Napęd hybrydowy łączy silnik spalinowy z elektrycznym i sam zarządza przepływem energii. Elektronika dobiera źródło napędu do prędkości, obciążenia oraz poziomu naładowania akumulatora, a podczas hamowania odzyskuje część energii, która w zwykłym aucie zamieniłaby się w ciepło.
Czym jest napęd hybrydowy?
Hybryda nie oznacza wyłącznie obecności dwóch silników. To cały system zarządzania energią, w którym jednostka spalinowa, silnik elektryczny, akumulator trakcyjny, elektronika sterująca i przekładnia współpracują ze sobą w zależności od warunków jazdy.
Kierowca zwykle nie wybiera ręcznie, który silnik ma napędzać koła. Komputer analizuje między innymi prędkość, nacisk na pedał przyspieszenia, obciążenie auta i poziom energii w akumulatorze. Na tej podstawie może uruchomić napęd elektryczny, silnik spalinowy albo oba źródła jednocześnie.
Głównym celem jest lepsze wykorzystanie energii. Silnik elektryczny dobrze radzi sobie z ruszaniem i dostarczaniem wysokiego momentu obrotowego od niskich prędkości, natomiast silnik spalinowy może pracować wydajniej podczas dłuższej jazdy ze stałą prędkością.
Jak działa napęd hybrydowy podczas jazdy?
Przepływ energii zmienia się kilka razy nawet podczas krótkiej podróży. W typowej pełnej hybrydzie kolejne etapy mogą wyglądać tak:
- Ruszanie i mała prędkość – samochód często korzysta głównie z silnika elektrycznego, ponieważ właśnie wtedy silnik spalinowy pracowałby najmniej korzystnie.
- Przyspieszanie – oba silniki mogą działać równocześnie. Jednostka elektryczna dostarcza moment obrotowy, a spalinowa zwiększa dostępną moc.
- Jazda ze stałą prędkością – przy spokojnej jeździe główną rolę często przejmuje silnik spalinowy. Nadwyżka jego mocy może służyć do ładowania akumulatora.
- Zwalnianie i hamowanie – silnik elektryczny pracuje jako generator. Rekuperacja zamienia część energii kinetycznej samochodu w energię elektryczną i przekazuje ją do akumulatora.
Rekuperacja nie jest tym samym co ładowanie z gniazdka. W klasycznej hybrydzie HEV energia pochodzi przede wszystkim z hamowania oraz z pracy silnika spalinowego. Samochód nie wymaga więc zewnętrznego ładowania. Wyjątkiem jest PHEV, czyli hybryda plug-in, której większy akumulator można uzupełniać z sieci.
Rodzaje hybryd – MHEV, HEV i PHEV
Najczęściej spotykany podział opisuje stopień elektryfikacji i możliwości silnika elektrycznego. Najważniejsze różnice przedstawia tabela:
| Typ | Ładowanie | Jazda w trybie EV | Główne zadanie silnika elektrycznego |
|---|---|---|---|
| MHEV | Rekuperacja i silnik spalinowy | Nie | Wsparcie silnika spalinowego, rozrusznik i generator |
| HEV | Rekuperacja i silnik spalinowy | Tak, zwykle na krótko i przy mniejszym obciążeniu | Samodzielny napęd przy wybranych warunkach oraz wsparcie przy przyspieszaniu |
| PHEV | Rekuperacja, silnik spalinowy i ładowanie zewnętrzne | Tak, na wyraźnie dłuższym odcinku niż w HEV | Napęd elektryczny na codziennych trasach oraz wsparcie silnika spalinowego |
MHEV – miękka hybryda
W układzie MHEV silnik elektryczny jedynie wspomaga jednostkę spalinową. Może ułatwiać ruszanie, przyspieszanie i ponowne uruchamianie silnika po zatrzymaniu. Odzyskuje też energię podczas zwalniania.
MHEV nie potrafi samodzielnie napędzać samochodu w trybie elektrycznym. To najważniejsza różnica między miękką a pełną hybrydą. Akumulator takiego układu jest mniejszy, dlatego elektryfikacja służy głównie zmniejszeniu obciążenia silnika spalinowego, a nie zastąpieniu go.
HEV – pełna hybryda
HEV może napędzać koła silnikiem elektrycznym, spalinowym albo oboma jednocześnie. Jazda bez uruchamiania jednostki spalinowej jest możliwa przede wszystkim przy ruszaniu, manewrowaniu i małej prędkości. Jej długość zależy od konstrukcji, poziomu energii w akumulatorze i stylu jazdy.
Pełna hybryda jest nazywana układem samoładującym, ale nie oznacza to, że energia powstaje bez źródła. Akumulator ładuje się podczas rekuperacji oraz wtedy, gdy silnik spalinowy pracuje z nadwyżką mocy. Nie trzeba podłączać auta do gniazdka.
PHEV – hybryda plug-in
PHEV jest rozwinięciem pełnej hybrydy. Ma większy akumulator i gniazdo ładowania, dzięki czemu może pokonywać dłuższe odcinki wyłącznie na silniku elektrycznym. Po rozładowaniu baterii nadal działa jak hybryda, korzystając z silnika spalinowego i rekuperacji.
Ten typ napędu najlepiej wykorzystuje swoje możliwości wtedy, gdy kierowca może regularnie ładować samochód w domu lub w miejscu pracy. Bez dostępu do ładowarki PHEV wozi większy i cięższy akumulator, ale nie korzysta z jego pełnego potencjału.
Szeregowy, równoległy czy szeregowo-równoległy?
Drugi podział dotyczy mechanicznego połączenia silników z kołami. Nie należy go mylić z podziałem na MHEV, HEV i PHEV, ponieważ opisuje inną cechę układu:
- Napęd szeregowy – silnik spalinowy nie napędza bezpośrednio kół. Pracuje jako generator, a koła napędza silnik elektryczny.
- Napęd równoległy – silnik spalinowy jest mechanicznie połączony z kołami, a elektryczny może go wspierać lub również napędzać pojazd.
- Napęd szeregowo-równoległy – silnik spalinowy może napędzać koła albo wytwarzać energię, a silniki elektryczne przejmują część zadań zależnie od sytuacji.
Układ szeregowo-równoległy pozwala łączyć zalety obu rozwiązań. Przykładem takiej architektury jest system wykorzystujący przekładnię rozdziału mocy, spotykaną między innymi w hybrydowych układach Toyoty i Lexusa. Marka oraz model nie są tu najważniejsze – istotna jest zasada przepływu mocy.
e-CVT – jak działa przekładnia planetarna?
W wielu hybrydach kierowca słyszy nazwę e-CVT. Mimo podobnego oznaczenia nie jest to tradycyjna skrzynia CVT z pasem lub łańcuchem stożkowych kół. W popularnych układach power split e-CVT wykorzystuje przekładnię planetarną, która płynnie rozdziela moc między silnik spalinowy, generator i koła.
Przekładnia planetarna ma kilka współpracujących elementów, między innymi koło słoneczne, koła planetarne i koło koronowe. Ich prędkości obrotowe mogą zmieniać się względem siebie, dlatego system reguluje przełożenie bez klasycznych, wyraźnie odczuwalnych zmian biegów.
W przykładowym układzie Toyoty jeden silnik elektryczny, oznaczany jako MG1, pełni głównie funkcję generatora i rozrusznika silnika spalinowego. Drugi, MG2, odpowiada za napędzanie kół i może odzyskiwać energię podczas hamowania. Elektronika steruje ich pracą tak, aby utrzymać silnik spalinowy w korzystnym zakresie obciążenia.
Gdy auto rusza, główną pracę może wykonywać MG2. Przy większym zapotrzebowaniu na moc uruchamia się silnik spalinowy, a przekładnia płynnie zmienia udział obu źródeł napędu. Podczas zwalniania MG2 przechodzi w tryb generatora, zwiększając opór układu i przekazując energię do akumulatora.
e-CVT nie jest pasową skrzynią CVT. W układzie power split płynna zmiana charakterystyki napędu wynika z pracy przekładni planetarnej i silników elektrycznych, a nie z przesuwania pasa po stożkowych kołach.
Brak typowych zmian biegów nie oznacza, że każdy napęd hybrydowy korzysta z e-CVT. Hybrydy równoległe mogą używać także klasycznych skrzyń automatycznych, przekładni dwusprzęgłowych lub innych rozwiązań. Nazwa e-CVT odnosi się do konkretnej koncepcji zarządzania mocą, a nie do wszystkich samochodów hybrydowych.
Dla kogo napęd hybrydowy?
Najwięcej korzyści z HEV zwykle odczuwa kierowca jeżdżący po mieście, gdzie często występują zatrzymania, ruszanie i zmiany prędkości. W takich warunkach rekuperacja ma wiele okazji do działania, a silnik elektryczny może przejmować napęd przy małym obciążeniu.
Na długich trasach HEV nadal może ograniczać zużycie paliwa, choć przewaga nad autem spalinowym zależy od prędkości, masy samochodu i profilu drogi. Przy jednostajnej jeździe autostradowej większą część pracy zwykle wykonuje silnik spalinowy. MHEV może być rozsądnym rozwiązaniem dla osób, które często podróżują poza miastem i nie potrzebują jazdy wyłącznie na prądzie.
PHEV ma sens wtedy, gdy codzienne odcinki mieszczą się w jego elektrycznym zasięgu i można go regularnie ładować. Trzeba też uwzględnić większą masę akumulatora oraz bardziej rozbudowany układ. Prace przy elementach wysokiego napięcia powinien wykonywać serwis mający odpowiednie kwalifikacje.
Hybrydy mogą ograniczać zużycie paliwa i obciążenie niektórych podzespołów, ale nie oznacza to automatycznie braku kosztów serwisowych ani identycznej trwałości każdego modelu. Ostateczny wybór zależy od rodzaju tras, dostępu do ładowania, oczekiwanej możliwości jazdy elektrycznej i konstrukcji konkretnego auta.
Najprościej zapamiętać to tak: MHEV wspiera silnik spalinowy, HEV potrafi okresowo przejąć napęd, a PHEV pozwala regularnie ładować większy akumulator i pokonywać dłuższe odcinki w trybie elektrycznym.
