Jak działają pojazdy hybrydowe: łączenie silników elektrycznych i silników benzynowych

Pojazd hybrydowy elektryczny (HEV) łączy silnik benzynowy z zapłonem iskrowym z jednym lub kilkoma silnikami elektrycznymi zasilanymi z akumulatora, zgodnie z Alternatywnym Centrum danych paliw (AFDC) Departamentu Energii USA. W przeciwieństwie do hybryd plug-in, akumulator zwykłego hybrydu nie może być ładowany z gniazda elektrycznego; jest uzupełniany tylko przez silnik benzynowy i hamowanie regeneracyjne.

Główne komponenty

Zgodnie z AFDC, podstawowe części napędu HEV obejmują: silnik spalinowy, silnik elektryczny trakcyjny, generator elektryczny, baterię trakcyjną, kontroler elektroniki mocy regulujący prąd i prędkość silnika, konwerter DC/DC obniżający napięcie dla urządzeń pokładowych oraz skrzynię biegów, która przesyła moc mechaniczną z silnika i silnika elektrycznego na koła.

Jak dwa źródła energii dzielą pracę

Zgodnie z fueleconomy.gov, silnik benzynowy i silnik elektryczny są zarządzane automatycznie przez system sterowania pojazdu, który stale decyduje, ile powinien przyczynić każdy. Na niskich prędkościach i przy lekkim przyspieszeniu wiele hybryd może pracować tylko na silniku elektrycznym. Na prędkości marszowej silnik spalinowy zazwyczaj wykonuje większość pracy. Przy intensywnym przyspieszeniu lub na wzgórzach silnik i silnik elektryczny mogą połączyć swoją moc, a gdy samochód jest zatrzymany, silnik wyłącza się, aby nie marnować paliwa w biegu jałowym.

Oficjalny opis systemu Hybrid Synergy Drive Toyota, używany w całej gamie hybryd, daje konkretny przykład tej logiki: na biegu jałowym lub w miejscu Toyota mówi, że "oba silniki są automatycznie wyłączane, aby nie marnotrawić energii", podczas gdy na wzgórzach lub podczas wyprzedzania firma stwierdza, że "oba silniki napędzają pojazd, aby zapewnić maksymalną wydajność". Toyota twierdzi również, że jej system pozwala kierowcom przyspieszać do 50 km/h wyłącznie na zasilaniu elektrycznym w trybie EV, bez wyemitowania spalin z rury wydechowej na tym etapie.

Hamowanie regeneracyjne: odzyskiwanie energii, która w innym przypadku byłaby stracona

Hamowanie regeneracyjne to technologia, która pozwala hybrydowi ładować akumulator bez podłączania. Fueleconomy.gov wyjaśnia, że system "wykorzystuje ruch naprzód kół do obracania silnika", co generuje elektryczność, jednocześnie pomagając spowolnić samochód, zamiast rozproszyć tę energię czysto jako ciepło przez konwencjonalne hamulce. AFDC potwierdza, że generator elektryczny przechwytuje energię z hamujących kół i przekierowuje ją do akumulatora trakcyjnego.

Konfiguracje szeregowe, równoległe i plug-in

Hybrydy plug-in nie są wszystkie połączone w ten sam sposób. Opis fueleconomy.gov pojazdów hybrydowych plug-in (PHEV) rozróżnia równoległe lub "mieszane" PHEV, w których zarówno silnik, jak i silnik elektryczny są mechanicznie połączone z kołami i mogą je bezpośrednio napędzać, od szeregowych PHEV, w których tylko silnik elektryczny napędza koła, podczas gdy jedynym zadaniem silnika benzynowego jest generowanie elektryczności dla tego silnika. Fueleconomy.gov zauważa, że szeregowe PHEV są również znane jako pojazdy elektryczne o rozszerzonym zasięgu (EREV).

Pojazdy hybrydowe plug-in (PHEV) dodają większy, ładowany z zewnątrz akumulator do tej samej podstawowej koncepcji. Fueleconomy.gov twierdzi, że PHEV "mogą magazynować wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby znacznie zmniejszyć zużycie ropy naftowej w typowych warunkach jazdy", i że w zależności od modelu zużywają około 30% do 60% mniej ropy naftowej niż pojazdy konwencjonalne. Agencja Ochrony Środowiska USA (EPA) stwierdza, że PHEV mają zarówno akumulator i silnik elektryczny, jak i zbiornik benzynowy i silnik spalinowy, oraz że "emitują spaliny z rury wydechowej, gdy benzyna jest używana jako źródło paliwa", co czyni je czystszymi niż zwykłe samochody benzynowe, ale nie bezemisjnimi jak pojazdy elektryczne z baterią.

Dlaczego połączenie dwóch źródeł oszczędza paliwo

AFDC wyjaśnia, że podwójny napęd pozwala producentom zmontować mniejszy silnik benzynowy niż potrzebny byłby porównywalnemu samochodowi konwencjonalnemu, ponieważ silnik elektryczny może dostarczyć dodatkowy moment obrotowy, gdy jest potrzebny, na przykład podczas przyspieszania lub wspinania się na wzgórze. AFDC twierdzi, że to "potencjalnie pozwala na mniejszy silnik", i że kombinacja ładowania regeneracyjnego, pomocy silnika i zmniejszonego biegu jałowego skutkuje lepszą ekonomią paliwa bez poświęcania wydajności. Własne dane Toyota ilustrują efekt na poziomie modelu: firma wymienia zużycie paliwa swojego modelu Auris Hybrid Synergy Drive na 3,8 litra na 100 km w normalnej jazdie, z emisją CO2 na poziomie 87 gramów na km.