Dlaczego samochód hybrydowy jest elektryczny przy niskiej prędkości, a benzynowy przy wysokiej?

Samochody hybrydowe przy niskich prędkościach i niskim zapotrzebowaniu na moc korzystają z silnika elektrycznego, a przy wysokich prędkościach lub dużym obciążeniu z silnika benzynowego; ponieważ w miejskich prędkościach napęd elektryczny jest wydajniejszy i cichszy, a przy prędkościach autostradowych rosnący opór powietrza i zapotrzebowanie na moc przypadają na zakres wydajnej pracy silnika benzynowego. Decyzję o przełączeniu podejmuje komputer pokładowy w czasie rzeczywistym i nie wymaga ingerencji kierowcy. Poniżej wyjaśniamy tę logikę przełączania warstwa po warstwie.

Kto podejmuje decyzję i według jakich kryteriów?

W hybrydowym układzie napędowym znajdują się dwa źródła mocy: silnik spalinowy oraz jeden lub więcej silników elektrycznych. Skrzynia biegów łącząca oba z kołami jest sterowana przez kontroler elektroniki mocy. Kontroler; nieustannie odczytując zmienne takie jak położenie pedału przyspieszenia, prędkość pojazdu, stan naładowania baterii i temperaturę silnika, decyduje o tym, które źródło i ile mocy ma wytworzyć.

Logika opiera się w rzeczywistości na prostym równaniu wydajności. Silnik elektryczny przy niskich obrotach oddaje swój moment obrotowy natychmiast i w pełni; w korku z częstym zatrzymywaniem się i ruszaniem jest to korzystniejsze niż silnik benzynowy, który włącza się z opóźnieniem. Silnik benzynowy natomiast przy średnim i wysokim obciążeniu oraz przy ustabilizowanych prędkościach pracuje najwydajniej. Dlatego pojazd dla każdego zapotrzebowania na prędkość i moc wybiera matematycznie najtańszą ścieżkę energii - najtańszą pod względem paliwa.

Ten system ma też wbudowaną przewagę: dzięki dodatkowej mocy zapewnianej przez silnik elektryczny silnik benzynowy może mieć mniejsze rozmiary, a mimo to nie odczuwa się utraty osiągów. Bateria dodatkowo zasila pomocnicze odbiory, takie jak światła i klimatyzacja, eliminując bezczynną pracę silnika podczas postoju pojazdu, czyli zużycie na biegu jałowym.

W mieście prąd, na autostradzie benzyna: dlaczego nie odwrotnie?

Jazda miejska to z definicji ruch z częstym zatrzymywaniem się i ruszaniem: krótkie przyspieszenia, postoje na światłach, niska średnia prędkość. To profil, w którym silnik elektryczny czuje się najmocniej. Podczas postoju hybrydy na czerwonym świetle silnik benzynowy może zostać całkowicie wyłączony, a pojazd ruszyć wyłącznie na baterii. W wolno płynącym ruchu jazda czysto elektryczna wyraźnie obniża zużycie paliwa. Przy hamowaniu włącza się hamowanie rekuperacyjne: gdy pojazd zwalnia, energia kinetyczna obracających się kół jest przetwarzana na energię elektryczną za pośrednictwem generatora i zwracana do baterii. Ponieważ w ruchu miejskim często hamujesz, ten odzysk energii trwa nieprzerwanie.

Na autostradzie sytuacja się zmienia. Wraz ze wzrostem prędkości opór powietrza rośnie z kwadratem prędkości, a moc ciągła potrzebna do napędu mnoży się. Zasilanie baterii tą mocą jest nieefektywne i szybko wyczerpuje ładunek. Silnik benzynowy może natomiast pracować w pełnym zakresie sprawności przy tej stałej prędkości. Gdy pojawia się zapotrzebowanie na wysoką prędkość, system najczęściej uruchamia oba silniki jednocześnie: silnik benzynowy zapewnia moc podstawową, a silnik elektryczny doraźnie wspomaga moment obrotowy.

Krótko mówiąc, przełączanie nie zależy od progu prędkości, lecz od bilansu mocy i sprawności. Nawet przy tej samej prędkości na wzniesieniu może włączyć się silnik benzynowy, a przy zjeździe napęd elektryczny; liczy się nie prędkość, lecz bieżące zapotrzebowanie na moment obrotowy.Czy powyżej 80 km/h zawsze działa silnik benzynowy?

Czy powyżej z3 km/h zawsze pracuje silnik benzynowy?

Nie. Wśród kierowców krąży przekonanie, że hybrydy powyżej pewnej prędkości - często powtarzanym przykładem jest 80 km/h - przechodzą z napędu elektrycznego na benzynowy. Nie jest to żelazna zasada. W rzeczywistości system działa według chwilowego zapotrzebowania na moc: na autostradzie przy stałej, umiarkowanej prędkości jazda elektryczna z wyłączonym silnikiem jest możliwa przez krótkie chwile; ale przy przyspieszaniu lub przy dużym obciążeniu, np. na wzniesieniu, włącza się silnik benzynowy.50|Właściwa interpretacja jest taka: Właściwa interpretacja jest taka: sama prędkość nie jest decyzyjna - decyduje prędkość pomnożona przez zapotrzebowanie na moc.

Rodzaje hybryd i różnice w zachowaniu podczas przełączania

Każda hybryda działa inaczej. Sposób, w jaki system przechodzi z napędu elektrycznego na benzynowy, zależy w dużej mierze od wielkości i architektury baterii.

W przypadku miękkich hybryd mówienie o przełączaniu jest błędem; silnik spalinowy nigdy nie jest całkowicie wyłączony. System elektryczny jedynie wspomaga i nie wymaga zewnętrznego ładowania. W pełnych hybrydach znaczna część jazdy po mieście może przebiegać w ciszy. Hybrydy plug-in, regularnie ładowane, pokrywają większość codziennych tras zasilaniem elektrycznym; a po wyczerpaniu baterii płynnie wracają do trybu benzynowego. To właśnie jest zasadnicza różnica między pełną hybrydą a plug-in: wielkość, koszt i cel baterii.

Układy szeregowe, równoległe i z podziałem mocy: trzy drogi do tego samego przełączenia

Aby zrozumieć, jak odczuwalne jest przełączanie, trzeba przyjrzeć się architekturze układu. Istnieją trzy podstawowe podejścia.

W hybrydzie szeregowej silnik benzynowy nigdy nie jest bezpośrednio połączony z kołami; napędza jedynie generator, a pojazd porusza się zazwyczaj dzięki silnikowi elektrycznemu zasilanemu z baterii. W hybrydzie równoległej silnik spalinowy i silnik elektryczny mogą napędzać układ przeniesienia napędu razem lub osobno; komputer stale zarządza rozdziałem mocy. System dzielenia mocy - czyli szeregowo-równoległy - dodaje do architektury równoległej drugą ścieżkę napędową od silnika do kół i może korzystać z obu źródeł niezależnie lub jednocześnie.

Konkretnym przykładem jednego z najbardziej znanych zastosowań logiki dzielenia mocy jest: Toyota Hybrid Synergy Drive wykorzystuje zestaw kół zębatych dzielnika mocy łączący silnik benzynowy, generator i silnik elektryczny w jedną całość. Dzięki temu pojazd może jeździć tylko na benzynie, tylko na prądzie albo na obu źródłach naraz; energia silnika jest w razie potrzeby kierowana do ładowania baterii albo bezpośrednio do napędu. Niektóre nowoczesne systemy przy wysokich prędkościach i wysokich przełożeniach zachowują się jak hybryda równoległa, a przy niskich prędkościach jak hybryda szeregowa, wybierając dla każdego zakresu najbardziej wydajną architekturę.

Dlaczego przełączanie nie jest odczuwalne: Techniczne zaplecze płynnego przełączania

Kwestia, którą kierowcy najbardziej themselves ciekawią, to czy przełączanie jest odczuwalne. W dobrze zaprojektowanej hybrydzie moment przełączania jest prawie niewyczuwalny. Głównym powodem jest to, że niektóre hybrydowe skrzynie biegów nie mają sprzęgieł włączających się i wyłączających: zestaw kół zębatych dzielnika mocy jest stale połączony, a system podczas włączania silnika benzynowego w sposób ciągły przelicza parametry, wyrównując obroty i moment obrotowy. Ponieważ nie ma szarpnięcia sprzęgła ani spadku obrotów, kierowca zwykle słyszy jedynie lekki dźwięk silnika.

e-CVT, znana jako elektryczna bezstopniowa skrzynia biegów, to jeden z elementów tworzących tę równowagę. Nie należy jej mylić z klasyczną przekładnią CVT: nie jest prawdziwą skrzynią bezstopniową; przełożenia reguluje nie pasek, lecz różnica obrotów dwóch silników-generatorów. Ponieważ moment elektryczny jest dostępny natychmiast, pierwsza reakcja jest mocna i często nie trzeba wirować silnika na wysokich obrotach. To właśnie jest podstawowym zadaniem hybrydowej skrzyni biegów: ciągłe na nowo równoważenie mocy z dwóch źródeł napędu w zależności od warunków jazdy.

Nie oznacza to jednak, że we wszystkich samochodach działa to idealnie. W niektórych modelach - na przykład kompaktowych SUV-ach hybrydowych - wyłączanie i włączanie silnika może być szczególnie odczuwalne przy zimnym silniku i dużym zużyciu baterii. Różnice między pojazdami wynikają z architektury przekładni systemu i kalibracji oprogramowania.

Kiedy tryb EV się przydaje, a kiedy marnuje paliwo?

Większość pełnych hybryd ma tryb EV, który kierowca może wybrać ręcznie. Ten tryb jest zaprojektowany do krótkiej jazdy wyłącznie elektrycznej z prędkościami do około 40 km/h: scenariusze, w których pożądana jest cisza i niska emisja, takie jak manewry na parkingu, zamknięte przestrzenie czy nocne przejazdy po osiedlu. Krótka jazda z niską prędkością przynosi również oszczędność paliwa.

Nie można jednak powiedzieć, że tryb EV jest zawsze korzystny pod względem ekonomii. Upieranie się przy trybie EV przy niskim poziomie baterii zmusza silnik benzynowy do dłuższej pracy w celu jej ładowania i może zwiększyć całkowite zużycie. Dla tych, którzy celują w maksymalną oszczędność paliwa, lepszym wyborem jest zwykle tryb Eco i normalna jazda z delikatnym gazem; rozsądniej jest zachować tryb EV na momenty, gdy wymagana jest zerowa emisja spalin w miejscu. Na autostradzie żaden tryb i tak nie oferuje miejskiej efektywności: wzrastający wraz z prędkością opór powietrza czyni nieefektywnymi zarówno tryb elektryczny, jak i benzynowy.

Aby prawidłowo odczytać system trybów jazdy, pouczający jest też ekran przepływu energii na desce rozdzielczej: zmiana kierunku strzałek między silnikiem, baterią i kołami to najbardziej intuicyjny sposób zrozumienia, z jakiego źródła system aktualnie korzysta.

Podsumowanie: Jak czytać zachowanie własnego samochodu?

Przełączanie się hybrydy między energią elektryczną a benzyną nie jest wadą ani wahaniem; to właśnie główne zadanie systemu. Pojazd poruszający się po mieście w ciszy na autostradzie przechodzi na silnik benzynowy, przenosząc się do najbardziej efektywnego trybu pracy. Odczuwalność przełączenia zależy od architektury: systemy z podziałem mocy maskują przełączenie dzięki bezobsługowym zestawom kół zębatych, natomiast w niektórych systemach równoległych włączanie się silnika słychać. Oceniając własny samochód, zadaj sobie trzy pytania: przy jakiej prędkości, przy jakim zapotrzebowaniu na moc i przy jakim stanie naładowania baterii następuje przełączenie. Odpowiedzi będą przebiegać zgodnie ze spójną logiką efektywności - a gdy tylko raz zrozumiesz tę logikę, każda cisza i każdy pomruk pod pedałem nabierze znaczenia.

Źródła

• How Do Hybrid Electric Cars Work? - AFDC
• How hybrids work
• Hybrid vehicle drivetrain
• Series vs Parallel vs Series/Parallel Drivetrains - UCS
• Toyota Hybrid Drive Modes
• How the Toyota Hybrid System Works: A Beginner's Guide
• How do hybrid transmissions work? - Horse Powertrain
• An eCVT isn't really a CVT
• What Is a Hybrid Vehicle and How Does It Work?
• What's a mild hybrid? And how's it different to a full hybrid?
• Hybrid vs. mild hybrid vs. plug-in
• Plug-in Hybrid-Electric Cars
• Best way to drive a hybrid
• Electric driving modes
• How to get more mpg out of your Toyota hybrid