Гид по гибридным авто: типы, плюсы и минусы

Давайте разберем различные типы гибридных систем, используемых в транспортных средствах, которыми люди ездят в повседневной жизни. Обратите внимание, что это не термины, обычно используемые покупателями новых автомобилей (за исключением, возможно, «подключаемого гибрида»), а технические различия в том, как работает оборудование, приводящее в движение автомобиль.

Что значит — "гибрид"?

Когда кто-то говорит: «У меня гибрид», мы часто представляем себе Toyota Prius... или, может быть, его гибридный брат RAV4. Для этого есть причина: Toyota в настоящее время продала подавляющее большинство из более чем 25 миллионов бензиново-электрических гибридов на дорогах мира, большинство из которых используют свою классическую параллельную гибридную систему с двумя двигателями и разделением мощности.

Но что на самом деле означает эта цепочка слов? Самый полезный способ отличить гибридно-электрические системы — это спросить, может ли гибридная система питать автомобиль только от аккумулятора или бензиновый двигатель должен быть всегда включен. Это могут сделать как параллельные, так и последовательные гибриды; то же самое можно сказать и о подключаемых гибридах. С другой стороны, мягкие гибриды не могут.

А теперь погрузимся в детали.

Параллельные гибриды

В параллельной гибридной системе и двигатель, и электродвигатель могут приводить в движение колеса вместе или по отдельности. Система Toyota, впервые представленная на японском рынке Prius в 1997 году, использует два двигателя между двигателем и передними колесами, питаемые от небольшого аккумуляторного блока (от 0,8 до 1,4 киловатт-часов).

Часть описания «разделение мощности» означает, что оба источника объединяются, чтобы обеспечить единый выходной крутящий момент на колеса. При небольших нагрузках и более низких скоростях один или оба двигателя могут приводить в движение автомобиль при выключенном двигателе. Двигатель запустится, когда потребуется больше мощности; он может приводить в движение автомобиль сам по себе, или мощность может быть получена от комбинации двигателя и моторов.

Ключом к этой системе является то, что рекуперативное торможение — использование двигателя в качестве генератора при замедлении автомобиля для подзарядки аккумулятора — возвращает энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую в виде тепла для тормозов. В идеальных условиях до 30 процентов энергии, затраченной на питание автомобиля, может быть восстановлено, что приводит к реальной экономии топлива от 65 до 89 км на 4,5 литра в Toyota Prius или ее собрате Corolla Hybrid (на фото вверху). Эффективность является самой высокой при движении с остановками, что позволяет использовать только электрическую энергию.

Два электродвигателя и двигатель соединены планетарной передачей, которая заменяет обычную трансмиссию. Это позволяет плавно регулировать передаточные числа; Много раз в секунду алгоритмы управления автомобилем изменяют мощность, потребляемую аккумулятором и двигателем, чтобы максимизировать использование электроэнергии и минимизировать сжигание топлива.

В некоторых случаях один двигатель может приводить в движение автомобиль, а другой использует мощность двигателя или рекуперативное торможение для подзарядки аккумулятора. Имея за плечами 25-летний опыт, компания Toyota разработала программные алгоритмы, которые делают все эти переходы совершенно плавными — и в наши дни водители и пассажиры могут даже не замечать включения и выключения двигателя.

Последовательные (серийные) гибриды

Последовательный или серийный гибрид по своей концепции гораздо проще. Всякий раз, когда требуется больше энергии, чем может обеспечить аккумулятор, бензиновый двигатель включается для питания генератора, который заряжает аккумулятор. Ключевым моментом здесь является то, что крутящий момент двигателя приводит в действие только генератор. Он механически не связан с колесами, которые приводятся в движение только электродвигателями.

Такая установка используется в дизель-электрических железнодорожных локомотивах. Лучше всего это делать при постоянной скорости автомобиля, когда двигатель может работать наиболее эффективно на заданных оборотах. Но диапазон потребностей в мощности легкового дорожного транспортного средства охватывает более чем порядок величины: от движения с постоянной скоростью до максимального ускорения, и это может отрицательно сказаться на батареях, а это означает, что серийным гибридам обычно требуется более высокая емкость батареи, чем обычным гибридам.

В Штатах было продано только две серии гибридных пассажирских автомобилей. Оба были подключаемыми гибридами (см. ниже): BMW i3 REx, который добавил двухцилиндровый двигатель с увеличенным запасом хода к аккумуляторно-электрической модели i3, а также Fisker Karma и его преемники Karma Revero и GS-6, все элегантные четырехдверные седаны класса люкс. Ни один из них сегодня не продается, хотя версия GS-6 2022 года, преемника Revero, все еще указана на веб-сайте Karma.

Подключаемые гибриды (PHEV)

Подключаемый гибрид (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) может оказаться сложной для объяснения концепцией. Проще говоря, это обычный гибрид с гораздо большей батареей, которую можно подключить для подзарядки от сети. Это позволяет ему работать как электромобиль на расстоянии от 15 до 100 км.

Самым известным подключаемым гибридом может быть Chevrolet Volt 2011–2018 годов. Многие водители обнаружили, что Volt второго поколения с запасом хода в 85 км по рейтингу EPA может обеспечить ежедневную езду исключительно на электричестве, при этом двигатель включается только во время длительных поездок или экстремальных подъемов. Сообщения о пробеге более 1600 км на бак бензина не были редкостью, если «Вольт» включался в сеть каждую ночь.

Volt, уникальный среди PHEV, предлагал почти одинаковые характеристики независимо от того, работал ли он только от аккумулятора или действовал как обычный гибрид после того, как заряд аккумулятора был исчерпан. Другие подключаемые гибриды имеют более мощные двигатели, чем электродвигатели. Когда требуется дополнительная мощность, двигатель должен включиться. Частота использования двигателя снижается по мере увеличения размера батареи (и, следовательно, запаса хода на электротяге); для пробега на электротяге 65 км необходима более высокая емкость аккумулятора по сравнению, скажем, с 16 км.

Все подключаемые гибриды сегодня созданы на основе гибридов с разделением мощности, в том числе Toyota Prius Prime и RAV4 Prime, а также различных PHEV-версий гибридов Hyundai и Kia. Однако Stellantis не предлагает обычных гибридов (без вилки); Его Chrysler Pacifica Hybrid и растущая линейка гибридов Jeep 4xe имеют вилки.

Автопроизводители рассматривают подключаемые гибриды как способ удовлетворить растущие требования к автомобилям с нулевым уровнем выбросов без затрат на разработку совершенно новых электромобилей с аккумуляторной батареей. Этим электромобилям требуются аккумуляторные блоки емкостью от 60,0 до 100,0 кВтч по сравнению с 10,0–25,0 кВтч у PHEV. Проблема заключается в том, что производители получают признание за производство автомобилей с низким уровнем выбросов, даже если PHEV никогда не подключается к сети, а это означает, что он работает только как более тяжелый и дорогой обычный гибрид.

Мягкие гибриды

Наконец, мягкие гибриды имеют электродвигатели, которые недостаточно мощны, чтобы приводить в движение автомобиль в одиночку. Они могут располагаться между двигателем и трансмиссией или быть частью интегрированной системы стартер-генератор, в которой оба этих компонента заменяет более мощный электродвигатель. Преимущества экономии топлива здесь гораздо менее значительны, и они, возможно, даже не продаются под названием «гибрид».

В этом случае также требуется небольшой аккумуляторный блок для хранения энергии, полученной от избыточной мощности двигателя и/или рекуперативного торможения. Двигатель эффективно увеличивает мощность двигателя, когда это необходимо, что означает потенциальную экономию топлива за счет предотвращения переключения на пониженную передачу.

Последние мягкие гибридные системы часто работают при напряжении 48 вольт. Они обеспечивают большую мощность, чем 12-вольтовая система автомобиля, но гораздо дешевле, чем полностью гибридные системы, работающие при напряжении от 280 до 400 вольт.