Hibridna vozila

Objavljeno v: NOVICE | 0

1. Kaj je hibridno vozilo?

Hibridno vozilo je tisto, ki za poganjanje izkorišča dva ali več vira energije. Se pravi, da je hibridno vozilo opremljeno z dvema agregatoma. Najbolj pogosto in seveda najbolj poznana so HEV (hybrid electric vehicles) vozila. Ti združujejo enega ali več elektromotorjev, ter manjši motor z notranjim izgorevanjem. Tak hibrid po podatkih proizvajalca ne sme presegati 110g/km izpustov CO2. Motor z notranjim izgorevanjem je lahko bencinski ali dizelski. Ob usklajenem delovanju obeh sklopov je omogočeno delovanje motorja z notranjim izgorevanjem v področju optimalnega izkoristka. Posledica je izboljšanje ekonomije vožnje, izpusta škodljivih plinov in tudi lastnosti pogonskega sklopa. Viri energije, ki jo uporabljajo hibridna vozila vključujejo sistem za ponovno polnjenje shranjene energije ( regenerativno zaviranje ) v ali izven vozila. Na primer opcija ABS je naravna lastnost elektromotorja, pri katerem se kinetična energija, ki se nabere pri zaviranju preko elektromotorja pretvarja v električno energijo. Večinoma se za vire energije uporablja bencinska ali dizelska goriva, vodik, utekočinjen dušik, utekočinjen ali stisnjen naravni plin, sončna energija, elektromagnetna energija. Vozila teh vrst delimo na vzporedni ali paralelni pogon in na zaporedni ali serijski pogon, ter mešani oziroma serijsko-zaporedni pogon. Na začetku devetdesetih let so na področju hibridnih pogonov raziskovali kombinacijo plinske turbine in elektromotorja. Seveda pa se je boljše izkazal elektromotor z notranjim izgorevanjem, se pravi učinkovita kombinacija manjšega dizelskega ali bencinskega motorja in elektromotorja. Okolju najbolj prijazen, ter popolnoma ekološki hibrid s tako imenovanim pogonom na gorivne celice. Seveda poleg ne bo potreboval pomoči motorja z notranjim izgorevanjem. Delovanje le-teh temelji na pridobivanju električne energije z oksidacijo vodika, ter redukcijo kisika. Posledica tega je izločanje vode. Hibride razlikujemo tudi po stopnji hibridnosti in sicer poznamo delne, ter popolne hibride. (Povzeto po wikipediji) Na spodnji sliki je prikazan eden novejših hibridnih avtomobilov znamke Volvo.

hibridni Volvo-c30

Slika 1: Hibridni avtomobil zmanke Volvo

2. Slabosti hibridnih vozil

Naštel bom nekaj največjih slabosti. Te so:

– Teža avtomobila, saj je za tak avto potrebnih veliko različnih komponent, ki znatno pripomorejo k zvečani masi avtomobila in zato tudi avto za pogon potrebuje več energije.

– Manjša moč motorja. Če želimo varčevati, ter skrbeti za zmanjšan izpust CO2, ne smemo biti potratni z energijo. Najpogosteje v hibridnem motorju najdemo 1,2 litrski dizelski motor. Z njim privarčujemo tudi na masi avtomobila.

– Cena. Seveda je cena hibridnega vozila višja, saj imamo v vozilu vgrajenih mnogo komponent, ter glavno stvar dva agregata (lahko tudi več). Ljudje, ki se odločijo za nakup več denarja vložijo za nakup avtomobila, ter računajo na to, da se jim denar čim bolj povrne v daljšem obdobju. Proizvajalci garantirajo tudi daljša garancijska obdobja. Nekje tudi od 6 do 9 let.

– Drug način vožnje, kot smo ga vajeni. Mnoge voznike bi tišina elektromotorja zmedla. Tako so v nevarnosti tudi pešci, saj bi lahko stopili na cesto misleči, da nikjer ni nobenega avtomobila. Vzrok za to bi bilo ne slišnost zvoka, saj se ljudje velikokrat zanašamo na to, kar slišimo in se dodatno ne prepričamo.

– Ne obnese se tako dobro pri vožnji na dolge razdalje. Elektromotor niti agregat z notranjim izgorevanjem nista dosti močna ali vzdržna, saj je ključni pomen hibridnega vozila, da privarčujemo pri mestni vožnji. Če pogledamo situacijo z vidika naše države seveda to nebi bilo tako sporno, saj ne živimo v prav veliki državi.

2.1 Prednosti hibridnih vozil

– Glavni pomen je, da so prijazna do okolja. Če bi svetovna večina uporabljala hibridna vozila bi se v končni fazi krepko zmanjšale emisije CO2. Hibridni avtomobili proizvedejo od 25% do 35% manj CO2, kot standardni avto z notranjim izgorevanjem. Uporabljajo elektromotor, ki se napaja preko baterije. To baterijo pa polni motor z notranjim izgorevanjem. V mestni vožnji prevladuje delovanje električnega motorja, na odprti cesti pa mu pride na pomoč motor z notranjim izgorevanjem.

– Je energetsko učinkovit. Dvojni pogon vzdržuje najnižjo porabo goriva v vseh voznih pogojih. V teh vrstah, kot že zgoraj omenjeno najdemo najpogosteje 1,2 in 1,5 litrske motorje. Tako bencinske, kot dizelske. Hibridna vozila so izdelana zgolj za povečanje učinkovitosti porabe goriva. Karoserija avtomobila je izdelana iz lažjih materialov, ter obliko skušajo narediti čim bolj aerodinamično, da bi tako zmanjšali silo zračnega upora. Seveda najbolj do izraza pridejo hibridna vozila pri mestni vožnji.

– Nekatere finančne olajšave. Ker so hibridna vozila za enkrat še zelo draga, če se odločimo za nakup takega vozila smo opravičeni do različnih finančnih olajšav. Te prejmejo le lastniki varčnejših avtomobilov.
(Povzeto po članku iz revije AMZS MOTOREVIJA)

 

3. Vzporedni hibridni pogon

Vzporedni oziroma paralelni pogon se pojavi takrat, ko govorimo o motorju z notranjim izgorevanjem kadar mu predvsem pri pospeševanju, ter nižji hitrosti pomaga elektromotor. Ta lahko pri zaviranju služi, kot generator (regenerativno zaviranje). Pri gibanju vozila mora delovati motor z notranjim izgorevanjem, kot pomoč pa se vklaplja in izklaplja električni motor. Vzporedni hibridni pogon ima podobne značilnosti, kot zaporedni le, da motor na notranje izgorevanje neposredno poganja mehanske prenose v vozilu, kadar je potrebna po moči manjša pa še dodatno polni baterijo. Tak pogonski sistem uporabljajo pri Toyoti in sicer pri njihovem najbolj znanem hibridu z imenom Prius. To vozilo je trenutno najbolj »vroče«. Na spodnji sliki je razvidna postavitev, ter povezava hibridnega motorja in komponent.
vzporedni hibridni pogon

Slika 2: Vzporedni hibridni pogon

V paralelnem hibridu je mogoče popolnoma izklopiti motor z notranjim izgorevanjem, ter se voziti samo z delovanjem elektromotorja, ki se napaja iz baterije. Tak način vožnje je najbolj prijazen okolju, saj motor proizvede zanemarljive vrednosti CO2 emisij. Uporablja se predvsem pri mestnih kratkih vožnjah.

4. Zaporedni hibridni pogon

Hibridno vozilo z zaporedno vezanim pogonskim sistemom izkorišča veliko specifično energijo tekočih ogljikovodikov, saj motor na notranje izgorevanje, ki deluje v optimalnem delovnem območju, preko generatorja polni baterijo. Sistem ni najbolj enostaven pa vendar smo najbolj omejeni z izkoristkom toplotnega stroja. Težave pri zaporednem pogonskem sistemu lahko nastopijo tudi zaradi prepogostega polnjenja in praznjenja baterije. Pri zaporednih oziroma serijskih hibridnih motorjih poganja motor z notranjim izgorevanjem le generator, ki z elektriko napaja akumulator ali neposredno poganski električni motor. Za osebna vozila takšen pogon ni primeren predvsem zato, ker je njegova moč omejena z močjo pogonskega elektromotorja. Na spodnji sliki je prikazan zaporedni hibridni motor s komponentami.

zaporedni hibridni pogon

Slika 3: Zaporedni hibridni pogon

 

 

5. Serijsko-paralelni pogon

V praksi se ga pogosto uporablja. Serijsko vzporedni hibridni sistem uporablja elektromotor za pogon vozila pri nizkih obremenitvah in hitrostih, bencinski oziroma dizelski motor pa takrat, ko se obremenitev in hitrost znatno povečata. Krmilna enota tako določi najboljše razmerje moči, da doseže čim bolj učinkovito delovanje vozila. Motor poganja kolesa preko razdelilnika moči, ki določi ali je kaj odvečne energije motorja. Če se seveda to zgodi pošlje energijo na generator, kjer se pretvarja v električno energijo. Ta pa naprej napaja baterijo in električni motor, ki pomaga motorju z notranjim izgorevanjem. Take vrste hibridni motor proizvede v svojem optimalnem območju do 80% manj emisij CO2 v primerjavi z vsakdanjim vozilom z notranjim izgorevanjem.

6. Vztrajnik za shranjevanje energije

Je zelo uporabna, ter učinkovita metoda pretvarjanja kinetične oblike energije v druge bolj učinkovite oblike energij. Lahko bi temu tudi rekli obnavljanje energije, ki nastane pri zaviranju. Temu namenu najbolj učinkujejo vztrajniki. Metoda deluje na principu vztrajnikov, ki so shranjeni v vakuumu. Mehansko energijo pretvarjajo najprej v toplotno, ter se nato preko generatorja pretvori v električno. Zadeva je najbolj učinkovita pri vozilih, kjer je točno določen čas, ter pot zaviranja, bolj natančno, kjer so znane poti speljevanja, ter zaviranja. Uporablja se na primer pri tirnih vozilih, ter avtobusih. Na ta način pri mestni vožnji prihranimo približno 1 l bencina na 100km.

7. Vozila z gorivnimi celicami

To je ena od oblik električnega vozila. Seveda se za pogon vozila uporablja elektromotor, napajanje pa dobimo s pomočjo gorivnih celic, ki proizvajajo električno energijo. Gorivne celice delujejo na principu obratnega postopka elektrolize. Sicer se vodik(H2), ter kisik(O2) povežeta v vodo(H2O), pri tem pa nastaneta električni tok in toplota.
Gorivna celica je sestavljena iz dveh elektrod in sicer iz katode in anode, ločuje pa ji trdni elektrolit. Le ta je izdelan iz umetne snovi, njegova naloga pa je prevajanje protonov, ter tvori jedro celice. »PEM- folija in anoda sta prevlečeni s platino, s čimer se okrepi njuno katalitično delovanje. Skozi ozke kanale v anodi teče vodik in se s pomočjo katalitičnega učinka platinaste prevleke razgrajuje v pozitivno nabite vodikove ione (protoni, H+) in negativno nabite elektrone (e-). Protoni (H+) potujejo skozi membrano na katodno stran. Membrana prepušča protone, prostih elektronov pa ne. Posledica tega je, da se anoda nabije negativno, ker nastane presežek elektronov.
Če sta anoda in katoda povezani prek zunanjega tokokroga, se izmenjata naboja in tok teče od anode h katodi. Elektroni potujejo skozi tokokrog, preden se s svojimi protoni in molekulami kisika spet združijo v vodo. Tako anoda gorivne celice ustvarja tok, medtem pa se na katodi tvorita voda in toplota.« (Dušan Gruden 2011: 366-376)
Anoda: H2 -> 2H+ + 2e-
Katoda: (1/2) O2 + 2H+ + 2e- -> H2O
Za lažje razumevanje je spodaj prikazana shema oziroma slika delovanja gorivnih celic.

delovanje gorivnih celic
Slika 4: Delovanje gorivnih celic

 

8. Delovanje pogonske baterije

Baterija napaja modul za krmiljenje moči, ta pošlje visoko napeti DC tok v nadzoren modul za pretvorbo v AC tok, ali pa pretvori v višjo ali nižjo voltažo. Ta energija prehaja nato v elektromotor in služi pogonu vozila. Lahko služi tudi, kot vžig motorja z notranjim izgorevanjem, če je baterija izpraznjena. Visoko napetostne baterije so potrebne, saj izboljšajo izkoristek motorja. Hibridne baterije običajno dobavlja napetost DC do pretvornika vezja, ki pretvarja električno energijo v 600-650 V in tri-fazni AC za električni pogonski motor. Na spodnji sliki je prikazana Litij-Ionska baterija za hibridna vozila.

litij ionska baterija
Slika 5: Litij-Ionska baterija

 

9. Porsche Panamera S E-hibrid

Za zaključek sem se odločil na kratko predstaviti »super-športni« hibrid. Predstavil bi ga zato, ker si večina ljudi pod imenom hibridni avtomobil predstavlja majhen mestni avto. Rad bi vam pokazal, da so tudi močnejši avtomobili lahko varčnejši, ter okolju bolj prijazni. Zasledil sem hibridni Porsche Panamero S E-hibrid. Seveda je cena takega hibrida zelo visoka pa vendar bi predstavil na kratko nekatere specifikacije avtomobila. V avtomobil so vgradili šestvaljni bencinski motor z dodatkom elektromotorja. Motor z notranjim izgorevanjem ima vgrajeno tudi turbino. Elektro motor pa ima 95 konjskih moči. Ima močno 9,4kWh Litij-Ionsko baterijo. Motor z notranjim izgorevanjem pa ima kar 416 konjskih moči. Seveda se baterija Panamere napolni kar v dveh urah in pol na 240V tokovnem krogu. Hibridna Panamera porabi do 56% manj goriva, kot standardna Panamera z vgrajenim motorjem z notranjim izgorevanjem. Kadar govorimo o pospeških pa hibrid od 0 do 100km/h doseže v 5,2s. V zavornem sistemu ima vgrajene vztrajnike za regeneracijo oziroma shranjevanje energije. (Prevedeno in povzeto po članku: CAR AND DRIVER)

 

porsche panamera s hibrid
Slika 6: Porsche Panamera S E-hibrid

Avtor: Miha Cuznar