Millest on tehtud moodsad hübriidid?

Kokaraamatu peatüki I osa

Hübridiseerimine on saanud 21. sajandi märksõnaks. Hübridiseerimise kontseptsioon, hübriidelektrisõidukite klassifikatsioon, hübridiseerituse tase, paralleelhübriid ja seeriahübriid on mõisted, mida veel kümmekond aastat tagasi ei olnud vaja kasutada. Nüüd aga on nende tundmine teemaga kursisolemiseks hädavajalik. Pilgu hübriidide temaatika mõistete maailma heidavad Uku Tampere ja Lena Murd.

Hübriidi retsept

HEV (hybrid electric vehicle, hübriidelektrisõiduk) koondab endas energiat, mis on pärit erinevatest allikatest – kombineeritakse täiselektrilise ja täielikult sisepõlemismootoriga (peamiselt mootoribensiini tarbiva) sõiduki komponente.

Hübriidsõidukil on kahest jõuallikast koosnev süsteem, harilikult kasutatakse kombinatsioone, nagu diiselmootor/elekter, bensiinimootor/hooratas ja kütuseelement/aku. Üks neist kahest on tavaliselt energia akumulaator ja teine toodab kütusest energiat. Kahe jõuallika kombinatsioon suudab toetada kahte erinevat jõuseadmesüsteemi või olla ühendatud üheks jõuülekandeseadmeks.

Näiteks veok, mis kasutab diiselkütust generaatori käitamiseks, mis omakorda paneb tööle rattaid vedavad elektrimootorid – näiteks suured karjäärides töötavad kallurid ei kuulu esimese hooga hübriidide hulka. Samas, kui sel veokil on elektrienergiat salvestav aku, mis aitab kaasa peamise veojõuallika tööle, on tegemist hübriidiga.

Seega on üks võtmetähtsusega komponent elektrienergia salvestamine ja ammutamine, milleks kasutatakse akusid. Akusid võivad täiendada superkondensaatorid.

Erinevalt traditsioonilisest sisepõlemismootorist, mis peab enne pöördemomendi tekitamist pöördeid koguma, toodab elektrimootor palju momenti ka madalatel pööretel. Elektriajam töötab vaikselt ja tõhusalt.

Hübriidi peamine tulu seisneb selles, et energiasalvestusseadmed vähendavad suurema töömahuga sisepõlemismootorite vajadust ja seega tekitab vähem heitmeid, võrreldes sama suurusklassi ainult bensiinimootoriga sõidukiga. Loomulikult on ka kütusekulu väiksem.

Hübriidid väldivad ka neid energiakadusid, mis on seotud mootori tööga olukordades, kus traditsiooniline sisepõlemismootor ei ole tõhus – erinevates kiiruste ja koormuste kombinatsioonides. Maakeeli – elektrimootor kompenseerib sisepõlemismootori ebaefektiivsust näiteks madalatel pööretel. Aga mitte ainult.

Liigitus sõltub mootorite ühendusest ja elektriajami rollist

Olenevalt sellest, kuidas on elektri- ja sisepõlemismootor omavahel ühendatud, liigitatakse hübriidsõidukid paralleel-, seeria- ja kombineeritud süsteemiga hübriidideks.

Kaks veojõuallikat võivad olla ühendatud kas jadana või paralleelselt. Seeriaühenduse korral laeb mootor akusid ja need omakorda annavad jõudu elektrimootorile, mis veab edasi sõidukit.

Paralleelühenduse puhul toodavad nii sisepõlemis- kui ka elektrimootor mõlemad veojõudu. Aga sellest allpool täpsemalt. Samuti on hübriide võimalik liigitada lähtudes sellest, missugune on elektriajami roll sõiduki liikumapanemisel.

Siin jagunevad hübriidid mahe- või mikrohübriidideks (siin võib lihtsustatult öelda, et sellised on start-stopp-süsteemidega isendid), power assist hübriidideks, täishübriidideks (full) ja pistikhübriidideks (plug-in).

Arhitektuuripõhine klassifikatsioon

Siin kategoorias saab hübriidid jagada kas seeriahübriidiks ehk jadaühendusega hübriidiks (SHEV – Series hybrid electric vehicle), paralleelhübriidiks või räägitakse nende kahe kombinatsioonidest.

Seeriahübriidis genereerib veojõudu ainult üks energiakonverter. Peamise veojõuallikana tegutseb väiksema töömahuga sisepõlemismootor, mis paneb tööle elektrigeneraatori, mis omakorda suunab energia akusse. Sõiduki edasiliikumiseks vajalik veojõud tuleb ainult elektrimootorilt. Elektrimootori omadused on samasugused elektrisõiduki mootoritega.

Seega seeriahübriidsüsteemi puhul ei vea sisepõlemismootor otseselt rattaid. Rattad paneb liikuma ainult elektrimootor. Kui on vaja suuremat jõudlust, ammutab ajam elektrienergiat nii akust kui ka generaatorist.

Seeriahübriidsüsteemides kasutatakse ka superkondensaatoreid (või hooratast ehk kineetilise energia rekuperatsioonisüsteemi, KERS = Kinetic Energy Recuperation System), mis aitab tõhusust suurendada, viies aku energiakaod minimaalseks.

Need annavad lisaenergiat kiirendamiseks ja salvestavad pidurdamisel tekkivat regeneratiivenergiat. Sel moel hoitakse superkondensaatorid laetuna madalatel kiirustel ja peaaegu tühjana suurtel kiirustel. See vähendab aku kulumist.

Paralleelhübriidil on rohkem kui üks jõuseade, mis paneb rattad liikuma. Sisepõlemismootor ja elektrimootor on paralleelkonfiguratsioonis mehaanilise ühenduse kaudu, mis kombineerib mõlemast jõuallikast pärinevat veojõudu. Paralleelhübriidi nõudmised elektrimootorile on madalamad kui täiselektrisõiduki või seeriahübriidi puhul, sest sisepõlemismootor täiendab omalt poolt vajamineva veojõuga.

Paralleelhübriidsüsteem koosneb nii sisepõlemismootorist kui ka elektrimootorist, mis on paralleelselt ühendatud mehaanilise ülekandesüsteemiga.

Enamasti koosneb niisugune süsteem suurest elektrigeneraatorist ja elektriajamist, mis on kombineeritud üheks tervikuks. Sageli on see paigutatud sisepõlemismootori ja käigukasti vahele, asendades tavapärast starterit ja generaatorit.

Akut saab laadida regeneratiivse pidurdamisega ja ühtlasel kiirusel sõites (kui sisepõlemismootori võimsus on suurem kui edasiliikumiseks vaja). Kuna elektriajami ja rataste vahel eksisteerib mehaaniline ühendus (sidur puudub), ei saa akut laadida siis, kui sõiduk ei liigu.

Paralleelhübriidsõidukite nõrkus on suhteliselt keerukas süsteem. Sisepõlemismootor ei tööta kitsas ega konstantses pööretevahemikus, seetõttu väheneb selle tõhusus madalatel pööretel. Kuna sisepõlemismootor on ratastega ühenduses, ei saa selle abil akut laadida, kui sõiduk seisab.

Kuid paralleelhübriidsõidukite eelis on suurem kogutõhusus ühtlasel kiirusel ja pikal maanteesõidul. Samuti paindlikud võimalused kasutada vaheldumisi elektri- ja sisepõlemismootorit. Võrreldes seeriahübriididega võib selle süsteemi elektriajam olla väiksema võimsusega kui sisepõlemismootor, sest selle rolliks on pakkuda täiendavat jõudlust. Vaja on vaid ühte elektrimootorit/generaatorit.

Madalatel kiirustel üks ja suurtel kiirustel teine

Meenutagem, et tavasõidukitel kasutatakse tavaliselt paigaltvõtu ja kiirendamise huvides suuremat sisepõlemismootorit, kui oleks vaja ühtlasel kiirusel kulgemiseks. Põhjuseks on seesama sisepõlemismootori madalatel pööretel vähene pöördemoment.

Elektriajam aga tagab maksimaalse pöördemomendi kohe ning sobib sellepärast väga hästi sisepõlemismootori madala pöördemomendi kompenseerimiseks. Seetõttu töötab madalamatel kiirustel paremini seeriahübriid. Suurtel kiirustel, kui seeriahübriid ei ole väga tõhus, võtab vedava rolli sisepõlemismootor.

Kombineeritud hübriidsüsteemil on nii seeria- kui ka paralleelsüsteemide omadusi.

Süsteemi arhitektuur on keerukam, hõlmates täiendavaid mehaanilisi ühendusi ja juhtseadmeid, võrreldes seeriahübriidiga; ja sellel on lisageneraator, võrreldes paralleelhübriidiga.

Seeria-paralleelhübriid on põhimõtteliselt seeriahübriid, kuid selle arhitektuurile on lisatud väike seeriaelement. See tagab, et aku laadimine on pidev ka pikemates liiklusummikutes seismisel. Võimsust jagav seade suunab sisepõlemismootori veojõu esiratastele veovõlli ja elektrigeneraatori abil, olenevalt sõiduolukorrast. Lühikesteks kiirendusteks saab veojõudu suunata nii sisepõlemismootorilt kui ka elektrimootorilt.

Võib öelda, et kombineeritud süsteemi eripära on see, et võimsust jagavad seadmed on ühendatud ühte jõuülekandesüsteemi. Niisugune jõuülekande viis võimaldab omavahel ühendada mehaanilise ja elektrilise võimsuse – ratastele kantav veojõud võib olla nii mehaaniline kui ka elektriline või mõlemad.

Põhimõtteliselt toimivad samamoodi ka paralleelhübriidid, kuid kombineeritud hübriidsüsteemi peamiseks printsiibiks on lahtisidestus mootori loodava veojõu ja juhi vajatava veojõu vahel.

Kombineeritud süsteemi plussid ja miinused

Kombineeritud hübriid loob võimaluse kasutada väiksemat, vähem paindlikku ja kõrge tõhususega sisepõlemismootorit. Sageli kasutatakse variatsiooni traditsioonilisest ottomootorist, kas Milleri või Atkinsoni tsükliga. See annab märkimisväärse panuse sõiduki kogutõhususele, väiksemal määral aitab sellele kaasa regeneratiivne pidurdus.

See kombineeritud süsteem on kallim kui puhas paralleelsüsteem, sest vaja on lisageneraatorit, mehaanilist veojõu jagamise süsteemi ja rohkem kompuutrivõimsust kaksiksüsteemi juhtimiseks

Kombineeritud hübriidsõidukite nõrkus on väga keerukas süsteem ning ka nende kõrgem hind võrreldes paralleelhübriidiga on loogiline. Jõuülekandesüsteemi tõhusus sõltub jõu hulgast, mis kantakse üle elektrilisel teel, sest mitmed erineva tõhususega muundamised toovad kaasa selle ülekandeviisi madalama kogutõhususe (~70%), võrreldes puhtalt mehaanilise ülekandeviisiga (98%).

Kombineeritud hübriidsõidukite eelis on aga maksimaalne paindlikkus lülituda ümber elektri- ja sisepõlemismootori jõu vahel.

Veel kategoriseerimisvõimalusi

Paralleel- ja kombineeritud hübriide võib kategoriseerida veel ka vastavalt nende hübridiseerituse tasemele, olenevalt sisepõlemismootori ja elektrimootori veojõudude osakaalust. Mõnedel sõidukitel on domineerivaks sisepõlemismootor ja elektrimootor lülitub tööle vaid siis, kui on vaja lisavõimsust. Mitmetel sõidukitel on aga sisepõlemis- ja elektrimootor võrdselt koormatud. Mõned aga suudavad sõita vaid elektrimootori jõul.