Всё, что вы хотели знать о гибридах
Первый массовый гибридный автомобиль — хетчбэк Тойота Приус 1997 года, ставший революционным для того времени. В нём применялся оригинальный силовой агрегат, объединяющий в себе последовательную и параллельную схемы. Силовая установка Приуса состояла из бензиновой «четвёрки» и двух электромоторов, а также планетарного редуктора, соединяющего их между собой. Сегодня Приус выпускается в версиях обычного и подзаряжаемого гибрида.
В 2020 году объем продаж гибридных автомобилей во всем мире, по оценке Bosch, превысил 9 млн. единиц. А к 2025 году эксперты предсказывают рост мирового рынка до 12 млн. машин. Сегодня машины, в которых электромотор дополняет обычный ДВС, — обычное дело. Гибридные версии есть как у бюджетных авто, так и у гоночных суперкаров. Их стало так много, что, зачастую, трудно разобраться — как именно устроен этот конкретный гибрид, что от него ждать (экономии топлива, улучшения динамики) и зачем он вообще нужен. В нашем обзоре мы представим классификацию гибридных силовых установок и сделаем их разбор с указанием плюсов и минусов каждой системы.
Микрогибриды (Micro hybrids)
Самое начало союза электричества с ДВС, в котором ещё даже нет электромотора, а ключевым компонентом является «умный» генератор, отключающийся на разгоне, уменьшая нагрузку на ДВС, и вырабатывающий электроэнергию (нужную другим агрегатам машины) при замедлении хода. Такой системой легко оснастить любой современный автомобиль — микроконтроллер «умного» заряда может устанавливаться прямо на клемму аккумулятора. Обычную систему «Старт-стоп» тоже формально можно отнести к микрогибридам — она автоматически глушит двигатель при остановке автомобиля, снижая расход топлива и выбросы в атмосферу.
- Плюсы: не увеличивает массу автомобиля, простая конструкция, низкая стоимость
- Минусы: минимальная эффективность
- Экономия топлива: 2–5%
- Где встречается: Мини Купер, БМВ 1 серии, Мазда 6
«Мягкие» гибриды (Mild hybrids или MHEV)
Электромотор уже реально помогает ДВС, улучшая динамику автомобиля, но двигаться только на электротяге машина не может. Первый серийный Mild Hybrid — Хонда Insight 1999 года. Основа «мягкого» гибрида — электромотор, соединённый с бензиновым двигателем. Обычно его называют стартёр-генератором (и устанавливают вместо обычного генератора). Он вырабатывает электроэнергию при торможении, а при разгоне — тратит. С его помощью реализуется более продвинутая система «Старт-стоп», когда бензиновый двигатель глушится ещё до полной остановки автомобиля.
MHEV-гибриду нужна дополнительная батарея небольшой ёмкости, способная накапливать электроэнергию, вырабатываемую при торможениях. А вот как её тратить — решает производитель: в Ауди А8 48-вольтовая батарея питает электрический нагнетатель воздуха, увеличивающий отдачу дизеля, в новом Рендж Ровер Эвок электричество дает до 140 Нм тяги и экономит до 6% топлива.
- Плюсы: улучшение динамики, относительная дешевизна
- Минусы: неоптимальный расход — большая часть энергии тратится на вращение ДВС
- Экономия топлива: 5–10%
- Где встречается: Рендж Ровер Эвок, Ауди А6, А7 и А8, Феррари LaFerrari
«Полные» гибриды (Full hybrids или FHEV)
Электромотор сам приводит машину в движение, автомобиль способен проехать хотя бы небольшую дистанцию только на электричестве. Например, «полный» гибридный Порше Кайен имеет запас хода около 50 км. Электромотор соединён с ДВС не постоянно: между ними устанавливают сцепление или муфту, что даёт возможность двигаться с заглушенным двигателем и эффективнее накапливать электроэнергию при торможениях. В сравнении с «мягкими» гибридами электромотор даёт заметную прибавку к динамике, если, конечно, достаточно торможений, чтобы зарядить большую батарею.
Батарею используют более ёмкую и высоковольтную. Ей нужны мощные контроллер и преобразователь напряжения (для питания остальной электроники), собственная система охлаждения. На электропитание переводят компрессор кондиционера, усилитель руля и тормозов, кондиционер. В итоге FHEV-версия оказывается тяжелее и дороже обычной, но и экономия топлива получается приличной. На сегодня Full Hybrids — самый распространённый, но медленно уходящий в прошлое вид гибрида.
- Плюсы: приличная экономия топлива, прибавка в динамике
- Минусы: большой вес, сложность конструкции, дорого стоит
- Экономия топлива: 15–25%
- Где встречается: Инфинити Q50 Hybrid, Порше Кайен S Hybrid
Электрополноприводные гибриды
Это вариант FHEV-гибрида, в котором ДВС и электромотор приводят каждый свою ось. Например, обычный бензиновый мотор вращает передние колёса, а электрический двигатель с собственным редуктором — задние. Можно относительно недорого из обычного автомобиля сделать гибридный и полноприводный. Доработки ДВС почти не требуются, а заднюю часть гибрида в любом случае приходится модифицировать для размещения батареи.
- Плюсы: относительная простота конструкции, полный привод, меньшая стоимость
- Минусы: ниже эффективность, уменьшается багажник, вес ещё больше
- Экономия топлива: до 20%
- Где встречается: Пежо 3008 Hybrid4, Мазда Demio e-4WD
Подзаряжаемые гибриды (Plug-in hybrids или PHEV)
На сегодня это высшая категория автомобилей с комбинированными силовыми агрегатами. На подзаряжаемые гибриды сегодня переходят многие, например, Porsche — Panamera S E Hybrid. Проблема обычных гибридов в том, что пополнить запасы электричества они могут только при торможении. А при равномерном движении (на трассе, например) электрический мотор не используется, зарядка аккумуляторов от ДВС не в счёт — там сэкономить топливо не получится. Поэтому и появилась идея — зарядить батарею заранее от внешней розетки — пока автомобиль стоит на парковке. Ёмкость батарей у PHEV-версий намного выше, чем у обычных полных гибридов. Такие аккумуляторы позволяют проехать на электротяге десятки километров, не тратя при этом топливо.
- Плюсы: максимальная экономия топлива
- Минусы: стоимость, большой вес, зависимость от зарядных станций
- Экономия топлива: до 70%
- Где встречается: Фольксваген Гольф GTE, Рендж Ровер P400e, Шевроле Вольт, Митсубиши Аутлендер PHEV
Последовательно-параллельные гибриды
Родоначальником этой схемы является Toyota со своим Приусом — первым в мире серийном гибриде. В нём удалось совместить сразу всё: 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: планетарный редуктор с электромоторами выполняют роль бесступенчатой трансмиссии. Сегодня выпускается уже четвёртое поколение гибридного силового агрегата Hybrid Synergy Drive (HSD), который устанавливают во все гибриды Toyota и Lexus. Идея HSD защищена патентами Тойоты, поэтому концернам GM, Daimler и BMW, объединившимся в рамках проекта Global Hybrid Cooperation, пришлось сделать намного более сложную схему с двумя электромоторами и четырьмя пакетами фрикционов.
- Плюсы: высокая эффективность, простота конструкции, небольшой вес
- Минусы: сложная управляющая электроника, цена
- Экономия топлива: до 40%
- Где встречается: Тойота Приус, Лексус RX 450h, БМВ X6 ActiveHybrid, Мерседес ML 450 Hybrid
Коротко о главном
- Мягкий гибрид — использует как двигатель внутреннего сгорания, так и электродвигатель, чтобы повысить экономию топлива. Это происходит за счет использования энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, которая создается при торможении. Эта энергия затем используется двигателем внутреннего сгорания для разгона автомобиля. Мягкий гибрид использует электродвигатель, чтобы помочь двигателю внутреннего сгорания.
- Полный гибрид — имеет больший электродвигатель и аккумулятор по сравнению с мягким гибридом. Полный гибрид может на небольшие расстояния обеспечивать движение автомобиля, используя электродвигатель, а также заряжать аккумулятор с помощью двигателя или посредством рекуперативного торможения.
- Подключаемый гибрид — можно зарядить, подключив к домашней розетке или используя общественную зарядную станцию. Подключаемый гибрид предлагает только в электрическом режиме большую дальность хода благодаря большему блоку батарей и электродвигателю. Подключаемый гибрид способен удовлетворить ежедневные потребности большинства людей по запасу хода.
Что нас ждёт в будущем?
В 2020 году в Евросоюзе вступила в действие Директива 443/2009, которая требует, чтобы средние выбросы CO2 новых моделей автопроизводителя были не выше 95 г/км на 1370 кг массы. За каждый лишний грамм с каждого проданного автомобиля придётся заплатить штраф. Эти требования примерно соответствуют комбинированному расходу в 4,1 л/100 км бензина или 3,6 л/100 км дизеля. Уложиться в них можно только с помощью батарей и электромоторов, даже современный полный гибрид делает это с трудом. А через несколько лет порог разрешённых выбросов планируют опустить ещё ниже! Так что машин, подключенных к розетке, будет становиться на парковках всё больше.
Поэтому в будущем нас ждет полный отказ от ДВС. Точка. По мере развития технологий (прежде всего, аккумуляторов) все автомобили рано или поздно станут электрическими. Но сегодня электромобили ещё довольно дорогие, имеют ограниченный запас хода и слишком долго заряжаются. Некоторые страны уже объявили о грядущих запретах ДВС: Великобритания, Швеция, Дания, Исландия, Индия, Китай — к 2030 году продажи новых машин с моторами внутреннего сгорания окажутся под запретом; Норвегия — запрет с 2025 года.
Израиль. Работа над набором «критической массы» экологически чистого транспорта идёт и в Израиле. К 2030 году в стране перестанут продавать автомобили с бензиновыми и дизельными моторами. Дальше — только электричество и природный газ, которым богата территория. Власти уже заявляли, что снизят налог на «чистые» машины на столько, насколько это возможно — вплоть до нуля. При этом рост инфраструктуры, обслуживающей электрический транспорт, ускорится, и к двум тысячам существующих станций зарядки добавятся множество новых. Ожидается, что к 2025 году по дорогам Израиля будут ездить 177 тысяч электромобилей, что, согласитесь, уже очень много. Прогноз — полтора миллиона электрокаров к 2030-му!
