W istocie jednak nie każdy wie, jak działa samochód hybrydowy i z czego wynikają jego zalety.
Zanim przyjrzymy się napędowi hybrydowemu od środka, wyjaśnijmy cel jego wprowadzenia w samochodach. W ciągu ponad wieku przyzwyczailiśmy się do samochodów napędzanych silnikami spalinowymi. Jednak sukces tego środka transportu jest też źródłem problemów – postępującego skażenia powietrza i rosnącej emisji CO2.
Wadą silnika spalinowego jest zdolność do efektywnej pracy w stosunkowo małym zakresie obrotów. Wymusza to stosowanie dodatkowych urządzeń w postaci skrzyni biegów i sprzęgła, bez których niemożliwe byłoby ruszanie z miejsca, dynamiczne przyspieszanie i osiąganie dużych prędkości. Nawet po wyposażeniu w wielobiegową przekładnię, pracujący w konwencjonalnym układzie silnik spalinowy zmuszony jest do działania w nieoptymalnym zakresie parametrów, co najlepiej widać po nadmiernie obciążonych silnikach wysokoprężnych, wytwarzających chmury dymu podczas przyspieszania. Te niedogodności pozwala złagodzić lub całkowicie wyeliminować hybrydowy napęd spalinowo-elektryczny.
Rodzaje aut hybrydowych
Trzeba wiedzieć, że istnieją trzy zasadnicze rodzaje hybryd. Pierwszy to tzw. hybryda szeregowa, w której silnik spalinowy nie jest mechanicznie połączony z kołami pojazdu, a stanowi napęd generatora wytwarzającego prąd, który zasila napędzający koła silnik elektryczny. Jak działa auto z tego rodzaju hybrydą?
Hybryda szeregowa – zasada działania
Układ w hybrydzie szeregowej może być uzupełniony gromadzącym nadmiar energii akumulatorem, który wspomaga generator przy większym obciążeniu podczas ruszania, gwałtownego przyspieszania lub jazdy pod górę. Układ szeregowy zapewnia pracę silnika spalinowego w komfortowym zakresie parametrów i płynną, dynamiczną jazdę – silnik elektryczny udostępnia maksymalny moment obrotowy od początku ruszania. Wada tego rozwiązania polega na dwukrotnej zamianie całej energii wytworzonej przez silnik spalinowy: z mechanicznej na elektryczną w generatorze i z elektrycznej na mechaniczną w silniku elektrycznym, co wiąże się z nieuniknionymi stratami.
Hybryda równoległa – jak działa?
Drugi rodzaj napędu hybrydowego to hybryda równoległa, określana również angielskim terminem mild hybrid. W tym rozwiązaniu silnik spalinowy jest mechanicznie połączony z kołami, stanowiąc podstawowe źródło napędu, zaś silnik elektryczny, np. umieszczony na wale łączącym silnik spalinowy z przekładnią, służy do jego wspomagania w sytuacjach wymagających dużego momentu obrotowego – podczas przyspieszania czy jazdy pod górę. Rozwiązanie to pozwala uzyskać lepszą dynamikę pojazdu przy użyciu mniejszego silnika spalinowego, a także zapewnić mu bardziej dogodne warunki pracy i zmniejszyć zużycie paliwa. Układ ten nie eliminuje jednak elementów konwencjonalnego napędu, takich jak skrzynia biegów. Samochody typu mild hybrid nie mogą poruszać się na samym silniku elektrycznym.
Hybryda szeregowo-równoległa – zasada działania
Trzecim rodzajem jest hybryda szeregowo-równoległa, zwana także pełną hybrydą. Jak sama nazwa wskazuje, łączy ona cechy dwóch pierwszych rozwiązań – silnik spalinowy jest w niej połączony mechanicznie z kołami i może (ale nie musi) być źródłem ich napędu. Koła są również napędzane przez silnik elektryczny, któremu energii może dostarczać połączony z silnikiem spalinowym generator lub akumulator, wykorzystywany również do gromadzenia energii odzyskanej podczas hamowania. Taka koncepcja pozwala uzyskać wysoką sprawność układu przy zachowaniu stosunkowo prostej konstrukcji, odznaczającej się dużą niezawodnością. Rozwiązanie to opracowała Toyota – pierwszą hybrydą tego rodzaju był Prius – a obecnie stosowane jest we wszystkich modelach hybrydowych japońskiej marki. Toyota jest największym producentem aut hybrydowych na świecie, samochody z układem szeregowo-równoległym to najczęściej występujący rodzaj hybryd. Więcej o hybrydowych samochodach Toyoty tutaj: https://www.toyota.pl/new-cars/samochody-hybrydowe.
Budowa samochodu hybrydowego
Sercem pełnego układu hybrydowego jest specjalna przekładnia planetarna, łącząca silnik spalinowy, generator i połączony z kołami silnik elektryczny. Przekładnia ta sumuje momenty obrotowe wytwarzane przez silnik spalinowy i elektryczny oraz dokonuje podziału prędkości obrotowej wału silnika spalinowego między koła i generator, pełniąc tym samym rolę sterowanej elektronicznie, bezstopniowej skrzyni biegów.
Zadaniem silnika elektrycznego jest wspieranie jednostki spalinowej w najtrudniejszych momentach – podczas ruszania i przyspieszania. Pełny napęd hybrydowy umożliwia ruszanie na samym silniku elektrycznym, a także pokonywanie niewielkich odległości przy prędkościach miejskich bez włączania silnika benzynowego i bez zużycia paliwa. Dzięki wydajnemu systemowi odzyskiwania energii z hamowania hybrydy nie potrzebują ładowania energii z zewnętrznego źródła, zatem każdy kilometr przejechany w trybie elektrycznym nic nie kosztuje, a przy tym znacząco przyczynia się do obniżenia średniego zużycia paliwa.
Zalety korzystania z aut hybrydowych
Podstawową zaletą samochodu hybrydowego jest oszczędność paliwa bez ładowania akumulatora – wystarczy tylko tankować benzynę. Jak łatwo się domyślić, im częściej hamujemy, tym więcej energii odzyskuje generator. Dlatego hybrydy to auta idealne do miasta. W korkach zwykłe samochody zużywają wielokrotnie więcej paliwa niż w jeździe na trasie z optymalną prędkością, natomiast zużycie paliwa w hybrydzie na zakorkowanych ulicach może spaść nawet do około 2 l/100 km, co udowodniły testy dziennikarskie.
Układ składający się z trzech silników może wydawać się skomplikowany, jednak w rzeczywistości jest to rozwiązanie bardzo proste. Pracujący w oszczędnym cyklu Atkinsona wolnossący silnik benzynowy nie jest wysilony i działa w optymalnym zakresie obrotów. Samochód z napędem hybrydowym nie potrzebuje rozrusznika, alternatora, sprzęgła czy paska klinowego. Automatyczna przekładnia planetarna jest znacznie prostsza w budowie niż popularne dwusprzęgłowe automatyczne skrzynie biegów. Dodatkowa moc silników elektrycznych powoduje, że można zrezygnować z turbiny komplikującej budowę konwencjonalnych silników. Nie jest też potrzebny filtr cząstek stałych czy koło dwumasowe. Układ odzyskiwania energii z hamowania pozytywnie wpływa na trwałość tradycyjnych hamulców, które w hybrydzie są wykorzystywane znacznie rzadziej. To wszystko przekłada się na większą trwałość samochodów hybrydowych.
Układ przekładni planetarnej i dwóch silników-generatorów elektrycznych stanowi sterowaną elektronicznie bezstopniową skrzynię biegów, nazwaną e-CVT (electric Continuously Variable Transmission), a samochodem hybrydowym jeździ się analogicznie, jak zwykłym automatem.
Obecność akumulatora trakcyjnego budzi zwykle wątpliwości co do jego trwałości i kosztów ewentualnej wymiany. W praktyce trwałość akumulatora hybrydowego odpowiada całemu okresowi wieloletniej eksploatacji samochodu. Jest to możliwe dzięki precyzyjnemu sterowaniu ładowaniem i rozładowaniem akumulatora przez komputer – bateria nigdy nie zostaje nadmiernie rozładowana ani przeładowana.
Proces ładowania samochodu hybrydowego typu plug-in
Wszystkie trzy rodzaje napędu hybrydowego nie wymagają ładowania akumulatora z zewnętrznej sieci. Każdy z nich może jednak występować w odmianie plug-in, wyposażonej w akumulator trakcyjny o znacznie większej pojemności. Zapewnia to większy zasięg w trybie elektrycznym, zwykle rzędu 20-50 kilometrów.
Prius Plug-in Hybrid – jedyny samochód tego rodzaju w gamie Toyoty, kryje pod maską napęd szeregowo-równoległy, który dzięki większemu akumulatorowi może pokonać do 50 km na samym silniku elektrycznym, a po tym dystansie działa jak każda inna hybryda Toyoty. Przykładem szeregowej hybrydy plug-in jest Chevrolet Volt (Opel Ampera).
Ładowanie hybrydy to prosta czynność – potrzebne jest źródło prądu – wtyczka lub ładowarka i odpowiedni kabel, którego końcówkę podłączamy do portu w samochodzie. Samochód hybrydowy jest ładowany prądem zmiennym AC – czy to w domu ze zwykłego gniazdka, czy też z tzw. standardowej ładowarki. Ładowanie hybrydy plug-in prądem stałym DC, a więc za pomocą szybkiej ładowarki, nie jest możliwe, ponieważ przeciętnie samochody tego typu dysponują za małymi akumulatorami – o pojemności około 10 kWh. Do ich ładowania wystarczą zazwyczaj najtańsze jednofazowe kable.
Gdzie ładować hybrydę plug-in? Najprościej we własnym garażu – może być z gniazdka, choć wygodniejsza okaże się niewielka domowa ładowarka. Jeśli chcemy doładować auto w ciągu dnia, do dyspozycji jest powoli rozbudowująca się sieć publicznych ładowarek, z których część jest darmowa. Dobrą wiadomością jest, że operatorzy sieci ładowarek są otwarci na zgłoszenia nowych punktów ich instalacji. Zatem jeśli zamierzamy kupić hybrydę plug-in, wystarczy zgłosić miejsce, gdzie jest potrzebny taki punkt ładowania. Warunkiem jest, aby było to miejsce ogólnie dostępne. Jeśli chcemy wyposażyć w takie urządzenie swoje miejsce w podziemnym garażu lub na zamkniętym parkingu, trzeba za nie zapłacić.
Dofinansowania i dopłaty do samochodów hybrydowych
Dopłaty do aut o napędzie hybrydowym to jeden z kilku sposobów promowania samochodów przyjaznych dla środowiska, stosowanych w Europie. Niestety w Polsce takie wsparcie nie jest dostępne. Mimo to auta hybrydowe – nieładowane z sieci lub plug-in – znajdują się w ofercie większości marek, a ich sprzedaż systematycznie rośnie – o kilkadziesiąt procent rocznie. Największy udział w tej części rynku ma Toyota i to samochody tej marki napędzają sprzedaż hybryd. Samochody hybrydowe dostępne w Polsce reprezentują niemal wszystkie segmenty i rodzaje nadwozia – od miejskiego Yarisa po luksusowe auta sportowe, takie jak Lexus LC czy Porsche Panamera.
Ustawa o elektromobilności – jakie korzyści dla kierowców hybryd?
Ustawa o elektromobilności z początku 2018 roku wprowadza pewne ułatwienia dla kierowców niskoemisyjnych samochodów. Niestety nie obejmuje ona hybryd nieładowanych z gniazdka. Samochody z napędem plug-in hybrid do końca 2020 roku mogą liczyć na zwolnienie z akcyzy. Pozostałe regulacje mające na celu popularyzację elektromobilności obejmują samochody elektryczne na baterie i na wodór, a także auta na gaz ziemny (CNG i LPG).