Prehľad hybridných technológií (diel prvý)

Spaľovací motor alebo elektrický pohon? Riešením je Lexus Hybrid Drive – to najlepšie z oboch svetov!

Začiatky
Myšlienka hybridného pohonu pre automobily nie je žiadnou novinkou. Je stará takmer ako samotný automobil. Na prelome 19. a 20. storočia mal elektrický pohon oproti spaľovaciemu motoru vo svojich parametroch dokonca jednoznačne navrch, avšak karta sa už čoskoro obrátila. Niektoré veľké automobilky sa k myšlienke hybridného pohonu vrátili vo svojich experimentálnych štúdiách hlavne v 70. a 80. rokoch, kedy začínalo byť zrejmé, že si ochrana životného prostredia vyžiada zmenu celkového prístupu ku konštrukcii automobilu a jeho hnacieho ústrojenstva. Priama história systému Lexus Hybrid Drive siaha až do absolútnych prvopočiatkov úvah a prvých testov systémov hybridného pohonu.

Lexus Hybrid Drive
Úspechy prvého sériového plne hybridného vozidla na svete – Toyoty Prius – inšpirovali použitie hybridného pohonu v ďalších modelových radoch značiek Toyota a Lexus. Luxusná divízia Lexus vyvinula pre svoje prémiové automobily vlastný hybridný systém Lexus Hybrid Drive. Ako prvá tak mohla s veľkým predstihom pred ostatnými prémiovými značkami ponúknuť zákazníkom výhody technicky najvyspelejšieho hybridného systému, ktorý sa vyznačuje kombináciou nadštandardnej výkonnosti a významného zníženia spotreby paliva. A tento stav trvá v podstate dodnes, keďže predajcovia japonskej luxusnej značky majú pre svojich klientov pripravené hneď tri špičkové hybridné vozidlá, zatiaľ čo konkurencia až teraz prichádza s prvými pokusmi o výrobu hybridných vozidiel.

Know How
Toyota s Lexusom môže stavať na mnohoročných skúsenostiach z vývoja a výroby hybridných pohonov. Obidve tieto značky predali od konca roku 1997 do januára 2009 na celom svete 1,7 milióna automobilov s hybridným pohonom. Prvým luxusným vozidlom na svete s plne hybridným pohonom sa v roku 2005 stal Lexus RX 400h. O rok neskôr nadviazal na tento pôsobivý crossover prvý, dynamicky ladený luxusný sedan GS 450h. Znova s ročným odstupom nasledovala prvá luxusná limuzína LS 600h s plne hybridným systémom založeným na vidlicovom osemvalci a stálom pohone kolies. Tento rok mala premiéru už druhá generácia hybridných crossoverov RX 450h. Spojenie suverénneho výkonu (220 kW/299 k) a neuveriteľne nízkej spotreby paliva (kombinovaná spotreba predstavuje 6,3 l/100 km, emisie CO2 148 g/km) pri tejto novinke iba potvrdzuje obrovský technický náskok značky Lexus. Bezkonkurenčné postavenie hybridných systémov značiek Toyota/Lexus dokazuje aj skutočnosť, že niektoré automobilky si už kúpili licenciu na ich využitie.

Čo vlastne hybrid znamená?
Čo si však máme predstaviť, keď sa povie hybridné vozidlo? Aj keď v skutočnosti existuje celý rad hybridných systémov, pre každé hybridné vozidlo platí, že má aspoň dva priame alebo nepriame zdroje hnacej sily. V praxi to znamená spravidla spaľovací motor a elektromotor. Vhodnou kombináciou obidvoch týchto agregátov sa dajú využiť ich vrodené prednosti a potlačiť ich nevýhody. Hybridná sústava nemusí mať samozrejme len jeden elektromotor. Na vysoký výkon orientovaný systém Lexus Hybrid Drive používa dva alebo dokonca tri.

Na palube každého hybridného vozidla sa nachádzajú aj dva zásobníky energie v podobe nádrže na kvapalné alebo plynné palivo (najčastejšie benzín) a väčšia či menšia súprava akumulátorov. Súčasťou výbavy hybridu je aj zariadenie na premenu mechanickej energie na elektrickú. Túto funkciu plnia väčšinou elektromotory, ktoré pracujú buď v režime motor (poháňa) či generátor (dobíja akumulátory). Prakticky pri všetkých hybridných systémoch tak zvyšuje účinnosť celého hnacieho ústrojenstva rekuperácia kinetickej energie pri brzdení alebo počas jazdy bez stlačeného plynového pedála. Vďaka tomu nevyžadujú doteraz vyrábané hybridné vozidlá dobíjanie akumulátorov z vonkajšej siete, čo v podstate ani nie je možné vzhľadom na chýbajúcu elektrickú zásuvku. Lexus však pre blízku budúcnosť s tzv. „plug-in hybridmi“ počíta, pretože akumulátory s väčšou kapacitou a vonkajším dobíjaním umožnia používať vozidlo v čisto elektrickom režime EV (Electric Vehicle), bez produkcie priamych emisií, na oveľa dlhšie vzdialenosti, než je to možné pri súčasných systémoch Lexus Hybrid Drive bez dobíjania z vonku.

Rôzne druhy hybridov
Hybridné systémy sa teoreticky rozdeľujú podľa toku výkonu na hybridné systémy sériové, paralelné a zmiešané (sériovo-paralelné). Z hľadiska stupňa elektrifikácie hnacieho ústrojenstva existujú tzv. „mikro hybridy“, „mild hybridy“ a „full hybridy“. Prvky jednotlivých druhov hybridných systémov sa dajú vzájomne kombinovať, aby výsledná hybridná sústava dosahovala požadovaných vlastností.

Sériová hybridná sústava má spaľovací motor, ktorý poháňa len generátor, ale s poháňanými kolesami nie je nijako mechanicky spojený. Takto vyrábaná elektrická energia napája priamo trakčný elektromotor, zatiaľ čo prebytky elektrickej energie sa ukladajú do akumulátorov pre neskoršie využitie. Z toho je zrejmé, že vozidlo je poháňané len elektromotorom a spaľovací motor sa na pohone podieľa len nepriamo. Výhodou je možnosť prevádzkovať spaľovací motor v úzkom rozsahu otáčok, kedy dosahuje najvyššiu účinnosť účinnosti, a vypínať ho v prípadoch, kedy je dostatočne nabitý akumulátor. Nevýhodou sériového usporiadania je okrem strát z viacnásobnej premeny energie (znižuje celkovú účinnosť sústavy) skutočnosť, že systém s vysokým výkonom by musel byť tvorený veľkým a výkonným spaľovacím motorom, ktorý by zaistil dostatočné napájanie elektromotora. Jeho rozmery a hmotnosť by pri zodpovedajúcom výkone taktiež neboli skromné. Je to teda riešenie vhodné len pre relatívne malé vozidlá s menšími nárokmi na výkon.

V paralelnom hybridnom systéme je motor a elektromotor usporiadaný tak, aby sa obidva tieto zdroje mohli spoločne priamo podieľať na pohone vozidla. Paralelný hybrid môže mať oproti sériovému s rovnakým výkonom menší spaľovací motor i elektromotor. Aj tak však paralelný hybridný systém neponúka všetky možné kombinácie pohonu ani takú efektivitu prevádzky, ako sériovo-paralelný systém (viď nižšie v tabuľke).

Technicky najnáročnejší, avšak z hľadiska minimalizácie spotreby paliva a škodlivých emisií najúčinnejšie, sú sériovo-paralelné hybridné sústavy, ktorých skvelým príkladom je systém Lexus Hybrid Drive. Pri tomto systéme rozdeľuje hybridná prevodovka, pozostávajúca z planétového prevodu a dvoch elektromotorov, výkon z jednotlivých zdrojov energie (spaľovací motor, elektromotory). Vďaka tomu môžu hybridné modely Lexus fungovať len v režime spaľovacieho motora alebo samotných elektromotorov alebo ako spojenie oboch. V situáciách, kedy spaľovací motor beží nehospodárne, napr. pri rozjazde a pomalej jazde, poháňa vozidlo len elektromotor a spaľovací motor je vypnutý. Pri normálnej jazde väčšou rýchlosťou optimalizuje riadiaca jednotka účinnosť systému reguláciou podielu výkonu spaľovacieho motora a elektromotora. Prebytok výkonu spaľovacieho motora sa ukladá do akumulátorov pre neskoršie použitie, napr. pri akcelerácii, kedy je činnosť spaľovacieho motora podporená točivým momentom elektromotora. Kedykoľvek nie je pre beh vozidla spaľovací motor potrebný, elektronická riadiaca jednotka ho okamžite vypne. V tomto ohľade je prínosnou novinkou systém rekuperácie tepelnej energie z výfukových plynov, ktorý mal premiéru v novom modeli Lexus RX 450h. Vďaka obehu chladiacej kvapaliny jednotkou za katalyzátorom sa motor ohrieva rýchlejšie na prevádzkovú teplotu, takže ho riadiaca jednotka môže vypínať skorej, častejšie a na dlhšiu dobu.

Jedine „full hybrid“ usporí až 50 % paliva
Systém Lexus Hybrid Drive patrí medzi tzv. „full hybridy“. Toto označenie vyjadruje, že elektrická časť hybridnej sústavy je tak výkonná, že dokáže za istých okolností sama zabezpečovať pohon vozidla, zatiaľ čo spaľovací motor zostáva vypnutý. „Full hybridy“ ponúkajú väčšiu úsporu paliva, ktorá môže dosahovať až 50 % v porovnaní s konvenčným pohonom. Spaľovací motor totiž môže byť výrazne menší, bez toho, aby došlo ku zhoršeniu dynamických vlastností vozidla. Vzhľadom na tom, že elektromotory sú schopné kompletne alebo čiastočne pokryť veľké oblasti prevádzkových podmienok, môže byť konštrukcia spaľovacieho motora upravená pre zvlášť vysokú účinnosť a celý systém nastavený tak, aby motor bežal čo najčastejšie práve v tomto režimu najväčšej hospodárnosti. Lexus napríklad používa v novom modeli RX 450h motor s Atkinsonovým spaľovacím cyklom, ktorý dosahuje vyššiu účinnosť, ale v bežných vozidlách sa nepoužíva kvôli nevhodnému priebehu krútiaceho momentu. Kombináciou s elektromotorom vzniká však ideálne partnerstvo, pretože elektromotor dodáva veľký krútiaci moment presne tam, kde má motor s Atkinsonovým cyklom z hľadiska hnacej sily slabiny. Druhá generácia systému Lexus Hybrid Drive okrem toho ukazuje, že sa postupným vývojom a aplikáciou inteligentných riešení úspešne darí potláčať slabé stránky „full hybridov“ v podobe nárastu hmotnosti a väčšej priestorovej náročnosti hybridnej sústavy na zabudovanie do vozidla. V tomto smere sa očakáva ďalší pokrok od prechodu zo súčasných akumulátorov Ni-MH na výkonnejšie a kompaktnejšie akumulátory Li-Ion.

V polovici cesty, alebo nie je hybrid ako hybrid
Väčšia technická náročnosť „full hybridu“ viedla niektoré automobilky k aplikácii systému zvaného „mild hybrid“. Ako je už z názvu zrejmé, elektrická časť plní iba podpornú funkciu a hlavné bremeno pohonu leží na spaľovacom motore. Elektromotor podporuje spaľovací motor svojím krútiacim momentom počas akcelerácie, zabezpečuje funkciu Start-Stop a umožňuje istú mieru rekuperácie kinetickej energie. Na rozdiel od „full hybridu“ však sám „neutiahne“ pohon celého vozidla. Celá sústava „mild hybridu“ je oveľa jednoduchšia, ľahšia a menšia, avšak menšie sú aj dosahované úspory paliva vo výške cca 15 %, obmedzený je samozrejme aj nárast výkonu, ktorý je pre vodičov prestížnych vozidiel veľmi významnou vlastnosťou.

Z hľadiska vyššie uvedenej definície hybridného vozidla nepatrí „mikro hybrid“ medzi plnohodnotné hybridné systémy pohonu. Jedná sa však o prvý stupeň postupujúcej elektrifikácie hnacieho reťazca sa spaľovacím motorom. Mikrohybridné pohony sú vybavené systémom Start-Stop (kombinácia spúšťača a generátora na kľukovom hriadeli), ktorý zastavuje motor vozidla stojaceho dlhšie než 3 sekundy a okamžite motor znova spustí, hneď ako prejaví vodič prianie opäť sa pohnúť. Malý akumulátor sa navyše dobíja rekuperáciou brzdnej energie, aby sa znížilo zaťaženie spaľovacieho motora počas prevádzky. Tento systém dosahuje úspory paliva v hustej mestskej premávke a v dopravných zápchach rádovo v jednotkách percent.

S hybridom k úspore, ale taktiež aj k väčšiemu komfortu
Hybridné sústavy predstavujú akýsi medzistupeň vo vývoji od automobilov poháňaných konvenčnými spaľovacími motormi k elektromobilom, ktoré budú nezávislé na uhľovodíkových palivách a zabezpečia mobilitu bez priamych emisií. Rovnako ako spaľovacie motory prechádzajú aj hybridné systémy búrlivým technickým vývojom, čo názorne ukazujú jednotlivé generácie hybridného systému Lexus Hybrid Drive. Každá nová generácia je ľahšia, kompaktnejšia, výkonnejšia a predovšetkým hospodárnejšia.

Bez povšimnutia by nemala zostať ani vysoká úroveň komfortu a prívetivosť hybridných vozidiel Lexus. Riadenie je veľmi jednoduché a v podstate sa nijako nelíši od konvenčných vozidiel so samočinnou prevodovkou. Vlastne určité odlišnosti tu sú: hybridné modely Lexus sú ešte komfortnejšie, tichšie a predovšetkým hospodárnejšie než vyhotovenie s klasickým pohonom. Vodič nemusí mať obavy, že by na neho pri riadení hybridného vozidla čakali nejaké komplikácie. Jazdu v hybridných modeloch Lexus si cestujúci naopak ešte viac užijú. A to po všetkých stránkach – aj z hľadiska dynamiky, ktorú ľudia spravidla od ekologického automobilu s nízkou spotrebou nečakajú. Pri hybridných vozidlách Lexus je taktiež jedinečná možnosť cestovať na krátke vzdialenosti (cca 5 km) malými rýchlosťami len v elektrickom režime EV (Electric Vehicle) – úplne bez akýchkoľvek škodlivých emisií a v takmer tichom prostredí luxusne zariadenej kabíny. Stačí len stlačiť príslušné tlačidlo.

Sledovaná hodnota	Spaľovací motor	Micro Hybrid	Mild Hybrid	Full Hybrid (Lexus Hybrid Drive)
Pohon vozidla zabezpečuje	Vozidlo poháňa výhradne spaľovací motor	Spaľovací motor doplňujú technológie zamerané na zníženie spotreby a emisií - napr. stop-start či rekuperácia kinetickej energie	Spaľovací motor doplňuje elektromotor s nízkym výkonom, neponúka výhradne elektrický režim	Pohon je plne variabilný v závislosti na maximálnej účinnosti celého systému. Systém Lexus Hybrid Drive je schopný poháňať vozidlo len za pomoci spaľovacieho motora, výhradné elektromotorom alebo kombináciou obidvoch týchto zdrojov sily
Spotreba paliva a produkcia emisií	Je spravidla úmerná výkonu a objemu	Nižšia hlavne v mestskej premávke vďaka častým zastávkam s vypnutým motorom	Nižšia vďaka podpore elektromotora	Nulová v čisto elektrickom, výrazne nižšia v kombinovanom cykle
Výkon	Je spravidla úmerný objemu či preplňovaniu	Systém ako je napr. „Start-Stop“ neznižuje, ale ani nezvyšuje výkon	Zvýšený, ale výkony a krútiaci moment elektromotorov sú nízke (do 40 kW)	Vysoký výkon vďaka výkonným elektromotorom s vysokým krútiacim momentom (až 165 kW/225 k – Lexus LS 600h)
Len elektrický pohon	nie	nie	nie	áno