Тест-драйв "Параллельный гибрид"


Владимир ШЛЯХОВОЙ,

фото автора

 

Сколько я ни пытался тронуться на электротяге, у меня так ничего и не получилось. Даже при малейшем нажатии на педаль газа на грузовике включался штатный дизельный двигатель. И это при том, что до 30 км/ч данный гибрид, судя по его техническим характеристикам, должен разгоняться используя только электроэнергию, т. е. исключительно за счет тяги электромотора. С такого недоразумения началась моя поездка на прототипе развозного грузовика MAN TGL 12.220 Hybrid с гибридным приводом.

Единственное отличие «гибрида» от обычного грузовика, заметное с места водителя – небольшой дисплей, установленный на панели приборов справа от водителя


Когда компания MAN Truck & Bus Ukraine предложила мне посетить Мюнхен и протестировать прототип гибридного развозного грузовика, отказаться я просто не смог. Тем более что интерес к гибридной технике растет сейчас у перевозчиков прямо пропорционально росту цены на горючее. Ведь альтернативное энергообеспечение (а именно это и предусматривает гибридная технология) позволяет (во всяком случае, теоретически) существенно снизить расходы на топливо, составляющие основную часть затрат автоперевозчиков. И хотя то, что я увидел, на самом деле гибридом не является, это, бесспорно, серьезный шаг в сфере энергосберегающих технологий.

 

Что такое гибрид?

По большому счету гибридным считается транспортное средство, приводимое в движение различными независимыми источниками энергии. Как правило, это жидкое или газообразное моторное топливо плюс электричество. При этом электричество может вырабатываться солнечными батареями или топливными элементами (пока, скорее, теоретически), либо запасаться в аккумуляторах. Подобная схема уменьшает зависимость от какого-то одного источника энергии и - в последнем случае - позволяет аккумулировать энергию торможения, превращая кинетическую энергию автомобиля в электрическую.

Если при езде по шоссе больше всего топлива крадет сопротивление воздуха, то при движении по городу – тормоза: не успел разогнаться, как уже приходится сбавлять скорость. И что самое обидное, в данном случае энергия, выработанная двигателем, не только превращается в совершенно бесполезное тепло, но и приводит к износу тормозных систем.

Во избежание этого во всем мире давно уже ведутся работы по рекуперации энергии торможения, т. е. по ее утилизации с последующим использованием при трогании и разгоне автомобиля. Здесь (теоретически) кинетическая энергия, накопленная при торможении, впоследствии сможет разогнать автомобиль до первоначальной скорости. Ну а практически - поскольку 100-процентного КПД достичь невозможно - реальный результат будет меньше. Насколько? Это зависит от эффективности систем, используемых для рекуперации энергии.

 Схема дополнительного оборудования, устанавливаемого на «гибрид» MAN TGL 12.220 Hybrid


В настоящее время существуют два жизнеспособных способа рекуперации энергии торможения: ее преобразование в электроэнергию и сохранение в суперконденсаторах или в емких высоковольтных аккумуляторах. Конечно, давно уже придуманы гидравлические, пневматические, инерционные и даже пружинные накопители, но их эффективность достаточно невелика, чего не скажешь о цене.

Рекуператоры, связанные с преобразованием кинетической энергии в электрическую, пока тоже не совершенны, но их уже сегодня можно использовать на автомобилях.

В настоящее время гибридные приводы по принципу взаимодействия двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя принято разделять на три вида: последовательный, параллельный и последовательно-параллельный.

 

 Схема базовой конфигурации гибрида и его перспективной версии

 

Последовательный гибрид

В последовательном гибриде прямой связи между ДВС и ведущими колесами нет. Здесь силовой агрегат представляет собой обычный дизель-генератор, который вырабатывает электроэнергию для электродвигателя, вращающего ведущие колеса.

Подобная схема позволяет избавиться от коробки передач и сцепления. Кинетическая энергия при торможении превращается здесь не в тепло, а в электроэнергию и запасается в суперконденсаторах или аккумуляторах и используется при последующем разгоне автомобиля. При этом аккумуляторы могут также подзаряжаться как от дизель-генератора, так и от внешнего источника тока.

 В отсеке по левому борту, расположенному за аккумуляторным боксом, находятся инвертор и тяговая литиево-ионная батарея

 

На информационный дисплей постоянно выводится информация о мощности, развиваемой в данный момент каждым двигателем (дизельным и электрическим), а также процент заряда литиево-ионной батареи, запасающей энергию торможения

 

Свое название данная схема получила благодаря тому, что мощность передается ведущим колесам, проходя ряд последовательных преобразований: сначала механическая энергия, вырабатываемая ДВС, превращается в электрическую, а затем снова в механическую.

Особенностью последовательного гибрида является возможность использования ДВС малой мощности, который может постоянно работать в режиме максимального КПД, подзаряжая аккумулятор, либо бездействовать. Поскольку последовательный гибрид предполагает возможность движения и при отключенном ДВС, его тяговый электродвигатель должен обладать достаточной мощностью, а батарея – соответствующей емкостью. А поэтому они имеют достаточно высокую стоимость.

Наиболее эффективна последовательная схема при движении на малой скорости, в режиме частых остановок, торможений и ускорений, т. е. в городе. Поэтому она оптимальна для использования на городских автобусах и других видах городского транспорта. Подобный принцип уже давно используется (правда, без рекуперации энергии торможения) при работе больших карьерных самосвалов, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса и не требуется высокая скорость движения.

При этом использование суперконденсаторов наиболее эффективно на транспорте, работающем в режиме частых остановок, к которому в первую очередь относятся городские автобусы.

Тогда как на развозных грузовиках экономически более оправдана схема с аккумуляторными накопителями энергии, позволяющими проезжать определенное расстояние только на электротяге.

 

Параллельный гибрид

В данном случае на машине сохраняется обычная трансмиссия, с помощью которой ДВС и электродвигатель передают крутящий момент к ведущим колесам. При этом мощный электродвигатель, совмещающий в себе функции тягового мотора, стартера и генератора, обычно располагается между коробкой передач и ДВС и соединяется с последним при помощи сцепления. А согласованную параллельную работу привода обеспечивает компьютерное управление. Именно по такой схеме построен и развозной грузовик MAN TGL 12.220 Hybrid.

Трогание и движение на небольших скоростях осуществляется в данном случае только за счет тяги электродвигателя. Ведь электродвигатель не нуждается в прогреве и в любой момент готов развить максимальную мощность, при этом он не потребляет энергию в режиме ожидания (аналог холостого хода для ДВС). А когда водитель даст газ, а вернее - ток, электродвигатель, который обладает максимальным крутящим моментом практически с самых низких оборотов, сразу же обеспечит на колесах максимальную тягу. Поэтому электродвигатель эффективнее двигателя внутреннего сгорания в режиме частых троганий и остановок, т. е. при движении в городском цикле, тогда как двигатель внутреннего сгорания более эффективен при работе на постоянных оптимальных для него оборотах.

Если же требуется более высокая мощность, то к работе подключается дизельный двигатель, который и используется на параллельных гибридах большую часть времени.

А благодаря тому, что в данном случае ДВС непосредственно связан с колесами, потери мощности здесь значительно меньше, чем в последовательном гибриде, хотя дизелю нередко приходится работать в неэффективных переходных режимах.

 

Последовательно-параллельный гибрид

Еще одним достаточно экзотическим изобретением является последовательно-параллельный гибрид, объединяющий в себе особенности двух предыдущих типов. В схему параллельного гибрида добавляется отдельный генератор и делитель мощности - планетарный механизм, в результате чего он приобретает черты последовательного гибрида. Автомобиль трогается и движется на малых скоростях только на электротяге, на высоких скоростях и при движении с постоянной скоростью эстафету принимает ДВС, а при высоких нагрузках (ускорение, движение в гору и т. п.) к работе снова подключается электродвигатель, подпитываемый от аккумулятора. В этом типе гибрида большую часть времени работает электродвигатель, а ДВС используется только в наиболее эффективных режимах, в том числе и для заряда тяговых батарей при помощи отдельного генератора. Поэтому здесь мощность ДВС может быть ниже, чем у параллельного гибрида.

В то же время последовательно-параллельный гибрид имеет более высокую стоимость из-за того, что ему необходим дополнительный генератор, блок батарей большей емкости и более сложная компьютерная система управления.

 

 Заглянув в отсек с тяговой батареей, и на ней, и на инверторе можно увидеть надпись Continental


Конструкция

Параллельный гибрид MAN TGL 12.220 Hybrid устроен следующим образом. Под его кабиной установлен четырехцилиндровый дизельный двигатель с системой впрыска Common Rail мощностью 220 л. с. в исполнении EEV, который передает свою мощность на автоматическую 6-ступенчатую коробку передач.

Между дизельным двигателем и АКПП в силовой агрегат встроен 60-киловаттный синхронный электромотор на постоянных магнитах, который объединяет в себе тяговый электродвигатель, стартер и генератор. При этом двигатель соединяется при помощи сцепления не с коробкой передач, а с электродвигателем, который в свою очередь напрямую связан с первичным валом КПП. И сцепление здесь служит не для переключения передач, а для подключения дизельного двигателя к трансмиссии. Передачи же переключаются при помощи автоматической гидромеханической КПП, которая может обходиться без сцепления.

Попытка запустить двигатель здесь обречена на провал: гибрид оснащен автоматической системой «старт-стоп», которая дает возможность экономить топливо во время работы на холостом ходу, не позволяя дизелю работать на стоящем автомобиле.

Трогание с места и разгон осуществляются при помощи электродвигателя за счет электроэнергии, хранящейся в компактной высоковольтной (370 В) тяговой литиево-ионной батарее. А поскольку наиболее эффективными являются двигатели переменного тока, постоянное напряжение преобразуется в переменное при помощи инвертора.

Во время движения на электротяге сцепление выключается, а дизельный двигатель подключается только начиная с третьей передачи. Конечно, при необходимости интенсивного разгона, о чем «электронные мозги» узнают по интенсивности нажатия на педаль газа, дизель может подключиться к работе и раньше, но при плавном трогании машину приводит в движение только электродвигатель.

Что же касается запуска дизельного двигателя при малейшем нажатии на педаль газа, то подобный алгоритм был изначально задуман разработчиками данного гибрида. Ведь еще до того, как дизель подключится к работе в качестве движителя, он должен вырабатывать энергию, необходимую для работы гидроусилителя руля, компрессора и кондиционера.

При нажатии на педаль тормоза сцепление снова выключается, отсоединяя дизельный двигатель от электродвигателя, который переходит в режим генератора и преобразует энергию торможения в электроэнергию, аккумулируемую в литиево-ионной батарее. Правда, подобный расклад действует только при плавном торможении, ибо если тормозить резко, в действие будут приведены и штатные тормоза и большая часть энергии торможения превратится не в электричество, а в бесполезное тепло. Что же касается столь высокого напряжения силовой батареи, то оно обусловлено большой мощностью, которую батарея должна накапливать и отдавать за короткий промежуток времени. А увеличение напряжения позволяет снизить ток и тепловые потери в цепи. Тем не менее мощная энергетическая установка гибрида все равно выделяет немало тепла, а потому на машине имеется дополнительная система охлаждения электромотора, силовой электроники и тяговой батареи.

 

 На правой стороне рамы расположен блок системы управления «гибридом»


При этом последняя не подзаряжается от генератора во время работы двигателя, а лишь запасает энергию торможения, когда электродвигатель работает в качестве генератора и отдает ее  при разгоне.

Ведь полностью заряженная батарея в принципе не сможет рекуперировать энергию торможения. А значит потеряется весь смысл, заложенный в данную систему, поскольку в этом случае вся энергия торможения будет превращаться в бесполезное тепло.

Данный гибрид всегда сможет стартовать и с полностью разряженной батареей. При этом его силовая установка будет работать точно так же, как у обычного грузовика: и разгон, и движение обеспечит мощность дизельного двигателя, запущенного от штатного 24-вольтного аккумулятора. Но при первом же торможении тяговая батарея подключится к работе и начнет накапливать заряд, подзаряжаясь за счет рекуперации энергии торможения.

Естественно, данный грузовик является только прототипом, хоть и действующим. Его главным недостатком, на мой взгляд, является постоянная работа двигателя во время движения, что, конечно же, плохо, поскольку приводит к повышенному расходу топлива, а вернее обеспечивает меньшую экономию топлива, чем это могло бы быть. Как уже упоминалось, это необходимо для обеспечения работы гидроусилителя руля, компрессора и кондиционера.

Поэтому на втором этапе MAN TGL 12.220 Hybrid предполагается усовершенствовать, «развязав» его двигатель со вспомогательными устройствами, которые получат электрический привод. Кстати, это даст двойную экономию, поскольку нет необходимости в постоянной работе усилителя руля, пневмокомпрессора и компрессора кондиционера.

Естественно, подобные изменения повлекут большее энергопотребление. Но это будет полностью скомпенсировано более мощной литиево-ионной батареей емкостью 10-15 кВт/ч, которая должна появиться на гибриде и обеспечить ему определенный пробег только на электротяге, без запуска двигателя внутреннего сгорания. А так как стоимость подобных батарей все еще очень высока, на грузовике появится зарядное устройство, подключаемое к внешнему источнику энергии (для увеличения радиуса действия в «чистой» зоне). Ведь даже на батарее емкостью 15 кВт/ч 12-тонный грузовик сможет проехать с помощью электродвигателя всего порядка пяти километров. А затем потребуется либо подзарядка аккумулятора, либо запуск дизеля.

Один досерийный автобус MAN Lionґs City Hybrid, использующий для накопления энергии суперконденсаторы, уже поставлен мюнхенскому предприятию общественного транспорта для обычной эксплуатации, где работает с начала лета

 

При этом тяговый двигатель мощностью 60 кВт, обеспеченный дополнительным запасом электроэнергии, позволит уменьшить мощность дизельного двигателя, поскольку сможет полноценно помогать ему при разгоне.

 

В движении

Во время движения никаких отличий MAN TGL 12.220 Hybrid от обычного грузовика с аналогичным двигателем нет. Во всяком случае, я их не обнаружил. Машина точно так же разгоняется и тормозит. Совершенно незаметно подключается к силовой линии дизельный двигатель. Говорят, это происходит на третьей передаче, но какие-либо изменения в работе силовой установки или в динамике автомобиля также совершенно незаметны.

Правда, при остановке двигатель сразу же глохнет, а при нажатии на педаль газа оживает (срабатывает система «старт-стоп»). Но это происходит уже не в движении.

Да и в кабине можно обнаружить только одно отличие – небольшой дисплей, установленный на панели приборов справа от водителя. Сюда постоянно выводится информация о мощности, развиваемой в данный момент каждым из двигателей (дизельным и электрическим), а также процент заряда литиево-ионной батареи, запасающей энергию торможения.

Соответственно, при трогании и разгоне заряд батареи падает, а при торможении возрастает. Например, при плавном трогании на батарее, заряженной на 61,7 %, ее заряд упал до 56,6 %, а при таком же плавном торможении до полной остановки повысился до 63,2 %. Никакого чуда здесь нет, просто при торможении используется кинетическая энергия автомобиля, полученная им и от электромотора, и от штатного дизельного двигателя. А это больше, чем расходуется электродвигателем при разгоне.

Если же трогаться с интенсивным разгоном, заряд батареи падает намного сильнее. А это означает, что такой разгон экономически не выгоден.

 

Экономика

Емкость в 2 кВт/ч, которую имеет литиево-ионная батарея, установленная на гибриде, примерно соответствует запасу энергии, который может накопить обычная 12-вольтная батарея емкостью 167 А/ч либо 24-вольтная батарея емкостью 83 А/ч. В то же время батарея на гибриде работает в намного более жестких условиях, чем обычный стартерный аккумулятор, поскольку ей постоянно и за короткие промежутки времени приходится отдавать и принимать очень высокий заряд.

А так как расчетный ресурс данной литиево-ионной батареи составляет шесть лет, то, несмотря на свою сравнительно небольшую емкость, стоит она в настоящее время очень дорого, поскольку серийно не выпускается и изготовлена исключительно для данного гибрида, который пока является только прототипом.

Кстати, достаточно необычным является и то, что данная литиево-ионная батарея носит марку Continental. Немногие, наверное, знают, что в настоящее время данный концерн производит не только шины, но и батареи, и силовую электронику, поскольку им была приобретена компания Simens VDO – один из мировых лидеров по производству автомобильной электроники. И теперь эта продукция производится под маркой Continental.

Конечно же, при знакомстве с данным гибридом первым делом возникают вопросы, когда начнется его производство, сколько он будет стоить и каков будет срок его окупаемости.

Увы, искать ответы на любой из этих вопросов сейчас преждевременно, а пока можно говорить только о действующем прототипе.

Примечательно, что производители называют данный грузовик «политическим» гибридом, поскольку он будет востребован на рынке только в том случае, если в центры городов запретят въезд «грязным» машинам по политическим соображениям. И если в центрах европейских городов разрешат двигаться исключительно на экологически чистых двигателях, например электрических, тогда появится смысл выпускать подобные машины серийно, понятно, обеспечив возможность их достаточно длительного пробега только на электротяге.

Сегодня же подобный гибрид никто не купит, поскольку та экономия, которую он сулит, имеет слишком низкую рентабельность. С момента же, когда производство таких машин будет признано политически необходимым и экономически оправданным, их серийное производство может быть налажено за два года. Но когда именно такая машина может быть поставлена на производство - сейчас можно только гадать.

Что касается стоимости подобного гибрида, то, по самым осторожным оценкам, в случае начала его производства лет эдак через 15 она может составить около 25 тыс. евро в нынешних ценах. Естественно, сверх стоимости соответствующего базового автомобиля. Хотя за это время в производстве энергоемких батарей и управляющей электроники должен произойти огромный прогресс и их стоимость существенно снизится.

Ну а в нынешней политико-экономической ситуации разработчики данного гибрида даже речи не ведут о его рентабельности. Правда, инженеры компании MAN рассчитывают уже сейчас достичь экономии топлива до 15 %. Хотя платой за это является уменьшение грузоподъемности примерно на 100 кг по сравнению с аналогичным дизельным грузовиком.

Впрочем, прогресс неумолим. Например, гибридный городской автобус MAN Lions City Hybrid, в перспективности которого многие еще недавно сомневались, уже полностью прошел все испытания, в том числе и потребительские. А в конце нынешнего года начнется серийное производство данного гибрида, стоимость которого примерно на 75 тыс. евро больше, чем у обычного автобуса Lions City. Правда, MAN Lions City Hybrid, использующий для накопления энергии суперконденсаторы, имеет гораздо большую эффективность, чем MAN TGL 12.220 Hybrid, поскольку позволяет экономить до 30 % топлива.

Кстати, один подобный досерийный автобус уже поставлен мюнхенскому предприятию общественного транспорта для обычной эксплуатации, где используется с начала лета.

 

Немного о перспективах

Развозные грузовики и общественный пассажирский транспорт эксплуатируются в условиях, которые вряд ли можно сравнивать. Ведь если городские автобусы работают в относительно постоянном городском режиме, то развозные грузовики выполняют различные функции и могут использоваться как в населенных пунктах, так и совершать продолжительные поездки за их пределами.

Свой первый гибридный развозной 7,5-тонный грузовик G90, сочетающий дизельный и электрический приводы, компания MAN изготовила совместно с концерном Volkswagen еще в 1983 г.

В 1996 г. появился прототип L2000 с технологией Plug-in, использовавший электрический привод в городах, а дизельный – за их пределами. При этом аккумуляторные батареи могли заряжаться от сети, что существенно снижало потребление грузовиком дизельного топлива и уменьшало выброс CO2. (Конечно, при условии, что их батареи подзаряжались электроэнергией, вырабатываемой на гидроэлектростанциях или АЭС, а не на тепловых.)

В 2001 г. компания MAN презентовала первую модель грузового гибридного автомобиля с мотор-генератором, соединенным с карданным валом.

В 2006 г. была представлена модель TGL Hybrid с использованием технологии EDA, позволяющей экономить до 10 % топлива.

А в нынешнем году уже можно было посидеть за рулем «живого» развозного грузовика TGL 12.220 Hybrid с литиево-ионным аккумулятором, обещающим уменьшение потребления топлива и выброса CO2 до 15 % в зависимости от области применения. При этом, по словам разработчиков, используемые в данном гибриде технологии обещают более высокий КПД при его использовании именно в том режиме, в котором работает развозной грузовик.

Конечно же, гибридные автомобили нельзя считать решением всех проблем. Ведь это лишь промежуточный этап на пути к машине с нулевым выбросом вредных веществ. Однако эксперименты с гибридами позволяют отработать целый ряд технологий и усовершенствовать уже существующие компоненты: емкие и компактные аккумуляторы с быстрой зарядкой от внешних источников и с высокой энергоотдачей, оптимизированные системы рекуперации энергии, более совершенные системы управления, новые электродвигатели, а также облегченные шасси.

Но только массовое производство этих узлов сможет снизить их стоимость до приемлемого уровня и приблизить то время, когда для заправки автомобиля достаточно будет подключить его на пару часов к обычной электросети, чтобы ездить потом целый день без подзарядки.

Чтобы проверить заложенные в новый гибрид идеи и довести его до совершенства, в течение этого года компания MAN изготовит несколько автомобилей TGL Hybrid и проведет их дорожные испытания, о результатах которых мы непременно расскажем.

 

Краткая техническая характеристика грузовика MAN TGL 12.220 Hybrid

Дизельный двигатель

D08

   – количество цилиндров

4

   – мощность, кВт (л.с.)

164 (220)

   – экологический уровень

Евро5 / EEV

Электродвигатель

синхронный, на постоянных магнитах

   – номинальное напряжение, В

340

   – мощность, л. с.

80

   – крутящий момент, Нм

425

Тяговая батарея

литиево-ионная

   – приблизительная емкость, кВт*ч

2