Hoe hybride voertuigen werken: elektromotoren en benzinmotoren combineren

Een hybride elektrisch voertuig (HEV) combineert een benzinemotor met vonkontsteking met een of meer elektromotoren die stroom uit een batterijpakket halen, volgens het Alternative Fuels Data Center (AFDC) van het U.S. Department of Energy. In tegenstelling tot plug-in-hybride voertuigen kan de batterij van een conventionele hybrid niet van een stopcontact worden opgeladen; deze wordt alleen opgeladen via de benzinemotor en door regeneratief remmen.

De belangrijkste componenten

AFDC vermeldt de kernonderdelen van een HEV-aandrijflijn: een verbrandingsmotor, een elektrische trekkingsmotor, een elektrische generator, een tractie-accupakket, een stroomelectronica-controller die stroom en motorsnelheid regelt, een DC/DC-omvormer die de spanning voor ingebouwde accessoires verlaagt, en een transmissie die mechanische kracht van zowel de motor als de elektromotor naar de wielen stuurt.

Hoe de twee energiebronnen het werk delen

Volgens fueleconomy.gov worden de benzinemotor en elektromotor automatisch beheerd door het voertuigbeheersysteem, dat voortdurend beslist hoeveel elk zou moeten bijdragen. Bij lage snelheden en lichte acceleratie kunnen veel hybriden alleen op de elektromotor rijden. Bij cruisesnelheid doet de verbrandingsmotor typisch het meeste werk. Bij sterke acceleratie of bergop kunnen motor en elektromotor hun vermogen combineren, en wanneer het voertuig stilstaat, schakelt de motor uit, zodat geen brandstof wordt verspild bij stationaire werking.

De officiële beschrijving van het Hybrid Synergy Drive-systeem van Toyota, dat in de gehele hybrideline wordt gebruikt, geeft een concreet voorbeeld van deze logica: bij stationaire werking of stilstand zegt Toyota dat beide motoren automatisch worden uitgeschakeld, zodat geen energie wordt verspild, terwijl op bergpassen of bij inhalen het bedrijf stelt dat beide motoren het voertuig aandrijven om maximale prestaties te leveren. Toyota stelt ook dat zijn systeem bestuurders in staat stelt om tot 50 km/u alleen op elektrische kracht in EV-modus te versnellen, zonder uitlaatemissies in die fase te produceren.

Regeneratief remmen: energie terugwinnen die anders verloren zou gaan

Regeneratief remmen is de technologie die een hybrid in staat stelt om de batterij op te laden zonder in te pluggen. Fueleconomy.gov legt uit dat het systeem de voorwaartse beweging van de wielen gebruikt om de motor te draaien, die elektriciteit opwekt terwijl het ook helpt om de auto af te remmen, in plaats van die energie zuiver als warmte door conventionele wrijvingsremmen te verliezen. AFDC bevestigt dat een elektrische generator energie uit remwielen opvangt en het naar de tractie-accu leidt.

Serie-, parallel- en plug-in-configuraties

Plug-in-hybrides zijn niet allemaal op dezelfde manier bekabeld. De beschrijving van fueleconomy.gov van plug-in hybride elektrische voertuigen (PHEV's) onderscheidt parallelle, of gemengde, PHEV's, waarin zowel de motor als de elektromotor mechanisch met de wielen zijn verbonden en deze rechtstreeks kunnen aandrijven, van serie-PHEV's, waarin alleen de elektromotor de wielen aandrijft terwijl de enige taak van de benzinemotor elektriciteit voor die motor opwekken. Fueleconomy.gov merkt op dat serie-PHEV's ook bekend staan als elektrische voertuigen met uitgebreide bereik (EREV's).

Plug-in hybride elektrische voertuigen (PHEV's) voegen een grotere, extern oplaadbare batterij toe aan hetzelfde basisprincipe. Fueleconomy.gov stelt dat PHEV's genoeg elektriciteit kunnen opslaan om hun aardoliegebruik onder typische rijcondities aanzienlijk te verminderen, en dat zij, afhankelijk van het model, ongeveer 30% tot 60% minder aardolie gebruiken dan conventionele voertuigen. Het U.S. Environmental Protection Agency (EPA) stelt dat PHEV's zowel een batterij als een elektromotor meevoeren naast een benzinetank en een verbrandingsmotor, en dat zij uitlaatemissies produceren wanneer benzine als brandstof wordt gebruikt, wat hen schoner maakt dan conventionele benzineauto's, maar niet emissievrij zoals batterij-elektrische voertuigen.

Waarom het combineren van de twee bronnen brandstof bespaart

AFDC legt uit dat de dubbele aandrijflijn fabrikanten in staat stelt om een kleinere benzinemotor in te bouwen dan een vergelijkbare conventionele auto nodig zou hebben, omdat de elektromotor extra koppel kan leveren wanneer nodig, zoals tijdens acceleratie of bergklimmen. AFDC stelt dat dit mogelijk een kleinere motor mogelijk kan maken, en dat de combinatie van regeneratief opladen, motorondersteuning en verminderde stationaire werking resulteert in beter brandstofverbruik zonder prestatieverlies. Toyotas eigen cijfers illustreren het effect op modelniveau: het bedrijf vermeldt het brandstofverbruik van zijn Auris Hybrid Synergy Drive model op 3,8 liter per 100 km in normaal rijden, met CO2-emissies van 87 gram per km.