Czy droga górska i ciągłe podjazdy zmniejszają zalety hybrydy?

Tak, długie górskie drogi ze stałym podjazdem wyraźnie zawężają przewagę hybrydy pod względem paliwa; jednak w większości scenariuszy nie eliminuje jej całkowicie. Powód jest prosty: zysk hybrydy opiera się w dużej mierze na odzyskiwaniu energii hamowania w ruchu miejskim typu stop-and-go oraz na napędzie elektrycznym przy niskich prędkościach. Na stałym podjeździe pojazd musi natomiast przenosić swoją masę metry w górę; silnik elektryczny nie jest w stanie sam przez długi czas udźwignąć tego obciążenia, bateria szybko się rozładowuje, a silnik benzynowy przejmuje większość pracy.

Dlaczego przewaga hybrydy jest wyraźna w mieście, a maleje na podjeździe?

Silnik elektryczny może sam napędzać pojazd przy niskich prędkościach, zazwyczaj do około 48 km/h lub przy niskim zapotrzebowaniu na moc. Ta zdolność czyni hybrydę doskonałą w miejskim ruchu poruszającym się od świateł do świateł: częste hamowania ładują baterię, a silnik pozostaje wyłączony w zakresach, w których jest najmniej wydajny. Architektury hybryd szeregowych są w tym scenariuszu szczególnie dobre, ponieważ silnik spalinowy jest całkowicie wykluczony z warunków stop-and-go, w których pracuje najmniej wydajnie.

Na stałym podjeździe równanie się odwraca. Pojazd, poza poruszaniem się w poziomie, przenosi własną masę wbrew grawitacji; zapotrzebowanie na moc przekracza granicę, którą silnik elektryczny może dostarczać w sposób ciągły. Bateria szybko się rozładowuje, a system znajduje tylko jedno wyjście: uruchomić silnik benzynowy na wyższych obrotach, tak aby zasilał zarówno jazdę, jak i ładowanie baterii. To dokładnie ten zakres, w którym hybryda nie została zaprojektowana do oszczędzania.

Liczbowy margines różnicy jest uderzający. Porównując wartości miejskie i autostradowe obok siebie, można zobaczyć, jak bardzo wsparcie elektryczne maleje przy wysokich prędkościach:

Różnica w ostatnich dwóch wierszach to sedno sprawy: wynik zależy od charakteru terenu. Krótkie wzniesienia i następujące po nich zjazdy pozwalają na cykl rozładowywania i ładowania baterii; nieprzerwany podjazd natomiast rozładowuje baterię w jednym kierunku i psuje matematykę oszczędności.

Dlaczego bateria szybko się wyczerpuje na długim podjeździe?

Bateria hybrydy została zaprojektowana do krótkich wybuchów mocy: wsparcie przy ruszaniu, dostarczanie dodatkowego momentu obrotowego podczas wyprzedzania, przemieszczanie pojazdu przy bardzo małej prędkości. Zaś przy nieprzerwanym podjeździe wymagana moc jest znacznie większa niż przy tych krótkich zadaniach i trwa minutami. Są doniesienia użytkowników, że zwłaszcza na odcinkach autostrad z długimi podjazdami poziom naładowania baterii gwałtownie spada w czasie krótszym niż minuta - dane mają rangę relacji z forum, ale są spójne z fizyką.

Gdy bateria spadnie poniżej określonego progu, zachowanie układu się zmienia. Silnik benzynowy nie tylko obraca kołami; utrzymuje się jego obroty powyżej poziomu stałej prędkości jazdy, dzięki czemu generowana jest dodatkowa moc, a część tej mocy jest przekierowywana przez generator do baterii. W niektórych układach ten tryb trwa, dopóki bateria nie zostanie ponownie naładowana do około 50%. Kierowca może to normalnie odczuć: dźwięk silnika staje się wyraźniejszy, przyspieszenie przejściowo spada. Wśród notatek z obserwacji jest też to, że na długich, stromych przełęczach kombinacja silnika i e-CVT może wydawać przytłoczony dźwięk i odczucie.

Praktyczny wniosek jest taki: na wzniesieniu hybryda jest pomocnikiem wspierającym silnik benzynowy; nie jest silnikiem, który przejmuje całe obciążenie. W przeciwieństwie do pojazdu elektrycznego bateria hybrydy nie ma szansy na wsparcie z sieci w miarę zdobywania wysokości - jedynym źródłem jest jej własny silnik benzynowy.

Co dzieje się z silnikiem benzynowym wraz ze wzrostem wysokości?

Nie jest błędem stwierdzenie, że górskie drogi uderzają w hybrydę w dwóch osobnych miejscach; drugie uderzenie przychodzi z atmosfery. Wraz z wysokością powietrze się rozrzedza, ilość tlenu dostającej się do cylindrów maleje, a sprawność spalania spada. Jako z grubsza reguła - na każde 1.000 stóp (~305 m) wysokości nad poziomem morza silnik spalinowy traci około 3% mocy. Przełęcz o wysokości 2.000 metrów oznacza w tym obrazie znaczący niedobór dla silnika.

Nowoczesne jednostki zarządzania silnikiem wykrywają rozrzedzające się powietrze i kompensują mieszankę paliwową; innymi słowy, nie dochodzi do całkowitej katastrofy pod względem zużycia. Jednak utrata mocy w silnikach wolnossących jest wyraźnie większa niż w turbodoładowanych. W połączeniu z dużym zapotrzebowaniem na moc podczas podjazdu skutkiem jest dodatkowe obciążenie już napiętej równowagi układu hybrydowego: mniej dostępnej mocy, bardziej agresywne zarządzanie obrotami, więcej paliwa.

Silnik elektryczny jest natomiast odporny na ten wpływ; jego moment obrotowy jest niezależny od wysokości. Tym właśnie jest ta zaleta architektury hybrydowej, która działa w górach - dopóki bateria ma zapas, silnik elektryczny pokrywa własnym momentem tę część, której silnik spalinowy nie udźwignie. Problemem jest to, że tej energii nie wystarczy na cały, nieprzerwany podjazd.

Ile rekompensuje utrata hamowania rekuperacyjnego?

Zjazd to najbardziej efektywny scenariusz odzyskiwania energii w hybrydzie. Podczas długiego zjazdu hamowanie rekuperacyjne jest w stanie ładować baterię z mocą przekraczającą moc ładowarki Level 2; ten pomiar opiera się na jednym teście zjazdu, ale daje poczucie skali. Do tego obrazu przyczyniają się też doświadczenia użytkowników, z których wynika, że na krótkich podjazdach na szczyt energia zużyta podczas wjazdu może być odzyskana przy zjeździe, czyli przejazd w górę i w dół może zostać częściowo zniwelowany.

Granice systemu są też jasne. Gdy stan naładowania baterii osiąga 80%, sprawność odzysku energii hamowania spada; na bardzo długich zjazdach system uderza w ten sufit, a nadmiar energii trafia do hamulców mechanicznych. Ponadto najwyższy poziom rekuperacji nie zawsze jest najefektywniejszym wyborem - zlecenie hamowania w większym stopniu silnikowi elektrycznemu może skutkować stratami nawet w scenariuszach, w których mogłoby poprawić przepływ energii. Zatem rekompensata w zjeździe jest realna, ale zwykle nie zwraca całości energii zużytej na podjeździe; straty sprawności przy magazynowaniu energii mechanicznej w postaci elektrycznej i jej oddawaniu są nieuniknione.

W hybrydach plug-in obraz wygląda nieco inaczej. Donoszono, że podczas gdy krótkie wzniesienie można pokonać całkowicie na prądzie, na długim podjeździe z autostradową prędkością zasięg elektryczny może przekraczać prognozę, a zużycie prądu jest o 2–3 mile na kilometr większe niż zakładano. Czyli nawet przy większej baterii werdykt w sprawie ciągłego podjazdu się nie zmienia: duża moc, szybkie zużycie.

Pełna hybryda czy hybryda szeregowa - która jest wytrzymalsza na podjeździe?

Uczciwa odpowiedź na to pytanie to brak niezależnych testów porównawczych: nie ma jeszcze ilościowego badania, które zestawiłoby obie architektury w scenariuszu ciągłego podjazdu. Mimo to z logiki tych architektur można odczytać kilka rzeczy. W hybrydach szeregowych cała energia hamowania zamienia się w energię elektryczną; to duża zaleta w ruchu miejskim stop-and-go, gdzie hamowanie jest częste. Na długim podjeździe łańcuch hybrydy szeregowej jest jednak długi - moc mechaniczna jest najpierw zamieniana na elektryczność, a potem z powrotem na ruch mechaniczny, a każda przemiana generuje straty.

Układy szeregowo-równoległe (power-split) wykazują tu strukturalną elastyczność: przy niskiej prędkości działają szeregowo, a przy wysokiej prędkości i dużym obciążeniu równolegle, utrzymując otwartą drogę mechaniczną. Ciągły podjazd to właśnie reżim dużego obciążenia, więc w praktyce atutem staje się możliwość bezpośredniego przekazywania mocy od silnika do kół dzięki połączeniu równoległemu. Miękkie hybrydy (mild hybrid) to osobna kategoria: nie potrafią samodzielnie poruszać pojazdem za pomocą prądu, jedynie go wspierają. W rzeczywistych warunkach mogą przynieść 20–25% poprawy efektywności paliwowej w porównaniu z pojazdami bez hybrydy, ale na górskim podjeździe ten zysk spada daleko poniżej wartości, jaką hybryda osiąga w mieście.

Najbardziej sensowne podsumowanie dla eksploatacji górskiej jest takie: różnicę w mocy na podjeździe tłumaczy bardziej pojemność silnika, turbodoładowanie i masa całkowita niż architektura; Ile wynosi realistyczna oszczędność na trasie z podjazdami?

Jaki jest realistyczny procent oszczędności paliwa na trasie górskiej?

Jednolitej, opartej na trasach miary procentowej oszczędności paliwa na drogach górskich jeszcze nie ma; dlatego najuczciwszym podejściem jest wnioskowanie ze znanych marginesów. Zmierzona przewaga hybrydy w mieście - ponad 50% - oraz blisko 20% na autostradzie to miarodajny punkt odniesienia. Na trasie z ciągłym podjazdem przewaga musi spaść poniżej marginesu autostradowego: wsparcie elektryczne jest ograniczone, silnik traci moc wraz z wysokością, a energia ładowana do baterii i tak pochodzi z jego własnego silnika. Rozsądnym szacunkiem jest, że w praktyce oszczędność zbliża się do jednocyfrowych procentów, czyli około 10–20% na lekko pofałdowanym terenie, a jeszcze bardziej na nieprzerwanych podjazdach - przy czym indywidualne wyniki mocno się wahają w zależności od nachylenia podjazdu, wysokości, obciążenia i temperatury powietrza.

Relacje użytkowników z forów to potwierdzają: podczas niektórych przejazdów przez przełęcze górskie widziano spadek łącznego zasięgu o zaledwie kilka MPG, a niektórzy kierowcy zgłaszają zużycie w przedziale 30–40 MPG na długich podjazdach. Nie sprzeczają się ze sobą; pierwsza sytuacja opisuje zjazdami równoważoną trasę, druga - nieprzerwany podjazd. To już dobrze znany fakt, że wartości katalogowe nie zawsze sprawdzają się w rzeczywistości; w górach ta różnica jeszcze się pogłębia.

Jest jednak i druga strona medalu: pofałdowany teren daje hybrydom także szansę. Bateria naładowana podczas zjazdu wraca jako dodatkowy moment obrotowy na kolejnym podjeździe, a inteligentne zarządzanie mocą równoważy zużycie paliwa bez poświęcania osiągów. W efekcie hybryda w górach przestaje być maszynką do oszczędzania, ale na trasie górskiej o zrównoważonym profilu wciąż pozostaje bardziej wydajna niż jej benzynowy odpowiednik. Całkowicie tracona jest natomiast ta spektakularna przewaga 50% z miasta.

Co Powinni Robić Użytkownicy Hybryd na Trasie Górskiej?

• Dopóki nie zobaczysz profilu trasy, planuj, redukując obiecywane oszczędności o połowę; na trasie z nieprzerwanym podjazdem jednocyfrowa różnica jest normą.
• Próba nadmiernego naładowania baterii przed długim zjazdem jest bezsensowna; gdy system zbliża się do 80% naładowania, sam obniża tempo odzyskiwania energii.
• Wzrost głośności silnika podczas podjazdu to nie usterka, lecz tryb ładowania baterii; gdy system osiągnie docelowy poziom naładowania, wraca do normy.
• Na dużej wysokości modele z silnikiem wolnossącym mocniej odczuwają brak mocy; wersje z turbodoładowaniem lub mocnym silnikiem elektrycznym radzą sobie na podjazdach lepiej.
• Zimne górskie powietrze dodatkowo utrudnia pracę hybrydy; na zimnie bateria wspomaga słabiej, a wydajność spada.

Podsumowując: ciągły podjazd zawęża przewagę hybrydy, ale jej nie zeruje. W momencie, gdy silnik elektryczny nie jest w stanie udźwignąć całego obciążenia, do akcji wchodzi silnik benzynowy, wysokość nakłada na silnik dodatkowy podatek, a oszczędności spadają znacznie poniżej miejskich wartości. Niemniej jednak na trasie górskiej z zachowaną równowagą między podjazdem a zjazdem hybryda wciąż jest wydajniejsza od swojego benzynowego odpowiednika - tylko nie przesadzaj z tą różnicą, licz co najwyżej na poziom podobny do autostradowego.

Źródła

• Understanding Hybrid Vehicle Fuel Economy
• How Do Hybrid Cars Work?
• Hybrid Electric Vehicles - Alternative Fuels Data Center
• Long Downhill Braking and Energy Recovery
• Which engine is better at high altitude: diesel or gasoline?
• How Altitude Impacts Engine Performance
• How to Maximise EV Range with Regenerative Braking
• Series vs Parallel vs Series/Parallel Drivetrains
• Samochody hybrydowe vs. hybrydy plug-in: co wybrać dla siebie?
• Hybryda vs plug-in hybrid: jaka różnica
• Stan baterii hybrydowej: 7 porad eksperta
• Jazda hybrydą w górach i po stromych drogach?
• Przebieg podczas jazdy przez przełęcz górską
• Silnik elektryczny vs silnik spalinowy na krótkim podjeździe
• Pytanie do właścicieli hybryd IV generacji o osiągi