Какой генератор подходит для электромобиля: зачем нужен, виды, принцип работы
Электромобили отлично подходят для коротких поездок. Беспокойство возникает, когда нужно отправиться на таком транспортном средстве (ТС) в дальнюю поездку. Производители электромобилей стали разрабатывать ТС с генераторами, устанавливая их в багажник, придумали также трейлер на двух колёсах, в котором находится портативный бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Такие устройства могут заряжать автомобильные аккумуляторы на ходу, что устраняет необходимость в длительных остановках на станциях подзарядки.
- Есть ли генератор в электромобиле?
- Видео: Как работает электромобиль?
- Зачем электрокару ДВС?
- Зарядка от бензогенератора
- Воздушный генератор
Есть ли генератор в электромобиле?
Аккумуляторы в электрических автомобилях не совпадают с типичными аккумуляторами ДВС. Аккумуляторы для электромобилей приводят в действие всё, что есть в автомобиле, а главное — электродвигатель. Почти во всех электромобилях используются литий-ионные батареи. Они более эффективны, чем другие аккумуляторы. Литий-ионные батареи более дорогие в производстве, чем никель-металлогидридные или свинцово-кислотные.
Электрическое ТС использует большой блок тяговых батарей для зарядки электродвигателя, и они должны быть подключены к зарядной станции или настенной розетке для зарядки. Поскольку работа автомобиля происходит за счёт электричества, он не выпускает выхлопных газов и не содержит типичных компонентов жидкого топлива, таких как топливный насос, топливопровод или топливный бак.
Знаете ли вы? В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже показан полностью электрический Lohner-Porsche Semper Vivus. В то время это была настоящая сенсация от выдающегося конструктора Фердинанда Порше, который работал над четырёхколёсным шедевром вместе с австрийской фирмой.
В автомобиле с электроприводом вспомогательная аккумуляторная батарея обеспечивает электричество для питания автомобильных систем. Порт зарядки обеспечивает автомобилю подключение к внешнему источнику питания для зарядки тягового аккумулятора. Преобразователь постоянного тока преобразует питание постоянного тока высокого напряжения от тягового аккумуляторного блока в питание постоянного тока низкого напряжения, которое необходимо для работы автомобильных систем и зарядки вспомогательной батареи.
Тяговый аккумулятор приводит в движение колеса автомобиля. В некоторых моделях используются моторы-генераторы, которые выполняют функции привода и регенерации. Бортовое зарядное устройство выполняет функцию приёма поступающего электричества переменного тока, которое подаётся через зарядный порт, и преобразует его в постоянный ток для зарядки тягового аккумулятора.
Оно контролирует характеристики батареи:
- напряжение;
- ток;
- температуру и состояние заряда, во время подзарядки батареи.
Знаете ли вы? Продажи электромобилей выросли на 81% с 2017 по 2018 гг., и к 2025 г., как полагают эксперты, положат конец «правлению» двигателя внутреннего сгорания.
Контроллер силовой электроники управляет потоком электроэнергии, поступающей от тягового аккумулятора. Этот блок управляет скоростью электрического тягового двигателя и крутящим моментом, который производит.
Тепловая система (охлаждение) поддерживает оптимальный диапазон рабочих температур двигателя, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов. Блок тяговых батарей служит накопителем электроэнергии для использования электрическим тяговым двигателем. Функция трансмиссии (электрической) заключается в передаче механической энергии от электрического тягового двигателя для привода колёс.
Видео: Как работает электромобиль?
Зачем электрокару ДВС?
У некоторых электрокаров-гибридов (Chevrolet Volt, Tesla Model S, Toyota Prius Prime и др.) установлен ДВС-генератор и электродвигатель. Подобные модели принято называть электрическим автомобилем с увеличенным запасом хода. К «чистому» варианту электромобилей они не относятся, т. к. у электрокаров нет выхлопной трубы и бензобака, а под капотом вместо огромного двигателя находится только электродвигатель и его контроллер.
Важно! Гибридный автомобиль, благодаря комбинации ДВС и системы электропривода аккумулятора, способен увеличить экономию топлива и уменьшить выбросы.
Гибридный электромобиль имеет ДВС и топливный бак традиционных ТС, а также аккумуляторную батарею и электродвигатель. Обычно он работает путём сбора и повторного использования энергии двигателя, работающего на бензине, который в противном случае был бы бесполезным в стандартных ТС.
Классический пример подзаряжаемого гибрида с внушительной батареей за задним сиденьем.
Основной принцип работы электроавтомобиля с ДВС заключается в том, что генератор, получая энергию от бензинового двигателя, подает её на аккумулятор и электродвигатель. Другими словами, это устройство, преобразующее топливо в электрическую энергию для аккумулятора и двигателя.
Большинство гибридных моделей используют коробку передач, существующую в стандартных бензиновых автомобилях. Однако сейчас автопроизводители пытаются разработать нечто новое для гибридных версий. В некоторых автомобилях, к примеру в Toyota Prius, используются новые трансмиссии, отличающиеся от тех, что находятся в обычных автомобилях. Трансмиссия работает за счёт механической энергии, которую либо бензиновый генератор, либо аккумулятор подаёт через электродвигатель.
Во время сильного ускорения бензиновый двигатель и электродвигатель работают сообща для увеличения мощности на колеса. Совместные усилия возможны только благодаря трансмиссии с разделением мощности, которая объединяет крутящий момент. В то же время бензиновый мотор питает генератор. Электродвигатель использует электричество от батареи и генератора по мере необходимости.
Рекомендуем для прочтения:
- Лучшие бюджетные электромобили
- Как выбрать электромобиль и ТОП лучших электромобилей в России
- Двигатели для электромобиля: как устроены и принцип их работы
- Транспортный налог на электромобиль: размер, как рассчитать
Зарядка от бензогенератора
Портативный генератор, работающий на бензине, действительно может заряжать электромобиль. Его используют в чрезвычайной ситуации, допустим, в качестве резервного источника питания на случай перебоев в подаче электроэнергии.
Автомобилисты отмечают этот способ зарядки не очень удобным из-за сильного шума мотора. Только, если бензогенератор располагается в двухколёсном прицепе, шумовой эффект снижается. Управляется такое устройство легко, с помощью мобильного приложения.
Важно! Если заряд аккумулятора сохранился ниже 95%, автомобиль будет «вытягивать» из преобразователя максимум, и поэтому будет всё время работать не на штатной, а на пиковой мощности.
Воздушный генератор
С помощью ветрогенератора крупные концерны по производству электромашин пытаются решить разные задачи:
- Минимизировать затраты энергии на охлаждение или обогрев салона.
- Увеличить продолжительности езды без дополнительной зарядки.
- Обеспечить минимальные затраты на питание бортовых энергопотребителей.
Принцип работы ветрогенератора таков, что воздушный поток генерируется автомобилем, когда он начинает двигаться, т. е. встречный поток воздуха вращает ветроколесо, а оно вырабатывает электроэнергию, которая поступает в автомобильную аккумуляторную кислотную батарею (АКБ). Энергия, которая вырабатывается, зависит от скорости автомобиля.
Если сделать расчёт мощности, генерируемой ветром, то станет понятно, что значительное количество электроэнергии (около 3,26 кВт) восстанавливается для аккумуляторов, когда автомобиль движется со скоростью 120 км/ч.
Портативный генератор — полезное устройство, которое может пригодиться в качестве резервного источника питания на случай истощения заряда в электромобиле и невозможности подзарядиться привычным способом.
Pofigism as a lifestyle 2.0
Chevrolet Volt — гибрид или электромобиль с генератором?
В свое время, когда утопающая в долгах фирма General Motors решилась выпустить свой «суперинновационный» автомобиль под названием Volt, утверждалось, что схема его довольно проста и подобна той, которая устанавливается на дизель-электровозы. То есть, двигатель внутреннего сгорания приводит в движение генератор, тот, в свою очередь заряжает батареи, а от них питается электродвигатель, который, собственно, и приводит машину в движение. Батареи можно подзаряжать от обычной электросети, что позволяет существенно сэкономить на все дорожающем бензине.
Цифры экономии приводились просто невероятные — 230 US mpg например. Для тех, кто незнаком с определением MPG (Miles-per-gallon или миль на галлон), переведу в более привычные нам литры на 100 км. Так вот, если верить GM эпохи выбивания денег из Обамы, то машина «жрет» всего один литр на 100 км пути. И это по городу!
Реальность оказалась несколько более э… реальной и машину сертифицировали как 126.7 mpg, что все равно очень и очень неплохо (1.9л\100км). Если машину не заряжать каждый день, а просто ездить на ней, как на обычной машине, то она выдает 40 mpg, что примерно равняется 6л\100км — результат неплохой, но невыдающийся для машины такого размера. И уж, во всяком случае, не за такую цену (41 килобакс).
В любом случае, для тех, чьи ежедневные поездки не превышают 40 миль (примерно 64 км) и у кого есть возможность заряжать машину от домашней электросети (а может, и от рабочей), экономия получится приличной.
GM рекламировала машину не как гибрид, а как REEV (Range Extending Electric Vehicle), то бишь, электромобиль с «увеличителем радиуса действия». Однако, недавно выяснилось, что все тщательно разрекламированные инновации были ни чем иным, чем очередная вариация на тему Toyota Prius. Та же планетарная система (несколько другой тип, но смысл тот же), бензиновый двигатель (что всегда отрицалось GM) имеет выход на колеса, в скоростных режимах (более 70 миль в час) оба двигателя работают совместно и т.п. То есть, наполовину более дешевый Prius PHEV (тот, который тоже можно заряжать от розетки) построен примерно по той же схеме, что и Volt. С той разницей, что батарея у Prius поменьше и обеспечивает движение на электротяге только на дистанциях до 12 миль (чуть менее 20 км). Создатели же Volt обещают 40 миль (64 км). Есть и другие непринципиальные отличия (например, бензиновый двигатель у Prius включается на скорости в 62 мили в час, а у Volt — на 70), но они непринципиальны.
Собственно, главное отличие от Prius заключается в том, что если японская машина может передвигаться только с помощью бензинового двигателя, то Volt обязательно должен работать либо в гибридном (оба двигателя) либо в электро-режимах. Иначе никак. Что, кстати, привело к интересному казусу на тесте, проведенным Motor Trend. Есть в Штатах такой горный перевал Loveland Pass через Скалистые Горы. Там проходит шоссе номер 6.
Так вот, Volt не смог взобраться на него на максимально разрешенной скорости в 70 миль в час, как любой другой автомобиль. Когда заряд в батареях упал до 40% (все электромобили и гибриды не позволяют батарее разряжаться ниже определенного уровня, иначе батарея быстро деградирует), Volt выдал предупреждение «мощность двигателя уменьшена» и снизил скорость до 40 миль в час. С такой скоростью там ездят грузовики. Правда, там есть кнопочка «горный режим», при нажатии на которую, машина позволяет довести заряд батареи до 20%, чего, теоретически, должно хватить для того, чтобы заехать на любую гору в Штатах на скорости в 70 миль в час (если условия позволят, конечно).
У меня, собственно, после прочтения этих обзоров (выдержанных в весьма хвалебных тонах, кстати), а также официального разъяснения всей этой «гибрид/электромобиль» истории, возникло два вопроса к GM, на которые, я думаю, они мне все равно не ответят:
- Почему с момента начала разработки автомобиля, все официальные публикации на тему привода всячески отрицали возможность «выхода на колеса» бензинового двигателя?
- Как именно планируется стимулировать продажи (я не имею в виду госсубсидии, которым, как я надеюсь, будет положен конец), если машина стоит в два раза дороже конкурентов а ездит хуже? Активистов Гринписа и Обамаботов на весь «тираж» не хватит, наверное.
И третий вопрос, на который я точно ответа не дождусь — как именно GM собирается доказывать в суде, что планетарная гибридная система а-ля Prius является их собственной гениальной разработкой?
Всё о гибридах: как они устроены и какими бывают
Ответить на вопрос об устройстве современного гибрида одновременно и просто, и сложно. В общем понимании, это автомобиль, силовая установка которого состоит из электромотора и двигателя внутреннего сгорания, которые так или иначе совместными усилиями вращают колёса. Этого достаточно, чтобы объяснить любому непосвящённому, что значит загадочное слово Hybrid на кузове обычной с виду машины. Но стоит копнуть глубже — и голова идёт кругом от того, какое количество технических решений и вариантов компоновок наворотили создатели современных гибридов! Запутаться в обилии терминов и инженерных решений проще простого, но в нашем материале мы разобрались, какими вообще бывают гибриды и как они все устроены. Первый критерий, по которому можно разделить все гибридные автомобили, — насколько развита их способность двигаться на электротяге.
Микрогибриды — простейшая форма гибридной жизни
Самая примитивная форма гибридизации — это продвинутая версия системы «старт-стоп». Здесь никакие электромоторы не толкают автомобиль вперёд, и гибридной такая технология является достаточно условно, поэтому сразу выделим микрогибриды в особую категорию вне всяких классификаций. В таких автомобилях специальный мощный стартер способен не только раскручивать двигатель для запуска, но и работать как генератор при рекуперативном торможении. Собираем «бесплатное» электричество — экономим на паразитной нагрузке ДВС (у которого нет необходимости вырабатывать бортовое электричество в дополнение к основным тяговым обязанностям), а значит и расходе топлива. Подобранная буквально с дороги и сохранённая в усиленной батарее и/или специальном накопителе электроэнергия идёт потом на перезапуск двигателя внутреннего сгорания при работе системы «старт-стоп», питание климатической установки, электроприводов, светотехники и других бортовых устройств, а сэкономленное на этом топливо — на дополнительные километры пробега. Подобные технологии используют многие производители: это i-ELOOP от Mazda, e-HDI от Peugeot, Blue Drive от Hyundai и другие.
Производители заявляют, что микрогибридная технология позволяет экономить до 10-15% топлива
Высшая степень электрификации: гибриды типа plug-in
Но настоящие, полноценные гибриды всё-таки способны на большее, как с точки зрения экономии топлива, так и в плане тяговых возможностей. Всё потому, что их электродвигатели не только собирают электроэнергию в роли генераторов для зарядки батарей, но и вращают колёса совместно с двигателем внутреннего сгорания. Только делают это по-разному. Самые совершенные конструкции обеспечивают возможность двигаться как с помощью совместных усилий ДВС и электромотора, так и на чистой электротяге, причём достаточно продолжительное время. Для этого их батарея имеет увеличенный объём, электромотор — высокую мощность (70-100 л.с. и выше), а наряду с лючком бензобака в кузове имеется и порт для подключения электрического шнура для зарядки от обычной розетки. Это решение получило общераспространённое обозначение plug-in (плаг-ин) и по своей сути представляет собой промежуточное звено между традиционными автомобилями и электрическими
Всё потому, что благодаря в разы более объёмной, чем у обычных гибридов, батарее «плагины» могут преодолевать на электротяге без единой вспышки в цилиндрах ДВС до 50 километров. Это вполне приличная по городским меркам дистанция, безвредно для окружающей среды повторять которую можно снова и снова при условии регулярной «дозаправки» батарей из розетки. Но усреднённый показатель с учётом условий движения и разницы в технических характеристиках — около 25-30 км. Что тоже, впрочем, немало. Ведь способность полноценно передвигаться на электричестве в коротких городских поездках является серьёзным конкурентным преимуществом перед другими, более простыми гибридами, которые едва ли доедут на электротяге до следующего светофора!
Меньшая степень электрификации: полные и умеренные гибриды
Гибридные автомобили, которые не умеют заряжаться от розетки, также делятся на подвиды: это полные и так называемые умеренные (mild в англоязычных источниках). Первые благодаря большему объёму батарей, большей мощности электромотора способны двигаться исключительно на электротяге обычно в пределах 2-4 километров, а вторые используют слабенький электромотор только в качестве помощника для ДВС и «на батарейках» (ввиду их скромного объёма и общей примитивной конструкции системы) не способны проехать и метра. При этом умеренные гибриды запасают энергию только посредством рекуперативного торможения, а полные ещё и с помощью двигателя внутреннего сгорания, соединённого, как правило, с отдельным генератором.
Типичный представитель класса умеренных гибридов — Honda Civic Hybrid, CR-Z и все остальные «Хонды», использующие фирменную технологию IMA (Integrated Motor Assist). Умеренными гибридами также являются американцы Buick LaCrosse, Chevrolet Malibu и Impala, BMW ActiveHybrid 7. А ещё умеренным гибридом является… гиперкар Ferrari LaFerrari! Ему ни к чему чистая электрическая тяга, а вот дополнительная мощность в 163 л.с. в дополнение к бензиновым 800 будет очень кстати!
Идеологически умеренные гибриды ближе к классу микрогибридов и часто понимаются как единое целое. Хотя различие между ними всё же есть: в отличие от умеренных, микрогибриды неспособны поддержать бензиновый двигатель своей тягой. Полные же гибриды концептуально стремятся к классу «плагинов» и кратковременно способны произвести на неподготовленного человека примерно такое же впечатление — могут ведь ехать бесшумно! Однако реальное использование чётко обозначает пропасть между потребительскими качествами первых и вторых, если, конечно, использовать преимущество зарядки от розетки гибрида типа plug-in.
Все гибриды также делятся на подвиды в зависимости от того, какой двигатель непосредственно вращает колёса. Здесь мы переходим ко второму основному критерию классификации гибридных машин — компоновке.
Умеренные гибриды ещё и едут более чем умеренно, так как электродвигатели там применяются слабые (10-20 кВт), максимальный запас электроэнергии ничтожен, а масса выше, чем у не гибридных версий той же модели. Впрочем, то же самое, только в чуть меньшей степени, можно сказать и про большинство полных гибридов. Взять хотя бы наши впечатления от теста гибридного Nissan Pathfinder нового поколения
Компоновка: последовательные гибриды
В случае, когда двигатель внутреннего сгорания в принципе не вращает колёса механическим способом, гибрид представляет собой по сути электромобиль с бортовым генератором электричества, роль которого и исполняет ДВС. Такие гибриды принято именовать последовательными. Эта схема отличается простотой, так как нет необходимости сооружать сложную трансмиссию — электромоторы вращают колёса через единственную главную передачу, которая служит для формирования нужного крутящего момента. Но класс последовательных гибридов сегодня представлен единичными моделями, так как эффективность подобного решения неоднозначна. Ведь энергию сгорания топлива приходится преобразовывать сначала в механическую, потом механическую в электрическую, а в конце электрическую — в работу непосредственно на колёсах
Поэтому функционирующий по такой схеме гибрид должен обязательно иметь хорошо развитые электрические способности. Ярким представителем этого класса электромобилей-гибридов был более не выпускаемый седан Fisker Karma, а из современников упомянем, прежде всего, Chevrolet Volt и BMW i3. Volt способен проезжать на электротяге 80 километров (благодаря тому, что он относится к категории подзаряжаемых гибридов plug-in), а если систему будет подпитывать генерирующий электричество 1,5-литровый ДВС, то непрерывный пробег увеличится до 676 км. Для электромобиля BMW i3 бензиновый двигатель — вообще опция, с которой чисто электрический запас хода в 160 км превращается в гибридный 300-километровый.
Компоновка: параллельные гибриды с электромотором между ДВС и трансмиссией
Но если вышеупомянутая схема по своей сути ближе к электромобилю, то такие автомобили, как Porsche Panamera S E-Hybrid и Cayenne S E-Hybrid, Volkswagen Golf GTE и Passat GTE, Mercedes-Benz S 500 e и С 350 e, BMW X5 xDrive40e и другие сочетают в себе привычные нам свойства бензиновых машин и способность проехать получасовой маршрут на электричестве. Для того, чтобы сохранить все «бензиновые» преимущества, мощные моторы таких машин имеют жёсткую связь с колёсами. Электродвигатель не нарушает привычную компоновку этих моделей, потому как встроен в коробку передач, и при необходимости мощности ДВС и электромотора суммируются. Эта схема называется параллельной, так как моторы обоих типов работают одновременно. В зависимости от выбранного водителем режима, бензиновый мотор может либо вращать колёса совместно с электродвигателем, либо последний будет работать в качестве генератора и запасать электричество в батарее на будущее. Чисто электрический режим реализован посредством сцепления между трансмиссией и ДВС: если оно разомкнуто, то электромотор вращает колёса в одиночку.
Компоновка: параллельные гибриды с электромотором отдельно от ДВС и трансмиссии
Отдельно стоит достаточно обширная и одновременно разношёрстная группа гибридных автомобилей, у которых один или несколько электромоторов не сблокированы с коробкой передач и двигателем, а вынесены на периферию. Первопроходцем в таких решениях стала компания Toyota со своей технологией HSD (Hybrid Synergy Drive), которая лежит в основе подавляющего большинства бензиново-электрических Toyota и Lexus. Это очень сложная и достаточно эффективная конструкция: помимо батареи и обслуживающей систему электрики, она состоит из двигателя внутреннего сгорания и двух электромоторов, объединённых посредством планетарной передачи. Планетарная передача — это механическая конструкция из нескольких шестерён и осей, которая объединяет, разделяет и преобразует крутящий момент от нескольких источников.
Один из электромоторов системы служит стартером и генератором, а второй является тяговым и рекуперирующим электричество при замедлении. Благодаря особенностям планетарного механизма, ДВС не связан напрямую с колёсами, и часть его энергии всегда отдаётся на вращение заряжающего батареи и питающего тяговый электродвигатель генератора. Для подробного разбора устройства гибридной установки Toyota потребуется отдельный большой материал, а в рамках этого общего нужно понимать главное: традиционная трансмиссия здесь заменяется планетарной передачей и контролирующей силовые модули (ДВС и два электромотора-генератора) электроникой — в зависимости от потребностей водителя, тяговый электромотор выдаёт определённую мощность отдельно или совместно с двигателем внутреннего сгорания, а избыточная тяга последнего средствами планетарного механизма идёт на вращение второго мотора-генератора и, соответственно, зарядку основной батареи.
Однако не одна только Toyota решилась на инженерные извращения в области гибридов. Несколько более простую схему разнесённых ДВС и электромоторов используют Volvo и Peugeot для создания гибридных полноприводников. Идея проста и одновременно красива: переднюю ось пусть приводит турбодизель (ещё одно экзотическое решение в мире питающихся обычно бензином гибридов), а заднюю — электродвигатель. При необходимости (или по принуждению водителя) включения полного привода гибрид начинает работать как последовательно-параллельный: ДВС одновременно вращает через обычную автоматическую коробку передач переднюю ось и питает через генератор электромотор, который крутит колёса задней оси. В чистом же электрорежиме автомобиль является заднеприводным. Volvo V60 Plug-In Hybrid ещё и оказалась самой дальнобойной в электрическом плане за всю историю наших тестов гибридов — за счёт ёмкой батареи и хорошо отлаженных алгоритмов универсал покрыл на электротяге 46 километров!
Нечто подобное, только наоборот, изобрели в BMW, когда проектировали футуристичный суперкар i8. У него бензиновая установка с автоматической коробкой передач и электромотором-генератором находится сзади, а тяговый электродвигатель — на передней оси. Система работает таким образом, что гибридное купе может быть либо переднеприводно-электрическим, либо полноприводно-гибридным. Переход на задний привод невозможен по той причине, что в случае опустошения батареи ДВС, по задумке инженеров, начинает работать одновременно в режиме вращения колёс задней оси и питания переднего электродвигателя через второй мотор-генератор — это всё та же последовательно-параллельная схема. Интересной особенностью BMW i8 является то, что передний электродвигатель вращает «ось» через двухступенчатую коробку передач, что позволяет достигать на одной только электрической тяге скорости 120 км/ч.
Так что же лучше?
Гибридное будущее однозначно за конструкциями типа plug-in, потому что именно они дают реальную экономию топлива. К тому же, большинство «плагинов» — это два автомобиля в одном: бесшумный и плавный электрический плюс бензиновый со взрывной динамикой, которую обеспечивает увесистый электрический «буст». Однако для полноценного использования такого автомобиля владелец должен иметь возможность обеспечить его зарядной инфраструктурой. В противном случае проще остановиться на обычном полном гибриде, не имеющем функционала подключения к розетке — пусть его пробег на электричестве и ничтожен в сравнении с «плагинами», но и весит вся конструкция меньше, и стоит дешевле. Смысл в вымирающих умеренных гибридах, которые неспособны двигаться без участия ДВС, практически отсутствует — эффект от применения электротяги здесь едва ли оправдывает лишнюю массу и более высокую стоимость в сравнении с негибридными версиями. Есть будущее и у микрогибридов: отношение затрат к достигаемому с помощью этой технологии эффекту выглядит выгодным. Что касается механической схемы, то это больше вопрос настройки: конечного пользователя не должно волновать как и с помощью чего распределяются потоки мощности и энергии в недрах автомобиля — индустрия знает примеры как отличной, так и не слишком идеальной работы любой из известных схем.
Обозрение. Все типы гибридов: Скрестив бензин с электричеством
К сожалению, отменить светофоры, пробки и нерегулируемые перекрестки вряд ли возможно. Значит, автомобили и впредь будут разгоняться и тормозить. А потому идея запасти кинетическую энергию, бесполезно переводимую в нагрев и износ тормозов, чрезвычайно популярна.
ULTRA LIGHTS
«Ультралегкие» гибриды – это изобретение автора. Строго говоря, автомобиль, не использующий электродвигатель для перемещения, гибридом называться не должен. Но все же я буду настаивать на том, чтобы их так называли. Хотя бы потому, что эти машины способны запасать кинетическую энергию, пусть и для других целей. Такие системы применяют в современных БМВ и «Ауди».
Принцип достаточно прост: поскольку генератор отбирает мощность мотора, можно оптимизировать его работу, сняв с двигателя лишнюю нагрузку во время разгона и добавив – при торможении. Во время относительно равномерного движения все зависит от текущего баланса потребителей: если их немного, то вполне хватает возможностей батареи. Как только уровень заряда упадет ниже определенного значения, генератор включится снова. Для этого понадобится продвинутое управление процессом зарядки (необходимо учитывать гораздо больше факторов, чем по силам банальному реле-регулятору, который служит автомобильному делу более полусотни лет) и вдобавок иные характеристики аккумуляторной батареи. Результат действия системы, впервые показанной БМВ как часть концепции эффективной динамики, – снижение расхода топлива на 0,2–0,3 л/100 км и незначительное улучшение разгона.
Ныне подобные устройства нашли применение на БМВ 1-й и 3-й серий, а также на экологичных дизельных «Ауди» с индексом «е». Впрочем, это только начало. Ведь интеллектуальное управление зарядом батареи необходимо и для систем «старт-стоп». Это уже реализовано на 4-цилиндровых БМВ с механическими коробками передач.
«Легкие» гибриды – попытка превратить обычный автомобиль в гибрид с наименьшими затратами. Как любой компромисс, он не лишен недостатков и выделяется в первую очередь неспособностью перемещаться исключительно на электротяге. Тем не менее положительных сторон больше, чем отрицательных: заметное уменьшение расхода топлива в городе и улучшение динамики разгона (имеется в виду прежде всего так называемый rolling start и эластичность). Реальный выигрыш может превышать 20%.
Узнать легкий гибрид можно по незначительной – обычно не более 20 кВт – мощности электродвигателя. Самым коммерчески успешным примером стала, конечно, «Хонда-Сивик Гибрид», с виду почти не отличающаяся от обычного «Сивика». Первое поколение этих машин появилось в 2003 году. Под их капотом 1,8-литровый бензиновый мотор уступил место 1,3-литровому с 15-киловаттным электрическим помощником. Расположенный между мотором и коробкой передач электродвигатель помогал при разгоне и работал в качестве генератора, заряжая никель-металлгидридную батарею напряжением 156 В. Второе поколение машин, выпускаемое с 2006 года, оснастили вариатором и новой системой регулирования фаз газораспределения i-VTEC, которая полностью закрывает клапаны неработающего мотора, уменьшая насосные потери и торможение двигателем. Таким образом, гибридный «Сивик» научился ездить на чистой электротяге, став единственным пока легким гибридом, умеющим это делать.
Похожую схему избрал «Мерседес-Бенц», который собирается в нынешнем году предложить гибридный автомобиль на базе S-класса. На «Мерседес-Бенце S 400 BlueHYBRID» электромотор мощностью всего 20 кВт расположен между бензиновым двигателем и 7-ступенчатым гидромеханическим автоматом. Ездить на электротяге «Мерседес» не умеет, зато оснащен электрическим компрессором кондиционера – значит, не потребуется жертвовать комфортом в пробке или на светофоре, когда бензиновый мотор выключен.
Выигрыш в динамике невелик лишь на первый взгляд. Несмотря на то что электродвигатель развивает всего 20 кВт, его крутящий момент достигает 160 Н.м. Это больше половины того, что дает бензиновый мотор. Соответственно заметен и его вклад в динамике, а не в максималке. Наибольший выигрыш достигается в разгоне с малых скоростей или при обгоне в диапазоне 60–120 км/ч. А вот старт с места практически не меняется – с гидромеханической трансмиссией крутящий момент бензинового двигателя множит гидротрансформатор.
Полноценные, или, как их еще называют, «тяжелые», гибриды умеют ездить, используя и бензиновый, и электрический двигатели, а также сочетание их мощи в любой пропорции. Эти машины сегодня наилучшим образом представлены марками «Тойота» и «Лексус». Стараниями крупнейшего производителя автомобилей и японской корпорации «Айсин» (агрегаты трансмиссии) была разработана одна из наиболее удачных схем. Двигатель автомобиля приводит генератор, занявший в трансмиссионном агрегате место традиционной коробки передач. Но соединены они не жестко, а через планетарный делитель, который, в свою очередь, дает выбор мотору – вращать колеса или генератор. Он же отвечает за пуск двигателя на ходу, ненадолго замыкая трансмиссию.
Далее располагается электродвигатель и еще один планетарный редуктор, который работает в режиме двухступенчатой коробки передач, изменяя передаточное число между электродвигателем и трансмиссией. Оказывается, двух передач (1,9:1 и 3,9:1) достаточно для эффективной работы привода во всех диапазонах скоростей. Привычной коробки у автомобиля нет – суммарный крутящий момент бензинового мотора и электродвигателя позволяет обходиться всего двумя ступенями.
В режиме Hybrid выбор – в пользу наиболее экономичного перемещения. Power предполагает максимальное использование электродвигателя как «бустера», улучшающего динамику автомобиля. Зимний режим Snow вводит ограничение по крутящему и тормозному моментам для максимально эффективного сцепления с дорогой. Спортивный режим трансмиссии «Лексуса-LS600h» предлагает восемь уровней торможения двигателем и соответственно скорости и интенсивности реакции на педаль газа, имитируя работу 8-ступенчатой автоматической трансмиссии. При обычном разгоне автомобиль трогается только за счет электродвигателя, а бензиновый мотор подключается по мере надобности.
Система, применяемая компанией «Дженерал моторс» на гибридном вседорожнике «Шевроле-Тахо», несколько иная: в ней отсутствует вторая планетарная передача, но вместо одного электромотора – два, по 22 кВт. Этого достаточно, чтобы бензиновый двигатель обходился без традиционной коробки передач, а автомобиль в целом мог перемещаться исключительно на электротяге. Название 2-Mode Hybrid Transmission означает два режима работы. В первом, при минимальных скоростях и нагрузках, в зависимости от состояния аккумуляторов можно двигаться как за счет одних электродвигателей, так и с помощью бензинового 5,3-литрового мотора. Второй режим работы, напротив, предназначен для движения с высокой скоростью по шоссе: он исключает влияние электродвигателей, что повышает КПД трансмиссии и снижает расход бензина. Более того, при благоприятных условиях автоматика отключает четыре из восьми цилиндров мотора. В таком режиме «Шевроле-Тахо» способен пройти 22 мили на галлоне бензина, что соответствует примерно 10,7 л/100 км. Неплохой результат для автомобиля такого размера!
FULL FLAVOUR
Их называют range extender (в буквальном переводе – удлинитель). Впрочем, речь идет пока об опытных образцах, которые не подтверждают заявленных характеристик. Гибриды такого класса – это, по существу, электромобили, оснащенные вспомогательным бензиновым или дизельным двигателем.
Основное отличие в эксплуатации – крайне желательна ежедневная подзарядка от сети. Основной режим для «бензоудлинителя» – городской. При запасе хода 100 км и более в ежедневных поездках по городу вообще нет необходимости использовать двигатель внутреннего сгорания. Ну а если электричество «кончится», то бензиновый мотор теоретически в состоянии обеспечить беспроблемное путешествие до ближайшей розетки. Его задача не заряжать аккумуляторы, а лишь поддерживать примерно 30-процентный уровень заряда. КПД невысок, но подразумевается, что «бензиновый» пробег для машины скорее исключение, чем правило. Механической связи с колесами мотор такого гибрида не имеет вовсе, то есть лишается одного из важнейших преимуществ гибридной трансмиссии – улучшения динамики за счет совместной работы электродвигателя и ДВС.
Первым серийным автомобилем этого класса должен стать «Шевроле-Вольт», производство которого обещают начать в 2010 году.
О ВРЕДЕ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ
Какая из концепций гибридного привода победит? Однозначного ответа нет. Вполне вероятно, что «бензоудлинители» окажутся востребованными в Северной Америке при доступных ценах на электроэнергию и высоких – на бензин. Гибриды аналогичного типа планирует выпускать и «Мерседес-Бенц». Компоновка его компактных моделей еще много лет назад была сделана с этим прицелом.
Впрочем, еще вероятнее, что дуэт «Тойоты» и «Айсина» окажется более удачливым и им удастся постепенно увеличивать электрическую составляющую гибридных трансмиссий. Прототип «Тойоты-Приус» с возможностью подзарядки уже способен преодолеть на электротяге 10 км в городском цикле. Для полной зарядки батарей от сети 220 В требуется менее двух часов. Автомобиль третьего поколения с литий-ионными аккумуляторами будет способен на заметно лучшие результаты. Подзарядка аккумуляторов от внешнего источника позволяет превратить их из сомнительного накопителя кинетической энергии в реальный «топливный бак» (пусть даже на порядок уступающий бензиновому).
Единственный вопрос, который остается, – цена на бензин. Настоящий кризис оказался экономическим, а не топливным. А когда топливо дешевеет, дорогостоящие программы развития гибридных трансмиссий и силовых установок могут серьезно повредить финансовому здоровью автомобильных производителей.