Відповісти на питання про устрій сучасного гібрида одночасно і просто, і складно. У загальному розумінні – це автомобіль, силова установка якого складається з електромотора і двигуна внутрішнього згоряння, які так чи інакше спільними зусиллями обертають колеса. Цього достатньо, щоб пояснити будь-кому непосвяченому, що означає загадкове слово Hybrid на кузові звичайної на вигляд машини. Але варто копнути глибше – і голова йде обертом від того, яку кількість технічних рішень і варіантів компоновок накрутили творці сучасних гібридів! Заплутатися у великій кількості термінів та інженерних рішень простіше простого, але в нашому матеріалі ми розібралися, якими взагалі бувають гібриди і як вони всі влаштовані. Перший критерій, за яким можна розділити всі гібридні автомобілі – наскільки розвинена їх здатність рухатися на електротязі.
Світова класифікація для автомобілей за ступінню їх електрифікації
Зміст
- 1 Світова класифікація для автомобілей за ступінню їх електрифікації
- 2 Мікрогібріди – найпростіша форма гібридного життя (Micro HEV)
- 3 Вища ступінь електрифікації: гібриди типу plug-in (PHEV)
- 4 Менша ступінь електрифікації: повні і помірні гібриди (HEV)
- 5 Схема: послідовні гібриди (REEV)
- 6 Схема: паралельні гібриди з електромотором між ДВС і коробкою передач (HEV – parallel hybrids)
- 7 Схема: паралельні гібриди з електромотором окремо від ДВС і коробки передач (HEV – parallel hybrids)
- 8 Так що ж краще?
- ICE = Internal Combustion Engines (автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння)
- HEV = Hybrid Electric Vehicle (гібридні автомобілі)
- PHEV = Plug-in Hybrid Electric Vehicle (плагін-гібриди)
- REEV = Range Extended Electric Vehicle (електромобілі з допоміжним ДВЗ для подовження запасу ходу)
- FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle (електромобілі на водневих паливних елементах)
- BEV = Battery Electric Vehicle (електромобілі аккумуляторні)
В статті ведеться мова про авто-гібриди – тобто нас цікавлять пункти з другого по четвертий у списку: HEV, PHEV і REEV. Але ця загальна класифікація не повністю покриває всі можливи комбінації ДВС з електромоторами та електрогенераторами і ми спробуємо розібратися які саме конструктивні рішення бувають і до яких їх можна привести за цією класифікацією.
Мікрогібріди – найпростіша форма гібридного життя (Micro HEV)
Найпримітивніша форма гібридизації – це просунута версія системи «старт-стоп». Тут ніякі електромотори не застосовуються, і гібридною така технологія є досить умовною, тому відразу виділимо мікрогібріди в особливу категорію поза всяких класифікацій. У таких автомобілів спеціальний потужний стартер здатний не тільки розкручувати двигун для запуску, але і працювати як генератор при рекуперативному гальмуванні. Забираємо «безкоштовну» електрику – економимо на паразитному навантаженні ДВС (у якого немає необхідності виробляти бортову електрику на додаток до основних тягових обов’язків), а значить і витраті пального. Отримана буквально під час руху і збережена в посиленій батареї та/або спеціальному накопичувачі електроенергія йде потім на перезапуск двигуна внутрішнього згоряння при роботі системи «старт-стоп», живлення кліматичної установки, електроприводів, світлотехніки та інших бортових пристроїв, а зекономлене на цьому пальне – на додаткові кілометри пробігу. Подібні технології використовують багато виробників: це i-ELOOP від Mazda, e-HDI від Peugeot, Blue Drive від Hyundai та інші.
Вища ступінь електрифікації: гібриди типу plug-in (PHEV)
Але справжні, повноцінні гібриди все-таки здатні на більше, як з точки зору економії пального, так і в плані тягових можливостей. Все тому, що їх електродвигуни не тільки накопичують електроенергію в ролі генераторів для зарядки батарей, але і обертають колеса спільно з двигуном внутрішнього згоряння. Тільки роблять це по-різному. Найдосконаліші конструкції забезпечують можливість рухатися як за допомогою спільних зусиль ДВС і електромотора, так і на чистій електротязі, причому досить тривалий час. Для цього їх батарея має збільшену ємність, електромотор – вищу потужність (70-100 к.с. і вище), а поряд з люком бензобака в кузові є і порт для підключення електричного шнура для зарядки від звичайної розетки. Це рішення отримало загальнопоширене позначення plug-in (плаг-ін) і за своєю суттю являє собою проміжну ланку між традиційними автомобілями та електричними.
Рекуперація – одна з основ усіх гібридних технологій і обов’язковий (але не завжди єдиний) спосіб зарядки батарей будь-якого гібрида (що правда у випадку PHEV). Вона являє собою перетворення кінетичної енергії в електричну (замість теплової в звичайних автомобілях) і запасання останньої в тяговій батареї. Цей процес стає можливим тоді, коли машина рухається накатом або сповільнюється, і колеса розкручують електродвигун-генератор, який внаслідок цього виробляє електрику. Все тому, що завдяки в рази більшому заряду, ніж у звичайних гібридів, батареї «плагіни» можуть долати на електротязі без єдиного спалаху в циліндрах ДВС до 50 кілометрів. Це цілком пристойна за міськими мірками дистанція, нешкідлива для навколишнього середовища, повторювати яку можна знову і знову за умови регулярної «дозаправки» батарей з розетки. Але усереднений показник з урахуванням умов руху та різниці в технічних характеристиках – близько 25-30 км. Що теж, втім, чимало. Адже здатність повноцінно пересуватися на електриці в коротких міських поїздках є серйозною конкурентною перевагою перед іншими, більш простими гібридами, які навряд чи доїдуть на електротязі до наступного світлофора!
Оскільки «плагіни» спочатку розраховані на повноцінне пересування на електротязі, водити їх зовсім не нудно: в електрорежимі динаміка помірно-достатня, але коли електромотор допомагає ДВС розганятися при натиснутому в підлогу акселераторі, то збільшення в потужності відчувається дуже здорово!
Менша ступінь електрифікації: повні і помірні гібриди (HEV)
Гібридні автомобілі, які не вміють заряджатися від розетки, також діляться на підвиди: це повні і так звані помірковані (mild в англомовних джерелах). Перші завдяки більшому обсягу батарей, більшої потужності електромотора здатні рухатися виключно на електротязі зазвичай в межах 2-4 кілометрів, а другі використовують слабенький електромотор тільки в якості помічника для ДВС і «на батарейках» (зважаючи на їх скромний об’єм та загальний примітивізм конструкції системи) не здатні проїхати і метра. При цьому помірні гібриди запасають енергію тільки за допомогою рекуперативного гальмування, а повні ще й за допомогою двигуна внутрішнього згоряння, сполученого, як правило, з окремим генератором.
Типовий представник класу помірних гібридів – Honda Civic Hybrid, CR-Z і всі інші «Хонди», що використовують фірмову технологію IMA (Integrated Motor Assist). Помірними гібридами також є американці Buick LaCrosse, Chevrolet Malibu і Impala, BMW ActiveHybrid 7. А ще помірним гібридом є… гіперкар Ferrari LaFerrari! Йому ні до чого чиста електрична тяга, а от додаткова потужність в 163 к. с. на додаток до бензинових 800 буде дуже до речі!
Всі гібриди також діляться на підвиди залежно від того, який двигун безпосередньо обертає колеса. Тут ми переходимо до другого основного критерію класифікації гібридних машин – принципової схеми, від якої залежить і компоновка. Ідеологічно помірні гібриди ближче до класу мікрогібридів і часто розуміються як єдине ціле. Хоча різниця між ними все ж є: на відміну від помірних, мікрогібриди нездатні підтримати бензиновий двигун своєю тягою. Повні ж гібриди концептуально прагнуть до класу «плагінів» і короткочасно здатні справити на непідготовлену людину приблизно таке ж враження – адже можуть їхати безшумно! Однак реальне використання чітко позначає прірву між споживчими якостями перших і других, якщо, звичайно, використовувати перевагу зарядки від розетки гібрида типу plug-in.
Помірні гібриди ще й їдуть більш ніж посередньо, так як електродвигуни там застосовуються слабкі (10-20 кВт), максимальний запас електроенергії незначний, а маса вище, ніж у негібридних версій тієї ж моделі. Втім, те ж саме, тільки в трохи меншій мірі, можна сказати і про більшість повних гібридів.
Схема: послідовні гібриди (REEV)
У випадку, коли двигун внутрішнього згоряння в принципі не обертає колеса механічним способом, гібрид являє собою по суті електромобіль з бортовим генератором електрики, роль якого і виконує ДВС. Такі гібриди прийнято іменувати послідовними. Ця схема відрізняється простотою, так як немає необхідності споруджувати складну трансмісію – електромотори обертають колеса через єдину головну передачу, яка служить для формування потрібного крутного моменту. Але клас послідовних гібридів сьогодні представлений одиничними моделями, так як ефективність подібного рішення неоднозначна. Адже енергію згоряння пального доводиться перетворювати спочатку в механічну, потім механічну в електричну, а в кінці електричну – безпосередньо в обертання коліс.
Тому гібрид, що функціонує за такою схемою, обов’язково повинен мати добре розвинені електричні здібності. Яскравим представником цього класу електромобілів-гібридів був седан Fisker Karma, а із сучасників згадаємо, насамперед, Chevrolet Volt і BMW i3. Volt здатний проїжджати на електротязі 80 кілометрів (Chevrolet Volt також відноситься до категорії PHEV), а якщо систему буде підживлювати 1,5-літровий ДВС, то безперервний пробіг збільшиться до 676 км. Для електромобіля BMW i3 бензиновий двигун – взагалі опція, з якою чисто електричний запас ходу в 160 км перетворюється на гібридний 300-кілометровий (BMW i3 = BEV, BMW i3 Rex = REEV).
У батареях в цей час найчастіше використовуються літієво-іонні та нікель-металгідридні модулі, що складаються з безлічі комірок. Основні виробники – Samsung, Panasonic, Continental. Зазвичай в конструкції гібрида використовуються дві батареї – тягова з високою напругою і звичайний 12-вольтоий акумулятор для бортового обладнання
Схема: паралельні гібриди з електромотором між ДВС і коробкою передач (HEV – parallel hybrids)
Але якщо вищезгадана схема по своїй суті ближче до електромобіля, то такі автомобілі, як Porsche Panamera S E-Hybrid і Cayenne S E-Hybrid, Volkswagen Golf GTE і Passat GTE, Mercedes-Benz S500e та С350e, BMW X5 xDrive40e та інші поєднують у собі звичні нам властивості бензинових машин і здатність проїхати півгодинний маршрут на електриці. Для того, щоб зберегти всі «бензинові» переваги, потужні мотори таких машин мають жорсткий зв’язок з колесами. Електродвигун не порушує звичну компоновку цих моделей, бо вбудований в коробку передач, і при необхідності потужності ДВС і електромотора підсумовуються. Ця схема називається паралельною, так як мотори обох типів працюють одночасно. Залежно від обраного водієм режиму, бензиновий мотор може або обертати колеса спільно з електродвигуном, або ж останній буде працювати в якості генератора і запасати електрику в батареї на майбутнє. Чисто електричний режим реалізований за допомогою зчеплення між трансмісією і ДВС: якщо воно розімкнуте, то електромотор обертає колеса сам.
На цих зображеннях видно, як компактно електромотор інтегрований в коробку передач гібрида Volkswagen Golf GTE. У порівнянні зі звичайною бензиновою або дизельною версією компонування принципово не змінилася. Додаткове місце займає лише батарея в задній частині кузова, проводка і керуюча електроніка. Більшість європейських виробників створюють свої найсвіжіші plug-in гібриди саме за такою схемою.
Схема: паралельні гібриди з електромотором окремо від ДВС і коробки передач (HEV – parallel hybrids)
Окремо стоїть досить обширна і одночасно різнотипна група гібридних автомобілів, у яких один або кілька електромоторів НЕ зблоковані з коробкою передач і двигуном, а винесені на периферію. Першопрохідцем в таких рішеннях стала компанія Toyota зі своєю технологією HSD (Hybrid Synergy Drive), яка лежить в основі переважної більшості бензиново-електричних Toyota і Lexus. Це дуже складна і досить ефективна конструкція: крім батареї та обслуговуючої систему електрики, вона складається з двигуна внутрішнього згоряння і двох електромоторів, об’єднаних за допомогою планетарної передачі. Планетарна передача – це механічна конструкція з декількох шестерень і вісей, яка об’єднує, поділяє і перетворює крутний момент від декількох джерел.
Один з електромоторів системи служить стартером і генератором, а другий є тяговим і рекуперує електрику при уповільненні. Завдяки особливостям планетарного механізму, ДВС не пов’язаний безпосередньо з колесами, і частина його енергії завжди віддається на обертання зарядної батареї і живить тяговий електродвигун генератора. Для докладного розбору пристрої гібридної установки Toyota потрібно окремий великий матеріал, а в рамках цього загального потрібно розуміти головне: традиційна трансмісія тут замінюється планетарною передачею та контролюючим силовим модулем (ДВС і два електромотори-генератори) електронікою – залежно від потреб водія, тяговий електромотор видає певну потужність окремо або разом з двигуном внутрішнього згоряння, а надлишкова тяга останнього засобами планетарного механізму йде на обертання другого мотор-генератора і, відповідно, зарядку основної батареї.
Це відео схематично пояснює як працює гібридний привід «Тойот» і «Лексусів». Принцип єдиний для всіх моделей, хоча у них і відрізняються двигуни (це може бути як робоча за циклом Аткінсона «четвірка» під капотом Prius, так і потужний V6 в Lexus GS) і ємність, і типи батарей (в середньому 1,3 – 1,9 кВт∙год). Для реалізації повнопривідної схеми (наприклад, Lexus RX 450h або NX 300h) в задній вісі додається ще один електромотор, тяга якого синхронізується з тягою передньої силової установки за допомогою комп’ютера
Однак не одна тільки Toyota зважилася на інженерні збочення в області гібридів. Дещо більш просту схему рознесених ДВС і електромоторів використовують Volvo і Peugeot для створення гібридних повнопривідників. Ідея проста і водночас красива: передню вісь штовхає турбодизель (ще одне екзотичне рішення в світі зазвичай бензинових гібридів), а задню – електродвигун. При необхідності (чи з примусу водія) включення повного приводу гібрид починає працювати як послідовно-паралельний: ДВС одночасно обертає через звичайну автоматичну коробку передач передню вісь і живить через генератор електромотор, який крутить колеса задньої вісі. У чистому ж електрорежимі автомобіль є задньопривідним.
Так влаштований гібридний привід Peugeot 3008 RXH з тягою роздільного типу на кожній з вісей:
- мотор-генератор, об’єднаний з головною передачею і диференціалом;
- тягова нікель-металгідридна батарея SANYO;
- блок PTMU (Power Train Management Unit), який об’єднує конвертор та інвертор. Охолодження силової електроніки та батареї повітряне, здійснюється за допомогою вентиляторів;
- стартер-генератор;
- шестиступенева роботизована коробка передач BMP6 з однодисковим зчепленням;
- дизельний мотор 2.0 HDi;
- задня підвіска, зібрана на сталевому підрамнику;
- передня підвіска “Макферсон”
Щось подібне, тільки навпаки, винайшли в BMW, коли проектували футуристичний суперкар i8. У нього бензинова установка з автоматичною коробкою передач і електромотор-генератором знаходиться позаду, а тяговий електродвигун – на передній осі. Система працює таким чином, що гібридне купе може бути або передньопривідно-електричним, або повнопривідно-гібридним. Перехід на задній привід неможливий з тієї причини, що у разі відсутності заряду батареї ДВС, за задумом інженерів, починає працювати одночасно в режимі обертання коліс задньої осі та живлення переднього електродвигуна через другий мотор-генератор – це все та ж послідовно-паралельна схема. Цікавою особливістю BMW i8 є те, що передній електродвигун обертає вісь через двоступеневу коробку передач, що дозволяє досягати на одній тільки електричній тязі швидкості 120 км/год.
Так що ж краще?
Гібридне майбутнє однозначно за конструкціями типу plug-in, бо саме вони дають реальну економію палива. До того ж, більшість «плагінів» – це два автомобілі в одному: безшумний і плавний електричний плюс бензиновий з вибуховою динамікою, яку забезпечує важкий електричний «буст». Однак для повноцінного використання такого автомобіля власник повинен мати можливість забезпечити його зарядною інфраструктурою. В іншому випадку простіше зупинитися на звичайному повному гібриді, що не має функціоналу підключення до розетки – нехай його пробіг на електриці й нікчемний в порівнянні з «плагінами», але і важить вся конструкція менше, і коштує дешевше. Сенс у вимираючих помірних гібридах, які нездатні рухатися без участі ДВС, практично відсутня – ефект від застосування електротяги тут навряд чи виправдовує зайву масу і більш високу вартість у порівнянні з негібридними версіями. Є майбутнє і у мікрогібридів: відношення витрат до досягнутого за допомогою цієї технології ефекту виглядає вигідним. Що стосується механічної схеми, то це більше питання налаштування: кінцевого користувача не повинно хвилювати як і за допомогою чого розподіляються потоки потужності та енергії в надрах автомобіля – індустрія знає приклади як відмінної, так і не дуже ідеальної роботи будь-якої з відомих схем.
Огляд доступних в Україні електромобілів і гібридів тут.