Высокие технологии наступают
Среди основных требований, предъявляемых к автомобилям, по-прежнему остаются показатели экономичности и экологичности. Одновременно улучшить и то и другое позволяет применение гибридных силовых установок. Поэтому данное направление конструирования автотранспортных средств развивается исключительно быстрыми темпами. Познакомимся с последними достижениями в этой области.
На любой вкус
Пионерами внедрения гибридных технологий в легковом автомобилестроении стали японские фирмы Honda и Toyota. Это произошло в самом конце прошлого века. Первая из перечисленных компаний применила сравнительно простое техническое решение, расположив короткую по длине электрическую машину (способна работать и как генератор, и как электромотор) между бензиновым двигателем и клиноременным вариатором (на месте маховика). Toyota пошла другим путем, реализовав сложную кинематическую схему с планетарным делителем крутящего момента и двумя электрическими машинами. Японский автогигант предложил гибридные силовые агрегаты как для массовых моделей, поступавших на рынок под маркой Toyota, так и для автомобилей премиум-класса (подразделение Lexus). Гибридомобиль всегда получается дороже, чем обычный «тарантас», так как он в своем составе дополнительно имеет как минимум одну электрическую машину, тяговую аккумуляторную батарею и блок преобразователей электрической энергии. И поэтому бюджетные транспортные средства со сложным приводом оказываются менее привлекательными для покупателей, чем оснащенные ими же престижные «тачки». Высокий технический уровень автомобиля является одним из компонентов его престижности. Это объясняет, почему гибриды пышно расцвели именно под премиум-брендом. Нынешняя производственная программа Lexus включает широчайший выбор гибридомобилей. Перечислим их: компактный CT 200h, спортивный седан IS 300h, ES 300h бизнес-класса, мощный седан GS 450h, представительские LS 600h F Sport/LS 600h L, кроссовер RX 450h. Как видите, выбор действительно богатейший. Последнее пополнение в этой дружной компании – кроссовер NX 300h AWD с подключаемым полным приводом. Японская новинка укомплектована 4-цилиндровым 2,5-литровым бензиновым двигателем, работающим по циклу Аткинсона (оснащен системой регулирования фаз газораспределения VVT-i, мощность 114 кВт/155 л. с.), и гибридным приводом Lexus второго поколения E-FOUR. Мощность переднего электродвигателя равна 105 кВт/143 л. с., заднего – 50 кВт/68 л. с.; суммарная мощность силового агрегата составляет 145 кВт/197 л. с. Тяговая аккумуляторная батарея – никель-металлогидридная. В семейство Lexus NX помимо гибрида входят еще три модели: переднеприводный NX 200 и полноприводный NX 200 AWD (оба 2-литровые 150-сильные), а также NX 200t AWD (4х4, 2 л турбо, 175 кВт/238 л. с.). Сравним между собой полноприводные модели. Гибридомобиль способен разгоняться до 180 км/ч, на 100 км пути в комбинированном цикле ему требуется 5,4 л бензина (контрольное значение), при этом в отработавших газах содержится 119–124 г/км углекислого газа. Те же показатели для NX 200 AWD выглядят следующим образом: 180 км/ч; 7,5 л/100 км и 172–176 г/км, а для турбомодели – 200 км/ч; 8,8 л/100 км и 194–199 г/км. Эффект от применения гибридного привода впечатляет, не так ли?
А они разные
Гибридные транспортные средства можно классифицировать по разным параметрам. Например, по применяемому двигателю внутреннего сгорания: бензиновый, газовый, дизель. Или по его конструкции: поршневой, роторный. Но можно и вообще обойтись без ДВС, использовав вместо него, скажем, газовую турбину. ГТД легок, компактен, всеяден, правда, он прожорлив и дорогущий. А что если поделить гибридомобили по такому показателю, как длина пробега на чисто электрической тяге? Получится очень интересно. Прежде всего, отметим те из них, которые вообще не могут двигаться в таком режиме. Перемещение на несколько метров не в счет, поскольку в случае крайней необходимости то же самое можно проделать и с помощью обычного стартера. При данной конструкции привода электромотор малой мощности (10–15 кВт) выполняет вспомогательную функцию, тяговая АКБ имеет небольшие размеры, массу и емкость. В целом получается просто, компактно, недорого, но при этом улучшение экономических и экологических характеристик транспортного средства оказывается не слишком впечатляющим. В следующую группу включим гибридомобили, которые на электротяге способны проехать несколько километров. Для них требуются уже приличные электрические машины и тяговые аккумуляторы, но и эффект получается серьезным. К их плюсам можно отнести и то, что никаких инфраструктурных изменений не требуется – им достаточно обычных автозаправочных станций. Такие силовые установки применяет Lexus. Пойдем далее – еще больше нарастим емкость АКБ (она станет солиднее и дороже) и установим для нее зарядное устройство. В результате получим подзаряжаемый гибрид, который без использования ДВС способен преодолевать уже несколько десятков километров пути. А если необходимо ехать дальше, то автоматически в дело вступит бензиновый мотор (или газовый, или дизель), и движение продолжится. 30–50 км на электротяге – это очень хорошо. При использовании подзаряжаемого гибридомобиля в городских условиях, где найти электрическую розетку не составляет особого труда, а дальность поездок невелика, может статься так, что водитель забудет дорогу на АЗС. Хотя у данных транспортных средств есть один нюанс – разогнаться до максимальной скорости только на электромоторе невозможно, и для удовлетворения желания «прохватить с ветерком» необходима помощь ДВС. Однако вряд ли это следует считать недостатком, да и в городах, перегруженных автотранспортом, особо не разгонишься. Оценить достоинства и недостатки подзаряжаемых гибридомобилей можно и в России – у нас предлагаются и дизельный Volvo V60 Plug-in Hybrid, и бензиновый Mitsubishi Outlander PHEV.
Японская диковинка
Мировая премьера инновационного внедорожника компании Mitsubishi состоялась в сентябре 2012 года на Парижском автосалоне, а с августа прошлого года началось производство версии для европейского рынка. Российским поставкам предшествовали испытания трех гибридомобилей в течение 8 недель (пробег по 30 тыс. км). Они проходили в Москве, Екатеринбурге и Тольятти и успешно завершились в апреле. Тест показал, что время зарядки от внешнего источника не увеличилось, низкие температуры не сказались и на работоспособности Outlander PHEV, в том числе на бездорожье. Ключевым элементом силовой установки японской новинки являются два электродвигателя (точнее – мотор-генератора), непосредственно обеспечивающие постоянный полный привод (Twin-motor 4WD). При этом и передний, и задний электромоторы (каждый по 60 кВт/82 л. с.) работают постоянно. С правой стороны моторного отсека расположен 2-литровый двигатель MIVEC DOHC (89 квт, 121 л. с.). Он выполняет вспомогательную функцию – приводит в действие генератор для подзарядки тяговой аккумуляторной батареи (это третья электрическая машина) или через редукционный привод Multi-Mode в «параллельном режиме» вращает передние колеса. Тяговая литий-ионная аккумуляторная батарея с воздушным охлаждением (80 ячеек, 12 кВт, 300 В) размещается в центральной части транспортного средства под полом. Ее можно подзаряжать и традиционным способом с помощью рекуперации энергии или от электросети (обычная зарядка до 100% за 5 ч или быстрая до 80% за 30 мин), и осуществлять непрерывную зарядку «на ходу», а также использовать «режим заряда батареи». Автономная зарядка с помощью ДВС удобна в тех случаях, когда отсутствует внешний источник электроэнергии (например, при выездах на природу). Система управления Mitsubishi Outlander PHEV в соответствии с уровнем заряда тяговой аккумуляторной батареи и дорожными условиями автоматически выбирает один из трех режимов движения («100%-й электромобиль», «последовательный», «параллельный»), тем самым обеспечивая оптимальные динамические характеристики и топливную экономичность без необходимости вмешательства водителя. В режиме «100%-й электромобиль» транспортное средство приводится в движение передним и задним электромоторами (постоянный электрический полный привод). Источником энергии служит тяговая АКБ. При этом максимальная скорость не может превышать 120 км/ч, а запас хода равен 52 км. В «последовательном» режиме по-прежнему обеспечивается постоянный электрический полный привод. ДВС подключается/отключается автоматически только для привода генератора, который «на ходу» заряжает батарею, а также когда от АКБ требуется мощность, превышающая 60 кВт (например, при движении на подъеме). Кроме того, бензомотор периодически включается для поддержания каталитического нейтрализатора в оптимальном состоянии. На высоких скоростях ДВС более эффективен, чем электромоторы. Поэтому при длительных поездках по автомагистралям автоматически осуществляется переход в «параллельный» режим. В этом случае бензомотор становится главным источником двигательной энергии, вращая передние колеса через редукционный привод передней оси Multi-Mode, а оба электромотора помогают ему. Перейти в «последовательный» и «параллельный» режимы можно и по желанию водителя, для того чтобы сэкономить заряд батареи, который затем можно использовать при движении в центральных районах города. Максимальная скорость Mitsubishi Outlander PHEV равна 170 км/ч, разгон до 100 км/ч занимает 11 с, расход топлива, замеренный по смешанному циклу, составляет 1,9 л/100 км, а выброс углекислого газа 44 г/км. Общий запас хода при комбинации всех режимов движения 824 км. Обычный Outlander 2.0 CVT имеет соответственно 185 км/ч; 12,6 с; 6,7 л/100 км; 155 г/км; 895 км. Но даром ничего не дается – снаряженная масса гибрида достигает 1810 кг, а у обычного автомобиля – всего 1490 кг. В создании Outlander PHEV использован опыт эксплуатации электрического Mitsubishi i-MiEV. Кстати, «чистые» электромобили смогли успешно противостоять натиску гибридов, но только не везде, а в очень крупных городах.
Никаких ДВС
Мегаполисы проще всего насытить зарядными станциями, а суточный пробег городского транспортного средства обычно не превышает нескольких десятков километров. Кроме того, их жители страдают от экологических проблем. Это именно то, что оптимально для электромобилей, и поэтому крупные городские образования стали ареалом их обитания. При этом они имеют небольшие размеры. Но маленький – не значит дешевый, так как необходимо обеспечить высокий уровень комфорта, а для этого требуется хорошее оснащение. Первым серийным электромобилем в производственной программе Kia стал Soul EV. Он получил литий-ионную полимерную аккумуляторную батарею, которая располагается в центральной части транспортного средства под полом и обеспечивает запас хода до 200 км. Ее емкость равна 27 кВт•ч, а мощность 90 кВт. Система термоконтроля (охлаждения/обогрева) АКБ обеспечивает устойчивую работу при любых температурах. Электродвигатель мощностью 81 кВт/110 л. с. позволяет достигать скорости 145 км/ч. Полная зарядка батареи от сети переменного тока (220 В; 6,6 кВт) занимает не более 5 ч, а за 25–35 мин постоянным током через порт CHAdeMO (50 кВт) можно выполнить быструю (80% заряда АКБ). Полукруглый индикатор заряда батареи разделен на три светодиодные секции. Он расположен посередине передней панели под ветровым стеклом, что позволяет видеть уровень заряда снаружи. Soul EV практически бесшумен, и чтобы пешеходы могли слышать его приближение, он оснащен системой имитации звука двигателя. Основная сложность при создании электромобилей возникает с АКБ. Именно она лимитирует запас хода. Чтобы его существенно увеличить, необходимо добавить ДВС с генератором и получить последовательный подзаряжаемый гибридомобиль, у которого тяговое усилие создается только электромоторами, а ДВС играют вспомогательную роль, подзаряжая батарею через генератор. Однако, видимо по маркетинговым соображениям, такие транспортные средства часто называют электромобилями с увеличенным запасом хода.
А что у нас?
Разгром научных и инженерных кадров, учиненный в России в 1990‑х годах, продолжает сказываться и сейчас. По части серийных экологически чистых транспортных средств нам пока нечем похвастаться. Но что делать? Надо догонять. Обширные исследования в этой области ведет ФГУП «НАМИ». Здесь разрабатываются как гибридные платформы в целом, так и отдельные их компоненты. Энергетический блок с литиевыми ячейками создан совместно с ОАО «АвтоВАЗ» в рамках договора по созданию гибридного автомобиля «Класс В». Его номинальная емкость равна 16 А•ч, энергетическая емкость 5,7 кВт•ч, напряжение 290 В, габаритные размеры 888х404х444 мм, масса 79 кг. Помимо собственно литиевых ячеек в состав блока входят различные системы: управления батареей, охлаждения и подогрева ячеек, мониторинга, активной балансировки ячеек, а также преобразователь напряжения, высоковольтные контакторы и предохранители. В НТЦ «Автомобили с комбинированными энергетическими установками» Университета машиностроения на базе отечественных компонентов создали городской развозной автомобиль с последовательно-параллельной схемой КЭУ с приводом на разные оси. В качестве ДВС использован ЗМЗ-5143.10 (73 кВт/100 л. с.). 380-вольтовые обратимые электрические машины имеют мощность 40 кВт/55 л. с. Номинальная емкость тяговой литий-железофосфатной аккумуляторной батареи составляет 40 А•ч. Она состоит из 10 модулей по 12 аккумуляторов в каждом. При грузоподъемности 800 кг средний расход топлива составляет 9,3 л/100 км, пробег в электрорежиме 40 км. Гибридные технологии ныне хорошо освоены. Большое количество автопроизводителей в своей производственной программе содержат транспортные средства с такими силовыми агрегатами. Среди них Nissan Pathfinder 2.5 HEV, Volkswagen Jetta Hybrid, Infiniti QX60 2.5 HEV, Porsche 918 Spyder, BMW i8, Audi R18 e-tron quattro (победитель гонок 2014 года в Ле-Мане) и многие другие. Подведем итог. Компактные электромобили постепенно заселяют мегаполисы, а гибриды водятся везде. Пожалуй, единственным серьезным сдерживающим фактором, мешающим интенсивному переходу на экологически чистые транспортные средства, является их повышенная цена. Но здесь свое веское слово должны сказать законодатели, чтобы владение электро- и гибридомобилями стало не только престижно, но и экономически не обременительно.
