Как работает гибридный автомобиль: схемы, рекуперация, отличия

Гибридный автомобиль — это машина с двумя разными источниками энергии для движения. Обычно это двигатель внутреннего сгорания на бензине или дизеле и электромотор, который питается от тяговой батареи. Идея в том, чтобы каждый двигатель работал там, где он хорош. Электромотор даёт полную тягу с места и не тратит ничего, пока машина стоит в пробке. ДВС хорош на ровной скорости, где работает в выгодном режиме. А при торможении электромотор превращается в генератор и возвращает часть энергии в батарею — это называется рекуперацией. Ниже — из чего состоит гибрид, как устроены три основные схемы, что такое мягкий и подключаемый гибрид и чем всё это отличается от электромобиля.

Из чего состоит гибрид

Часть	Что делает
Двигатель внутреннего сгорания	Основной источник энергии: крутит колёса, генератор или то и другое
Электромотор (мотор-генератор)	Помогает при разгоне, везёт машину на малой скорости, а при торможении вырабатывает ток
Генератор	В некоторых схемах отдельная машина, которую крутит ДВС, чтобы заряжать батарею и питать мотор
Тяговая батарея	Хранит энергию для электромотора; напряжение — сотни вольт, у обычного гибрида ёмкость небольшая
Инвертор	Превращает постоянный ток батареи в переменный для мотора и обратно при рекуперации
Устройство деления мощности или коробка	Соединяет ДВС, мотор и колёса; у смешанной схемы это планетарный редуктор
Блок управления	Каждое мгновение решает, какой двигатель работает, заряжать батарею или тратить
Обычный аккумулятор 12 В	Питает электронику и «будит» систему при включении, как в любой машине

Водитель обо всём этом почти не думает: нажимает педаль, а распределением занимается электроника. На приборной панели обычно есть схема, где стрелками показано, куда сейчас идёт энергия.

Три схемы гибридов

Последовательная

ДВС вообще не связан с колёсами механически. Он крутит только генератор, генератор даёт ток, и этот ток питает электромотор, который и везёт машину. Излишки идут в батарею. По ощущениям такая машина едет как электромобиль — плавно и тихо, а мотор под капотом включается и выключается сам по себе, независимо от скорости. Минус — на трассе энергия дважды превращается из одного вида в другой, и часть её теряется. По такой схеме устроены, например, машины Nissan с системой e-Power.

Параллельная

Колёса могут крутить и ДВС, и электромотор — по отдельности или вместе. Часто мотор стоит между двигателем и коробкой передач. При разгоне электромотор помогает ДВС, при торможении заряжает батарею. Схема проще и дешевле, но машина в основном ездит на бензине, а на электричестве — недолго.

Смешанная (последовательно-параллельная)

Самая распространённая у полноценных гибридов; самый известный пример — Toyota Prius. ДВС, генератор и электромотор соединены через планетарный редуктор — набор шестерён, который может делить мощность двигателя: часть идёт прямо на колёса, часть — на генератор. Машина умеет трогаться и ползти в пробке только на электричестве, на трассе ехать в основном на ДВС, а при резком разгоне подключать всё сразу. Коробки передач в привычном смысле нет: планетарный механизм плавно меняет соотношение оборотов, поэтому его иногда называют электронным вариатором. Как устроен обычный вариатор, рассказано в статье об устройстве вариатора.

Как гибрид едет: один день в городе

1. Старт. Водитель нажимает кнопку, загорается надпись о готовности, но двигатель молчит. Машина трогается на электромоторе.
2. Разгон. Как только нужно больше мощности, блок управления запускает ДВС, и оба двигателя работают вместе.
3. Ровная езда. ДВС крутит колёса и одновременно подзаряжает батарею через генератор, работая в выгодном режиме.
4. Замедление. Водитель отпускает газ или слегка тормозит. Электромотор переходит в режим генератора: его вращают колёса, он даёт ток в батарею и тормозит машину. Колодки при этом почти не работают.
5. Остановка на светофоре. ДВС глохнет, топливо не тратится. Кондиционер и электроника питаются от батареи.
6. Резкое торможение. Рекуперации не хватает, и подключаются обычные тормоза с колодками и дисками.

Мягкий и подключаемый гибрид

Мягкий гибрид. Вместо обычного генератора стоит стартер-генератор побольше и небольшая батарея, часто на 48 В. Он помогает ДВС при разгоне, быстро и плавно заводит его после остановки и немного рекуперирует. Ехать только на электричестве такая машина не может. Экономия скромная, зато конструкция недорогая.

Полный гибрид. Может проехать небольшое расстояние только на электромоторе, например в пробке или во дворе. Заряжается только сам — от ДВС и торможения.

Подключаемый гибрид (plug-in). Батарея намного больше, есть разъём для зарядки от розетки или зарядной станции. На электричестве проезжает несколько десятков километров — этого часто хватает на поездки по городу за день. Когда батарея садится, машина работает как обычный гибрид.

Чем гибрид отличается от электромобиля

	Гибрид	Подключаемый гибрид	Электромобиль
Двигатели	ДВС и электромотор	ДВС и электромотор	Только электромотор
Заправка	Только бензин или дизель	Бензин и розетка	Только зарядка
Батарея	Небольшая	Средняя	Большая
Пробег на электричестве	Сотни метров — пара километров	Несколько десятков километров	Сотни километров
Зависимость от зарядных станций	Нет	Нет	Да

Электромобиль проще механически: нет двигателя внутреннего сгорания, масла, выхлопной системы, сложной коробки. Зато его батарея тяжёлая и дорогая, а в дальней поездке нужно планировать зарядки. Подробнее — в статье об устройстве электромобиля.

Интересные факты

• Почему гибрид молчит на парковке. ДВС включается, только когда он нужен. Водители, впервые севшие за гибрид, иногда не понимают, завелась ли машина.
• Почему у гибрида колодки служат дольше. Большую часть замедлений берёт на себя мотор-генератор, и тормозные колодки работают только при резком торможении.
• Почему у гибрида есть обычный аккумулятор. Высоковольтную батарею подключают только после проверки системы, а проверку делает электроника, которую питает обычный аккумулятор на 12 В. Если он сел, гибрид не «проснётся», даже с полной тяговой батареей. Об аккумуляторах — в статье об устройстве аккумулятора.

Что изнашивается и на что смотреть

• Тяговая батарея. Со временем теряет ёмкость: машина реже едет на электричестве, двигатель включается чаще. Быстрее стареет от жары, поэтому, если батарея охлаждается воздухом из салона, важно, чтобы её вентилятор и воздухозаборник не были забиты пылью.
• Охлаждение инвертора. У силовой электроники свой контур охлаждения с насосом. Если он не работает, система ограничивает мощность и выдаёт ошибку.
• Тормозные диски. Парадокс гибрида: колодки стираются медленно, но диски, которыми почти не пользуются, покрываются ржавчиной и начинают бить или скрипеть. Поэтому их состояние проверяют на каждом обслуживании.
• Обычный аккумулятор 12 В. Он маленький, и если машина долго стоит, садится. Признак — машина не переходит в режим готовности.
• Двигатель внутреннего сгорания. Работает с частыми остановками и запусками, поэтому качество масла для него особенно важно. Как устроен сам ДВС, рассказано в статье об устройстве двигателя.

Высоковольтная часть гибрида — батарея, инвертор, толстые оранжевые кабели — опасна для жизни. Её диагностику и ремонт делает только мастер с допуском к работе с высоким напряжением.