Снижает ли горная дорога и постоянный подъём преимущество гибрида?

Да, длинные горные дороги с непрерывным подъёмом заметно сокращают топливное преимущество гибрида, однако в большинстве сценариев не устраняют его полностью. Причина проста: выигрыш гибрида во многом основан на рекуперации энергии торможения в трафике «старт-стоп» и на движении на электротяге на низкой скорости. На затяжном подъёме автомобилю приходится поднимать собственный вес на многие метры вверх; электромотор не может долго нести эту нагрузку в одиночку, батарея быстро разряжается, и бензиновый двигатель берёт на себя большую часть работы.

Почему преимущество гибрида заметно в городе и сокращается на подъёме?

Электромотор на низких скоростях, как правило, примерно до 48 км/ч или при невысокой потребности в мощности может двигать автомобиль в одиночку. Эта способность делает гибрид идеальным для городского трафика с движением от светофора к светофору: частые торможения заряжают батарею, а двигатель остаётся выключенным в самых неэффективных режимах. Последовательные гибридные архитектуры особенно хороши в этом сценарии, поскольку двигатель внутреннего сгорания полностью исключается из условий «старт-стоп», где он работает наименее эффективно.

На непрерывном подъёме уравнение меняется. Автомобиль, помимо движения по горизонтали, несёт собственный вес против высоты; потребность в мощности превышает предел, который электромотор может выдавать непрерывно. Батарея быстро разряжается, и система находит единственный выход: заставить бензиновый двигатель работать на более высоких оборотах, направляя мощность и на движение, и на зарядку батареи. Это именно тот режим, для экономии в котором гибрид не предназначен.

Численная разница показателей впечатляет. Если поставить значения для города и шоссе рядом, можно увидеть, насколько снижается электрическая поддержка на высокой скорости:

Разница в последних двух строках - суть вопроса: результат зависит от характера местности. Короткие холмы со следующими за ними спусками позволяют цикл разрядки и зарядки батареи; непрерывный подъём же разряжает батарею в одном направлении и нарушает математику экономии.

Почему батарея быстро истощается на долгом подъёме?

Гибридная батарея рассчитана на короткие всплески мощности: поддержка при старте, дополнительный крутящий момент при обгоне, движение автомобиля на очень малой скорости. При непрерывном же подъёме требуемая мощность намного больше, чем для этих коротких задач, и длится минутами. Есть сообщения пользователей о том, что на участках шоссе с затяжными подъёмами заряд батареи быстро падает всего за минуту - это свидетельство уровня форумов, а не данных, но с точки зрения физики вполне правдоподобно.

Когда батарея опускается ниже определённого порога, поведение системы меняется. Бензиновый двигатель не только вращает колёса; его обороты удерживаются выше уровня установившегося движения, вырабатывается дополнительная мощность, часть которой через генератор направляется в батарею. В некоторых системах этот режим продолжается до тех пор, пока батарея снова не зарядится примерно до 50% заряда. Водителю нормально это ощущать: звук двигателя становится заметнее, разгон временно замедляется. Среди наблюдений отмечается также, что на затяжных крутых перевалах связка двигателя и e-CVT может создавать напряжённый звук и ощущение.

Практический вывод таков: на подъёме гибрид - это помощник, поддерживающий бензиновый двигатель, а не мотор, берущий на себя всю нагрузку. В отличие от электромобиля, батарея гибрида не имеет шансов получить поддержку от сети по мере набора высоты - единственный источник - её собственный бензиновый двигатель.

Что Происходит с Бензиновым Двигателем с Набором Высоты?

Несправедливо будет сказать, что горные дороги бьют по гибриду в двух разных местах; второй удар приходит от атмосферы. С высотой воздух разрежается, количество кислорода, поступающего в цилиндры, уменьшается, и эффективность сгорания падает. По грубому правилу, на каждые 1 000 футов (~305 м) подъёма над уровнем моря двигатель внутреннего сгорания теряет около 3% мощности. Перевал высотой 2 000 метров в этой картине означает для двигателя ощутимый недостаток.

Современные блоки управления двигателем распознают разреженный воздух и компенсируют топливную смесь; то есть с точки зрения расхода катастрофы не происходит. Однако у атмосферных двигателей потеря мощности заметно больше, чем у турбированных. В сочетании с высокой потребностью в мощности при подъёме результат - ещё большее напряжение и без того нагруженного баланса гибридной системы: меньше доступной мощности, более агрессивное управление оборотами, больше топлива.

Электромотор же невосприимчив к этому эффекту; его крутящий момент не зависит от высоты. Именно в этом преимущество гибридной архитектуры в горах - пока в батарее есть энергия, электромотор собственным крутящим моментом восполняет ту часть, которую разреженный воздух компенсировать не может. Проблема в том, хватит ли этой энергии на весь непрерывный подъём.

Сколько Компенсирует Потеря Рекуперативного Торможения?

Спуск - самый эффективный сценарий для рекуперации энергии гибрида. На длинном спуске рекуперативное торможение способно заряжать батарею с такой скоростью, которая превышает мощность настенной зарядки уровня 2; это измерение основано на одном тестовом спуске, но даёт представление о масштабе. Пользовательский опыт коротких подъёмов на вершины, когда энергия, потраченная на подъём, может быть восстановлена на спуске - то есть круг «вверх-вниз» частично нейтрализуется - также подтверждает эту картину.

У системы есть и чёткие пределы. Когда уровень заряда батареи 80%достигнут, доля рекуперации энергии торможения снижается; на очень длинных спусках система упирается в этот потолок, а излишки уходят в механические тормоза. Кроме того, максимальная настройка рекуперации не всегда самый эффективный выбор - передача торможения преимущественно электромотору может привести к потерям даже в тех сценариях, где это могло бы улучшить поток энергии. То есть компенсация на спуске реальна, но обычно не возвращает всё, что было потрачено на подъём; потери эффективности при накоплении и возврате механической энергии в электрической форме неизбежны.

У подключаемых гибридов картина несколько иная. Сообщалось, что если короткий подъём можно полностью преодолеть на электротяге, то на длинном рампе при скоростях шоссе электрический запас хода может превысить прогноз, а расход электроэнергии на километр превышает запланированный на 2-3 мили больше. То есть даже при большей батарее вердикт для непрерывного подъёма не меняется: высокая мощность - быстрый расход.

Полный гибрид или последовательный гибрид: какой устойчивее на подъёме?

Честный ответ на этот вопрос - отсутствие независимых сравнительных тестов: количественного исследования, сопоставляющего две архитектуры в сценарии непрерывного подъёма, пока нет. Тем не менее из логики архитектур кое-что можно понять. В последовательных гибридах вся энергия торможения преобразуется в электрическую; это большое преимущество в трафике «старт-стоп», где торможение происходит часто. На длительном подъёме же цепочка последовательного гибрида длинная - механическая мощность сначала преобразуется в электричество, затем снова в механическое движение, и каждое преобразование создаёт потери.

Последовательно-параллельные (power-split) системы демонстрируют здесь структурную гибкость: на низкой скорости они работают последовательно, а на высокой скорости и высокой нагрузке - параллельно, сохраняя механический путь открытым. Непрерывный подъём - это как раз режим высокой нагрузки, поэтому способность параллельного подключения передавать мощность напрямую от двигателя к колёсам на практике превращается в преимущество. Мягкие гибриды - отдельная категория: они не могут двигать автомобиль только на электротяге, а лишь помогают. В реальном мире они могут обеспечить экономию топлива около 20-25% по сравнению с негибридными автомобилями, но этот выигрыш при горном подъёме намного ниже, чем в городе.

Самое убедительное резюме для преимущественно горной эксплуатации таково: с точки зрения мощности на подъёме разница объясняется скорее объёмом двигателя, турбонаддувом и общей массой, чем архитектурой; с точки зрения экономии решающим является профиль маршрута - соотношение подъёмов и спусков.

Каков реалистичный процент экономии на маршруте с подъёмами?

Уточнённого измерения процента экономии на горных дорогах по маршрутам пока нет в широком доступе; поэтому самый честный подход - рассуждать на основе известных марж. Гибрид в городе Более 50%, на трассе около 20% - это умеренный ориентир по преимуществу. На маршруте с непрерывным подъёмом преимущество неизбежно опускается ниже трассового показателя: поддержка электромотора ограничена, двигатель теряет мощность с высотой, а энергия, пополняющая батарею, поступает от того же двигателя. На практике разумно предположить, что экономия смещается в диапазон однозначных процентов, то есть около 10–20% на слегка холмистой местности, и приближается к ещё меньшим значениям на непрерывных перевалах - при этом индивидуальные результаты сильно варьируются в зависимости от крутизны подъёма, высоты, нагрузки и температуры воздуха.

Отчёты пользователей на форумах это подтверждают: на некоторых поездках через горные перевалы замечено снижение комбинированного расхода лишь на несколько MPG, в то время как некоторые водители сообщают о расходе в диапазоне 30–40 MPG на длительных подъёмах. Эти данные не противоречат друг другу: первое описывает сбалансированный маршрут со спусками, второе - непрерывный подъём. Известно, что заявленные значения не всегда соответствуют реальности; в горах этот разрыв ещё больше.

Есть и обратная сторона: холмистая местность даёт гибридам возможность. Батарея, заряженная при спуске, возвращается в виде дополнительного крутящего момента на следующем подъёме, а интеллектуальное управление мощностью балансирует расход топлива без ущерба для динамики. В итоге в горах гибрид перестаёт быть машиной для экономии, но на горном маршруте со сбалансированным профилем всё же остаётся эффективнее бензинового аналога. Полностью теряется лишь то поразительное преимущество в 50% , которое он имеет в городе.

Что делать гибридовладельцам на горных маршрутах?

• Планируйте поездку, сократив обещанную экономию вдвое, пока не увидите профиль маршрута; на маршруте с непрерывным подъёмом однозначная разница - это норма.
• Пытаться заранее зарядить батарею по максимуму перед долгим спуском бессмысленно; система при достижении уровня около 80% сама снижает эффективность рекуперации.
• Усиление шума двигателя при подъёме - это не неисправность, а режим зарядки батареи; при достижении целевого уровня заряда система возвращается в норму.
• На большой высоте модели с атмосферными двигателями сильнее ощущают нехватку мощности; версии с турбонаддувом или мощным электромотором на подъёмах ведут себя увереннее.
• Холодный горный воздух создаёт гибриду дополнительные трудности; на холоде батарея даёт меньше поддержки, и эффективность снижается.

Итог: постоянный подъём сужает преимущество гибрида, но не сводит его к нулю. В момент, когда электромотору не хватает мощности, чтобы нести всю нагрузку, подключается бензиновый двигатель, высота добавляет мотору дополнительную нагрузку, и экономия падает значительно ниже городских показателей. Тем не менее на горном маршруте с балансом подъёмов и спусков гибрид по-прежнему проезжает более экономично, чем его бензиновый аналог - просто не преувеличивайте эту разницу никому: в лучшем случае она на уровне погрешности трассы.

Источники

• Understanding Hybrid Vehicle Fuel Economy
• How Do Hybrid Cars Work?
• Hybrid Electric Vehicles - Alternative Fuels Data Center
• Long Downhill Braking and Energy Recovery
• Which engine is better at high altitude: diesel or gasoline?
• How Altitude Impacts Engine Performance
• How to Maximise EV Range with Regenerative Braking
• Series vs Parallel vs Series/Parallel Drivetrains
• Hybrid vs. Plug-in Hybrid Cars: What's Right for You?
• Hybrid vs plug-in hybrid: what difference
• Hybrid Battery Health: 7 Pro Tips
• Driving a hybrid in mountains and on steep roads?
• Mileage driving through mountain pass
• Electric Engine vs Gas Engine on short Uphill Climb
• Question for 4th gen hybrid owners about performance