Гибридным автомобилем называется транспортное средство, приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки. Отличительной особенностью гибридной силовой установки является использование двух и более источников энергии и соответствующим им двигателей, преобразующих энергию в механическую работу. В некоторых источниках информации используется термин "гибридный двигатель", который с технической точки зрения неверен.
Первый серийный гибридный автомобиль Toyota Prius. Модель 1997 года.
Несмотря на многообразие источников энергии (тепловая энергия бензина или дизельного топлива, электроэнергия, энергия сжатого воздуха, энергия сжатого сжиженного газа, солнечная энергия, энергия ветра и др.) в промышленном масштабе на гибридных автомобилях используется комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.
Главное преимущество гибридного автомобиля заключается в существенном сокращении расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу, которое достигается:
1) согласованной работе ДВС и электродвигателя;
2) применением аккумуляторов большой емкости;
3) использованием энергии торможения, т.н. рекуперативное торможение, преобразующее кинетическую энергию движения в электроэнергию.
Вместе с тем, в гибридных автомобилях используется множество других инновационных разработок, позволяющих экономить топливо и беречь атмосферу, в том числе:
1) система изменения фаз газораспределения;
2) система стоп-старт;
3) система рециркуляции отработавших газов;
4) система подогрева охлаждающей жидкости отработавшими газами;
5) улучшенная аэродинамика;
6) электропривод вспомогательных устройств (водяного насоса, климатической установки, усилителя руля и др.);
7) шины с пониженным сопротивлением качению.
Необходимо отметить, что больший эффект от гибридных автомобилей наблюдается при движении в городском цикле, который характеризуется частыми остановками, работой в режиме холостого хода. При движении с постоянной высокой скоростью (загородный цикл) гибриды не так эффективны.
В зависимости от характера взаимодействия двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя различают следующие схемы гибридных силовых установок:
1) последовательная схема;
2) параллельная схема;
3) последовательно-параллельная схема.
Последовательная схема гибридного автомобиля
При последовательной схеме автомобиль приводится в движение от электродвигателя. Двигатель внутреннего сгорания соединен только с генератором, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею.
В гибридном автомобиле с последовательной схемой силовой установки, как правило, предусматривается возможность подключения к электрической сети по окончании поездки. Такие автомобили носят название Plug-in Hybrid (дословно - подключаемый гибрид). Реализация данной функции предполагает использование аккумуляторов увеличенной емкости (литий-ионные аккумуляторы), приводит к сокращению использования ДВС и соответственно снижению вредных выбросов.
Представителями Plug-in Hybrid являются автомобили Chevrolet Volt, Opel Ampera. Их еще называют электромобилями с увеличенным радиусом действия (Extended Range Electric Vehicle, EREV). Эти автомобили имеют возможность движения до 60 км на энергии аккумуляторов и до 500 км на энергии генератора, приводимого в действие ДВС.
Параллельная схема гибридного автомобиля
В параллельной схеме электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания устанавливаются таким образом, что могут работать как самостоятельно, так и совместно. Это достигается путем соединения ДВС, электродвигателя и коробки передач с помощью автоматически управляемых муфт.
Гибридные автомобили, использующие параллельную схему, носят название Mild Hybrid (дословно - умеренный гибрид). В них используется электродвигатель малой мощности (порядка 20 кВт), который обеспечивает, как правило, дополнительную мощность при ускорении автомобиля. В большинстве конструкций электродвигатель, расположенный между ДВС и коробкой передач, выполняет также функцию стартера и генератора.
Известными гибридными автомобилями с параллельной схемой являются Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Elantra Hybrid. Пионером в данной области является Honda и ее система Integrated Motor Assist, IMA (дословно – интегрированный помощник двигателя).
При работе системы IMA можно выделить следующие характерные режимы:
1) Работа от электродвигателя.
2)Совместная работа ДВС и электродвигателя.
3)Работа от ДВС с одновременной зарядкой аккумулятора от электродвигателя в режиме генератора.
4)Зарядка аккумуляторной батареи в режиме рекуперативного торможения.
Последовательно-параллельная схема гибридного автомобиля
При последовательно-параллельной схеме двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель соединены через планетарный редуктор. При этом мощность каждого из двигателей может передаваться на ведущие колеса одновременно в соотношении от 0 до 100% от номинальной мощности. В отличие от параллельной схемы в последовательно-параллельную схему добавлен генератор, обеспечивающий энергией работу электродвигателя.
Lexus RX 400h.
Гибридные автомобили, использующие последовательно-параллельную схему, носят название Full Hybrid(дословно - полный гибрид). Известными полными гибридами являются автомобили Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid. В этом сегменте рынка гибридных автомобилей господствует компания Toyota и ее система Hybrid Synergy Drive, HSD.
Силовая установка системы HSD представляет собой:
1) двигатель внутреннего сгорания, соединенный с водило планетарного редуктора;
2) электродвигатель, соединенный с коронной шестерней планетарного редуктора;
3) генератор, соединенный с солнечной шестерней планетарного редуктора.
Двигатель внутреннего сгорания работает по циклу Аткинсона, при котором реализуются посредственные мощностные показатели на низких оборотах, соответственно достигается большая топливная экономичность и меньшие вредные выбросы.
В работе системы Hybrid Synergy Drive выделяются следующие режимы:
1) Режим электромобиля, при котором ДВС выключен, а аккумуляторная батарея питает электродвигатель.
2) Режим движения с постоянной (крейсерской) скоростью, при котором мощность от ДВС распределяется между ведущими колесами и генератором. Генератор в свою очередь питает электродвигатель, мощность которого суммируется с мощностью ДВС. При необходимости производится зарядка аккумуляторной батареи.
3) Форсированный режим, при котором к ДВС присоединяется электродвигатель, питающийся от аккумуляторной батареи, обеспечивая импульс мощности.
4 )Экономичный режим, при котором аккумуляторная батарея питает генератор. Генератор преобразует электрическую энергию в механическую, замедляя вращение ДВС. При этом крутящий момент двигателя не уменьшается, а достигается топливная экономичность.
5) Режим торможения, при котором электродвигатель работает как генератор, а электроэнергия используется для вращения солнечной шестерни в противоположную сторону, замедляя скорость движения автомобиля.
6) Режим зарядки аккумулятора, осуществляющийся с помощью ДВС и генератора.
Типовы схем.
По методу подключения двигателей и накопителя к приводу:
1) Последовательная: по сути является модификацией электромеханической трансмиссии с добавлением промежуточного накопителя. Двигатель внутреннего сгорания механически соединён только с электрогенератором, а тяговый электродвигатель — только с колёсами.
2) Параллельная: и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель механически соединены с колёсами посредством дифференциала, который обеспечивает возможность как их работы по отдельности, так и совместно. Эта схема используется в автомобилях с Integrated Motor Assist (Honda). Характеризуется простотой (возможно применение вместе с механической коробкой передач) и низкой стоимостью.
3) Последовательно-параллельная: двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель механически связаны друг с другом и с колёсами посредством планетарного редуктора, что позволяет произвольно изменять потоки мощности между этими узлами. Схема реализована в автомобилях с Hybrid Synergy Drive (Toyota), например, Toyota Prius.
По типам накопителей:
Электрические:
1) На основе электрохимических аккумуляторов
2) На основе инерционных накопителей
Механические:
1) На основе пневматических аккумуляторов, гидроаккумуляторов с пневматическим накопителем.
2) На основе инерционных накопителей.
В качестве промежуточного накопителя, помимо аккумуляторных батарей, также могут использоваться батареи конденсаторов и ионисторы (суперконденсаторы). В случае применения накопителя энергии значительной ёмкости гибридный автомобиль имеет возможность двигаться без включения двигателя внутреннего сгорания — в «режиме электромобиля» (Chevrolet Volt). В случае, если зарядка накопителя может производиться не только от основного двигателя, но и от электрической сети, говорят о «подключаемом гибриде» (Plug-in Hybrid).
Главное преимущество гибридного автомобиля — снижение расхода топлива и вредных выхлопов, что достигается полной автоматизацией управления работой двигателей с помощью бортового компьютера — начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью немедленного возобновления движения без его запуска, исключительно на запасённой в накопителе энергии, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации — использование кинетической энергии движущегося автомобиля при торможении для зарядки накопителя при работе электродвигателя в режиме электрогенератора. Как и в случае с электромеханической трансмиссией, двигатель внутреннего сгорания, как правило, работает на оптимальных режимах.
Преимущества.
Экономная эксплуатация.
Основным движущим мотивом при разработке гибридных автомобилей послужило стремление повысить их экономичность, по возможности не жертвуя при этом остальными эксплуатационными характеристиками — скоростью, приёмистостью, пробегом на одной заправке. Экономия была достигнута, в том числе:
1) использованием двигателя внутреннего сгорания меньшей мощности и, соответственно, объёма;
2) работой двигателя в наиболее оптимальном режиме;
3) его полной остановкой вместо работы на холостом ходу
4) применением рекуперативного торможения с зарядкой аккумулятора (что попутно снижает износ тормозных колодок).
Постоянный контроль за работой всех систем гибридного автомобиля на их оптимальных режимах представляет собой весьма сложную задачу, решение которой не представлялось возможным до появления бортовых компьютеров.
Экологическая чистота.
Экологическая чистота гибридных автомобилей обусловлена, с одной стороны, снижением расхода углеводородного топлива; дополнительно её повышает полное отключение двигателя внутреннего сгорания при остановке автомобиля — в частности, в пробках. С другой стороны, применение батарей меньшей, чем в электромобилях, ёмкости — и, соответственно, размеров, — снижает остроту проблемы утилизации использованных аккумуляторов.
Улучшенные ходовые характеристики.
Двигатели для обычных автомобилей подбираются из расчёта пиковых нагрузок, в результате чего их полная мощность используется сравнительно редко, и является избыточной для значительной части времени их эксплуатации. В гибридных автомобилях в этом нет необходимости — в случае, когда тяговая нагрузка увеличивается, к энергии, вырабатываемой двигателю внутреннего сгорания мощности добавляется энергия, запасённая в батареях, — поэтому на них устанавливают двигатели меньшей мощности, которые при этом работают в наиболее благоприятном для себя режиме. Такое перераспределение мощностей в некоторых моделях гибридных автомобилей осушествляется непосредственно в электрической передаче, а в других — в трансмиссии с прямой передачей крутящего момента («гибридно-совместный привод»).
Увеличение дальности пробега.
Исключение половины заездов на заправочные станции, и даже большего количества таких заездов, при езде по городу, высвобождает у автовладельца некоторое количество времени.
Сохранение и повторное использование энергии.
Устранён один из главных недостатоков двигателя на углеродном топливе — невозможность возврата энергии обратно в углеродное топливо. Инженеры по транспорту давно пытались сохранить энергию движения при торможении, чтобы её повторно использовать. Например, применялись специальные конструкции с большим маховиком. Но только электрическую и гидравлическую энергию удаётся сохранить с минимальными потерями и достаточно дёшево. В качестве накопителя применяются аккумуляторы, гидроаккумуляторы и специальные конденсаторы.
Обычная заправка топливом.
У электромобилей пока есть один большой недостаток — необходимость зарядки аккумулятора. Процесс долгий и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом он становится непригодным для длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из наноматериалов до 80 % ёмкости за 5-15 минут.
У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеводородным топливом, тогда, когда это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.
В городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80 % времени работает в режиме электромобиля. В феврале 2006 года автолюбители из США смогли взломать электронную систему управления Toyota Prius и научились принудительно переключать автомобиль в режим электромобиля. Французская компания PSA Peugeot Citroen к 2010 году начнет серийное производство гибридных версий Peugeot 307 и Citroen C4. В автомобилях предусмотрен режим электромобиля на скоростях менее 50 км/ч. Водитель может по желанию включать режим электромобиля.
Недостатки.
Высокая сложность.
Гибридные автомобили имеют относительно больший вес, они сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт США говорит, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами.
Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не пыталась создать гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои усилия на разработке электромобилей.
Наиболее удачная на сегодня (2008) серийная разработка — Hybrid Synergy Drive компании Toyota.
Отсутствие трансмиссий.
Наиболее перспективные, механические, гибриды не могут на данном этапе составить конкуренцию электрическим гибридам. Основной проблемой является невозможность создания адаптивных трансмиссий, способных работать в широком диапазоне передаточных отношений (более 20).
Утилизация аккумуляторов.
Хоть и в меньшей степени, чем электромобили, гибридные автомобили подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал. В некоторых гибридных автомобилях аккумуляторы не предусмотрены (например, в ё-мобиле).
Подогрев салона.
Высокий КПД определяет малую побочную генерацию бросового тепла. В обычных автомобилях в зимнее время это тепло используют для обогрева салона. В гибридных автомобилях ДВС не глохнет, пока не нагреет салон до требуемой температуры, что, естественно, увеличивает расход топлива. В американских моделях Тойота Приус также используются электрические ТЭНы, которые питаются от высоковольтной батареи. Они не только обеспечивают тепло без излишней работы ДВС, но и позволяют нагревать салон сразу после холодного старта автомобиля, что позволяет всегда сохранять среднюю температуру в салоне.
Опасность для пешеходов.
Согласно исследованию американского Института по оценке ущерба на дорогах (англ. Highway Loss Data Institute), гибриды представляют повышенную опасность для пешеходов по сравнению с традиционными автомобилями из-за своей бесшумности при движении на электрической тяге. В частности, наезды гибридных автомобилей на пешеходов происходят на 20 % чаще, а степень урона выше. Для предотвращения подобных случаев гибридные автомобили могут оснащаться генератором звукового сигнала, при движении на небольших скоростях предупреждающим пешеходов о приближении автомобиля. Такими генераторами с 2010 года оснащаются гибриды Toyota Prius, но законодательные требования о наличию звукового генератора у гибридных и электрических машин в настоящее время существуют только в Японии. В конце 2011 президентом США было дано указание Национальной администрации безопасности дорожного движения в трёхлетний срок разработать аналогичные законодательные инициативы.