Автомобили с последовательным гибридом

Гибриды: дорога в будущее или взгляд назад

⇡#Классификация и определение гибридов

Мы уже разобрались с историей появления гибридных автомобилей, рассмотрели первые массовые модели и вплотную подошли к изучению современных предложений, однако так и не дали точного определения гибрида. Само слово «гибрид» было введено задолго до появления соответствующих транспортных средств. Определение происходит от латинского «hibrida», что означает «помесь». Этот перевод как нельзя точно передает суть гибрида. Раньше (впрочем, как и сегодня) так называли животных и растения, которые произошли от скрещивания разных пород и видов. При переходе к автомобильной тематике сущность почти не меняется. Гибрид – транспортное средство, которое имеет силовую установку смешанного типа. Зачастую под гибридным двигателем подразумевается интеграция ДВС и электромотора, однако это можно считать лишь частным случаем. Чем Honda FCX Clarity не гибрид? В этом автомобиле нет двигателя внутреннего сгорания, зато в наличии водородный и электрический двигатели. Таким образом, под гибридом можно подразумевать любое транспортное средство, в котором производить энергию могут как минимум два раздельных устройства, причем энергия эта может быть использована для приведения транспортного средства в движение. Поправка в конце обязательна, иначе гибридом становится любой современный автомобиль, ведь в каждом есть электрический генератор.

Теперь о классификации. Первая напрашивается сама — по типу силовой установки. Мы уже определили, что работать в паре с электромотором может не только ДВС. Когда-то это были паровые двигатели, сегодня можно встретить водородные. Даже велосипед с электромотором – гибрид, роль запасного источника энергии выполняет мускульная сила человека.

Второй принципиальный признак, позволяющий разделить гибридные транспортные средства по категориям, это тип взаимодействия двигателей. Сегодня различают последовательное, параллельное и последовательно-параллельное (смешанное) подключение. Аналогия с электротехникой и соединением проводников. Этот параметр является одним из важнейших в устройстве гибрида, от него зависят возможности и сам принцип функционирования, поэтому рассмотрим его достаточно подробно.

⇡#Параллельные гибриды

Гибридные автомобили с параллельным включением ДВС и электромотора имеют механическую связь между трансмиссией и обоими типами двигателей. Зачастую электромотор в таких автомобилях располагают непосредственно на коленчатом валу ДВС, хотя он может быть подключен к единой трансмиссии отдельным сцеплением или муфтой. В результате основной функционал возложен именно на двигатель внутреннего сгорания. Электромотор может включиться в работу, в этом случае мощность агрегатов будет суммироваться. Зарядка аккумуляторных батарей возможна как от ДВС, так и в рекуперативном режиме. Роль генератора выполняет электромотор, он же зачастую заменяет стартер. Основной плюс гибридов с параллельным включением – экономичность.

Недостатки параллельного включения вытекают прямо из его особенностей. Если электромотор расположен на коленчатом валу, то без использования ДВС автомобиль не сможет поехать. То есть о передвижении в режиме электрокара речи идти не может. Плюс к этому даже если функционирование электромотора не требуется, его ротор будет вращаться. Исключение – автомобили с интегрированным дополнительным сцеплением. Для совмещения крутящего момента от двух источников в этом случае используется дифференциал.

Красноречивым примером параллельного гибрида может служить Honda Insight. С момента появления в 1999 году внешний вид автомобиля значительно изменился, внесены и инженерные нововведения, но схема функционирования осталась неизменной.

⇡#Последовательные гибриды

Последовательные гибриды располагаются несколько ближе к электрокарам, хотя без двигателя внутреннего сгорания они тоже далеко не уедут. В отличие от параллельного включения ДВС и электромотора, рассмотренного нами выше, в данной связке бензиновый двигатель не имеет какой-либо связи с колесами. Функционал очень близок к электрокару, ведь именно электромотор приводит автомобиль в движение. Двигатель внутреннего сгорания в данном случае лишь заряжает аккумуляторные батареи. В итоге последовательные гибриды сохранили черты как электрокаров, так и автомобилей с ДВС: они по-прежнему могут преодолевать большие расстояния, процесс заправки прост и быстр, но экономия топлива в городских пробках и рекуперативное торможение значительно повышают эффективность. Существенный недостаток параллельных гибридов – мощность электромотора и ДВС невозможно сложить, а в случае полной разрядки аккумуляторных батарей продолжать поездку некоторое время нельзя: требуется время для зарядки.

В скором времени начнется производство активно продвигаемого Chevrolet Volt. Это последовательный гибрид в чистом виде. Приживется ли такой тип автомобилей в США – большой вопрос.

Довольно значительно от последовательного и параллельного включения двигателей отличается устройство самого популярного гибридного автомобиля – Toyota Prius. Тут нет механической и автоматической КПП, не найти и вариаторную трансмиссию. Передачу крутящего момента осуществляет планетарная передача. Японцы не изобрели эту конструкцию, она уже давно применяется в различных сферах индустрии. В том числе автомобильной, ведь гидротрансформаторные АКПП имеют в наличии планетарную передачу. Заслуга инженеров Toyota в том, что именно они использовали этот механизм в подобном применении, не в составе конструкции, а в качестве полноценной трансмиссии. Теперь выясним, как функционирует данный агрегат.

Планетарная передача – набор связанных шестерней. По центру расположена солнечная шестерня. Она сцеплена с четырьмя сателлитами, которые находятся в фиксированном друг относительно друга положении. Связующим элементом выступает водило. Зубья самой большой кольцевой шестерни связаны с сателлитами. Конструкция довольно проста механически, однако ее устройство предоставляет огромные возможности по передаче и суммированию крутящего момента.

Относительно конкретного применения планетарной передачи в Toyota Prius можно рассуждать долго. Вариантов функционирования уникальной трансмиссии немало, подробный обзор заслуживает отдельного материала, поэтому вкратце обозначим лишь основные возможности. Каждый элемент планетарной передачи соединен с отдельным устройством: водило с ДВС, солнечная шестерня с первым электромотором, а кольцевая шестерня – со вторым. Именно кольцевая шестерня через редуктор связана с колесами. В результате становится возможным очень гибкое соединение и универсальное разделение между ДВС и электродвигателями, при этом Prius может выполнять функции как параллельного, так и последовательного гибрида. Японцы смогли интегрировать все возможные режимы в компактном устройстве. В зависимости от требования Toyota Prius может ехать только на элекротяге, только за счет ДВС, использовать оба мотора одновременно, разделять крутящий момент ДВС между колесами и генератором… Всё вместе японцы называют Hybrid Synergy Drive, а саму планетарную передачу – Power Split Device, устройство по распределению энергии.

⇡#Смешанный тип подключения

В последнее время стали появляться гибридные автомобили, которые трудно отнести к какому-либо из описанных видов. В чем основная разница между параллельными и последовательными гибридами? Очевидно, в разграничении прав двух двигателей. А если подобная процедура не требуется? Можно, например, привязать ДВС к передней оси автомобиля, а электромотор посадить на заднюю. В итоге каждый агрегат получает практически полную независимость, необходимо только немного скоординировать действия каждого мотора. Такой вариант довольно прост и дешев: не требуется распределяющее устройство или специфическая трансмиссия. Любой автомобиль можно сделать таким гибридом, требуется лишь установить дополнительное оборудование на заднюю ось (если он переднеприводный с передним расположением ДВС) и связать все компоненты с электронным мозгом.

К недостаткам подобных гибридов можно отнести невозможность зарядки аккумуляторных батарей от ДВС. Только рекуперативная система торможения или подключение к розетке. К представителям нового вида гибридных автомобилей относится Peugeot 3008 HYbrid4, который анонсировали совсем недавно.

⇡#Классификация по типу батарей

Разграничить гибридные автомобили можно и по третьему признаку – типу емкостных батарей. В зависимости от используемых в аноде, катоде и электролите химических элементов изменяются и показатели аккумуляторов. В настоящее время в серийных гибридах можно обнаружить никель-металл-гидридные, литий-металл-фосфатные, литий-полимерные и литий-ионные батареи. Наибольшее распространение, безусловно, получил последний тип. Сегодня основной целью производителей аккумуляторов является повышение удельной емкости (емкости на единицу массы). Однозначного фаворита в этой группе определить сложно, каждый из химических источников тока еще далек от своих теоретических пределов. Определенно, именно от возможностей аккумуляторов во многом зависят способности гибридных автомобилей. Но значительное повышение эффективности аккумуляторов может сделать электрокары приоритетным видом транспорта, а тогда целесообразность гибридных автомобилей ставится под вопрос.

⇡#Выбор гибрида

Уже столько сказано про историю развития гибридных автомобилей и их устройство, но вопрос покупки подобного транспортного средства остается открытым. Выгодны ли гибриды? Удобны ли они в эксплуатации? Какие трудности ждут владельца гибридного автомобиля? И главное: какой гибрид выбрать? В августе в рамках еженедельного обзора новых технологий автомобильной промышленности мы рассмотрели отчет британской автомобильной ассоциации British Columbia Automobile Association, в котором специалисты скрупулезно подсчитали экономический эффект от покупки автомобиля с двумя типами двигателей. Результат обескураживающий: из 16 рассмотренных моделей лишь одна вышла в плюс в сравнении с ближайшим бензиновым аналогом. Почему получилось так, что автомобили с меньшим расходом топлива бьют по кошельку сильнее? Несмотря на неутихающие споры в обществе автомобилистов, гибрид по определению технически сложнее аналогичного автомобиля с единственным бензиновым ДВС. И хотя электромотор устроен довольно просто, он все же требует периодической проверки и планового технического обслуживания. В результате регулярный осмотр в официальном сервисе заметно облегчит кошелек. К тому же век емкостных батарей недолог — в зависимости от устройства и условий эксплуатации их срок жизни может длиться от нескольких лет до десятилетия. Замена аккумуляторов – процедура не из дешевых. Вот и получается в итоге: экономишь на одном, тратишь на другом. Покупать гибрид с прицелом на экономию нельзя.

Кто определенно будет доволен покупкой автомобиля со смешанным силовым агрегатом, так это любители высоких технологий. Короткие пробежки на электродвигателе (доступно не для всех гибридов), обилие информационных дисплеев, бесшумное перемещение в пробке. Все это, безусловно, доставит удовольствие техноманьяку. Что еще более приятно, так это удивление друзей, коллег и просто соседей по потоку — восхищенные взгляды окружающих дорогого стоят.

Вы еще не передумали приобретать гибрид? Тогда вам может пригодиться следующая таблица, в которую мы включили основные данные о 25 гибридных моделях: стоимость, форм-фактор, расход топлива. Дополнительно отмечено время разгона с 0 до 100 км/ч, эта цифра обязательна для понимания технических способностей автомобиля.

Полностью доверять цифрам нельзя: не всегда производитель заявляет полные официальные спецификации, а условия тестов могут отличаться. В целом, если отбросить невероятные характеристики самого экономичного, самого дорогого и в то же время самого быстрого Porsche 918 Spyder Hybrid, который еще не поступил в продажу, собранные данные вполне справедливы. Желающим максимально сэкономить можно порекомендовать Toyota Prius и Honda Insight: основатели рынка все еще смотрятся довольно привлекательно. Выбирать гибридные внедорожники Cadillac Escalade или Chevrolet Tahoe можно только ввиду комплектации, вряд ли электромотор существенно повлияет на расход топлива огромных монстров. В целом же лучше вообще не разделять рынок на автомобили с ДВС и гибридные, а рассматривать все предложения, анализируя новые технические возможности лишь в качестве бонуса. Наверняка через 10-15 лет именно так и будет, большинство моделей станут гибридными, а возможность ехать некоторое время на электрической тяге станет обыденной функцией.

В заключение приведем статистику продаж. С момента появления первых современных серийных гибридных автомобилей в 1997 году и по сей день двумя основными рынками для этих транспортных средств остаются Япония и США: на их долю приходится более 90% от общего тиража. Но даже в этих странах относительный объем продаж гибридов очень мал: в июле в США гибриды составили 2,27% от общего рынка легковых автомобилей. Перейдем к конкретным цифрам.

Статистика продаж гибридных автомобилей довольно пессимистична: снижение объема практически по всем моделям. Наиболее удачным для этого сегмента рынка годом стал 2007, с тех пор продолжается планомерное уменьшение спроса. Котировки нефти на мировых торговых биржах давно отступили от максимальных значений, следовательно, можно не экономить сжигаемое топливо. Свою роль сыграл и мировой финансовый кризис.

Вместе с тем из статданных становится очевиден безоговорочный лидер рынка гибридов – Toyota Pruis. Не зря японцы инвестировали в будущее.

Несмотря на всю неоднозначность использования гибридного привода в современных автомобилях, уже в ближайшем будущем мы увидим дальнейшее развитие этой технологии. Возможно, гибрид придет и в ваш дом.

Источник статьи: http://3dnews.ru/598817/page-2.html

Гибриды: какими они бывают и зачем вообще нужны

Сегодня гибридная версия, а зачастую и не одна, есть у многих автомобилей разных классов и разной стоимости – будь то маленькая Toyota Yaris, роскошный Range Rover или супербыстрый Ferrari. В них электромотор, дополняющий обычный ДВС, экономит топливо и/или улучшает динамику. Но не все гибриды одинаково полезны. Разбираемся, какими они бывают.

За годы, прошедшие с появления первых гибридных автомобилей, сложилась довольно стройная система их классификации – по конструкции электрической части комбинированного силового агрегата. У каждого класса есть свои преимущества и недостатки, различаются они и эффективностью.

Первый массовый гибрид — Toyota Prius 1997 года. Его конструкция была революционной, но красотой автомобиль не блистал

1. Микрогибриды

Micro hybrids — базовая ступень классификации. В таких автомобилях электричество ещё не помогает традиционному двигателю, а, скорее, не мешает тому работать. Впрочем, несмотря на скромные возможности, маркетологи не стесняются присваивать таким системам звучные имена (например, в BMW она называется EfficientDynamics).

Ключевой компонент подобной силовой установки — «умный» генератор. Он отключается на разгонах, минимизируя нагрузку на ДВС, а нужную другим агрегатам машины электроэнергию старается вырабатывать только при замедлении хода. Система простая, и ей легко оснастить любой современный автомобиль, ведь микроконтроллер «умного» заряда может устанавливаться прямо на клемму аккумулятора.

И уж совсем формально к микрогибридным технологиям причисляют систему Start-Stop, которая автоматически глушит двигатель при остановках автомобиля, дополнительно снижая расход топлива и выбросы в атмосферу.

Плюсы: простота, низкая цена, не увеличивает массу автомобиля
Минусы: минимальная эффективность, для системы Start-Stop нужны более сложные и дорогие стартер и АКБ
Заявленная экономия топлива: 2–5%
Где встречается: Mini Cooper, BMW 1 серии, Mazda6

2. «Мягкие» гибриды

Следующий уровень гибридности – Mild hybrids (MHEV). В них электромотор уже реально помогает ДВС, улучшая динамику автомобиля. Но двигаться только на электротяге такая машина ещё не может.

Основа «мягкого» гибрида — электромотор двойного действия, соединённый с бензиновым двигателем. При торможении он вырабатывает электроэнергию, а на разгоне, наоборот, тратит её, увеличивая крутящий момент на коленвалу ДВС.

Обычно этот электромотор называют стартер-генератором — он с успехом заменяет оба эти узла. Попутно с его помощью реализуется более продвинутая система Start-Stop, когда бензиновый двигатель глушится ещё до полной остановки автомобиля.

Приборы гибридов часто делают футуристичными, подчёркивая их статус «автомобилей будущего»

Вариантов компоновки стартер-генератора два. Либо его устанавливают вместо обычного генератора, только с более мощным приводным ремнём и двумя натяжными роликами, либо заменяют электродвигателем маховик. Кроме того, «мягкому» гибриду уже нужна дополнительная батарея небольшой ёмкости, способная накапливать электроэнергию, вырабатываемую при торможениях.

Использовать эту энергию можно и не напрямую. Например, в мощных Audi 48-вольтовая батарея питает электрический нагнетатель воздуха, увеличивающий отдачу дизеля.

Плюсы: прибавка динамики, лёгкость внедрения, относительная дешевизна
Минусы: неоптимальная конструкция — большая часть энергии тратится на вращение ДВС
Заявленная экономия топлива: 5–10%
Где встречается: Range Rover Evoque, Audi A6, A7, A8, Ferrari LaFerrari

3. «Полные» гибриды

Логично было сделать следующий шаг — и дать возможность электромотору самому приводить машину в движение. Автомобиль, способный проехать хотя бы небольшую дистанцию только на электричестве, относят к классу Full hybrids (FHEV).

Маленькая дистанция для автомобиля — большие хлопоты для инженеров. Полноценные гибриды намного сложнее по конструкции, чем «умеренные». Электромотор тут соединён с ДВС не постоянно: между ними приходится устанавливать сцепление или муфту. Они дают гибриду возможность двигаться с заглушенным двигателем и эффективнее накапливать электроэнергию при торможениях.

Даже у Porsche Cayenne есть полноценная гибридная версия с запасом хода около 50 километров.

Для езды на электричестве нужна более ёмкая батарея — причём высоковольтная. Ей, в свою очередь, требуются мощные инвертер, контроллер, преобразователь напряжения (для питания остальной электроники), а то и собственная система охлаждения. Наконец, приходится переводить на электропитание «периферию», необходимую машине во время движения, — компрессор кондиционера, усилитель руля и тормозов, кондиционер.

В итоге FHEV-версия автомобиля оказывается заметно тяжелее и дороже обычной, работающей только на бензине или солярке. Но и экономия топлива уже получается солидной. А в сравнении с «мягкими» гибридами здесь электромотор даёт и более заметную прибавку к динамике — конечно, если на маршруте достаточно торможений, чтобы зарядить большую батарею…

Плюсы: выше эффективность и/или прибавка в динамике
Минусы: большой вес, сложность конструкции, дороговизна
Заявленная экономия топлива: 15–25%
Где встречается: Infiniti Q50 Hybrid, Porsche Cayenne S Hybrid, Range Rover Hybrid

4. Электрополноприводные гибриды

Ещё один вариант FHEV-гибрида, в котором ДВС и электромотор приводят каждый свою ось. Например, обычный 4-цилиндровый дизель с «роботом» вращает передние колёса, а электрический двигатель с собственным редуктором — задние.

Такая схема позволяет взять недорогую версию любого автомобиля и относительно малой кровью превратить её не только в гибридную, но и в полноприводную! Доработки ДВС почти не требуются, а заднюю часть гибрида в любом случае приходится модифицировать для размещения батареи.

Плюсы: относительная простота конструкции, полный привод, меньшая цена
Минусы: ниже эффективность, уменьшается багажник, вес ещё больше
Заявленная экономия топлива: до 20%
Где встречается: Peugeot 3008 Hybrid4, Mazda Demio e-4WD

5. Последовательные гибриды

Большинство гибридов относятся к параллельным – когда ДВС и электромотор могут толкать автомобиль вместе или по одиночке. Но существуют и последовательные гибриды. Точнее, существовали: среди легковых автомобилей такие агрегаты широкого распространения не получили.

Это Lohner-Porsche – первый в мире гибрид, созданный в 1901 году. Фердинанд Порше использовал последовательную схему: у машины были мотор-колёса и ДВС, вращавший генератор

В них ДВС не соединён ни с одной из осей, а только с генератором, вырабатывающим электроэнергию. Электричество использует тяговый электромотор (или электромоторы), вращающий колёса. В системе также есть батарея, которая накапливает энергию при рекуперативном торможении и повышает отдачу силовой установки при пиковых нагрузках.

В теории экономия топлива при такой схеме может быть выше, чем при параллельной. Во-первых, нет тяжёлой трансмиссии, на вращение которой тратится энергия. Во-вторых, ДВС работает с постоянными оборотами в самом оптимальном режиме.

Но на практике последовательные гибриды оказались неудобными в эксплуатации из-за особенностей характера электродвигателей. С ростом оборотов у них быстро падает тяга, и автомобилю трудно развить высокую скорость. Поэтому инженерам приходится ставить мощный электромотор и ёмкую батарею… которую проще заряжать от розетки, чем маленьким генератором на борту.

Плюсы: относительно малый вес, простота силовой установки
Минусы: неоптимальные ездовые характеристики, цена
Заявленная экономия топлива: н/д
Где встречается: Fisker Karma, BMW i3 REX

6. Последовательно-параллельные гибриды

В девяностые компания Toyota придумала оригинальный силовой агрегат, объединяющий в себе последовательную и параллельную схемы. Он стал основой революционного хэтчбека Toyota Prius — первого в мире серийного гибрида. Силовая установка Приуса состояла из бензиновой «четвёрки» и сразу двух электромоторов, а также планетарного редуктора, соединяющего их между собой.

Сегодня Toyota Prius выпускается в версиях обычного и подзаряжаемого гибрида. Есть и версия поменьше (Prius C), и побольше — компактвэн (Prius V)

В этой схеме удалось совместить сразу все сценарии: эффективно накапливать электроэнергию при рекуперативном торможении, ехать только на бензине или только на электричестве, задействовать оба источника энергии вместе и даже заряжать батарею от ДВС, когда автомобиль неподвижен. Более того, такому гибриду не нужна коробка передач: «планетарка» с электромоторами выполняют роль бесступенчатой трансмиссии.

Сегодня выпускается уже четвёртое поколение гибридного силового агрегата. Под фирменным названием Hybrid Synergy Drive (HSD) его устанавливают не только в Prius, но и в остальные гибриды Toyota и Lexus.

Возможно, идея HSD получила бы ещё более широкое распространение, но она защищена патентами Тойоты (которая и сама была вынуждена судиться из-за конструкции оригинальной трансмиссии). Чтобы обойти их, концернам GM, Daimler и BMW, объединившимся в рамках проекта Global Hybrid Cooperation, пришлось сделать намного более сложную схему с двумя электромоторами и аж четырьмя пакетами фрикционов.

Источник статьи: http://mag.auto.ru/article/hybrids/