Hibridinių automobilių dviejų sistemų derinimas

Kaip du skirtingi pasauliai susijungia vienoje mašinoje

Kai pirmą kartą sėdate į hibridinį automobilį, iš pirmo žvilgsnio jis atrodo kaip visai įprastas automobilis. Tas pats vairas, tie patys pedalai, panašus prietaisų skydelis. Bet po gaubtu vyksta kažkas visai kitokio – ten dirba du skirtingi varikliai, kurie turi mokėti bendradarbiauti kaip gerai suvaidinti orkestro muzikantai. Vienas naudoja seną gerą benziną, kitas – elektros energiją iš akumuliatorių. Ir štai čia prasideda tikroji magija.

Hibridinio automobilio esmė – tai ne tiesiog du varikliai, įkišti į vieną korpusą. Tai sudėtinga sistema, kur kiekvienas komponentas turi žinoti, ką daro kitas, ir prisitaikyti per sekundės dalis. Vidaus degimo variklis čia dirba ne visada, o tik tada, kai reikia. Elektrinis variklis perima valdymą mieste, lėtai važiuojant ar stovint spūstyse. O kai reikia daugiau galios – pavyzdžiui, lenkiant sunkvežimį greitkelyje – abu varikliai susijungia ir dirba kartu.

Mechaninė širdis: kaip perdavimo dėžė sujungia du pasaulius

Pati įdomiausia vieta hibridiniame automobilyje yra ten, kur susitinka abu varikliai. Daugelis žmonių galvoja, kad tai tiesiog koks nors jungiklis, kuris perjungia iš vieno į kitą. Realybė daug įdomesnė. Dažniausiai naudojama planetinė pavara – tokia mechaninė sistema, kuri primena saulės sistemą miniatiūroje. Viduryje yra centrinis krumpliaratis (tarsi saulė), aplink jį sukasi keli mažesni krumpliaračiai (tarsi planetos), o visa tai apgaubia išorinis žiedas su dantukais.

Tokia konstrukcija leidžia bendinti abiejų variklių galią be jokių mechaninių sankabų ar sudėtingų perjungimų. Benzininis variklis prijungtas prie vienos planetinės pavaros dalies, elektrinis – prie kitos, o ratai gauna galią iš trečios. Sistema pati išsprendžia, kiek kuris variklis turi prisidėti konkrečiu momentu. Tai veikia taip sklandžiai, kad vairuotojas dažnai net nepastebi, kada įsijungia benzininis variklis.

Toyota šią sistemą pavadino Hybrid Synergy Drive ir naudoja ją jau daugiau nei dvi dešimtis metų. Kiti gamintojai sukūrė panašius, bet šiek tiek kitokius sprendimus. Pavyzdžiui, Honda ilgą laiką naudojo paprastesnę sistemą, kur elektrinis variklis daugiau padeda benzininiam, o ne dirba savarankiškai.

Akumuliatoriai ir jų valdymas: elektros energijos žongliavimai

Hibridinio automobilio akumuliatoriai – tai ne tos pačios baterijos, kurias naudojate telefone ar nešiojamame kompiuteryje, nors principas panašus. Čia naudojami specialūs nikio-metalo hidrido (NiMH) arba ličio jonų (Li-ion) akumuliatoriai, kurie sukurti atlaikyti tūkstančius įkrovimo ir iškrovimo ciklų.

Įdomiausia, kad hibridiniame automobilyje akumuliatoriai niekada neįkraunami iki pilnos, o taip pat niekada neišsikrauna iki nulio. Paprastai jie dirba 20-80% pajėgumo diapazone. Kodėl? Nes taip jie gyvena daug ilgiau. Kai akumuliatorius visada pilnai įkraunamas ir visiškai išsikrauna, jis greičiau sensta ir praranda talpą. Palikdami tam tikrą rezervą abiejose pusėse, inžinieriai užtikrina, kad baterijos išlaikytų savo savybes 10-15 metų ar net ilgiau.

Akumuliatorių valdymo sistema – tai tikras kompiuteris, kuris šimtus kartų per sekundę stebi kiekvienos akumuliatoriaus sekcijos būklę. Jis žino temperatūrą, įtampą, srovę, įkrovimo lygį. Jei pastebi, kad viena sekcija šiek tiek skiriasi nuo kitų, sistema automatiškai ją subalansuoja. Tai kaip turėti asmeninį gydytoją kiekvienai akumuliatoriaus ląstelei.

Regeneratyvinis stabdymas: kaip automobilis paverčia judėjimą elektra

Viena iš genialių hibridinio automobilio savybių – gebėjimas atgauti energiją stabdant. Įprastame automobilyje, kai spaudžiate stabdžius, visa kinetinė energija paverčiama šiluma ir tiesiog išsisklaidžia ore. Tai milžiniškas energijos švaistymas, ypač mieste, kur tenka dažnai stabdyti.

Hibridiniame automobilyje elektrinis variklis stabdymo metu virsta generatoriumi. Kai atleidžiate akseleratoriaus pedalą ar spaudžiate stabdžius, ratai pradeda sukti elektrinį variklį atgaline kryptimi. Bet variklis, sukamas iš išorės, tampa generatoriumi ir gamina elektros energiją. Ši energija grįžta į akumuliatorius ir vėliau gali būti panaudota vėl važiuoti.

Jausmas vairuojant yra šiek tiek kitoks nei įprastame automobilyje. Kai atleidžiate akseleratorių, automobilis lėtėja aktyviau, negu tikėtumėtės. Tai veikia regeneratyvinis stabdymas. Kai kurie vairuotojai sako, kad galima važiuoti beveik nenaudojant stabdžių pedalės – tiesiog žaisdami su akseleratoriumi. Tai vadinama „vieno pedalo” vairavimo stiliumi, ir jis ne tik patogus, bet ir padeda sutaupyti daugiau kuro.

Valdymo kompiuteris: smegenys, kurios priima sprendimus

Jei planetinė pavara yra hibridinio automobilio širdis, tai valdymo kompiuteris – jo smegenys. Šis kompiuteris nuolat analizuoja dešimtis parametrų: automobilio greitį, akseleratoriaus pedalo padėtį, akumuliatorių įkrovimo lygį, variklio temperatūrą, kelio nuolydį, oro kondicionieriaus apkrovą ir dar daugybę kitų dalykų.

Remdamasis visa šia informacija, kompiuteris per milisekundes priima sprendimus: ar dabar naudoti tik elektrinį variklį, ar įjungti benzininį, ar leisti jiems dirbti kartu, kokiu santykiu paskirstyti galią, kada pradėti kraunti akumuliatorius. Tai vyksta taip greitai ir sklandžiai, kad vairuotojas paprastai net nepastebi šių perėjimų.

Modernūs hibridiniai automobiliai turi net dirbtinio intelekto elementų. Jie „išmoksta” jūsų vairavimo stiliaus ir dažniausiai naudojamų maršrutų. Jei kiekvieną dieną važiuojate tuo pačiu keliu į darbą, automobilis gali „atsiminti”, kad už poros kilometrų bus ilgas nusileidimas, ir pakoreguoti energijos valdymą, kad optimaliai panaudotų regeneratyvinio stabdymo galimybes.

Skirtingi hibridų tipai: nuo lengvų iki įkraunamų

Ne visi hibridiniai automobiliai yra vienodi. Yra keletas skirtingų tipų, ir kiekvienas turi savo privalumų bei trūkumų.

Lengvieji hibridai (mild hybrid) – tai paprasčiausia forma. Čia elektrinis variklis nedidelis ir negali pats vienas važiuoti automobilio. Jis tik padeda benzininiam varikliui, ypač įsibėgėjant, ir atgauna energiją stabdant. Tokios sistemos pigesnės ir paprastesnės, bet duoda mažesnį kuro ekonomijos efektą – gal 10-15% mažiau kuro nei įprastas automobilis.

Pilnateisiai hibridai (full hybrid) – tai tokie kaip Toyota Prius ar Camry Hybrid. Jie gali važiuoti tik elektra trumpus atstumus ir nedideliu greičiu. Mieste tokios mašinos gali pusę laiko važiuoti tik su elektriniu varikliu, todėl kuro sąnaudos gali būti 40-50% mažesnės nei įprasto automobilio.

Įkraunami hibridai (plug-in hybrid arba PHEV) – tai hibridai su daug didesniu akumuliatoriumi, kurį galima įkrauti iš rozetės. Jie gali važiuoti tik elektra 30-80 kilometrų, o tai daugeliui žmonių pakanka kasdienėms kelionėms. Jei elektra išsenka, įsijungia benzininis variklis ir automobilis tampa įprastu hibridu. Tai geriausias variantas tiems, kurie nori elektrinio automobilio privalumų, bet bijo riboto nuvažiuojamo atstumo.

Praktiniai patarimai hibridų savininkams

Jei jau turite hibridinį automobilį arba planuojate įsigyti, yra keletas dalykų, kuriuos verta žinoti, kad maksimaliai išnaudotumėte šios technologijos privalumus.

Pirma, išmokite naudotis energijos srauto ekranu, jei jūsų automobilis jį turi. Tai gyvos schemos, rodančios, kaip energija teka tarp variklio, akumuliatorių ir ratų. Stebėdami šį ekraną, greitai suprasite, kokie vairavimo įpročiai padeda taupyti kurą. Pavyzdžiui, pastebėsite, kad lėtai ir tolygiai akseleruojant dažniau naudojamas elektrinis variklis.

Antra, nepamirškite, kad hibridinio automobilio stabdžių kaladėlės dėvisi daug lėčiau nei įprasto automobilio. Kodėl? Nes dauguma stabdymo darbo atliekama regeneratyvinio stabdymo sistemoje, o mechaniniai stabdžiai naudojami tik stipriai stabdant. Tačiau tai reiškia, kad stabdžių skysčio keitimas tampa dar svarbesnis – jis gali senti net nenusidėvint kaladėlėms.

Trečia, žiemą hibridiniai automobiliai sunaudoja šiek tiek daugiau kuro nei vasarą. Tai normalu. Šaltame ore akumuliatoriai veikia ne taip efektyviai, o benzininis variklis dažniau įsijungia, kad sušildytų saloną. Kai kurie hibridai turi specialų „šildymo” režimą, kuris tyčia įjungia benzininį variklį, kad greičiau sušildytų automobilio interjerą.

Ką ateitis žada hibridinėms technologijoms

Daug kas mano, kad hibridiniai automobiliai – tai tik laikinas sprendimas kelyje į visiškai elektrinius automobilius. Galbūt taip ir yra, bet tas „laikinas” periodas gali trukti dar dešimtmečius. Kodėl? Nes hibridai sprendžia vieną didžiausių elektrinių automobilių problemų – ribotą nuvažiuojamą atstumą ir ilgą įkrovimo laiką.

Naujausi hibridai tampa vis efektyvesni. Kai kurie gamintojai eksperimentuoja su trimis ar net keturiais varikliais – vienu benzininiu ir keliais elektriniais. Kiekvienas elektrinis variklis gali būti prijungtas prie skirtingų ratų, suteikiant automobiliui visų ratų pavarą be sudėtingų mechaninių sistemų.

Akumuliatorių technologijos taip pat tobulėja. Nauji kietojo elektrolitų akumuliatoriai gali būti saugesni, talpesni ir greičiau įkraunami. Kai jie taps prieinami komercinėje rinkoje, įkraunami hibridai galės važiuoti elektra 150-200 kilometrų, ir tai jau padengs absoliučios daugumos žmonių kasdienes keliones.

Kai kurie gamintojai žiūri į vandenilio kuro elementus kaip į alternatyvą. Vandenilio hibridai naudotų kuro elementus vietoj akumuliatorių, generuodami elektros energiją tiesiogiai iš vandenilio. Tai suteiktų greitą „įkrovimą” (paprasčiausiai pripildant vandenilio baką) ir ilgą nuvažiuojamą atstumą. Bet kol kas vandenilio infrastruktūra yra labai ribota.

Viena aišku – hibridinių automobilių dviejų sistemų derinimas yra viena iš įdomiausių ir sudėtingiausių šiuolaikinės automobilių inžinerijos sričių. Tai ne tiesiog du varikliai vienoje mašinoje, o išties sudėtinga simfonija mechaninių, elektrinių ir programinės įrangos komponentų, kurie dirba kartu, kad jūsų kelionė būtų efektyvesnė, tylesnė ir aplinkai draugiškesnė. Ir nors ateitis galbūt priklauso visiškai elektriniams automobiliams, hibridai dar ilgai išliks kaip protingas kompromisas tarp tradicijos ir inovacijų.