Elektromos a jövő? – VIII. rész: A hibrid hajtásrendszerek

Félmegoldás vagy evolúciós lépcső? Ez a kérdés nem ok nélkül merülhet fel, hiszen manapság a jövő fényesen ragyogó csillaga mégiscsak az elektromos autózás, ebben pedig már van némi elektromosság.

A hibrid hajtás előnyei, hátrányai, típusai

Valójában pedig nem feltétlenül. Ha elfogadjuk azt a széles körben alkalmazott definíciót, mely szerint akkor hibrid egy autó, ha az két, vagy többféle energiaforrást hasznosít, akkor az kettős- vagy még annál is „többes”) üzeműnek hívjuk, ha pedig energiaátalakítóból van benne többféle, akkor pedig hibridnek. Az energiaátalakítót olyan nagyon nem kell magyarázni: magyarul ez a motor, a belsőégésű kémiai energiát alakít mozgásivá, az elektromos – egészen meglepő módon – elektromos energiát alakít mozgásivá, és még sorolhatnánk.

Most pedig egy pár mondat erejéig adjunk teret a bennünk (oké, bennem) élő örök kukacoskodónak:

Mivel a definícióban közvetlenül nem szerepel az, hogy az energiaátalakítás „béoldalán” mindig a mozgási energia kell, hogy álljon, ezért szomszéd nyugdíjas taxis ezerkecskéje is hibrid, hiszen van benne például fényszóróizzó, mely az elektromos energiát alakítja át fényenergiává (egészen pontosan a látható fény spektrumába eső elektromágneses sugárzássá), vagy éppen fék, mely a mozgási energiát alakítja át hőenergiává. Tehát a definíció mindenképpen kiegészítésre szorul azzal, hogy az energiaátalakító „kimenete” mindig mozgási energia kell hogy legyen.
Mivel a definícióban nem szerepel az, hogy az energiaátalakítóknak többfélének kell lennie, ezért például a Tesla Model 3 egy hibrid jármű, hiszen két darab elektromos motor is van benne.
A belső égésű motor sem közvetlenül kémiai energiát alakít át, hiszen az égés során kétféle „energia” keletkezik: potenciális, mely az égés során megnövekvő nyomás miatt jön létre, és hőenergia, mely a klasszikus esetben pocsékba megy. A belsőégésű motor tehát valójában a kémiai energiából származó potenciális energiát alakítja át mozgási energiává. Már így kimondva is szörnyű, pláne, ha megnézzük, hogy az egyes átalakításoknál mekkora is a veszteség.

De akkor most zsákutca vagy nem?

Abban nagyjából minden szakmai fórum egyetért, hogy a hibrid járművek nem jelentenek végleges megoldást a közlekedés és a közúti szállítás karbonsemlegességének elérésére. Ugyanakkor zsákutcát sem jelentenek, mivel nélkülük a járművek elektromos hajtásának és az akkumulátortechnológiának a fejlődése lényegesen lassabban ment volna végbe. Gyakorlati hasznuk sem elhanyagolható, hiszen egy hagyományos hajtáslánc esetében a fékezési energia csak az „utcát fűti”, és a legkisebb mértékben sem hasznosul. A hibridek esetében sem lehetséges a teljes fékezési energiát visszanyerni, de a semminél az is jóval több, amennyi a mechanikai és elektromos veszteségek után az akkumulátorba kerül, még akkor is, ha a teljes képhez hozzávesszük a tekintélyes többletsúlyú akkumulátorok és villanymotor(ok) gyorsításához szükséges többlet energiaigényt.

A hibridhajtás legfontosabb előnyei tehát:

Az alacsonyabb CO₂ kibocsátás a fékenergia-visszanyerés, avagy rekuperáció miatt, illetve azért, mert a belsőégésű motort sokkal nagyobb arányban lehet az alacsony tüzelőanyagfogyasztás lehetővé tevő fordulatszám-tartományban üzemeltetni.
Az alacsonyabb egyéb szennyezőanyag kibocsátás a belsőégésű motor optimálisabb üzemeltetése miatt.
Az elektromos motorok által lehetővé tett nagy nyomaték miatt kielégítő menettulajdonságok kisebb teljesítményű belsőégésű motor mellett is.

De mellesleg megemlíthetjük például a kevésbé kopó fékeket is, melyek nem csak költségcsökkentést jelentenek, hanem jelentős környezetkímélést is.

A hátrányaikra kitérve megemlíthetjük:

a jelentős plusz tömeget
az akkuk (főként a Li-ionok) újrafeldogozhatóságának problémáját
a bonyolultabb technológia miatti meghibásodási lehetőségeket

Ahhoz ugyanis, hogy egy hagyományos belsőégésű motorral hajtott járműből a gyártó hibridet fejlesszen, „hozzá kell adnia” egy magasfeszültségű hibrid akkumulátort, egy invertert, egy vagy több elektromos motort, és egy DC-DC konvertert, azaz nagyjából azokat az összetevőket, amelyekből egy tisztán elektromos autót már önmagában felépíthetünk (persze jóval nagyobb teljesítményű alkatrészek kellenek ez utóbbihoz.) Mindezek nem csak a jármű tömegét, hanem az előállítási költségeit is fellövik a Holdig.

Hibrid alapüzemmódok

Belső égésű motor (ICE)	Elektromos motor (EM)
Hajt	Nem hajt
– Ha az akkumulátorok teljesen lemerültek, és az ICE teljesítményét teljesen elveszi a hajtás biztosítása – Ha az akkuk ugyan fel vannak töltve, de a jármű töltéskonzerváló üzemmódban van, azaz tartalékolja az akkuk töltését későbbre, pl. városon belüli elektromos üzemhez
Nem hajt	Hajt
– Tisztán elektromos mód, ha az ICE környezetvédelmi okok miatt nem használható – Toyota HSD rendszerekben hátramenet esetén
Hajt	Hajt
– Nagy terhelés esetén
Nem hajt	Visszatermel
– Fékezéskor
Akkut tölt	Nem hajt
– Lemerült akkuk esetén álló helyzetben az ICE tölti az akkukat
Akkut tölt	Visszatermel
– Motorfék üzemben az ICE és az EM együtt töltik az akkukat
Hajt és tölt	Nem hajt
– Lemerült akkuk melletti részteljesítményt igénylő haladás (pl. autópályán haladás)
Akkut tölt	Hajt
– Speciális esetek, pl. Toyota HSD-nél teljesen lemerült akkuval való tolatás
Hajt	Visszatermel
A fentiek nem egy időben értendők, olyankor, amikor az akkuk lemerültek, és olyan konstrukciónál, ahol a két motor egymástól függetlenül két külön tengelyt hajt.

Hibridhajtás-konstrukciók a felépítésük szerint csoportosítva

Lássuk tehát a hibrid hajtásláncokat a felépítésük és a hibridizálás mértéke szerint. Ebben a részben az akkumulátorokra nem térek ki, mivel azok nem térnek el lényegi tulajdonságaik szerint a tisztán elektromos autókéitól, csak a fizikai méretük és a kapacitásuk kisebb.

Soros hibrid

A soros hibrid legklasszikusabb példája (bár furcsának tűnhet), a dízelmozdony, konkrétan a dízel-villamos mozdony. Ugyanis például az M61-es (NoHAB) dízelmozdonyok erőátviteli sémája azonos a soros hibridekével, azzal a különbséggel, hogy természetesen ezek akkumulátort nem tartalmaznak. Az alapséma nagyon egyszerű: a belsőégésű motor egy generátort hajt meg, amely áramot termel a járművet mozgató elektromos motorok számára. Előnye, hogy egyszerű felépítésű, nincs szükség váltóra, tengelykapcsolóra, és a belsőégésű motor is a számára legkedvezőbb üzemállapotban foroghat a legtöbb esetben, azaz a nyomatékmaximum közelében. Hátránya, hogy a többszörös energiaátalakítás miatt a belsőégésű motor energiájának egy része elvész, de az összesített hatásfoka a fékenergia-visszanyerésnek és a belsőégésű motor optimális fordulatszámának köszönhetően még így is jobb, mint egy kizárólag belsőégésű motorral hajtott járműnek.

Párhuzamos hibrid

A párhuzamos hibrid rendszerek esetében a belsőégésű motor (továbbiakban ICE, mint Internal Combustion Engine) és az elektromos motor egymástól teljesen függetlenül hajt, kettejük hajtásának összegzését a váltómű végzi. Az ICE általában nem képes álló helyzetben tölteni az akkumulátort, bár a váltómű megfelelő kialakításával ez is lehetséges lenne. A két erőforrás összekapcsolása lehetséges differenciálművel, vagy lehet olyan megoldás is, ahol egyáltalán nem is kapcsolódnak össze, a belső égésű motor az egyik (általában az első), míg a villanymotor a másik tengelyt hajtja (pl. Volvo V60 PHEV). Kevert megoldás a Lexus RX400h-é, mely esetében az első tengelyen egy soros-párhuzamos hajtásrendszer van (lásd köv. alpont), míg a hátsó tengelyen egy párhuzamosnak minősíthető egyszerű villanymotor, mely a hajtásba csak a jármű megcsúszásakor, illetve kiugróan magas teljesítményigény esetén kapcsolódik be, a rekuperációt azonban folyamatosan, minden fékezésnél végzi a jobb hatásfok és a kiegyenlítettebb fékerő-eloszlás biztosítása érdekében.

Előnyei:

A szerkezeti kialakítása viszonylag egyszerű, így előállítása olcsóbb, mint a vegyes hibridé, a kevesebb alkatrész miatt üzembiztonsága is nagyobb lehet.
A hagyományos hajtáslánc elemeiből viszonylag sok használható, így előállítása rendszerint még a soros hibridénél is olcsóbb, feltéve, hogy egy nagy darabszámban gyártott hagyományos hajtásláncot alakítanak át hibridre.
Az energiaveszteség kisebb, mint a soros hibridé, mivel nem kell a az ICE összes mechanikai energiáját elektromossá alakítani, majd pedig ugyanezt vissza is az elektromotorban, hiszen az ICE közvetlenül is hajtja a kerekeket.
Motorfék üzemben képes a rekuperálásra, azaz a jármű mozgási energiája egy részének elektromos energiává alakítására.

Hátrányai:

Hátránya, hogy ez a konstrukció nem képes önálló elektromos üzemre, azaz tisztán elektromos hajtással nem képes üzemelni, az ICE és a motorgenerátor közötti fix kapcsolat miatt. Ennél a rendszertípusnál a motorgenerátor csak a belső égésű motort segíti.
A fix kapcsolat azt sem teszi lehetővé, hogy a motorgenerátor és a belső égésű motor egyaránt a saját munkapontján, vagy ahhoz közel üzemeljen, így a vegyes hibrid hajtásnál kisebb a hatásfoka.

A második generációs párhuzamos hibridhajtásnál (P2-HEV) a motorgenerátor leválasztható a belsőégésű motorról, így önálló hajtásra is képes, illetve rekuperáló fékezéskor a teljes fékezési energia az akkumulátorok töltésére fordítható, nem szükséges a belsőégésű motort motorfék üzemben meghajtani és ezzel annak belső súrlódásából adódó energiaveszteség kiküszöbölhető.

A motorgenerátor indítómotorként és hagyományos generátorként is üzemelhet.

A soros-párhuzamos, avagy komplex hibrid rendszer

Ezt a rendszert a Toyota HSD (Hybrid Synergy Drive) rendszerén keresztül lehet szemléletes bemutatni. Felépítése egyszerű, ugyanakkor működése első pillantásra rendkívül bonyolultnak tűnik. Mivel képről teljesen biztos, hogy nem lehet megérteni a működését, ezért a rendszer leírása után adok pár videóhoz linket, ahol értelmes anyagokat lehet találni erről a rendszerről.

Alapelemei az ICE; a két villanymotor, melyek generátor üzemben is képesek működni, a kisebb az MotorGenerator1 (MG1), a nagyobb pedig az MG2; és egy bolygómű, mely a hajtás összegzését végzi, üzemállapottól függően soros vagy párhuzamos hibridként viselkedve.

A nyomatékelosztás egy bolygókerekes nyomatékosztón keresztül történik, amelynél a napkerékhez csatlakozik az MG2 (motorgenerátor 2), a bolygókerekek tengelyeit rögzítő kerethez (bolygóhíd) a belső égésű motor, gyűrűkerékhez pedig a MG1-n keresztül a hajtás.

A nyomatékelosztás 0-100 % lehet, üzemállapottól függően: ha a MG1 (és ezzel a hajtás is) azonos fordulatszámmal forog, mint a napkerékhez csatlakozó MG2, akkor a bolygókerekek helyzete nem változik sem a napkerékhez, sem pedig a gyűrűkerékhez képest, így gyakorlatilag direkt hajtás jön létre. Azért elméleti a 100 %-os arány, mert az MG1 ugyan generátorként termel áramot, de a veszteségek miatt nem tud annyit termelni, mint amennyi az MG2 meghajtásához szükséges, így a veszteséget vagy az akkumulátorokból kell időlegesen pótolni, vagy pedig az MG1-nek kell annyival gyorsabban forogni az MG2-höz képest, amennyi fedezi a veszteséget.

Az első esetben valóban megtörténik a 100 %-os nyomatékátadás, de valójában ez csak az akkuk lemerüléséig tartható fenn, a második esetben pedig a belső égésű motor nyomatékának kis része a hálózati veszteség kompenzálására fordítódik, így nincs meg a 100 %.

Az akkumulátor

feladata a rendszerben elsősorban a töltéstárolás, mely töltés vagy a belső égésű motor forgásából, vagy a regeneratív fékezésből származik (vagy plug-in rendszer esetében a konnektorból). A töltés leadása az ICE indításakor, gyorsításkor, az ICE teljesítményének időleges megnövelésekor, tolatáskor (a Toyota HSD csak elektromos erővel tud tolatni, ez a bolygómű felépítéséből is következik, ám ez nem jelenti azt, hogy a teljesen lemerült akkuk esetén az ICE nem tud elektromos energiát termelni a tolatást végző motorgenerátor számára), vagy a magasfeszültségű fogyasztók táplálására (pl. elektromos klímakompresszor, elektromos vízpumpa, elektromos fékrásegítő, stb.)

A Toyota HSD-t még kivesézem egy kicsit alaposabban a következő részben, ahol a hibridizáltság mértéke szerint hasonlítjuk össze az egyes rendszereket. Úgyhogy nem kell aggódni, lesz itt még hibrid bőven, a következő részben is.