Czym są pojazdy hybrydowe ? Jakie rodzaje hybryd możemy rozróżnić ? Jak działa taki system ? Chociaż pojazdy tego typu są już u nas dostępne od kilku lat, to czy tak naprawdę wiemy o nich wystarczająco dużo. Zapraszam do przeczytania artykułu, w którym postaram się przekazać trochę ciekawych informacji o tych urządzeniach.
1. Wprowadzenie:
Napęd hybrydowy jest to połączenie dwóch różnych rodzajów napędów w jeden poruszający jedno urządzenie. Najczęściej spotykanym połączeniem jest zintegrowanie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym. Dane silniki mogą pracować równocześnie lub oddzielne jest to dobierane według potrzeb. W przypadku gdy silnik spalinowy napędza pojazd silnik elektryczny może pełnić funkcje alternatora. W taki sposób maszyna elektryczna ładuje akumulator jak i zasila elektronikę pojazdu. Założenia to wykorzystanie silnika elektrycznego do jazdy w mieście przy małych prędkością i przy małym obciążeniu lub do rozruchu pojazdu, Natomiast silnika spalinowego wykorzystanie do jazdy bardziej dynamicznej z dużą prędkością i dużym obciążeniem.[1]
2. Podział napędów Hybrydowych:
Główny podział:
Micro Hybrid – Czyli system start&stop, Po zatrzymaniu się pojazdu np. na światłach silnik gaśnie jest wrzucony bieg jałowy, w przypadku ponownego wciśnięcia sprzęgła napęd zostaje automatycznie uruchomiony. Nie jest to pełne rozwiązanie hybrydy gdyż jednostka elektryczna pracuje jako generator nie jest w stanie napędzać samochodu.
Mild Hybrid – jest to bardziej zawansowane rozwiązanie hybrydy, konstruowane jest w dwóch wersjach szeregowej i równoległej.
Full Hybrid – Może pracować w trzech typach jak sam silnik elektryczny, jako sam silnik spalinowy i jako zespół dwóch jednostek. Przy wolnej delikatnej jeździe pracuje tylko silnik elektryczny gdy jazda staje się bardziej dynamiczna potrzba dodatkowej mocy wtedy automatycznie załącza się silnik spalinowy.[2]
Mamy trzy typy hybryd:[3]
Układ szeregowy – silnik spalinowy napędza generator, który zasila silnik elektryczny i ładuje akumulatory daje nam to wysoką sprawność silnika elektrycznego oraz prędkości obrotowe dobrane do maksimum momentu obrotowego.
Układ równoległy – koła są napędzane z silnika spalinowego i/lub elektrycznego w takim układzie silnik spalinowy wspomaga przy dużym zapotrzebowaniu na energię.
Układ równoległo-szeregowy – jest to połączenie dwóch układów w którego skład wchodzi silnik spalinowy oraz dwie jednostki elektryczne. Silnik spalinowy albo bezpośrednio przenosi siłę na koła napędowe albo służy do zasilania silnika elektrycznego. Natomiast silniki elektryczne pełnią tutaj funkcje nieco inną. Pierwszy może samodzielnie napędzać silnik, wspomagać silnik spalinowy kub odzyskiwać energie z hamowania, a druga jednostka elektryczna może bezpośrednio napędzać pierwszą jednostkę elektryczną lub ładować akumulatory.
Układ szeregowy z wykorzystaniem dwóch silników elektrycznych i silnika spalinowego:
Rysunek 1: Hybryda szeregowa na przykładzie Mitsubishi Outlander PHEV. Żródło: Mitsubushi
W układzie widocznym powyżej mamy przedstawione działanie napędu hybrydowego szeregowego z napędem na dwie osie. W takim układzie silnik spalinowy nie jest połączony mechanicznie z kołami napędowymi służy on do napędzania generatora prądu elektrycznego. Prąd z generatora trafia do baterii (akumulatorów) z których następnie trafia do silników elektrycznych jakie zasilają silniki elektryczne. W tym przypadku są zastosowane 3 jednostki elektryczne dwie wykorzystane do napędu natomiast jedna pełni role generatora prądu. W momencie gdy akumulatory są naładowane silnik spalinowy nie pracuje. Dopiero w momencie gdy akumulatory ulegną rozładowaniu następuje załączenie silnika spalinowego, który napędza generator zasilający silnik elektryczny.
Zalety hybrydy szeregowej:
Jazda w trybie czysto elektrycznym
Oszczędność paliwa
Ograniczenie emisji spalin
Eksploatacja silnika spalinowego w zakresie największej sprawności (ilość toksycznych związków)
Wady hybrydy szeregowej:
Wysokie koszty budowy
Znaczne wymiary
Duża masa układu napędowego
Konieczność kilkukrotnego przetwarzania energii
Układ równoległy z wykorzystaniem dwóch silników elektrycznych i silnika spalinowego:
Rysunek 2: Hybryda równoległa na przykładzie Mitsubishi Outlander PHEV. Żródło: Mitsubushi
Widzimy układ pracy hybrydy równoległej przy napędzie na dwie osie. W hybrydzie równoległej przede wszystkim jednostką napędzającą jest silnik spalinowy jaki jest połączony mechanicznie z wałem osi natomiast silnik elektryczny pełni funkcje pomocniczą. Napędy hybrydowe równoległe możemy podzielić na trzy kategorie:
O jednym sprzęgle
O dwóch sprzęgłach
O rozdzielnych osiach
W pierwszym przypadku silniki elektryczny i spalinowy jest połączony ze sobą więc nie ma możliwości pracy oddzielnej. W teorii silnik elektryczny może pracować sam ale nie ma to sensu ze względu na to, że wał korbowy silnika spalinowego będzie się obracał w wyniku czego powstaną straty, drgania oraz hałas. Poruszanie jest możliwe wyłącznie przy małych prędkości. Również trwałe połączenie źle wpływa na ilość odzyskiwanej energii z hamowania ponieważ silnik spalinowy dodaje dodatkowe opory. Dlatego dla najprostszego wariantu jednostka elektryczna pełni funkcje rozrusznika dla silnika spalinowego oraz alternatora.
Hybryda równoległa o dwóch sprzęgłach jednostka elektryczna nie jest na stałe połączona ze spalinowym silnikiem. Jest zastosowane sprzęgło pomiędzy tymi jednostkami co daje możliwość pracy niezależnej, a co za tym idzie możemy uzyskać czysto elektryczny napęd. Ale silnik elektryczny nie może pracować na pełnej mocy, ponieważ musi być awaryjna dawka energii na rozruch silnika spalinowego. Podczas hamowania cała energia trafia do akumulatorów bo silnik zostaje rozłączony i nie wprowadza strat. Taki układ musi posiadać bardzo małe sprzęgło pomiędzy jednostkami co jest wyzwaniem również rozwiązanie rozruchu silnika elektrycznego w czasie jazdy również bywa wyzywające ze względu na komfort jazdy.
Ostatni przypadek jest przykładem gdzie jednostka spalinową nie jest połączona mechanicznie z jednostką elektryczną. Silnik spalinowy napędza przednią oś natomiast silnik elektryczny tylną. Jeżeli dwie jednostki napędowe są aktywne równocześnie to mamy do dyspozycji napęd na cztery koła. Silnik może odzyskiwać energie podczas hamowania. Podczas postoju jednostka nie jest w stanie wytwarzać prądu dla tego silnik spalinowy potrzebuje dodatkowo rozrusznika i alternatora. Jednostka obrotowa może pracować z dużą prędkością obrotową. Dzięki temu uzyskujemy większą sprawność napędu hybrydy oraz energii wydobywanej z hamowania. Wadą jest to, że potrzebny jest dodatkowy rozrusznik. Również ciężko jest utrzymać stałe wartości trakcyjne pojazdu , jest on raz podsterowny a raz nadsterowny to jest zależne od wykorzystania napędu.
Zalety:
Duża sprawność
Niższe koszty od hybryd mieszanych i szeregowych
Więcej miejsca, przestrzeni
W mniejszym stopniu odbiegają technicznie od konwencjonalnych samochodów
Tryb mieszany:
W takim układzie silnik spalinowy współpracuje z dwoma jednostkami elektrycznymi. Wykorzystywana jest przekładnia planetarna, w której to moc silnika spalinowego jest rozdzielana na dwie drogi mechaniczną i elektryczną. Pierwsza jednostka elektryczna może samodzielnie napędzać silnik, wspomagać silnik spalinowy lub odzyskiwać energie z hamowania. Drugi silnik elektryczny jest wykorzystywany do bezpośredniego zasilania pierwszego lub ładowania akumulatorów. Wykorzystywany jest również jako rozrusznik silnika spalinowego. Przekładani planetarna zastępuje standardową skrzynie biegów, sumuje obroty oraz momenty obrotowe napędów. Przełożenia są zmieniane bezstopniowo, przekładnia podnosi komfort jazdy, lecz jej praca jest specyficzna. Ma większą sprawność od hybrydy szeregowej ale mniejszą od równoległej. Duża oszczędność paliwa podczas poruszania się po mieście.
3. Hybryda, a inne jednostki napędowe.[5]
Porównując napędy na samym początku możemy powiedzieć, że wykorzystanie napędów łączonych jest lepsze od typowego silnika spalinowego. Stosując hybryda nie musimy stosować dodatkowych elementów w układzie takich jak rozrusznik czy alternator. Również paski napędu nam nie są potrzebne jak i filtr cząstek stałych. Następną zaletą hybryd jest to, że wspomaga hamowanie przez co wolniejszej degradacji ulegają klocki hamulcowe. Na przykładzie diesel często są problemu z wcześniej wspomnianym filtrem cząstek stałych jak i również z turbosprężarką. Kolejnym atutem hybrydy są mniejsze drgania oraz możliwość rozruchu w niższych temperaturach. Co do hybrydy można mieć zarzuty co do baterii, ich wytrzymałość może być różna choć postęp w udoskonalaniu ciągle dąży do przodu. Dobrym tego przykładem jest stosowanie akumulatorów litowo-jonowych. Na nie korzyć jednostki hybrydowej wpływa masa jak większa od jednostek napędowych spalinowych. Po niżej znajduje się charakterystyka zależności momentu obrotowego od prędkości obrotowej dla różnych jednostek.
Dynamika pojazdów:
Rysunek 3: Charakterystyka zależności momentu od prędkości.[4]
Charakterystyka dokładnie obrazuje nam zachowanie danego napędu od małych prędkości do dużych. Widzimy, że hybryda nie ma sobie równych przy małych prędkościach jej moment jest najbardziej korzystny. Chociaż wraz z prędkością moment hybrydy spada, a silników spalinowych wzrasta to i tak cały przebieg jest na korzyść hybrydy. Przy większych prędkościach silnik spalinowy o większej pojemności osiąga lepszy moment od hybrydy ale biorąc całą charakterystykę to nie ma porównania. Również można zauważyć, że silniki spalinowe o mniejszych pojemnościach nie osiągają nawet przy dużych prędkościach takiego momentu jak hybryda. Natomiast silnik czysto elektryczny o mocy 15kW jest odstoją od reszty. Ale zauważamy że w momencie kiedy dla napędu elektrycznego moment zaczyna spadać w tym punkcie hybryda osiąga swoje maksimum co do momentu. Widzimy tutaj zależność, że dla tej samej prędkości obrotowej obie jednostki zaczynają tracić swój moment obrotowy.
4. Zobrazowanie zachowania się napędu w czterech przypadkach.[4]
a) Rozpoczęcie jazdy, małe prędkości:
Rysunek 4: Źródło: Technology Review
Pracuje tylko silnik elektryczny, który napędza koła, energia jest pobierana z akumulatorów.
b) Gwałtowne przyspieszenie, wjazd pod górę:
Rysunek 5: Źródło: Technology Review
Napędzany przez dwa silniki jednocześnie, energia jest pobierana z akumulatorów dla silnika elektrycznego i paliwo dla silnika spalinowego.
c) Przyśpieszenie, większe prędkości:
Rysunek 6: Źródło: Technology Review
Pracuje silnik spalinowy jaki napędza pojazd jak i daje energie do ładowania akumulatorów.
d) Hamowanie, zmniejszenie prędkości:
Rysunek 7: Źródło: Technology Review
Silnik spalinowy nie pracuje, silnik elektryczny pełni funkcje prądnicy zamieniając energie kinetyczną kół na energie elektryczną wykorzystaną do ładowania akumulatorów.
5. Wykorzystane jednostki napędowe w hybrydach.[7]
a) Silnik spalinowy:
Wytwarza energie kinetyczną otrzymaną po przez spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej. Ma bardzo niską sprawność oscylującą na poziomie 30-40%. Z tego można wywnioskować, że od 60 do 70% energii uzyskanej w procesie spalania zostaje bezpowrotnie utracona. Trzeba jeszcze wziąć pod uwagę, że takie sprawności występują w bardzo wąski zakresie obrotów i w odpowiedniej temperaturze. Oznacza to, że dopiero optymalną sprawność otrzymujemy kilka minut po uruchomieniu i tylko wtedy, gdy obroty są idealnie dobrane do największego momentu obrotowego. Dlatego producenci dożą do rozwiązań, które przyśpieszą dogrzanie silnika.
Rysunek 8: Silnik spalinowy. Źródło: Materiały prasowe
b) Silnik elektryczny:
Ma bardzo duży zakres użytecznych obrotów i może bardzo sprawnie przyśpieszyć od 0 do 170km/h na jednym przełożeniu. Nie zależnie od temperatury sprawność niemal nie ulega zmianie, a ponadto sprawność takiego silnika elektrycznego jest bliska 100%. W porównaniu do jednostki spalinowej do przepaść jak je dzieli. Jedyny problem z silnikami elektrycznymi jest gromadzenie energii potrzebnej do zasilania silnika elektrycznego. Akumulatory nawet litowo-jonowe mają niskie zagęszczenie przechowywanej energii. Więc silnik elektryczny składa się bardzo efektywnego silnika elektrycznego i bardzo słabego akumulatora.
Rysunek 9: Silnik spalinowy. Źródło: Materiały prasowe
c) Połączenie napędów:
Dlatego hybryda jaka łączy te dwa rodzaje napędów jest bardzo dobrym rozwiązaniem. Z dwóch silników jakie pracują oddzielnie z niekorzystnych stają się optymalnym napędem maskującym swoje wady.
Rysunek 10: Silnik spalinowy. Źródło: Materiały prasowe
7. Ładowanie akumulatorów (baterii) w hybrydach.
a) Wykorzystanie silnika spalinowego.
Silnik spalinowy napędza silnik elektryczny jaki jest wykorzystany jako generator. Dzięki temu może od uzupełniać energia potrzebną do pracy silnika elektrycznego napędzającego pojazd. Najczęstsza metoda i doładowująca akumulatory w każdym momencie.
b) Hamowanie rekuperacyjne:
Podczas hamowania silniki elektryczne działają jak prądnice, wytworzony prąd jest przekazywany do akumulatorów jakie magazynują do późniejszego zasilania silnika elektrycznego. Energie otrzymujemy tylko wyniku hamowania, takie ładowanie jest bardzo ograniczone.
c) Po przez gniazdo Plug-in.
Wykorzystujemy gniazdo jakie złączone ze źródłem ładuje nam baterie coraz częściej stosowane w pojazdach hybrydowych choć głównie wykorzystywane w pojazdach czysto elektrycznych. Można tylko ładować na postoju w stacja to tego przystosowanych.
8. Akumulatory wykorzystywane w hybrydach.[6]
a) Akumulatory litowo-jonowe:
Są najczęściej spotykane w hybrydach ale też wykorzystywane do zasilania wszelkiego typu elektroniki. Składają się one z dwóch elektrod: jednej wykonanej z węgla i drugiej z tlenków metali. Elektrolitem jest roztwór litu. Charakteryzują się większą gęstością i co za tym idzie pojemnością oraz są lżejsze niż akumulatory niklowo-metalowe. Są dostosowane do szybkiego ładowania ale w wyższych temperaturach nie zachowują się tak dobrze jak niklowo-metalowe.
Rysunek 11: Akumulator litowo-jonowy. Źródło: Toyota
BUDOWA
Rysunek 12: Akumulator litowo-jonowy Żródło: http://ep.com.pl/
b) Niklowo-metalowo-wodorkowe:
Rzadziej występujące w hybrydach. Składają się z anody wykonanej ze stopu metali takich jak nikiel, magnez, mangan, kobalt i aluminium oraz katody z płytki niklowej. Są większe od wymienionych poprzednich i cięższe. Dobrze zachowują się w wysokich temperaturach oraz produkcja jest tańsza od litowo-jonowych.
Rysunek 13: Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy Źródło: Toyota
Budowa:
Rysunek 14: Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy. Źródło: http://www.fatclicks.listy.info.pl/
9. Warto zapamiętać.[8]
HEV – Hybrid Electric Vehicle – pojazd hybrydowy, w którym działa sam silnik elektryczny lub silnik spalinowy ewentualnie oba razem,
KERS – Kinetic Energy Recovery System – urządzenie pozwalające magazynować energie otrzymaną wyniku hamowania. Energia jest typowo magazynowana w superkondensatorach lub w kole zamachowym.
Mild-hybrid – łagodna hybryda; pojazd, który ma funkcje oszczędności spalin system start-stop, również często stosowane akumulatory 24v
Series HEV – Szeregowa hybryda – napędzany silnikiem elektrycznym, silnik spalinowy służy głównie do ładowania baterii napędzając generator .
Parallel HEV – Równoległa hybryda – pojazd wykorystujący oba silniki spalinowy i elektryczny
Li-Ion, LIB – baterie litowo-jonowo, najczęściej wykorzystywane w pojazdach elektrycznych z uwagi na dość wysoką gęstość energii (250–730 W·h/L).
PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicle – samochód hybrydowy z gniazdem do ładowania bezpośrednio z sieci
SoC – State of Charge – stan naładowania baterii w pojeździe hybrydowym;
EREV – Extended-range electric vehicle – samochód typu szeregowa hybryda, charakteryzujący się zwiększonym zasięgiem.
10. Podsumowanie.
Do budowy pojazdu napędzanego hybrydą trzeba przeanalizować wiele rzeczy między innymi: analiza w jaki sposób będzie zasilana, jakie wybrać akumulatory odpowiednie napędy oraz sposób działania odpowiedni typ. Oraz przede wszystkim jakie zadania ma spełniać. Coraz więcej osób przekonuje się do pojazdów hybrydowych, jest ich coraz więcej na drogach. Ze względów, że zanieczyszczenia miast są bardzo duże to takie rozwiązanie jest bardzo dobre ze wzglądu na zanieczyszczenia jak i na cenę użytkowania (wahania cen paliwa). Hybryda korzystając z silnika elektrycznego jest bardzo cicha po załączeniu silnika spalinowego nadal jest cichsza od typowego spalinowego. Ze względu, że miejsc ładowania w Polsce jest bardzo mało to wejście typowych aut elektrycznych jest za szybko więc hybrydy spełniają tutaj taka wersje pośrednią dające idealne rozwiązania.
Przypis
[1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Nap%C4%99d_hybrydowy
[2] http://www.moc-hybrydy.pl/poznaj.html
[3] http://kdk.autokult.pl/26246,anglik-w-polsce
[4] http://www.dsod.p.lodz.pl/materials/EwP08_A01.pdf
[5] https://www.motointegrator.pl/poradnik/po-godzinach/naped-hybrydowy-czy-silnik-wysokoprezny-co-wybrac-cz-ii/
[6] http://www.spidersweb.pl/2016/01/akumulatory-samochodowe-roznice.html
[7] http://technowinki.onet.pl/motoryzacja/naped-hybrydowy-w-samochodach-to-dzis-najlepsze-polaczenie-technologii-elektrycznej-i/t1cfc3
[8] http://www.moto-biznes.pl/pl/baza-wiedzy/42-podstawowe-poj%C4%99cia-zwi%C4%85zane-z-samochodami-elektrycznymi-hybrydowymi.html
[9] http://www.motorewia.pl/motoartykuly/czy-samochody-hybrydowe-technologia-przyszlosci/
[10] http://ep.com.pl/artykuly/10299-Akumulatory_litowe.html