НИИ автоэлектроники (ФГУП НИИАЭ) начал работать над созданием гибридных автомобилей в 2000 году. Тогда партнёром института выступил ВАЗ: на базе «десятки» стали строить так называемый «средний» гибрид, с электрической машиной, расположенной между двигателем и коробкой передач, дополнительными АКБ и конденсаторным накопителем.
Вчерне сделали силовую установку, обкатали на стенде, но до постройки ходового макета дело не дошло – Минавтопром (тогда он существовал в ранге Госкомитета) обрезал финансирование, и в 2004 году работы остановились. Но наработки-то остались, и грех было не использовать их в смежных проектах. НИИАЭ разработал гамму маломощных электромоторов, для управления которыми применили решения, похожие на автомобильные. Эти моторчики сейчас выпускаются серийно и используются для водяных насосов. А потом…
Потом, в 2009 году, в должность руководителя автомобильного департамента Минпромторга вступил Алексей Рахманов. Он приехал в НИИАЭ посмотреть на свои «владения» (институт, равно как и НАМИ, находится в структуре Минпромторга), ему рассказали о гибридном приводе, он заинтересовался и предложил написать ТЗ на продолжение работ. Так появился ВИП – важнейший инвестиционный проект, подразумевающий работу по внедрению гибридных приводов в автомобили сразу трёх заводов – ВАЗа, ГАЗа и УАЗа. Впоследствии ГАЗ по ряду причин отошёл НАМИ, там сделали свой вариант привода, НИИАЭ стал работать с моторами «Калины» и УАЗа «Карго» (ЗМЗ 409.10). Вот о последнем варианте и пойдёт речь.
Чисто российская концепция
Концепция гибридного привода НИИАЭ такова: обеспечить режим «старт/ стоп» и «подкрутку» двигателя, движение на чистой электротяге не подразумевается. Но это уже не паллиативный «мягкий» гибрид, которым именуют просто систему «старт/ стоп» на штатном стартере. Нет, это полноценный гибридный привод с силовой машиной, внедрённой между двигателем и трансмиссией.
Сама электрическая машина в двигательном режиме выдаёт 20 кВт, а в генераторном – 8,5 кВт. Весит она около 50 кг, но на развесовке это не сильно сказывается, поскольку масса расположена в базе. В техническом задании было жёсткое ограничение по стоимости всего комплекта оборудования, поэтому электрическую машину сделали самой простой, бесконтактной, где статор и ротор не имеют постоянных магнитов и даже подшипников. По сути, там только алюминиевый корпус, шифтованное железо и обмотки. Себестоимость такого электродвигателя – около 8 тыс. руб. Для сравнения: сходный по отдаче вентильный мотор на постоянных магнитах стоит больше 20 тыс. из-за того, что магниты нынче дороги.
Электропривод питается от трёх обыкновенных стартерных батарей, дающих в сумме напряжение в 36 В (42 вольта в пике). Их выбрали тоже по соображениям экономии: установленные на «Калине» тяговые «Оптимы» заметно превысили оговоренный бюджет, и для УАЗа решили сделать самый простой вариант. Эти АКБ тоже весят немало, примерно 50 кг. Итого минимум 100 кг система отнимает от грузоподъёмности УАЗа. А параллельно аккумуляторам смонтирован суперконденсатор на 40 фарад производства троицкой фирмы «Элтон». Он нужен для облегчения холодного старта: испытания при –40° показали четырёхкратный запас по оборотам, при минимуме 150 об/мин для пуска получили 600. При нормальной же температуре стартер-генераторное устройство запускает мотор за 0,2–0,4 с, что в 3–4 раза быстрее, чем при пуске штатным стартером. Это закономерно: штатный генератор УАЗа выдаёт максимум 2 кВт, а тут – все 20, напряжение-то повышено! Значит, кроме выигрыша в качестве запуска можно «навесить» множество дополнительных энергопотребителей. Например, мощный преобразователь бортового напряжения в 220 В.
Естественно, заводские стартер и генератор с мотора сняли за ненадобностью, а это тоже фактор экономии, причём как стоимости, так и массы. А вот штатную АКБ оставили на всякий случай как резервную. Если дойдёт до серийного производства, её ёмкость можно будет уменьшить до символических 10–15 А.ч.
Система управления собрана на мощных полевых транзисторах и располагается в том же ящике в кузове, что и АКБ. А вот конденсатор поставили по правому борту, где обычно располагают аккумуляторы. Разумеется, его прикрыли крышечкой от непогоды.
Работает система следующим образом. При полной остановке машины более чем на одну секунду мотор глушится. Если, конечно, отпущена педаль сцепления и нажата педаль тормоза либо «затянут» ручник. Для запуска достаточно выжать сцепление – двигатель оживает мгновенно, мягко и плавно, как будто и не выключался вовсе, а только понизил обороты. Ещё одним условием работы «старт/ стопа» является прогретость ДВС, ведь при частом глушении он будет выходить на оптимальный режим работы дольше, соответственно увеличатся износ и расход топлива. Температурной границей выбраны 80°. В будущем планируют сделать ещё и подогрев катализатора, дабы в полной мере соответствовать Euro 4. Не забудем и про ограничение по напряжению: если оно упадёт ниже значения, при котором гарантирован успешный запуск, «старт/ стоп» не включится.
На панели приборов появились две новые кнопки – «Старт/ стоп» и «Подкрутка». Включая первый режим, владелец кроме прочего активирует электрическую машину в качестве двигателя, помогающего ДВС выйти на повышенные обороты. Дело в том, что на низких оборотах КПД двигателя внутреннего сгорания очень мал, топлива соответственно сжигается много и неэффективно, с большим выбросом вредных веществ. Если сразу сообщить мотору обороты чуть больше холостых, то и показатели расхода и токсичности улучшатся. Так что электродвигатель работает первые три-четыре секунды после запуска, потом отключается, выполнив свою миссию, доведя обороты коленвала, как минимум, до 1000. Но если хочется продлить «подкрутку» на 8–10 с (например, для более динамичного старта или трогания под большой нагрузкой), как раз и нужно нажать вторую кнопочку; 10–12 с – это всё, на что хватает энергии, запасённой в АКБ и конденсаторе, так что «подкрутка» не может использоваться часто, надо дать возможность системе подзарядиться.
Гибридная экономика
В теории этот вариант гибридного привода выглядит прекрасно: изящно и рационально. «Старт/ стоп» сам по себе даёт экономию в 8–9%, что компенсирует «негатив», вызванный дополнительной массой. Кроме того, такой вариант «старт/ стопа» гораздо удобнее «мягкого» гибрида, у которого время запуска не сокращается. А что до компоновочных недостатков, так он, по сути, один: ящик с аккумуляторами и инвертором в кузове уменьшает объём литров на 70–80. Это не очень много.
Но при внимательном рассмотрении проявляются недостатки совсем иного свойства. Например, в режиме генератора электромотор сильно шумит. Да что там шумит – он воет! В движении это ещё не так заметно, там шумы маскируются, а на стоянке – хоть уши закрывай. И эта проблема не имеет окончательно-радикального решения, такая конструкция будет подвывать при любой степени доводки, можно только этот шум вписать в пределы приличия, чем сейчас создатели и занимаются. Кстати, в предыдущей итерации система шумела меньше, так как генератор включался на 1200 об/мин. Но как показали испытания, при таком позднем включении энергии заряда не хватает, и порог сместили вниз, на 800 об/мин. Сейчас энергии хватает, но за счёт комфорта.
Напомним, что экономия топлива достигается только при активированном «старт/стопе». Но самое главное, что данная схема подразумевает рекуперацию энергии торможения! Значит, экономия может быть более значительной, нужно только правильно рассчитать алгоритм взаимодействия всех элементов системы в режиме торможения. Это работа на ближайшее время, на стенде в общих чертах рекуперация уже отработана, теперь предстоит её перенос на «живую» машину.
Есть одна любопытная идея: выровнять с помощью электродвигателя тяговую характеристику ДВС. На разных оборотах и в разных положениях коленвала в пределах одного рабочего хода отдача у двигателя различная, бывают моменты, когда она становится даже отрицательной! Вот в такие периоды разумно подключать электромотор. И выключать его, когда тяга ДВС максимальная. Это ювелирная работа, но её уже начали в сотрудничестве с МАДИ.
Ещё хотят сделать оригинальную панель индикации, на которой будут отображаться все «гибридные» параметры – уровень энергии в батареях и конденсаторе, предполагаемое время полного заряда и т. п. Скорее всего такой дисплей будет опциональным, его сложно вписать в заданные ценовые рамки.
Бизнес на гибридах
Интересно сравнить работу НИИАЭ с концепцией, принятой за основу в НАМИ для двигателя УМЗ 3,0. Там, как уже говорилось, используют более эффективную, но и более дорогую электрическую машину на постоянных магнитах. Кроме того, напряжение питания там повышено до 120 В, а это уже небезопасно (хотя тоже работает на эффективность). Система управления – на IGBT-транзисторах. В целом «намишники» сделали ощутимо более дорогой вариант гибрида, и в производство пойти у него шансов меньше, чем у работы НИИАЭ, даже несмотря на лучшие показатели.
К сожалению, внедрение такого рода гибридов будет тормозиться рядом естественных причин. И дело даже не в повышенной стоимости бензо-электрических автомобилей и косности покупателей. Российская промышленность элементарно не сможет удовлетворить спрос на суперконденсаторы. «Элтон» производит их мелкими сериями, да и то не в Троицке, а на другом предприятии, ОАО «Энергия» – в городе Елец. Собранный на заказ конденсатор стоит не меньше литий-ионной АКБ. При таком раскладе бизнеса на гибридах не сделать.
Есть информация о том, что акционеры «Элтона» задумываются о строительстве большого завода, который сможет покрыть всю потребность рынка в суперконденсаторах. Помните, что ими будет оснащаться «Ё-мобиль»? Если Ё-проект пойдёт по плану, это и будет основанием для инвестиций в новое производство. Пока же, как сообщил пресс-секретарь «Элтона» Владимир Зеленцов, решение о строительстве завода не принято.
Какова может быть ёмкость рынка, если не брать в расчёт «Ё-мобиль»? Как ни странно, довольно большая, три наших основных автозавода готовы отдать под гибриды 5% своей производственной программы. По словам заместителя директора НИИАЭ Андрея Чернова, это в пересчёте на конденсаторные элементы (из которых и собираются батареи конденсаторов) составляет 2,5 млн. штук. Такого производства сейчас в России нет.
И последнее: нет полной ясности с дальнейшим финансированием разработки. Все гранты распределяются на конкурсной основе, и несмотря на то, что инвестпроект имеет трёхлетний период, он разбит на годовые отрезки. И каждый год проводится новый конкурс! Смешно, но в конкурсах соревнуются в основном НАМИ и НИИАЭ, первый грант получил НАМИ, второй – институт автоэлектроники. Речь, в принципе, идёт о небольших суммах, в 2010 году было 160 млн. руб., в 2011-м – 120 млн. Этими деньгами исполнитель оплачивает всё: от работы субподрядчиков (ЗМЗ, «Элкар»/ «Итэлма», «Элтон», НАМИ, Сафоновский электромашиностроительный завод) до закупки испытательного оборудования. А поскольку цикл разработки больше одного года, то требуется стратегическое планирование. Но при этом неизвестно, кто победит в тендере на следующий год! Может статься, что работа НИИАЭ в 2012 году вообще останется без финансирования. И, заметьте, на совершенно законных основаниях. Что поделаешь – рынок.
Для того чтобы закончить работу, НИИАЭ потребуется около двух лет. К 2013 году в России уже вовсю будет действовать экологический стандарт Euro 4, соответственно нужно будет думать о переходе на Euro 5. Гибридизация – один из вариантов «вписывания» автомобилей в эти жёсткие нормы. И совершенно правильно, что одним из пионеров этого дела стал грузовой УАЗ «Карго», это менее массовая продукция, чем та же «Калина», и репутационные риски от внедрения гибридного привода меньше. К тому же коммерческая техника потому и зовётся коммерческой, что используется для зарабатывания денег. Стартер-генераторное устройство способно увеличить экономичность автомобиля, а это эквивалентно дополнительному заработку.
