Rodzaje napędów hybrydowych

inż. Mariusz Barański:

Podział samochodów hybrydowych

W zależności od stopnia zaawansowania napędu, wśród samochodów hybrydowych wyróżnia się mikrohybrydy (z ang. micro hybrid), łagodne hybrydy (z ang. mild hybrid) oraz pełne hybrydy (z ang. full hybrid).

W przypadku mikrohybryd silnik elektryczny nie jest wykorzystywany do napędzania samochodu - pełni on jedynie rolę rozrusznika i alternatora. W łagodnych hybrydach silnik elektryczny nie może samodzielnie napędzać samochodu i działa jako jednostka pomocnicza silnika spalinowego. Zadaniem silnika elektrycznego jest tutaj odzyskiwanie energii podczas hamowania i wspomaganie silnika spalinowego podczas rozpędzania samochodu. Pełne hybrydy charakteryzują się największym stopniem zaawansowania napędu. W ich przypadku silnik elektryczny może zarówno samodzielnie napędzać samochód, jak i wspomagać silnik spalinowy oraz odzyskiwać energię podczas hamowania.

Inny podział samochodów hybrydowych opiera się na sposobie połączenia ze sobą silnika spalinowego i elektrycznego. Wyróżnia się tutaj hybrydy szeregowe, hybrydy równoległe i hybrydy mieszane.

Hybrydy szeregowe

W hybrydach szeregowych silnik spalinowy nie jest połączony mechanicznie z kołami napędowymi i pełni funkcję tzw. range extendera, służącego do napędzania generatora prądu elektrycznego. Wytworzony prąd jest wykorzystywany przez silnik elektryczny, odpowiedzialny za napędzanie samochodu. Układ napędowy tego typu wymaga zastosowania dwóch jednostek elektrycznych. Jedna z nich pełni rolę generatora prądu, natomiast druga napędza pojazd. Przy takiej konfiguracji silnik spalinowy może pracować w optymalnym zakresie prędkości obrotowych i obciążenia. Jeżeli akumulatory, z których silnik elektryczny pobiera prąd są naładowane, silnik spalinowy nie pracuje. Dopiero w momencie, gdy zgromadzone zasoby prądu wyczerpią się, jednostka spalinowa ulega uruchomieniu i napędza generator prądotwórczy, zasilający jednostkę elektryczną. Rozwiązanie to umożliwia kontynuowanie jazdy bez konieczności przymusowego postoju i stacjonarnego ładowania akumulatorów. Po dojechaniu do celu podróży, akumulatory można naładować z sieci elektrycznej przy użyciu specjalnego kabla dzięki technologii plug-in. Do największych zalet hybryd szeregowych zaliczyć trzeba możliwość jazdy w trybie czysto elektrycznym, bez udziału silnika spalinowego. Pozwala to na zaoszczędzenie paliwa i ograniczenie do zera emisji spalin. Kolejną zaletą jest eksploatacja silnika spalinowego w zakresie największej sprawności, co bardzo korzystnie wpływa na ilość toksycznych związków, wytwarzanych podczas jego pracy. Z kolei do największych wad hybryd szeregowych należą wysokie koszty budowy oraz znaczne wymiary i duża masa układu napędowego. Istotną wadą tego rozwiązania jest także konieczność kilkukrotnego przetwarzania energii.

Hybrydy równoległe

Za napędzanie hybryd równoległych odpowiada przede wszystkim jednostka spalinowa, natomiast jednostka elektryczna pełni jedynie funkcję pomocniczą.

Wśród równoległych napędów hybrydowych wyróżnia się:

• równoległy napęd hybrydowy o jednym sprzęgle,

• równoległy napęd hybrydowy o dwóch sprzęgłach

• równoległy napęd hybrydowy o rozdzielonych osiach.

W przypadku równoległego napędu hybrydowego o jednym sprzęgle jednostka elektryczna jest na stałe połączona z jednostką spalinową. W związku z tym nie istnieje możliwość niezależnej pracy obu jednostek. Teoretycznie silnik elektryczny może samodzielnie napędzać samochód, jednak w rzeczywistości nie ma to większego sensu, ponieważ będzie się wtedy obracał wał korbowy silnika spalinowego. W wyniku tego powstaną straty, drgania oraz hałas. Dlatego poruszanie się wyłącznie w trybie elektrycznym jest możliwe tylko przy bardzo małej prędkości jazdy. Trwałe połączenie obu typów jednostek ma także niekorzystny wpływ na ilość odzyskiwanej podczas hamowania energii. W trakcie wytracania prędkości silnik spalinowy stawia dodatkowe opory, a więc ilość energii potencjalnie możliwej do odzyskania jest mniejsza. W najprostszym wariancie równoległego napędu hybrydowego o jednym sprzęgle stosuje się jednostkę elektryczną, pełniącą funkcję rozrusznika jednostki spalinowej i alternatora, zasilającego instalację elektryczną samochodu. Bardziej skomplikowane rozwiązanie wymaga zastosowania dodatkowego akumulatora i mocniejszego silnika elektrycznego, wspomagającego silnik spalinowy i odzyskującego energię podczas hamowania.

W przypadku równoległego napędu hybrydowego o dwóch sprzęgłach jednostka spalinowa nie jest połączona na stałe z jednostką elektryczną. Zastosowanie sprzęgła pomiędzy tymi podzespołami pozwala im na niezależną pracę. Dzięki temu istnieje możliwość jazdy w trybie czysto elektrycznym, bez wprawiania w ruch wału korbowego silnika spalinowego. Jednak nawet wtedy musi zostać zachowana możliwość natychmiastowego rozruchu jednostki spalinowej przez jednostkę elektryczną. Dlatego też, podczas samodzielnego napędzania pojazdu, silnik elektryczny nigdy nie może pracować pełną mocą. Jej część zawsze musi pozostawać w zapasie, aby w razie potrzeby można było uruchomić silnik spalinowy. Obie jednostki pozostają rozłączone również w trakcie odzyskiwania energii podczas hamowania. Dzięki temu cała energia wytworzona w czasie wytracania prędkości może zostać spożytkowana na ładowanie akumulatora, bez strat na pokonywanie oporów silnika spalinowego. Ilość odzyskiwanej energii jest tutaj ograniczona tylko i wyłącznie mocą jednostki elektrycznej. Jeśli chodzi o samą konstrukcję omawianego napędu, to jednym z największych wyzwań jest zachowanie małych rozmiarów sprzęgła pomiędzy jednostką spalinową i elektryczną. Bardzo istotne jest także odpowiednie rozwiązanie rozruchu silnika spalinowego podczas jazdy w trybie czysto elektrycznym, przekładające się bezpośrednio na komfort jazdy.

W przypadku równoległego napędu hybrydowego o rozdzielonych osiach jednostka spalinowa nie jest połączona mechanicznie z jednostką elektryczną. Silnik spalinowy napędza koła osi przedniej, natomiast silnik elektryczny koła osi tylnej. Sumowanie siły napędowej występuje w tym przypadku na jezdni. Jeżeli jednostka spalinowa i elektryczna są aktywne jednocześnie użytkownik ma do dyspozycji napęd na cztery koła, rozdzielany płynnie w różnych proporcjach pomiędzy przednią i tylną osią samochodu. Silnik elektryczny może również odzyskiwać energię podczas hamowania. Problemem jest natomiast to, że w trakcie postoju jednostka elektryczna nie jest w stanie wytwarzać prądu. W związku z tym nie może pełnić funkcji rozrusznika i alternatora. Konieczne jest więc zastosowanie oddzielnego elementu umożliwiającego rozruch silnika spalinowego. Z kolei zasilanie pokładowej sieci elektrycznej i klimatyzacji podczas postoju odbywa się dzięki dodatkowemu alternatorowi, napędzanemu silnikiem spalinowym (klimatyzacja może być również zasilana bezpośrednio przez silnik spalinowy). Jedną z zalet omawianego rodzaju napędu jest to, że nie występuje tutaj konieczność zmiany konwencjonalnego układu napędowego z silnikiem spalinowym.

Oprócz tego konstrukcja równoległego napędu hybrydowego o rozdzielonych osiach pozwala pracować jednostce elektrycznej z dużą prędkością obrotową. Dzięki temu zwiększa się sprawność odzysku energii podczas hamowania, a także sprawność napędy hybrydowego. Z kolei brak konieczności rozruchu silnika spalinowego przez silnik elektryczny z jednej strony jest zaletą, z drugiej jednak wadą, gdyż wymaga zastosowania oddzielnego rozrusznika. Wadę stanowi również to, że moment obrotowy i prędkość obrotowa jednostki elektrycznej muszą być rozłożone na cały zakres ruchu samochodu. Trudno jest utrzymać stałe własności trakcyjne pojazdu , przechodzi on z nadsterowności w podsterowność w zależności od wykorzystywanego napędu. Poza tym, niedogodnością jest brak możliwości ładowania akumulatora oraz zasilania pokładowej sieci elektrycznej przez silnik elektryczny podczas postoju samochodu.

Hybrydy równoległe wyróżniają się spośród innych odmian hybryd największą sprawnością. Do ich zalet zaliczyć należy również możliwość zachowania konwencjonalnego układu napędowego w szerokim zakresie pracy. Ma to pozytywne znaczenie ze względu na ilość miejsca do zabudowy, technologię produkcji pojazdu, zachowanie układu podczas jazdy i przyzwyczajenia użytkowników. Za hybrydami równoległymi przemawiają także koszty wytwarzania, tak bardzo istotne w dzisiejszych czasach. Opracowanie i wdrożenie do produkcji tego typu pojazdów wymaga niższych nakładów finansowych niż w przypadku hybryd szeregowych i mieszanych. Wiąże się to z tym, że hybrydy równoległe w znacznie mniejszym stopniu odbiegają technicznie od konwencjonalnych samochodów.

Hybrydy mieszane

Połączenie szeregowego i równoległego napędu hybrydowego występuje w hybrydach mieszanych. Taka konstrukcja charakteryzuje się rozdzieleniem mocy silnika spalinowego i szeregowo-równoległym układem współpracujących elementów. Jednostce spalinowej towarzyszą tutaj dwie jednostki elektryczne. Najważniejszy element stanowi jednak przekładnia planetarna, w której moc silnika spalinowego jest rozdzielana na dwie drogi: mechaniczną (mogącą przenosić siłę bezpośrednio na koła napędowe) i elektryczną. Pierwsza z jednostek elektrycznych, w zależności od aktualnej sytuacji, samodzielnie napędza samochód, wspomaga silnik spalinowy lub odzyskuje energię podczas hamowania. Natomiast druga jednostka elektryczna może bezpośrednio napędzać pierwszą jednostkę elektryczną lub ładować akumulatory. Pełni również funkcję rozrusznika, uruchamiającego silnik spalinowy. Przekładnia planetarna, zastępująca konwencjonalną skrzynię biegów, jest układem sumującym obroty i momenty obrotowe poszczególnych napędów. Przełożenia zmieniane są tutaj w sposób bezstopniowy. Płynność działania przekładni w znacznym stopniu podnosi komfort jazdy, jednak jej specyficzny sposób pracy nie każdemu przypadnie do gustu.

Hybrydy mieszane charakteryzują się większą sprawnością niż hybrydy szeregowe, ale mniejszą niż równoległe. Jest to związane z niezbędnymi etapami przetwarzania energii, zwłaszcza podczas jazdy z dużą prędkością. W efekcie oszczędności w zużyciu paliwa obserwuje się przede wszystkim w ruchu miejskim.