Razvoj “mild” hibrida – AutopressHR

Hibridni i električni automobili sve su češći na cestama, zahvaljujući interesu kupaca, razvoju baterija i upravljačkih sustava i tržišnim uspjesima pojedinih modela koji su olakšali proboj drugih.

Ti su automobili u primjeni već više od stoljeća, a sami elektromotori, baterije, hibridni pogoni pa i vodikove ćelije, još i dulje. Razjasnimo prvo termine koje koristimo. Za razliku od električnog, hibridni automobil je osobno vozilo koje koristi dva motora, motor s unutarnjim izgaranjem i elektromotor. Postoje razne varijante uparivanja i nadopunjavanja tih pogona, prijenosa sile na kotače i tipova spremnika električne energije, a većina ili svi ti sustavi prvo su primijenjeni u statičnim generatorima, brodovima, podmornicama, lokomotivama i kamionima. Električni i hibridni pogoni tek su relativno nedavno u češćoj uporabi u osobnim automobilima, a u posljednje vrijeme u automobilima sve je češća tzv. mild (eng. – blago, umjereno) hibrid tehnologija. Pogledajmo ukratko razvoj elektro i hibridnih automobila kako bi lakše istaknuli karakteristike mild hibrida.

Pojava i razvoj tehnologija za električne aute i hibride
Početkom 20. stoljeća, automobili na cestama (pogotovo SAD-a) bili su pogonjeni i elektromotorima, i motorima s unutarnjim izgaranjem, ali i parnim motorima. Prve brzinske rekorde nisu postavili benzinski motori; 1899. je električni automobil probio okruglih 100 km/h, a okruglih 200 km/h je 1906. probio parni automobil. Svaka od tih tehnologija imala je svoje prednosti, a makar je motor s unutarnjim izgaranjem prevladao kao svojevrsni standard, ni druge nisu zamrle (sjetimo se, parni pogon razvijan je i nakon željezničke primjene u nuklearnim elektranama i vojnim brodovima i podmornicama). 

Elektromotori bili su poznati još u prvoj polovici 18. stoljeća, a do 20. stoljeća su razvijani u raznim varijatnama, ali u kontekstu automobila treba uvažiti i dostupnost i nisku cijenu nafte i u ruralnim krajevima SAD-a 1920ih godina. To je problem koji još nije riješen: stanice za izmjenu baterija jedno su rješenje, ali problem mogu činiti nejednaki uvjeti eksploatacije i posljedične zamjetne varijacije u kapacitetu baterija. No, neka su rješenja razvijena već u zori električnog automobila. Primjer je Lohner-Porsche (1900. – 1905.): prve verzije imale su po jedan elektromotor u dva kotača, što je povoljno rješenje za pojednostavljivanje prijenosa i smanjivanje mehaničkih gubitaka, a bili su pogonjeni samo električnom strujom iz baterija. Kasnije su verzije imale po jedan elektromotor u sva četiri kotača i tzv. serijski hibridni pogon. 

Takav hibridni sustav razvija se i primjenjuje i danas; motor s unutarnjim izgaranjem pogoni generator električne struje, a struja dalje ide u neki spremnik (npr. bateriju, zamašnjak, kondenzator) ili direktno u elektromotor. Ključno je da motor s unutarnjim izgaranjem u tom slučaju ne pogoni kotače izravno. Princip za automobil s elektromotorima u sva četiri kotača koristila je i NASA za Lunarni rover (1971. – 1972.).

Već su se tada nazirali sustavi koji u današnjim verzijama, pogotovo umreženi u istom vozilu, čine najzanimljivije prednosti hibridnih vozila. Motor s unutarnjim izgaranjem služi samo za pogon generatora, pa se može koristiti specijalizirani tip motora poput mikroturbinskih (male plinske turbine; slične mlaznim motorima, ali izlazna sila je mehanička umjesto potiska). 

Sami elektromotor može inducirati struju kao generator kada se vozilo kotrlja bez gasa. Zatim, regenerativno kočenje može se koristiti i skladištenjem kinetičke energije u zamašnjacima. Na tome se bazira i po tome se zove Ferrarijev KERS – kinetic energy recovery system pa su LaFerrari i FXX-K (i Evo) mild hibridi. Neki hibridi (strong ili full hibridi) koriste i motor s unutarnjim izgaranjem i elektromotor(e) za pogonjenje kotača; i američki proizvođači razvijali su takvu tehnologiju pa je GMov prototip bio gotov još 1969., no, kao i brojni drugi, nije ušao u serijsku proizvodnju. Tzv. plug-in hibridi mogu se puniti i na kućnoj električnoj mreži, a proizvođači, pogotovo Tesla, razvijaju visokonaponsku infrastrukturu brzog punjenja električnih automobila. Od 19. stoljeća poznat je i termoelektrični efekt (najkraće, izazivanje prijenosa električnog naboja između dva materijala stvaranjem temperaturne razlike, zbog tipova njihovih kristalnih rešetki), koji će tek doći u širu automobilsku uporabu. Uz to, i same ceste s pratećom infrastrukturom mogu doprinijeti punjenju baterija; solarni paneli i bežično indukcijsko punjenje mogući su elementi koji će biti planirani pri gradnji ili opremanju prometne mreže.

Mild hibridi – budućnost električne struje u automobilima?
Osim plug-in hibrida i električnih (mikro)automobila ograničenih dosega i zbog baterija i zbog infrastrukture za punjenje, postoji model hibridizacije koji zadržava prednosti i električnog i automobila na naftne derivate. To su mild hibridi. 

Princip rada im je obrnut od hibrida koji koriste benzinski/dizelski motor za napajanje elektromotora (direktno ili po potrebi, kao range extender – za produljivanje dosega): ovdje se elektromotor uključuje po potrebi. To su hibridi u kojima elektromotori i baterije pomažu, a nisu glavni način pogonjenja vozila. U takvoj je konfiguraciji elektromotor obično smješten između glavnog motora i mjenjača, a služi i kao elektropokretač (anlaser) i alternator. Može brže pokretati motor u start-stop načinu rada, glavni motor može se isključiti u uvjetima bez gasa i bez potrebe za kočenjem motorom, imaju ograničenu mogućnost regenerativnog kočenja, zahtjevaju manje baterije i rasterećuju motor od pogonjenja perifernih elemenata poput alternatora. Kao i druge već spomenute tehnologije, ni ova nije nova. Honda je taj princip uvela u model Insight krajem 1990-ih, a slijedile su razne varijante kod američkih proizvođača kroz idućih desetak godina. U širu uporabu ulazi tek u posljednje vrijeme, uključujući i europske automobile. Primjeri integracije elektropogona je električni turbo kompresor kod Mercedes-Benza ili Audija, a na prelazak na više napone (48 V struja) neki su se proizvođači odlučili kako bi počeli strujom pokretati i druge elemente za koje se prije koristila mehanička snaga (tj. snaga motora): kompresor klime ili pumpa vode. No, ovakav tip hibrida, koji zapravo omogućuje širenje hibridne tehnologije i tamo gdje zbog njenih nedostataka (npr. viša inicijalna cijena, briga oko punjenja baterija ili dosega) na prvi pogled ne bi lako dospjela.

Dodavanje elektromotora između glavnog pogonskog motora i mjenjača, skupa s baterijskim paketom može podići ukupnu masu vozila, ali ipak smanjuje potrošnju goriva. Automobil je življi i na manjem gasu, smanjuje se broj komponenti motora (npr. nema elektropokretača i alternatora) i moguće ga je jednostavno upariti s ručnim mjenjačem (npr. Honda CR-Z, 2010. – 2016.). Ipak, teži hibridni sustavi s jačim elektromotorima i više baterija mogu voziti i u potpuno električnom načinu, ali složeniji su i skuplji. Kod mild hibrida ostaje još jedna prednost: jednostavno točenje goriva na gotovo sveprisutnim pumpama, a i tankanje benzina/dizela obično traje višestruko kraće od punjenja baterija na predviđenoj stanici.

Elektromotor mild hibrida gotovo nikad ne pokreće vozilo sam. To nije nemoguće, jer ako ne pritisnemo pedalu kuplunga prije paljenja auta koji je u brzini, i standardni elektropokretač može pokrenuti auto s mjesta. Ipak, brzo se može pregrijati i potrošiti akumulator, a iz sličnih razloga se za samostalni pogon ne koristi elektromotor mild hibrida – dizajniran je i prilagođen za pomoć glavnom motoru.

Mild hibridi ciljaju i one kupce koji ne bi nužno kupili hibrid, ali takva tehnologija im ne bi smetala, jer je nenametljiva u smislu svakodnevnih karakteristika i brige oko automobila. Neki su takvi modeli su prisutni ili će biti prisutni i na našem tržištu.

Primjer: Suzuki SHVS
Suzukijeva verzija mild hibridnog sustava ne koristi elektromotor/generator između motora i mjenjača, nego je montiran kao zasebna jedinica i remenskim prijenosom povezan s benzinskim motorom. SHVS sustav (Smart Hybrid Vehicle by Suzuki) u Swiftu donosi 10 kg više, bez obzira na pogon (prednji ili svi kotači) i motor (1.2 DualJet ili 1.0 BoosterJet); ta se mala dodatna masa isplati za povećanu svakodnevnu upotrebljivost.

SHVS sustav temelji se na ISG jedinici (Integrated Starter Generator) koja daje 2,3 kW i 50 Nm te ima ulogu i elektropokretača (samostalni elektropokretač koristi se dok je sustav još hladan) i alternatora. Nije integrirana s mjenjačem nego je s motorom povezana preko remena. Pri kočenju motorom puni bateriju, a pri gasu bateriju crpi i pribraja svoju snagu motoru. Uz to, rasterećuje akumulator od napajanja nekih potrošača poput instrumentne ploče; tako smanjuje potrošnju goriva za oko 7%. Ne čini se značajno, ali ako se računa ukupna smanjena potrošnja kroz više kilometara i sati provedenih u kreni-stani prometu, prednosti mild hibridnog sustava postaju očitije.