Jak działa napęd hybrydowy szeregowy i równoległy oraz jakie zasady kryją się za ich działaniem, to pytania, na które postaramy się odpowiedzieć w poniższym artykule.

Podstawowe zasady działania napędu hybrydowego

Napędy hybrydowe łączą dwa źródła energii: silnik spalinowy i silnik elektryczny. Ich celem jest osiągnięcie lepszej efektywności zużycia paliwa, redukcja emisji spalin oraz poprawa elastyczności pracy układu napędowego. W głównej mierze konstrukcje hybrydowe opierają się na tych samych zasadach termodynamiki i mechaniki samochodowej, co klasyczne jednostki spalinowe, jednak istotna część mocy pochodzi z baterii i układów elektrycznych. Wyróżniamy dwa główne typy takiego napędu:

• napęd szeregowy,
• napęd równoległy.

W obu rozwiązaniach zadaniem układu hybrid jest zarządzanie przepływem energii między silnikiem spalinowym, modułem elektrycznym, układem przełożeniowym oraz magazynem energii. Ważnym elementem jest również układ regeneracja energii podczas hamowania, który pozwala na odzyskanie części energii kinetycznej w celu ponownego zasilenia baterii.

Architektura napędu szeregowego

W układzie szeregowym główną rolę odgrywa silnik elektryczny. W tej konfiguracji to on napędza koła pojazdu, a silnik spalinowy pracuje wyłącznie jako generator prądu. Podczas przyspieszania i jazdy o umiarkowanym obciążeniu energia z baterii jest przekazywana do modułu elektrycznego, który wytwarza moment obrotowy. Gdy poziom naładowania spadnie poniżej granicy krytycznej, jednostka spalinowa uruchamia się i napędza generator, aby doładować akumulatory.

Zalety napędu szeregowego

• Prosta mechanicznie konstrukcja, brak skomplikowanej skrzyni biegów.
• Możliwość optymalizacji pracy silnika spalinowego w wąskim zakresie obrotów.
• Lepsza sterowalność systemu napędowego, precyzyjne dostarczanie momentu obrotowego.

Wady napędu szeregowego

• Straty energetyczne związane z przetwarzaniem energii mechanicznej na elektryczną i z powrotem.
• Wysokie wymagania dotyczące pojemności baterii i wydajności układu ładowania.
• Ograniczona dynamika przy dużych prędkościach ze względu na konieczność przesyłu energii elektrycznej.

Układ szeregowy jest często stosowany w autobusach i samochodach ciężarowych, gdzie liczy się stabilność pracy oraz możliwość pracy jednostki spalinowej w optymalnych warunkach termodynamicznych.

Architektura napędu równoległego

W przypadku napędu równoległego obydwie jednostki – silnik spalinowy i silnik elektryczny – mogą napędzać koła pojazdu niezależnie lub wspólnie. Energia z baterii zasila silnik elektryczny, który współpracuje z jednostką spalinową poprzez wspólną przekładnię lub sprzęgło. W zależności od warunków jazdy i strategii zarządzania, system może pracować w trzech trybach:

• ćzysto elektrycznym (jazda w strefach zeroemisyjnych),
• tylko spalinowym (długie trasy, wysokie obciążenie),
• hybrydowym (maksymalna moc i optymalizacja zużycia paliwa).

Zalety napędu równoległego

• Wysoka elastyczność i możliwość uzyskania dużej mocy – silniki łączą momenty obrotowe.
• Lepsza dynamika przy przyspieszaniu dzięki wzajemnemu wsparciu jednostek napędowych.
• Możliwość rekuperacji energii przy hamowaniu i zwalnianiu pojazdu.

Wady napędu równoległego

• Większa komplikacja mechaniczna i sterująca – wymaga zaawansowanej technologia komputerowej.
• Wyższe koszty produkcji i serwisu ze względu na złożoność układu.
• Ograniczona praca jednostki spalinowej w punkcie maksymalnej efektywności – trudność w optymalnym doborze parametrów pracy.

Zalety i wyzwania technologii hybrydowej

Popularność napędów hybrydowych wynika z rosnących wymagań dotyczących ochrony środowiska, efektywności paliwowej oraz ograniczenia emisji CO₂. Technologie hybrydowe łączą w sobie najlepsze cechy układów spalinowych i elektrycznych:

• Regeneracja energii podczas hamowania, co zmniejsza straty kinetyczne.
• Możliwość jazdy w trybie elektrycznym w miastach, gdzie emisja spalin jest zakazana.
• Zredukowane zużycie paliwa dzięki wsparciu silnika elektrycznego podczas ruszania i przyspieszania.

Wyzwania dotyczą natomiast:

• Kosztownych baterii o dużej pojemności i żywotności.
• Konieczności chłodzenia i zarządzania termicznego dwóch odmiennych układów napędowych.
• Złożonych algorytmów sterowania, które muszą w czasie rzeczywistym optymalizować pracę obu jednostek.

Mimo to wielu producentów rozwija kolejne generacje układów hybrydowych, wprowadzając coraz bardziej zaawansowane rozwiązania, takie jak napęd plug-in hybrid czy hybrydy o podwyższonej mocy generowanej z ogniw paliwowych.