Швидше за все, коли ви чуєте слово «гібрид», ви уявляєте Toyota Prius. Це слушно. З кінця 1990-х років Prius визначив цей сегмент, спонукаючи конкурентів, таких як Honda Insight та Ford Fusion Hybrid, вступати у боротьбу. Але ідея поєднання бензинового двигуна з електромотором стара. Дуже стара. Перший гібридний автомобіль з’явився десять років раніше, ніж Model T.
Історія гібридного електромобіля (HEV) починається 1900 року.
Паризька прем’єра 1900 року
Фердинанд Порше, який працював на австрійського виробника Lohner-Kessburg, представив Lohner-Porsche Elektromobil на Паризькій виставці. Автомобіль виглядав як коробка на колесах, але його інженерне рішення було радикальним.
Більшість автомобілів того часу працювали на парі, електриці чи бензині. Порше зробив щось інше. Він створив автомобіль, який використовував електрику для руху містом. Але в ньому була хитрість.
Lohner-Porsche Elektromobil став першим транспортним засобом, що використовує двигун внутрішнього згоряння для заряджання акумуляторної батареї.
Це і є визначення гібриду. Бензиновий двигун виробляє енергію для зарядки батареї, яка, у свою чергу, приводить у рух колеса. До цього моменту автомобіль доводилося підключати до розетки. Порше вирішив проблему обмеженого запасу ходу, яка досі переслідує суто електричні автомобілі. Він використовував невеликий бензиновий двигун для підтримки заряду батарей під час руху.
Чому це важливо зараз
Ви можете спитати, чому цей ранній експеримент був забутий?
По-перше, бензин став дешевим та доступним. Суто електричні автомобілі страждали від обмеженого запасу ходу. Суто бензинові автомобілі завоювали ринок. Концепція гібрида залишалася у сплячому стані десятиліттями.
Потім нафтова криза і, пізніше, екологічні нормативи повернули її в ужиток.
- 1968: General Motors побудувала XP 512, експериментальний гібрид, який використовував електрику на низьких швидкостях та бензин на високих.
- 1973: Віктор Вук побудував прототип на базі Buick Skylark 1972 року. Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) не фінансувало проект, тому він був покинутий.
- 1989: Audi представила Audi Duo, що поєднувала 12-сильний електромотор із 139-сильним бензиновим двигуном.
- 1997: Toyota запустила Prius в Японії.
Сучасна доба — це, власне, лише відродження ідеї 1900 року. Lohner-Porsche довів, що двигун можна відокремити від коліс. Можна їздити одним джерелом енергії, а потім перемикатися на інший. Ця гнучкість є ядром кожного гібрида з того часу.
У наступному розділі докладно розбираються конкретні механічні особливості Lohner-Porsche і те, чому він був настільки попереду свого часу.
Як Lohner-Porsche Elektromobil вирішив проблему обмеженого запасу ходу в 1900 році
Інженерна перешкода для ранніх автовиробників була простою, але впертою. Батареї швидко розряджалися. 1900 року запас ходу вимірювався не милями, а кварталами. Рішення Porsche полягало не у збільшенні розміру батареї. Це був бензиновий двигун, що працює як генератор.
Така конфігурація зробила Elektromobil першим практичним раннім гібридним автомобілем з бензоелектричним приводом. Двигун внутрішнього згоряння не крутив колеса безпосередньо. Він обертав генератор для заряджання акумуляторної батареї. Електричні ступичні двигуни забезпечували фактичний рух. Максимальна швидкість становила 23 миль/год (37 км/год). 1900 року цього було достатньо для міських поїздок. Для далеких подорожей цього не вистачало, але це вирішувало безпосередню проблему розряджених батарей посеред міської вулиці.
Чому замовлення Е.У. Харта змінив історію автомобілебудування
Першим клієнтом став Е.У. Харт з Лутон, Англія. Йому не просто потрібний був гібрид. Йому потрібна була потяг. Він попросив встановити двигуни на всі чотири колеса.
Porsche виконав прохання. Результатом став гібрид із повним приводом. Це був величезний технічний стрибок. До замовлення Харта Elektromobil був експериментом із приводом на два колеса. Після того, як машина стала повнопривідною, концепція розширилася від нішевої дивовижки до надійного рішення системи трансмісії. Можна стверджувати, що Харт купив перший гібридний автомобіль із повним приводом (AWD). Він також допоміг довести, що електричний привід здатний справлятися зі складними завданнями кермового управління та розподілу ваги, з якими ранні бензинові автомобілі зазнавали труднощів.
Порівняння Elektromobil 1900 року та Toyota Prius 1997 року
Розрив між цими двома автомобілями становить майже сторіччя. Технології різняться. Наміри схожі.
| Характеристика Lohner-Porsche Elektromobil (1900) | Toyota Prius (1997) |
| :— | :— | :— |
| Основне джерело енергії | Електричні ступичні двигуни | Електромотор + бензиновий двигун
| Роль бензинового двигуна | Тільки генератор Генератор + прямий привод
| Максимальна швидкість | 23 миль/год (37 км/год) | ~112 миль/год (180 км/год) |
| Обсяг виробництва | ~300 одиниць Понад 1 000 000 одиниць до 2008 року
| Вплив ринку | Нішевий предмет розкоші Масовий ринок
Prius не винайшов гібридну технологію. Він індустріалізував її. Lohner-Porsche довів, що концепція працює. Prius довів, що її можна зробити досить дешевою для мільйонів людей.
Де можна побачити перший гібрид
Більшість Elektromobil зникли. Вижила лише жменька екземплярів. Вони з’являються на виставках антикварних автомобілів, зазвичай у бездоганному стані, залучаючи юрби глядачів, які припускають, що це статичні експонати. Але це негаразд. Вони працюють. Ступові мотори все ще обертаються. Генератор все ще гуде.
Причина, через яку вони зникли з пам’яті, проста. Вони були дорогими. Вони були повільними. А потім двигун внутрішнього згоряння став кращим, дешевшим і тихішим. Ідея гібрида не померла через провал. Вона померла, тому що бензиновий двигун став досить добрим.
Чому гібридна концепція повернулася через 100 років
Ви можете спитати, чому це зайняло так багато часу. Відповідь – економіка. 1900 року електрика була дорогою, а інфраструктура розвинена слабо. До 1990-х років ціни на нафту стали волатильними, а нормативи щодо викидів посилювалися. Prius був запущений в Японії в 1997 році, тому що регуляторна та економічна ситуація нарешті збіглася.
Porsche і Lohner створили доказ концепції. Toyota створила бізнес-кейс Lohner-Porsche Elektromobil залишається виноскою у більшості книг з історії автомобілів. Але якщо уважно подивитися на трансмісію будь-якого сучасного гібрида, ви побачите ту ж основну логіку: використовувати електрику для ефективності на низьких швидкостях, використовувати бензин для запасу ходу і потужності. Ця логіка народилася у віденській майстерні 1900 року.
Як насправді працює виробництво гібридних батарей
Складальна лінія гібридного автомобіля оманливо схожа на лінію, де збирають звичайний седан. Конвеєрні стрічки переміщують компоненти, ліфти піднімають вузли у потрібне положення, а суміш роботизованих маніпуляторів та людських рук затягує болти. Якби ви стояли на заводі без таблички, що вказує на те, що саме виробляється, ви, можливо, не зрозуміли б, що це економічний автомобіль.
Справжня розбіжність відбувається на етапі батарей. Ці акумуляторні блоки великі, важкі та потребують багато місця. Вони не сходять з тієї ж виробничої лінії, що й решта автомобіля. Їх виробляють спеціалізовані компанії, що в основному базуються в Японії, такі як Panasonic і Sanyo. Залежно від моделі та епохи йдеться або про осередки нікель-металгідридних (NiMH), або літій-іонних (Li-ion)**.
Розглянемо літій-іонний шлях. Процес починається з літієвого зливка. Під великим тиском він екструзується в лист товщиною всього 0,01 дюйма (0,254 мм). Точне обладнання намотує ці листи в щільні котушки, створюючи окремі осередки.
Потім настає етап нагрівання.
Ці намотані осередки запікаються за високих температур. Автоматизоване обладнання розпорошує розплавлений метал на листи на етапі, що називається металізацією. Після того як це покриття затвердіє, кілька таких металізованих осередків складаються в єдиний модуль. Саме цей модуль зрештою виявляється під вашим багажником або сидінням, керуючи електричним навантаженням, поки бензиновий двигун бере на себе основну роботу.
Чи скасовує виробництво гібридів їхні екологічні переваги?
Існує стійкий міф про те, що вуглецевий слід від будівництва гібрида настільки великий, що зводить нанівець економію від його експлуатації. Для скептика це інтуїтивно зрозуміло: більша батарея, більше рідкісноземельних металів, більше енергії для виробництва. Але математика це не підтверджує.
Розглянемо Toyota Prius. Один з поширених контраргументів стверджує, що транспортування нікелю, необхідного для NiMH-батареї, по всьому світу спалює більше енергії, ніж ви заощадили б, їздячи на Prius замість Hummer. Аналітики спростували це конкретне твердження, вказавши на хибні припущення. Енергія, витрачена на логістику, становить лише малу частину палива, заощадженого за термін служби автомобіля.
Власні дані Toyota малюють більш точну картину. Prius повинен пройти приблизно 13 000 миль (20 921 кілометр), щоб скорочення викидів CO2 перевищило викиди, що виникли при його виробництві. Більшість власників ця точка беззбитковості настає протягом першого чи другого року володіння.
Яка технологія гібридних батарей краще для ефективності?
NiMH і Li-ion – це не взаємозамінні поліпшення. Вони служать різним інженерним цілям.
- NiMH : Стара, більш важка і менш щільна для зберігання енергії. Вона була стандартом для ранніх гібридів, тому що була міцною, дешевою та безпечною. Вона потребує менше терморегулювання, ніж її наступниця.
- Li-ion : Легше та містить більше енергії на фунт. Це дозволяє робити акумуляторні блоки меншими, звільняючи місце для вантажу або пасажирів. Однак вона вимагає складної терморегуляції, щоб запобігти деградації або термічному розгону.
Якщо ви дивитеся на гібриди, тип батареї визначає обслуговування. NiMH-блоки виходять з ладу поступово, часто демонструючи розбіжності у напрузі окремих осередків. Li-ion-блоки можуть страждати від раптової втрати ємності, якщо система охолодження виходить з ладу.
Де гібридні автомобілі займають місце у ширшій історії автомобілебудування?
Гібриди – не винахід 21-го століття. Концепція походить більш ніж до сторіччя. Автомобіль Woods Dual Power 1917 року є одним із найраніших задокументованих прикладів, що поєднує двигун внутрішнього згоряння з електромотором.
Технологія зупинилася на десятиліття, оскільки технологія батарей була готова до завдання. Свинцево-кислотні батареї були надто важкими, щоб зробити гібрид практичним для повсякденної їзди. Архітектура стала життєздатною для масового виробництва лише після вдосконалення NiMH у 1990-х роках.
Зараз розмова змістилася від «чи вони працюють?» до «як вони порівнюються із чистими електромобілями?» і «як вони справляються з холодною погодою?». Процес виробництва залишається складним, але інженерні виклики не пов’язані з доказом життєздатності. Вони пов’язані з оптимізацією запасу ходу, зниженням вартості та інтеграцією сонячної зарядки там, де це застосовується.
Складальна лінія, як і раніше, гуде. Батареї, як і раніше, запікаються. А скептицизм? Він все ще є, просто тепер озброєний точнішими даними.
