Dlaczego zużycie paliwa gwałtownie rośnie, gdy hybryda plug-in nie jest ładowana?

Nieładowana hybryda plug-in spala zazwyczaj od dwóch do czterech razy więcej paliwa, niż wynosi wartość zużycia podana w katalogu; ponieważ konstrukcja pojazdu jest zaprojektowana tak, aby napędzać się energią elektryczną, a gdy brakuje ładowania, musi ona ciągnąć ciężar baterii i nadwyżkę mocy silnika wyłącznie na benzynie. Podczas gdy średnie zużycie mieszane WLTP plug-ina wynosi około 1,5 litra, przy złanej dyscyplinie ładowania wartość ta rośnie do poziomu 6 l/100 km. Ta strona wyjaśnia liczbowo inżynieryjne przyczyny tej przepaści między katalogiem a dystrybutorem.

Jak powstaje wartość katalogowa i dlaczego rzeczywiste zużycie jej nie odwzorowuje?

Zużycie homologacyjne hybrydy plug-in (PHEV) opiera się na założeniu, że pojazd pokona określoną część cyklu na prądzie, a resztę na benzynie. Pojęcie opisujące to założenie to Utility Factor, czyli udział jazdy elektrycznej. W homologacji udział ten dla pojazdów prywatnych przyjmuje się na poziomie około 69%. W rzeczywistości ten sam udział spada średnio do 37% w użytkowaniu prywatnym i zaledwie do 20% w pojazdach firmowych.

Takie pozostawanie w tyle ma jeden skutek: Silnik benzynowy pracuje na znacznie dłuższym dystansie, niż zakłada obliczenie katalogowe. Szeroko zakrojona analiza rzeczywistych danych około 100 000 hybryd plug-in wykazała, że zużycie „z dystrybutora" osiąga 2–4 krotność wartości homologacyjnej w pojazdach prywatnych i 3–4 krotność w pojazdach firmowych. Oto matematyka tego, dlaczego podczas gdy mieszana wartość WLTP średniego PHEV wynosi ~1,57 l/100 km, w rzeczywistym użytkowaniu skacze ona do poziomu 6 l/100 km: ponad trzykrotność wartości oficjalnej.

Kara za pustą baterię: Jak ciężar i nadmiar mocy palą paliwo?

Najlepszym sposobem na zrozumienie nieładowanego plug-ina jest potraktowanie go jako problemu równowagi z dwiema stronami. Z jednej strony masa, którą trzeba dźwigać, z drugiej układ, który tę masę porusza. Tracisz na obu stronach.

Ile wynosi kara za ciężar baterii?

Bateria PHEV ma typowo pojemność około 15 kWh, a to masa licząca ponad sto kilogramów. Dodatkowy ciężar baterii i silnika elektrycznego może sprawić, że zużycie będzie wyższe nawet niż w porównywalnym aucie benzynowym. Wpływ ciężaru baterii na efektywność hybrydy został również zmierzony ilościowo: wraz ze wzrostem baterii efektywność trybu hybrydowego spada z 49,1 mpg do 45,2 mpg - czyli kara rzędu 8% wyłącznie z powodu masy. Ta energia nigdzie nie wraca; jako ładunek przewożony na benzynie płaci się za nią na każdym kilometrze autostrady.

Dlaczego moc silnika zwiększa zużycie?

Drugi problem to moc układu. Większość hybryd plug-in z powodów marketingowych współpracuje przy dużej wydajności zarówno silnikiem benzynowym, jak i elektrycznym. Ale moc oznacza razem z masą także tarcie, straty na wewnętrzne opory i niską wydajność przy częściowym obciążeniu. Dane z analiz wiążą to z konkretnym współczynnikiem: każde 10 kW mocy pobranej z układu zmniejsza rzeczywiste zużycie i CO2 o 2–4%. Po stronie zasięgu korelacja biegnie w tym samym kierunku: każde dodatkowe 10 km zasięgu elektrycznego poprawia wartości rzeczywiste o 8–14%. Innymi słowy, kombinacja mocnego silnika i małej baterii daje w rzeczywistości najgorszy wynik; rozwiązaniem jest odebranie mocy silnikowi i przeznaczenie jej na zasięg.

Jaka jest różnica między nieużywanym do ładowania PHEV a pełną hybrydą?

Pełna hybryda (HEV) to pojazd bez portu ładowania; swoją małą baterię ładuje dzięki hamowaniu odzyskowemu i silnikowi benzynowemu. Układ jest całkowicie zwymiarowany pod ten balans: mała bateria, niewielka dodatkowa masa, rozdział mocy skalibrowany pod silnik benzynowy.

Nieużywany do ładowania plug-in to dokładnie odwrotność tego balansu. Dźwiga na darmo ciężar swojej dużej baterii, staje się znacznie bardziej zależny od silnika benzynowego, a sami producenci przyznają, że w tym scenariuszu pojazd działa mniej wydajnie niż jego pełnohybrydowy odpowiednik o podobnych rozmiarach. Zmierzono, że przy mieszanym użytkowaniu miejskim/autostradowym plug-iny ustępują nieco swoim pełnohybrydowym odpowiednikom. Oficjalne oświadczenie organu ds. energii wskazuje na ten sam punkt: zużycie PHEV zależy od odległości między ładowaniami, a jeśli pojazd w ogóle nie jest ładowany, ekonomia paliwowa spada z grubsza do poziomu hybrydy o podobnych rozmiarach - to znaczy cała elektryczna przewaga plug-inu znika, a pozostaje kara za masę.

Pierwszy wiersz tabeli pokazuje, jak skuteczna jest ta technologia przy prawidłowym użytkowaniu: PHEV z baterią 15 kWh ładowany codziennie zmniejsza zużycie o 69% w porównaniu z pełną hybrydą. Ten sam pojazd, gdy dyscyplina ładowania upada, oddaje całą tę przewagę i odrobinę więcej.

Jak nawyki ładowania odwracają liczby?

Ekonomia hybrydy plug-in zależy od tego, na ilu kilometrach zużyje się energia z jej baterii. Typowa homologacja większości PHEV określa zasięg elektryczny między 30 a 60 km, a przy regularnym ładowaniu te pojazdy pokonują rocznie 5 000–10 000 km na prądzie. W modelach o zasięgu ponad 80 km wartość ta rośnie do poziomu 12 000–20 000 km/rok; współcześnie wiele modeli oferuje około 100 km zasięgu elektrycznego. Oznacza to, że w rocznym rachunku za paliwo wyraźnie rozjeżdżają się użytkownik tego samego samochodu, który ma dom z gniazdkiem, i ten, który go nie ma.

Dlaczego istnieje tak szeroki przedział? Ponieważ udział jazdy elektrycznej zależy od czterech zmiennych: dzienny przebieg, częstotliwość ładowania, pojemność baterii i profil jazdy. Porównanie międzynarodowe pokazuje to wyraźnie - najwyższy rzeczywisty udział napędu elektrycznego w USA i Norwegii mieści się w przedziale 53-54%, a w przypadkach ze słabą infrastrukturą ładowania i nawykami spada nawet do 24-26%; w pojazdach firmowych udział ten spada do około 18%. Niska motywacja kierowców pojazdów firmowych do ładowania oznacza, że ci, którzy nie płacą za paliwo z własnej kieszeni, płacą rachunek za technologię - i najgorsze rzeczywiste wyniki obserwujemy właśnie w tej grupie.

Ładowanie raz-dwa razy w tygodniu nie jest całkowicie bezużyteczne. Duża bateria pełni funkcję bufora między ładowaniami; niektóre plug-iny dzięki temu buforowi mogą zapewniać lepszą ekonomię niż klasyczne hybrydy. Aby jednak przewaga osiągnęła realne rozmiary, codzienne ładowanie musi być zasadą - takim jest cel konstrukcyjny plug-ina.

Czy Pozostawienie Baterii Pustej Wpływa Tylko na Zużycie?

Nie; ma to też długoterminowe koszty. Producenci wyraźnie zaznaczają, że bateria PHEV w warunkach niskiego ładowania i rzadkiego użytkowania może ulegać szybszej degradacji. Idealne użytkowanie polega na utrzymywaniu stanu naładowania w zakresie 20-80%. Plug-in nieużywany i nieładowany przez miesiące spala każdy litr drożej i jednocześnie skraca żywotność swojego najdroższego komponentu.

Frenowanie rekuperacyjne zapewnia w tym obrazie realny, ale ograniczony wkład. W ruchu miejskim z częstym zatrzymywaniem odzysk energii lekko ładuje baterię; pomiary użytkowników wskazują na wkład w ekonomię paliwową rzędu nawet 4%. To nie zastępuje gniazdka ładowania - odzyskuje jedynie część energii z hamowania. Ponadto gdy bateria jest słabo naładowana, elektroniczna ochrona układu podnosi zużycie; w miarę rozładowywania baterii coraz większe obciążenie silnikiem benzynowym jest nieuniknione.

Dla Którego Użytkownika Hybryda Plug-in Ma Sens, a Kiedy Jest Pułapką?

Drzewo decyzyjne faktycznie sprowadza się do jednego pytania: czy Twój dzienny przebieg mieści się w granicach baterii, którą można naładować przed wyjazdem z domu?

• Jeśli dzienny przebieg mieści się w zasięgu elektrycznym i masz ładowanie w domu: Technologia działa zgodnie z przeznaczeniem; w porównaniu z HEV możliwa jest oszczędność zużycia do 69% i dziesiątki tysięcy elektrycznych kilometrów rocznie.
• Jeśli możliwość ładowania jest częściowa: Udział napędu elektrycznego spada do około 48%; przewaga istnieje, ale daleko w tyle za obietnicą katalogową. Modele z dużą baterią mogą w tym przypadku nadal mieć sens.
• Jeśli ładowanie będzie całkowicie niemożliwe (na przykład gdy nie da się zainstalować ładowania w domu): Plug-in zużywa więcej niż podobnej wielkości klasyczna hybryda; w tym scenariuszu właściwszym wyborem jest pełna hybryda.

Również stronę kosztów należy czytać uczciwie: aktualne analizy własności wskazują, że dla większości kierowców PHEV w pierwszych latach - a być może nigdy - nie przyniesie korzyści finansowych. Oszczędność zależy nie od ceny paliwa i przebiegu w kilometrach, lecz przede wszystkim od nawyków ładowania.

Podsumowanie: Trzy Liczby, Jeden Wniosek

Katalog mówi 1,57 L/100 km; użytkownik bez ładowania widzi 6 L/100 km; użytkownik ładujący prawidłowo schodzi znacznie poniżej HEV. Jedyną zmienną łączącą te trzy liczby jest dyscyplina ładowania. Hybryda plug-in to pojazd, którego bateria jest regularnie utrzymywana w pełni naładowana; gdy ta bateria się opróżni, zostaje nam pojazd skazany na silnik benzynowy, wyposażony w karę 8% masy i nadmiarową moc silnika. Jeśli nie masz możliwości ładowania, problem nie leży w pojeździe, lecz w wyborze pojazdu.

Źródła

• Real-world usage of plug-in hybrid electric vehicles - ICCT
• PHEVs Promised Efficiency, Drivers Are Burning Three Times More Fuel - Carscoops
• Do You Have to Charge a Hybrid Vehicle? - Mazda USA
• Plug-In Hybrid Electric Vehicles - Alternative Fuels Data Center (DOE)
• Hybrid vehicle information - Green Vehicle Guide
• Evaluation of plug-in hybrid vehicles in real-world - Dauphin et al., ScienceDirect
• Plug-in hybrid electric vehicles in Europe - an empirical analysis, IOP Science
• Impact of Battery Weight and Charging Patterns - Shiau et al., CMU
• Why the Actual Fuel Consumption of Plug-in Hybrids Is Often Higher - Newswise
• Will a Plug-In Hybrid Save You Money? - Consumer Reports