Гибридный автомобиль не нов - Фердинанд Порше разработал серийно-гибридный автомобиль в 1898 году. Гибридная функция, получившая название «каретка Lohner-Porsche», выполняла роль электрической передачи, а не повышения мощности. С г-ном Порше на сиденье водителя автомобиль побил несколько австрийских рекордов скорости, включая ралли Эксельберг в 1901 году. Другим примером раннего гибрида был автомобиль Woods 1915 года выпуска, построенный в Чикаго. В машине использовался четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель. При скорости ниже 15 миль в час (25 км / ч) электромотор приводил в движение транспортное средство; на более высоких скоростях бензиновый двигатель разгоняется до максимальной скорости 35 миль в час (55 км / ч). В рамках Федеральной программы поощрения чистых автомобилей Виктор Вук установил гибридную трансмиссию на автомобиль GM Buick Skylark 1972 года, но EPA отменило программу в 1976 году.

Гибридный электромобиль (HEV) экономит топливо за счет использования электродвигателя, который помогает двигателю внутреннего сгорания (IC) при разгоне и использует кинетическую энергию во время торможения. Кроме того, двигатель IC отключается при остановках и во время медленного движения. Когда требуется полная мощность, двигатель внутреннего сгорания и электродвигатели включаются одновременно для получения максимального ускорения. Эта схема разделения мощности дает два преимущества; он требует меньшего размера двигателя внутреннего сгорания и улучшает ускорение, поскольку электродвигатель имеет отличные характеристики крутящего момента. 

Большинство HEV используют механическую трансмиссию от двигателя внутреннего сгорания до колес. В этом отношении HEV похож на обычный автомобиль с коленчатым валом, сцеплением и трансмиссией, с той разницей, что он имеет электродвигатель и аккумулятор. Эта конструкция известна как параллельная конфигурация. Большинство перспективных подключаемых HEV используют последовательную конфигурацию, в которой колеса приводятся в движение одним или несколькими электродвигателями. Вместо механической связи двигатель внутреннего сгорания подает питание на генератор для выработки электроэнергии для двигателя (ей). Как и в случае с ноутбуком или мобильным телефоном, водитель подключает автомобиль к розетке переменного тока для подзарядки на ночь. Типичный пробег с полным зарядом составляет 32 км или 20 миль. В длительных поездках двигатель внутреннего сгорания включается, чтобы обеспечить постоянную мощность электродвигателей. 

Какой аккумулятор лучше всего подходит для гибридного автомобиля?

Ранние модели HEV использовали свинцово-кислотные батареи, потому что не было альтернативы. Сегодня Honda и Toyota используют никель-металлогидрид (NiMH). Этот химический состав легче и экологически безопаснее, чем системы на основе свинца. Батарея состоит из цилиндрических ячеек, которые соединены последовательно для достижения нескольких сотен вольт. Струны ячеек подвешены в воздухе для охлаждения воздуха. На рис. 1 показан демонстрационный комплект аккумуляторной батареи для гибридных автомобилей Toyota раннего периода.


 
Рисунок 1: Никель-металлогидридный аккумулятор гибридного автомобиля Toyota.  
Ячейки (оранжевого цвета) поддерживаются для обеспечения принудительного воздушного охлаждения. Аккумулятор находится за задним сиденьем.
Предоставлено музеем Toyota, Нагая, Япония.

Одно из важнейших требований к батареям для гибридных приложений - долговечность. Аккумуляторы для потребительских товаров обычно служат от двух до трех лет. Этот короткий срок службы не является серьезным недостатком для сотовых телефонов, ноутбуков и цифровых фотоаппаратов, потому что устройства быстро устаревают. При стоимости от 2000 до 3000 долларов за аккумуляторную батарею стоимость замены аккумуляторной батареи HEV представляет собой крупные расходы. 

Гарантия на большинство аккумуляторов для HEV составляет восемь лет. Для обеспечения этого длительного срока службы элементы оптимизированы по долговечности, а не по размеру и весу, как в случае с портативными устройствами. Поскольку аккумулятор работает на колесах, увеличенный вес и размер не так уж критичны. 
NiMH для HEV можно заряжать и разряжать 1000 раз, если это делается при глубине разряда 80%. В гибридном автомобиле полная разрядка происходит редко, за исключением случаев, когда владелец живет в горах и ему требуется весь доступный заряд аккумулятора, чтобы добраться до дома. Такой распорядок увеличил бы нагрузку на батарею и сократил бы срок ее службы. В большинстве других случаев гибридный автомобиль использует только 10% номинальной емкости аккумулятора. Это позволяет выполнять тысячи циклов зарядки / разрядки. Батареи в спутниках используют аналогичную систему, в которой батарея разряжается менее чем на 10% в течение спутниковой ночи. НАСА добивается этого, увеличивая размер батареи. 

Одним из ограничений NiMH является умеренная эффективность преобразования энергии. Это означает, что батарея нагревается при зарядке и разрядке. Эффективность заряда лучше всего при 50-70% заряда. При значении выше 70% аккумулятор не может хорошо поглощать заряд, и большая часть энергии зарядки теряется в тепле. Работа аккумулятора с частичным зарядом требует большей массы, что снижает удельную энергию и эффективность.

Японские производители автомобилей пробовали несколько химикатов аккумуляторов, в том числе возвращаясь к свинцово-кислотным. Сегодня основное внимание уделяется литий-ионным батареям. Литий-ионный компонент на основе кобальта является одним из первых химических компонентов в семействе лития и предлагает очень высокую плотность энергии. К сожалению, эта аккумуляторная система не может обеспечивать высокие токи и предназначена только для портативных приложений.

Производители HEV экспериментируют с марганцевой (шпинельной) и фосфатной версиями. Эти литий-ионные системы обладают чрезвычайно низким внутренним сопротивлением, обеспечивают высокие токи нагрузки и допускают быструю зарядку. В отличие от кобальтовой версии, сопротивление остается низким на протяжении всего срока службы батареи. Чтобы проверить характеристики литий-ионных аккумуляторов на основе марганца, исследовательская лаборатория применила 30 000 циклов разряд / заряд в течение семи лет. Хотя емкость упала со 100% до 20%, ячейка сохранила низкое внутреннее сопротивление. Недостатком марганца и фосфата является более низкая удельная энергия, но эти системы обеспечивают на 20% больше емкости по весу, чем NiMH, и в три раза больше, чем свинцово-кислотные. На рисунке 2 показаны плотности энергии свинцовой, никелевой и литий-ионной систем.


 
Рисунок 2: Энергетические плотности обычных батарей.
Литий-кобальт обладает самой высокой плотностью энергии. Марганцевые и фосфатные системы термически более стабильны и обеспечивают более высокие токи нагрузки, чем кобальтовые.

Литий-ионные системы являются многообещающими кандидатами как для HEV, так и для сменного HEV, но требуют дополнительных исследований. Вот некоторые из препятствий, которые необходимо устранить: 

Долговечность:  покупатель запрашивает гарантию на десять и более лет. В настоящее время производитель аккумуляторов для гибридных электромобилей может предоставить NiMH только восемь лет. Долговечность литий-ионных аккумуляторов еще не доказана, и соблюдение восьми лет будет сложной задачей. 

Стоимость: Если стоимость замены никель-металлгидридного блока от 2000 до 3000 долларов будет непомерно высокой, литий-ионный будет выше. Эти системы дороже в производстве, чем большинство других химикатов, но имеют потенциал для снижения цен за счет улучшения методов производства. NiMH достиг плато низкой стоимости и не может быть снижен из-за высоких цен на никель.

Безопасность: Литий-ионные батареи на основе марганца и фосфата по своей природе более безопасны, чем кобальтовые. Кобальт становится термически нестабильным при умеренной температуре 150 ° C (300 ° F). Марганцевые и фосфатные элементы могут нагреваться до 250 ° C (480 ° F), прежде чем станут небезопасными. Несмотря на повышенную термическую стабильность, аккумулятор требует дорогостоящих схем защиты для контроля напряжений элементов и ограничения тока в условиях отказа. Схема безопасности также должна будет компенсировать несоответствие клеток, которое возникает естественным образом с возрастом. Недавние проблемы с надежностью литий-ионных батарей в портативных устройствах могут задержать выход на рынок HEV.

Доступность: Производители марганцевых и фосфатных элементов с трудом справляются со спросом. Быстрое увеличение количества лития для аккумуляторов HEV приведет к сокращению производства аккумуляторов. При 7 кг (15 фунтов) лития на батарею говорят о нехватке сырья. Большинство известных запасов лития находится в Южной Америке, Аргентине, Чили и Боливии. 

Подключаемый гибридный электромобиль (PHEV)

Представьте себе электромобиль, который может проехать 32 км на одном заряде от домашней электрической розетки. Никакого загрязнения окружающей среды, и соседи не услышат, как вы идете и уходите, потому что автомобиль полностью бесшумный. При отсутствии налога на газ вы можете бесплатно пользоваться дорожной системой. Или это?

Как бы хорошо это ни звучало, из-за батареи экономия будет небольшой или ее не будет. Доктор Менахем Андерман, ведущий эксперт по передовым автомобильным аккумуляторным батареям, говорит, что у нас до сих пор нет подходящих аккумуляторов для подключаемого HEV и что надежность литий-ионной технологии для автомобильных приложений еще не доказана. В отличие от обычного HEV, который работает на мелких зарядах и разрядах, подключаемый HEV находится в режиме истощения заряда, который требует глубоких разрядов. Чтобы получить приемлемый запас хода, аккумулятор PHEV должен быть в пять раз больше, чем аккумулятор HEV. При расчетном сроке службы в 1000 полных циклов зарядки и разрядки батарею необходимо будет заменять каждые три года. Приблизительно 10 000 долларов на замену батареи, ожидаемая экономия средств будет быстро исчерпана. 

Современные автомобили не только обеспечивают транспорт; они также включают вспомогательные устройства для безопасности, комфорта и удовольствия. Самыми основными из этих вспомогательных устройств являются фары и дворники. Большинству покупателей также нужны системы отопления и кондиционирования воздуха. Эти удобства считаются само собой разумеющимся в автомобилях с бензиновым двигателем, и их нужно будет экономно использовать в PHEV. 

Аналитики дают еще 10 лет, прежде чем появится жизнеспособный подключаемый модуль HEV. Обещание создать автомобиль на топливных элементах с экологически чистым сгоранием все еще живо в нашей памяти. По оценкам аналитиков, 20 лет, прежде чем топливный элемент будет готов для серийного производства автомобилей. Ходят слухи, что топливный элемент никогда не превратится в обычный автомобиль. Если это правда, мечта войдет в историю с паровым самолетом середины 1800-х годов, который был просто слишком громоздким для полета.

Парадокс гибридного автомобиля

На конференции Advanced Automotive Battery Conference на Гавайях один из делегатов оспорил производителя HEV, заявив, что немецкий дизельный автомобиль может иметь лучшую экономию топлива, чем гибрид. Председательствующий, будучи опытным продавцом, категорически отрицал это мнение. Однако в его заявлении есть доля правды. На шоссе дизельный автомобиль действительно более экономичен, но HEV имеет преимущество при езде по городу. Повышение мощности для быстрого разгона и рекуперативного торможения - преимущества, которых немецкий дизель не предлагает. 

Затем кто-то спросил: «Что произойдет, если HEV разрядит свои батареи во время движения по длинному горному перевалу? Будет ли у машины достаточно мощности?» Ответ заключался в том, что машина справится только с двигателем внутреннего сгорания, но маневренность будет ограниченной. Чтобы компенсировать эту возможность, некоторые производители HEV предлагают внедорожники с полноразмерным двигателем IC мощностью 250 л.с. и электродвигателем на 150 л.с. Всего 400 л.с. Такой автомобиль неприветливо найдет покупателей, особенно если правительство предоставит грант за то, чтобы он был «зеленым». К сожалению, покупатели небольшого автомобиля или пассажиры общественного транспорта не имеют права на такую ​​подачу. 

Вывод

Мы ожидаем, что литий-ионные аккумуляторы в конечном итоге заменят никель-металлогидридные в гибридных электромобилях, но сегодня им будут мешать короткий срок службы, высокие производственные затраты и проблемы безопасности. Нам нужно напоминать себе, что автомобильный рынок может терпеть только незначительное увеличение стоимости новой аккумуляторной технологии. Что касается дополнительной емкости, литий-ионные системы обеспечивают только 20% -ное увеличение удельной энергии на единицу веса по сравнению с системами на основе никеля. Никель-металл-гидрид доказал свою эффективность в современных ГЭВ, и новый химический состав должен предложить определенные преимущества по сравнению с существующими системами, чтобы найти покупателей. 

Toyota, Honda и Ford лидируют в области технологий HEV. Ожидается, что к 2010 году другие крупные автопроизводители будут предлагать конкурентоспособные модели. В настоящее время Panasonic EV Energy и Sanyo поставляют более 90% аккумуляторов HEV. Обе компании также разрабатывают литий-ионные батареи. 
В то время как Япония и Корея сосредотачиваются на марганцевых системах, США экспериментируют с фосфатом, химией, которая сделала системы A123 известными. Европа полагается на экологически чистое дизельное топливо. Эти двигатели настолько чисты, что даже не пачкают ткань выхлопной трубы. BMW работает над водородным автомобилем с нулевым уровнем выбросов. 

Время покажет, кто станет победителем в гонке за более чистые, экономичные и долговечные автомобили. С точки зрения долговечности сегодня победителем стал бы дизель. Мы надеемся, что в один прекрасный день будущие батареи будут иметь такой же срок службы, как и надежный дизельный двигатель, или даже превзойти его.