Hybridní systémy pro pohon automobilů

Hybridním pohonem u osobních automobilů se dnes myslí hlavně kombinace klasického spalovacího motoru s elektromotorem a baterií, která je nejčastější. Existují ale různé možnosti tohoto uspořádání, nebo jiné možnosti uložení energie pro její následné použití.

Spalovací motor má obrovskou výhodu v hustotě energie uložené v jeho palivu, jehož dočerpání je velmi rychlé a rozšířené. Jím vynaloženou energii ale nelze rekuperovat, a proto vznikají různě výhodné a úspěšné kombinace spalovacího motoru s dalším pohonem, jejichž cílem je snížení spotřeby vozidla hlavně v neplynulém (městském) provozu, kde je výrazná spotřeba energie pro rozpohybování vozidla a následně je energie takto vynaložená spotřebována na ohřev a opotřebení brzd při zpomalování – tuto energii je výhodné rekuperovat a při následném rozjezdu využít.

Mimo segment osobních automobilů se s hybridními pohonnými jednotkami můžeme setkat v MHD, kde se jedná o trolejbusy či tramvaje, které mohou být napájeny jak z trolejí, tak z baterie či záložního diesel agregátu, u diesel-elektrických lokomotiv, či u těžkých strojů, například dumperů v lomech.

Historie hybridních automobilů

Počátky ve 20. století

Hybridní automobily nejsou novinkou, jak by se mohlo na první pohled zdát. Na počátcích automobilismu z důvodu složité regulace a spouštění spalovacího motoru vedl motor elektrický, ale měl jeden velký problém: kapacitu baterií.

Prvním hybridem byl v roce 1898 automobil zvaný Mixte, který vymyslel Ferdinand Porsche ve spolupráci s továrnou Lohner, jenž byl poháněn elektromotory, ale jehož zdrojem energie byl spalovací motor, který roztáčel dynamo a nabíjel baterie. V roce 1900 na světové výstavě v Paříži se tento automobil stal velkou senzací.

Postupem času se zlevňováním ropy spalovací motory na dlouhou dobu převálcovaly všechny alternativy v osobních automobilech až do konce 20. století, kdy se automobilky začaly o jiné způsoby opět zajímat.

Zajímavostí je například Audi Duo z konce 80. let minulého století, jenž bylo postaveno na základu modelu 100 Avant. Jeho zadní kola poháněl elektromotor o výkonu 13 koní, a nezávisle na něm poháněl přední kola pětiválec o objemu 2,3 litru. Kvůli těžkým Ni-Cd bateriím mělo vozidlo vyšší spotřebu než klasický vůz a ani jeho následující dvě generace (třetí generace již byla postavena na základu Audi A4 generace B4) nedosáhly úspěchu.

Revoluce v podobě Toyoty Prius na přelomu milénia

V roce 1997 přišla automobilka Toyota s hybridním modelem Prius, částečně na objednávku japonské vlády, na kterou zareagovala také automobilka Honda s modelem Insight, který se nedočkal tak zářného úspěchu, ale v nabídce automobilky je dodnes (dnes se jedná o čtyřmístný liftback, první generace byla aerodynamický dvoumístný hatchback, jehož duchovním nástupcem je dnes CR-Z).

První generace Priusu byla zpočátku k dispozici pouze v Japonsku. Vzhledem k jejímu úspěchu byla v roce 2000 uvedena na další světové trhy.

V roce 2003 přišla na trh druhá generace, u které se Toyota zaměřila také na aerodynamiku (součinitel aerodynamického odporu vzduchu dosáhl tehdy výtečných 0,26), a tak vznikla dnes již velmi dobře známá silueta tohoto liftbacku nižší střední třídy. Do roku 2008 se prodal milion kusů a Toyota začala svůj hybridní systém zvaný HSD (Hybrid synergy drive) nabízet v mnoha svých modelech včetně své luxusní odnože Lexus (zde Lexus hybrid drive).

V roce 2009 přišla na trh třetí generace, která ihned v Japonsku vyhrála titul Auto roku, a která se v roce 2011 dočkala také provedení karoserie MPV a hatchback, v roce 2014 také velmi očekávané plug-in hybridní varianty.

Do roku 2015, kdy přišla na trh čtvrtá generace, se modelů z rodiny Prius prodalo po celém světě přes 5,2 milionu kusů, což je více než 60 % z celkového počtu prodaných hybridů automobilky Toyota, a Prius se stal celosvětovým symbolem hybridních automobilů.

Široké rozšíření hybridů a supersporty

V současnosti nabízí již téměř všechny světové automobilky hybridní verze svých modelů, jejichž hlavním cílem je snížit lokální emise ve městech, v jejichž centrech se objevují nízkoemisní zóny.

Hlavní myšlenkou je, že ve městě je vozidlo schopno jet čistě na elektřinu – nedosahuje vysokých rychlostí a ujetá vzdálenost je minimální. Často brzdí, a tak lze takto vynaloženou energii rekuperovat zpět do baterie, díky čemuž lze dosáhnout poměrně nízké spotřeby elektřiny pro výsledný pohyb vozidla, neboť část energie využité pro rozjezd lze znovu využít. Navíc i při rozjezdech by docházelo k dalším ztrátám – na spojce či hydrodynamickém měniči, a v neefektivních režimech motoru.

Mimo město, kde je doprava značně plynulejší, a kde by k žádné velké úspoře energie rekuperací nedocházelo, je v provozu spalovací motor, jehož převodovka k tomu může být přímo uzpůsobena (dlouhé převody), ale i zde může elektromotor pomáhat v neefektivních režimech spalovacího motoru, aby nebylo nutno uzavírat škrtící klapku například.

Další možností je použití elektrického pohonu na krátké jízdy, neboť průměrný týdenní nájezd v Evropě je necelých 400 km, a tak je možné většinu svých jízd používat elektrický pohon (v kombinaci s baterií s kapacitou na například 100 km jízdy) a pouze výjimečné delší jízdy spouštět spalovací motor, který by ideálně fungoval pouze jako generátor u sériového hybridu.

Speciální kategorií posledních let jsou supersportovní hybridy, jejich cílem není co nejnižší spotřeba paliva, ale výhodná kombinace dravosti a dojezdu spalovacího motoru s vysokým a okamžitě dostupným točivým momentem elektromotoru. Mezi ně patří „svatá trojice“ (McLaren P1, LaFerrari a Porsche 918), chystaný Koeniggsegg Regera a s přimhouřením oka také námi testované BMW i8.

Rozdělení hybridů podle uspořádání

Sériový hybrid

Sériový hybridní pohon automobilu se v mnohém podobá čistě elektrickému vozidlu. Jeho náprava (případně nápravy, nebo každé kolo zvlášť, bude-li vozidlo vybaveno elektromotory v kolech) je poháněna pouze elektromotorem, který má lepší průběh točivého momentu a rozsah otáček než spalovací motor, a tak není potřeba převodovka.

Spalovací motor je v tomto případě pouze jako generátor, který dobíjí baterie. Díky tomu je možno jej dimenzovat na běh ve stacionárních otáčkách, kde bude běžet s vysokou účinností, případně je možno zastavět různá technická řešení, která by se při běžném použití nehodila – například koncept Audi A1 e-tron 2010 využívá rotačního motoru Wankelova, jeho spalovací motor + generátor váží zhruba 70 kg, což je v porovnání s dostatečně velkou baterií (dojezd 350 km) poměrně nízká hodnota.

Protože je možno tento spalovací motor konstruovat bez požadavku vysoké dynamiky, může být i relativně malý a jednoduchý, s výkonem tak, aby pokryl například jízdu ustálenou dálniční rychlostí – tedy na dlouhých trasách, kde již nestačí kapacita baterie. V tomto případě bude ale jeho výsledná přeměna energie o něco méně výhodná, neboť ani generátor, ani nabíjení baterie nedosahují 100% účinnosti.

Tato vozidla jsou často označována jako REV – elektrická vozidla s „range extenderem“, což je například BMW i3 REX a další chystané automobily BMW. Často jsou zmiňována jako cesta blízké budoucnosti, neboť kombinují výhody elektrického pohonu s akumulátorem, a zároveň možnost rychlého doplnění paliva vozidel se spalovacím motorem, který ale není velkým závažím navíc jako v případě použití velkokapacitních baterií.

Mezi sériové hybridy na trhu patří: BMW i3 REX, Chevrolet Volt / Opel Ampera, Fisker Karma.

Paralelní hybrid

Paralelním hybridem je dnes většina prodávaných hybridů. Který motor bude běžet kdy a jak určuje elektronika a výsledný výkon je dán součtem jejich aktuálních výkonů, přičemž ne vždy musí oba motory běžet zároveň – tato skupina se pak nazývá sérioparalelními hybridy, kde může v určitých režimech běžet každý motor samostatně, přičemž oba přímo pohání nápravu, se kterou jsou mechanicky spojeny.

Zajímavým řešením těchto vozidel je možnost pohonu každé nápravy jiným druhém pohonu, a tedy pohon všech kol bez mechanického spojení náprav, což ale samozřejmě nezajistí ani sportovní, ani terénní jízdní vlastnosti. Příkladem takového vozidla jsou modely Hybrid4 koncernu PSA.

Rozdělení hybridů (HEV) podle jejich výkonu

Mikrohybrid

Mikrohybridní automobily jsou dnes již naprosto běžné – jde jen o vylepšený systém Stop&Start, který vypíná motor v nízké rychlosti ještě před zastavením automobilu, často spojený s kondenzátorem, který následně pomáhá se startem spalovacího motoru. Jejich hlavním cílem bylo splnění NEDC normy při homologaci, ale co se spotřeby automobilu týče, nepřináší velké zlepšení. Tento název začal jako první používat francouzský koncern PSA u svých naftových modelů e-HDi, v současnosti jej využívá také Mazda.

Mild (asistovaný) hybrid

Mild-hybridy mají elektromotor, který je schopen pracovat v motorickém i generátorickém režimu, ale má nízký výkon a není schopen pohánět automobil samostatně po delší dobu.

Obvykle je umístěn mezi motor a převodovku a jeho cílem je vypomáhat spalovacímu motoru při rozjezdech či předjíždění, nebo v momentech, kdy by spalovací motor neběžel v ideálním režimu.

Příkladem tohoto systému je IMA (Integrated motor assist) od Hondy.

Full (plný)  a plug-in (PHEV) hybrid

Plně hybridní automobily již jsou schopny provozu čistě na elektřinu, jejich baterie jsou dimenzovány na pár desítek kilometrů tak, aby pokryly právě nejčastější městské popojíždění. Jejich provoz lze tedy dle potřeby realizovat za pomoci jak elektrického, tak spalovacího motoru dle aktuální potřeby a výhodnosti daného řešení. Tento způsob pohonu využívá například Toyota ve svém systému HSD, a to bylo také již od počátku konkurenční výhodou Priusu – byl schopen jet čistě na elektřinu.

Z nich se později vyvinula důležitá kategorie plug-in hybridních vozidel, které je možno připojit do zásuvky a dobít si baterii i jinak než pouze spalovacím motorem či rekuperací. Tato vozidla jsou pak schopna čistě elektrického pohonu po delší dobu, jehož využitelnost závisí na použití vozidla. Při elektrickém pohonu je obvykle omezena maximální rychlost a v případě požadavku vysokého výkonu je ihned startován spalovací motor.

V současnosti mají největší smysl právě plug-in hybridní varianty, na což se také automobilky soustředí. Na trhu jsou k dispozici plug-in hybridní varianty: Toyota Prius Plug-in Hybrid, Mitsubishi Outlander PHEV, Volkswagen Golf a Passat GTE, Audi A3 a Q7 e-tron, Volvo V60 a XC90 Plug-in, BMW i8 a chystají se také některá BMW (Mini), Mercedesy, Cadillacy, Hyundai a Kia, Škoda Superb III.

Diesel-hybridy

V poměrně nedávné době vznikla kategorie diesel-hybridů. Důvod jejího pozdějšího vzniku je, že většina hybridních automobilů cílila na trh USA či Japonska, kde byly populární, a kde je oblíbenost naftových motorů minimální.

Společně se zpřísňováním emisních norem a změně vnímání klasických automobilů v Evropě došlo k rozvoji nabídky těchto automobilů i u nás, a tak lze koupit naftový Citroen DS5 Hybrid4, Peugeot 3008 Hybrid4, Peugeot 508 Hybrid4 a RXH, Volvo V60, futuristický Volkswagen XL1. V blízké době se také chystá také Audi Q7 e-tron, Kia Optima a Sportspace. Jedním z nejzajímavějších hybridů této kategorie je několikanásobný vítěz 24 hodin v Le Mans – Audi R18 e-tron, který si běžný smrtelník nepořídí, ale Audi v něm testuje technologie blízké budoucnosti.

Neelektrické hybridní systémy

Mimo běžně rozšířených elektrických hybridů se vyskytují také varianty využívající jiný než elektrický zásobník energie, obvykle mechanický.

Volvo KERS – ukládání energie do setrvačníku

V roce 2013 automobilka Volvo uvedla do testovacího provozu systém KERS (Kinetic Energy Recovery System), který měl být schopen snížit spotřebu paliva až o 25%. Produkční vozy by se na silnicích mohly objevit kolem roku 2020, aktuálně je obdobná technologie nasazena na několika trolejbusech ve švýcarské Basileji. Aktuální stav není znám, v roce 2014 probíhaly silniční testy, ale v současnosti Volvo slibuje spíše elektrické varianty.

Nejde o stejný systém KERS jako ve Formuli 1, kde jde o uchovávání elektrické energie, nýbrž o uchování mechanické energie v setrvačníku, který následně dokáže krátkodobě zvýšit celkový výkon pro pohon vozidla. Tento setrvačník by dle švédského výrobce měl vážit pouze 6 kilogramů, což je na hybridní systém velmi málo.

Hydraulické hybridy

Hydraulické hybridy byly kvůli svým rozměrům vyvíjeny hlavně pro dodávková a nákladní vozidla s častým zastavováním, tedy například pro UPS a jiné messangery. Věnují se jí například společnosti Parker hybrids a Lightning hybrids v USA

Systém hydraulického hybridu funguje tak, že při brzdění vozu se spustí hydraulická pumpa, která stlačí vzduch nebo dusík do vysokotlaké nádrže, odkud pak může při rozjezdu pohánět hydraulický motor při svém přestupu do nádrže nízkotlaké, čímž může dojít až k 50% snížení spotřeby, samozřejmě v závislosti na způsobu použití vozidla.

Velkou výhodou tohoto systému je neomezený počet cyklů, navýšení intervalu výměny brzdových destiček, menšímu opotřebení spojky a i dodatečná zástavby do vozidla s kterýmkoliv druhem paliva za poměrně krátký čas.

V roce 2013 představil v Ženevě koncern PSA obdobný koncept vozidla s technologií HybridAir (krátkodobý pohon stlačeným vzduchem, který do nádrže natlakuje hydraulická pumpa, a který je následně vstřikován do spalovacích komor pístů místo klasického paliva při rozjezdu) s tím, že první vozidla by se v provozu mohla objevit kolem roku 2016.

23. 1. 2015 byl z finančních důvodů vývoj této technologie pozastaven. Tento systém je schopen uspořit až 45% paliva v městském provozu, tedy obdobné úspory paliva jako u motorů elektrických, ale za méně peněz, díky čemuž se tato technologie měla dát nasadit i do segmentu B a C.

Zdroje: baracudaj.blog.auto.cz
JIRKA, Tomáš. Alternativní paliva pro pohon automobilů. ČVUT Praha 2015, Bakalářská práce NOVÁK, M. Hybridní pohony osobních vozidel. VUT Brno 2011:Bakalářská práce HRABAL, Martin. Hybridní pohony osobních automobilů. Mendelova univerzita v Brně 2011. BP

Zdroj úvodního obrázku:  Jbcarpages.com