Побеги

В Оппаме, что на окраине Йокосуки, остро пахнет морем. Над головой величаво барражируют ястребы, в заливчике с маленькой лодки рыбаки бросают сети…

А по соседству громоздятся серые корпуса заводов Nissan, моторного и автосборочного. Оппама — яркое доказательство того, что автопром и экология совместимы. Неудивительно, что свои новейшие «зеленые» технологии ниссановцы решили показать журналистам именно здесь, на недавно построенном полигончике Grandrive.


Движение на электротяге: сцепление разомкнуто, бензиновый двигатель заглушен. Во время рекуперативного торможения электромотор играет роль генератора и заряжает батареюДвижение на бензиновой или смешанной тяге: сцепление замкнуто. Во время разгона электромотор помогает бензиновому двигателю, на установившихся скоростях — заряжает батарею

Нынешний экологический бум застал ниссановцев врасплох — ни гибридомобилей, ни современных дизелей. А на собственные разработки нужны не только деньги, которые у «убийцы расходов» Карлоса Гона, нынешнего короля империи Renault-Nissan, под жесточайшим контролем. Нужно время! Ведь Toyota и Honda начали работы над гибридами еще в начале 90-х…

Чтобы подчеркнуть длительность цикла новых разработок, высокопоставленные ниссановцы несколько лет назад даже создали некую «идеологию» — Orchard Concept, аналогию с садоводством-огородничеством. Дескать, научно-технические разработки — это как плодородная почва, на которой со временем вырастают деревья, а затем появляются и плоды. Пока Nissan готовит «почву», приходится перебиваться «аутсорсингом» — единственный ниссановский гибридомобиль, седан Altima Hybrid, который с 2007 года продается в восьми штатах США и в Канаде, имеет силовую установку по тойотовской лицензии: электромеханический вариатор на основе планетарной передачи с электродвигателем и генератором, как у модели Camry Hybrid. Разве что бензиновый мотор «свой».

Гибридный силовой агрегат Infiniti: двигатель V6 3.5, сухое сцепление, электромотор и гидромеханический семиступенчатый «автомат» с мокрым фрикционом вместо гидротрансформатора

Но всходы собственного «огородничества» уже пробиваются сквозь плодородную японскую почву! Вот они, передо мной — в виде обычного на вид седана Infiniti G35 с гибридной силовой установкой, уже не имеющей ничего общего с тойотовскими агрегатами.


Электромобили уже выпускались в Японии — в послевоенное время из-за нехватки бензина. Например, «демилитаризованная» компания Tachikawa Aircraft переводила на электротягу свои автомобильчики Tama: этот четырехместный таксомотор (1947 год) длиной 3 м и массой 1,1 т имел две сменные свинцово-кислотные батареи емкостью 162 А·ч, располагавшиеся под полом на выдвижных направляющих по обе стороны машины. Мотор мощностью 3,3 кВт позволял набирать 35 км/ч, запас хода достигал 90 км. В 1952 году Tama была переименована в Prince Motors, а в 1968 году вошла в состав компании Nissan На первый взгляд, все просто. Ниссановцы взяли обычный заднеприводный G35, поменяли старый пятиступенчатый «автомат» на новый с семью передачами от более «свежей» версии G37 — и встроили между двигателем V6 и коробкой передач компактный электромотор. Точно так же устроена любая гибридная Honda. Но ниссановский агрегат сложнее — электродвигатель отделен от бензинового мотора сухим однодисковым сцеплением. Зачем? А затем, чтобы при движении на малых скоростях исключительно на электротяге электромотору не приходилось вращать еще и коленвал с поршнями. Хондовцы на сцеплении экономят — у них электромотор и коленчатый вал связаны жестко, а потери при езде на электротяге минимизируются переводом бензинового мотора в «пассивный» режим с закрытыми клапанами.

Но инженеры Ниссана считают иначе. Кстати, как и немцы из концерна Volkswagen — ведь и экспериментальные гибридные Porsche Cayenne и Audi Q7, на которых мы ездили полтора года тому назад (см. АР №19, 2007), и грядущий Volkswagen Touareg Hybrid имеют такую же схему силовой установки с дополнительным сцеплением.

Экспериментальный Infiniti G35 Hybrid трогается на электротяге бесшумно и плавно. Сто метров, подъем, двести метров, вираж и спуск… Бензиновый двигатель практически незаметно пускается через минуту, когда я немного сильнее нажимаю на газ, и Infiniti продолжает утюжить гладкий асфальт полигона Grandrive уже под привычное сытое урчание «шестерки» легендарной серии VQ. Разгонная динамика? Прекрасная. Ведь сейчас бензиновому мотору V6 3.5 помогает еще и электродвигатель. Но главное — как только я переношу ногу с газа на тормоз, электромотор превращается в генератор и помогает сберечь часть кинетической энергии, «закачивая» ее обратно в батарею. Именно ради этого так называемого рекуперативного торможения и затевается весь гибридный сад-огород. Именно рекуперация позволяет гибридомобилю при лучшей разгонной динамике расходовать меньше топлива — как говорят ниссановцы, экономия может достигать сорока процентов!

Прототип электромобиля как минимум на 300 кг тяжелее обычного хэтчбека Nissan Cube — примерно столько весят три литий-ионные батареи (по 100 кг каждая). Мощность электромотора — 80 кВт, запас хода планируется довести до 120—160 км. Полная зарядка занимает шесть часов

Короткий драйв по полигону закончен — я хлопаю дверью Infiniti, и тот остается урчать мотором на «нейтрали», подзаряжая подсевшую литий-ионную батарею.

Первое впечатление — положительное: ниссановский прототип хотя бы не дергается при переключениях в гибридной трансмиссии, как экспериментальный Audi Q7 Hybrid. А ведь обеспечение плавной работы сцепления для незаметного запуска бензинового мотора и есть главная проблема при создании такой силовой установки.

Но если не учитывать «тихий» электростарт, то в остальном такой гибридомобиль ничем не отличается от обычного Infiniti. И это очень важно! Ведь не зря Nissan выбрал ту же гибридную схему, что Porsche и Audi, отказавшись от тойотовского электромеханического вариатора. Разница — принципиальная. Если любые гибридные Toyota и Lexus разобщают бензиновый мотор с колесами, то ниссановская схема сохраняет между ними жесткую связь. У «автомата» здесь даже нет гидротрансформатора — его заменяет мокрое сцепление между электромотором и коробкой передач. Это, кстати, ноу-хау — такого пока не предусматривают даже немецкие силовые установки.

Так выглядит схема экспериментального производства плоских ламинированных литий-ионных аккумуляторов Nissan-NEC. Исходные материалы — далеко не самые дорогие: порошки оксидов лития, марганца и алюминия для формовки электродов, фольга, пластик для ламинирования и электролит (раствор солей лития)

— Удовольствием от вождения мы поступаться не хотим, — подчеркивают ниссановцы. — Сейчас мы докажем вам, что даже электромобиль может разгоняться агрессивно!

Доказательство — белый Nissan Cube с крупными надписями Test Car и EV-01. Это «мул», прототип, на котором испытывают узлы будущего электромобиля, обещанного Гоном в программе Nissan Green Program 2010. Под капотом — электродвигатель с редуктором, под полом и в багажнике — литий-ионные батареи. В отличие от гибридомобиля, этот «кубик» ездит вообще беззвучно — не слышно даже привычных «электромобильных» подвываний. Причем ездит резво! Нажатие на упругую педаль акселератора — и Cube рвет подметки: как говорят ниссановцы, на малых скоростях электромотор с его характерной «полкой» крутящего момента разгоняет машину с интенсивностью суперкара GT-R уже с нулевых оборотов!

Верю.

Разработка литий-ионных аккумуляторов — яркий пример прикладного применения нанотехнологий: для повышения энергоемкости размер частиц материала катода, свойства которого наиболее критичны для энергоемкости батареи, нужно снижать до десятков нанометров. В лаборатории AESC сложнейшие процессы трансформации материала электродов при заряде и отдаче тока моделируют на компьютерах и анализируют с помощью электронного микроскопа

Правда, потом кривая момента идет вниз: чем выше обороты электромотора, тем ниже ускорение. Да и управляемость… В безобидном вираже «кубик» отчаянно кренится, истерически визжат передние покрышки. Ведь весит машинка без седоков аж 1600 кг.

Батареи…

Основной камень электромобильного преткновения — аккумуляторы, которые по соотношению собственной массы и запаса энергии многократно уступают обычному баку с углеводородным топливом. К тому же просто нашпиговать машину сотнями аккумуляторов от мобильных телефонов или ноутбуков не получается: совершенно иной уровень энергообмена. Поэтому здесь же, в Оппаме, в здании по соседству с моторным заводом с мая 2008 года работает собственная лаборатория по разработке тяговых литий-ионных батарей, организованная в рамках СП Automotive Energy Supply Corp (AESC) с «электронной» корпорацией NEC. Люди в белых халатах и масках, микроскопы, прецизионные весы… Здесь подбирают состав электродов таким образом, чтобы аккумуляторы быстрее принимали и отдавали энергию, здесь учатся соединять ламинированные пакеты в максимально компактные, легкие и хорошо охлаждаемые батареи.

Ламинированные аккумуляторные ячейки собираются в пакет…
…а потом из них получается батарея, для безопасности заключенная в прочный корпус

Неужели эти несколько комнат и есть форпост электромобилизма?

Помнится, раньше в ходу была конспирологическая теория — мол, разработку аккумуляторных батарей блокируют нефтяные гиганты, которым невыгодно менять существующий в мире порядок вещей. Ведь добыча и переработка нефти — колоссальный бизнес, по прибыльности уступающий разве что торговле наркотиками, оружием или детскими кукурузными хлопьями Nestle по 360 рублей за килограмм. А брадатый эконом-мудрец Маркс замечал, что «при 300% прибыли нет такого преступления, на которое не рискнул бы капиталист даже под страхом виселицы»…

Конечно, никакого заговора нет — все происходит естественным, экономическим путем. Обороты «нефтянки» — триллионы, автопрома — сотни миллиардов. Представляете, что было бы, если хоть десятая часть от тех денег, что потрачены за последние 15 лет на разработку двигателей внутреннего сгорания, направлялась бы на электромобильные исследования?

Скорее всего, сначала серийные литий-ионные батареи Nissan-NEC начнут ставить на электропогрузчики отделения Nissan Forklift — ориентировочно уже в нынешнем году

Но вплоть до 2004 года, пока не начали расти цены на нефть, это было просто невыгодно. Работы, конечно, велись — например, тот же Nissan начал экспериментировать с литий-ионными аккумуляторами с 1992 года, сразу после начала их коммерческого применения фирмой Sony, а опытный Nissan Prairie EV 1996 года был одним из первых в мире электромобилей с батареями Li-ion. Но только в последние годы у этих экспериментов появилась коммерческая перспектива. Нефть по 140 долларов за баррель, налоги на выбросы СО₂ из-за экологической истерии с глобальным потеплением… И жажда развитых стран получить независимость от «сырьевых» государств.

Лаборатории AESC в Оппаме, в которые Nissan и NEC должны вложить около $115 млн за три года, и есть надежда американского проекта Better Place, о котором мы столько рассказывали. Помните затею наладить транспортную систему с пунктами быстрой смены батарей для электромобилей Renault на базе модели Megane, которая должна быть развернута в Израиле, Дании и Калифорнии? Батареи Better Place Project будет получать из Японии, от AESC — для этого отделение NEC TOKIN построит за $100 млн завод в Сагамихаре для выпуска литиево-магниевых электродов. Первоначальная мощность — всего 13 тысяч батарей в год с возможным ростом до 65 тысяч. Поставки для электромобилей Renault в рамках проекта Better Place намечены на 2011 год. Но сначала в 2010 году литий-ионные аккумуляторы Nissan-NEC (не сменные, а обычные) должны появиться на том собственном электромобиле, прототипом которого и служит белый Cube. Опытная эксплуатация начнется сперва здесь, в японской префектуре Канагава, и в американском штате Теннесси. На очереди — правительство Португалии, которое тоже заинтересовано в будущем ниссановском электромобиле. И если два года назад ниссановские стратеги планировали массовую продажу электромобилей Nissan на мировых рынках на 2015 год, то теперь сроки сдвигаются — на 2012 год!

Правда, «массовая продажа» — это громко сказано: речь идет о нескольких тысячах или в лучшем случае десятках тысяч электромобилей. А если цены на нефть, которые нынче упали до уровня начала 2000-х годов, так и не вырастут?

Но политическая составляющая нынче может стать важнее экономической. «Каждый день приносит новые подтверждения того, что наши способы пользования энергией укрепляют наших врагов и угрожают нашей планете… Мы заставим землю, солнце и ветер служить нам, приводя в движение моторы наших автомобилей и станки наших заводов». Это слова из инаугурационной речи Барака Обамы. Конечно, новый президент США отдает себе отчет в том, что проблемы «не удастся решить легко и быстро». Хотя бы потому, что генерируемой электроэнергии на весь транспорт пока не хватит. Но…

Судя по всему, семена электромобилизма были брошены в ниссановскую почву вовремя. Неужели близок тот день, когда Авторевю придется переименовать — в Электроревю?

Слева направо — новейшая история электромобилей Nissan: экспериментальный Nissan Prairie Joy EV (1996 г.) и мелкосерийные Nissan R’nessa EV (1998—2003 гг., 359 машин) и микрокар Hyper Mini (1999—2001 гг.). У всех — литий-ионные батареи старого, цилиндрического типа

Ионы лития

Впервые экспериментировать с литием в качестве активного материала для электродов аккумуляторных батарей начал в 1912 году американский физик Гилберт Льюис в Массачусетском технологическом институте: ведь литий — самый легкий металл и имеет наилучшую энергетическую плотность на единицу массы. Попытки создать серийные литий-ионные (Li-ion) батареи предпринимались в Америке в 70-х годах, а успеха впервые достигла группа физиков под руководством Мэнли Уиттингэма, которая работала под эгидой… нефтяной компании Exxon.

Но потом инициативу перехватили японцы. В 70-е годы начался массовый выпуск одноразовых литиевых батареек для электронных японских часов, а в 1991 году фирма Sony первой вывела на рынок литий-ионные аккумуляторы. Они вдвое превосходят никель-кадмиевые по удельной энергоемкости, допускают высокие зарядные и разрядные токи, лишены «эффекта памяти» и отличаются очень низким саморазрядом. Но опасность «саморазогрева» при интенсивном разряде, который может закончиться внутренним коротким замыканием и пожаром, до сих пор сохраняется — например, не прекращаются отзывные кампании литий-ионных батарей Sony для ноутбуков. Есть и другие врожденные недостатки технологии Li-ion — такие аккумуляторы боятся глубоких разрядов, заметно снижают работоспособность при отрицательных температурах, а мощные тяговые батареи вдобавок нуждаются в системах охлаждения. Чтобы «вылечить» все эти «детские болезни», нужны фундаментальные исследования в области нанотехнологий, за которые ученые взялись только в последние годы. Сейчас в Америке, Японии и Южной Корее ведутся работы, которые сулят литий-ионным аккумуляторам сохранение работоспособности при глубоких разрядах, полную зарядку всего за 20 минут и ресурс до 5000—7000 циклов «заряд—разряд» против обычных 1000 циклов.

Так ниссановцы иллюстрируют свои последние достижения в разработке плоских ламинированных литий-ионных аккумуляторов: эксперименты ведутся с материалом и формой электродов

Среди фундаментальных исследований, которые Nissan ведет «на перспективу», есть и работы над двигателями внутреннего сгорания — ведь в ближайшие десять лет реальной массовой альтернативы им пока не видно. Цель, поставленная ниссановцами, — уменьшить расход топлива и выбросы СО₂ на 30% к 2012 году. Механические потери на трение должны быть снижены за счет более «гладкого» хонингования цилиндров. «Убить» насосные потери на всасывание призвана бездроссельная система VVEL нового поколения, турбонаддув поможет утилизировать энергию выхлопных газов. А самое радикальное повышение КПД (аж на 16%!) сулит внедрение цикла HCCI, Homogeneous Compression Charge Ignition, при котором однородная бензовоздушная смесь воспламеняется не искрой, а от сжатия, как в цикле Дизеля. Ниссановцы уже добились устойчивой работы экспериментального двигателя по циклу HCCI на стенде, но только в очень узком диапазоне оборотов и нагрузок: в остальных режимах возникает детонация, вынуждающая переходить на цикл Отто с воспламенением от обычной свечи зажигания


"Авторевю", №3 (420), 2009 год