Что такое гибридный автомобиль и как он работает?
Что такое гибрид?
Гибрид — это автомобиль, который использует как двигатель внутреннего сгорания, так и электродвигатель для движения, но единственным топливом, которое вы заправляете, является бензин. (Существуют дизельные гибриды, но они в основном используются в локомотивах и других экстремально тяжелых машинах). Гибриды имеют небольшие высоковольтные батареи для питания электродвигателей, но вы не подключаете их к электросети.
При отсутствии внешнего источника питания электроэнергия для электродвигателя вырабатывается во время торможения в процессе, который называется рекуперативным торможением — сокращенно рекуперация. Если вы болеете за «Формулу-1», то, возможно, слышали, что она называется системой рекуперации кинетической энергии (KERS). Система рекуперации не заменяет традиционные тормоза, а работает как важная альтернатива.
Электрическая энергия, собранная с помощью этого процесса, сохраняется в аккумуляторе для немедленного повторного использования при следующем ускорении. Когда вы выезжаете со светофора, сохраненная энергия снова трогается с места и задерживает перезапуск бензинового двигателя — в некоторых случаях до достижения скорости 25 миль/ч. Когда вы снова останавливаетесь, цикл повторяется. Это делает топливную экономичность гибридного автомобиля в городе намного выше, чем негибридного, не говоря уже о его экономичности на шоссе.
Как работает рекуперативное торможение?
Рекуперация является естественным следствием функционирования электродвигателей. Когда вы подаете электроэнергию в электродвигатель, он двигает (или помогает двигать) автомобиль. Когда автомобиль движется, тот же электродвигатель становится генератором, который может изменить поток электронов на противоположный и собрать это движение, чтобы вернуть электроэнергию обратно в аккумулятор. Вот почему гибридные электродвигатели иногда называют мотор-генераторами. Важно, что этот процесс замедляет движение автомобиля, поэтому рекуперация запускается и управляется компьютером, когда вы нажимаете на тормоз или спускаетесь вниз по склону.
Насколько мала батарея гибрида?
Обычно не более 1 кВт-ч, что составляет 1-2 процента от размера батареи обычного электромобиля.
Движение одной педалью — процесс, при котором поднятие дроссельной заслонки может запустить рекуперацию, в основном присутствует на полных электромобилях, а не на гибридах, поскольку электромобили имеют более мощную электрическую систему и гораздо более крупные аккумуляторы. Насколько мала батарея гибридного электромобиля? Обычно они не превышают одного киловатт-часа (кВт-ч), что составляет всего 1-2 процента от размера батареи обычного электромобиля.
Тем не менее, гибридной рекуперации может быть достаточно для большинства рутинных торможений. Компьютер всегда отслеживает, насколько сильно вы нажимаете на педаль тормоза, поэтому во время резких остановок и в экстренных ситуациях он будет использовать традиционные тормоза — колодки и роторы. Такой подход с рекуперацией в первую очередь максимизирует сбор электроэнергии для движения, благодаря чему топливная экономичность стремительно растет. Рекуперация является базовым элементом, который разделяют все гибриды, но различия возникают, когда дело доходит до использования их бензиновых двигателей.
Параллельные гибриды
Это самый распространенный тип, поскольку они настроены на выборочное использование бензинового двигателя или электродвигателя для приведения автомобиля в движение. Они также могут задействовать оба двигателя одновременно. Электродвигатель получает преимущество на низких скоростях, поскольку именно тогда его высокий начальный крутящий момент и КПД могут лучше всего использовать ограниченную энергию аккумулятора. После отложенного перезапуска подключается бензиновый двигатель, который со временем перебирает на себя управление, когда скорость возрастает и переходит в режим круиза, и в этот момент двигатель работает в своей «сладкой точке». В некоторых конструкциях используется один электродвигатель, зажатый между двигателем и обычной трансмиссией, в то время как в других — два электродвигателя, которые работают вместе, выполняя роль бесступенчатой трансмиссии для двигателя. Примерами первых являются ранние гибриды Honda, а также современные модели Hyundai и Kia, такие как Elantra. Последний описывает гибриды Toyota, Lexus и Ford, такие как Maverick.
Серийные гибриды
Этот тип менее распространен, но его популярность растет. Они также используют первичный приводной двигатель, который на низких скоростях движет автомобиль, используя энергию рекуперируемого аккумулятора, а во время торможения — утилизирует энергию. Когда скорость растет и энергии становится мало, двигатель включается, чтобы приводить в движение второй специальный генератор, который преобразует энергию бензина в электричество, чтобы поддерживать заряд аккумулятора. Это означает, что колеса электромобиля приводятся в движение на всех скоростях, поэтому подача энергии всегда плавная и бесперебойная. Недостатком является то, что преобразование бензина в электричество является дополнительным шагом, который снижает эффективность, но более новые подходы делают это менее значимым. Honda является последним чемпионом этого типа, который питает последние итерации гибридов Civic, CR-V и Accord.
Размытые границы
Как и что-либо другое, гибридные системы не соответствуют таким определениям до конца. Гибридный Synergy Drive от Toyota — это прежде всего параллельная система, но ее двухмоторная конструкция также позволяет короткие моменты последовательной генерации энергии, когда наиболее эффективная рабочая скорость двигателя генерирует больше энергии, чем нужно водителю. Аналогично, последняя гибридная система Honda, работающая преимущественно последовательно, может включать двигатель для привода колес непосредственно в определенных условиях, когда компьютер решает, что это более эффективно. Оба исключения — это хорошо, поскольку они показывают, что инженеры ищут самое эффективное решение, а не то, которое проще всего объяснить.
Что лучше: гибрид, EV, PHEV или автомобиль на топливных элементах?
Какие преимущества гибридов для вас?
Основное преимущество любого гибрида заключается в улавливании и повторном использовании энергии торможения, которая иначе терялась бы в виде тепла и износа тормозов. Гибриды, которые интересуют большинство людей, используют эту восстановленную энергию для экономии топлива и повышения уровня топлива, используя электродвигатель для задержки запуска газового двигателя, но спортивные гибриды используют собранную энергию для повышения общей мощности и скорости.
Топливные гибриды — отличный выбор для тех, кто хочет сэкономить деньги или уменьшить свой углеродный след. В конце концов, высокий уровень потребления топлива и низкий уровень выбросов углекислого газа — это две стороны одной медали. Если вы живете в квартире или у вас будет только один автомобиль, электромобиль может быть непрактичным. С другой стороны, гибрид — это чисто бензиновое транспортное средство, которое не имеет привязки или особых требований к заправке.
С практической точки зрения, сильная ориентация гибридов на рекуперативное торможение означает, что их тормозные колодки и роторы будут служить гораздо дольше, чем у обычных автомобилей. У них также нет отдельного стартерного двигателя, потому что с этим справляется электродвигатель. А небольшая батарея гибрида не занимает много места и не требует дорогой химии.
Другие типы гибридов
Мягкие гибриды, которые иногда называют гибридами «ремень-генератор-стартер» или BAS-гибридами, имеют скромные 48-вольтные батареи, которые не способны вырабатывать сколько-нибудь значимую энергию для движения. Однако такие системы пополняются за счет регенерации, и они объединяют стартер и генератор в один блок, который может беспрепятственно запускать двигатель «на передаче», так сказать, для сглаживания работы их систем старт-стоп.
Гибриды на топливных элементах — это серийные гибриды, укомплектованные электродвигателем, рекуперативным торможением и небольшой высоковольтной батареей. Но они не имеют бензинового двигателя. Вместо этого у них есть топливный элемент — устройство, которое превращает газ водород в электричество, при этом вода является единственным побочным продуктом. Поэтому гибриды на топливных элементах постоянно работают на электричестве и работают так же тихо, как и электромобили. Их водородные баки можно заправить за пять минут, как обычные автомобили, но доступность станций крайне ограничена и в основном ограничивается крупными населенными пунктами Калифорнии.
Подзаряжаемые гибриды — это обычные гибриды со значительно увеличенными батареями, предназначенными для того, чтобы они могли работать на полной скорости только на электричестве в течение 20-50 миль. Все проблемы с зарядкой батареи электромобиля выходят на поверхность, но они не так остры, поскольку батарея гибридного электромобиля примерно на четверть меньше батареи электромобиля. Поэтому их легче заряжать дома, а те, кто может это сделать, получат электромобиль на неполный рабочий день без поводка: электромобиль для поездок на работу в будни, но с возможностью заправляться бензином для длительных поездок. И они все еще эффективны, когда работают на бензине, поскольку сохраняют преимущества обычных гибридов. К недостаткам можно отнести более высокую стоимость покупки из-за большей батареи, большую вероятность того, что большая батарея будет мешать грузовому пространству, и, возможно, меньший бензобак.
Вывод
Все три типа гибридных автомобилей — мягкие гибриды, гибриды на топливных элементах и подзаряжаемые гибриды — предлагают альтернативные варианты энергоэффективности и уменьшения выбросов. Мягкие гибриды используют простые технологии, гибриды на топливных элементах являются экологически чистыми, а подзаряжаемые гибриды комбинируют преимущества электромобилей с возможностью пользоваться бензином для более долгих путешествий. Выбор конкретного типа гибрида зависит от индивидуальных потребностей владельца и его требований к транспортному средству. Альтернативой гибридных авто — электромобили Хонда.
