Posrečeni par
Koga ali kaj bi označili za »najboljši par« v svetu avtomobilizma? Avtomobilska industrija je prepričana, da med zelo posrečene zakone lahko uvrstimo tudi sožitje elektromotorja in motorja z notranjim zgorevanjem – t. i. hibridni pogonski sklop.
Na splošno o hibridnih vozilih govorimo takrat, ko vozilo za pogon uporablja dva ali več različnih virov energije. V zadnjih dveh desetletjih gre predvsem za hibridna električna vozila, torej vozila, ki združujejo motor z notranjim zgorevanjem (na bencinsko ali dizelsko gorivo) in enega ali več elektromotorjev. A prvo vozilo s hibridnim pogonom je ugledalo luč sveta že pred več kot sto leti. Konec 19. in v začetku 20. stoletja zamisel, da morajo vozila poganjati fosilna goriva, vendarle še ni bila tako zelo zacementirana med ljudmi. Izumitelji so zato preizkušali različne tehnologije in rešitve glede pogona vozil, z elektriko, fosilnimi gorivi, paro in kombinacijo tega.
Prvo hibridno vozilo je ugledalo luč sveta leta 1900 pri naših sosedih, v Avstriji. Zamisel se je porodila dunajskemu graditelju kočij Jacobu Lohnerju, ki je menil, da so avtomobili z bencinskimi motorji preglasni in preveč smrdljivi. Ob pomoči mladega inženirja Ferdinanda Porscheja, ki je štel vsega 21 let, je izdelal prvi električni avtomobil. Porsche je zanj izumil elektromotor v kolesu, ki se je napajal z baterijami, nameščenimi na ogrodju ene izmed »modernih kočij«. Avtomobil, imenovan Lohner-Porsche Elektromobil, je lahko javnost občudovala na Pariškem salonu. Prvotno je šlo za povsem električni avtomobil, a je njegov »oče«, Porsche, vozilu hitro dodal še motor z notranjim zgorevanjem, ki je skrbel za polnjenje baterij, in tako izdelal prvo hibridno električno vozilo na svetu. Avstrijski hibrid ni bil od muh, dosegel je namreč najvišjo hitrost 61 km/h. Prvi kupec Elektromobila je bil Anglež E. W. Hart, ki je Porsche prosil, če lahko elektromotor vgradi v vsa štiri kolesa. Mladi inženir je uresničil tudi to željo in nevede ter mimogrede postal še pionir štirikolesnega pogona. Lohner in Porsche sta prodala okoli 300 Elektromobilov, nato je zamisel o hibridnem pogonu znova zaspala. V poznejših letih je Ferdinand Porsche ustanovil še danes delujoče podjetje, v zgodovino pa se je zapisal tudi kot oblikovalec legendarnega vozila Volkswagen hrošč.
Avstrijca Lohner in Porsche sta bila vizionarja. Zamisel hibridnega vozila sta uresničila okoli sto let »prekmalu«.
Začetni koraki hibridov so bili sicer težki, podobno kot baterije po zmogljivostih tudi avtomobili niso blesteli po dometu. Vozila, opremljena z motorji z notranjim zgorevanjem, so kaj hitro prevzela primat. A to inovatorjev ni ustavilo. Leta 1917 je podjetje Woods Motor Company izdelalo hibrid Woods Dual Power, ki je po svoji zasnovi že malce spominjal na današnje rešitve. Poleg štirivaljnega motorja z notranjim zgorevanjem je namreč imel nameščen tudi elektromotor. Vozilo je zmoglo doseči hitrosti do 56 km/h, tržno pa ni bilo pretirano uspešno.
Nizke cene bencina in dizelskega goriva so izdelovalce vozil povsem oddaljile od razmišljanja o hibridnih vozilih. V 60. in 70. letih prejšnjega stoletja se je z elektrifikacijo vozil veliko ukvarjal elektroinženir Victor Wouk, ki je na podlagi vozila Buick Skylark izdelal tudi prototip hibridnega električnega vozila. Ko pa je vlada ZDA njegovemu projektu odtegnila finančno podporo, je zamrl tudi njegov razvoj. So pa Woukov trud opazili inženirji v podjetju General Motors in leta 1968 predstavili prototip z oznako GM 512. Omenjeno vozilo je ob nižjih hitrostih (do 16 km/h) vozilo na elektriko, ob višjih pa preklopilo na dvovaljni bencinski motor. Tudi sicer je doseglo zgolj 64 km/h.
Za naslednjo stopnico v razvoju je šele leta 1989 poskrbel Audi. Prvi prototipni Audi Duo je imel poleg 139-konjskega motorja z notranjim zgorevanjem vgrajen še električni motor zmogljivosti 12 konjskih moči. Audi je koncept Audi Duo nato razvijal skoraj desetletje.
Celotno avtomobilsko industrijo so nato presenetili Japonci. Toyota je na domačem trgu že leta 1997 ponudila hibridni model Prius, ki v očeh današnjega prebivalstva velja za očeta hibridnih električnih vozil. Medtem ko je avtomobilski svet dogajanje opazoval le od daleč, se je Toyoti na hibridnem trgu z dveletno »zamudo« pridružila še Honda, in sicer z modelom Insight. Ko so se v Toyoti odločili, da Prius leta 2001 ponudijo tudi na drugih trgih po svetu, si verjetno niso mislili, kako zelo priljubljen bo postal. Mejnik milijontega izdelanega hibridnega Priusa so dosegli že leta 2007. Do danes se je njihovo število še bistveno povečalo, saj so v preteklih letih postali prava modna muha in so jih kot po tekočem traku kupovali okoljsko ozaveščeni posamezniki in podjetja, zaradi »dokazane trdoživosti« pogonskega sklopa pa jih imajo še danes zelo radi celo taksisti po vsem svetu.
TEHNOLOGIJA
Različne vrste hibridnih pogonov
Ni vsak hibridni pogon enak. Po zasnovi ločimo kar pet osnovnih vrst hibridnih pogonskih sklopov.
Srce hibridnega pogona
Pasivni hibridni pogoni so sestavljeni iz motorja na fosilna goriva in elektromotorja razmeroma skromne moči, katerega naloga je zgolj priskočiti na pomoč motorju z notranjim zgorevanjem v fazi, kadar ta glede na obremenitev potrebuje več zmogljivosti (predvsem navora). V praksi tako bencinskemu ali dizelskemu motorju pomagajo pretežno v fazi pospeševanja, saj elektromotor v hipu razvije ves navor, pa tudi njegov izkoristek je okoli dvakrat večji od »sodelavca« pod avtomobilskim pokrovom.
Aktivni hibridni pogoni predstavljajo kombinacijo motorja z notranjim zgorevanjem in elektromotorja, sposobno skupnega delovanja. Njuna »vezava« na pogonsko gred je lahko vzporedna ali zaporedna. Vozilo z aktivnim hibridnim pogonom se lahko na krajše razdalje in ob manjših obremenitvah spremeni v praktično električno vozilo (pač dokler ima na voljo zalogo električne energije). Elektromotor torej ni le asistent motorju z notranjim zgorevanjem, ob zaviranju namreč prevzame vlogo alternatorja in s pretvorbo kinetične energije v električno polni baterije (obenem baterije lahko polni tudi alternator klasičnega motorja). Prav aktivni hibridni pogon je danes najbolj razširjena različica pogona v svetu sodobnih hibridnih vozil.
Priključni hibridni pogon (»plug-in«) je nadgrajena različica aktivnega hibridnega pogona. Praviloma ima še zmogljivejša elektromotor in baterijski sklop, ki mu omogočata daljšo električno avtonomijo vožnje (ta se že meri v nekaj deset kilometrih). Pridevnik »priključni« si ta oblika hibridnega pogona zasluži s priklopom za polnjenje na namenskih polnilnicah ali v domačem električnem omrežju (seveda le, ko je vozilo parkirano). Ker gre v tem primeru za novejša vozila z avtomatskimi menjalniki, avtomobilska elektronika že nadzira prav vse parametre delovanja hibridnega pogona – popolnoma električno vožnjo, obseg pomoči elektromotorja motorju z notranjim zgorevanjem ter zagon in ugašanje motorja z notranjim zgorevanjem.
Hibridni sklopi s podaljševalnikom dosega so naslednja stopnja razvoja priključnih hibridnih pogonov in nekakšen vmesni člen med kategorijo hibridov in povsem električnih vozil. Precej so že podobni slednjim, saj imajo vgrajen zmogljiv elektromotor in baterijski sklop, ki skrbita za pogon, »manjši« in precej varčen motor z notranjim zgorevanjem ter nanj vezan generator pa imata nalogo ustvarjanja električne energije za primarni pogon. Ta hip smo priča nekakšni vmesni fazi razvoja teh rešitev, zato nekatera vozila tudi motor z notranjim zgorevanjem lahko še vedno izkoristijo tudi v namene pogona, kadar voznik zahteva (naj)več zmogljivosti (ob polnih pospeševanjih ali pa pri avtocestni vožnji).
Avtomobilska industrija je v začetku razvoja hibridnih pogonov poznala tudi t. i. mikrohibridne sklope, ki so v manjšem obsegu v vozilih še danes. Te rešitve pogosto skrbijo le za zajem električne energije – npr. spreminjanje kinetične energije v električno pri zaviranju ali pa spreminjanje energije sonca v elektriko ob pomoči sončnih celic na strehi, ki jo nato namenjajo električnim porabnikom v vozilu. Taka rešitev razbremeni avtomobilski alternator (in posledično motor z notranjim izgorevanjem), to pa prispeva k nekoliko nižji porabi goriva in boljšim zmogljivostim.
Izdelava hibridnega vozila
Kljub ugodnejši porabi goriva in potencialno večji prijaznosti do okolja so varčna hibridna vozila še vedno izdelana zelo podobno kot vozila z motorji z notranjim zgorevanjem. Nastajajo na istih ali pa zelo podobnih proizvodnih linijah, kjer komponente vgrajujejo vanje roboti in ljudje. Koreografija postopkov sestave je zaradi številnih dodanih sklopov še pomembnejša in do potankosti usklajena.
Največja razlika med klasičnimi in hibridnimi vozili je seveda v baterijah. Teh je veliko in zasedejo razmeroma veliko prostora. Seveda gre za polnilne baterije, ki jih večinoma izdelujejo priznani izdelovalci baterij (npr. japonski Panasonic, ki je že pred leti kupil konkurenta Sanyo).
Do naslednje revolucije se zdi, da so baterije Li-Ion popolnoma zavladale avtomobilskemu svetu.
Baterije, baterije, baterije
Sprva so izdelovalci v hibridna vozila vgrajevali svinčeve baterije. Bile so sorazmerno zmogljive in cenovno ugodne za izdelavo, pa tudi varne in zanesljive. A so imele tudi celo vrsto pomanjkljivosti. Kratek življenjski cikel teh baterij in zelo slabo prenašanje nizkih temperatur so poskrbeli, da so izdelovalci kaj hitro začeli iskati alternativne rešitve. Sprva so jih našli v nikelj-metal hibridnih baterijah (NiMH). Te vrste baterij še danes najdemo v številnih elektronskih izdelkih, saj imajo večjo specifično gostoto od svinčevih baterij, so varne za uporabo, zelo odporne proti zlorabam in, kar je najpomembneje, precej daljšo življenjsko dobo. A tudi v primeru baterij NiMH ne gre brez težav – avtomobilske izdelovalce najbolj skrbijo visoki stroški izdelave, visoka stopnja samopraznjenja in visoke temperature ob obremenitvi.
Zato so izdelovalci avtomobilov zopet sledili izdelovalcem potrošniške elektronike in v vozila s hibridnimi pogonskimi sklopi začeli vgrajevati baterije, po svoji zasnovi podobne tistim, ki jih najdemo v pametnih telefonih, prenosnih računalnikih itd. Litij-ionske baterije (Li-Ion) ponujajo še večjo gostoto energije glede na maso, so visoko učinkovite v skoraj vseh temperaturnih razmerah in se zelo počasi samopraznijo. Zelo pomembno je tudi to, da je veliko gradnikov baterij Li-Ion mogoče reciklirati. Praktično vsi novi priključni hibridi in električna vozila danes uporabljajo baterije Li-Ion, izdelovalci pa vlagajo veliko sredstev v raziskave in nadaljnji razvoj, saj želijo doseči še boljše zmogljivosti ob nižjih stroških proizvodnje.
Z večanjem števila hibridnih in električnih vozil, ki se bodo vozila po svetu več kot desetletje, izdelovalci namenjajo veliko pozornosti tudi postopkom razgradnje in reciklaže, saj lahko ob ustrezni reciklaži znova uporabijo večji del surovin in tako dosežejo znatne prihranke.
Polnjenje na električnih polnilnih postajah je še vedno zapleteno in polno nekakšnih spletnih prijav. Te na novem parkirišču P+R v Ljubljani našemu androidnemu telefonu ni uspelo opraviti.
Delovanje hibridnega pogona
Že pionir hibridov je dokazal, da lahko tak sklop poganja prednji ali zadnji par koles, lahko pa tudi vsa štiri (štirikolesni pogon). V praksi pa je slika povsem enaka kot sicer – večina hibridov energijo prenaša na prednja kolesa. Kot svojevrstno rešitev hibridni pogon vidijo tudi izdelovalci vozil, ki so opremljena s štirikolesnim pogonom. Z namestitvijo hibridnega pogona na zadnjo os ne le poenostavijo samo zgradbo pogona (odpade težka kardanska gred), temveč dosežejo tudi boljšo razporeditev teže. Seveda je takšna rešitev primerna za današnje urbane terence in rekreativna vozila oziroma njihove »manj resne« terenske podvige. Novejši priključni hibridi pa znajo po zaslugi avtomatskih menjalnikov z ločevalno sklopko in ob pomoči nadzorne elektronike skoraj v hipu uveljavljati prednosti posameznega pogona. Za brezhibno in predvsem učinkovito delovanje je ključnega pomena menjalnik. Nekateri izdelovalci v ta namen uporabljajo kompleksno planetarno gonilo (deluje kot razdelilnik moči), ki deluje kot brezstopenjski menjalnik in omogoča sočasno delovanje obeh motorjev in tudi polnjenje. A razvoj menjalnikov hitro napreduje in slabosti brezstopenjskih menjalnikov nadomeščajo vse boljši samodejni menjalniki s pretvorniki navora, pa tudi menjalniki z dvema sklopkama in še dodatno ločevalno sklopko – ta v zahtevanih razmerah po ukazu elektronike loči ali spoji elektromotor od motorja z notranjim zgorevanjem.
Za polnjenje baterij med vožnjo poleg alternatorja, povezanega na motor z notranjim izgorevanjem, skrbi tudi sam elektromotor – a le med zaviranjem, kjer tudi sam opravlja vlogo (dodatnega) alternatorja.
S tipko eDrive lahko preklapljamo med bencinskim, električnim ali kombiniranim pogonom.
Praksa – BMW 330e iPerformance
Nemški izdelovalec vozil BMW z oznako iPerformance opremlja vozila, ki sodijo v kategorijo priključnih (»plug-in«) hibridov. Vanje je poleg bencinskega turbomotorja vgrajen še elektromotor. Moči je toliko, kolikor bi je od modela 330 tudi pričakovali. Nekoliko »zavrtemu« dvolitrskemu turbomotorju z močjo 135 kW (184 KM) namreč pomaga še 80 kW (109 KM) elektromotor, kar zadostuje za skupno sistemsko moč 185 kW (252 KM). To pa je v praksi dovolj, da se »trojka« izstreli z mesta in hitrost 100 km/h ob polnem pospeševanju doseže v malce več kot šestih sekundah. Če bomo nogo na pedalu za plin vneto tiščali ob tla, bo vozilo doseglo hitrost 225 km/h. Takšno izživljanje seveda ni priporočljivo, že zaradi prometne varnosti, pa tudi ekologije. Hipen navor elektromotorja resnično impresivno premika 1,8 tone težko vozilo, inženirjem pa moramo vsekakor čestitati, da jim je kljub 160 kilogramov težkim baterijam Li-Ion skupne zmogljivosti 7,6 kWh uspelo skorajda ohraniti idealno porazdelitev teže med obema osema (dejansko razmerje je 49 : 51). Za spodobno udobno ali športno hitro premikanje vozila ima zasluge tudi vrhunski 8-stopenjski samodejni menjalnik, medenj in bencinski motor je v t. i. sendvič konstrukciji zapakiran še elektromotor.
Nas je tokrat zanimala predvsem hibridna izkušnja. Električni sklop ob polno napolnjenih baterijah obljublja do 36 kilometrov povsem električne vožnje. Tega rezultata v praksi sicer nismo dosegli, smo pa z vožnjo po prestolnici praviloma dosegali od 25 do 28 električno prevoženih kilometrov, kar se nam zdi zelo dobro. Takšno vozilo je zato zelo primerno za ljudi, ki bivajo, denimo, v mestih ali bližnji okolici, saj lahko izkoristijo vse prednosti električne vožnje – ta je mogoča do hitrosti 80 km/h, pa tudi polnilnic v mestih je vse več. Ko elektronom v baterijah zmanjka moči ali pa ko želimo od njih preveč, se v hipu vmeša še bencinski motor. Vklop motorja z notranjim zgorevanjem je zaznaven, a večinoma povsem nemoteč, bistveno elegantnejši je izklop, ko sistem presodi, da ga trenutno ne potrebuje več.
Veseli nas, da BMW inteligentnega upravljanja energije ni povsem prepustil umetni pameti avtomobilskega računalnika, temveč je vozniku omogočil izbiro med več načini. Privzeti način AUTO eDRIVE je, denimo, idealen za voznike, ki cenijo nizko porabo in tiho vožnjo. Avtomobil že ob vžigu (u)porablja električno energijo, ob morebitni dinamični in hitri vožnji pa preklopi na bencinski motor. Navdušenci nad mirnostjo električnega potovanja (pretežno po mestu) bodo bržkone izbrali program MAX eDRIVE in si s tem tudi skušali minimizirati stroške vožnje – vozilo bo kar se da dolgo vztrajalo v električnem načinu vožnje. Če nam ne gre za nohte s porabo energentov, lahko vklopimo tudi malce nelogično poimenovan program SAVE BATTERY, ki bo BMW 330e spremenil v bencinsko gnan BMW (ki počasi polni baterijo), ob zaviranju sproščeno energijo pa bo shranjeval v baterijo za poznejšo rabo. Seveda vozilo pozna tudi tradicionalne BMWjeve nastavitve, kot sta način SPORT in ECO PRO. Slednji poleg elektromotorja varčnosti podredi tudi delovanje vseh drugih sistemov (bencinskega motorja, stopalke za plin, klimatske naprave …), vse z namenom doseganja kar najnižje kombinirane porabe.
Deklariranih dveh litrov porabe na 100 kilometrov v praksi nismo dosegli, niti se zanjo nismo trudili. Ob povprečno dinamični mestni in primestni vožnji je BMW 330e za prevoženih 100 kilometrov (brez postankov) zahteval za nekaj deset centov električne energije ter šest litrov neosvinčenega bencina.
Polnjenje skoraj povsem izpraznjene baterije BMW 330e prek klasične vtičnice traja dobre tri ure, na hitri mestni polnilnici (22 kW) pa okoli 25 minut. Za brezhibno delovanje vgrajene (visokonapetostne) baterije BMW pohvalno jamči kar šest let oziroma 100.000 prevoženih kilometrov. Kupci BMW 330e iPerformance so deležni tudi nepovratnih finančnih spodbud EkoSklada (letos je subvencija do 4500 evrov).
Polnjenje je ... izziv
Kot smo navajeni iz sveta potrošniške elektronike, se baterije praznijo precej hitreje kot polnijo. Slednje v dobi elektromobilnosti in električnih vozil skorajda ne pride v poštev, zato poznamo tudi namenske hitre polnilnice, ki baterije vozila napolnijo bistveno hitreje. A za hibridna vozila, ki jim zgolj električni domet ni prioriteta, pridejo v poštev vsi načini polnjenja.
Čas polnjenja je odvisen od številnih dejavnikov, najbolj pa od same baterije (zmogljivosti, stopnje izpraznjenosti) ter polnilnika. Ob polnjenju na klasični električni vtičnici (in izmeničnem toku) v domači garaži bodo sodobni priključni hibridi zahtevali več ur, polnilne postaje v mestih in ob avtocestah pa to nalogo po zaslugi enosmernega toka opravijo bistveno hitreje. Pri nas najbolj razširjene hitre polnilnice moči 22 kW baterijo hibridnega vozila praviloma napolnijo v uri do dveh, superzmogljive polnilnice moči 135 kW pa še bistveno hitreje (v 10 do 15 minutah).
(Ne)prijaznost do okolja
Izdelovalci hibridnih vozil so se morali spoprijeti tudi z vrsto negativne reklame. Skupine za varovanje okolja so jih namreč obtožile, da hibridna vozila že med proizvodnjo ustvarijo več negativnih vplivov na okolje, kot je njihov prihranek v življenjski dobi. Toyota je zato opravila izdatno študijo in že pred leti ugotovila, da Priusov ogljični odtis ni tako grozoten, kot želijo prikazati ekologi. Prihranki CO2 ob vožnji Priusa namreč prevesijo tehtnico na zeleno stran (torej presežejo stroške izdelave) že po okoli 21 tisoč prevoženih kilometrih.
A »zeleni« se niso dali in so avtomobilske izdelovalce napadli z izjavo, da že pot samega niklja do tovarn baterij porabi več energije kot vožnja vozila s požrešnim motorjem z notranjim zgorevanjem v primerjavi z varčnim hibridom. Tudi to trditev so izdelovalci uspešno ovrgli, nato pa prešli na rabo baterij, izdelanih po tehnologiji Li-Ion.