кинетическую энергию автомобиля в электрическую, запасаемую в АКБ. Так сокращается расход топлива.
Золотая середина?
Средний гибрид, также называемый мягким (mild), не способен ехать только на электротяге. Электродвигатель лишь помогает ДВС. Энергия для питания электродвигателя может накапливаться, например, при торможении. В обычных автомобилях при торможении кинетическая энергия движения идёт на нагрев тормозных дисков, после чего тепло безвозвратно уходит в атмосферу. В среднегибридных же авто кинетическая энергия преобразуется генератором и накапливается в высоковольтной (чаще всего 48-вольтовой) АКБ.
Одно из преимуществ подобных автомобилей заключается в том, что ДВС, который отдаёт максимальную мощность и крутящий момент только на средних и высоких оборотах, комбинируется с электродвигателем, эффективно работающим при любых скоростях вращения. Поэтому «мягкая» гибридная система может рассматриваться как усилитель мощности и эффективности ДВС. Кроме того, она позволяет уменьшить мощность ДВС, снизив расход топлива и токсичные выбросы.
Типичные примеры силовых агрегатов для средних гибридов: Honda-IMA (Internal Motor Assist) и Mercedes S400 HYBRID.
Компания Delphi Automotive предложила удачную 48-вольтовую архитектуру для построения средних гибридов (см. рис.). В ней применена параллельная схема с использованием стартёра-генератора и электронасоса, устраняющего «турбояму» ДВС. На демонстрационном автомобиле Honda Civic система Delphi позволила снизить выбросы CO2 более чем на 10% и на 25% увеличить крутящий момент на низких оборотах.
По некоторым прогнозам, в 2025 г. каждый десятый продаваемый в мире автомобиль будет 48-вольтовым средним гибридом. Речь идёт о производстве 11 млн машин в год - а это более половины от ожидаемого объёма рынка дизельных автомобилей.
Бескомпромиссный вариант
Полный гибрид может ехать исключительно на электротяге. Различают разветвлённую, комбинированную и последовательную схемы полного гибрида.
Последнюю имеет самый маленький автомобиль компании Audi - А1 e-tron. Он оснащён электродвигателем мощностью 75 кВт/102 л. с. с предельным крутящим моментом 240 Нм. Запас хода А1 при работе только на электричестве - 50 км. Если литий-ионный аккумулятор, установленный перед задним мостом, разряжен, в работу включаются небольшой ДВС с электрогенератором.
Другой вариант полного гибрида - BMW Х6 ActiveHybrid. Здесь два мощных электромотора (67 кВт/91 л. с. и 63 кВт/86 л. с.) размещены внутри корпуса активной двухрежимной трансмиссии размерами, как у обычной автоматической коробки передач. В зависимости от дорожной ситуации автомобиль приводится в движение электродвигателями, ДВС или и теми, и другим.
При малой скорости движения используются только электродвигатели, обеспечивая значительную экономию топлива, а также создавая высокий крутящий момент. При высокой скорости подключается ДВС, который в этом режиме обеспечивает хорошие КПД и топливную эффективность. В этом режиме электрические машины работают по-разному и, наряду с электротягой и генерацией, отвечают, в частности, за эффективное переключение передач.
Миграция агрегатов
Типичная проблема гибридов - привод вспомогательных агрегатов, которые в обычном авто приводятся во вращение от вала ДВС. Вакуумный насос усилителя тормозной системы, гидроусилитель рулевого управления, компрессор кондиционера должны продолжать работать при остановке ДВС. Все эти элементы необходимо перевести на электропривод.
Читайте другие наши материалы
