Як працював перший гібридний автомобіль до того, як Prius змінив все
Термін “гібридний автомобіль” з часом змінив своє значення. Сьогодні він майже виключно відноситься до транспортних засобів, що поєднують бензиновий двигун внутрішнього згоряння з електродвигуном, – конфігурація, що визначає сучасний сегмент економічних автомобілів. До 1990-х років ці машини, що економлять паливо, були рідкісними дивами. Toyota Prius змінила цей ландшафт, запустивши хвилю аналогічних моделей від Honda та Ford, що допомогло нормалізувати екологічне керування для масового споживача.
Але історія поєднання джерел енергії йде набагато глибше, ніж поява Prius.
Ранні експерименти зі змішаним приводом
Наприкінці 1800-х і на початку 1900-х років автомобільна промисловість була «диким заходом» методів приводу. Бензин ще не виграв гонку з електрикою, парою або викопним паливом. Винахідники експериментували без обмежень. Конкретний родовід гібридних електромобілів (HEV) почався відразу після початку століття.
- 1900: Фердинанд Порше представив Lohner-Porsche Elektromobil на Паризькій виставці. Спочатку це був суто електричний автомобіль, але Порше додав двигун внутрішнього згоряння для заряджання батарей. Це зробило його першим гібридним автомобілем в історії.
- 1916: Компанія Woods Motor Vehicle випустила Woods Dual Power. Він був оснащений 4-циліндровим ДВЗ і розвивав максимальну швидкість приблизно 35 миль/год (56 км/год). Комерційно він провалився.
- 1968: General Motors побудувала GM XP 512, експериментальний зразок, який перемикався між електричним приводом на низьких швидкостях і бензиновим на високих.
- 1973: Електротехнік Віктор Вук збудував прототип HEV на шасі Buick Skylark 1972 року. Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) відмовилося фінансувати подальшу розробку, і проект загинув через брак коштів.
- 1989: Audi представила Audi Duo, що об’єднала електродвигун потужністю 12 кінських сил із двигуном внутрішнього згоряння потужністю 139 кінських сил. Audi продовжувала розробку Duo упродовж 1990-х років.
Сучасна епоха застосування гібридів
1990-ті роки принесли перші історії успіху масовому ринку.
- 1997: Toyota запустила Prius в Японії; це рішення було продиктовано внутрішнім викликом, кинутим виконавчим віце-президентом Акіхіро Ваді щодо покращення паливної ефективності.
- 1999: Honda увійшла в гру з моделлю Insight.
- 2000: Toyota привезла Prius до Сполучених Штатів як модель 2001 року.
- 2002: Гібриди стали звичайним явищем. Honda представила Accord Hybrid, і інші виробники наслідували їхній приклад.
- 2004: Ford випустив Ford Escape 2005 року, перший гібридний позашляховик.
Lohner-Porsche Elektromobil залишається точкою відліку. Він доводить, що прагнення ефективного водіння з низьким рівнем викидів — не нова тенденція, породжена сучасною екологічною тривогою. Це інженерне прагнення, яке налічує сторіччя, яке нарешті знайшло комерційну опору у 1990-х роках. Ранні прототипи були незграбними і дорогими, але основна ідея залишилася незмінною: навіщо покладатися на джерело енергії, якщо можна використовувати переваги як електрики, так і згоряння?
Інженерія гібрида Lohner-Porsche
Перехід від суто електричної конструкції до гібридної був непросто рекламним ходом; це була механічна потреба. Elektromobil страждав від проблеми обмеженого запасу ходу, яка й досі переслідує покупців електромобілів. Батареї на той час були важкими і швидко розряджалися. Porsche не хотів возити із собою масивні акумуляторні блоки. Натомість він додав невеликий двигун внутрішнього згоряння для обертання генератора.
Таке компонування дозволяло автомобілю заряджати свої накопичувачі під час руху. Це не був паралельний гібрид, де бензиновий двигун прямо обертав колеса. То справді був послідовний гібрид. Бензиновий двигун існував виключно для вироблення електроенергії. Колеса, як і раніше, оберталися тими самими електродвигунами в маточях 1896 року. Максимальна швидкість становила 23 миль/год (37 км/год), що було гідним показником міського екіпажу тієї епохи.
Чому це спрацювало, коли інші спроби зазнавали невдачі? Ефективність. Розв’язавши двигун від трансмісії, Porsche міг працювати на оптимальних оборотах двигуна внутрішнього згоряння незалежно від швидкості руху автомобіля. Електродвигуни в маточині забезпечували передачу крутного моменту. Це було витонченим вирішенням проблеми ємності батарей.
Хто купував перші гібридні автомобілі?
Можна було очікувати, що першими покупцями стануть промисловці чи аристократи. Однак перше задокументоване замовлення надійшло від E.W. Hart з Лутон, Англія. Харт мав конкретну вимогу: він хотів привід на всі чотири колеса. Porsche виконав його прохання. Він установив двигуни у всі чотири маточини.
Це зробило Elektromobil подвійним піонером. Це був не лише перший бензоелектричний гібрид. Це був один із перших серійних повнопривідних автомобілів, за десятиліття до того, як ця концепція стала поширеною у позашляховиках. Харта не цікавила статусний символ; він купував практичність. Повний привід означав краще зчеплення із брудними дорогами. Комбінація електричного приводу та повного приводу, з погляду ретроспективи, була бруталістською формою системи контролю тяги.
Виробництво було скромним. Lohner та Porsche зуміли продати приблизно 300 одиниць. Всього лише. Триста автомобілів на глобальному ринку, який стрімко закохувався в гучні, смердючі, але швидше двигуни внутрішнього згоряння. Elektromobil зник з землі. Технологія не провалилася; провалився ринок.
Чому ідея гібридів зникла на вік
Після епохи Lohner-Porsche концепція використання невеликого двигуна для заряджання батарей під час руху зникла з мейнстріму. На початку XX століття відбулося масове зрушення у бік виключно бензинових автомобілів. Вони були дешевшими у заправці. Вони були швидшими. Вони були голосніші, так, але публіку це не хвилювало. Запах вихлопу став асоціюватись із прогресом.
Протягом майже 100 років архітектура послідовного гібрида лежала в технічному смітнику. Інженери пробували різні варіанти. Були патенти, були прототипи, але масової ринкової життєздатності був. Інфраструктура для бензину була надто вкорінена. Вартість батарей була надто високою. Складність управління двома джерелами енергії відлякувала виробників, які хотіли прості та ремонтопридатні машини.
Чи провалився Elektromobil? Технічно, ні. Він робив саме те, для чого було створено: перевозив людей тихо та ефективно. Просто він робив це до того, як світ був готовий платити за цей привілей. Ідея випередила свій час майже на 100 років. Це був не глухий кут; це було спляче насіння.
Від антикварного дива до мільйонного бестселера Toyota
Відродження не відбулося у вакуумі. Воно сталося, коли екологічні нормативи та ціни на пальне зробили старі компроміси неприйнятними. Toyota озирнулася на історію автомобільної тяги. Вони побачили логіку у компонуванні Lohner-Porsche. Але вони її модернізували.
Toyota Prius, запущений в Японії в 1997 році і глобально в 2001 році, взяв концепцію послідовного гібрида і доопрацював її в продукт, що масштабується. Там, де Porsche використовував генератор, що заряджається бензиновим двигуном, для живлення електричних коліс, Toyota створила складну силову установку, яка більш динамічно змішувала вихідну потужність батареї та двигуна. До 2008 року Toyota продала один мільйон Prius.
Контраст різкий. Lohner-Porsche Elektromobil зберігається в музеях або з’являється на антикварних автосалонах, як дивина з ціною, що відображає його рідкість. Prius був автомобілем, який можна було купити у місцевому дилерському центрі. Один був експериментом. Інший став галуззю.
Однак, без цього віденського екіпажного майстра та його молодого інженера-партнера, шлях до Prius міг би бути іншим або довшим. Фундаментальну логіку використання теплового двигуна для підтримки системи електричного приводу було доведено у 1900 році. Вона просто була забута. Тепер це стандарт для мільйонів комунікаторів, які ніколи не чули про E.W. Hart або про його прохання з Лутона про повний заженуть.
Як насправді створюються батареї гібридних автомобілів усередині заводу
Складальна лінія виглядає досить стандартно. Конвеєрні стрічки, підйомники, роботи та люди, які встановлюють деталі на місце. Нічого екзотичного у кузові. Справжня складність ховається у компонуванні силової установки, а саме в акумуляторній батареї. Це великі блоки, що перезаряджаються, що вимагають значного конструктивного простору, і вони не виробляються на тій же лінії, що і звичайний блок двигуна. Спеціалізовані виробники, переважно Panasonic і Sanyo в Японії, випускають їх. Ви маєте справу або з хімією нікель-металгідридних (NiMH), або літій-іонних (Li-ion) акумуляторів.
Виробництво літій-іонного осередку – це точний і високоризиковий процес. Все починається з літієвого зливка, який під тиском прокочується в лист завтовшки всього 0,01 дюйма (0,254 мм). Механізми намотують ці надтонкі листи в щільно скручені осередки. Потім настає етап нагрівання. Намотані листи запікаються за високих температур, поки автоматизоване обладнання розпорошує розплавлений метал на поверхні. Цей етап називається “металізацією”. Після металізації кілька осередків складаються в модуль, що формує основу системи зберігання енергії гібрида.
Чому міф про «вуглецевий борг» гібридів невірний
Існує стійкий аргумент, згідно з яким покупка гібрида, такого як Toyota Prius, прирікає вас на величезний вуглецевий борг, який ви ніколи не погасите. Стверджується, що кількість CO2, що виділяється під час виробництва, перевищує кількість CO2, заощадженого за весь термін служби автомобіля. Це звучить правдоподібно, якщо дивитися тільки заводські димові труби. Але математика не сходиться.
Згідно з власними даними Toyota, Prius потрібно проїхати всього близько 13 000 миль (20 921 кілометр), щоб економія CO2 перевищила витрати на виробництво.
Тринадцять тисяч миль. Це менше одного середнього року експлуатації. Після цієї точки автомобіль стає чистим зниженням викидів, порівняно з аналогічним бензиновим седаном.
Інша версія міфу фокусується на нікелі у NiMH-батареях. Критики стверджують, що доставка цього нікелю з шахт на завод спалює стільки енергії, що водіння Hummer замість Prius може виявитися ефективнішим. Це чіпка історія, але аналітики її розібрали. Причини, що у основі цього розрахунку, помилкові. Енергія, зекономлена завдяки високій паливній економічністі Prius за весь час його служби, значно перевищує витрати на транспортування та виробництво його компонентів. Гібрид виграє навіть якщо враховувати логістику сировини.
