Гибридный автомобиль

Гибри́дный автомоби́ль (гибрид) — автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии.

Peugeot 2008 HYbrid air в разрезе

Первый серийный гибридный автомобиль Toyota Prius
Модель 1997 года

По состоянию на 2024 г. основными типами гибридных автомобилей являлись:

• гибрид (hybrid electric vehicle, HEV) — автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, электродвигателем, небольшой электрической аккумуляторной батареей. В таком автомобиле возможность зарядки от внешнего источника тока не предусмотрена, энергия для электродвигателя вырабатывается при торможении, а сам электродвигатель имеет вспомогательную функцию.
• заряжаемый гибрид (подключаемый гибрид, plug-in electric vehicle, PHEV)—автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, одним или несколькими электродвителями, и электрической аккумуляторной батареей, которая может быть заряжена от внешнего источника электрического тока.

За первые 7 месяцев 2024 года продажи заряжаемых гибридов в мире выросли на 50 % в годовом исчислении. Согласно некоторым прогнозам, доля заряжаемых гибридов среди автомобилей будет расти до середины 2030-х годов.

За первые 10 месяцев 2024 г. доля гибридных автомобилей (HEV) в странах ЕС была более 30% от проданных автомобилей, в то время как доля заряжаемых гибридов составила 7%.

В августе 2024 года представители Toyota сообщили о планах по переводу большей части автомобилей на гибридные версии. При этом в 2024 году гибриды приносили 37 % продаж компании.[1]

В России: с января по июнь 2024 года доля новых гибридных авто увеличилась больше чем в два с половиной раза: с 1,1 % от всех автомобилей в январе до 2,7 % в июне.[2] По состоянию на сентябрь 2024 г. при рассчете мощности гибридных автомобилей с целью налогообложения, суммировалась можность двигателя внутреннего сгорания с мощностью электродвигателя, даже если гибриды не являлись заряжаемыми.

Следует отличать от гибридов транспортные средства с электромеханической трансмиссией: некоторые карьерные самосвалы, тракторы типа ДЭТ-250 и пр.

Общий принцип

Honda Civic Hybrid, 2006

Первоначально идея «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач электрическими проводами, была воплощена на железнодорожном транспорте и в большегрузных карьерных самосвалах. Применение этой схемы обусловлено высокой сложностью создания механической передачи значительного, и при этом изменяемого, крутящего момента на колёса транспортного средства. Двигатели внутреннего сгорания (далее — ДВC) обладают определённой нагрузочной характеристикой (зависимостью отдаваемой мощности от частоты вращения вала), которая имеет оптимальные показатели только в узком интервале, который, как правило, смещён в сторону высоких оборотов. Частично этот недостаток компенсируют, применяя механические коробки передач, которые, однако, ухудшают общий КПД системы за счёт собственных потерь. Дополнительной сложностью является невозможность изменения направления вращения вала ДВС для обеспечения заднего хода машины. Нагрузочная же характеристика электродвигателя практически равномерна во всём диапазоне рабочих частот; он может быть мгновенно запущен, остановлен и реверсирован, а также не требует холостого хода, что позволяет исключить из трансмиссии механизм сцепления — а в некоторых случаях и полностью от неё избавиться, разместив электродвигатели непосредственно в колёсах (мотор-колесо).

При применении электротрансмиссии двигатель, работающий на обычном топливе, вращает электрогенератор; вырабатываемый ток через систему управления передаётся на электродвигатели, которые и приводят в движение транспортное средство. В этом случае уместно сравнение с размещённой на электромобиле электростанцией, вырабатывающей электричество для его движения. Схема работы гибридного автомобиля в целом аналогична, но значительно модифицирована, в первую очередь добавлением промежуточного накопителя энергии — как правило, аккумуляторной батареи, имеющей меньшую, чем у «чистого» электромобиля, ёмкость и, соответственно, вес.

Гибридный автомобиль сочетает в себе преимущества электромобиля и автомобиля с двигателем внутреннего сгорания: больший коэффициент полезного действия электромобилей (80—90 % по сравнению с 35—50 % у автомобилей с ДВС) и большой запас хода на одной заправке автомобиля с ДВС.

Типовые схемы

Chevrolet Volt на подзарядке

Гибридный внедорожник GMC Yukon Hybrid

По методу подключения двигателей и накопителя к приводу:

• Последовательная: по сути является модификацией электромеханической трансмиссии с добавлением промежуточного накопителя. Двигатель внутреннего сгорания механически соединён только с электрогенератором, а тяговый электродвигатель — только с колёсами. Пример: Chevrolet Volt (с оговорками, так как у последних моделей есть соединение ДВС — привод).
• Параллельная: и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель механически соединены с колёсами посредством дифференциала, который обеспечивает возможность их работы как по отдельности, так и совместно. Эта схема используется в автомобилях с Integrated Motor Assist (Honda). Характеризуется простотой (возможно применение вместе с механической коробкой передач) и низкой стоимостью.
• Последовательно-параллельная: двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель механически связаны друг с другом и с колёсами посредством планетарного редуктора, что позволяет произвольно изменять потоки мощности между этими узлами. Схема реализована в автомобилях с Hybrid Synergy Drive (Toyota), например, Toyota Prius

Главные преимущества гибридного автомобиля:

• возможность использования разных источников энергии (бензин и электричество, водород и электричество и др.)
• снижение расхода топлива и вредных выхлопов, что достигается полной автоматизацией управления работой двигателей с помощью бортового компьютера — начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью немедленного возобновления движения без его запуска, исключительно на запасённой в накопителе энергии, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации — использование кинетической энергии движущегося автомобиля при торможении для зарядки накопителя при работе электродвигателя в режиме электрогенератора. Как и в случае с электромеханической трансмиссией, двигатель внутреннего сгорания, как правило, работает на оптимальных режимах.
• улучшенные потребительские свойства (быстрее разгон)

Причины начала разработок

Основной причиной начала производства легковых гибридов стал рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным ужесточением требований к экологичности автомобилей. Благодаря совершенствованию технологий и налоговым льготам производителям или покупателям гибридов такие автомобили иногда оказываются даже дешевле обычных. В ряде стран владельцам гибридов предоставляются и другие льготы — в частности, освобождение от уплаты дорожного налога, право пользования выделенной полосой на шоссе и бесплатными автостоянками и т. д.

Гибридные автомобили стали компромиссным решением таких недостатков электромобилей как значительная масса аккумуляторов и необходимость их длительной зарядки, недостаточно развитая инфраструктура зарядных станций и недостаточная дальность пробега.

История разработок

Автомобиль Lohner-Porsche, 1900 год

Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche, разработанный конструктором Фердинандом Порше в 1900—1901 годах. В США гибридные автомобили начал разрабатывать Виктор Воук в 60-е — 70-е годы.

В 1980 году компания Volvo проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и электродвигателем, используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.

В СССР

В СССР работы по разработке гибридных автомобилей велись, в частности, под руководством Нурбея Гулиа. На созданном им прототипе на базе грузовика УАЗ-450, в котором накопителем энергии являлся маховик, а трансмиссией — ленточный вариатор, удалось достичь экономии топлива около 45 %.

В Курске в 1972-73 годах Н. В. Гулиа были проведены испытания городских автобусов с маховичными гибридными агрегатами и вариаторами. Также были построены и испытаны гибридные силовые агрегаты для автобусов на основе гидропривода, в которых роль накопителя энергии выполняли баллоны со сжатым азотом и маслом. Несмотря на различные принципы действия этих «гибридов» эффективность их оказалась близкой друг к другу — расход топлива снижался примерно вдвое, а токсичность выхлопа — в несколько раз. Однако эти технологии не были востребованы ни советской автомобильной промышленностью, ни мировой, поскольку уровень техники тех лет ещё не позволял сделать такой привод достаточно надёжным и гибким при умеренной цене.

В 1991 году в лаборатории перспективных разработок Московского автомеханического института был сделан одноместный экспериментальный гибридный автомобиль типа «карт» (стартовавший за счёт энергии заряженного конденсатора, во время движения использовавший двигатель внутреннего сгорания мощностью 5 л. с., а энергия при торможении использовалась для зарядки стартового конденсатора).

Опасность для пешеходов

Согласно исследованию американского Института по оценке ущерба на дорогах (англ. Highway Loss Data Institute), гибриды представляют повышенную опасность для пешеходов по сравнению с традиционными автомобилями из-за своей бесшумности при движении на электрической тяге. В частности, наезды гибридных автомобилей на пешеходов происходят на 20 % чаще, а степень урона выше. Для предотвращения подобных случаев гибридные автомобили могут оснащаться генератором звукового сигнала, при движении на небольших скоростях предупреждающим пешеходов о приближении автомобиля. Такими генераторами с 2010 года оснащаются гибриды Toyota Prius, но законодательные требования о наличии звукового генератора у гибридных и электрических машин в настоящее время существуют только в Японии. В конце 2011 президентом США было дано указание Национальной администрации безопасности дорожного движения в трёхлетний срок разработать аналогичные законодательные инициативы.

Гибриды с возможностью подключения к электросети

Заряжаемые гибриды (подзаряжаемые гибриды, подключаемые гибриды, plug-in hybrid vehicle, PHEV), включать в розетку не обязательно — но у владельца есть и такая возможность. В результате водитель получает преимущества (быстрое ускорение, снижение потребления топлива) и пр. Машину можно использовать как электромобиль часть пути, а как только заряд падает ниже определённого уровня, включается небольшой бензиновый или дизельный двигатель и машина едет дальше.

Современное применение

Стоянка гибридных такси по программе Fresh AIR в Арлингтоне

За первые 10 месяцев 2024 г. доля гибридных автомобилей (HEV) в странах ЕС была более 30% от проданных автомобилей, в то время как доля PHEV составила 7%.

Гибридные автобусы

Hybrid Orion VI Metrobus

Автобусы с гибридными (дизель/электричество) силовыми установками разрабатывают и производят:

• New Flyer Industries — Канада. Выпускает гибридные автобусы с 1997 года.
• DaimlerChrysler — автобус Orion VII. Гибридная схема разработана совместно с компанией BAE Systems;
• General Motors — Гибридная схема GM/Allison разработана совместно с DaimlerChrysler и BMW;
• Optima Bus Corporation (США) — Гибридная схема разработана совместно ISE-Siemens;
• Enova (США);
• First Automotive Works (FAW) (Китай) — Гибридная схема Enova;
• Solaris Bus & Coach (Польша) — Гибридная схема GM/Allison;
• APTS (Нидерланды) — Гибридная схема GM/Allison (Phileas);
• Optare Group (Великобритания) — Гибридная схема GM/Allison;
• Nova Bus (Канада) — Гибридная схема GM/Allison;
• DesignLine International Holdings (Новая Зеландия). На автобусах установлены микротурбины компании Capstone MicroTurbine и аккумуляторы;
• Beiqi Foton Bus (Китай) — Гибридная схема Eaton Corporation.
• ЛИАЗ (Россия) — автобус ЛиАЗ-5292.
• Тролза (Россия) — экобус ТролЗа-5250 с микротурбиной (топливо — природный газ, пропан, бутан) на базе троллейбуса Тролза-5265
• Dongfeng Motor Company (Китай) — автобус Dongfeng EQ6110.
• Volvo — Volvo 7700 Hybrid. К началу 2013 года компания произвела около 1600 гибридных автобусов.
• Hyundai Motor Company — автобус Blue City.
• Белорусская компания Белкоммунмаш в 2013 году выпустила троллейбус модели 43303А с дизель-генераторной установкой.

Наибольшее распространение гибридные автобусы получили в Северной Америке. General Motors с 2004 года к июню 2008 года поставил более чем в 30 городов США и Канады 1000 гибридных автобусов. Компания Orion Bus Industries к сентябрю 2009 года произвела 2200 гибридных автобусов. Первые шесть гибридных автобусов в Лондоне начали эксплуатироваться в начале 2006 года. First Automotive Works начала производство гибридных автобусов осенью 2005 года.

Разрабатывают гибридную схему для автобусов, состоящую из водородных топливных элементов и аккумуляторов:

• Японские компании Toyota и Hino;
• Бельгийская компания Van Hool совместно с компаниями ISE Corp (США) и UTC Power (США)

Гибридные грузовики

Гибридный грузовик японской компании Hino Motors

Гибридные схемы часто используются в карьерных самосвалах, а для грузовиков разрабатывают и производят компании:

• Белорусский автомобильный завод
• Azure Dynamics (США)
• Nissan совместно с ZF Friedrichshafen AG (Германия)
• Alcoa совместно с Altair Nanotechnologies (США) разрабатывают аккумуляторы для гибридных грузовиков
• Odyne Corporation (США)
• Peterbilt 386 hybrid (США) совместно с Eaton
• Oshkosh Truck Corp Архивная копия от 22 декабря 2007 на Wayback Machine
• Volvo Cars и MAC
• Hino Motors (Япония)
• Caterpillar Inc. (США)

Гибриды в спорте

Все более стеснённые технические регламенты гонок вынуждают конструкторов гоночных машин обращать внимание на нетрадиционные методы увеличения их эффективности. Гибридная силовая установка — один из таких методов. Впервые об их применении стали широко говорить в конце 90-х гг., когда три команды «Формулы-1» вели разработки такой системы, позволявшей заряжать аккумуляторы при торможении, чтобы затем выдать энергию в виде дополнительного разгонного импульса. Тогда ФИА запретила работу над этими системами из опасения неконтролируемого роста расходов. Однако реалии современного мира заставили вновь обратить внимание на эти системы. С 2009 г. разрешено использование таких систем в гонках Ф1. Их применение сулит много преимуществ — лучшие характеристики торможения, возможность кратковременного увеличения мощности, что может быть использовано для обгона соперников, кроме того двигатель работает в более выгодных режимах.

Porsche 911 GT3 Hybrid.

Гибридный автомобиль Toyota Supra HV-R выиграл 24 часовую гонку в Токайчи, а в 2008 году в гонке «24 часа Нюрбургринга» участвовала гибридная версия автомобиля Gumpert Apollo. В 2010 году Porsche 911 GT3 Hybrid с механической системой рекуперации лидировал в гонке, однако за два часа до её окончания сошёл с дистанции из-за поломки основного мотора. В гонках на выносливость гибридный привод сулит также дополнительное преимущество в виде большой экономичности, что позволяет реже проводить дозаправки и таким образом экономить время. С 2011 г регламент LMP1 будет допускать применение гибридных приводов, но направленных исключительно на экономию топлива, а не улучшение скоростных показателей.

В 2012 году гибридный автомобиль, разработанный Audi, выиграл гонку «24 часа Ле-Мана», а затем одержал ещё две победы подряд, в дальнейшем в гонке в общем зачёте побеждали только гибридные автомобили. В том же году латвийская команда на гибридном «OSCar eO» успешно финишировала в ралли Дакар.

Существует студенческий класс спортивных гибридных автомобилей, когда учащиеся сами создают в рамках регламента уникальные конструкции. Соревнования проходят на трассе NASCAR New Hampshire Motor Speedway в США и Формула — 1 Silverstone. Есть участники данного направления и в России — команда Формула Гибрид МАДИ(ГТУ), впервые принявшие участие в 2009 году с автомобилем «Стрекоза»(14 из 32). В 2010 году команда МАДИ вновь принимала участие в соревнованиях в США и заняла 15 место из 30. В 2011 году команды приняла участие в соревнованиях в Италии в Турине на испытательном треке IVECO.

История разработок в России

Ё-мобиль — российский проект, нацеленный на создание в далёкой перспективе автомобиля, работающего на электричестве, получаемом от генератора с газовым (бензиновым, дизельным) роторно-лопастным двигателем и ёмкостного накопителя энергии. Разработка городского гибридного автомобиля была начата силами компании «ЯРОВИТ Моторс», а затем предложена Михаилу Прохорову в качестве предмета совместной деятельности. В 2013 году проект Ё-мобиль из-за недостатка финансирования был свёрнут, документация передана НАМИ.

В ноябре 2024 года было объявлено, что НАМИ получит из российского бюджета 84 млрд рублей на разработку единой унифицированной платформы для массовых российских автомобилей, а основной конфигурацией предполагается сделать последовательный гибрид.[3]

Производители и официально представленные модели в России

• Evolute i-Space

Налогообложение в России

• • В 2024 г. при рассчете налога на транспортное средство
    • на последовательные гибриды мощность рассчитывалась как сумма мощности электродвигателей
    • на параллельные гибриды мощность рассчитывалась как сумма мощности электродвигателей и двигателя внутреннего сгорания
  • В декабре 2024 на сайте ФНС России было опубликовано соответствующее разъяснение: "Для исчисления транспортного налога в отношении легкового автомобиля с КЭУ параллельного типа учитывается суммарно максимальная 30-минутная мощность электродвигателя и мощность двигателя внутреннего сгорания. Для КЭУ последовательного типа – мощность двигателя внутреннего сгорания, не имеющего механической связи с трансмиссией и предназначенного для выработки электроэнергии, не учитывается."
  • В вышеуказынных случаях государственные органы часто относят гибридные автомобили без возможности зарядки к параллельным гибридам и взымают налоги выше, чем у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания.

Сравнение с другими автомобилями

Преимущества

• Меньший расход топлива и снижение экологической нагрузки
• Двигатель внутреннего сгорания в гибридном автомобиле может работать только в самом оптимальном для себя режиме, избегая критических нагрузок, при которых чрезмерно расходуется топливо, моторное масло и быстро изнашиваются детали самого двигателя и трансмиссии.
• Гибридный автомобиль может обойтись без дорогих, громоздких и не всегда надёжных коробки переключения скоростей, карданной передачи и в дифференциала угловой скорости вращения поворачиваемых колёс.
• В любом автомобиле, оснащённым ДВС, есть небольшой генератор и небольшой аккумулятор для работы бортовой электросети и вращения электростартера, которые в гибридном автомобиле становятся мощнее и подключаются к вращению колёс.
• Благодаря грамотному перераспределению мощности гибридный автомобиль может быстро разгоняться, и иметь высокую скорость.
• Каждое из четырёх колёс гибридного автомобиля может иметь свой электродвигатель и поворотный механизм для улучшения его проходимости на бездорожье.
• Для подзарядки своего электрического аккумулятора гибридный автомобиль может использовать рекуперативное торможение и свои амортизаторы вырабатывающие электроэнергию , а также может использовать разные источники энергии (безнин и электроэнергию, водород и электроэнергию и пр.)

См. также

• Заряжаемые гибридные автомобили
• Гибридный синергетический привод
• HEV (hybrid electric vehicle) — тип гибридного транспортного средства, в котором сочетается традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с электрической силовой установкой (трансмиссией гибридного автомобиля). Наличие электрической трансмиссии призвано обеспечить либо лучшую экономию топлива, чем у обычного автомобиля, либо лучшую производительность. Существует множество типов HEV и степень, в которой каждый из них функционирует как электромобиль (EV), также различается. Наиболее распространенной формой HEV является гибридный электромобиль, хотя также существуют гибридные электрические грузовики (пикапы и тракторы), автобусы, лодки и самолёты.
• Электромобиль
• Веломобиль
• Водородный транспорт

Литература

• Гулиа Н. В. Инерционные аккумуляторы энергии. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 1973. — С. 112—118. — 240 с. — ISBN ?; УДК 621.8.032.2-562.
• Гулиа Н. В. Инерционные двигатели для автомобилей. — М.: Транспорт, 1974. — 64 с.
• Гулиа Н. В. В поисках «энергетической капсулы». — М.: Детская литература, 1984. — 144 с.
• Evaluation of the 2010 Toyota Prius Hybrid Synergy Drive System

Ссылки

• Формула Гибрид — Образовательный инженерный проект // formulahybrid.ru
• Гибрид.рф — Портал гибридно-электрических технологий