Начинка гибридов и электромобилей: разбираем все детали

Всего через два года автопроизводители будут поставлены в весьма жесткие условия: уложиться в нормы выброса СО2, установленные на Западе на 2021 год, можно только выпуская автомобили с электрической составляющей. Сегодня мы разберемся, чем отличаются те или иные виды гибридов, как они работают, какие аккумуляторы используют, а также детально изучим устройство серийного электромобиля.

Почему нам не обойтись без электричества?

Можно сколь угодно долго спорить о пользе и эффективности полностью электрических или гибридных автомобилей, но факт остается фактом: с 2021 года количество выбросов СО2 должно быть уменьшено таким образом, чтобы «усредненный» автомобиль выбрасывал не более 95 г/км, иначе автопроизводителю грозят большие штрафы. Тут надо пояснить: этот показатель установлен для условной машины массой 1372 кг. Если она весит меньше, то и количество допустимых выбросов будет уменьшено пропорционально и, наоборот, увеличено при большей массе.

Для сравнения: с 2015 года по сей день действует лимит в 130 г/км. Далее эти нормы будут только ужесточаться: уже в 2025 году выбросы ограничат до 81 г/км, а с 2030 года — до смешных 67 г/км. Достичь подобных показателей, используя только двигатели внутреннего сгорания, даже теоретически невозможно.

Поэтому, как бы мы ни противились приходу электричества в нашу автомобильную жизнь, сколь бы ни радели за ДВС, будь то бензин или дизель, как бы громко ни кричали «Fu*k Fuel Economy!», будущее уже определено и оно, как ни крути, связано с повальной электрификацией.

Более того, нет никаких сомнений, что в итоге эта волна докатится и до России.

Возможные виды архитектуры гибридов и электромобилей

На данный момент в мире приняты определенные обозначения гибридов и электромобилей разной архитектуры — Р0, Р1, Р2, Р3 и Р4. Что же это значит? Мы постараемся вкратце рассказать об особенностях каждого типа.

Р0. Стартер-генератор с ременным приводом шкива (BiSG — Belted Integrated Starter Generator).

• Работает только вместе с ДВС.
• Самый дешевый «гибрид».
• Невысокий уровень рекуперации.
• Ограничения по передаче момента из-за ремня.

Р1. Стартер-генератор на маховике (CiSG — Crankshaft Integrated Starter Generator).

• Работает только вместе с ДВС.
• Отмирающая технология.
• Нет ограничений по моменту из-за отсутствия ременного привода.
• Необходимо увеличивать длину двигателя.

Р2. Стартер-генератор, интегрированный с трансмиссией, привод на входе в КП (TiSG — Transmission Integrated Starter Generator).

• Может работать без ДВС.
• Возможно движение только на электротяге.

Р3. Стартер-генератор, интегрированный с трансмиссией, привод на выходе в КП (TiSG — Transmission Integrated Starter Generator).

• Может работать без ДВС.
• Возможно движение только на электротяге.
• Производители: Getrag, Valeo.

Р4. На одной оси — электромотор, на другой — ДВС.

• Может работать без ДВС.
• Возможно движение только на электротяге.
• Самый высокий уровень рекуперации (сразу с колес).

Классификация и различия в устройстве гибридов

Российский рынок электромобилей сейчас ограничивается всего четырьмя моделями: BMW i3, Renault Twizy, Kangoo Z.E. и Jaguar I-Pace. До появления в продаже электрических Audi e-Tron и Mercedes-Benz EQC фирма Jaguar Land Rover остается единственной на нашем рынке, которая официально продает полностью электрический кроссовер и имеет в своем модельном ряду практически все типы гибридов. Для детального изучения вопроса мы отправились в учебный центр компании.

Чем больше «вмешательство» электричества в конструкцию автомобиля, тем дороже стоит технология, соответственно, тем выше цена и… снаряженная масса. В любом случае вместе с ужесточением требований по выбросам будет увеличиваться количество более технологичных — читай: электрических — машин.

По степени участия электрических составляющих в процессе движения все гибриды делятся на четыре класса. Отдельно выделяют класс полностью электрических автомобилей. Все их особенности мы постарались свести вот в такую таблицу, а чуть ниже остановились подробно на каждом виде:

Микрогибриды

По сути, это и не гибрид вовсе, поскольку привычного в понимании многих отдельного электромотора здесь нет, как нет и дополнительных аккумуляторов помимо традиционной АКБ. Надо сказать, что разные производители немного по-разному трактуют «гибридную» терминологию: многие называют микрогибридом автомобиль, который оснащен хотя бы системой Start-Stop. Но, пожалуй, корректнее все же говорить, что микрогибрид как минимум должен иметь функцию рекуперации энергии при торможении. При замедлении она пополняет запас энергии аккумулятора, от которого питается вся бортовая электрика. Благодаря этому, например, при разгонах генератор меньше нагружает двигатель внутреннего сгорания — меньше «съедает» его мощность. Конструктивно микрогибрид очень прост: от традиционного автомобиля он отличается только особым стартер-генератором. Это несильно увеличивает стоимость машины, но, к сожалению, не позволяет выйти на уровень 95 г СО2 на километр.

Представители класса микрогибридов на нашем рынке — Mazda 6 2.5, Audi A6 и Jaguar XE

«Мягкие» гибриды, они же MHEV (Mild Hybrid Electric Vehicle)

Этот вид гибридов — следующий по степени сложности, топливной эффективности и дороговизне. Такие гибриды не могут ездить исключительно на электротяге даже на короткие расстояния, но тут стартер-генератор уже оказывает активную помощь основному двигателю, и это позволяет уложиться в нормы 95 г/км. Обязательными составляющими для такой системы становятся собственный аккумулятор на 48 вольт, особый стартер-генератор и преобразователь напряжения 12–48 В.

Различают две разновидности работы MHEV — Torque Fill и Torque Boost. Первый, грубо говоря, «подкручивает» непосредственно обороты традиционного двигателя через ременный привод от стартер-генератора. У второго главный элемент — электрический компрессор наддува. Упрощенно говоря, в случае с Torque Fill стартер-генератор передает свой момент непосредственно на коленвал двигателя и оттуда прямо на колеса — механическим путем. А система Torque Boost не имеет никакой механической связи с колесами, она лишь питает электрический компрессор, который повышает тягу ДВС. Важный момент: Torque Fill не увеличивает максимальный крутящий момент силового агрегата, а лишь помогает его достичь. С Torque Boost пиковый момент больше, чем без задействования электрокомпрессора. Такая система используется, например, на автомобиле Range Rover Sport HST. Его электрокомпрессор за 0,3 секунды раскручивается до 65 000 об/мин, полностью ликвидируя турбояму, развивая 5 кВт и увеличивая момент ДВС. Но большее распространение получили «мягкие» гибриды первого типа.

Наглядно устройство этих двух видов MHEV можно представить следующим образом:

Среди специалистов принято считать, что именно гибриды MHEV в ближайшее время захватят мир, поскольку являются самым дешевым из решений, способных снизить выбросы до необходимого в ближайшие годы уровня. Экономия топлива тут не очень значительная (до 10%), а вот прирост тяги заметен. Например, у нового Range Rover Evoque стартер-генератор способен развить целых 45 Нм момента в переходных режимах, чтобы помочь установленному под капотом турбодвигателю. В дополнение к этому некоторые «мягкие» гибриды способны во время торможений при уменьшении скорости движения ниже определенного уровня глушить двигатель и отсоединять его от трансмиссии, чтобы снизить расход топлива.

К классу так называемых «мягких» гибридов MHEV относится новое поколение Range Rover Evoque, которое выйдет на российский рынок этой весной. Также среди представителей этого класса — Audi Q8 и BMW 7-й серии

На снимках хорошо видно, что почти все компоненты (аккумуляторная батарея, блок управления, распределительная коробка и преобразователь напряжения) расположены в едином блоке под левой частью днища нового Evoque (ниша справа пока пустует, но это явно заготовка под более емкие аккумуляторы Plug-in версии, электромотор которой будет развивать дополнительные 108 л.с. и 260 Нм, а расход топлива задекларирован на уровне 2,8 л на 100 км). «Батарейка» от производителя A123 Systems (масса — 8 кг, «химия» — LiFePO4, 14 ячеек, пиковая мощность — 370 Вт*ч, используемая мощность — 180–200 Вт*ч, уровень заряда — 30–80%, воздушное охлаждение). Под капотом кроссовера находится лишь стартер-генератор (BiSG). Масса всех компонентов — около 20 кг

Обычные гибриды, они же «полные» или Full Hybrid Electric Vehicle

Этот тип автомобилей способен ездить при полном отсутствии помощи ДВС, при этом удается вписаться в ограничение «95 г СО2 на километр» с запасом. Пополняется заряд как за счет рекуперации энергии торможения, так и непосредственно от ДВС. Конструкция — гораздо более сложная, дорогая и к тому же высоковольтная, что влечет за собой определенные сложности при ремонте (связанные с необходимой квалификацией работников). И на этапе разработки тут приходится учитывать особые требования к компоновке. «Полные» гибриды используют в своей конструкции интегрированный в коробку передач мотор-генератор, преобразователь постоянного тока, специальный инвертор EPIC, управляющий охлаждением высоковольтных компонентов при помощи отдельного электронасоса (батарея имеет напряжение около 260 В и водяное охлаждение), блок управления зарядным устройством батареи BECM, а также электрический компрессор кондиционера и высоковольтные провода в оранжевой обмотке (международное требование безопасности).

Такой гибрид способен обеспечить бóльшую экономию топлива (до 20%) и дополнительную мощность и момент. Первым массовым гибридом стала Toyota Prius, увидевшая свет в 1997 году. Впоследствии эту конструкцию взяли на вооружение многие марки, хотя сейчас большинство отдает предпочтение подключаемым гибридам (о них ниже).

Toyota Prius (слева) продолжает удерживать титул самого массового гибрида в мире. В России Prius плоховато продается через дилеров (всего 59 штук за прошлый год), но подержанные экземпляры из-за рубежа востребованы. Относительно большое распространение получили у нас различные гибридные модели Lexus — LS, RX, CT…  Компания JLR использовала технологию HEV в 2013-2016 годах на своих моделях Range Rover и Range Rover Sport

Подключаемые гибриды, или PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

Это еще более сложная и тяжелая схема: в среднем плюс 300 кг к массе автомобиля. Она позволяет совершать короткие поездки (до нескольких десятков километров) без участия ДВС. А главное отличие от обычных гибридов — наличие разъема для зарядки от сети. Тут аккумулятор уже не зарядишь за счет одной лишь рекуперации или от ДВС (точнее, зарядишь, но это невыгодно и долго). В конструкции присутствуют дополнительные компоненты (нагреватель охлаждающей жидкости, зарядный блок BCCM, отдельный стартер без генератора, электрический усилитель тормозов), а также более мощная и высоковольтная батарея. Также автомобиль получает дополнительный 12-вольтовый аккумулятор (или даже два) для электроусилителя тормозов и для стартера.

Вся высоковольтная проводка в любой точке автомобиля выделяется оранжевым цветом. Прикасаться к таким проводам ни в коем случае нельзя даже на автомобиле с неработающим двигателем. Доступ к электрическим компонентам возможен только после полного обесточивания и размыкания контакторов высоковольтной аккумуляторной батареи, которая имеет отдельный контур водяного охлаждения (рабочая температура всегда должна поддерживаться на уровне 22-25°С), изображенный на рисунке справа. Внутрь высоковольтных компонентов не допускаются даже механики JLR, все они меняются только в сборе

К примеру: мотор-генератор, установленный в корпусе коробки передач Range Rover PHEV, способен дополнительно выдать 116 л.с. и целых 275 Нм крутящего момента, что, несомненно, является очень солидной прибавкой для установленной под капотом 2,0-литровой «турбочетверки» (300 л.с.). При этом суммарная отдача составляет 404 л.с. и 640 Нм, он разгоняется до «сотни» за 6,8 секунды, расход топлива составляет ничтожные 2,8 л в смешанном цикле «по паспорту», а количество выбросов СО2 — всего 64 г/км. Но в то же время на одной только электротяге такой Range Rover способен проехать всего 51 км, а на полную зарядку от домашней сети уходит около семи часов (2 часа 45 мин — от суперчарджера).

Подзаряжаемые гибриды — редкость в России. В прежние годы у нас продавался Mitsubishi Outlander PHEV. Также одно время к нам поставляли аналогичные BMW X5 и 7-серии. А вот подзаряжаемая модификация Toyota Prius в России не продается. В JLR технологию PHEV применяют на внедорожниках Range Rover P400e и Range Rover Sport P400e. На фото справа видно, как плотно упакован багажник версии P400е: основной аккумулятор, два 12-вольтовых, блоки предохранителей, куча проводки и трубки охлаждения. Под днищем компоновка еще более «хитрая»

Электромобили, или BEV (Battery Electric Vehicle)

Самый «чистый», самый сложный и навороченный, самый тяжелый даже без двигателя внутреннего сгорания — это, конечно, электромобиль или Battery Electric Vehicle, способный передвигаться только на электротяге, причем на довольно большие расстояния. «Паспортный» запас хода на одной подзарядке достигает 500 км и более, хотя на практике это не всегда так. Скажем, для электромобиля Jaguar I-Pace заявлен запас хода в 471 км, но в ходе нашего зимнего теста результаты оказались скромнее.

Общая архитектура электромобиля на примере I-Pace выглядит вот таким замысловатым образом:

Компоновка электромобиля может довольно заметно отличаться в зависимости от марки. В случае с полноприводным английским кроссовером на каждой оси установлен отдельный мотор-генератор (по 147 кВт и 348 Нм, суммарно — 400 л.с. и 696 Нм), соответственно, с отдельным инвертором. Основная 388-вольтовая аккумуляторная батарея (производства LG Chem) состоит из 36 модулей (в случае выхода из строя их можно менять по отдельности) по 12 ячеек, весит 610 кг и способна производить 90 кВт*ч. Энергоемкость батареи используется на 84% (это считается хорошим показателем), каждые 11 дней проводится автоматическая балансировка ячеек (разброс по мощности и вольтажу уменьшает срок службы). Каждый блок из шести модулей имеет отдельный блок контроля, помимо общего, опрашиваются 72(!) датчика температуры, а также производится анализ цепей и всех входных и выходных разъемов при каждом запуске. Сложно? Но это еще не все! Системе необходимо хорошее охлаждение, а кроме того, нужно еще и отапливать салон. Поэтому система терморегулирования электромобиля заслуживает отдельного внимания.

Она состоит из трех контуров общей емкостью 19 л, каждый из которых имеет свой насос охлаждающей жидкости. Первый контур нужен для поддержания оптимальной температуры (20–25°С) аккумуляторной батареи (семь литров). Второй отвечает за комфорт в салон (три литра), а третий охлаждает многочисленные электрические приводы (девять литров). Контур салона связан с охлаждением батареи и электроприводов, что позволяет забирать лишнее тепло от аккумулятора, например, зимой для обогрева салона. Также для этой цели используется поверхностный конденсатор. У контуров АКБ и приводов есть отдельные радиаторы и расширительные бачки. Черт ногу сломит!

Первым электромобилем, который официально вышел на наш рынок, стал в 2011 году Mitsubishi i-MiEV (слева). Tesla (в центре) по-прежнему не продается у нас официально, но серые дилеры активно возят машины этой марки. Самый популярный электромобиль в России — Nissan Leaf, причем он тоже официально к нам никогда не поставлялся. В России Лифы — это в основном праворульный секонд-хенд на Дальнем Востоке. Jaguar I-Pace — самая свежая новинка среди электромобилей на российском рынке. В конце прошлого года было продано восемь штук, за январь 2019 года — 31

Еще один любопытный факт — аккумулятор в I-Pace используется как часть силовой структуры кузова. Модули упакованы в прочнейший корпус с толстенными алюминиевыми стенками и мощными поперечинами, а снизу «затянуты» сплошным листом нержавейки толщиной около 0,5 см. Во многом именно благодаря такой батарее у электромобиля столь серьезный показатель жесткости на кручение — 36 000 Нм/град. Помимо этого короб защищает аккумуляторы от повреждений при аварии, а сминаемые зоны кузова устроены таким образом, чтобы «батарейке» досталось в последнюю очередь.

На большом фото — общая компоновка Jaguar I-Pace, где батарея выполняет роль силового элемента кузова, который изготовлен из алюминия на 95%. Ниже показано подкапотное пространство Jaguar I-Pace — автомобиля без двигателя внутреннего сгорания. Хорошо видна пара расширительных бачков, а также оранжевые высоковольтные провода. Под задним сиденьем — основной блок контроля аккумулятора и блоки с реле и предохранителями. Днище электромобиля — абсолютно плоское

Химия, или Какими бывают аккумуляторы

Все использующиеся на современных гибридах и электромобилях аккумуляторы имеют Li-Ion основу. Знатоки химии, конечно же, могут опасаться взрывоопасности лития. Хочу вас успокоить: от лития здесь лишь его ионы, которые, проникая от медного катода к алюминиевому аноду сквозь специальную мембрану, позволяют накапливать энергию. На каждой ячейке есть свой индивидуальный контроллер (BMS — Battery Management System), который мониторит температуру, уровень заряда, короткие замыкания, а также выравнивает напряжение. 

Виды аккумуляторов:

• Пакетные
• Призматические
• Цилиндрические

Основные производители аккумуляторов Li-Ion:

• LG Chem (Южная Корея)
• Samsung (Южная Корея)
• BYD (Китай)
• Panasonic (Япония)
• Kokam (Южная Корея)

Хотя все батареи имеют Li-Ion основу, производители используют различные химические добавки с разными свойствами. Для чего? От добавок зависит рабочее напряжение, емкость, количество циклов зарядки, ограничения по температуре и другие параметры. В зависимости от области применения выбирают разные типы. Ниже мы представляем сводную таблицу с характеристиками всех Li-Ion аккумуляторов.

В этом материале мы постарались «на пальцах» объяснить, чем отличаются различные виды гибридов, как они приводятся в движение, как любопытно устроен электромобиль, какие бывают аккумуляторы и кто их производит. Мы на Дроме уверены, что эта информация окажется полезной, поскольку в самом ближайшем будущем количество гибридов и электромобилей и на наших дорогах несомненно увеличится. И как бы вы ни хотели по-прежнему жечь бензин или солярку, экологические нормы заставят вас рано или поздно обратить свой взор в сторону автомобиля с электрической составляющей. Просто смиритесь с этим.