Millest on tehtud moodsad hübriidid? Vol 2

Hübriidsõidukite põhiretsept, olemus ja hübriidsüsteemi arhitektuuripõhine klassifikatsioon seeriahübriidideks ja paralleelhübriidideks on I peatüki* toel selge. Peatüki II osas heidavad Uku Tampere ja Lena Murd pilgu hübriidide liigitusele** lähtuvalt sellest, missugune on elektriajami roll sõiduki liikumapanemisel.

Liigitus hübridiseerituse määra alusel

Vastavalt elektrimootori veojõu osakaalule paigutuvad sõidukid hübriidsuse skaalale järgnevalt: ühes otsas on tavasõidukid, siis tulevad mikrohübriidid, mahehübriidid, poolhübriidid, täishübriidid, pistikhübriidid ning skaala teises otsas on elektrisõidukid.

Hübridiseerituse taseme järgi liigitamine ongi kõige levinum vähemalt tavainimeste seas, sest hübridiseerituse tase räägib sisepõlemismootori ja elektrimootori veojõudude osakaalust ning seda on lihtsam, kui süsteemi enda olemust.

Mõnedel sõidukitel on domineerivaks sisepõlemismootor ja elektrimootor lülitub tööle juhul, kui on vaja lisavõimsust. Mitmetel sõidukitel on sisepõlemis- ja elektrimootor võrdselt koormatud. Mõned aga suudavad sõita vaid elektrimootori jõul.

Hübridiseerituse määr leitakse jagades elektrimootori jõud elektrimootori ja sisepõlemismootori kombineeritud jõuga ja korrutades sajaga. Tehte tulemuseks on protsent, mis lihtsustatult ja natuke meelevaldselt öelduna näitab, kui palju mõni auto hübriid on:

Mikrohübriidid < 5% (Nt BMW 1. seeria). Mikrohübriidi on väga keeruline tegelikult üldse hübriidiks nimetada. Sisuliselt on tegemist tavalisest suurema ja tugevama starteriga, mille elektrimootor funktsioneerib süsteemi käivitamiseks ja peatamiseks, et automaatselt sisepõlemismootor välja lülitada, kui sõiduk on peatunud, aga see mootor ei paku sõidukile täiendavat veojõudu. Mikrohübriididel siin artiklis rohkem ei peatu, aga olgu ta ära mainitud.

Mahehübriidid on hübriidid, kus elektrimootori osakaal on kuni 10% (Nt Chevrolet Malibu, Honda Escape). Elektrimootor-generaator on integreeritud sisepõlemismootoriga pakkumaks ca 10% maksimaalsest mootorijõust. Need hübriidid tasandavad fossiilkütusel töötavate sõidukite puudujääke ja siin töötab elektrimootor või generaator paralleelselt sisepõlemismootoriga, aga ainult elektriga sõita ei saa.

Poolhübriid on põhimõtteliselt sarnane süsteem mahehübriidile, aga väikest distantsi on võimalik sõita ka elektriga. Aga elektriga liikumine ei ole selles kategoorias kuidagi veel standardne sõidurežiim.

Ülejäänuid nimetatakse juba täishübriidideks (Nt Toyota Prius, Camry Hybrid), kus elektrimootor pakub vähemalt 40% mootorivõimsusest täiendava veojõuna. Suurem elektrimootor ja aku võimaldab kasutada väiksemat sisepõlemismootorit ning tulemuseks on madalam kütusekulu ja heitmetase. Lühemaid distantse suudab sõiduk läbida elektriga.

Eraldi alajaotus on pistikhübriid (Plug-in Hybrid), millel on bensiini- või diiselmootor koos elektrimootori ja suure laetava akuga. Erinevalt tavapärastest hübriididest saab neid laadida vooluvõrgust, mis võimaldab sõita pikki vahemaid vaid elektri jõul. Kui aku saab tühjaks, lülitub tööle sisepõlemismootor ja sõiduk toimib nagu tavaline hübriid. Näited: Chevrolet Volt, Mitsubishi Outlander P-HEV, Toyota Prius P-HEV, etc.

Mahehübriid (Mild hybrid) / mikrohübriid (Micro hybrid) = start-stopp-süsteemid koos energia rekuperatsiooniga

Mahehübriidid on oma olemuselt tavasõidukid, millel on suuremad starterid, mis võimaldavad sisepõlemismootorit välja lülitada olukorras, kus sõidetakse ühtlase kiirusega, pidurdamisel või peatumisel ning seejärel kiiresti ja sujuvalt taaskäivitada. Taaskäivitamisel kasutatakse suuremat elektrimootorit sisepõlemismootori pöörete tõstmiseks vajalikule tasemele, enne kütuse sissepritsimist.

See kontseptsioon ei ole vaid hübriidide pärusmaa: Subaru võttis selle esmakordselt kasutusele 1980. aastate algul, Volkswagen Lupo 3L on aga üks näide tavasõidukitest, mis lülitab peatudes mootori välja.

Nii nagu ka teiste hübriidsüsteemide puhul, kasutatakse elektrimootorit regeneratiivsel pidurdamisel energia salvestamiseks. Erinevuseks on asjaolu, et elektrimootor ei toeta sisepõlemismootori tööd, samuti puudub võimalus sõita ainult elektri jõul. Seetõttu ei peeta neid sageli hübriidideks, sest puudub elektriajam, mis sõidukit liigutaks, samuti ei suuda niisugused sõidukid saavutada teiste hübriididega sarnast kütusesäästlikkust.

Elektri jõul töötavad teatud süsteemid, nagu näiteks kliimasüsteem, mis tavasõidukil saavad toidet sisepõlemismootorilt. Need saavad elektri jõul tööd jätkata ka siis, kui sisepõlemismootor ei tööta. Samuti tuleb arvesse võtta asjaolu, et näiteks sisepõlemismootori õlitussüsteem on olemuslikult kõige väiksema efektiivsusega kohe pärast mootori käivitamist, seetõttu toimub enamus mootori kulumisest just sel ajal. Sagedane käivitamine vähendab mootori eluiga märkimisväärselt. Samuti võivad start-stopp tsüklid vähendada sõiduki võimekust töötada optimaalsel temperatuuril, seeläbi vähendades mootori tõhusust.

Näited: BMW-l on õnnestunud oma praegusel 1-seeria mudelil edukalt ühendada regeneratiivne pidurdus ja mahehübriidi start-stopp-süsteem.

Citroën pakub start-stopp-süsteemi C2 ja C3 mudelitel. Kontseptsõiduk C5 Airscape esitab selle süsteemi edasiarendust, millel on lisatud regeneratiivne pidurdus ja täiendava veojõu funktsioonid, samuti varuenergiat salvestavad superkondensaatorid.

 Poolhübriid (Medium hybrid = Motor assist hybrid)

Poolhübriidid kasutavad peamise jõuallikana sisepõlemismootorit ja veojõudu lisav elektriajam on paralleelselt ühendatud suhteliselt tavapäraseks jõuülekandesüsteemiks. Ainult elektri jõul on võimalik sõita vaid väga piiratud aja ning tegemist ei ole standardse sõidurežiimiga.

Võrreldes täishübriididega vajatakse vähem elektrijõudu, seega võib ka akusüsteem olla väiksem. Elektrimootor, mis on paigutatud sisepõlemismootori ja käigukasti vahele, on oma olemuselt väga suur starter, mis töötab üksnes siis, kui sisepõlemismootorit on vaja toetada ja kui juht vajutab tugevamalt gaasi.

Elektrimootorit kasutatakse ka sisepõlemismootori taaskäivitamiseks, võimaldades tühikäigul selle välja lülitada; sel ajal tagab sõiduki erinevate süsteemide energiaga varustamise akusüsteem. Elektrimootor toimib regeneratiivse pidurduse ajal generaatorina.

Honda hübriidid nagu Civic ja Insight on seda tüüpi. Nendes on kasutatud Honda väikesi tõhusaid bensiinimootoreid, süsteemi nimetuseks on Integrated Motor Assist (IMA). IMA süsteem võeti esmakordselt kasutusele 2006 Civic hübriidil, täna suudab IMA süsteemiga sõiduk mõõduka kiirusega maanteesõidul toime tulla ainult elektri jõul.

Samalaadne lahendus on ka Mazda e-4WD süsteem, mis on kasutusel Jaapani turu mudelil Mazda Demio. Sellel esisillaveolisel sõidukil on elektrimootor, mis paneb vajadusel tööle tagumised rattad. Süsteem muudes sõiduoludes kasutusel ei ole ning ei aita kaasa parematele sõiduomadustele ega kütusesäästule.

 Täishübriid (Strong hybrid = Full hybrid)

Täishübriid suudab liikuda üksnes sisepõlemismootori või ka ainult aku jõul, samuti mõlema jõuallika kombinatsioonide abil. Ainult aku jõul liikumiseks on vajalik suur ja mahukas akupakett.

Tinglikult võib öelda, et võrreldes eelmiste liigitustega on täishübriid see süsteem, kus elektrimootor ei ole sisepõlemismootori assistent, vaid pigem vastupidi. Täishübriid eelistab elektrimootori võimsust ja kui sellest puudu jääb või akudes ei ole piisavalt elektrit, rakendub sisepõlemismootor.

Siia liigituvad praktiliselt kõik need autod, mida meie linnapildis ja inimeste teadvuses on harjutudki kõnekeeles hübriidideks nimetama – Toyota Prius, Auris ja Lexuse mudelid on täishübriidid, sest need suudavad liikuda ka ainult aku jõul.

Toyota kasutab selle tehnoloogia nimetusena Hybrid Synergy Drive. Kogu süsteemi tegevust juhib kompuuter, mis määrab ära, kas töötab sisepõlemismootor, elektrimootor või mõlemad koos. Kui elektriajam suudab pakkuda kogu vajaminevat võimsust, on sisepõlemismootor välja lülitatud.

Pistikhübriid (Plug-in hybrid = Grid connected hybrid = Vehicle to grid V2G)

Kõik eeltoodud hübriidstruktuurid võib klassifitseerida kui charge sustaining: energiasalvestussüsteem on loodud püsima suhteliselt piiratud laetuse tasemel. Hübriidajami algoritm on loodud nii, et keskmiselt suudaks energiasalvestussüsteemi SOC pärast sõidutsüklit taastuda enam-vähem algses seisundis.

Pistikhübriidsõiduk (PHEV) on täishübriid, mis suudab sõita ainult elektri jõul, sellel on suured akud, mida saab laadida vooluvõrgust. Peamine eelis on see, et need suudavad olla vedelkütusest sõltumatud igapäevastel lühisõitudel, kuid olemas on ka hübriidne pikem sõiduulatus pikemateks sõitudeks.

Vooluvõrku ühendatavad hübriidid võivad olla ka charge depleting: osa sõidu ajal kulutatud elektrivoolust on akudesse laetud läbi laadimisvõrgu, eelistatult öösiti. Kütusetõhususe arvutamise aluseks võetakse sisepõlemismootori tegelik kütusekulu ja elektrivõrgust laetud energia kWh bensiiniekvivalent. Pistikhübriidide well-to-wheel tõhusus ja heitmed sõltuvad elektrienergia tootmiseks kasutatud energiaallikatest (kivisüsi, nafta, maagaas, hüdro-, päikese-, tuule-, tuumaenergia).

Pistik-seeriahübriidi puhul toodab sisepõlemismootor elektrienergiat sellega ühendatud generaatori abil pikemate vahemaade läbimiseks. Pistikhübriidid võivad olla mitme kütusega, mille puhul elektrijõudu täiendab kas diisel, biodiisel või vesinikkütus.

*I peatükk ilmus käesoleva aasta oktoobrikuu Inseneerias

** Artiklis on kasutatud väljaannetes International Journal of Engineering and Techniques ning Alternative Fuels Data Center avaldatud materjale.