Как работают гибридные автомобили: объединение электрических двигателей и бензиновых двигателей

Гибридный электрический автомобиль (HEV) сочетает искровой газовый двигатель с одним или несколькими электрическими двигателями, питаемыми от батареи, согласно информационному центру альтернативных видов топлива (AFDC) Министерства энергетики США. В отличие от подключаемых гибридов, батарея обычного гибрида не может быть заряжена от электрической розетки; она пополняется только бензиновым двигателем и рекуперативным торможением.

Основные компоненты

Согласно AFDC, основные части силовой установки HEV включают: двигатель внутреннего сгорания, электрический тяговый двигатель, электрический генератор, аккумуляторную батарею, контроллер силовой электроники, регулирующий ток и скорость двигателя, преобразователь DC/DC, понижающий напряжение для бортовых вспомогательных систем, и коробку передач, которая передает механическую энергию от двигателя и электромотора на колеса.

Как два источника энергии распределяют работу

Согласно fueleconomy.gov, бензиновый двигатель и электрический двигатель управляются автоматически системой управления транспортного средства, которая непрерывно решает, сколько должен вносить вклад каждый. На низких скоростях и при легком ускорении многие гибриды могут работать только на электрическом двигателе. На крейсерской скорости двигатель внутреннего сгорания обычно выполняет основную работу. При интенсивном ускорении или на холмах двигатель и электромотор могут объединить свою мощность, а когда машина остановлена, двигатель отключается, чтобы не расходовать топливо при холостом ходе.

Официальное описание Toyota системы Hybrid Synergy Drive, используемой во всем диапазоне гибридов компании, дает конкретный пример этой логики: на холостом ходу или на месте Toyota говорит, что "оба двигателя автоматически отключаются, чтобы не тратилась энергия", а на холмах или при обгоне компания указывает, что "оба двигателя приводят в движение автомобиль для достижения максимальной производительности". Toyota также говорит, что его система позволяет водителям разгоняться до 50 км/ч только на электрической тяге в режиме EV, не производя выбросов из выхлопной трубы на этом этапе.

Рекуперативное торможение: восстановление энергии, которая в противном случае была бы потеряна

Рекуперативное торможение — это технология, которая позволяет гибриду перезаряжать аккумулятор без подключения к сети. Fueleconomy.gov объясняет, что система "использует прямое движение колес для вращения двигателя", что генерирует электричество и одновременно помогает замедлить автомобиль, вместо того чтобы рассеивать эту энергию исключительно как тепло через обычные тормоза. AFDC подтверждает, что электрический генератор захватывает энергию от тормозящих колес и перенаправляет ее в аккумуляторную батарею.

Последовательная, параллельная и подключаемая конфигурации

Подключаемые гибриды не все подключены одинаково. Описание fueleconomy.gov подключаемых гибридных электрических автомобилей (PHEV) различает параллельные или "смешанные" PHEV, в которых как двигатель, так и электрический двигатель механически подключены к колесам и могут приводить их непосредственно, от последовательных PHEV, в которых только электрический двигатель приводит в движение колеса, в то время как единственная работа бензинового двигателя — генерировать электричество для этого двигателя. Fueleconomy.gov отмечает, что последовательные PHEV также известны как электромобили с расширенным диапазоном (EREV).

Подключаемые гибридные электрические автомобили (PHEV) добавляют более крупный, перезаряжаемый снаружи аккумулятор к той же базовой концепции. Fueleconomy.gov утверждает, что PHEV "могут накапливать достаточно электроэнергии, чтобы значительно снизить потребление нефти при типичных условиях вождения", и что, в зависимости от модели, они используют примерно на 30-60% меньше нефти, чем обычные автомобили. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) заявляет, что PHEV оснащены как аккумулятором и электрическим двигателем, так и бензиновым баком и двигателем внутреннего сгорания, и что они "производят выбросы из выхлопной трубы при использовании бензина в качестве источника топлива", что делает их более чистыми, чем обычные бензиновые автомобили, но не безвредными для окружающей среды, как батарейные электромобили.

Почему объединение двух источников экономит топливо

AFDC объясняет, что двойной силовой агрегат позволяет автопроизводителям установить меньший бензиновый двигатель, чем нужен был бы сравнимому обычному автомобилю, потому что электрический двигатель может обеспечить дополнительный крутящий момент, когда это необходимо, например при ускорении или подъеме на холм. AFDC заявляет, что это "потенциально позволяет использовать меньший двигатель", и что комбинация рекуперативной зарядки, помощи двигателя и сокращения холостого хода приводит к лучшей экономии топлива без снижения производительности. Собственные цифры Toyota иллюстрируют эффект на уровне модели: компания указывает потребление топлива своей модели Auris Hybrid Synergy Drive на 3,8 литров на 100 км при нормальном вождении с выбросами CO2 в 87 граммов на км.