Kierujemy się coraz śmielej w stronę oszczędności. Oszczędzamy paliwo, generujemy coraz mniej spalin, a losy planety przestają nam być obce. Jedną z najważniejszych zmian w motoryzacji są wprowadzane lawinowo napędy hybrydowe, które stanowią połączenie napędu elektrycznego z tradycyjnym silnikiem spalinowym w jednym układzie napędowym. Brzmi prosto, ale nie do końca, bo pod znanym hasłem „hybryda” kryje się kilka fundamentalnie różnych architektur, z których każda zarządza przepływem energii i momentem obrotowym w zupełnie inny sposób.
Jak działa napęd hybrydowy? Ogólna zasada, która obowiązuje zawsze i wszędzie
Samochody hybrydowe zawsze łączą dwa źródła napędu:
- jednostkę spalinową (najczęściej benzynową);
- co najmniej jeden silnik elektryczny.
Każda z tych jednostek nie działa ot tak przez cały czas – to elektronika pokładowa decyduje, które źródło mocy jest aktywne, a które czeka na wykorzystanie drzemiącej w niej energii. Komputer analizuje to cały czas i załącza dane źródło mocy w zależności od potrzeb kierowcy, prędkości jazdy i poziomu energii zgromadzonej w akumulatorze.
Fundamentem każdej hybrydy jest odzyskiwanie energii. Dzieje się to na wiele zróżnicowanych sposobów, przede wszystkim w formie rekuperacji. Silnik elektryczny zamienia energię kinetyczną w energię elektryczną i magazynuje ją w akumulatorze w chwili, gdy samochód zwalnia lub podczas hamowania. Ta energia jest potem wykorzystywana do wspomagania silnika spalinowego w trakcie przyspieszania lub do jazdy w trybie elektrycznym. Efekt to obniżenie zużycia paliwa i redukcja emisji spalin.
Poznajmy dokładnie trzy rozwiązania.
Mild hybrid (MHEV) – miękka hybryda: efektywne odzyskiwanie energii
Mild hybrid to najprostszy i najtańszy wariant napędu hybrydowego. Silnik elektryczny (zwykle o napięciu 48V, o mocy 10–20 kW) pełni wyłącznie funkcję wspomagania silnika spalinowego – nie napędza kół i sam w sobie nie wprawia auta w ruch. Tym samym miękka hybryda nie potrafi jechać w trybie elektrycznym, nawet na krótkich dystansach.
Jak działa hybryda mild hybrid? Jest wyposażona w silnik elektryczny, który dostarcza dodatkową moc w trakcie przyspieszania (efekt boost), usprawnia system start-stop i odzyskuje energię podczas hamowania. To więc dodatek, który usprawnia jazdę, ale nie zmienia jej w sposób tak diametralny, jak inne hybrydy.
A jakie są korzyści? Typowe oszczędności finansowe sięgają 5–15% w porównaniu z analogicznym silnikiem spalinowym. Największe korzyści widać w ruchu miejskim; na dalszych trasach przy stałej prędkości różnica jest minimalna. Dlatego Mild hybrid to dobre rozwiązanie dla kierowców, którzy szukają nieco niższego spalania bez zmiany przyzwyczajeń i nie chcą martwić się o ładowanie.
Full hybrid (HEV) – pełna hybryda: najnowsze rozwiązanie dla standardowego klienta
Pełna hybryda to już znacznie bardziej zaawansowana konstrukcja, w której silnik elektryczny ma wystarczającą moc, żeby samodzielnie napędzać samochód – choć zazwyczaj na niewielkich prędkościach i na krótkich dystansach (1–3 km). Ponadto nie wymaga ładowania z zewnętrznego źródła prądu – bateria ładuje się wyłącznie w trakcie jazdy na skutek rekuperacji i pracy jednostki spalinowej.
Jak działa hybryda full hybrid? Przy niskich prędkościach – w korkach, na parkingach, przy wjeździe i wyjeździe z garażu – auto porusza się wyłącznie na prądzie. Silnik spalinowy włącza się, gdy elektronika wykryje potrzebę uzyskania większej mocy (np. przy wyjeździe na ulicę), lub gdy energia skumulowana w akumulatorze spadła poniżej danego poziomu. W wielu sytuacjach oba silniki pracują jednocześnie – elektronika optymalizuje warunki pracy silnika spalinowego i zarządza przepływem mocy między silnikiem hybrydowym a napędem elektrycznym, co wpływa na płynne przyspieszanie i poprawę osiągów samochodu.
A jakie są korzyści? Zużycie paliwa w full hybrid jest wyraźnie niższe niż w wariancie mild – spada o 20–40%, zwłaszcza w cyklu miejskim.
Toyota od lat stosuje ten napęd w modelach takich jak Corolla, Yaris czy RAV4, gdzie jednostka spalinowa współpracuje z silnikiem elektrycznym przez przekładnię planetarną – to tzw. hybryda szeregowo-równoległa.
Plug-in hybrid (PHEV) – hybryda plug in: prawie auto elektryczne
Hybryda plug in to najbardziej zaawansowana odmiana auta hybrydowego. Od pełnej hybrydy różni się przede wszystkim znacznie większą pojemnością akumulatora (zwykle 10–25 kWh), co przekłada się na realny zasięg elektryczny od 40 do nawet 100 km. W dodatku plug in PHEV można ładować z zewnętrznego źródła – domowego gniazdka, wallboxa lub stacji ładowania.
Jak działa hybryda plug-in hybrid (PHEV)? Prawie tak samo, jak auto typowo elektryczne. Jeśli kierowca regularnie ładuje akumulator z domowego gniazdka (a powinien!) i pokonuje trasy mieszczące się w zasięgu baterii, to samochód jest praktycznie nie od odróżnienia od pojazdu typu BEV (Battery Electric Vehicle) – z zerową emisją spalin. Na dłuższych trasach, gdy akumulator się rozładuje, silnik spalinowy przejmuje pracę i PHEV zachowuje się jak klasyczna hybryda. To więc poniekąd taki układ napędu, w którym zostały połączone największe zalety i silnika spalinowego, i elektrycznego.
A jakie są korzyści? Auta hybrydowe typu plug-in cechuje duża moc systemowa (często 200–300+ KM), ponieważ oba silniki sumują swoje parametry. Elektronika reguluje pracę silnika spalinowego i elektrycznego tak, żeby maksymalizować efektywność. To zmniejsza zużycie paliwa w cyklu mieszanym nawet do 1–2 l/100 km, ale pod warunkiem regularnego ładowania. Bez ładowania PHEV spala porównywalnie do konwencjonalnego auta.
Architektura napędu – hybryda szeregowa, równoległa i mieszana
Napędy hybrydowe różnią się też sposobem połączenia silnika spalinowego z elektrycznym i integracją systemów elektrycznych z układem napędowym. Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z mild, full czy plug-in.
Wyróżnia się trzy architektury. Każda z nich jest inna.
- Hybryda szeregowa. Silnik spalinowy w tej konstrukcji nie napędza kół bezpośrednio – pełni jedynie funkcję generatora, który zasila silnik elektryczny i ładuje baterię, a koła napędza wyłącznie silnik elektryczny. Silnik spalinowy pracuje tu ze stałą prędkością obrotową i w optymalnym zakresie, co zmniejsza zużycie paliwa.
- Hybryda równoległa. W tej konstrukcji obie jednostki, czyli zarówno silnik spalinowy, jak i elektryczny mogą napędzać koła i osobno, i jednocześnie. Tradycyjny silnik spalinowy jest połączony mechanicznie z układem przeniesienia napędu, a silnik elektryczny wspomaga go w trakcie przyspieszania lub przejmuje napęd przy niewielkiej prędkości. To najpopularniejsza architektura w hybrydach typu mild i wielu systemach full hybrid.
- Hybryda mieszana (szeregowo-równoległa). Ta konstrukcja natomiast łączy cechy obu powyższych rozwiązań, dlatego silnik spalinowy może napędzać koła bezpośrednio, jak i w zależności od warunków jazdy może pracować jako generator.
Hybrydy typu MHEV, HEV i PHEV – co wybrać?
To pytanie, na które… nie da się odpowiedzieć jednoznacznie, choć ostatecznie wybór zależy od stylu jazdy i sposobu pokonywania kilometrów.
Na dłuższe trasy autostradowe wystarczy hybryda mild hybrid, ponieważ nie ma dużej baterii, zatem jest tylko trochę droższa od spalinowej alternatywy, a jednak dalej nieco niższe spalanie odczujesz przy każdym tankowaniu.
Na trasach mieszanych jest inaczej: optymalnym kompromisem, bo związanym z nieco wyższą ceną, ale i znacznie większymi oszczędnościami, jest jednak pełna hybryda. Taka konstrukcja w ruchu miejskim często działa w trybie elektrycznym i generuje największe oszczędności.
W mieście i przy możliwości domowego ładowania największy sens ma hybryda plug in (PHEV). Tutaj energię elektryczną z sieci wykorzystasz niemal w całości, a silnik spalinowy będzie służył wyłącznie jako rezerwa na dalszych trasach, a i to nie zawsze.
Przyszłość napędów hybrydowych – co jest, a co będzie?
Najnowsze rozwiązania w segmencie hybryd dalej błyskawicznie zmierzają w kierunku coraz większych zasięgów elektrycznych. To zresztą główny cel większości producentów aut z takim rodzajem napędu. Z pewnością poprawie ulegnie także kwestia nieodczuwalnego przełączania się silników, jak i mniejsza cena zakupu – bo to jednak koszty dalej są przez kierowców uznawane za największy hamulec podczas zakupu nowego auta.
Koniec końców samochód hybrydowy to wciąż pojazd z silnikiem spalinowym, który pozornie nie zastępuje w pełni auta elektrycznego pod względem emisji. Jednak tylko pozornie, bo w ostateczności stanowi jedyny rozsądny krok pośredni dla kierowców, którzy chcą osiągnąć niższe spalanie i mniejsze zużycie paliwa, ale nie są gotowi na pełną elektryfikację.
