Гибри́дный автомоби́ль (гибрид) — автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии.
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.
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 рости до середины 2030-х годов.[1]
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.[2]
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 электромобилеэлектростанцией, 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[источник не указан 3889 дней] (80—90 % по сравнению с 35—50 % у автомобилей с ДВС) и большой запас хода на одной заправке автомобиля с ДВС.
Типовые схемы
По методу подключения двигателей и накопителя к приводу:[3]
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[4] 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
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 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 %.[5][6]
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[7]. Однако эти технологии не были востребованы ни советской автомобильной промышленностью[7], 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)[8].
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[9]. 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[9].
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.
Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, кроссоверов серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса — Lexus LS 600h.
По итогам 2006 года во всём мире было продано более полумиллиона только модели Prius. Технологию гибридного привода Toyota HSD лицензировали Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).
Массовое производство гибридных автомобилей сдерживается дефицитом никель-металл-гидридных аккумуляторов. В 2006 году в Японии было продано 90410 гибридных автомобилей, что на 47,6 % больше, чем в 2005 году. В 2007 году продажи гибридных автомобилей в США выросли на 38 % в сравнении с 2006 годом. Гибридные автомобили в США занимают 2,15 % рынка новых легковых автомобилей. Всего за 2007 год в США было продано около 350000 гибридных автомобилей (без учёта продаж корпорации GM). Всего с 1999 года до конца 2007 года в США было продано 1 002 000 гибридных автомобилей.
Гибридные автобусы
Автобусы с гибридными (дизель/электричество) силовыми установками разрабатывают и производят:
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.
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»[18], 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[19].
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 ГибридМАДИ(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[20]. В 2013 году проект Ё-мобиль из-за недостатка финансирования был свёрнут, документация передана НАМИ.
В 2011 году также был создан проект Яровит-Ё-мотоспорт. В рамках этого проекта был создан спортивный болид класса R-1 с гибридной силовой установкой на узлах Лексуса, Мицубиси и д.р. доноров (конструкторы Кругленя А., Кобрусев С., Валюк В., Ковальчук В. и д.р.); болид был презентован на Красной площади.
В 2012 году началась разработка спортивного грузовика класса Т4. Летом 2014 года спортивный проект был свёрнут, зимой 2015 года Представительство Яровит-Моторс в Белорусии закрылось, не рассчитавшись со своими работниками по зарплате.
Также, группой учёных (В. В. Давыдов, А. И. Лаврентьев и др.) под руководством д. т. н. профессора Н. В. Гулиа (Московский государственный индустриальный университет) предложен метод радикального увеличения эффективности гибридного силового агрегата за счёт резкого снижения потерь в трансмиссии, через применение специально разработанной дифференциальной системы разделения потоков мощности с применением маховика[21].
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[45].
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[47].
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.
HEV (hybrid electric vehicle[англ.]) — 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.