Что делать при разряде аккумуляторных батарей гибридных автомобилей
Технические науки
Похожие материалы
Гибридный автомобиль приводится в движение с помощью электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Электродвигатель подключен к тяговой аккумуляторной батарее (АКБ) с рабочим напряжением около 300 В [1, с.3]. Тяговая АКБ заряжается от генератора при работающем ДВС или рекуперационном торможении, у современных моделей гибридных автомобилей еще и на стоянке от внешней электросети промышленной частоты.
На гибридных автомобилях имеется и низковольтное электрооборудование: световые приборы, электронные блоки управления различными системами, мультимедиа и т.д. Это электрооборудование подключено к буферной АКБ с напряжением 12 В. Низковольтная АКБ заряжается от понижающего импульсного преобразователя, подключенного к бортовой сети 300 В [2, с.4].
Система автоматики поддерживает во время движения заряженность тяговой АКБ на уровне 40 ÷ 60 % [3]. Это продлевает её срок эксплуатации и обеспечивает резерв емкости для заряда в случае рекуперационного торможения. От розетки АКБ заряжается до уровня 85 %.
Некоторые модели гибридных автомобилей могут передвигаться с неработающим ДВС, например, если закончилось топливо. В характеристиках автомобиля указывается запас электрохода, определяемый по одной из стандартных методик. Например, по методике ЕРА (Environmental Protection Agency, США) запас электрохода для подключаемого к сети гибридного автомобиля Toyota Prius составляет около 10 км [3].
На практике это расстояние зависит от состояния тяговой АКБ, автомобиля, дороги, манеры вождения и оказывается гораздо короче, 3 ÷ 5 км.
Система управления высоковольтной АКБ в режиме электрохода не позволит разрядить ее ниже уровня 20 %, в этом случае тяговый электродвигатель будет просто выключен [3].
Некоторые модели гибридных автомобилей не поддерживают режим электрохода. Производители объясняют это заботой о сохранности тяговых АКБ [4].
Во время эксплуатации автомобиля система управления тяговой АКБ не допустит её разряда ниже уровня, когда пуск ДВС становится проблематичным.
Батарея может разрядиться, если автомобиль длительно, более полугода, не эксплуатировался. В этом случае ДВС не запустится.
На некоторых гибридных автомобилях неудачная попытка запуска ДВС воспринимается системой управления как признак неисправности. Например, на гибридном автомобиле Toyota Prius три подряд неудачные попытки пуска ДВС приведут к записи в память электронного блока управления кода ошибки. Теперь двигатель нельзя будет завести, пока тестером-сканером код ошибки не будет удален в автосервисе [4].
Имеются модели гибридных автомобилей, например, Nissan, KIA, где при неудачных пусках ДВС не устанавливается код ошибки.
На некоторых гибридных автомобилях низковольтная АКБ подключена к высоковольтной сети через реверсивный преобразователь [1, с.2]. Имеется возможность передавать электроэнергию из низковольтной бортовой сети тяговой батарее. Это может быть полезно, например, для облегчения пуска ДВС в морозную погоду, если тяговая батарея (она же стартерная) слишком разрядится [5, с.117].
По-видимому, эта опция была редко востребована, т.к. на современных гибридных автомобилях функция реверса, если вообще имеется, доступна только по команде тестера-сканера, как на гибридах GM [4]. Рядовой автовладелец едва ли воспользуется реверсом.
Тем не менее, в интернете можно найти мнение владельцев гибридных автомобилей со стажем, утверждающих, что это полезная опция, и они ей пользовались. Например, владелец гибрида Ford Escort 2005 года выпуска на Аляске, зимой 1 ÷ 2 раза ежегодно использовал режим «Bump start» подзаряда тяговой АКБ от низковольтной для облегчения пуска ДВС [6].
Низковольтную АКБ гибридного автомобиля легко можно разрядить по неосторожности. При неработающем ДВС зарядка низковольтной АКБ от силовой сети заблокирована, чтобы не разряжать тяговую батарею. Освещение, мультимедиа системы, оборудование, подключаемое к прикуривателю, способны быстро разрядить 12-ти вольтовую АКБ при неработающем двигателе..
Все электронные системы управления гибридного автомобиля питаются от низковольтной батареи, при ее разряде автомобиль полностью не работоспособен: ДВС не заведется, электроход (если есть) не включится.
Если на обычном автомобиле АКБ разряжена, возможны следующие операции:
подключить временно, на момент пуска ДВС, параллельно проблемной батарее исправную, заряженную, от другого автомобиля, т.е. «прикурить».
Тяговую батарею современного гибридного автомобиля при необходимости можно зарядить от бытовой электросети или на зарядной станции.
«Прикуривать» трехсотвольтовую тяговую батарею запрещено, это смертельно опасно. Высоковольтная сеть гибридного автомобиля защищена от случайного доступа. С другой стороны, передача электроэнергии от низковольтной АКБ к тяговой, если эта операция поддерживается на данном автомобиле, является своеобразным внутренним «прикуриванием».
Выводы низковольтной батареи на гибридном автомобиле легкодоступны. Процедуру «прикуривания» производить можно обычным порядком.
Низковольтные АКБ гибридов не стартерные, они не рассчитаны на большие токи. Не следует их использовать как помощь при пуске двигателя другого автомобиля с сетью 12 В.
Список литературы
Завершение формирования электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»
Создание электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»
Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.
Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.
Преимущества, недостатки и правила зарядки гибридного автомобиля
Ввиду постоянного роста цен на топливо многие автолюбители готовы искать замену машинам с двигателями внутреннего сгорания. Главной альтернативой обычным автомобилям становятся электромобили. Однако из-за высокой стоимости, плохого развития сети зарядных станций, а также дороговизны обслуживания эти машины пока не набрали должной популярности.
Оптимальным вариантом в этом случае могут стать гибриды, которые включают в себя как привычный мотор, так и электродвигатель. Согласно подсчётам, такие машины способны потреблять на 20–40% меньше топлива, поскольку используют смешанный тип источника энергии, что существенно экономит финансы его владельца. Однако, стоит внимательно разобраться, так ли всё гладко в использовании гибридных авто.
Нужно ли заряжать гибридные автомобили
Основной принцип работы гибридного автомобиля заключается в использовании энергии, возникающей при торможении, для зарядки своего аккумулятора. Данная свободная энергия, питая электромотор, приводит в движение машину, чем значительно сокращает расход топлива.
Многие гибриды способны преодолевать небольшое расстояние на низких скоростях только посредством использования электромотора. Когда же возникает необходимость увеличения скорости либо при разряженном аккумуляторе, автоматически запускается ДВС. Одновременно в процессе движения авто происходит зарядка батареи.
Важно! Ни в коем случае нельзя заряжать аккумулятор большими токами, это может привести к порче пластин (при разогреве, вода испаряется, а концентрация кислот возрастает).
Многие автолюбители задаются вопросом, можно ли зарядить аккумуляторную батарею посредством розетки. Это зависит от электрификации гибридных авто. Существует несколько видов:
Правила зарядки гибридного аккумулятора
Процедура заряжения гибридного АКБ мало чем отличается от зарядки обычных автомобильных аккумуляторов, а потому нужно принять во внимание всего несколько рекомендаций:
Рекомендуем для прочтения:
Существует также ряд новых моделей гибридов, особенностью которых является размер их аккумуляторов — несколько меньше, чем АКБ электромобиля, но больше, чем у стандартного гибрида. Благодаря этому батареи имеют возможность дозарядки от сети, как и обычные электромобили.
Видео: Как заряжать гибридный аккумулятор
Преимущества и недостатки гибридных батарей
Как и все разновидности автомобилей, гибриды в эксплуатации имеют как свои достоинства, так и недостатки. Среди основных преимуществ отмечается:
Имеются и некоторые минусы гибридных автомобилей:
Для продления срока службы аккумуляторной батареи её заряд нужно постоянно поддерживать на уровне 40–60%.
Невзирая на то что гибридные авто ещё не набрали надлежащей популярности, механизмом их функционирования интересуются многие автолюбители. И это вполне объяснимо — такие машины достаточно легки в управлении и обслуживании, значительно экономят время и средства водителя, а также положительно влияют на экологию. Последний фактор также является важным, поскольку загрязнение окружающей среды остаётся острым вопросом в условиях большого количества автомобилей с ДВС.
Практически вечные электромоторы и «умирающие» батареи. Что надо знать, если вы решили купить гибрид
Гибридные модели Toyota, Honda, Chevrolet и других марок давно не воспринимаются экзотикой и активно ввозятся из США и Европы. Но как обстоят дела с надежностью гибридной установки, силовой электрики, тяговых батарей этих автомобилей?
Пионерами массовой гибридизации были Toyota и Honda, так что неудивительно, что Prius Civic Hybrid оказались в числе самых популярных электрифицированных моделей на нашем рынке. Время идет, поколения «бестселлеров» обновились, у них появились конкуренты (тот же Volt, например). В общем, тема гибридов остается актуальной. О чем стоит помнить потенциальному покупателю подобных моделей при их выборе, а также в процессе эксплуатации? Об этом и не только говорим со специалистом СТО «Гибрид-сервис» Александром Беляевым.
Из США – преимущественно битые, из Европы – «уставшие»
– Не секрет, что подержанные гибриды к нам попадают либо из Америки, либо из Европы. Какой вариант предпочтительнее?
– В Европе, как правило, от машины избавляются в том случае, когда возникает какая-то серьезная проблема или когда уже намотан большой пробег. То есть избавляются от машины, когда появляется риск дополнительных вложений. Из Америки чаще всего идут битые машины, зато других проблем нет и пробеги небольшие. Максимум, что я видел на одометре свежепригнанного гибрида, – 160.000 миль. Обычно гораздо меньше.
– Из США везут, как правило, поврежденные в ДТП автомобили. Если мы говорим про гибриды, это чревато какими-нибудь дополнительными неприятностями по технической части?
– Доставка из Штатов занимает несколько месяцев, да и до того автомобиль долгое время находится в неподвижном состоянии. А ведь считается, что гибриды не любят длительных простоев…
– Во-первых, два-три месяца – это на самом деле не такой уж и большой простой. Во-вторых, в современных гибридах, как правило, используются литий-ионные батареи, соответственно, саморазряда у этих батарей нет. Если было до перерыва около 10% заряда, за время доставки потеряется 2%. То есть не стоит переживать, что пока сюда машину доставят, все уже будет «мертвое». Такое бывает редко. Если батарея заряжена, как правило, очень продолжительный простой никак на ее дальнейшей работоспособности не отражается. Вот 12-вольтовый аккумулятор разряжается, потому что клеммы никто не снимает при транспортировке. И в 80% случаев АКБ идет под замену.
Однако бывают такие случаи. Машина в ДТП попала, на ней продолжали ехать после ДТП или при транспортировке, пока батарея не разрядилась. На аукцион машина попадает уже как не способная двигаться своим ходом, и реально батарея в ноль высажена, плюс еще несколько месяцев машина стоит без подзарядки. Вот это критично, когда батарея с минимальным зарядом очень долго не работает.
Большая часть проблем связана с батареей
– Насколько вообще надежны гибридные установки? С какими проблемами приходится сталкиваться чаще всего?
– Если что-то ломается из силовой электроники, как правило, деталь меняется. Компоненты сделаны таким образом, что они неремонтопригодны. Если ремонтировать, можно что-то придумывать, но вопрос в том, насколько адекватно это будет работать и насколько этого хватит.
С электромоторами обычно никаких проблем нет. Простая конструкция, «убить» там что-то очень сложно. Бывали, конечно, случаи, когда моторы сгорали. Обычно это случалось на внедорожниках (Lexus RX, Toyota Highlander), когда они тягали тяжелые прицепы, когда масло никогда не меняли.
Чаще всего обращения касаются состояния высоковольтного аккумулятора, его деградации. Батареи как умирают? Одна ячейка АКБ начинает перегреваться (как правило, одна из центральных, вследствие загрязнения вентилятора охлаждения, либо очень высокой температуры в салоне, либо общего старения), машина начинает заряжать всю батарею, для компенсации заряда одного элемента, начинают греться все остальные элементы, так как они уже заряжены, и вот уже вся батарея страдает. При перегреве очень сильно снижается срок службы самого элемента.
– Какова стоимость замены аккумулятора? Или его отдельных ячеек?
– Это зависит от марки и модели гибрида, но в среднем б/у батарея стоит порядка 1.000 – 1.500$. Замена отдельных ячеек технически возможна, но не всегда целесообразна. Дело в том, что батарея деградирует неравномерно, как правило, сначала идет деградация центральной части батареи, когда блок управления батарей начинает это понимать, большая часть элементов уже имеет пониженную емкость, а это примерно половина всех ячеек. Смысла в замене только одного элемента уже может не быть. Бывает, что выходит со строя только один элемент, ввиду возраста, тогда меняется один элемент, машина ездит дальше.
– Как долго «живет» аккумулятор? И от чего зависит его ресурс?
– Срок службы аккумуляторов очень разный, зависит и от марки, и от модели, и от поколения гибрида. На Prius XV20 батарея до 15 лет смело ходит, на XV30 – от 5 до 8 лет в среднем, плюс там еще проблемы с инверторами, которые иногда горят. XW50 уже приезжали с перегретыми никель-металлгидридными батареями, а вот с литий-ионными пока проблем не было.
У Lexus RX 400h в поколении XU30 (такой выпускали с 2006-го по 2008-й) батареи по 10-12 лет отхаживают без проблем. А вот на следующем поколении, которое пошло с 2009 года, проблемы уже есть. Возможно, дело в том, что там немного по-другому скомпонована батарея.
На Lexus GS третьего поколения (2005-2011 годы выпуска) аккумулятор исправно служит в лучшем случае 5 лет. Машина мощная, на ней медленно не ездят, батарея там самая большая, какая была в тот момент у «Тойоты». В следующем поколении (с 2011 года) батарею разделили: вместо одной большой сделали две маленьких с двумя вентиляторами. Помогло ли, пока неизвестно, сталкиваться еще не доводилось – не так много таких машин по Беларуси ездит.
Проблема в том, что аккумуляторы на всех этих моделях разные. И если на Prius найти батарею легко, потому что это самый популярный гибрид, то на RX чуть сложнее, хотя тоже особых проблем нет. А с LS уже проблема: модель редкая, а такие же аккумуляторы ставили еще только Toyota Estima. Хорошая новость заключается в том, что эти батареи в среднем лет 10 служат.
– Получается, что многие беды из-за перегрева батареи. А из-за чего он случается?
– Стоит заметить, что в гибридах Toyota охлаждение батареи воздушное. В старых моделях не было фильтра, большие частицы пыли попадали в вентилятор, он забивался, из-за чего уменьшался поток воздуха к батарее и она начинала перегреваться. Начали ставить небольшую сеточку, но теперь уже она забивалась и перекрывала подачу воздуха. Сейчас ставят сменный фильтр, но он также быстро забивается, поэтому, чтобы снизить риск перегрева, стоит следить за его состоянием и своевременно менять. Сейчас пригоняют из Европы Auris Hybrid – у них батареи также выходят из строя по причине перегрева, не следят за фильтром.
– У гибридов Honda тоже есть «болячки»? Взять тот же Civic VIII поколения, который у нас очень популярен…
– У этой модели батареи долго не служат, в лучшем случае до 8-10 лет. Опять же, это связано с перегревом батареи. Опять-таки, это связано с быстрым снижением емкости элементов и немного другим алгоритмом работы, по сравнению с Тойотой. В Honda применяется воздушное охлаждение. Система обслуживает и батарею, и блоки управления, которые стоят за задним сиденьем. Не сказать, что вентилятор очень большой, его недостаточно. Как и на Toyota, в первую очередь из строя выходят центральные элементы, аккумулятор начинает деградировать.
Когда в Honda начали внедрять литий-ионные батареи, от этой проблемы уже избавились. Но возникают другие. Например, у дорестайлингового Civiс IX поколения довольно часто выгорает силовой блок, который управляет электромотором.
– Выходит, литий-ионные батареи надежнее. Но ведь считается, что они хуже переносят низкие температуры?
– Действительно, оптимальная рабочая температура батареи – около 22 – 24 градусов. Но ведь аккумулятор расположен практически в салоне или очень близко к нему, соответственно, при прогреве салона температура в нем также растет. То есть стоит проехать на гибриде несколько километров – и никаких проблем с низкой температурой нет.
– В последнее время среди белорусов довольно популярен Chevrolet Volt II. Что можно сказать по поводу его надежности и «болячек»?
— Volt интересен тем, что стоит недорого, при запасе хода 80 – 100 км. По технологии – автомобиль продуманный, начиная от батареи и заканчивая алгоритмом работы силовой установки. Конструкция усложненная, по сравнению с Toyota или Honda, если что-то ломается, это будет стоить денег, как я уже говорил, в силу не очень большой распространенности модели.
Подзаряжаемый гибрид. Есть нюансы
– Подзаряжаемые Plug-in гибриды оснащаются более емкими батареями, которые позволяют проехать на электротяге не несколько, а десятки километров. Как обстоят дела с их надежностью?
– Судя по тем машинам, которые к нам приезжают, вопросы есть. Например, в подзаряжаемых версиях Prius также применяется воздушное охлаждение, но его явно недостаточно. На обычном гибриде езды исключительно на электротяге немного, аккумулятор работает с передышкой (нагрелся-охладился), а в Plug-in гибридах эти режимы более продолжительные. Поэтому бывает, что батарея перегревается. Для литий-ионного аккумулятора это означает более быстрый ее выход из строя. Кстати, в Prius Prime Toyota применяет два вентилятора, плюс подогрев батареи для зимних условий.
– Еще один вопрос по Plug-in гибридам. Как правильно использовать зарядку, чтобы продлить срок службы батареи?
– Если разряжать батарею глубоко, то это ее «убивает»: такие циклы разрядки-зарядки влияют на срок ее службы. Лучше заряжать в диапазоне от 30 до 80% или 100%, это предпочтительнее. И по возможности стоит реже пользоваться мощными экспресс-зарядками, которые также снижают ресурс батареи. Впрочем, это скорее относится к электромобилям – далеко не все Plug-in гибриды имеют возможность экспресс-зарядки.
Когда пора на сервис
– Все, что не касается гибридной составляющей, можно делать на обычном сервисе. А чем чревата попытка «универсалов» разобраться со специфической начинкой гибридов?
– Скажем так: после «универсалов» иногда приходится заниматься восстановительным ремонтом – могут слить не ту охлаждающую жидкость или не туда залить, могут попытаться в силовую электрику влезть, а ведь она под напряжением. Многие силовые цепи специально сделаны так, что при неправильных действиях они обесточиваются. Но такая перестраховка как раз хороша. Главное, чтобы без понимания специфики слишком глубоко не лезли, а то ведь потом можно и не восстановить.
– А какие дополнительные сервисные операции вообще требуются гибридам?
– Если у обычного автомобиля есть лишь система охлаждения двигателя, то у гибрида дополнительно охлаждается силовая электрика, а также батарея. Например, у Volt под капотом три расширительных бачка – под каждую из индивидуально работающих систем. Одна обслуживает ДВС, вторая – батарею, третья – силовую электронику. Антифриз для охлаждения инвертора и батареи мы рекомендуем менять раз в пять лет, поскольку со временем он теряет свои свойства. Это же касается и жидкостной системы охлаждения силовой электрики у моделей Toyota. А для эффективного воздушного охлаждения батареи требуется замена фильтра или очистка защитной сетки, а также следить за состоянием самих вентиляторов охлаждения.
У моделей Toyota также желательно раз в 100.000 км менять жидкость в трансмиссии. Со временем в ней накапливаются продукты износа, она также теряет свои свойства, что чревато локальными перегревами. В частности, в этом масле «купается» электромотор, в случае перегрева может пробить изоляцию – появляется «ошибка», машина перестает ехать.
– Подытоживая все вышесказанное. Что следует учитывать и на что обращать внимание при покупке гибрида?
– Сейчас в трендах модели Honda и Toyota. Если машина из США, то все упирается в то, как ее восстановили. Если плохо, что явно видно, стоит от покупки такого варианта воздержаться. У европейских машин главная проблема в больших пробегах. Там не станут продавать машину, проехавшую всего 100.000 км.
Если берете гибрид с идеальной батареей, можете быть спокойны – ее деградация не сразу происходит. Правда, «убить» аккумулятор можно перегревом, а это возможно, если не справляется с работой система охлаждения батареи. Чтобы снизить риск проблем, надо контролировать работу системы и своевременно ее обслуживать: менять антифриз, если это жидкостное охлаждение, фильтр – если воздушное. И не игнорировать появление контрольных сигналов или сообщений.
На примере этой ячейки (на фото) вы можете видеть последствия такого игнорирования. Аккумулятор грелся-грелся – и взорвался. Внутри ячейки помимо пластин залиты гелем. Когда он выгорает, пластины начинают сильно нагреваться. Вот здесь это и произошло. А ведь владелец видел «чек» на панели, но решил еще поездить. Все как и в случае с обычным автомобилем: все проблемы лучше решать на ранней стадии, потом будет дороже.
Гибридный привод Тойота — устройство, принципы работы и приёмы вождения
На интернет-форумах и в разных группах в соцмедии ходит неимоверное число сказок, баек и сплетен про принципы работы, надёжность, компоненты и ходовые качества гибридных автомобилей Тойота. Кто-то, не зная, как гибрид работает, придумает своё объяснение, кто-то, не умея обосновать какие-то особенности работы — аж свои законы физики. И плохо то, что эти сплетни, слухи и домыслы растут и множатся. Попробую некоторые моменты прояснить.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ
В 1993-м году Тойота активно занялась разработкой автомобиля 21-го века. Задача у конструкторов стояла следующая — создать полноразмерный автомобиль, соответствующий современным требованиям по динамике (понятно, речь не про суперкары), вмещающий пять взрослых японцев человек и потребляющий до пяти литров топлива на 100 км. Через четыре года — в феноменально малые сроки для разработки автомобиля и наладки производства, учитывая, что на тот момент многих необходимых технологий вообще не существовало — начались продажи Тойота Приус. Машинка получилась страшненькая, но интересная. Европейские автопроизводители в то время совершенствовали дизельные двигатели, так как считалось, что будущее за ними — топливная эффективность, отличные характеристики, высокий крутящий момент, низкие выбросы СО2, уже на тот момент назначенного врагом экологии номер один. Можно сказать, что при разработке Приуса Тойота смотрела в будущее на 40…50 лет. Немцы же — на 20…30. В 1991-м, кстати, году, Тойота запустила ещё один проект, который только сейчас раскручивается так же медленно, как Приус в 1997-м — автомобиль на водородных топливных элементах, Тойота Мирай. Но сейчас речь о гибриде.
В 2003-м был запущен Приус второго поколения, со вторым же поколением гибридного привода. Он был чуть мощнее (напряжение электромоторов при разгоне повысили с 273 до 500 В), чуть экономичнее и туда начало влезать пять взрослых европейцев. В остальном силовой агрегат тот же, что и на первом поколении, с работающим по циклу Аткинсона рядной четвёркой 1,5.
В 2009-м появился Приус 3, самый массовый гибридный автомобиль на данный момент. По моему мнению, дизайн офигенен (здесь надо иметь ввиду, что я в дизайне ценю ещё и функционал, а не просто молдинги, блестяшки и широкие колёса). Никель-металл-гидридный аккумулятор, двигатель Аткинсона-Миллера 1,8 73 кВт. Из гибридной трансмиссии пропала многорядная цепь, но принцип работы не изменился. Чуть позже появилась и версия с увеличенной до 4,4 кВт∙ч батареей и зарядкой от розетки.
В 2016-м — Приус 4. Дизайн на любителя, но точно бросающийся в глаза. Четвёртое поколение гибридного привода дало ещё бóльшую топливную эффективность и, кроме того, намного более чёткое ощущение привода водителем — разгон и торможение двигателем стали чётче, снизилось ощущения «резинки» между оборотами двигателя и разгоном автомобиля. Особенности четвёртого поколения гибридного привода, с 2019-го года устанавливающегося на все новые модели состоят в:
— изменённой компоновке — MG2 вынесен на отдельную ось и смещён назад и вверх. Благодаря этому исчез ещё один планетарный редуктор из устройства распределения мощности. Раньше в одной коронной шестерне было два планетарных редуктора — один, собственно, PSD, а второй — редуктор для MG2. Это показано на иллюстрации ниже. Теперь шестерёнок стало ещё меньше, и потерь на трение, соответственно, тоже;
— изменении типа обмоток MG2. Ранее это была обычная тонкая проволока круглого сечения, теперь же — толстая проволока прямоугольного сечения (примерно 1,5 х 2 мм). Это несколько снизило эффективность двигателя на низких оборотах и торможении, но сильно увеличило мощность на верхах. Новый MG2 теперь крутится до 18000 об/мин, что благодаря увеличенному передаточному отношению улучшило разгон на электротяге без потери максимальной скорости.
СТРОЕНИЕ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
Гибридный привод Тойота состоит из шести основных компонентов. Объяснения будут на основе четвёртого поколения гибридного привода, устанавливающегося на модели 2019-го года. На Приусе четвёртого поколения этот привод появился значительно раньше.
Компоненты гибридного привода:
ДВС — бензиновый двигатель. Из современных гибридов (2019+) 1,8 это двигатель, работающий по циклу Аткинсона (или, если точнее, то Миллера). 1,5 (Yaris 2020), 2,0 (Corolla), 2,5 (RAV4 и Camry) и 3,5 (Lexus LS500h) это новые двигатели, длинноходные, способные работать как по циклу Отто, так и Аткинскона-Миллера. Если нужна бóльшая мощность — разгон, подъём, то, как правило, это Отто. Если режим работы стабильный и нужна в первую очередь экономичность, мотор переходит на цикл Аткинсона-Миллера.
MG1 — мотор-генератор 1, работающий в паре с двигателем. В основном работает, как генератор, забирая у ДВС ровно половину его мощности. Кроме того, заводит ДВС. Может вращаться в обе стороны с оборотами примерно до 12000 в минуту. Вместе с устройством распределения мощности представляет собой трансмиссию e-CVT, являясь вариатором для ДВС.
Устройство распределения мощности — Power Split Device. Это, по сути, одинарный планетарный редуктор. Солнечную шестерню приводит MG1, водило приводится бензиновым двигателем, коронная шестерня имеет также зубы снаружи и является ведомой для ДВС и MG1 и наружными зубами приводит промежуточный вал, который уже вращает редуктор. PSD является как раз тем e-CVT — электрическим вариатором, который заявлен у гибридных Тойот в качестве типа трансмиссии. Никаких цепей, ремней и конусов в КПП гибридной Тойоты нет, только планетарный редуктор и MG1.
MG2 — ходовой двигатель. Соединён с редуктором механически постоянно. Работает, как правило, ходовым электродвигателем. При торможении работает генератором, «перекачивая» кинетическую энергию в виде электричества в аккумулятор.
MGR — задний ходовой двигатель на автомобилях с поперечно расположенным двигателем и полным приводом. Это отдельный узел, состоящий из электромотора и редуктора с дифференциалом. С основной трансмиссией он никак не связан, управляется отдельно, получая ток от инвертера.
Инвертер-конвертер, или Power Control Unit. PCU трансформирует и распределяет потоки электроэнергии между ходовым электроаккумулятором, MG1, MG2 и, если есть, то MGR. Инвертер-конвертер умеет много:
а) делает из высокого напряжения ходового аккумулятора напряжение порядка 14 В для питания бортовой сети – вся машина кроме гибридного привода и компрессора кондиционера двенадцативольтовая;
б) конвертирует высокое напряжение для питания компрессора кондиционера (тоже высоковольтного);
в) с помощью бустера поднимает напряжение высоковольтной батареи до 600…650 В (в зависимости от модели), обеспечивая мощность электродвигателей на высоких нагрузках;
г) конвертирует напряжение, получаемое с мотор-генераторов в напряжение батареи для её зарядки.
д) Кроме того, напряжение батареи постоянное, а мотор-генераторам надо переменное, так что ещё и этим приходится заниматься. Всё это с эффективностью до 98%.
Ходовой (высоковольтный) электроаккумулятор. Никель-металл-гидридная или литий-ионная батарея. Используется для:
а) питания электромоторов, когда использование ДВС нецелесообразно;
б) для накапливания излишков энергии, когда ДВС может отдавать её эффективно;
в) для накапливания энергии, получаемой при рекуперативном торможении.
ФИЗИКА И РАСХОД ТОПЛИВА
Встречается очень много разнообразных интересных и порой фантастических объяснений режимов работы ДВС в составе гибридного привода.
При объяснении топливной экономичности гибрида надо иметь ввиду несколько важных моментов:
1. Вся энергия, используемая для питания бортовых систем гибридного автомобиля, а также для его передвижения, получается из топлива. За заряжаемые от розетки гибриды сейчас отдельно говорить не будем, принцип их работы такой же, как у обычного гибрида, только батарея больше и есть возможность зарядить её от розетки, а не от ДВС.
2. Пик топливной эффективности бензинового двигателя приходится примерно на обороты, на которых у этого двигателя приходится также пик крутящего момента с полностью открытой дроссельной заслонкой. У «обычного» бензинового двигателя это порядка 4000…4400 об/мин. Да, именно на 4200 и полном газу можно получить «самый дешёвый» киловатт мощности. Другое дело, что на этих оборотах мощности будет столько, сколько нам вообще не надо, чтобы ехать. Автомобиль размера Короллы, движущийся по шоссе со скоростью 90 км/ч требует для поддержания скорости примерно 10…12 кВт мощности. Всего 10…12. На разгоне, на подъёме с небольшим уклоном, да, около 30…40. На максимальном разгоне, чтобы первым приехать к следующему светофору, можно использовать и полную мощность двигателя. Кроме того, максимальная мощность, как правило, определяет и максимальную скорость. Но, в любом случае, максимальное количество наиболее «дешёвых» киловатт бензиновый двигатель даст именно на пике крутящего момента на полном газу.
Обычному автомобилю столько мощности просто некуда девать, а вот у гибрида есть для этого большой аккумулятор, куда запасается дешёвая электроэнергия.
3. У двигателя Аткинсона-Миллера кривая крутящего момента волнистая — есть пики, есть провалы. На тех режимах, где с обычной КПП такому двигателю пришлось бы работать на «неудобных» для него оборотах, тратя много лишнего топлива, гибридный привод переводит двигатель на ближайший пик эффективности, а «лишнюю» энергию в виде электричества запасает на будущее в аккумуляторе. Когда аккумулятор заряжен, ДВС переводится на «ступеньку» ниже, где эффективность опять приемлемая, а недостаток мощности восполняется использованием запасённого ранее электричества.
4. Основная экономия бензина гибридным приводом состоит в том, что в любом режиме движения блок управления гибридными приводом использует ДВС в максимально эффективном режиме его работы, управляя балансом мощности, получаемой от ДВС и ходового аккумулятора. Именно поэтому, несмотря на то, что вся энергия получается из топлива, топлива гибридный автомобиль потребляет намного меньше чисто бензинового. И огромный плюс именно тойотовского гибридного привода в его вариаторной трансмиссии, позволяющей ДВС работать практически на любых оборотах в очень широком скоростном диапазоне.
Да, Закон сохранения энергии говорит нам, что для перемещения автомобиля некоего веса на некое расстояние необходимо потратить некое количество энергии, не зависящее от типа двигателя этого автомобиля. Но вот как, где и с какой эффективностью мы получим эту энергию, влияет на расход топлива и наших денег очень даже сильно.
ЭКОНОМИЯ ТОПЛИВА
Исходя из особенностей ДВС Аткинсона-Миллера и особенностей гибридного привода, при максимальной экономии топлива надо применять немного другие приёмы вождения:
РАЗГОН
Начинайте движение плавно, удерживая стрелку указателя мощности в первой половине зоны ECO. В этой зоне работает только ходовой электромотор, обладающей максимальным крутящим моментом именно с самых низких оборотов (не совсем с нуля, как многие считают, а примерно со ста). Бензиновый двигатель заглушен.
Когда разгона на одном MG2 уже не хватает и приходится нажимать педаль акселератора глубже, заводится бензиновый двигатель. И вот здесь таится основная хитрость — когда ДВС уже запустился, смело нажимайте на педаль, загоняя стрелку «тахометра» в зону PWR, примерно до середины. Это как раз те обороты, на которых киловатты становятся дешевле. Излишки мощности, если они будут, ЭБУ гибридного привода отправит в батарею, и ни один миллилитр бензина не пропадёт зря.
Когда вы таким образом разогнались до нужной скорости, отпустите педаль акселератора и нажмите снова, но ровно на столько, чтобы удерживать скорость. Стрелка указателя мощности останется в первой половине зоны ECO, и вы будете ехать только на электричестве.
ТОРМОЖЕНИЕ
Гибрид по максимуму использует MG2 для преобразования кинетической энергии автомобиля в электричество. Чтобы облегчить ему работу и увеличить эффективность рекуперативного торможения, старайтесь тормозить плавно и долго, не давая стрелке указателя мощности падать ниже середины зоны CHG (Charge). В этом случае гибрид применит тормозную систему только в самом конце, когда генератором тормозить уже неэффективно, и максимальное количество энергии, которой вы на обычном автомобиле топите воздух (преобразуя при торможении истраченное ранее топливо в тепло с помощью колодок и дисков), будет преобразовано в электричество и использовано для следующего разгона.
ТОРМОЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ
Так как аккумулятор нельзя заряжать бесконечно, а если у MG2 энергию не забирать, то тормозить он не будет, то на затяжных спусках автомобиль после зарядки батареи до 80% будет тормозить тормозами. Чтобы их не перегреть, у гибридов есть положение трансмиссии «B», а у гибридов помощнее — «ручной» режим переключения шести, а у LS500h и LC500h — десяти «передач». Это симулированные передачи, которыми владелец определяет, насколько сильно гибрид будет тормозить двигателем. При торможении в положении «B», «M» или «S» часть энергии торможения тратится впустую — MG1 вращает коленвал заглушенного бензинового двигателя. «B», это не «Benzin», как некоторые думают, а «Braking» — «торможение». «M» — Manual, «S» — Sport. Да, шкала указателя расхода энергии показывает, что автомобиль в режиме «B» офигенно заряжает аккумулятор при отпускании педали газа. Но по факту, он показывает именно уровень торможения, а не зарядки. Большая часть этой энергии просто тратится на перекачивание воздуха двигателем с закрытой дроссельной заслонкой.
Эти режимы нужно использовать на затяжных спусках в горах и можно использовать при активно-агрессивной езде, так как ощущение автомобиля чётче, ну и торможение двигателем симулируется довольно неплохо.
На разгоне и при езде со стабильной скоростью в этих режимах гибридный привод ведёт себя так же, как в положении «D».
Из плюсов тойотовского гибрида:
1. Не надо напрягаться для экономии топлива — расход меньше как при спокойной, так и при активной езде. Главное, чтобы расход топлива был нормальным, не «тянуть» двигатель, разгоняясь плавно — когда мотор работает на низкой нагрузке и постоянно, его эффективность низка, и не тормозить резко.
2. Гибрид с двигателем 1,8 на данный момент является самым надёжным силовым агрегатом, который я знаю. Новые двигатели M15A, M20A и A25A (соответственно, трёхцилиндровый 1,5 на новом Ярисе, четырёхцилиндровые 2,0 на новом C-HR, Corolla и бензиновый RAV4, и четырёхцилиндровый 2,5 на Camry и гибридном RAV4) пока не накатали достаточно, чтобы можно было делать выводы о реальном ресурсе, однако двигатель изнутри выглядит очень грамотно спроектированным и сбалансированным. Кроме того, при заводских испытаниях эти двигатели гоняли на стенде на 60% дольше, чем двигатели предыдущих серий, поэтому сомневаться в их надёжности желания не возникает. 1,8 ZR-FXE же используется уже с третьего поколения Prius, а в обычном, «бензиновом» варианте — с 2006-го года на Аурисах, Короллах и многих других моделях. На версии же для гибрида, с суффиксом FXE, у него, вдобавок ко всему, нет VVT на выпуске, сцепления, стартера, генератора и вспомогательных ремней — он ещё проще. Электроника же у японцев традиционно крайне надёжная и долговечная.
3. Крайне простое устройство — механически там самая простая трансмиссия, где нет ни одного подключающегося или отключающегося элемента. Есть десяток шестерёнок и два десятка подшипников. Всё, больше ничего. Сломать можно разве что физически, пополам. Вдобавок, опять же, нет сцепления, стартера, генератора, вспомогательных ремней.
4. Ходовой аккумулятор в идеальных условиях (большой пробег за не очень большое время) ходит примерно 400…500 т км. В неидеальных условиях он больше устаёт от времени, чем от пробега, но порядка 300 т км тоже ходит. Новый, в зависимости от модели, стоит 1500…2500 евро. Плюс десятилетняя бесплатная гарантия на аккумуляторы новых гибридов с 2019-го года. На более старых тоже гарантия тоже возможна, но за небольшие деньги — по сути это страховка. Ходовой аккумулятор используется в диапазоне 40…80% ёмкости. Благодаря этому его использование очень эффективно, а кроме того, количество циклов зарядки-разрядки вырастает в сотни раз по сравнению с циклом 100% — 0% — 100%. Поэтому аккумуляторы и живут так долго. Стоит аккумулятор на Prius 2 у дилера порядка 1500 евро, на Prius 3 — 1700 евро. Для сравнения, это как комплект дизельных форсунок. Литий-ионный аккумулятор на гибридную Короллу 1,8 стоит, если не изменяет память, около 2300 евро. Это цены на новые батареи от дилера. Если пересобирать из элементов, будет ещё раза в три дешевле.
5. Оснащение гибридной модели, как правило, лучше, поэтому бóльшая цена, это не только за гибридный привод, а ещё и за большее количество всяких ништяков и кнопочек. Здесь расстраивает, пожалуй, только Prius 4 Plug-in с солнечной батареей — у него для компенсации массы из-за крыши и дополнительного аккумулятора урезали разные хорошие функции.
6. В цене гибрид падает медленнее. По сути, насколько дороже купишь, настолько потом пропорционально дороже продашь.
7. Трансмиссия работает намного лучше, чем любая другая автоматическая КПП — иногда можно ощутить слабые толчки, при запуске бензинового двигателя на ходу, но это если целенаправленно обращать внимание. Больше ни рывков, ни задумчивости нет.
2. Часто закисают задние тормоза, особенно при спокойном стиле вождения. Гибрид тормозит генератором, насколько это возможно, поэтому тормоза работают меньше, чем на обычном автомобиле.
3. На снегу может напугать, отказавшись разгоняться в горку. Он будет разгоняться, насколько позволит сцепление с дорогой, но бензиновый мотор будет при этом рычать и буксовать, а ходовой электромотор гибрида будет буксовать тихо. Поэтому может быть очень неприятное ощущение, что вы на газ нажали, вам очень надо разгоняться, а машина отказывается ехать. 🙂
4. Тем, кому нужна динамичная езда, будет скучно, потому что нет рывков, нет переключений передач. Разгон приличный, но ощущения разгона практически нет — гибрид на разгоне едет, как паровоз.
5. У гибридов до третьего поколения включительно (до 2019) более ярко выражен эффект «резинки» между оборотами двигателя и разгоном автомобиля — при нажатии на газ мотор набирает высокие обороты, но разгон не соответствует оборотам. Это не мешает, собственно, разгону, но для человека, привычного к механической коробке, непривычно и, поначалу, непонятно. По факту же, это сделано ради экономии топлива — двигатель выходит на те обороты, на которых нужное количество энергии получается при минимальных затратах. У четвёртого поколения гибридного привода этот эффект ощутимо снизили, и теперь машина разгоняется и тормозит примерно как автомат, при торможении имитируя более сильное торможение двигателем. Двигатели нового поколения (кроме 1,8) благодаря более гибким характеристикам, подстраиваются под нужные обороты лучше, чем 1,8 (или 1,5 с Prius 2) и тем компенсируют неоптимальные обороты.
6. На гибриде Toyota приёмы для более экономичной езды немного отличаются от таких приёмов на бензиновой машине. Часто бывает, что народ жалуется на высокий расход топлива, что по факту вызвано неправильными приёмами езды. Надо немного переучиваться, но это же сложно, да и мало кто готов признать, что ездит неправильно. 😉 Правильные приёмы описаны выше.
7. Максимальная скорость ограничена не мощностью, а оборотами MG2, который связан с колёсами напрямую. У автомобилей без дополнительных передач в гибридном приводе, а по сути, у всех гибридов с поперечным расположением двигателя, максимальная скорость колеблется в пределах 170…190 км/ч. Даже у Лексуса ES300h. Дури-то хватает, но на такой скорости обороты MG2 максимальные допустимые. Там постоянный магнит — здоровая железяка. Если её ещё раскрутить — разорвёт центробежной силой. У автомобилей, которым очень надо ездить быстрее, как, например, Lexus GS450h и IS300h, между MG2 и остальной трансмиссией есть двухступенчатый планетарный редуктор, примерно как в автоматической коробке. В диапазоне 60…90 км/ч он переключается, изменяя этим обороты MG2 по отношению к скорости автомобиля. В результате машина может ехать 250. У Lexus LS500h в транмиссии вообще четырёхдиапазонный автомат стоит, между всей трансмиссией и карданным валом. Там можно не только обороты MG2 менять, но и ДВС с MG1. В результате, на скорости 200 обороты ДВС 1800 оборотов. Заодно гибридный привод симулирует переключения аж десяти передач, чтобы тем, кто хочет их попереключать лепестками под рулём, было, чем заняться. 🙂
8. Гибридному приводу нельзя сильно буксовать. Опять же, из-за MG2. Когда ведущее колесо буксует, обороты MG2 растут очень быстро, и если ведущее колесо вдруг резко схватит асфальт, или же водитель ударит по тормозам, то инерция ротора MG2 настолько велика, что КПП может не выдержать. Поэтому VSC у гибридной Тойоты довольно нервная и буксовать почти не даёт. На снегу в горку, или в очень скользкой грязи можно и застрять на ровном месте. На гибриде с неработающей ABS/VSC увеличиваются шансы сломать трансмиссию. Впрочем, как известно, сдуру можно и всё сломать.
9. Вспомнился ещё один интересный момент в связи с проходимостью гибрида: у электромотора максимальный крутящий момент уже на самых низких оборотах, но не с нуля! MG1 никогда не удерживается на месте, только на оборотах начиная от примерно 100 об/мин в обе стороны — иначе перегреются обмотки, да и силы у него при нуле оборотов нет. Думаю, у MG2 примерно так же. Чем это аукается — если упереться колёсами в бордюр (а в Питере — в поребрик), то гибрид явственно не хочет на тот бордюр заезжать. Надо нажимать педаль очень глубоко, и когда машина всё-таки заедет на то препятствие, то резко прыгнет вперёд.
Чтобы заехать на небольшое препятствие нормально, нужно чуть откатиться и дать машине хотя бы несколько сантиметров для разгона, чтобы MG2 раскрутился хотя бы до полусотни оборотов.
10. При езде машина живёт немного своей жизнью — обороты держит, какие ей удобно. Это больше всего ощущается на втором поколении (Приус 2 и Ярис до 2020-го), немного меньше — на третьем (Приус 3, Аурис, RAV4 до 2019-го, Лексусы, на конец 2020-го года все кроме LS/LC500h, ES300h). На четвёртом поколении гибрида этот эффект снижен до уровня обычного вариатора. Это не мешает ездить, но может быть непривычно.
Так же немного своей жизнью живут тормоза на моделях со старой тормозной системой — при торможении усилие на колёсах может немного плавать, особенно при остановке. Это связано с тем, что гибридный привод всё время старается максимально использовать генератор для торможения, а если не хватает, то подтягивает в помощь рабочий тормоз, и эти изменения распределения ощущаются.
По факту, при покупке гибрида покупатель платит чуть больше не только за будущую экономию топлива, но и за более плавную и приятную езду, лучшее оснащение, высокую надёжность. Плюс, немного «переплаченных» денег вернётся при продаже, благодаря более высокой цене на вторичном рынке.
Вопросы при желании можно задавать в комментариях. Спорить и не соглашаться можно и это даже приветствуется. Но корректно, без хамства, обзывательств и пустого трёпа. Кидаться говном в меня, в Тойоту, в гибриды и в окружающих не надо, этого хватает в соцсетях типа Фейсбука и Вконтакте — идите туда, там в вас с удовольствием кинут в ответ.