Исследование автопарка гибридных автомобилей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

л

Гибридные автомобили

Исследование автопарка гибридных автомобилей

В.А.Раков, доцент Вологодского государственного технического университета, к.т.н.

Проанализировано развитие мирового автопарка гибридных автомобилей с момента начала их серийного производства. Представлены результаты исследования автопарка гибридных автомобилей по типу их силовой установки.

Ключевые слова: гибридный автомобиль, статистика продаж, автопарк, динамика развития.

Почти пятнадцать лет назад одна их ведущих автомобильных компаний Toyota заглянула в будущее, и в декабре 1997 г. с конвейера сошли первые серийные автомобили с гибридной силовой установкой (ГСУ). Они имели бензиновый двигатель, работающий по циклу Аткинсона-Мил-лера и создающий энергию для двух электродвигателей-генераторов через устройство распределения мощности, и высоковольтную батарею, которая служила вторичным источником энергии. Данная конструкция позволила оптимизировать работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и значительно снизить расход топлива.

На тот момент экологичность и экономия топлива стояли далеко не на первых местах среди конкурентных преимуществ автомобиля, а прибыль от продаж гибридных автомобилей не покрывала расходов на их производство, и компания работала в убыток. Это был смелый шаг, рассчитанный на долгосрочную перспективу.

С тех пор в борьбу за технологические преимущества в данной области включились другие крупные производители легковых автомобилей: Honda, Ford, Volkswagen, Audi, Lexus, Volvo, Hyundai, Chevrolet, Chrysler, Renault, Citroen и др.

Отличительной особенностью любого гибридного автомобиля является наличие двух источников энергии:

первичного (чаще всего его функцию выполняет ДВС) и вторичного - например, аккумуляторной батареи, в этом случае гибридный автомобиль называют электрическим (hybrid electric vehicle). Также существуют и другие типы гибридных автомобилей: пневматический (pneumatic hybrid vehicle), маховичный (flywheel hybrid vehicle), гидравлический (hydraulic hybrid vehicle), которые массовой популярности среди класса легковых автомобилей не получили.

В гибридных автомобилях передача энергии от первичного источника энергии на ведущий вал колес может быть реализована по одной из нескольких схем: последовательной, параллельной или смешанной.

Последовательное расположение элементов ГСУ применено на автомобиле модели Chevrolet Volt и концепте «ё-мобиль». Это, по сути, электромобиль, но со встроенным ДВС, который включается только при разряде аккумулятора энергии или при движении автомобиля с высокой скоростью, обеспечивая передачу энергии непосредственно на приводной вал трансмиссии. Запас хода на электромоторе, как правило, несколько десятков километров, с включенным ДВС - ограничен объемом топливного бака.

Во время интенсивного расходования энергии ДВС нагружен сопротивлением вала трансмиссии или электромотором, работающим в

режиме генератора, а при достаточном заряде аккумулятора и малой нагрузке на ведущих колесах ДВС отключается, и движение осуществляется только на электрической тяге. Режим холостого хода исключен, что по сравнению с другими автомобилями, имеющими только ДВС, позволяет экономить топливо. Однако не все так просто. Энергия в такой схеме теряется не только в механических передачах, но еще и в генераторе, инверторе, аккумуляторе и электромоторе. А высокая стоимость электропривода значительно увеличивает себестоимость автомобиля. По той же причине троллейбус в 1,5-2 раза дороже автобуса. Данные недостатки ограничивают применение последовательной схемы для массового применения, делая ее целесообразной только для условий городского движения.

Параллельная схема ГСУ используется в моделях Honda Insight, Honda Civic, Mercedes-Benz S-400 Hybrid, BMW 7-Series Limousine Active Hybrid. При этой схеме ДВС соединен с валом механической трансмиссии, и на нем же вместо маховика установлен электромотор-генератор. Схема очень приближена к традиционному силовому агрегату с ДВС и механической трансмиссией. Автомобиль движется с помощью ДВС, вращая приводной вал механической трансмиссии и подзаряжая аккумулятор. При разгоне или других условиях, когда требуется максимальная

I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (31) февраль 2013 г.

мощность, включается электромотор, и оба двигателя работают параллельно, их мощность суммируется. А при торможении электромотор, работающий в режиме генератора, возвращает энергию обратно в накопитель.

Схема достаточно проста, позволяет уменьшить мощность ДВС и снизить расход топлива без применения дорогостоящего накопителя и ограничения эксплуатационных качеств автомобиля. Недостаток тоже есть - как электромобиль такая схема практически не работает.

Смешанное расположение элементов ГСУ, примененное на первом серийном гибриде Toyota Prius, используется в марках Lexus, Ford, Mazda. Гибридная трансмиссия в этом случае имеет устройство распределения мощности PSD (Power Split Device), отвечающее за взаимодействие всех элементов при различных режимах движения, включающее ДВС, два электромотора-генератора (МГ1, МГ2), объединенных вместе с помощью планетарного механизма. Высоковольтная аккумуляторная батарея играет роль вторичного источника энергии (рис. 1). Схема может работать как последовательная - при малых скоростях движения, так и как параллельная - при резких ускорениях.

Принята и другая классификация вышеупомянутых схем. Некоторые компании разделяют гибриды на «мягкие» (mild hybrids), где вспомогательный источник энергии выступает только в роли ассистента, «полные» (full hybrids), способные некоторое время двигаться только на вспомогательном источнике энергии, и «подзаряжаемые» (plug-in hybrids).

На сегодняшний день достаточно сложно оценить состав и численность автопарка проданных гибридных автомобилей по всему миру. Существует лишь статистика продаж в отдельных странах и обособленно по компаниям. Обобщенной статистики явно недостаточно. Мало того, имеющаяся

Рис. 1. Схема гибридной трансмиссии смешанного типа автомобиля Toyota Prius

информация часто носит необъективный, противоречивый характер. В этой связи сложность представляет исследование процесса развития мирового автопарка гибридных автомобилей и определение места, занимаемого в нем Россией.

Автором поставлена задача сгруппировать статистическую информацию об объеме продаж новых гибридных автомобилей по различным странам и миру в целом, а также сформировать общее представление о развитии глобального автопарка гибридов (таблица).

К настоящему времени наибольшее число гибридных автомобилей реализовано в США - более 2 млн. Причем данный сегмент рынка представлен разнообразными марками, основную часть которых составляют модели Toyota Prius (более 1 млн) [1] и вседорожники CUV (Crossover Utility Vehicle). Основное назначение гибридной схемы в таких машинах - улучшение динамических характеристик. Темпы роста продаж достигают 50 % в год.

Компания Ford, начиная с 2005 г., продала примерно 170 тыс. гибридных автомобилей [3]. При этом самым экономичным кроссовером на рынке вседорожников стал Ford Escape Hybrid с силовой установкой

смешанного типа, производимой по лицензии компании Toyota. Согласно официальным данным американской налоговой службы, переднеприводной Escape Hybrid имеет расход топлива в городе (по шоссе) -6,9 (7,5) л/100 км, расход полноприводной версии - 8,1 (8,7) л/100 км.

Самым экономичным полноразмерным седаном на сегодняшний день в США является Ford Fusion Hybrid со средним расходом топлива 5,7 (6,5) л/100 км в городе (по шоссе).

В Европе автопарк гибридных автомобилей меньше, чем в США, поскольку интерес к ним появился только с 2007 г. С начала продаж и по итогам мая 2012 г. было продано около 800 тыс. гибридных автомобилей [4], из них 423 тыс. - гибридные легковые автомобили Toyota и Lexus, еще около 250 тыс. - автомобили Honda всех моделей. На сегодняшний день ежегодный объем продаж гибридных автомобилей в Европе составляет примерно 100 тыс. (0,7 % всех продаваемых автомобилей), при этом динамика роста продаж составляет около 25 % в год.

Назовем некоторые гибридные автомобили европейских производителей: гибридные вседорожники Audi Q5 и Audi Q7; дизельный гибрид Astra (Opel); гибридная модель

Статистика продаж новых гибридных автомобилей (ГА) по отдельным странам и всему миру, тыс. шт. * [2-5]

Показатели продаж ГА 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

США

За год - - - 9,4 20,3 36,0 47,6 84,2 209,7 252,6 352,3 312,4 290,3 274,1 268,9

Всего с начала продаж - - - 9,4 29,7 65,7 113,3 197,5 407,2 659,8 1012,1 1324,5 1614,8 1888,9 2157,8

Япония

За год 0,3 17,7 15,3 12,5 18,5 20,0 27,2 68,7 58,5 72,4 82,0 104,4 251,1 258,9 252,5

Всего с начала продаж 0,3 18,0 33,3 45,8 64,3 84,3 111,5 180,2 238,7 311,1 393,1 497,5 748,6 1007,5 1260,0

Европа

За год - - - 9,5 15,7 16,3 22,1 24,4 25,9 45,4 49,0 51,2 58,4 70,2 78,3

Всего с начала продаж - - - 9,5 25,2 41,5 63,6 88,0 113,9 159,3 208,3 259,5 317,9 388,1 466,4

Канада

За год - - - - - - - - 2,3 9,5 14,8 20,0 16,2 15,8 21,5

Всего с начала продаж - - - - - - - - 2,3 11,8 26,6 46,6 62,8 78,6 100,1

Россия

За год - - - - - - - - 0,3 0,6 0,8 0,9 1,5 2,1 3,1

Всего с начала продаж - - - - - - - - 0,3 0,9 1,7 2,6 4,1 6,2 9,3

Китай

За год - - - - - - - - - - - - 0,6 0,9 1,2

Всего с начала продаж - - - - - - - - - - - - 0,6 1,5 2,7

Южная Корея

За год - - - - - - - - 0,4 0,7 1,7 1,8 2,2 2,2 2,5

Всего с начала продаж - - - - - - - - 0,4 1,1 2,8 4,6 6,8 9,0 11,5

В мире

За год 0,3 17,7 15,3 31,4 54,5 72,3 96,9 177,3 297,0 381,2 500,5 490,6 620,3 624,5 627,9

Всего с начала продаж 0,3 18,0 33,3 64,7 119,2 191,5 288,4 465,7 762,7 1144,0 1644,5 2135,1 2755,4 3379,9 4007,8

Составлено автором по данным статистических сводок и отчетов из разных стран мира.

Kangoo (Renault); дизельный 3008 Hybrid 4 (Peugeot); Active Hybrid l, Хб (BMW); S400, ML450 (Mercedes); Porsche Hybrid RS и др. Наиболее популярна в Европе модель Toyota Prius, на долю которой приходится более 80 % продаваемых гибридных автомобилей [4].

B Японии число гибридных автомобилей хотя и меньше, чем в ША, зато они пользуются большей популярностью. За прошедшие 15 лет гибридные автомобили в этой стране неоднократно перекрывали по итогам месячных отчетов продажи традиционных автомобилей с ДBC. Cейчас их доля в совокупном объеме продаж всех легковых автомобилей составляет в среднем П...20 % [5].

Что касается текущей статистики, то по итогам 2011 г. в Японии было продано около 250 тыс. гибридных автомобилей, из них 200 тыс. - компанией Toyota, остальные - компаниями Honda и Mazda [5].

B список моделей Toyota входит около 20 гибридных версий. Компания Mazda самостоятельно не разрабатывает гибридные технологии, ей силовой агрегат поставляет Toyota.

По собственному пути пошла компания Honda. Ее ГСУ работают по параллельной гибридной схеме, однако по экономии топлива эти силовые установки уступают работающим по смешанной схеме ГСУ компании Toyota, зато значительно ниже их по стоимости.

Южнокорейская компания Hyundai в 2009 г. представила свою собственную разработку, выпускаемую серийно, - Hyundai LPI Hybrid с ГСУ, работающей на газе. Позже ее стали устанавливать на автомобили Kia Cerato. C 2011 г. в Южной Корее начались продажи еще одной гибридной модели - Optima. Других корейских серийно выпускаемых автомобилей пока нет, а компания Toyota только начинает продажи своих моделей в этой стране.

Китайская автомобильная промышленность делает ставку на

гибридные автомобили марки Byd и Chery, массовые продажи которых начались в 2009 г. Активному развитию гибридных автомобилей в Китае способствует государственное стимулирование. Несмотря на это их доля в общем объеме продаж в КНР ничтожно мала: из 14,5 млн автомобилей, проданных в Китае в 2011 г., только 2713 - гибридные, а 5655 - электрические.

Массовые продажи гибридных автомобилей в России начались в 2005 г. с модели премиум класса Lexus. С начала продаж по конец 2011 г. через дилерские центры продано примерно 8400 таких автомобилей. Самый популярный в мире гибридный автомобиль Toyota Prius официально продается в нашей стране с 2009 г., по итогам 2011 г. их было продано около 400 шт.

К настоящему времени общее число моделей официально продаваемых в России гибридных автомобилей увеличилось до 11. Среди них: Lexus RX 450h, GS 450h, LS 600h L, CT 200h; Mersedes S400, ML 450; BMW Active Hybrid 7, X6; Toyota Prius; Porsche Hybrid RS; Cadillac Escalade Hybrid. Темпы роста числа

официально продаваемых в России гибридных автомобилей растут.

В планах отечественных производителей - начать производство автомобилей с ГСУ. Ведутся испытания перспективных моделей автомобиля ВАЗ с ГСУ, работающей по параллельной схеме, причем передние ведущие колеса приводятся в действие ДВС и электромотором, задние - только электромотором.

Таким образом, согласно собранным данным за 15 лет существования гибридных технологий в мире было продано более 4 млн автомобилей с ГСУ. При этом динамика продаж является устойчивой и имеет тенденцию к росту.

На основании таблицы построен график изменения числа проданных гибридных автомобилей в отдельных странах и по всему миру (рис. 2).

Из графика следует, что темпы роста численности мирового автопарка гибридных автомобилей увеличиваются - каждые 5 лет примерно на 3 млн. С учетом существующих тенденций к 2015 г. автопарк гибридных автомобилей может достичь 7 млн. При этом ежегодные продажи гибридов будут составлять около 10 %

Рис. 2. Статистика продаж гибридных автомобилей по странам и всему миру с прогнозом развития до 2015 г.: 1 - общий объем; 2 - США; 3 - Япония; 4 - Европа; 5 - Канада; 6 - Россия; 7 - Китай; 8 - Южная Корея

«щ

Гибридные автомобили

Рис. 3. Распределение мирового автопарка гибридных автомобилей по маркам и моделям [4]:

■ - Toyota Prius; ■ - Honda Civic Hybrid; ■ - Toyota Camry Hybrid; ■ - Ford Escape Hybrid;

■ - Toyota Highlander Hybrid; ■ - Lexus RX400/450h; ■ - Honda Insight; ■ - Ford Fusion/ Mercury, Milan/Lincoln, MKZ Hybrid; ■ - Nissan Altima Hybrid; ■ - Honda Accord Hybrid;

■ - Lexus HS 250h; ■ - Hyundai Sonata/Kia Optima Hybrid; - Honda CR-Z; ■ - Lexus CT 200h;

■ - другие гибриды

общего числа всех продаваемых в мире автомобилей.

В мировом автопарке наибольшее распространение получили гибридные автомобили со смешанным типом ГСУ (full hybrids), установленных под капотом Toyota Prius, Toyota Highlander Hybrid, Toyota Camry Hybrid, Ford Escape Hybrid, Lexus RX400/450h, Lexus HS 250h, Lexus CT 200h. Их доля по отношению ко всему автопарку гибридов достигает 80 % (рис. 3).

Самым популярным гибридным автомобилем во всем мире на сегодняшний день является модель Prius компании Toyota, занимающая более 50 % автопарка [5]. Его стоимость в США составляет 19...22 тыс. долл., в России эта модель стоит значительно дороже - примерно 35 тыс. долл., из них около 12 тыс. долл. - таможенные пошлины. Самым доступным серийным гибридным автомобилем в мире является Honda Fit, его стоимость в Японии - 18,6 тыс. долл. США.

К основным преимуществам гибридных автомобилей, способствующим их распространению, по мнению покупателей, можно отнести следующие:

• Низкий расход топлива при эксплуатации в городском режиме движения и экологичность автомобиля. Средний расход топлива гибридных легковых автомобилей составляет 6,5 (4,8) л/100 км в городском/загородном режиме движения. Для полноприводных гибридных автомобилей 10,6/7,6 л/100 км.

• Использование передовых технологий будущего. Конструкцию ГСУ, кардинально отличающуюся от традиционной силовой установки, можно назвать таковой.

• Ходовые характеристики и высокий комфорт

- динамика разгона улучшается благодаря тому, что электродвигатели развивают максимальный крутящий момент из состояния покоя;

- гибридная трансмиссия всегда имеет бесступенчатое или автомати-

ческое переключение передач, что удобно для движения в городском режиме;

- как правило, гибридные автомобили обладают широким набором опций в стандартных комплектациях - навигационной системой, климатической установкой, передними и задними подушками безопасности, автоматическим включением фар и стеклоочистителей, электроусилителем руля, антипробуксовочной системой, системой курсовой устойчивости, бесключевым доступом в салон, опциями для зимней эксплуатации и др.;

- подвеска гибридного автомобиля более комфортна, так как масса неподрессоренных элементов кузова уменьшена, что стало возможным благодаря применению рекуперативного торможения, снимающего до 80 % нагрузки на фрикционные тормозные механизмы.

• Высокая надежность. Исследования эксплуатационной надежности позволили определить

закономерности изменения технического состояния гибридного автомобиля Toyota Prius. Вероятность проявления любой неисправности гибридной трансмиссии среди исследуемой выборки гибридных автомобилей при пробеге 100 тыс. км составляет всего лишь 0,15. Для сравнения - у силовой установки типичного автомобиля эта величина на том же пробеге приближается к 1,0. Срок службы дорогостоящих элементов гибридной трансмиссии составляет 8-10 лет. Большая часть гибридных автомобилей, выпущенных до 2000 г., эксплуатируется без серьезных неисправностей. Отказы высоковольтной батареи ГСУ возникают в основном из-за неправильной эксплуатации автомобиля, например, при езде без бензина, отказы по причине старения очень редки [6].

Проблемы, препятствующие распространению гибридных автомобилей:

ШаШШШ HffiQ .¡¿¡^^¡ь. ИИ Ä «Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (31) февраль 2013 г.

• Стоимость. Высоковольтная батарея, инверторы и электромоторы-генераторы силовой установки увеличивают стоимость автомобиля на 30 %.

• Недостаточное техническое сопровождение эксплуатируемых гибридных автомобилей со стороны ведущих автопроизводителей.

Инженерно-технический персонал станций технического обслуживания не располагает возможностями для качественного обслуживания и ремонта. К тому же трудности, возникающие при эксплуатации гибридных автомобилей [6], снижают интерес покупателей, что неизбежно замедляет обновление мирового автомобильного парка за счет современных моделей транспортных средств.

Ведущие автомобильные компании продолжают совершенствовать технологии гибридных автомобилей, делая их доступными для большего числа покупателей. Несмотря на это конкурировать гибридам с ДВС сложно, основное их преимущество - низкий расход топлива - перекрывается завышенной (примерно на 25 %)

стоимостью и таможенными пошлинами в четверть цены автомобиля, делающими выбор в пользу гибрида нецелесообразным. Понимая, зачем нужны экологичные и экономичные автомобили, правительства европейских стран, США, Китая, Японии и др. стран ведут активную политику

в направлении развития гибридных технологий на этапе производства, осуществляют частичное субсидирование затрат владельцу при покупке, снижают налоговые ставки за эксплуатацию и предоставляют другие преференции владельцам этих автомобилей.

Литература

1. Статистика продаж гибридных автомобилей [Электронный ресурс] // Транспортные средства на альтернативном топливе. - Режим доступа: http:// www.afdc.energy.gov/afdc/data/vehicles.html.

2. Статистика продаж гибридных автомобилей [Электронный ресурс] // Отчет по продаже новых гибридных автомобилей. - Режим доступа: http:// www.hybridcars.com/news/december-2011-dashboard-sales-still-climbing-35093.html.

3. Сведения о зарегистрированных гибридных автомобилях [Электронный ресурс] // Департамент энергетики США. - Режим доступа: http://www.doe.gov.

4. Сведения о продажах новых гибридных автомобилей [Электронный ресурс] // Сайт гибридных автомобилей. - Режим доступа: http://www.hybridcars. com/news/march-2012-dashboard-44059.html.

5. Динамика изменения общего числа гибридных автомобилей Toyota [Электронный ресурс] // Сайт компании Toyota. - Режим доступа: http://www.toyota. co.jp/en/kids/eco/hybrid.html.

6. Раков, В.А. Методика оценки технического состояния гибридных силовых установок автомобилей: дис. ... канд. техн. наук / В.А. Раков. - Вологда, 2012. - 169 c.

Электромобили на «Транспортной неделе 2012»

В декабре 2012 г. Москва принимала участников «Транспортной недели». В рамках этого мероприятия состоялись VI Международный форум и выставка «Транспорт России».

«Транспортная неделя» стала основной площадкой для обсуждения вопросов обновления Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 г., а также ключевых проблем функционирования всех видов транспорта. В дискуссии приняли участие руководители крупнейших компаний, Министерства транспорта РФ и профильных органов государственного управления.

Мероприятие традиционно является одним из наиболее значимых

событий года для международного транспортного сообщества.

На выставке «Транспорт России» компания «Револьта» представила три электромобиля: Mitsubishi i-MiEV, Chevrolet Volt, а также легкий коммерческий электромобиль Smith Electric Edison, который является единственным сертифицированным в России электромобилем в своем классе. Специалисты компании продемонстрировали процесс заправки электромобилей от зарядных станций в условиях мегаполиса. Представленные зарядные станции собственной разработки позволяют не только заряжать электромобили, но и создавать интерактивную рекламную сеть, разворачивать

интеллектуальную парковку, оказывать ряд дополнительных сервисов (WiFi, тревожная связь и пр.).

«Сегодня электротранспорт является одним из приоритетных направлений инновационного развития, и участие нашей компании в таком знаковом для транспортной отрасли мероприятии - еще одно подтверждение этому, - сказал коммерческий директор ООО «Револьта» Григорий Юркин. - Электромобили и зарядная инфраструктура, которые развивает «Револьта» в России, востребованы, интересны и перспективны, чему свидетельствует стабильный рост сети зарядных станций Revolta и интенсивное расширение регионального присутствия через партнеров по всей России. Напомню, что уже сегодня сеть включает в себя 45 станций, причем не только в Московском регионе».

www.revolta.ru