Уже почти половина новых автомобилей, выпускаемых в Евросоюзе, относится к микрогибридам.
На фоне кучи новостей о развёртывании инфраструктуры под новые электромобили и спорах о стандартах зарядки многие могли пропустить реинкарнацию старого подхода, который теперь называют технологией Start-Stop. Это отличный вариант не тратить энергию на повышение энтропии Вселенной, пока вы просто стоите в пробке. Если вы стоите дольше пары секунд, то двигатель автоматически отключается и не ест вхолостую топливо. Сейчас подробнее расскажу, как это работает и почему обычные батареи очень быстро умрут при таком режиме. Я как раз как бывший инженер сервис-центра видел много батарей, умерших из-за не подходящих для них нагрузок.
Хочу много лошадей из крохотного мотора
Есть несколько тенденций в современном автопроме, пусть, возможно, и не все им рады.
Во-первых, это честные или почти честные старания автопроизводителей выполнять требования регуляторов по созданию всё более «чистых» автомобилей. К сожалению, нормы по экологичности плохо сочетаются с пожеланиями покупателей в плане динамики разгона и мощности двигателя. В итоге всплывают «дизельгейты», но в целом прогресс в этой области очень заметен, что критично для крупных городов. Ситуация с фотохимическим смогом постепенно улучшается, если, конечно, город не использует угольные электростанции.
Во-вторых, есть тенденция к удешевлению. Потребитель хочет получить больше «лошадей» за те же деньги. Если раньше нормальными считались полуторалитровые моторы в 50–70 л. с., то теперь тот же самый мотор часто выдаёт 120, а то и 150 лошадиных сил. Понятно, ничто не даётся просто так. В итоге моторы требуют установки турбин, более качественного топлива, точного управления впрыском и становятся практически неремонтопригодны.
С другой стороны, снижение цикла обновления автомобиля приводит к своеобразному переходу на CICD в автопроме. Если раньше новая технология была почти незаметна на фоне большого парка старых автомобилей, то сейчас ротация происходит быстрее. Системы ABS, ESP и VSC сейчас постепенно становятся стандартами для любых машин, включая бюджетные. Собственно, классический ДВС уже далеко не тот ДВС, что был раньше. Да, на кукурузном масле и непонятном топливе из грязной канистры он ехать отказывается. Но в среднем он стал существенно мощнее и экономичнее, пусть и ценой долговечности. Вот только старые элементы пришлось существенно дорабатывать.
Стоим на светофоре
Так выглядит типичный график заряда-разряда во время поездки на автомобиле с системой старт-стоп. Обычные аккумуляторы убиваются с пугающей скоростью.
Самая неприятная часть городского цикла — непрерывное дёрганье в бесконечной очереди, когда стоишь в пробке. Для экономии топлива и была разработана система старт-стоп, чтобы отключать двигатель во время вынужденных пауз. Причём они ставятся не только на классические гибриды, где сочетаются электропривод и ДВС, но и на чисто бензиновые двигатели. Экономия довольно существенная: 3–10 % с потолком в районе 12 %.
Первая система такого рода была установлена на Toyota Crown ещё в 1974 году, но с тех пор очень многое изменилось в работе двигателя и других систем. Сильно поменялся паттерн езды. Раньше почти не возникала система, когда приходилось заводить ещё работающий двигатель. Сейчас с учётом коротких циклов продвижения в пробке такое происходит несколько раз в день. Это потребовало разработки более сложного стартёра с тандемным соленоидом, который обеспечивал повторный запуск двигателя при ещё вращающемся коленчатом вале. Но правильный синхронизированный запуск — это только часть проблемы. Попробуем посмотреть на современную реализацию в многочисленных гибридах.
Гибриды, микрогибриды и все остальные
Текущий рынок привёл к тому, что между полностью электрическим автомобилем и привычным ДВС-вариантом сформировалось несколько промежуточных классов.
Традиционный ДВС — это почти все бюджетные линейки машин: классическая трансмиссия, объём двигателя небольшой, чтобы соответствовать современным экологическим нормам. Запуск двигателя осуществляется с помощью обычной свинцово-кислотной батареи в 12 В.
Микрогибриды — это всё те же ДВС, но уже с системой старт-стоп. Та самая первая Toyota Crown формально относится к этому классу. Ключевое отличие — в стартёре, о котором мы говорили раньше. Для корректной работы он должен иметь мощность порядка 3–5 кВт. Обычный аккумулятор не сможет долго служить в рваном режиме работы постоянных зарядов-разрядов и многократных запусках двигателя высокими токами. Поэтому для этого типа автомобилей подходят только AGM- и EFB-аккумуляторы. Внутри AGM — не традиционная серная кислота в жидком виде, а специальный абсорбированный электролит в виде пропитанных пористых стекловолоконных структур. Это позволяет ему выдерживать такие режимы работы. А у EFB пластины потольше, специальные приблуды в активную массу, да и сепаратор специальный, а на Эксайде поверх этой самой замороченной активной массы еще и сеточку из стеклоткани для устойчивости вмазывают.
Мини-гибриды: к традиционной схеме с линией в 12 В добавляются новая электрическая система на 48 вольт и небольшой электрический двигатель. Он маломощный, но его достаточно, чтобы прокатиться пару метров в глухой пробке и не дёргать основной ДВС постоянными запусками. Питается обычно от литиевой батареи на 48 вольт. Свинцово-кислотный аккумулятор всё равно используется в схеме для запуска двигателя в холодном состоянии и в случае, если вдруг электрический контур не справился с этим.
Полный гибрид: в этой схеме скорее уже возможна поездка чисто на электроприводе на короткие расстояния. Чаще всего есть возможность подзарядить тяговый литиевый аккумулятор от зарядного устройства напрямую. Активно используется система рекуперации при торможении. В целом автомобиль намного ближе по своей структуре к электромобилям. Например, тот же ДВС стоит часто упрощённой конструкции, часто работающий не в рамках классического цикла Отто, а на базе циклов Миллера, Аткинсона. На электрический этап приходится основная, самая неэффективная для ДВС часть — ползание по пробкам со скоростью 5–10 км/ч, когда стоит первая передача, а педаль газа не нажата.
Если посмотреть на текущие пропорции, то 47 % автомобилей — это классические ДВС, 48 % — микрогибриды, оборудованные системой старт-стоп, и остальные занимают по 1 %. Реальных чистых электромобилей исчезающе мало.
Что такое AGM- и EFB-аккумуляторы
Выглядит страшно, но этот разобранный аккумулятор лучше классических свинцовых.
AGM (Absorbent Glass Mat) — это технология изготовления свинцово-кислотных аккумуляторов, при которой электролит не плещется свободно внутри, а зафиксирован на специальных губках из стекловолокна. Тонкие стеклянные волокна при этом абсолютно не входят в реакцию с серной кислотой, а за счёт волокнистой структуры они практически нечувствительны к вибрациям и механическим повреждениям. То есть даже если корпус будет повреждён, то кислота не будет литься во все стороны, как в классическом аккумуляторе, а останется питанным в стекловолокне, типа как памперс работает. Только стеклянный. Только не надо разбирать их самостоятельно и проверять. Это всё равно очень опасно. Часть микропор остаётся свободной от электролита. Это нужно для создания свободного пространства для рекомбинации газов.
Внутри всё сформировано в виде пакета пластин, которые могут иметь разные толщину и площадь активной поверхности этой самой активной массы. Если нам нужна батарея с большой ёмкостью и невысокими токами — увеличиваем толщину, уменьшаем площадь. В автомобильном применении AGM актуальнее обратный вариант — увеличение площади пластин со снижением их толщины. Такие аккумуляторы могут отдавать больший ток и быстрее заряжаться, но имеют меньшую ёмкость. Пластины в блоках прижаты намного плотнее друг к другу, что помогает лучше удерживать активную массу, чем у обычных батарей. Также может использоваться ещё более плотная упаковка не в пластины, а в туго свёрнутые свинцовые рулоны цилиндрической формы со стекловолоконной прокладкой-сепаратором.
Благодаря своей структуре такие батареи имеют несколько преимуществ:
- они не требуют обслуживания. Риски утечки кислоты или проблем из-за вибрации минимальны;
- значительно меньший саморазряд в сравнении с современными свинцово-кислотными батареями;
- скорость заряда в несколько раз больше классических аккумуляторов, за счёт чего они подходят для системы старт-стоп;
- они работают в цикле неполного заряда, который является проблемой в обычном городском цикле, где вы не успеваете нормально полностью зарядить аккумулятор;
- их сложнее убить кратковременным глубоким разрядом, но при длительном разряде они тоже умрут;
- а ещё их можно трясти, наклонять и вообще монтировать под углом. Только прям совсем переворачивать не стоит.
Ключевое отличие от AGM EFB-батарей в том, что EFB проще и дешевле в производстве. В них электролит не связан, как в AGM, а находится в свободном виде. Но в отличие от классических свинцово-кислотных аккумуляторов у них более толстые свинцовые пластины. Положительные пластины у них пакетируются в стекловолоконный флис, что предотвращает осыпание активного вещества. Поэтому они хоть и обладают меньшим по сравнению с AGM током заряда-разряда, но могут выдержать примерно вдвое больше циклов зарядки по сравнению с классическими аккумуляторами. Короче, это такой промежуточный по своим характеристикам продукт, который стоит дешевле, чем AGM.
Впрочем, и сложности у них у всех общие с классическими свинцовыми аккумуляторами. При высокой температуре у них увеличивается саморазряд, а в морозы их ёмкость падает. Поэтому, если у вас за бортом минус 30, то стоит задуматься об обогреваемой парковке. Ёмкость и так упала из-за переохлаждённого электролита, так ещё и ледяной двигатель с густым маслом требует больше оборотов для запуска.
Что есть интересного у нас
Немного расскажу про нашу компанию. В Exide мы производим много аккумуляторов как раз для микрогибридов — сейчас это примерно 30–40 % всего европейского автопарка. В новые автомобили чаще всего попадает именно аккумулятор нашего производства. Сейчас около 70 % европейских автомобильных брендов ставит именно наши линейки, но со своим брендингом.
У нас есть несколько видов батарей: AGM, EFB, Premium, Excell и Classic. Последние три — классические. Excell — базовый надёжный вариант с хорошей ценой.
Excell отличается более высоким стартовым током, что особенно чувствуется зимой. Ток примерно на 15 % выше, чем у Classic. А СLassic — это для тех, у кого автомобиль попроще, совсем без прибамбасов, и цена имеет значение.
У Premium будут самые высокие токи холодной прокрутки — примерно на 30 % выше Classic. Кроме того, выше скорость заряда из-за нашей технологии Carbon Boost 2.0. В активную массу отрицательных пластин вносится специальная углеродная добавка, которая также позволяет увеличить заряжаемость, особенно из состояния глубокого разряда, примерно вдвое. Изначально их разрабатывали именно под системы старт-стоп, но в дальнейшем включили и в классическую линейку.
На всех батареях классической серии стоит наклейка, предупреждающая, что они не подойдут для системы старт-стоп. Цикл работы, характерный для микрогибридов, быстро выведет их из строя, как и другие обычные аккумуляторы. Для таких систем мы предлагаем ставить AGM или EFB. Эти два типа почти одинаковы по своим параметрам, но в AGM электролит полностью иммобилизирован за счёт пропитывания специальных стекловолоконных структур, а в EFB он жидкий. Собственно, EFB — это скорее промежуточный вариант между классическим свинцово-кислотным аккумулятором и более дорогим AGM.
Кстати, если уж что и использовать как источник резервного питания, так это аккумуляторы для старт-стоп, а не обычные, которые быстрее выходят из строя из-за меньшего числа возможных циклов заряда-разряда.
Похороны временно переносятся
К полной замене автомобилей с ДВС на электромобили мы будем двигаться ещё долго: лития на нашей планете более чем достаточно. Но только небольшая часть его месторождений является коммерчески рентабельной. При этом уже сейчас электроавтомобили составляют примерно 50 % всего спроса с тенденцией роста до 75 % в ближайшие 10 лет. А ещё весёлые проблемы с выделенными линиями от электростанций до «заправок», где каждая зарядка может отъедать до 150 кВт.
Скорее всего, в ближайшее время мы увидим расцвет именно промежуточных гибридных решений, которые продлят жизнь как свинцовым аккумуляторам в новых эффективных формах, так и ДВС. А там, может, и вообще на водородные элементы перейдём вместо лития.
