Toyota Prius a fost, pentru o bună perioadă de timp, definiția hibridizării. Modelul producătorului japonez a reușit să devină celebru la nivel global și să dea tonul unor schimbări ireversibile la nivelul industriei. Dar apariția mașinilor cu sistem hibrid de propulsie nu a avut loc în 1997, anul lansării lui Prius, ci cu mult mai devreme.
Astăzi, tehnologia le-a permis constructorilor să experimenteze, iar pe piață găsești hibrizi în diferite forme și versiuni: hibrizi în serie, hibrizi în paralel, micro-hibrizi și nu numai.
Din acest material vei afla despre toate sistemele folosite azi în industria auto, dar și despre cum au evoluat ele de-a lungul secolelor.
De la Porsche la restul lumii
Istoria mașinilor hibride începe, așa cum probabil te-ai aștepta, în aceeași perioadă în care mașinile electice și cele cu motoare cu ardere internă și-au făcut apariția și puteau fi văzute în societate. Pe scurt, undeva pe la începutul anilor 1900.
Prima mașină hibridă funcțională a fost proiectată și realizată de nimeni altul decât Ferdinand Porsche, părintele companiei omonime. S-a numit Semper Vivus și fusese dezvoltată în colaborare cu Lohner-Werke, o companie fondată de Jacob Lohner în Austria.
Tehnologia folosită s-a numit “sistemul Lohner-Porsche” și avea aplicații și dincolo de sfera auto. Pentru funcționarea mașinii, Ferdinand Porsche a ales un motor pe benzină cuplat la un generator de energie electrică care alimenta două motoare integrate la nivelul roților. Prezentarea sistemului și a lui Semper Vivus a avut loc în anul 1900, iar versiunea de producție a mașinii s-a numit Lohner-Porsche Mixte.
Totuși, sistemul inventat și patentat de Porsche avea câteva neajunsuri: putere și performanțe reduse, autonomie mică și greutate prea mare. Pe scurt, aceleași probleme pe care și constructorii actuali se chinuie să le dezlege pentru a oferi produse cât mai eficiente și mai bune.
La începutul anilor 1900 au mai existat și alți inventatori care au încercat să ofere sisteme hibrid de propulsie, dar toate au avut soarta lui Lohner-Porsche Mixte.
Inginerii cei mai îndrăzneți au mers pe cartea electrică, însă și acele proiecte au fost refuzate de public. Cea mai la îndemână soluție s-a dovedit a fi, la acea oră, motorul cu ardere internă, iar prin transformarea liniilor de producție pe baza idelilor lui Henry Ford, lumea a început să simtă plăcerea și libertatea oferite de un vehicul. În cazul de față, unul cu motor cu ardere internă.
În 1916, Baker și Woods, doi producători de mașini electrice din SUA, au lansat mașini hibride. Producătorii spuneau că acestea au un consum de 5 litri/100 de kilometri, însă performanțele slabe și prețul mult mai mare decât cel al mașinilor cu motoare cu ardere internă au dus la eliminarea rapidă de pe piață.
Pe la începutul anilor ’30, publicul deja iubea motoarele pe benzină, iar orice încercare de electrificare era sortită eșecului. Proiectele au fost puse în dosare și încuiate în cele mai întunecate arhive.
Primul semnal de alarmă cu privire la poluarea din marile orașe a venit din SUA. În 1966, administrația introduce primele recomandări cu privire la dezvoltarea mașinilor electrice pentru diminuarea poulării apărute în metropole. Doi ani mai târziu, o echipă TRW a prezentat un proiect pentru un sistem de propulsie hibrid. Astăzi, majoritatea modelelor hibride au la bază principiile introduse în 1968 de TRW.
În 1969, americanii nu au arătat lumii doar primul om care a pășit pe Lună, ci și primul concept hibrid al epocii: s-a numit GM 512 și a făcut parte dintr-un trio de vehicule experimentale.
Proiectul General Motors a fost unul amplu și s-a numit Progress of Power. La întâlnirea din mai 1969, americanii au expus 26 de vehicule speciale, iar printre acestea s-au aflat și cele numite 512. GM 512 era disponibil cu motor pe benzină, într-o versiune pur electrică și într-o variantă hibridă.
Aceasta din urmă avea la bază un motor pe benzină cu doi cilindri de 200 de centimetri cubi și un motor electric. Energia necesară funcționării motorului electric era stocată într-un pachet de baterii la 72V, iar pentru accesoriile mașinii GM pregătise o baterie clasică la 12V. Mașina funcționa atât pur electric, cât și într-un mod hibrid (electric+benzină). Bateria se încărca de la surse externe la 115V.
Pe fișa tehnică a conceptului, General Motors anunța o autonomie pur electrică de circa 8 de kilometri la o viteză maximă de 50 km/h. Cu cei aproape 11.5 litri ai rezervorului și cu energia stocată în baterii, prototipul GM putea parcurge o distanță de până la 240 de kilometri.
Producătorii au continuat să experimenteze, iar la începutul anilor ’90 se contura o primă idee cu privire la automobilul cu propulsie hibridă. În Europa, Audi și Volvo au fost companiile care au experimentat în acest sector.
În 1989, Audi lansa prima generație Audi Duo, un hibrid plug-in experimental dezvoltat pe baza modelului 100 Avant. Roțile de pe puntea spate erau acționate de un motor electric produs de Siemens, iar cele de pe puntea față mizau pe resursele unui motor pe benzină de 2.3 litri cu cinci cilindri. Trei ani mai târziu, și Volvo a expus conceptul ECC (Environmental Concept Car) pornind de la platforma lui Volvo 850. Fabricat aproape în totalitate din materiale reciclabile, conceptul suedezilor folosea un motor electric și o turbină cu gaze.
Dar “Războiul rece” al hibrizilor nu a început în Europa, ci în Japonia, între Honda și Toyota. Primul hibrid de serie lansat pe piața niponă a fost Prius, în 1997. Doi ani mai târziu, Honda lansa Insight, un hibrid cu o caroserie cu trei uși și forme aerodinamice extreme.
Piața din SUA a reprezentat punctul de pornire în noua eră a hibrizilor. Deși Honda Insight a ajuns în America de Nord cu câteva luni înaintea lui Toyota Prius, cel de-al doilea a atras publicul și a devenit rapid un best-seller al segmentului hibrid.
În urma succesului înregistrat de Prius, producătorii au început să experimenteze și mai mult, iar astăzi, aproape fiecare constructor are în portofoliu cel puțin un model hibrid.
Câte tipuri de sisteme hibrid există și cum funcționează ele?
Odată cu adoptarea sistemelor hibride în masă, producătorii au vrut să-și lase amprenta asupra tehnologiilor folosite. Iar în acest fel, au apărut mai multe versiuni ale unui sistem hibrid.
În funcție de arhitectura folosită de constructori, hibrizii se împart astăzi în trei categorii mari:
– hibrizi cu sistem de propulsie în paralel
– hibrizi cu sistem de propulsie în serie
– hibrizi cu sistem de propulsie serie-paralel.
În cazul unui model hibrid cu sistem de propulsie în paralel, atât motorul termic (diesel sau benzină), cât și motorul electric pot trimite puterea spre roți în același timp sau pe rând. Cel mai popular exemplu este Toyota Prius.
Pentru hibrizii cu sistem de propulsie în serie, doar unul dintre tipurile de motoare trimite puterea către roți, celălalt fiind utilizat ca sursă de energie. Acest sistem este folosit pe mașinile electrice cu range extender (sau pe românește, un sistem care extinde autonomia mașinii). În loc ca motorul cu ardere internă să pună roțile în mișcare, acesta acționează un generator care produce energie electrică stocată în baterii și utilizată ulterior de motorul electric. BMW i3 în varianta cu range-extender este un exemplu pentru acest tip de sistem hibrid.
Hibrizii cu sistem de propulsie serie-paralel folosesc o tehnologie capabilă să comute tipul de funcționare între cele două moduri explicate anterior. Honda folosește un sistem de acest tip pe noile modele hibrid Jazz, HR-V și CR-V. La baza sistemului hibrid folosit de Honda se află un motor cu ardere internă care este asistat de un motor electric. În plus, tehnologia japonezilor folosește și un generator.
În mod normal, motorul electric este cel care pune roțile în mișcare, însă bateria mică folosită de Honda trebuie reîncărcată. În acest moment intervine motorul termic care acționează generatorul, iar astfel este produsă energia electrică necesară motorului electric. O parte din energie este folosită direct de motor, iar surplusul merge către baterii. În acest mod de lucru, motorul cu ardere internă va funcționa pe o plajă optimă de turații, ceea ce înseamnă un consum mic de carburant.
Când sistemul inteligent folosit de Honda consideră că rularea poate fi eficientă doar cu motorul cu ardere internă, generatorul și motorul electric sunt oprite, iar propulsorul pe benzină pune roțile în mișcare. În cazul în care apare surplus de energie, aceasta va fi trecută prin generator și transformată în energie electrică.
Pe scurt, un sistem hibrid de propulsie folosește două tipuri de surse de energie pentru a pune mașina în mișcare: o sursă care funcționează cu combustibili fosili și una care are la bază energia electrică.
Pentru a putea funcționa, un hibrid are nevoie de o baterie în care să fie stocată energia electrică. Iar în funcție de modul în care aceste baterii se încarcă, hibrizii se împart în mai multe categorii.
Ce este un Mild Hybrid?
În prezent, una dintre cele mai populare soluții întâlnită la nivel global se numește mild-hybrid. Vorbim despre o formă hibridă de bază, nu despre un hibrid 100% capabil să funcționeze și pur electric.
În locul unui motor electric suplimentar, sistemele mild-hybrid folosesc un starter-generator și o baterie cu o capacitate foarte mică. Tehnologia poate recupera energia la frânare și poate asista motorul termic în anumite condiții (la pornirea de pe loc sau la viteze de croazieră). Pentru a limita modificările de ordin tehnic la nivelul structurii clasice a unei mașini cu motor cu ardere internă, producătorii folosesc o baterie clasică cu un voltaj mai mare (24V sau 48V în loc de 12V) dedicată acestui starter-generator.
Ce este un Full Hybrid?
A doua categorie este cea a hibrizilor clasici, fără încărcare la priză. În literatura de specialitate îi vei întâlni și sub numele de Full Hybrid sau Strong Hybrid. În acest caz, bateria folosită de producători este mai mare și poate asigura o rulare pur electrică pe o distanță scurtă (câțiva kilometri). Bateria nu poate fi alimentată de la o sursă externă, iar încărcarea ei are loc fie cu ajutorul motorului termic, fie prin energia recuperată la frânare.
Ce este un Plug-in Hybrid?
A treia categorie se numește hibrid cu încărcare la priză (plug-in hybrid, PHEV). Este una dintre cele mai noi tehnologii adusă în producția de serie și, totodată, cea mai avansată metodă de integrare a sistemului hibrid. Prin natura lor, hibrizii plug-in folosesc o baterie cu o capacitate mai mare decât cea a hibrizilor clasici care asigură o rulare pur electrică de câteva zeci de kilometri. Dar cea mai mare diferență constă în faptul că bateria unui PHEV poate fi încărcată de la o sursă externă de curent.
La fel ca în cazul unui hibrid clasic, bateria unui PHEV se poate reîncărca și prin asistența motorului cu ardere internă sau în momentul frânării, doar că ceva mai lent (pentru că este mai mare). Tot ca un hibrid clasic, sistemul PHEV poate funcționa fie 100% electric – dar pe distanțe mai lungi, grație bateriei mai mari, fie 100% termic.
Ultima categorie este cea a mașinilor electrice cu range extender. Principiul de bază al funcționării acestui vehicul este cel al unei mașini electrice: o baterie cu capacitate mare care poate fi încărcată de la o priză și un motor electric de putere mare.
Dar, spre deosebire de un model pur electric, acest tip de vehicul folosește și un motor cu ardere internă de clindree mică. Acesta nu va acționa roțile niciodată, însă energia produsă de acesta va fi transformată în energie electrică și stocată în baterii.
Pentru a înțelege că piața auto europeană se transformă și urmează direcția către electrificare, dintre cele aproape 6.5 milioane de mașini noi înmatriculate în prima jumătate a anului 2021, peste 1.8 milioane sunt trecute în dreptul modelelor hibrid (mild-hybrid, full-hybrid sau plug-in hybrid).
Ca punct de comparație, în prima jumătate a anului trecut, dintre cele 5.1 milioane de mașini înmatriculate în Europa, doar 700.000 erau hibride.
