Как Lohner-Porsche Elektromobil изобрёл гибридный автомобиль

Скорее всего, когда вы слышите слово «гибрид», вы представляете Toyota Prius. Это справедливо. С конца 1990-х годов Prius определил этот сегмент, побуждая конкурентов, таких как Honda Insight и Ford Fusion Hybrid, вступать в борьбу. Но идея сочетания бензинового двигателя с электромотором стара. Очень стара. Первый гибридный автомобиль появился на десять лет раньше, чем Model T.

История гибридного электромобиля (HEV) начинается в 1900 году.

Парижская премьера 1900 года

Фердинанд Порше, работавший на австрийского производителя Lohner-Kessburg, представил Lohner-Porsche Elektromobil на Парижской выставке. Автомобиль выглядел как коробка на колёсах, но его инженерное решение было радикальным.

Большинство автомобилей того времени работали на пару, электричестве или бензине. Порше сделал нечто иное. Он создал автомобиль, который использовал электричество для движения по городу. Но в нём была хитрость.

Lohner-Porsche Elektromobil стал первым транспортным средством, использующим двигатель внутреннего сгорания для подзарядки аккумуляторной батареи.

Это и есть определение гибрида. Бензиновый двигатель вырабатывает энергию для зарядки батареи, которая, в свою очередь, приводит в движение колёса. До этого момента автомобиль приходилось подключать к розетке. Порше решил проблему ограниченного запаса хода, которая по сей день преследует чисто электрические автомобили. Он использовал небольшой бензиновый двигатель для поддержания заряда батарей во время движения.

Почему это важно сейчас

Вы можете спросить, почему этот ранний эксперимент был забыт?

Во-первых, бензин стал дешёвым и доступным. Чисто электрические автомобили страдали от ограниченного запаса хода. Чисто бензиновые автомобили завоевали рынок. Концепция гибрида оставалась в спящем состоянии десятилетиями.

Затем нефтяной кризис и, позже, экологические нормативы вернули её в обиход.

• 1968: General Motors построила XP 512, экспериментальный гибрид, который использовал электричество на низких скоростях и бензин на высоких.
• 1973: Виктор Вук построил прототип на базе Buick Skylark 1972 года. Агентство по охране окружающей среды (EPA) не финансировало проект, поэтому он был заброшен.
• 1989: Audi представила Audi Duo, сочетавшую 12-сильный электромотор с 139-сильным бензиновым двигателем.
• 1997: Toyota запустила Prius в Японии.

Современная эпоха — это, по сути, лишь возрождение идеи 1900 года. Lohner-Porsche доказал, что двигатель можно отделить от колёс. Можно ездить на одном источнике энергии, а затем переключаться на другой. Эта гибкость является ядром каждого гибрида с тех пор.

В следующем разделе подробно разбираются конкретные механические особенности Lohner-Porsche и то, почему он был настолько впереди своего времени.

Как Lohner-Porsche Elektromobil решил проблему ограниченного запаса хода в 1900 году

Инженерное препятствие для ранних производителей автомобилей было простым, но упрямым. Батареи быстро разряжались. В 1900 году запас хода измерялся не милями, а кварталами. Решение Porsche заключалось не в увеличении размера батареи. Это был бензиновый двигатель, работающий в качестве генератора.

Такая конфигурация сделала Elektromobil первым практичным ранним гибридным автомобилем с бензоэлектрическим приводом. Двигатель внутреннего сгорания не вращал колёса напрямую. Он вращал генератор для подзарядки аккумуляторной батареи. Электрические ступичные моторы обеспечивали фактическое движение. Максимальная скорость составляла 23 миль/ч (37 км/ч). В 1900 году этого было достаточно для городских поездок. Для дальних путешествий этого не хватало, но это решало непосредственную проблему разряженных батарей посреди городской улицы.

Почему заказ Э.У. Харта изменил историю автомобилестроения

Первым клиентом стал Э.У. Харт из Лутона, Англия. Ему не просто нужен был гибрид. Ему нужна была тяга. Он попросил установить моторы на все четыре колеса.

Porsche выполнил просьбу. Результатом стал гибрид с полным приводом. Это был огромный технический скачок. До заказа Харта Elektromobil был экспериментом с приводом на два колеса. После того как машина стала полноприводной, концепция расширилась от нишевой диковинки до надёжного решения системы трансмиссии. Можно утверждать, что Харт купил первый гибридный автомобиль с полным приводом (AWD). Он также помог доказать, что электрический привод способен справляться со сложными задачами рулевого управления и распределения веса, с которыми ранние бензиновые автомобили испытывали трудности.

Сравнение Elektromobil 1900 года и Toyota Prius 1997 года

Разрыв между этими двумя автомобилями составляет почти столетие. Технологии различаются. Намерения схожи.

Prius не изобрёл гибридную технологию. Он индустриализировал её. Lohner-Porsche доказал, что концепция работает. Prius доказал, что её можно сделать достаточно дешёвой для миллионов людей.

Где можно увидеть первый гибрид

Большинство Elektromobil исчезли. Выжила лишь горстка экземпляров. Они появляются на выставках антикварных автомобилей, обычно в безупречном состоянии, привлекая толпы зрителей, которые предполагают, что это статичные экспонаты. Но это не так. Они работают. Ступичные моторы всё ещё вращаются. Генератор всё ещё гудит.

Причина, по которой они исчезли из публичной памяти, проста. Они были дорогими. Они были медленными. А затем двигатель внутреннего сгорания стал лучше, дешевле и тише. Идея гибрида не умерла из-за провала. Она умерла, потому что бензиновый двигатель стал достаточно хорошим.

Почему гибридная концепция вернулась спустя 100 лет

Вы можете спросить, почему это заняло так много времени. Ответ — экономика. В 1900 году электричество было дорогим, а инфраструктура развита слабо. К 1990-м годам цены на нефть стали волатильными, а нормативы по выбросам ужесточались. Prius был запущен в Японии в 1997 году, потому что регуляторная и экономическая обстановка наконец совпала.

Porsche и Lohner создали доказательство концепции. Toyota создала бизнес-кейс. Lohner-Porsche Elektromobil остаётся сноской в большинстве книг по истории автомобилей. Но если внимательно посмотреть на трансмиссию любого современного гибрида, вы увидите ту же базовую логику: использовать электричество для эффективности на низких скоростях, использовать бензин для запаса хода и мощности. Эта логика родилась в венской мастерской в 1900 году.

Как на самом деле работает производство гибридных батарей

Сборочная линия гибридного автомобиля обманчиво похожа на линию, где собирают обычный седан. Конвейерные ленты перемещают компоненты, лифты поднимают узлы в нужное положение, а смесь роботизированных манипуляторов и человеческих рук затягивает болты. Если бы вы стояли на заводе без таблички, указывающей, что именно производится, вы, возможно, не поняли бы, что это экономичный автомобиль.

Настоящее расхождение происходит на этапе батарей. Эти аккумуляторные блоки большие, тяжёлые и требуют много места. Они не сходят с той же производственной линии, что и остальная часть автомобиля. Их производят специализированные компании, в основном базирующиеся в Японии, такие как Panasonic и Sanyo. В зависимости от модели и эпохи речь идёт либо о ячейках никель-металлгидридных (NiMH), либо литий-ионных (Li-ion).

Рассмотрим литий-ионный путь. Процесс начинается с литиевого слитка. Под огромным давлением он экструзируется в лист толщиной всего 0,01 дюйма (0,254 мм). Точное оборудование наматывает эти листы в плотные катушки, создавая отдельные ячейки.

Затем наступает этап нагрева.

Эти намотанные ячейки запекаются при высоких температурах. Автоматизированное оборудование распыляет расплавленный металл на листы на этапе, называемом металлизацией. После того как это покрытие затвердеет, несколько таких металлизированных ячеек складываются в единый модуль. Именно этот модуль в конечном итоге оказывается под вашим багажником или сиденьем, управляя электрической нагрузкой, пока бензиновый двигатель берёт на себя основную работу.

Отменяет ли производство гибридов их экологические преимущества?

Существует устойчивый миф о том, что углеродный след от строительства гибрида настолько велик, что сводит на нет экономию от его эксплуатации. Для скептика это интуитивно понятно: большая батарея, больше редкоземельных металлов, больше энергии для производства. Но математика не подтверждает это.

Рассмотрим Toyota Prius. Один из распространённых контраргументов утверждает, что транспортировка никеля, необходимого для NiMH-батареи, по всему миру сжигает больше энергии, чем вы сэкономили бы, ездя на Prius вместо Hummer. Аналитики опровергли это конкретное утверждение, указав на ложные допущения. Энергия, затраченная на логистику, составляет лишь малую часть топлива, сэкономленного за срок службы автомобиля.

Собственные данные Toyota рисуют более чёткую картину. Prius должен пройти примерно 13 000 миль (20 921 километр), чтобы сокращение выбросов CO2 превысило выбросы, возникшие при его производстве. Для большинства владельцев эта точка безубыточности наступает в течение первого или второго года владения.

Какая технология гибридных батарей лучше для эффективности?

NiMH и Li-ion — это не взаимозаменяемые улучшения. Они служат разным инженерным целям.

• NiMH : Старая, более тяжёлая и менее плотная по хранению энергии. Она была стандартом для ранних гибридов, потому что была прочной, дешёвой и безопасной. Она требует меньше терморегулирования, чем её преемница.
• Li-ion : Легче и содержит больше энергии на фунт. Это позволяет делать аккумуляторные блоки меньше, освобождая место для груза или пассажиров. Однако она требует сложной терморегуляции, чтобы предотвратить деградацию или термический разгон.

Если вы смотрите на подержанные гибриды, тип батареи определяет обслуживание. NiMH-блоки выходят из строя более постепенно, часто демонстрируя расхождения в напряжении отдельных ячеек. Li-ion-блоки могут страдать от внезапной потери ёмкости, если система охлаждения выходит из строя.

Где гибридные автомобили занимают место в более широкой истории автомобилестроения?

Гибриды — не изобретение 21-го века. Концепция восходит более чем к столетию. Автомобиль Woods Dual Power 1917 года является одним из самых ранних задокументированных примеров, объединяющим двигатель внутреннего сгорания с электромотором.

Технология застопорилась на десятилетия, потому что технология батарей не была готова к задаче. Свинцово-кислотные батареи были слишком тяжёлыми, чтобы сделать гибрид практичным для повседневной езды. Архитектура стала жизнеспособной для массового производства только после совершенствования NiMH в 1990-х годах.

Сейчас разговор сместился от «работают ли они?» к «как они сравниваются с чистыми электромобилями?» и «как они справляются с холодной погодой?». Процесс производства остаётся сложным, но инженерные вызовы больше не связаны с доказательством жизнеспособности. Они связаны с оптимизацией запаса хода, снижением стоимости и интеграцией солнечной зарядки там, где это применимо.

Сборочная линия по-прежнему гудит. Батареи по-прежнему запекаются. А скептицизм? Он всё ещё есть, просто теперь вооружён более точными данными.