Головна> Статті> Все про гібриди: як вони влаштовані і якими бувають
Гібридні автомобілі вже перестали викликати подив на вулицях, але їх конструкція досі є для багатьох загадкою
Відповісти на питання про влаштування сучасного гібрида одночасно і просто, і складно. У загальному розумінні, це автомобіль, силова установка якого складається з електромотора і бензинового двигуна, які так чи інакше спільними зусиллями обертають колеса. Цього достатньо, щоб пояснити будь-якого непосвяченому, що означає загадкове слово Hybrid на кузові звичайної на вигляд машини. Але варто копнути глибше - і голова йде обертом від того, яка кількість технічних рішень і варіантів компоновок накрутили творці сучасних гібридів! Заплутатися в різноманітті термінів і 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.
Мікрогібріди - найпростіша форма гібридної життя
Виробники заявляють, що мікрогібридних технологія дозволяє економити до 10-15% палива
Вища ступінь електрифікації: гібриди типу plug-in
Але справжні, повноцінні гібриди все-таки здатні на більше, як з точки зору економії палива, так і в плані тягових можливостей. Все тому, що їх електродвигуни не тільки збирають електроенергію в ролі генераторів для зарядки батарей, а й 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 збільшений об'єм, електромотор - високу 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 загальнопоширених позначення plug-in (плаг-ін) і за своєю суттю є проміжна ланка між традиційними автомобілями і електричними.
Все тому, що завдяки в рази більше об'ємної, ніж у звичайних гібридів, батареї «плагіни» можуть долати на електротязі без єдиної спалаху в циліндрах ДВС до 50 кілометрів. Це цілком пристойна по міських мірками дистанція, нешкідливо для навколишнього середовища повторювати яку можна знову і знову за умови регулярної «дозаправки» батарей з розетки. Але усереднений показник з урахуванням умов руху і різниці в технічних характеристиках - близько 25-30 км. Що теж, втім, чимало. Адже здатність повноцінно пересуватися на електриці в коротких міських поїздках є серйозним конкурентною перевагою перед іншими, більш простими гібридами, які навряд чи доїдуть на електротязі до наступного світлофора!
Так як «плагіни» спочатку розраховані на повноцінне пересування на електротязі, водити їх зовсім не нудно: в електрорежіме динаміка помірно-достатня, але коли електромотор допомагає ДВС розганятися при натиснутому в підлогу акселераторі, то надбавка в потужності відчувається дуже здорово! Наш тест Porsche Panamera S E-Hybrid докладно про це розповідає
Менша ступінь електрифікації: повні і помірні гібриди
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» (з огляду на їх скромного об'єму і загальної примітивної 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 ось додаткова потужність в 163 к.с. на додаток до бензиновим 800 буде дуже до речі!
Ідеологічно помірні гібриди ближче до класу мікрогібрідов і часто розуміються як єдине ціле. Хоча відмінність між ними все ж є: на відміну від помірних, мікрогібріди нездатні підтримати бензиновий двигун своєю тягою. Повні ж гібриди концептуально прагнуть до класу «плагінів» і короткочасно здатні справити на непідготовленого людини приблизно таке ж враження - можуть адже їхати безшумно! Однак реальне використання чітко позначає прірву між споживчими якостями перших і других, якщо, звичайно, використовувати перевагу зарядки від розетки гібрид типу plug-in.
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 схемою, від якої залежить і компоновка.
Помірні гібриди ще й їдуть більш ніж помірно, 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 дещо меншому ступеню, можна сказати і про більшість повних гібридів. Взяти хоча б наші враження від тесту гібридного Nissan Pathfinder нового покоління
Схема: послідовні гібриди
У разі, 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 називати 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 палива доводиться перетворювати спочатку в механічну, потім механічну в електричну, а в кінці електричну - в роботу безпосередньо на колесах.
80-кілометровий пробіг Вольту забезпечує гігантська навіть за мірками plug-in гібридів батарея ємністю 18,4 кВт • год - удвічі більше, ніж у тій же «Панамери». Це говорить про те, що Volt орієнтований насамперед на повноцінне електричне водіння. Для чого тяговий електромотор, що володіє потужністю 149 к.с. і тягою 398 Н • м (для порівняння: крутний момент Subaru WRX STI - 407 Н • м), забезпечує динаміку 0-100 км / ч на рівні 8,5 секунди
У батареях в даний час найчастіше використовуються літієво-іонні та нікель-металгідридні модулі, що складаються з безлічі осередків. Основні виробники - Samsung, Panasonic, Continental. Зазвичай в конструкції гібрида використовуються дві батареї - тягова з високою напругою і звичайний 12-вольта акумулятор для бортового обладнання
Схема: паралельні гібриди з електромотором між ДВС і коробкою передач
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 S 500 e та С 350 e, BMW X5 xDrive40e та інші поєднують в собі звичні нам властивості бензинових машин і здатність проїхати півгодинної маршрут на електриці. Для того, щоб зберегти всі «бензинові» переваги, потужні мотори таких машин мають жорстку зв'язок з колесами. Електродвигун чи не порушує звичну компоновку цих моделей, тому як вбудований в коробку передач, і при необхідності потужності ДВС і електромотора підсумовуються. Ця схема називається паралельної, так як мотори обох типів працюють одночасно. Залежно від обраного водієм режиму, бензиновий мотор може або обертати колеса спільно з електродвигуном, або останній буде працювати як генератор 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 в поодинці.
На цих зображеннях видно, як компактно електромотор інтегрований в коробку передач гібрида Volkswagen Golf GTE (читайте наш тест цього гарячого бензоелектричного хетчбека) - в порівнянні зі звичайною бензинової або дизельної версією компоновка принципово не змінилася. Додаткове місце зайняла 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
Окремо варто досить велика і одночасно різношерста 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 осей, яка об'єднує, розділяє і перетворює крутний момент від декількох джерел.
Справа до ДВС пристикований трансмісійний модуль з двома електродвигунами. Крайній праворуч - тяговий електромотор, лівіше знаходиться планетарна передача, а між нею і бензиновим двигуном - мотор-генератор, він же стартер
Один з електромоторів системи служить стартером і генератором, а другий є тяговим і рекуперірует електрику при уповільненні. Завдяки особливостям планетарного механізму, ДВС не пов'язаний безпосередньо з колесами, і частина його енергії завжди віддається на обертання заряджає батареї і живить тяговий електродвигун генератора. Для докладного розбору пристрою гібридної установки Toyota буде потрібно окремий великий матеріал, а в рамках цього загального потрібно розуміти головне: традиційна трансмісія тут замінюється планетарної передачею і контролює силові модулі (ДВС і два електромотора-генератора) електронікою - в залежності від потреб водія, тяговий електромотор видає певну потужність окремо або спільно з двигуном внутрішнього згоряння, а надлишкова тяга останнього засобами планетарного механізму йде на обертання другого мото а-генератора і, відповідно, зарядку основної батареї.
Так влаштований гібридний привід Peugeot 3008 RXH з тягою роздільного типу на кожній з осей
- Мотор-генератор, об'єднаний з головною передачею і диференціалом
- Тягова нікель-металогідридні батарея SANYO
- Блок PTMU (Power Train Management Unit), який об'єднує конвертор і інвертор. Охолодження силової електроніки і батареї повітряне, здійснюється за допомогою вентиляторів
- Стартер-генератор
- Шестиступінчаста 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 електромотором-генератором знаходиться ззаду, а тяговий електродвигун - на передній осі. Система працює таким чином, що гібридне купе може бути або передньопривідний-електричним, або повнопривідний-гібридним. Перехід на задній привід неможливий з тієї причини, що в разі спустошення батареї ДВС, за задумом інженерів, починає працювати одночасно в режимі обертання коліс задньої осі і харчування 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 / ч. Відчуття від водіння i8 - в матеріалі Вадима Гагаріна Ла Белла!
Так що ж краще?
Гібридне майбутнє однозначно за конструкціями типу plug-in, тому що 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 зарядної інфраструктурою. В іншому випадку простіше зупинитися на звичайному повному гібриді, що не має функціоналу підключення до розетки - нехай його пробіг на електриці і нікчемний в порівнянні з «плагінами», а й важить вся конструкція менше, і коштує дешевше. Сенс в вимираючих помірних гібридах, які не здатні рухатися без участі ДВС, практично відсутня - ефект від застосування електротяги тут навряд чи виправдовує зайву масу і більш високу вартість у порівнянні з негібридних версіями. Є майбутнє і у мікрогібрідов: відношення витрат до досягається за допомогою цієї технології ефекту виглядає вигідним. Що стосується механічної схеми, то це більше питання настройки: кінцевого користувача не повинно хвилювати як і за допомогою чого розподіляються потоки потужності та енергії в надрах автомобіля - індустрія знає приклади як відмінною, так і не дуже ідеальної роботи будь-якої з відомих схем.