Cât de hibride sunt, de fapt, mașinile hibride?

Cred că nu este o noutate faptul că de ceva timp cam toți producătorii trântesc pe mașini tot felul de etichete cu nume pompos ce conțin cuvântul hibrid scris cu diverse fonturi și ortografii.

Dacă le iei ad-literam te poți mândri că ai o mașină hibridă? Nu chiar, pentru că deseori ține de semantică mai mult decât de mecanică, așa că în acest articol îmi propun să fac un pic de lumină în acest subiect.

În esență un vehicul hibrid presupune prezența a 2 surse motrice care fac posibilă deplasarea vehiculului, una din componente fiind motorul termic iar cealaltă o formă de electrificare.

Sunt însă cazuri de utilaje industriale sau agricole care folosesc o componentă hidraulică în loc de cea electrică.

Felul în care roata este învârtită de aceste sisteme hibride poate deveni o discuție foarte complexă sau ambiguă, așa că o să încerc să rezum într-un mod simplu de înțeles.

Vă spuneam mai sus că pentru o mașină hibridizarea implică prezența unui motor termic însoțit de unul electric pentru a “colabora” în orice fel pentru a învârti roțile.

Cum definește Toyota adevăratul hibrid – putere electrică și autonomie reală

Așa că în esență producătorii nu greșesc  când pun eticheta de hibrid oricărei masini care are un motoraș electric, oricât de mic, indiferent de specificații, însă totuși greșesc atunci când aplică aceste etichete unor sisteme care nu sunt nimic altceva în afară de un sistem start-stop puțin mai evoluat.

De exemplu, în accepțiunea lui Toyota, de departe cel mai relevant producător când vine vorba de hibride, ei implementând la scară largă sisteme hibride începând cu 1997, hibrid înseamnă un sistem cu putere electrică mare care poate deplasa mașina pur electric și la viteze ridicate și care în permanență are aportul ambelor componente ale sistemului hibrid atunci când se deplasează.

Cred că cel mai simplu este în primul rând să analizăm în funcție de unde este amplasat motorul electric al sistemului hibrid, dacă este doar unul singur sau mai multe și ulterior să vedem ce tensiune folosește sistemul hibrid, ca să aflăm dacă poate avea un aport mare în deplasarea mașinii și dacă o poate deplasa pur electric.

Ca fapt divers, în legislația română orice mașină cu un motoraș electric care poate să aplice forță, nu doar să genereze curent, este cotată ca avand la pozitia P.3 în cartea masinii mențiunea Benzina+Electric sau Diesel+Electric, ceea ce atrage după sine menționarea în talon a termenilor Hibrid 01 pentru cele pe benzina și Hibrid 02 pentru cele diesel.

Acest lucru complică și mai mult poziționarea acestor mașini, nu numai în rândul posesorilor ci mai ales în relația cu autoritățile, mai exact cu grila de impozitare.

Asta se întâmplă deoarece statul român nu face niciun fel de ierarhizare sau diferență între sisteme și implicit toate mașinile hibride sunt “la fel de hibride”.

Lacunele programului RABLA și confuziile din legislația locală

Și de aceea programul RABLA are anumite lacune în calculul subvențiilor, de aceea în fiecare județ/sector legislația se aplică diferit și avem situații cu localități unde ai scutire de impozit și loc de parcare gratuit iar în altele plătești preț întreg ca pentru o mașină non-hibrid.

Deci să revenim la primul criteriu important și anume poziționarea motorului electric al sistemului hibrid, care trebuie obligatoriu să și asiste mecanic motorul termic,nu doar să genereze curent, caz în care este un simplu alternator, deși avem și acolo alternatoare “inteligente” care pot porni motorul termic sau pot recupera foarte eficient energia, fără să devină un parazit mecanic pentru motorul termic.

Există 5 poziții principale pe care acesta le poate ocupa, ele fiind clasificate de la P0 la P5.

P0 presupune un motor generator, să-l numim motor electric, amplasat pe cureaua de accesorii a motorului termic, împreună cu posibile anexe precum compresorul AC, pompa de apă, etc.

De la BSG la ISG – primele trepte ale electrificării ușoare

Deoarece este “legat” de motorul termic nu are cum să deplaseze mașina pur electric întrucât nu se poate roti independent de acesta și de asemenea cuplul furnizat nu este foarte mare, cureaua și fulia neputând să accepte o forță mai mare de câteva zeci de Nm, sistemul e numit de obicei BSG (Belt Starter Generator).

P1 presupune montarea motorului electric la celălalt capăt al arborelui cotit, respectiv în zona volantei, avantajul fiind forța mai mare de asistare și lipsa necesității unei curele cu role, sistemul fiind astfel mai bine integrat, purtând de obicei denumirea de ISG(Integrated Starter Generator).

Atât P0 cât și P1 nu necesită neapărat un electromotor (demaror) convențional, deoarece motorul electric poate îndeplini acest rol, dar de obicei din rațiuni de fiabilitate și siguranță este totuși prezent.

P2 presupune poziționarea motorului electric între motorul termic și transmisie.

Cum funcționează interacțiunea dintre motorul electric și transmisie în arhitectura P2

De obicei statorul (partea cu bobinaj din sârme de cupru) este prinsă de carcasa transmisiei iar rotorul (partea rotativă cu magneți permanenți) este atașată de ambreiajele sau convertizorul cutiei de viteze, în cazul sistemelor hibride de putere mare putând chiar să înlocuiască acele componente, simulând rolul lor prin control elecromecanic.

Avantajul acestei amplasări este o mai bună integrare, ce deschide noi posibilități, pentru că începând cu acest tip de poziționare mașina se poate deplasa pur electric inclusiv în marșarier, lucru imposibil la configurația P0, deoarece există posibilitatea de a deconecta și opri motorul termic, rolul motric fiind preluat exclusiv de către motorul electric ce folosește toate treptele transmisiei.

De asemenea când merge hibrid se poate folosi resursa electrică mult mai amplu.

Totodată și complexitatea crește deoarece avem nevoie de o baterie de capacitate mai mare pentru a furniza și accepta energia folosită dar și generată de acest sistem.

P3 și P4 – nivelul avansat al arhitecturilor hibride moderne

Există posibilitatea montării motorului electric în interiorul transmisiei, acesta putând să folosească doar o parte din treptele de viteză sau pe toate și poate îndeplini și rol de demaror, însă depinde de producător cum calibrează aceste sisteme.

P3 presupune montarea motorului electric la celălalt capăt al transmisiei, în zona de ieșire, ceea ce deschide noi posibilități, întrucât acționarea mecanică se face direct pe traseul către roți, nemaifiind necesară folosirea transmisiei pentru deplasarea pur electrică și de asemenea permite recuperarea energiei mai eficient (un motor electric se rotește când aplicăm curent electric, însă dacă îl rotim acesta generează curent).

P4 presupune montarea direct pe puntea opusă celei antrenate de motorul termic, ceea ce permite obținerea de tracțiune integrală fără a folosi cardan și cutie de transfer și de asemenea integrarea părții electrice este destul de simplă deoarece motorul termic și transmisia nu necesită niciun fel de modificări, în unele situații însă apare și un motor generator in pozitia P0 sau P1 pentru a genera curent electric pentru sistemul hibrid.

De ce PHEV-urile pot rula electric pe distanțe lungi

Există si alte configurații ce folosesc mai multe motoare electrice în diverse poziții.

Această configurație este interesantă pentru că se poate rula pur electric distanțe mai mari și la viteze ridicate, sistemul fiind de obicei folosit la configurațiile Plug-In Hybrid(PHEV), care au autonomie electrică mult mai mare datorită capacității extinse a bateriei, care poate fi încărcată atât automat de către sistemul mașinii sau de la o priză de alimentare externă, de unde și denumirea acestui sistem.

Este însă nevoie de adaptări pentru a face loc componentelor, cum ar fi redimensionarea rezervorului de combustibil sau a suspensiei spate și greutatea vehiculului poate crește simțitor.

P5 este o configurație rar folosită deoarece implică montarea motoarelor electrice direct în interiorul roților.

Interesant este că primul hibrid din lume, construit de Ferdinand Porsche la sfârșitul secolului 19 avea acest sistem, se numea Lohner-Porsche și a fost un sistem folosit mai mult în armată și industrie grea.

Acum că am definit zona de amplasare putem lua în calcul voltajul sistemului hibrid, care pleacă de la 12V și ajunge de obicei până la 400V, cu cât creștem voltajul creștem și complexitatea bateriilor și a sistemului, deoarece aceste baterii de tracțiune încep să necesite sistem dedicat de răcire și prezența unui convertor de voltaj pentru a încărca bateria de 12V a mașinii, aceasta fiind o cerință legală pentru toate sistemele hibride, chiar dacă tehnic ar putea fi eliminat sistemul convențional de 12V.

De ce contează tensiunea sistemului: mai mult voltaj, mai multă eficiență

Cu cât este voltajul mai mare cu atât avem mai multă forță electrică, de aceea unele configurații deși au o baterie cu tensiune de aproximativ 280V au și un convertor care ridică tensiunea de lucru a motoarelor la 650V, tocmai pentru sporirea eficienței.

Un al treilea criteriu ar fi numărul motoarelor electrice, deja majoritatea mașinilor electrice folosesc cel puțin două asemenea unități motor-generator.

Aceste sisteme sunt cele mai eficiente pentru că pot funcționa în multiple moduri și fluxuri de putere și sunt defapt veritabilele hibride.

Transmisiile hibride pot avea un număr definit de rapoarte fixe sau pot folosi sistemul eCVT( electronic Continuously Variable Transmission) care nu este un CVT conventional ci obține efectul unuia prin intermediul unui așa numit mecanism power-split cu ajutorul unui reductor planetar cu care se pot obține o infinitate de rapoarte de viteză într-un interval.

Acest mecanism presupune posibilitatea de operare in mai multe moduri hibride, numite serie si paralel.

Sistemul serie folosește motorul termic strict pe post de generator de curent electric, curentul fiind generat de motorul electric antrenat și trimis în motorul electric care mișcă rotile.

In configurația paralel, spre deosebire de cea serie, motorul termic antrenează mecanic rotile iar pe un flux paralel motorul electric este și el conectat la roți.

Marele avantaj al acestor transmisii multimodale este că pot funcționa în zeci de moduri folosind configurațiile descrise mai sus împreună cu treptele de viteză disponibile sau cele simulate prin sistemul eCVT, având o construcție mult mai simplă decât crede lumea, de exemplu ele nu necesită treaptă mecanică de marșarier, aceasta fiind obținută electronic prin inversarea polarității motorului electric legat la roți.

În trecut cele cu o asistare modestă temporar, numite Mild Hybrid, aveau între 12V și 48V și nu puteau deplasa mașina pur electric, iar cele Full Hybrid cu tensiune mare au putut tot timpul să facă asta, diferența la Plug In Hybrid fiind autonomia electrică mult mai mare dată de capacitatea bateriei.

Mai nou, din rațiuni de cost și eficiență începem să vedem sisteme pe 48V cu poziționare P1 P2 P3 P4 cu motoare electrice cu 2 viteze care oferă și funcționalitate 4×4 și care pot deplasa mașina pur electric perioade extinse, ceea ce le face niște hibride veritabile.

Așa că în accepțiunea generală un hibrid ar trebui să poată deplasa mașina pur electric sau cel puțin sa aibă aport electric în permanență, indiferent de voltaj, poziționare sau număr motoare pentru a fi un hibrid veritabil.

A fost un text lung însă cred că v-ați putut da seama până acum că este un subiect complex și în final răspunsul la întrebarea din titlu depinde de tipul mașinii la care ne referim.