Hybrydowe pojazdy użytkowe

DAFDAF LF z napędem hybrydowym

Właściwie każdy liczący się producent oferuje pojazdy użytkowe czy autobusy z napędem hybrydowym, choć rozwiązanie to nadal pozostaje głęboką niszą rynkową. Specyfika pracy niektórych samochodów, które są użytkowane w miastach, powoduje, że hybrydowy układ napędowy jest idealnym dla nich rozwiązaniem, pozwalającym na ograniczenie emisji szkodliwych składników spalin oraz kosztów eksploatacji (zmniejszenie zużycia paliwa).

DAFHybrydowy DAF LF wykorzystuje podzespoły Eaton

Samochody komunikacji publicznej, pojazdy komunalne (np. śmieciarki) czy miejskiej dystrybucji są eksploatowane w bardzo ciężkich warunkach, z dużą liczbą zatrzymań i rozpędzeń. Stwarza to wręcz idealne warunki dla zastosowania hybrydowego układu napędowego. Co ciekawe, prekursorem we wprowadzaniu hybrydowych układów napędowych w europejskich autobusach miejskich jest polski producent, firma Solaris. Wzorem polskiej firmy poszli inni europejscy dostawcy autobusów miejskich. Korzystają oni z gotowych rozwiązań hybrydowych układów napędowych oferowanych przez wyspecjalizowane firmy lub opracowują je samodzielnie.

Przypomnijmy

Hybrydowym nazywamy układ napędowy mający dwa źródła energii, z których jedno, zwane pierwotnym, wytwarza energię, a drugie (wtórne) służy do akumulacji energii (pochodzącej głównie z hamowania). Obecnie stosowane są przede wszystkim hybrydy elektromechaniczne z wtórnym źródłem energii w postaci akumulatorów elektrochemicznych lub baterii superkondensatorów. Te drugie, w porównaniu z akumulatorami, charakteryzują się znacznie lepszymi parametrami, szczególnie istotnymi w kontekście zastosowań trakcyjnych.

Czym są superkondensatory?

Mianem superkondensatorów określamy kondensatory o bardzo dużej pojemności elektrycznej. Jej uzyskanie jest efektem zastosowanych technologii zwiększających powierzchnię czynną elektrod (odpowiednie materiały) i bardzo małej odległości pomiędzy nimi. Pod względem parametrów elektrycznych superkondensatory mieszczą się pomiędzy akumulatorami elektrochemicznymi a tradycyjnymi kondensatorami, łącząc cechy obu tych elementów.

Podobnie jak akumulatory, superkondensatory są w stanie gromadzić znaczne ilości energii. Cechą wspólną z kondensatorami jest natomiast możliwość pobierania i oddawania dużych mocy w bardzo krótkim czasie (niska rezystancja wewnętrzna). Bardzo ważną cechą superkondensatorów w kontekście zastosowań trakcyjnych jest niewrażliwość na niskie temperatury otoczenia. Bezproblemowo pracują do temperatur rzędu -40^o C. Mają również bardzo dużą żywotność. Liczba cykli ładowania-rozładowania dochodzi do 1 mln. Cechy te powodują, że superkondensatory są coraz częściej używane w pojazdach hybrydowych, służąc samodzielnie lub w kombinacji z akumulatorami jako wtórne źródło energii.

Rodzaje hybrydowych układów napędowych

Najczęściej spotykany hybrydowy układ napędowy wykorzystuje jako źródło wtórne akumulatory elektrochemiczne lub superkondensatory. Mamy wtedy do czynienia z hybrydą elektromechaniczną, w której stosowany jest silnik elektryczny wspomagający działanie silnika spalinowego, stanowiącego pierwotne źródło energii.

W przeszłości wykorzystywano również tzw. żyrobusy, w których do akumulacji energii hamowania używano akumulatorów kinetycznych. Akumulatory takie wykorzystywały ciężkie wirniki, które w czasie hamowania pojazdu były rozpędzane do dużych prędkości obrotowych. Zgromadzona w ten sposób energia była przekazywana do układu napędowego w czasie ruszania.

EatonSchemat rozmieszczenia elementów i przepływu mocy w hydraulicznym, hybrydowym układzie napędowym Eaton HLA

A może hybryda hydrauliczna?

Na rynku oferowane są również rozwiązania hybrydowych układów napędowych wykorzystujące akumulatory hydrauliczne (ciśnieniowe zbiorniki z przeponą lub tłokiem), służące do magazynowania energii odzyskiwanej w czasie hamowania w postaci ciśnienia cieczy hydraulicznej. Moc z akumulatora ciśnienia jest uwalniana znacznie szybciej niż z akumulatora elektrochemicznego, jednak impuls ciśnienia jest krótszy, co powoduje, że dużo częściej wymaga on doładowania.

EatonHydrauliczny układ hybrydowy Eaton HLA w ramie podwozia ciężarowego

Równoległy czy szeregowy?

W równoległym układzie hybrydowym oba silniki (spalinowy i elektryczny) mogą pracować jednocześnie, wspomagając się nawzajem. Dzięki temu jednostki napędowe stosowane w równoległym układzie hybrydowym mogą być mniejsze.

W szeregowym układzie hybrydowym silnik spalinowy nie jest bezpośrednio połączony z kołami napędowymi, a jedynie napędza generator elektryczny, który wytwarza napięcie elektryczne służące do napędu silnika trakcyjnego (przekładnia elektryczna). Wszystkie podzespoły układu napędowego są połączone szeregowo i niezależnie przełączane, co ułatwia kontrolę i zarządzanie energią.

Szeregowy układ napędowy ma mniejszą w stosunku do równoległego moc. Silnik spalinowy stosowany w szeregowym układzie napędowym może pracować w węższym zakresie prędkości obrotowych (stała wartość obciążenia), co zmniejsza emisję toksycznych składników spalin. Podwójna zamiana rodzaju energii (mechaniczna na elektryczną i odwrotnie) powoduje, że sprawność przeniesienia napędu jest nieco niższa niż w przypadku układu równoległego.

Pojazd wyposażony w równoległy hybrydowy układ napędowy dysponuje wyższymi parametrami trakcyjnymi z uwagi na możliwość doprowadzania do kół mocy z obu silników (spalinowego i elektrycznego). W rozwiązaniu tym występuje bardziej skomplikowana skrzynia biegów, jednak nie trzeba stosować dodatkowego generatora elektrycznego.