Hybrydowe know-how, czyli rewolucyjny wstęp do elektryków

Samochody hybrydowe – dziś już chyba każdy o nich słyszał, choć nie wszyscy jeszcze wiedzą, czym tak dokładnie są. Jakie są ich wady, jakie zalety? Z uwagi na fakt, że hybrydowa rewolucja wydarza się już teraz – na naszych oczach – warto wrócić do jej początków i wyjaśnić najważniejsze zagadnienia. Przedstawiamy hybrydowe ABC.

2018-10-23 16:11:43

Myślisz hybryda, mówisz Prius. Nic bardziej mylnego! Takie auta mają zdecydowanie dłuższą historię. Pierwsze takie auto świat ujrzał ponad 100 lat temu. Pomysł był świetny, jednak ówczesna technologia nie pozwalała zadowalająco wykorzystać myśli, przełożyć idei na funkcjonalny produkt. Musiało minąć dziesięć dekad, zanim ludzkość rozwinęła materiałoznawstwo i technologię. Wszystko nabrało rozpędu pod koniec XX w. Co spowodowało taki obrót sprawy? Przewidywania kończących się zasobów ropy? Ekologiczne trendy zapoczątkowane w latach 90.? Dbanie o środowisko czy po prostu czysta ekonomia? Trudno powiedzieć. Jedno jest pewne, że samochody hybrydowe, a ostatecznie elektryczne, są nieuchronną przyszłością. I czy chcemy, czy nie, musimy się do nich przyzwyczaić. To przyszłość, która na dobre zaczęła się dwie dekady temu.

Pierwszym poważnym masowym graczem była Toyota, która już pod koniec lat 90. dostrzegła potencjał tego rynku. Wtedy jeszcze mało kto bił jej brawo. Szczególnie, gdy zaprezentowano model Prius – ani ładny, ani emocjonujący, ot, niewielki samochód miał odwrócić wszystko do góry nogami! Kiedy zaczęły po niego sięgać zamożne dłonie celebrytów z Los Angeles, wszyscy zaczęli baczniej przyglądać się rodzącej się elektryfikacji w motoryzacji. Wszystko zaczęło się od mody na ekologię. Cel jest jasny – zmniejszyć zużycie paliwa. Zwykle hybrydy korzystają z „prądu” przy ruszaniu z miejsca, ale także posiłkują się nim podczas jazdy. Rozwiązań jest cała masa. Silniki elektryczne mogą napędzać koła przednie, tylne czy obie osie. Silnik elektryczny może być jeden, a może być ich kilka. Wszystko uzależnione od producenta oraz wizji jego inżynierów. Jak ładuje się akumulatory? Także różnorako. Najczęściej ładowane są przy hamowaniu (generator ładuje akumulator). Ładowanie odbywa się także przez sam silnik spalinowy. W ciągu ostatnich lat hybrydy stały się zdecydowanie bardziej… elektryczne. Wszystko dzięki ich odmianie plug-in. Różnią się przede wszystkim tym, że posiadają podłączenie do zewnętrznego źródła ładowania akumulatorów. Można je zatem podłączyć do „gniazdka”, i nie musi to być specjalna stacji ładowania, ale także zwykłe, domowe gniazdko. Rozwiązanie to zbliża je do aut w pełni elektrycznych, gdyż jeżeli pokonujemy niewielkie odległości dziennie, możliwe jest korzystanie wyłącznie z silników elektrycznych. Plug-in są droższe od zwykłych hybryd, ale za to dają większe możliwości jazdy wyłącznie „na prądzie”. Są zdecydowanie bardziej oszczędne. I droższe.

Auto hybrydowe, czyli jakie?

W wielkim skrócie: mówimy o pojeździe posiadającym dwa źródła napędu. Pierwszy stanowi konwencjonalny silnik benzynowy (choć Peugeot próbował zaprząc także jednostkę wysokoprężną) oraz silnik (bądź silniki) elektryczny. Obecność napędu elektrycznego ma na celu albo zmniejszenie zużycia paliwa, albo zwiększenie mocy samochodu. Technologia tego połączenia jest, w zależności od wizji producenta, bardzo różna.

Kolejnym ważnym punktem jest system odzyskiwania energii elektrycznej, zwykle podczas hamowania – dla fanów Formuły 1 znany jako KERS (Kinetic Energy Recovery System). Choć sposobów odzyskiwania energii jest wiele. Co ciekawe, pierwowzór KERS opracowało American Motor Corporation już w... 1967 r.! Wszystkie modele hybrydowe ograniczają zużycie paliwa i emisję spalin także poprzez wyłączanie silnika spalinowego na postoju (na przykład w korku) i włączanie go automatycznie wtedy, gdy jest potrzebny. Do tego silnik elektryczny umożliwia utrzymywanie silnika spalinowego w stanie optymalnej wydajności. Gdy silnik spalinowy pracuje na bardzo niskich obrotach, to jego wydajność także jest bardzo niska, tracąc energię na pokonanie własnych oporów. W hybrydach zwiększa się obroty silnika spalinowego do poziomu optymalnego na potrzeby jazdy czy ładowania baterii. Wszystko jest tak wycyrklowane, aby spalić jak najmniej benzyny i zaoferować kierowcy najlepsze możliwe osiągi.

Czy Prius był pierwszy? Ależ skąd!

Pierwszy działający silnik elektryczny w 1837 r. zbudował amerykański konstruktor Thomas Davenport. Silniki z biegiem lat zyskiwały na sprawności, a w 1887 r. Amerykanin John Philip Holland wpadł na pomysł, by połączyć motor elektryczny z silnikiem spalinowym. Układ ten zastosował w budowanej przez siebie łodzi podwodnej. Tym samym w 1891 r. powstał okręt Holland VI – pierwszy na świecie z napędem spalinowo-elektrycznym! Pierwszy znany patent układu napędowego wykorzystującego silnik spalinowy oraz elektryczny należy do Williama H. Pattona, a pojawił się… 130 lat temu! Później powstało przedsiębiorstwo Patton Motor Car, a hybrydowy układ napędowy wykorzystywano do napędzania tramwajów i pociągów. Z kolei pierwszym udokumentowanym pojazdem hybrydowym jest konstrukcja Porsche – Lohner Mixte Hybrid. Pojazd znany również jako Semper Vivus (Wiecznie Żywy). Samochód zaprezentowano w 1900 r. w Paryżu. Młody Ferdynand Porsche w 1898 r. (mając 18 lat!) opracował silnik elektryczny, na tyle mały i sprawny, że było możliwe zamontowanie go w piastach kół. Początkowo napędzane były koła przednie, choć późniejsze wersje Mixte posiadały nawet napęd na obie osie. Rozwiązanie napędu przypomina to zastosowane 100 lat później przez GM w modelu Ampera. Tam silniki elektryczne napędzały koła, a silnik spalinowy pełnił funkcję generatora prądu. Można powiedzieć, że auto Porsche było pierwszą hybrydą szeregową. Auto rozpędzało się do 35 km/h i dysponowało całkiem pokaźnym zasięgiem 200 km. Porsche znalazło aż 300 chętnych klientów. Akumulatory Mixte składały się czterdziestu czterech 80-woltowych ogniw i ważyły prawie dwie tony. Ba, kompletny samochód ważył cztery tony! Ciekawostką jest, że inżynierowie Boeinga oraz NASA wiele dekad później zainspirowali się technologią tego pojazdu przy projektowaniu swojego łazika księżycowego LRV, którym poruszali się po księżycu członkowie misji Apollo 15, 16 i 17, a wiele rozwiązań zostało zaczerpniętych właśnie z samochodu Lohnera-Porsche Mixte Hybrid. To nie koniec.

Pierwowzorem odzyskiwania energii stał się pojazd Ericha Gaichena z 1931 r., który dysponował systemem odzyskiwania energii, ładowania akumulatorów – i to w trakcie zjazdów ze wzniesień! Nawet „współcześnie” Prius nie był pierwszy. W 1989 r. Audi zaprezentowało innowacyjny, choć rynkowo absolutnie nietrafiony model C3 100 Avant Duo. Była to hybryda wykorzystująca silnik spalinowy oraz jednostkę elektryczną, jednak słaba wydajność spowodowała, że jedynie 10 sztuk tego modelu znalazło właścicieli. Na pierwsze takie auto z prawdziwego zdarzenia, które mogło liczyć na sukces rynkowy i oferowało możliwości potrzebne w codziennym użytkowaniu, musieliśmy czekać aż do końca XX w. Był nim oczywiście model Prius.

Pierwsze długookresowe wyniki sprzedaży Priusa dały do myślenia i zachęciły innych producentów do wejścia w rynek takich aut. Na początku XX w. ogólnoświatowy ekotrend wywołał wysyp nowych technologii i modeli. Do wyścigu dołączyli najpierw: Honda, Mitsubishi, Nissan oraz Lexus (czyli Toyota), a następnie do stolika przysiadły się Europa oraz Stany Zjednoczone. Dziś właściwie każdy producent posiada lub zapowiada tego typu modele. I choć obecnie technologia przechowywania energii elektrycznej nie jest jeszcze imponująca, to z roku na rok wydajność akumulatorów się poprawia. Wkrótce magazynowanie „prądu” pozwoli podwoić czy potroić zasięg samochodów, a czas ładowania skróci się drastycznie, może nawet do kilku minut. Jeżeli jeszcze zredukujemy koszty produkcji, wtedy śmiało będziemy mogli powiedzieć o końcu ery ropy naftowej. Hybrydy są wstępem do ciągle niedoskonałych aut elektrycznych.

Jeden król

Nie ma mocnych na Japończyków. Toyota jest bezsprzecznym liderem w sprzedaży aut hybrydowych. Od początku sprzedaży Priusa, czyli nieco ponad 20 lat, po dziś dzień sprzedała ponad 10 milionów hybryd! Na ten wolumen złożyły się w sumie aż 33 modele. Najpopularniejszy jest oczywiście Prius, na którego skusiło się już 4 miliony klientów. Król Prius Pierwszy zaprezentowany został w 1997 r. Wtedy też premierowo użyto nazwy „Toyota Hybrid System”, która później przekształciła się w „Hybrid Synergy Drive”. Milionową hybrydę Toyota sprzedała w maju 2007 r.; barierę 2 milionów osiągnięto do sierpnia 2009 r., a 5 milionów – do marca 2013 r. W październiku 2015 r. sprzedaż hybryd Toyoty w samej tylko Europie przekroczyła milion egzemplarzy. Najpopularniejszym modelem hybrydowym w Europie jest Auris Hybrid.

Rodzaje, czyli hybrydowe ABC

Auto jednego producenta może technologicznie znacząco różnić się od modelu innego producenta. Napęd hybrydowy bywa od siebie bardzo odmienny. Podstawowy podział może wyglądać w ten sposób: hybrydy szeregowe działają na zasadzie silnika spalinowego, który wytwarza energię dla jednostki elektrycznej, która napędza pojazd. Natomiast równoległe działają na zasadzie wspomagania przez silnik elektryczny silnika spalinowego, na przykład przy ruszaniu. Te mieszane łączą dwa powyższe rozwiązania.

Napęd równoległy

Napęd hybrydowy równoległy to taki, w którym silnik spalinowy i elektryczny są połączone mechanicznie z kołami napędowymi. W tym przypadku auto napędzane może być wyłącznie silnikiem spalinowym, tylko silnikiem elektrycznym lub obydwoma równocześnie. Choć nie zawsze, gdyż w tej grupie dzielimy jeszcze hybrydy równoległe na te z jednym sprzęgłem, dwoma sprzęgłami oraz o rozdzielonych osiach.

Hybrydy równoległe z jednym sprzęgłem mają silniki – spalinowy i elektryczny – połączone ze sobą na stałe. Nie ma tutaj zatem możliwości niezależnej pracy obu silników. W trybie czysto elektrycznym jazda odbywa się zwykle przy ruszaniu i bardzo małych prędkościach. Jako że ten jest połączony z wałem korbowym, używanie wyłącznie silnika elektrycznego nie ma większego sensu przez opory mechaniczne, jakie wytwarza. Połączenie obu systemów ma także negatywny wpływ na poziom odzyskiwania energii podczas hamowania. Najprostsze rozwiązania (z jednym sprzęgłem) polegają na tym, że silnik elektryczny pełni funkcję rozrusznika i alternatora zasilającego instalację elektryczną auta.

W przypadku hybryd równoległych z dwoma sprzęgłami oba rodzaje silników nie są ze sobą połączone na stałe. To powoduje, że mogą działać (napędzać auto i odzyskiwać energię) niezależnie. Silnik czy silniki elektryczne nie pracują nigdy z pełną mocą, gdyż w każdej chwili muszą mieć odpowiednią energię do ewentualnego uruchomienia silnika spalinowego, gdy będzie to konieczne. Przy odzyskiwaniu energii (rekuperacji) obie jednostki także są rozłączone, dlatego przy hamowaniu nie odnotowuje się znaczących strat z tytułu oporów silnika spalinowego i możliwe jest optymalne ładowanie akumulatorów.

W hybrydach równoległych o rozdzielonych osiach silniki spalinowy i elektryczny także nie są ze sobą połączone. Motor konwencjonalny napędza koła przednie, a elektryczny koła tylne. Wymaga to jednak zazwyczaj dublowania elementów, gdyż silnik elektryczny nie może pełnić roli rozrusznika, czy być źródłem energii dla urządzeń pokładowych. Konieczna jest zatem obecność zarówno rozrusznika, alternatora itp. Trudno także połączyć oba napędy obu osi podczas jazdy, gdyż moment obrotowy, charakterystyka pracy silnika spalinowego i elektrycznego jest bardzo odmienna. Wielu producentów wykorzystuje także silnik spalinowy jako generator prądu do ładowania akumulatorów. Zwykle w układach równoległych stosuje się konwencjonalnej wielkości silniki spalinowe oraz niewielkie (ok. 20 kW) silniki elektryczne. Podstawowym założeniem jest wspieranie przez silnik elektryczny jednostki spalinowej, wytwarzając moment obrotowy „ułatwiający” pracę układu napędowego.

Napęd szeregowy

Tu sytuacja wygląda nieco inaczej. Auto napędzane jest bezpośrednio silnikiem elektrycznym, a silnik spalinowy pełni wyłącznie rolę generatora prądu i oddany jest całkowicie na rzecz silnika elektrycznego. W tym przypadku zestaw akumulatorów jest zdecydowanie większy niż w przypadku napędów równoległych. Komputer cały czas sprawdza, czy poziom naładowania baterii jest na odpowiednim poziomie, i w przypadku osiągnięcia poziomu granicznego włącza silnik spalinowy, który doładowuje akumulatory. Jednostka spalinowa może być mniejsza i nie jest połączona z kołami. Przykładami są Opel Ampera czy Chevrolet Volt. Zwykle takie auta mają możliwość doładowania akumulatorów z gniazdka (Plug-in).

Napęd mieszany

To nic innego jak połączenie wyżej wymienionych, które łączy zalety obu rozwiązań i charakteryzuje się największą wydajnością. Napędy szeregowe dobrze spisują się przy niewielkich prędkościach, natomiast równoległe przy wyższych. Stąd połączenie obu systemów jest tak korzystne. Toyota jest liderem w technologicznym rozwoju napędów mieszanych i sprzedaje swoją licencję wielu innym producentom. Stosują ją choćby Lexus, Nissan, Ford, General Motors czy Mazda. W tym przypadku mamy jeden silnik spalinowy oraz dwie jednostki elektryczne. Całością zarządza przekładnia planetarna, która rozdziela energię z silnika spalinowego w dwóch kierunkach: do kół, czyli poruszając autem, oraz do akumulatorów. Jeden silnik elektryczny wspomaga jazdę i może samodzielnie poruszać pojazd. Druga elektryczna jednostka napędowa z kolei może bezpośrednio napędzać pierwszy motor elektryczny lub ładować akumulatory. Odpowiada także za rozruch silnika spalinowego. Przekładnia planetarna pełni rolę skrzyni biegów, sumuje obroty i momenty obrotowe z wszystkich napędów. To najbardziej zaawansowane systemy i chyba najbardziej dostosowane do życia codziennego.

Stopień hybrydyzacji

Napęd ten dzielimy także z uwagi na stopień hybrydyzacji. Może to być pełny napęd hybrydowy, gdy samochód może czerpać energię, poruszać się tylko za pomocą silnika spalinowego bądź tylko za pomocą akumulatorów i silnika elektrycznego, albo z obu naraz. Rozwiązanie takie wymaga potężnych, wydajnych akumulatorów. Stosuje je choćby Toyota. Drugim rodzajem jest napęd częściowy. W tym przypadku samochód nie może być napędzany wyłącznie silnikiem elektrycznym, zatem auto napędza silnik spalinowy. W takich układach stosuje się bardzo słabe silniki elektryczne, które nie dysponują odpowiednią mocą do poruszania auta o własnych siłach i mają na celu jedynie wspomagać stale pracujący silnik spalinowy. Oszczędność paliwa w takich układach wynosi około 15% w jeździe po mieście i 8-10% w trasie. Do częściowych hybryd zaliczymy na przykład wczesne Hondy Insight.

Wady i zalety

Wady? Przede wszystkim cena zakupu. Po prostu są one znacznie droższe w produkcji, a co za tym idzie, także w salonie sprzedaży. I to znacząco. Powód jest prosty. Trzeba wyprodukować auto tradycyjne i dołożyć do nieco cały system elektryczny. Cóż, tanio być nie może. W dodatku ceny akumulatorów, choć spadają, to w dalszym ciągu są bardzo wysokie. Drugim punktem in minus jest mniejsza, ograniczona przestrzeń wewnątrz. Wszystko za sprawą akumulatorów, które gdzieś trzeba przecież zmieścić. Niektórzy producenci znajdują na nie miejsce w obszarze bagażnika, co go znacząco pomniejsza, choć coraz powszechniejszym rozwiązaniem jest umiejscowienie ich w podłodze (to ma swoje plusy, gdyż dodatkowo obniża środek ciężkości i poprawia właściwości jezdne takiego auta). Właściwie to koniec wad.

O wiele więcej, i to cięższego gatunku, jest zalet tych samochodów. Po pierwsze – obniżenie zużycia paliwa. I tutaj tylko jedno „ale”. Fantastyczne wyniki spalania osiągniemy przede wszystkim w ruchu miejskim oraz w trasie, gdzie są podjazdy, zjazdy czy częste zwalnianie i przyspieszanie. Wtedy system hybrydowy ma sposobność doładować akumulatory i pokazuje pełnię swoich zalet. Jazda autostradowa jest najsłabszym punktem w autach hybrydowych. No, chyba że stoimy w potężnym korku. Silnik elektryczny najwięcej z siebie daje podczas ruszania z miejsca, gdzie w silniku spalinowym spalanie jest największe. Kolejną zaletą, szczególnie dla flot, jest serwisowanie. Mitem jest opinia, że są one drogie w utrzymaniu, czy też że często się psują. Są właściwie bardziej niezawodne niż auta konwencjonalne, pod warunkiem, że za serwis odpowiadają specjaliści. Nie potrzebują rozrusznika, alternatora, a w przypadku porównania z dieslami brak w nich także filtra cząsteczek stałych czy koła dwumasowego. Akumulatory starczają średnio na 200-300 tysięcy kilometrów, po tym dystansie konieczna będzie wymiana (choć jest to uzależnione od konkretnego producenta). Kolejnym plusem jest komfort podróżowania. Szczególnie w mieście, gdy poruszać się możemy bezszelestnie, podróżując tylko i wyłącznie na silniku elektrycznym. A jeżeli ktoś jest zapalonym ekologiem, to na koniec pozostaje zaleta w postaci... ratowania planety Matki Ziemi. Choć niestety w wielu przypadkach produkcja i utylizowanie akumulatorów do najbardziej zielonych przedsięwzięć w historii ludzkości nie należą.

Chcesz hybrydę? Pytanie: którą?

Obecnie każdy poważny producent samochodów posiada bądź ma w planach wprowadzenie na rynek auta elektrycznego, a przynajmniej hybrydowego. Mało tego, wiele marek już oficjalnie zapowiada zaprzestanie produkcji silników wysokoprężnych.

Diesle znikną z ofert wielu producentów na przestrzeni 5-10 lat! A jak wygląda oferta hybryd obecnie? Audi oferuje modele: A3 e-tron, Q7 e-tron. BMW swój pokazowy sportowy model i8, ale również serię 2, 5 czy 7. Marka DS jako jedyna proponuje hybrydowego diesla – DS5. Ford to przede wszystkim Mondeo Hybrid. Hyundai kusi swoim kompaktowym modelem Ioniq. Infiniti z kolei aż 364-konnym Q50S i Q70. Kia oferuje hybrydową Optimę i mniejsze Niro. Z salonu Land Rovera wyjechać możemy na wpół elektrycznymi modelami: Range Rover Sport lub Range Rover. Lexus, jako Toyota dla zamożnych, nie dziwi liczebnością hybryd w swoim portfolio: CT, IS, RC, GS, ES, LS, NX i RX. Mercedes obecnie niemal wszystkie swoje modele oferuje jako hybrydy. Nawet MINI zachęca modelem Countryman Cooper S E. Porsche? Oczywiście, choćby Panamera Turbo S E-Hybrid o mocy łącznej 680 KM! Toyota? Właściwie cała oferta jest wspomagana prądem, od Yarisa, przez Priusa, aż po RAV4... Volkswagen? Pewnie. Choćby Golf czy Passat. Volvo także dołączyło już jakiś czas temu do grona hybryd: V60, S90, XC60 czy XC90. Sporo tego, a będzie jeszcze więcej. Najtańszym nowym samochodem z takim napędem jest dziś Toyota Yaris III Active z silnikiem o mocy 100 KM, kosztuje 68 400 zł. Najdroższym? Porsche Panamera II Turbo S E-Hybrid Executive, na którą należy przeznaczyć ponad milion złotych. Niewiele tańszy jest Range Rover SVAutobiography, kosztujący 910 tysięcy zł.

Jak widać, hybrydy powoli stają się normą. Są dla każdego, tego zamożnego i tego nieco... mniej.

Tekst ukazał się w Magazynie FLOTA, wydanie 9/2018.

ZNAJDŹ NAS: