Общий принцип

Первоначально идея организации принципа «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач на электрические провода, была воплощена в железнодорожном транспорте и большегрузных карьерных самосвалах. Причина применения такой схемы обусловлена огромными сложностями механической передачи управляемого крутящего момента на колеса мощного транспортного средства. Суть принципа заключается в том, что двигатель, работающий на обычном топливе, приводит в движение электрогенератор, и через систему управления нужное количество электроэнергии передаётся на электродвигатели, приводя в движение транспортное средство. Это похоже на электростанцию на электромобиле, вырабатывающую энергию для собственного движения. Суть схемы работы гибридного автомобиля аналогична, но значительно модифицирована, в первую очередь добавлением аккумуляторной батареи, только в отличие от электромобиля менее ёмкой, а следовательно, более лёгкой.

Причины начала разработок

Главной причиной начала производства легковых гибридов был рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным повышением требований к экологичности автомобилей. При этом совершенствование технологий и налоговые льготы производителям гибридов делает эти автомобили в некоторых случаях даже дешевле обычных. В некоторых странах владельцы гибридов освобождаются от уплаты дорожного налога и не платят за муниципальные парковки. Применение электромобилей, несмотря на многие преимущества, и даже налаженный их выпуск, имеет ряд недостатков:

* необходимость длительной зарядки аккумуляторов;
* большая масса аккумуляторов;
* недостаточная дальность пробега;
* недоступность заправочных станций;
* Сравнительно небольшое количество циклов заряда-разряда аккумулятора (около 1000).

Нужно было искать компромиссы и устранять недостатки. И таким компромиссом стала разработка гибридомобиля.

История разработок

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 используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.

Преимущества

Экономная эксплуатация

Главным преимуществом является экономная эксплуатация. Чтобы достичь её, необходимо было искать баланс, то есть уравновесить все технические показатели машины, но при этом сохранить все полезные параметры обычного автомобиля: его мощность, скорость, способность к быстрому разгону, и множество других, весьма важных характеристик, заложенных в современных автомобилях. Мало того, способность накапливать энергию, в том числе и не терять понапрасну кинетическую энергию движения во время торможения, а заряжать аккумуляторные батареи, помимо основных явных преимуществ, привнесло автолюбителям некоторые побочные «мелкие радости», например, меньший износ тормозных колодок.

Как была достигнута экономия:

* снижением объема и мощности двигателя;
* работа двигателя в оптимальном и равномерном режиме, в гораздо меньшей зависимости от условий езды;
* полная остановка работы двигателя, когда это необходимо;
* возможность движения только на электродвигателях;
* рекуперативное торможение с зарядкой аккумулятора.

Вся эта система до такой степени сложна, что стала возможна в полной мере только в современных условиях, с применением достаточно непростых алгоритмов работы бортового компьютера. Даже правильное и эффективное (с точки зрения безопасности) торможение управляется бортовым компьютером.

Экологическая чистота

Снижение расхода углеродного топлива немедленно сказалось на экологической чистоте. Полная остановка работы двигателей в местах скопления автомобилей на дорогах городов, и прежде всего в пробках, имеет самую первостепенную роль. Применение же аккумуляторных батарей, гораздо меньшей емкости, чем в электромобилях, снизила проблему утилизации использованных аккумуляторов. Развитие гибридной технологии в общественном транспорте и для грузовых автомобилей, ещё больше улучшит экологическую обстановку городов.

Хорошие ходовые характеристики

Теперь нет необходимости устанавливать двигатель из расчёта пиковых нагрузок эксплуатации. В момент, когда необходимо резкое усиление тяговой нагрузки, в работу включаются одновременно как электро-, так и обычный двигатель (а в некоторых моделях и дополнительный электродвигатель). Это позволяет сэкономить на установке менее мощного двигателя внутреннего сгорания, работающего основное время в наиболее благоприятном для себя режиме. Такое равномерное перераспределение и накопление мощности, с последующим быстрым использованием, позволяет использовать гибридные установки в автомобилях спортивного класса и внедорожниках. Несмотря на то, что электродвигатели обладают достаточно сильным крутящим моментом в пересчёте на массу и габариты двигателя, по сравнению с другими двигателями, разработчики всё же в ряде моделей устанавливают не слишком мощные электродвигатели, уменьшая их габариты. При этом, в целях суммирования мощностей, применяются комбинированные схемы передачи крутящего момента, с прямой передачей механического крутящего момента, непосредственно от двигателя. Такая схема называется «гибридно-совместный привод».

Увеличение дальности пробега

Время — это самый ценный ресурс для человека. Исключение половины заездов на заправочные станции, и даже большего количества таких заездов, при езде по городу, высвобождает у автовладельца некоторое количество времени для других больших и важных дел.

Сохранение и повторное использование энергии

Устранён главный недостаток двигателя на углеродном топливе — невозможность возврата энергии обратно в углеродное топливо. Инженеры по транспорту давно пытались сохранить энергию движения при торможении, чтобы её повторно использовать. Например, применялись специальные конструкции с большим маховиком. Но только электрическую энергию удаётся сохранить с минимальными потерями и достаточно дёшево. В качестве накопителя применяются как аккумуляторы, так и специальные конденсаторы.

Обычная заправка топливом

У электромобилей пока есть один большой недостаток — необходимость зарядки аккумулятора. Процесс долгий, и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом он становится непригодным для длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из наноматериалов до 80% ёмкости за 5-15 минут.

У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеводородным топливом, тогда, когда это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.

В городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80% времени работает в режиме электромобиля. В феврале 2006 года автолюбители из США смогли взломать электронную систему управления Toyota Prius, и научились принудительно переключать автомобиль в режим электромобиля. Французская компания PSA Peugeot Citroen к 2010 году начнет серийное производство гибридных версий Peugeot 307 и Citroen C4. В автомобилях предусмотрен режим электромобиля на скоростях менее 50 км/ч. Водитель может по желанию включать режим электромобиля.

Недостатки

Высокая сложность

Гибридные автомобили сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт США говорит, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами.

Далеко не все крупные автопроизводители смогли[источник?] создать собственную гибридную систему. Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не пыталась создать гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои усилия на разработке электромобилей. Наиболее удачная на сегодня (2008) серийная разработка — Hybrid Synergy Drive (произносится [ха́йбрид си́неджи драйв]) компании Toyota.

Утилизация аккумуляторов

Хоть и в меньшей степени, чем электромобили, гибридные автомобили подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал.

Стоимость автомобиля, внешний вид и обустройство салона

Гибридный автомобиль ничем внешне не отличается от своих «бензиновых» собратьев. Выпускаются различные виды, начиная от обычных городских автомобилей и заканчивая джипами-внедорожниками и спортивными моделями. А своеобразная начинка только добавляет особую гордость владельцу. При этом цена остаётся практически на том же уровне. Дисплей, отображающий работу системы и направление потоков энергии, некоторые владельцы уже окрестили термином «тамагочи для больших мальчиков». Но всё же производители не рекомендуют джипы-внедорожники использовать в сложных геоклиматических условиях.

Современное применение

Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, джипов-внедорожников 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
Hybrid Orion VI Metrobus
Hybrid Orion VI Metrobus

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

* New Flyer - 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 Company (Польша) - Гибридная схема GM/Allison;
* APTS (Дания)- Гибридная схема GM/Allison;
* 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.

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. Первые шесть гибридных автобусов в Лондоне начали эксплуатироваться в начале 2006 г. 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) (см. Автобусы Van Hool)

Гибридные грузовики
Гибридный грузовик японской компании Hino Motors
Гибридный грузовик японской компании Hino Motors

Гибридные схемы для грузовиков разрабатывают и производят компании:

* БелАЗ
* 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 (США) совместно с Eaton
* Оshkosh Truck Corp
* Volvo Cars и MAC
* Hino Motors (Япония)

Гибриды в спорте

Все более стесненные технические регламенты гонок вынуждают конструкторов гоночных машин обращать на нетрадиционные методы увеличения их эффективности. Гибридная силовая установка один из таких методов. Впервые об их применении стали широко говорить в коце 90х 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 2009г. 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.

Кроме того, гибридный автомобиль Лексус на базе серийной машины уже выиграл 24 часовую гонку в Токайчи, а в 2008г. в гонке 24 часа Нюрбургринга участвовал гибридный Гумперт Аполло, который, правда, до финиша не добрался. В гонках на выносливость гибридный привод сулит также дополнительное преимущество в виде большой экономичости, что позволяет реже проводить дозаправки и таким образом экономить время.

Перспективы

Toyota объявила о намерении к 2007 году увеличить объём выпуска гибридных автомобилей (автомобилей, оснащённых одновременно двигателем внутреннего сгорания и электромотором) до 300 тысяч в год, а к 2012 году вообще перейти исключительно на выпуск гибридов.

First Automotive Works планирует произвести 1000 гибридных автобусов к 2010 году для Олимпиады 2008 в Пекине и World Expo 2010 в Шанхае.

Лондон после 2012 года будет закупать только гибридные автобусы. Будет вводиться в эксплуатацию по 500 гибридных автобусов ежегодно.

Производители и доступные модели

* Ford:
o Ford Escape Hybrid
o Mercury Mariner Hybrid
* Honda:
o Honda Insight (International Engine of the Year 2000)
o Honda Civic Hybrid
o Honda Accord Hybrid
* General Motors:
o Chevrolet Silverado/GMC Sierra Hybrid (debatable, see Mild hybrid)
o New Flyer hybrid buses using Allisons electric drive system
o Opel Astra Diesel Hybrid.
* Mazda:
o Mazda Demio (Japan-only, debatable, see Assist hybrid)
* Renault:
o Renault Kangoo (France)
* Toyota and Lexus:
o Prius (Motor Trend Car of the Year 2004, International Engine of the Year 2004, European Car of the Year 2005)
o Lexus RX400h
o Toyota Highlander
o Lexus GS 450h
o Toyota Camry Hybrid
o Toyota Estima (Japan-only)
* Nissan
o Altima Hybrid - гибридная схема Toyota
* Грузовые автомобили
* Hino Motors
o Dutro Hybrid (продаётся в Японии и Австралии)
* Motorized bicycle
o Moped
o Power-assisted bicycle
o Electric bicycle