Що таке гібридний автомобіль і як він працює?

Що таке гібрид?

Гібрид – це автомобіль, який використовує як двигун внутрішнього згоряння, так і електродвигун для руху, але єдиним паливом, яке ви заправляєте, є бензин. (Дизельні гібриди існують, але вони в основному використовуються в локомотивах та інших екстремально важких машинах). Гібриди мають невеликі високовольтні батареї для живлення електродвигунів, але ви не підключаєте їх до електромережі.

За відсутності зовнішнього джерела живлення електроенергія для електродвигуна виробляється під час гальмування в процесі, який називається рекуперативним гальмуванням – скорочено рекуперація. Якщо ви вболіваєте за “Формулу-1”, то, можливо, чули, що вона називається системою рекуперації кінетичної енергії (KERS). Система рекуперації не замінює традиційні гальма, а працює як важлива альтернатива. Електрична енергія, зібрана за допомогою цього процесу, зберігається в акумуляторі для негайного повторного використання при наступному прискоренні. Коли ви виїжджаєте зі світлофора, збережена енергія знову рушає з місця і затримує перезапуск бензинового двигуна – в деяких випадках до досягнення швидкості 25 миль/год. Коли ви знову зупиняєтесь, цикл повторюється. Це робить паливну економічність гібридного автомобіля в місті набагато вищою, ніж негібридного, не кажучи вже про його економічність на шосе.

Як працює рекуперативне гальмування?

Рекуперація є природним наслідком функціонування електродвигунів. Коли ви подаєте електроенергію в електродвигун, він рухає (або допомагає рухати) автомобіль. Коли автомобіль рухається, той самий електродвигун стає генератором, який може змінити потік електронів на протилежний і зібрати цей рух, щоб повернути електроенергію назад в акумулятор. Ось чому гібридні електродвигуни іноді називають мотор-генераторами. Важливо, що цей процес уповільнює рух автомобіля, тому рекуперація запускається і керується комп’ютером, коли ви натискаєте на гальмо або спускаєтесь вниз по схилу.

Наскільки мала батарея гібрида?

Зазвичай не більше 1 кВт-год, що становить 1-2 відсотки від розміру батареї звичайного електромобіля.

Рух однією педаллю – процес, при якому підняття дросельної заслінки може запустити рекуперацію, в основному присутній на повних електромобілях, а не на гібридах, оскільки електромобілі мають більш потужну електричну систему і набагато більші акумулятори. Наскільки мала батарея гібридного електромобіля? Зазвичай вони не перевищують однієї кіловат-години (кВт-год), що становить лише 1-2 відсотки від розміру батареї звичайного електромобіля.

Тим не менш, гібридної рекуперації може бути достатньо для більшості рутинних гальмувань. Комп’ютер завжди відстежує, наскільки сильно ви натискаєте на педаль гальма, тому під час різких зупинок і в екстрених ситуаціях він буде використовувати традиційні гальма – колодки і ротори. Такий підхід з рекуперацією в першу чергу максимізує збір електроенергії для руху, завдяки чому паливна економічність стрімко зростає. Рекуперація є базовим елементом, який поділяють усі гібриди, але відмінності виникають, коли справа доходить до використання їхніх бензинових двигунів.

Паралельні гібриди

Це найпоширеніший тип, оскільки вони налаштовані на вибіркове використання бензинового двигуна або електродвигуна для приведення автомобіля в рух. Вони також можуть задіяти обидва двигуни одночасно. Електродвигун отримує перевагу на низьких швидкостях, оскільки саме тоді його високий початковий крутний момент і ККД можуть найкраще використовувати обмежену енергію акумулятора. Після відкладеного перезапуску підключається бензиновий двигун, який з часом перебирає на себе керування, коли швидкість зростає і переходить у режим круїзу, і в цей момент двигун працює у своїй “солодкій точці”. У деяких конструкціях використовується один електродвигун, затиснутий між двигуном і звичайною трансмісією, в той час як в інших – два електродвигуни, які працюють разом, виконуючи роль безступінчастої трансмісії для двигуна. Прикладами перших є ранні гібриди Honda, а також сучасні моделі Hyundai та Kia, такі як Elantra. Останній описує гібриди Toyota, Lexus та Ford, такі як Maverick.

Серійні гібриди

Цей тип менш поширений, але його популярність зростає. Вони також використовують первинний приводний двигун, який на низьких швидкостях рухає автомобіль, використовуючи енергію акумулятора, що рекуперується, а під час гальмування – утилізує енергію. Коли швидкість зростає і енергії стає замало, двигун вмикається, щоб приводити в рух другий спеціальний генератор, який перетворює енергію бензину в електрику, щоб підтримувати заряд акумулятора. Це означає, що колеса електромобіля приводяться в рух на всіх швидкостях, тому подача енергії завжди плавна і безперебійна. Недоліком є те, що перетворення бензину в електрику є додатковим кроком, який знижує ефективність, але новіші підходи роблять це менш значущим. Honda є останнім чемпіоном цього типу, який живить останні ітерації гібридів Civic, CR-V та Accord.

Розмиті межі

Як і будь-що інше, гібридні системи не відповідають таким визначенням до кінця. Гібридний Synergy Drive від Toyota – це насамперед паралельна система, але її двомоторна конструкція також дозволяє короткі моменти послідовної генерації енергії, коли найбільш ефективна робоча швидкість двигуна генерує більше енергії, ніж потрібно водієві. Аналогічно, остання гібридна система Honda, що працює переважно послідовно, може вмикати двигун для приводу коліс безпосередньо в певних умовах, коли комп’ютер вирішує, що це більш ефективно. Обидва винятки – це добре, оскільки вони показують, що інженери шукають найефективніше рішення, а не те, яке найпростіше пояснити.

Що краще: гібрид, EV, PHEV чи автомобіль на паливних елементах?

Які переваги гібридів для вас?

Основна перевага будь-якого гібрида полягає в уловлюванні та повторному використанні енергії гальмування, яка інакше втрачалася б у вигляді тепла та зносу гальм. Гібриди, які цікавлять більшість людей, використовують цю відновлену енергію для економії пального та підвищення рівня пального, використовуючи електродвигун для затримки запуску газового двигуна, але спортивні гібриди використовують зібрану енергію для підвищення загальної потужності та швидкості.

Гібриди, що економлять паливо, – чудовий вибір для тих, хто хоче заощадити гроші або зменшити свій вуглецевий слід. Зрештою, високий рівень споживання пального та низький рівень викидів вуглекислого газу – це дві сторони однієї медалі. Якщо ви живете в квартирі або матимете лише один автомобіль, електромобіль може бути непрактичним. З іншого боку, гібрид – це суто бензиновий транспортний засіб, який не має прив’язки або особливих вимог до заправки.

З практичної точки зору, сильна орієнтація гібридів на рекуперативне гальмування означає, що їхні гальмівні колодки та ротори слугуватимуть набагато довше, ніж у звичайних автомобілів. У них також немає окремого стартерного двигуна, тому що з цим справляється електродвигун. А невелика батарея гібрида не займає багато місця і не потребує дорогої хімії.

Інші типи гібридів

М’які гібриди, які іноді називають гібридами “ремінь-генератор-стартер” або BAS-гібридами, мають скромні 48-вольтні батареї, які не здатні виробляти скільки-небудь значущу енергію для руху. Однак такі системи поповнюються за рахунок регенерації, і вони поєднують стартер і генератор в один блок, який може безперешкодно запускати двигун “на передачі”, так би мовити, для згладжування роботи їхніх систем старт-стоп.

Гібриди на паливних елементах – це серійні гібриди, укомплектовані електродвигуном, рекуперативним гальмуванням і невеликою високовольтною батареєю. Але вони не мають бензинового двигуна. Натомість у них є паливний елемент – пристрій, який перетворює газ водень в електрику, при цьому вода є єдиним побічним продуктом. Тому гібриди на паливних елементах постійно працюють на електриці і працюють так само тихо, як і електромобілі. Їхні водневі баки можна заправити за п’ять хвилин, як звичайні автомобілі, але доступність станцій вкрай обмежена і здебільшого обмежується великими населеними пунктами Каліфорнії.

Гібриди, що підзаряджаються, – це звичайні гібриди зі значно збільшеними батареями, призначеними для того, щоб вони могли працювати на повній швидкості лише на електриці протягом 20-50 миль. Всі проблеми із зарядкою батареї електромобіля виходять на поверхню, але вони не такі гострі, оскільки батарея гібридного електромобіля приблизно на чверть менша за батарею електромобіля. Тому їх легше заряджати вдома, а ті, хто може це зробити, отримають електромобіль на неповний робочий день без повідка: електромобіль для поїздок на роботу в будні, але з можливістю заправлятися бензином для тривалих поїздок. І вони все ще ефективні, коли працюють на бензині, оскільки зберігають переваги звичайних гібридів. До недоліків можна віднести вищу вартість покупки через більшу батарею, більшу ймовірність того, що більша батарея буде заважати вантажному простору, і, можливо, менший бензобак.

Висновок

Усі три типи гібридних автомобілів – м’які гібриди, гібриди на паливних елементах і гібриди, що підзаряджаються, – пропонують альтернативні варіанти енергоефективності та зменшення викидів. М’які гібриди використовують простіші технології, гібриди на паливних елементах є екологічно чистими, а гібриди, що підзаряджаються, комбінують переваги електромобілів з можливістю користуватися бензином для довших подорожей. Вибір конкретного типу гібрида залежить від індивідуальних потреб власника і його вимог до транспортного засобу.