Гибридые автомобили

Содержание

      Введение………………………………………………………..……2

1. История гибридных автомобилей……………………………....2
2. Аккумуляторная батарея……………………………………......5
3. Электродвигатели……………………………………………..…8
4. Гибридные силовые узлы………………………………..……..10
5. Топливные элементы………………………………………..….13
6. Рынок гибридных автомобилей…..……………………………16
7. Электроника для гибридов………………………..……………20
8. Недостатки гибридных автомобилей…………….……………22

Заключение…………………………………………………………23

Введение

Проблема загрязнения  окружающей среды автомобильным  транспортом сегодня очень актуальна. На его долю приходится около 40% всех выбросов в атмосферу. В крупных  городах этот показатель достигает 60 – 80%. В автомобилях используется также множество эксплуатационных жидкостей, необходимых для работы силового агрегата, в частности смазочных  материалов, с утилизацией которых  возникают проблемы. Отработавшие масла  зачастую сжигают, загрязняя атмосферу, или попросту сливают прямо на землю, нанося значительный вред почвенному покрову.

Так же остро стоит  проблема истощения нефтяных ресурсов. При нынешних темпах потребления  по различным прогнозам, её хватит примерно на 90 – 110 лет.

Крупные автопроизводители видят решение этих проблем в переходе на альтернативные источники энергии, и уменьшении доли работы бензиновых и дизельных двигателей в автомобиле, за счет применения совместно с ним электродвигателей (гибридные силовые узлы).

1. История гибридных автомобилей.

Изобретение гибридных  автомобилей (Hybrid Electric Vehicles, HEV) было одним из шагов автопроизводителей и послужило для осуществления двух стратегий — экономии топлива и удовлетворению растущего спроса на менее загрязняющих окружающую среду автомобилей. Бензиновые автомобили при эксплуатации создают проблему высокой цены топлива для клиентов, для электрических автомобилей (Electric Vehicles, EV) необходимы высокие начальные инвестиции для производителей и потребителей.

В этой ситуации автопроизводители изобрели гибридные автомобили, работающиеи на бензине, и на электричестве (электрический двигатель).[1]

Несколько лет назад  большинство людей верили, что  «экологически чистый электрический  автомобиль», в конечном счете, заменит  автомобили с двигателями внутреннего  сгорания и таким образом будут  решены все наши проблемы, связанные  с выбросами отработавших газов  и риском исчезновения жидких видов  топлива.

Люди, имевшие отношение  к автомобилям, представляли себе, что  они будут получать энергию от батарей, которые будут перезаряжаться всякий раз, когда разрядятся. Это  была простая точка зрения, которая  игнорировала один фактор: энергия  для перезарядки должна быть получена от конкретной электростанции, и если она сжигает твердое топливо, лучшее из того, что может произойти, — это то, что загрязнение передается от того места, где ездят автомобили, в место, где находится электростанция.

В конце 90-х годов  несколькими из всемирно известных, крупных производителей автомобилей  были приложены определенные усилия, чтобы организовать автомобильный  рынок электрических автомобилей  в Калифорнии. Сейчас понятно, что  эти усилия потерпели неудачу, частично из-за ограниченного запаса энергии  всех аккумуляторов электрических  транспортных средств (давайте называть их аккумуляторными электромобилями), но главным образом потому, что  сами аккумуляторные батареи оказались  очень дорогими в производстве и  имели слишком маленький ресурс до необходимости их замены.

Некоторые исследователи  также подвергали сомнению улучшение  экологии в том случае, если большинство  транспортных средств в мире будут  электрическими, потому что производство (и переработка) батарей связаны  с применением огромного количества недружелюбных металлов, таких, как  свинец и кадмий.

Неужели это означает конец мечты об электрическом  автомобиле? Ни в коем случае. Это  не может даже означать конец аккумуляторных электромобилей, хотя теперь кажется, что, вероятно, они сохранятся только для выполнения специальных задач, подобно организации коммерческих поставок в городских центрах. Более правильно будет считать электрическим автомобилем тот, чьи колеса приводятся в действие электроэнергией, и затем уже разделить такие транспортные средства на три типа, к первому из которых принадлежит простой аккумуляторный электромобиль.

Первая альтернатива — автомобиль, в котором двигатель  внутреннего сгорания приводит в  действие генератор, который, в свою очередь, производит электроэнергию для  привода колес. Это — «гибридное»  электрическое транспортное средство или HEV (Hybrid Electric Vehicle). Наконец, имеется транспортное средство, возможно, с самым ярким будущим, но в отдаленной перспективе, в котором электроэнергия обеспечивается топливным элементом. Мы можем называть такие транспортные средства FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle).

Очень похоже, что  в течение следующей половины столетия автомобили на топливных элементах  постепенно станут стандартным типом  легкового автомобиля, а гибридные  помогут сгладить переходный период. Двигатель внутреннего сгорания, в конечном счете, станет устаревшим и старомодным, и мы будем смотреть на него так, как мы сейчас смотрим  на двигатель паровоза, в то время  как небольшое количество аккумуляторных электромобилей будет двигаться  по технологическим маршрутам, которые не будут слишком далеки от мест их подзарядки.

Чтобы более ясно представлять это будущее, мы, очевидно, должны рассмотреть гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах  более подробно, но сначала мы должны подумать относительно батарей и  их возможных альтернатив, даже если аккумуляторные автомобили ждет только ограниченное будущее.[2]

   2. Аккумуляторная батарея

Единственная цель любой  аккумуляторной батареи состоит  в том, чтобы накапливать электроэнергию и отдавать ее по требованию.

Независимо оттого, практичны  электромобили или нет, все транспортные средства нуждаются в некотором  устройстве, чтобы хранить энергию. Даже обычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания нуждается  в аккумуляторе для запуска и  для включения всех его электрических систем, независимо оттого, производит ли генератор переменного тока достаточно энергии в этот момент.

Гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах скорее всего  будут нуждаться в более мощном «энергетическом буфере», или в  аккумуляторной батарее или ее альтернативе, для того чтобы обеспечить работу их силовых установок с максимальной эффективностью в течение всего  времени. Буфер будет заботиться о пиковых нагрузках, запасая  энергию и отдавая ее по требованию. Аккумуляторные батареи будут иметь  будущее, независимо от того, как будет  развиваться автомобильная техника.

Для использования в автомобилях  батарея, очевидно, должна быть перезаряжающейся, а не выбрасываемой, которые мы используем в портативных радиоприемниках и фонарях. Существует много химических составляющих, которые могут быть использованы как основа для перезаряжающихся батарей.

Некоторые накапливают больше энергии (по отношению к весу и  размерам), чем другие, но многие высокоэффективные  комбинации требуют экзотических и  дорогих материалов, а есть такие, которые потенциально опасны или  по отдельности, или в комбинации. Лучшими энергетическими показателями на сегодняшний день обладает батарея, которую можно получить соединением водорода и фтора, но никто из тех, у кого есть чувство самосохранения, не попробовал создать ее.

Давайте рассмотрим работу по накапливанию энергии на примере  бензина и свинцово-кислотного аккумулятора. Энергия, получаемая при сгорании 1 кг бензина, эквивалентна примерно 12 кВт/ч, из которой 4,5 кВт/ч переходит в  механическую энергию в двигателе  внутреннего сгорания стандартной  эффективности. Стандартный автомобильный 12-вольтовый свинцово-кислотный  аккумулятор емкостью 50 ампер/часов  накапливает энергии 0,6 кВт/ч, а весит приблизительно 20 кг.

Таким образом, банк свинцово-кислотных  аккумуляторов с запасом 4,8 кВт/ч, учитывая небольшие потери энергии при ее преобразовании, весит около 160 кг. Тщательно оптимизированная конструкция банка и его компонентов, возможно, уменьшит его вес до 100 кг.

Другими словами, чтобы хранить  заданное количество энергии, батарея  весит в 100 раз больше эквивалентного количества бензина, и автомобиль должен нести этот вес на себе, еще больше снижая эффективность. Серьезно исследовались  концепции создания более совершенных  аккумуляторов, и они дали возможность  улучшить характеристики свинцово-кислотных  аккумуляторов в четыре раза, а  это значит, что они будут весить в 25 раз больше, чем весит эквивалентный им бензин в баке.

Однако, поскольку борьба за сохранение окружающей среды стала  серьезной силой в 70-е годы, разработке таких аккумуляторов были посвящены  интенсивные исследования.

Результаты не были поражающими. В одном обзоре в конце 1990 года сообщалось, что число концептуальных автомобильных аккумуляторов, серьезно изучавшихся с конца 70-х, сократилось  до шести вариантов, имеющих перспективу  использования в обозримом будущем. Они включали в себя хорошо зарекомендовавшие  себя свинцово-кислотные аккумуляторы и никель-кадмиевые аккумуляторы.

Оставшиеся четыре типа включали в себя никель-металлические гидриды, содо-никелевые хлориды, литий-углеродные и литий-полимерные (литий-ионные). Несмотря на то что показатели этих аккумуляторов значительно лучше, чем у свинцово-кислотных, стоимость всех этих аккумуляторов, без исключения, намного больше, хотя на это можно возразить, что часть их стоимости компенсируется более долгим сроком службы.

На практике большинство  производителей автомобилей оборудовали  свои демонстрационные электромобили, гибридные и автомобили с топливными элементами никель-металлическими гибридами и литий-ионными аккумуляторами. Эти два типа сегодня хорошо разработаны технически, но остаются очень дорогими, по сравнению со свинцово-кислотными, которые пока производятся в больших объемах.

Одной из возможных альтернатив  аккумуляторной батарее является конденсатор, который лучше накапливает энергию  и имеет лучшие показатели отдачи энергии (аккумуляторы перегреваются, если энергию забирать от них слишком  быстро). Конденсаторы наиболее известны как очень маленькие детали электрических цепей, в которых они накапливают энергию вместо того, чтобы пропускать электрический ток. Батареи из больших конденсаторов способны накапливать значительные количества электроэнергии.

Вместе с тем конденсаторы не подходят для долговременного  хранения энергии, они эффективны при  кратковременном хранении — например, для накапливания энергии при  торможении, перед тем, как отдать ее при разгоне. В 1997 году Honda продемонстрировала автомобиль с батареей конденсаторов, которая могла накапливать достаточно энергии, чтобы снабжать ею электродвигатель в 10 кВт в течение 12 секунд, времени достаточного для разгона на автостраде или для совершения обгона.

Некоторые японские исследовательские  группы предполагают использовать комбинацию эффективного аккумулятора, никель-металлического гибрида или литий-ионную и высокомощного конденсатора, для получения легкого, эластичного и мощного буферного накопителя для гибридного автомобиля.[2]

3. Электродвигатели 

Любой тип электрического транспортного средства нуждается  в тяговом приводном электродвигателе, наличие его и является, по нашему определению, признаком электрического автомобиля. Когда гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах  займут место двигателей внутреннего  сгорания, понадобится все больше и больше таких двигателей и их конструкция станет очень важна.

Одна из проблем, но не самая  важная, первых электромобилей заключалась  в том, что они использовали очень  «сырые» электродвигатели с еще  более «сырой» системой управления, которые были шумными и имели плохую отдачу. Электрический силовой узел, который приемлем для электрокара, может быть несовместим с легковым автомобилем.

В начале 90-х казалось, что выбор между электромоторами переменного и постоянного тока окончательно сбалансировался. Моторы переменного тока в основном имеют лучшую эффективность, но требуют преобразователя, чтобы преобразовывать ток, получаемый от аккумулятора постоянного тока.

Прототипы электрических  автомобилей, которые появились  к 2000 году в основном в Японии, использовали синхронные двигатели переменного  тока, хотя Honda использовала бесщеточный мотор-генератор, установив его на манер «бутерброда» между двигателем и трансмиссией на своем гибридном автомобиле Insight, дошедшем до производства.

Большинство современных  тяговых двигателей переменного  тока работают при напряжении в пределах 70—120 вольт, результате компромисса  между размерами мотора, эффективностью и электрической безопасностью. Основная часть современных электромобилей использует односкоростной привод за счет способности электрического тягового мотора развивать максимум крутящего  момента при оборотах, равных нулю, или при очень маленькой скорости.

С помощью «агрессивной»  технологии и принудительного охлаждения электродвигатели могут обеспечивать очень высокое соотношения крутящего  момента к весу. Двигатель британской компании Zytec создает крутящий момент 60 Нм при весе всего 13 кг и может быть практически смонтирован в ступице колеса.

Ключевое место в современной  системе управления электродвигателями занимает электроника, а все современные  электродвигатели не имеют щеток. Большинство  электромобилей сегодня используют электронное управление двигателями, основанное на высокочастотном «вертолетном» принципе, при котором средний уровень мощности определяется пропорционально времени (на стандартный импульс системы), на которое включается питание. Возможной и более совершенной альтернативой является векторное управление, которое было продемонстрировано Mitsubishi на концептуальном автомобиле и которое обеспечивает еще большую эффективность.

Электрические автомобили могут  также экономить (регенерировать) энергию, «реверсируя» свои электродвигатели, чтобы запасти часть кинетической энергии, которая иначе будет  потеряна (в действительности перейдет в тепло и будет рассеяна) во время торможения. Регенерация может  также производиться под компьютерным управлением. В зависимости от условий  движения она может играть положительную  роль в улучшении экономии энергии  на аккумуляторных и гибридных автомобилях.[2]

4. Гибридные узлы

Очевидным способом преодолеть ограниченный запас хода аккумуляторных электромобилей является использование  небольшого двигателя и генератора на автомобиле для подзарядки аккумуляторных батарей во время движения. Исходя из других соображений, этот аргумент может быть оспорен созданием  экономичного транспортного средства с низким значением вредных выбросов, использующего электрический двигатель, который получает энергию от приводимого двигателем генератора.

Размер первичного двигателя  может быть выбран из необходимости  получения средней мощности, требуемой  автомобилю, а не максимальной, нужной для ускорения. При этом двигатель  может работать в режиме наилучшей  экономичности и токсичности  выхлопных газов большую часть  времени (или выключаться). Дополнительная мощность для разгона забирается от энергетического буфера.

В действительности гибридные  автомобили могут быть разделены  на два класса: последовательный гибрид, в котором вся энергия переводится  в электричество, и параллельный гибрид, в котором первичный двигатель  соединяется с ведущими колесами механически через трансмиссию, а поток электроэнергии передается параллельно — что выходит  из названия.

Последовательный тип  дает конструктору автомобиля наибольшую гибкость, потому что все соединения (за исключением привода от тягового двигателя к ведущим колесам) электрические и каждый узел может  быть размещен где угодно и наиболее удобно. С другой стороны, при параллельном типе электродвигатель может быть сделан гораздо легче и меньше. В последовательном гибриде электродвигатель должен развивать  полную движущую силу, в то время  как в параллельном гибриде он нужен для обеспечения только 30% этой силы.

В течение долгого времени  отношение к гибридному автомобилю определялось стоимостью применения двух силовых установок, двигателя внутреннего  сгорания и электрической, вместо одной, а это означало, что такой автомобиль будет очень дорогим по сравнению  с его соперниками.

Совсем недавно проведенный  детальный анализ показал, что гибридный  автомобиль может быть сделан конкурентоспособным, когда лишняя стоимость компенсируется лучшей экономичностью и низкими  выбросами, которые являются результатом  «управления энергией», заключающейся  в гибкости системы, способной запасать, регенерировать и сохранять энергию, которая теряется в обычных двигателях внутреннего сгорания. Эти новые разработки уже позволили Toyota и Honda освоить серийное производство и продажу гибридных автомобилей Prius и Insight.

4-дверный седан Prius снабжен гибридной системой Toyota (THS) и интегрированным приводом, который объединяет высокоэффективный 1,5-литровый двигатель внутреннего сгорания и электромотор, приводимый через оригинальный разделитель мощности и бесступенчатую трансмиссию, с управляющей системой, которая гарантирует максимально возможное использование всей доступной энергии.

Для работы автомобиля требуется  вполовину меньше топлива, по сравнению  с обычным автомобилем такого же размера и мощности, а значит, и выделяется в атмосферу в  два раза меньше СО2 Другие выбросы (НС, СО и NOx), как утверждают, уменьшены на 90%. Выходная мощность 1,5-литрового двигателя Prius, который никогда не превышает 4000 об/мин, составляет 58 л.с., в то время как электромотор может добавить дополнительные 40 л.с. (и соответствующий крутящий момент) для спринтерского ускорения.[2]

5. Топливные элементы

Топливный элемент — продукт  наиболее изощренной технологической  мысли, который обеспечит долгосрочный ответ на проблему вредных выбросов в атмосферу и исчерпания нефтяных запасов. Основной принцип топливного элемента заключается в том, что  он повторяет школьный лабораторный эксперимент по электролизу, в котором  электрический ток, проходящий через  воду, разлагает ее на кислород и  водород.

В топливном элементе кислород (из воздуха) и водород заполняют  противоположные стороны слоя реактива, в котором, с помощью катализатора, они образуют воду и в процессе этой реакции производится электрический  ток. Было разработано несколько  типов топливных элементов, хотя только один тип, протонно-обменная мембрана (proton exchange membrane — «РЕМ»), работает при довольно низких температурах (порядка 80°С), что делает возможным их применение в транспортных средствах.

Однако в конце 90-х, топливный  элемент РЕМ казался очень  большим, дорогим и малоэффективным. Провал в надеждах на широкое использование  электромобилей привел к массовым исследовательским  программам по топливным элементам, потому что топливные элементы оказались  единственно достойной альтернативой, имеющей те же самые экологические  преимущества.

Можно с уверенностью сказать, что процесс был очень быстрым  и к 1999 году многие из производителей автомобилей, включая Daimler Chrysler, Ford, General Motors, Honda и Toyota, продемонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительной работоспособностью и поведением, хотя они продолжали иметь высокую стоимость.

Некоторый вид прогресса  заметен в демонстрационных моделях  Daimler Chrysler NECAR. Компания выступила с этой моделью впервые в 1994 году, когда ее NECAR 1 представлял собой минивэн, в котором оставалось место только для водителя, а все остальное пространство занимал экспериментальный силовой узел. Двумя годами позже NECAR II, выполненный на базе минивэна V-класса, имел уже шесть мест для пассажиров, а силовая установка располагалась в задней части под полом. К 1999 году в автомобиле NECAR 4, изготовленном на базе маленького А-класса, вся система топливных элементов размещалась под полом, оставляя место для четырех пассажиров и багажа.

Теоретически топливные  элементы не производят ничего, кроме  электричества и воды. Практически  картина не так проста, хотя потенциальные  проблемы связаны в основном с  преобразованием топлива, бензина  или метанола, в водород, необходимый  для топливного элемента. Альтернатива заключается в использовании  в автомобиле сжатого или сжиженного водорода, но в этом случае заправка автомобиля не настолько удобна. Хотя в 1999 и 2000 годах возникали горячие дебаты по поводу предпочтительных видов топлива между сторонниками бензина, метанола и водорода, каждый из которых отстаивал свою точку зрения.

Использование бензина —  самый простой способ, несмотря на то, что требуемый бензин должен иметь совсем другие характеристики, чем сейчас: не этилированный, с полностью  исключенными добавками и примесями (особенно серой). Бензин стоит перед  проблемой, которая рано или поздно наступит: он станет очень дорогим, когда исчерпаются основные запасы. Кроме того, использование бензина мало поможет в решении проблемы с выбросами СО,. Топливные баки могут быть заправлены метанолом точно так же, как бензиновые, но очевидно, что нужна полностью новая сеть заправочных станций, распределение и заправочные колонки.

Использование водорода может  сделать систему на топливных  элементах гораздо проще, но возникнут  огромные сложности при решении  вопросов в отношении того, как  хранится топливо, передается и распределяется, что потребует принятия серьезных  мер безопасности. Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 году французский ученый Карно доказал, что двигатель внутреннего сгорания, работающий циклами расширения и сжатия, не может иметь эффективность более 50% при преобразовании тепловой энергии (являющейся химической энергией сгорающего топлива) в механическую. Топливный элемент не имеет движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут и меть большую эффективность, чем 50%, и особенно выгодны при низких нагрузках, на которых двигатели внутреннего сгорания значительно теряют свою эффективность.[2]

Рисунок 3  Схема автомобиля Nissan на топливных элементах

6. Рынок гибридных автомобилей.

Несмотря на присутствие на рынке в течение многих лет, количество гибридов все еще не превышает 2% продаж всех новых автомобилей — согласно недавним данным Research & Market. Отмечено также, что в Европе только 0,2% от всех автомобилей являются гибридами, причем такая ситуация сложилась в связи с преобладанием дизельных автомобилей. Доминирование дизельных автомобилей на европейском рынке объясняется развитыми технологиями: прямого впрыска (Direct Injection, DI), турбонаддув с переменной геометрией (Variable Geometry Turbocharging) и Common Rail Direct Injection (CRDI), а также высокой экологичностью.

Многие специалисты R&M высказывают мнение, что спрос  на гибридные автомобили может значительно  увеличиться в связи с их топливной  эффективностью и высокой скоростью  роста цен на бензин. Регуляция  эмиссии также способствует стимулированию спроса, так как правительства  некоторых стран предлагают налоговые  стимулирующие факторы (налоговый  кредит для покупателей). Так, согласно исследованиям RNCOS, опубликованным в отчете “Global Hybrid

Car Market Forecast to 2010”:

• Глобальные продажи HEV будут увеличиваться с совокупным среднегодовым темпом роста (Compound Annual Growth Rate, CAGR) порядка 12% в период 2008–2015 гг.

• Продажи гибридных автомобилей  в США достигнут 1 млн в 2012 году.

• CAGR для японских HEV — 6,6% в период 2008–2011 гг.

• Рынок батарей для HEV увеличится с CAGR примерно 10,4% (с 2010 по 2015 год).

• Рынок гибридных компонентов  возрастет с CAGR 17,4% с 2008 по 2012 год.

    Экологичные гибриды привлекательны не только для правительств или заинтересованных клиентов, но и для производителей, культивирующих имидж технологического лидерства: Toyota, Honda, General Motors и других. Технология применяется и в потребляющих много топлива SUV (Sport Utility Vehicle) и люкс-седанах, спортивных автомобилях, в которых электрический привод добавляет мощности (вместе с экономией топлива). Но преимущественные признаки гибридной технологии значительно различаются для основных типов гибридомобилей:

• микрогибрид (Micro Hybrid);

• средний, «умеренный» или «мягкий» (Mild/Mid Hybrid), иногда также называемый Assist Hybrid;

• полный гибрид (Full Hybrid).

Кроме того, выделяют также  следующие типы гибридных автомобилей:

• последовательные (Series Hybrids);

• параллельные гибриды (Parallel Hybrids);

• последовательно-параллельные гибриды (Series/Parallel Hybrids);

• одно- и двухрежимные гибриды (One-Mode и Two-Mode Hybrids).

Первоначально концепция  гибридного автомобиля предполагала совместную работу именно бензинового двигателя с привлечением электрического двигателя. Но в дальнейшем эта концепция расширилась и теперь включает следующие разработки и технологии:

• плагинные гибриды (Plug-in Hybrids);

• дизельные гибриды;

• гибриды на топливных  ячейках (Fuel Cells);

• регенеративное торможение;

• новые батарейные технологии;

• новые электрические  двигатели;

• 42-вольтные электрические  системы;

• гибридные трансмиссии;

• стартеры и генераторы: Integrated Starter Alternator Damper (ISAD) (Continental), Belt Alternator Starter (BAS) Delphi;

• новые электронные компоненты.

    Достижения в  технологии литий-ионных батарей изменили рынок PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) — так называемых плагинных, или подключаемых к домашней электрической сети для зарядки батареи. Способность PHEV снижать цену топлива оценивается примерно в 75 центов/галлон, кроме того, ввиду отсутствия использования многих механических частей снижается и увеличивающаяся цена масла. Все же на данном отрезке времени литий-ионные батареи характеризуются размерами, температурным управлением, надежностью, прочностью, ценой материалов и производства — теми характеристиками, которые создают временные трудности в применении этой технологии. Внимание производителей сфокусировано на инновационных исследованиях и разработках, предназначенных для того, чтобы оптимизировать характеристики батарей.