KURZUS: Járművek

MODUL: Hibrid járművek

2. lecke: Személygépjárművek hibridizáltsági foka

| Cél: A tananyag célja, hogy a hallgató ismerje meg a jelenleg alkalmazott hibrid technológiákat, azok legfontosabb jellemzőit, alapelveit.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes
megfogalmazni a micro hibrid járművek működésének elvét felsorolni a micro hibrid autókba épített villamos motorok legfontosabb tulajdonságait meghatározni a mild hibrid járműtechnológia jellemzőit ismertetni a mild hibridek elektromos motorjának és akkumulátorrendszerének paramétereit megfogalmazni a full hibrid meghajtásrendszer sajátosságait kifejteni a Toyota Full Hybrid System Drive működésének tulajdonságait meghatározni a plug-in hibrid járművek előnyeit a full hibrid gépkocsikkal szemben jellemezni a Toyota Prius Plug-in Hybrid modell lényeges paramétereit a meghajtásrendszert illetően
Időszükséglet: A tananyag feldolgozásához 150 perc szükséges, a tevékenységek és az önellenőrző kérdések megválaszolására, további 120 percet javaslunk fordítani.
Kulcsfogalmak
micro hibrid mild hibrid full hibrid plug-in hibrid villamos motor akkumulátor kondenzátor generátor BMS - Battery Management System vitorlázó üzemmód DC-DC konverter SOC - State of charge
1. Hibrid járművek szükségessége
Jegyezze meg a belső égésű motorral szerelt személyautók magas fogyasztásának és magas károsanyag-kibocsátásának fő okait, illetve a hibrid járművek jelentőségét!
A belső égésű motorral rendelkező személygépjárművek kiváló teljesítményt és hosszú hatótávolságot biztosítanak a nagy energiasűrűségű üzemanyagaiknak köszönhetően. Az ilyen típusú erőforrások azonban rendkívül alacsony hatásfokkal üzemelnek, ezáltal magas fogyasztással rendelkeznek, így jelentős mennyiségű károsanyagot juttatnak a környezetbe a működésük során. A jókora fogyasztásnak és károsanyag-kibocsátásnak alapvetően 3 fő oka van, amely már régóta problémát okoz az autóiparnak és az üzemeltetőknek egyaránt:
A sebességváltók alacsony részterhelési hatásfokkal működnek. A belső égésű motor hatásfoka alacsony és üzemi tartománya kedvezőtlen hatásfokmezőben található. A fékezéskor keletkező kinetikus energia visszanyerésére nem alkalmaznak semmilyen technológiát, amely által rengeteg energiát pazarolnak el a belső égésű motorral rendelkező gépkocsik.
A fenti jellemzőket az elmúlt évtizedek alatt folyamatosan optimalizálták, azonban az évről-évre szigorodó környezetvédelmi előírások következtében elkerülhetetlenné vált különböző teljesítményű villanymotorok beépítése a modern autókba. Az emissziós normákon keresztül szépen lassan ellehetetlenítik a tisztán benzines vagy dízel meghajtások alkalmazását. A teljesen elektromos járművek alacsony hatótávolsága, valamint magas ára miatt jelenleg a piacon a gyártók egyre inkább a hibrid személygépkocsikat helyezik előtérbe és népszerűsítik az ügyfeleik körében, amelyek két erőforrást alkalmaznak, azonban még így is lényegesen kedvezőbb az áruk a teljesen elektromos meghajtású változatokhoz képest. Legnagyobb mértékben a full és plug-in hibridek kombinálják a belső égésű és a villanymotor kedvező sajátosságait és igyekeznek mérsékelni az egyes meghajtási módok külön-külön jelentkező hátrányos ismérveit. Az elektromos erőforrás biztosítja az energiatakarékosabb és költséghatékonyabb üzemelést, miközben a belső égésű motor által a vásárló rendelkezésére áll a megszokott hosszú hatótávolság.
2. Micro hibrid technológia
Ismerje meg a micro hibrid személygépjárművek működési jellemzőit, a beépített villanymotor teljesítményét és akkumulátorának paramétereit, illetve a Citroen e-HDi technológia tulajdonságait!
A micro hibrid típusú gépkocsik a legkisebb hibridizáltsági fokkal rendelkező járművek. A hibridizáció mértéke a következő összefüggéssel számítható:
Hibridizáció mértéke= Villanymotor teljesítménye Belső égésű+ villanymotor teljesítménye ⋅100
A micro hibridek esetén a hibridizáció szintje kevesebb, mint 5%.
A beépített villamos gépet a motor főtengelyéről ékszíj segítségével hajtják meg, amelynek előnye a nagyobb generátoros teljesítmény. A hagyományos generátorral szemben indítómotorként is tud működni, amelynek eredményeképpen megalkották a Start/Stop rendszert. A technológia a piros lámpánál leállítja a belső égésű motort, ilyenkor a sebességváltó üres állapotban van, az ABS jeladó zéró jelet ad, illetve az akkumulátor töltöttsége ideális szinten van, majd, amikor a vezető a tengelykapcsolót benyomja és felengedi a fékpedált a motor automatikusan újraindul, ezzel mérsékelni tudják az üzemanyag-fogyasztást és a károsanyag-kibocsátást. Az elektromos gépet tulajdonképpen a generátor és az indítómotor helyett veszik igénybe a tervezők, az ékszíjhajtás viszont korlátozza a villamos motor teljesítményét. A legnagyobb különbség a micro és mild HEV változatok között, hogy a micro hibridek elektromos motorja nem képes nyomaték leadására, a legtöbb esetben csak a személygépjármű indítási és leállítási feladatainak elvégzésére használják, valamint a szervofék, szervokormány, légkondicionáló és számos elektromos energiával üzemelő berendezés működtetésére alkalmazzák. A belső égésű motor leállítása ellenére a villamos erőforrásnak köszönhetően álló motor esetében is rendelkezésre állnak a kényelmi funkciók és a biztonságért felelős rásegítések és berendezések.
A beszerelt villamos motornak az alábbi üzemmódjait különböztetjük meg:
Alacsony mértékű fékenergia visszatáplálás az akkumulátorba. Start-Stop üzemmód: A belső égésű motor álló helyzetben történő leállítása és gyorsindítása a fékpedál felengedésekor. Klimatizálás: A légkondicionáló üzemelése álló motornál.
A jármű és a belső égésű motor gyakorlatilag változatlan a hagyományos kialakításhoz viszonyítva. A meghajtási mód által nagyságrendileg 5-10%-os fogyasztás- és CO2-kibocsátás csökkenés biztosítható. A károsanyag-kibocsátás mérséklődés alapvetően a következő kettő tulajdonságnak köszönhető: rövidebb és gyorsabb indítási folyamat, valamint álló gépkocsinál a katalizátor kevésbé hűl ki, mert nincs a katalizátorban gázáramlás.
A villanymotor teljesítménye ennél a megoldásnál maximum 5 kW. A micro hibrid személyautóknál 2 lehetőség van: egyes gyártók csak egy hagyományos 12 V-os akkumulátort alkalmaznak, amelynek előnye, hogy olcsó és régóta bevált az autóiparban, míg mások egy emelt kapacitású ólom-savas akkumulátort (48 V-os) szerelnek be. Mindkét esetben megvalósítható a Start/Stop funkció. A 48 V-os rendszer segítségével azonban lehetőség van nagyobb mértékű fékezési energia visszanyerésére rövid idő alatt. A DC/DC konverterek biztosítják a 48 V-os architektúra problémamentes működését. A micro hibridek előnyei más hibrid rendszerekkel szemben, hogy érintésvédelem szempontjából kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkeznek, ezáltal kevésbé veszélyesek közúti balesetek bekövetkezése esetén.
a) Micro hibrid jármű (12 V-os rendszer); b) Micro hibrid jármű (48 V-os rendszer)
1. ábra
Forrás: Daniel S. Cardoso, Paulo O. Fael, Antonio Espirito-Santo: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235248471930592X
Citroen e-HDi technológia (Berlingo, Jumper, C3, Grand C4)
Álló helyzetben vagy lassításkor - 8 km/h alatt - a vezérlés leállítja a belső égésű motort. A gyártó tájékoztatása szerint egy indítás 3 s alapjárati működésnek megfelelő mennyiségű üzemanyagot igényel, így ennél hosszabb idejű állás esetén megtakarítás érhető el. Az újraindításért egy megfordítható üzemmódú (Starter-Alternator Reversible System) indítógenerátor a felelős, amely 0,4 s alatt indítja a motort. Járó motornál tölt, míg fékezéskor biztosítja a mozgási energia visszatáplálását. A generátor töltése terheléstől függően módosul, így motorféküzemben a hagyományos generátornál nagyobb mértékben, míg nagy motorterhelésnél csökkenti a töltés arányát. Az akkumulátor önmagában nem mindig tudna töltést felvenni, ezért egy nagy kapacitású kondenzátort (ultrakapacitást - UCAP) alkalmaznak, amely indításkor maximum 5 V többletfeszültséget szolgáltat.
Citroen e-HDi technológia
2. ábra
Forrás: http://citroeny.cz/nove-c4-picasso-3-dil-motor-e-hdi-a-etg6/
3. Mild hibrid járművek tulajdonságai
Jegyezze meg a mild hibrid személyautók működésének tulajdonságait, a beépített elektromos gép teljesítményét és akkumulátorának jellemzőit, illetve a Volvo és Audi mild hibrid rendszerének alapvető sajátosságait!
Mild hibrid gépkocsik esetén a hibridizáció mértéke nagyságrendileg 10%, tehát az elektromos erőforrás teljesítménye 10 százaléka a belső égésű motor teljesítményének.
A beszerelt villamos gép a forgattyús tengelyhez közvetlenül kapcsolódik, amely indítómotorként és generátorként is működik. Az elektromos motor még az üzemanyag befecskendezése előtt indítja el vagy zöld lámpánál a Start/Stop funkció üzemelése esetén indítja újra a belső égésű motort. A funkció fogyasztás- és károsanyag-kibocsátás csökkenést eredményez. A megoldás egyik előnye, hogy nincs szükség ékszíjra, amelynek elhagyása a meghajtás megbízhatóságát növeli. A mild HEV változatok villanymotorja - szemben a micro hibridekkel - képes nyomaték leadására, így 200-250 Nm közötti nyomatékot szolgáltat a rendszer számára. Fontos kiemelni azonban, hogy ezek a típusú hibrid autók, még nem képesek tisztán elektromos közlekedésre, csak segítik a belső égésű erőforrást a jármű meghajtásában, ezáltal kisebb igénybevételnek van kitéve, így energiamegtakarítás biztosítható.
A beépített elektromos gép a következő üzemmódokban üzemelhet:
A hagyományos gépkocsikkal szemben nagyobb indítónyomaték áll rendelkezésre. Mild hibridek esetén gyorsításkor alacsony mértékű rásegítés érhető el. A micro hibrideknél jelentősebb mértékű fékezési energia visszanyerés a 48 V-os akkumulátorba vagy kondenzátorba a kialakítástól függően. Torziós lengések csillapítása.
A micro hibrid technológiához hasonlóan az elektromos berendezések ebben az esetben is működőképesek maradnak a belső égésű motor leállítása után is. Az autó menettulajdonságaira rendkívül kedvező hatással van a beszerelt villamos erőforrás:
Dinamikusabb gyorsulás garantálható a rásegítés következtében. Halkabb, egyenletesebb üzemelés érhető el.
Az elektromos motor akár 15-20%-os fogyasztás- és károsanyag-kibocsátás mérséklődést is eredményezhet mild hibrid személygépjárművek esetén, amelyet a használati szokások befolyásolnak leginkább (városi vagy autópályás közlekedés). A károsanyag-kibocsátás csökkenés főként az alábbi kettő jellemzőnek köszönhető: rövidebb és gyorsabb indítási folyamat, valamint álló gépkocsinál a katalizátor kevésbé hűl ki, mert nincs a katalizátorban gázáramlás.
A villanymotor ebben az esetben 10-20 kW közötti teljesítményt tud biztosítani. Az elektromos erőforrás lehet állandó mágneses szinkronmotor vagy indukciós motor, valamint kapcsolt reluktancia motor (SRM). A hatékonyság, vezérelhetőség és robusztusság miatt a kapcsolt reluktancia (SRM) típus a leggyakrabban használt megoldás. A hibrid rendszert elsősorban az emissziós normák teljesíthetősége, valamint költség- és energiamegtakarítás érdekében veszik igénybe a gyártók, tervezők, azonban másik fontos előnye, hogy a villamos gépnek köszönhetően a turbófeltöltéses motorokhoz hasonló menettulajdonságok állnak a vezető rendelkezésére - természetesen a beépített elektromos motor teljesítményétől függően, kisebb üzemanyag-fogyasztás és károsanyag-kibocsátás mellett, így a jövőben a turbós rendszerek akár teljes egészében helyettesíthetők lesznek az "új" megoldással. A mild hibrid személygépjárművek magas feszültségen (100-200 V) is képesek üzemelni, azonban biztonsági okokból az esetek többségében 48 V-os elektromos rendszert alkalmaznak a gyártók. Egy DC-DC konverter és egy akkumulátor felügyeleti rendszer (BMS - Battery Management System) segítségével biztosítják a töltöttség megfelelő szintjét (SOC). A mild - enyhe - hibridek esetében ultrakondenzátorokat vagy lítium alapú akkumulátorokat használnak. A lítium-ion energiatárolókat részesítik előnyben az elfogadható élettartamuk (az optimális töltés-kisütés által körülbelül 10 évig nem csökken lényeges mértékben a kapacitásuk), jó fajlagos teljesítményük (1 800 W/kg) és megfizethető áruk miatt. A lítium-titanát-oxid akkumulátorok ugyan kedvezőbb fajlagos teljesítménnyel (3000-5100 W/kg) és hosszabb élettartammal (akár 20 év) rendelkeznek, de a magas költségük miatt ritkán választják az autógyártók.
a) Mild hibrid gépkocsi 1 elektromos motorral; b) Mild hibrid gépkocsi 2 villanymotorral
3. ábra
Forrás: Daniel S. Cardoso, Paulo O. Fael, Antonio Espirito-Santo: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235248471930592X
Volvo mild hibrid járműtechnológia
A mild hibrid Volvo gépjárművek a fékezés során visszanyert energiával töltenek egy 48 V-os akkumulátort, amellyel a belső égésű erőforrást segítik a gépkocsi meghajtásában, ezáltal gazdaságosabb közlekedést és finomabb vezetési élményt kínálva a tulajdonosoknak. Az elektromotor maximális teljesítménye 10 kW. Az összegyűjtött energiával az elindulást és a belső égésű motor beindítását is támogatja a rendszer. A Volvo tájékoztatása szerint a mild hibrid hajtásláncai esetén alkalmazott mozgási energiát visszatápláló fékrendszere a jelenlegi fejlett, belső égésű motorokkal párosítva akár 14%-os üzemanyag-fogyasztás és károsanyag-kibocsátás mérséklődést képes biztosítani valós használati körülmények között. A technológia mellett szól, hogy olcsóbb, tehát megfizethetőbb a full hibrid és plug-in hibrid változatoknál, azonban ez a technológia is jelentős megtakarítást eredményezhet.
2021-ben a következő Volvo személyautókhoz érhető el a mild hibrid meghajtásrendszer: S60, S90, V60, V90, XC40, XC60, XC90.
Volvo mild hibrid
4. ábra
Forrás: https://vol.federalcars.cz/novinky/nabidka-vybavy-pro-volvo-xc90-motory
Volvo S90
5. ábra
Forrás: https://volvocars.club/showthread.php/230-Foto-novogo-S90
Audi mild-hibrid rendszer
A kidolgozott megoldásban egy vízhűtéses szíjhajtású indítógenerátor (Riemen-Starter-Generator) van kombinálva egy lítium-ion akkumulátorral és a benne tárolt energia felhasználásának köszönhetően az eddigi modelleknél még dinamikusabb gyorsítási tulajdonságokkal és takarékosabb működéssel rendelkeznek az új technikával felszerelt személygépjárművek. A generátort a motortérben, míg az akkumulátort a csomagtartóban helyezték el. A szíjhajtású indítógenerátort egy nagy teherbírású bordásszíj köti össze a főtengellyel. A négyhengeres belső égésű erőforrások 12 V feszültségű hálózattal, míg a hathengeres belső égésű gépek 48 V-os feszültségű rendszerrel üzemelnek. A 48 V-os hálózat egy DC/DC átalakító által kapcsolódik a 12 V-os fedélzeti rendszerhez. A generátor fékezéskor képes akár 12 kW teljesítmény visszatáplálására, alacsony fordulatszám melletti gyorsításnál pedig segíti a belső égésű motort, így az erőforrás kisebb igénybevételnek van kitéve, ami a fogyasztás- és a károsanyag-kibocsátás csökkenését eredményezi. A technológia a már hagyományosnak mondható Start/Stop funkció mellett képes akár menet közben is leállítani (maximum 40 másodpercre), majd újraindítani a belső égésű motort 55 és 160 km/h sebesség között vitorlázó üzemmód, ami akkor aktiválódik, ha a gépjárművezető elemeli a lábát a gázpedálról. Az Audi új mild-hibrid (MHEV) motorváltozataival 100 kilométerenként akár 0,7 l üzemanyag-fogyasztás mérséklődés is realizálható, azonban ennél is fontosabb cél az emissziós normáknak való megfelelés biztosítása. 2021-ben az alábbi Audi gépkocsik rendelhetők mild hibrid hajtáslánccal: A3, A4, A5, A6, A7, A8, Q3, Q5, Q7, Q8.
Audi Mild hibrid rendszer
6. ábra
Forrás: https://www.thedrive.com/new-cars/18861/this-is-the-2019-audi-a6-an-audi-sedan-by-the-numbers
4. Full hibrid meghajtási mód
Ismerje meg a full hibrid meghajtásrendszert, a beszerelt villamos erőforrás teljesítményét, valamint a Toyota Full Hybrid System Drive működési elvét!
Full hibrid személygépjárművek esetén a hibridizáció szintje legalább 40%, tehát az elektromos motor biztosítja a rendelkezésre álló teljesítmény legalább 40%-át. A meghajtás kialakítását tekintve soros, párhuzamos (fordulatszámösszegző, nyomatékösszegző, vonóerőösszegző) és soros-párhuzamos hajtásrendszerű típusok léteznek.
A full hibridek képesek akár akkumulátorról, akár belső égésű erőforrásról, akár mindkettővel egyszerre meghajtva haladni. A lehetőségeket mérlegelve egy számítógép választja ki a hajtási módot, de bizonyos típusoknál a vezető is dönthet a sportos, gazdaságos vagy a közlekedési torlódásra finomított algoritmusok közül. Egy differenciálművel van lehetőség szabályozni az egyes motorokból származó teljesítmény részarányát. A legnagyobb különbség a micro és mild hibridekhez képest, hogy az autó teljesítményigényétől függően a villamos gép működhet önálló energiaforrásként a gépkocsi meghajtásához, tehát a full hibrid járművek alkalmasak teljesen elektromos közlekedésre. Az emissziómentes utazás azonban csupán néhány kilométerig tarthat az akkumulátor korlátozott kapacitása miatt, viszont érdemes megemlíteni, hogy ezt a technológiát elsősorban nem erre az üzemre fejlesztették ki. A villany- és belső égésű erőforrás együttes működésével kívánták mérsékelni az üzemanyag-fogyasztást és károsanyag-kibocsátást. A hagyományos motorokhoz, valamint a micro és mild hibridekhez viszonyítva általában lényegesen kisebb teljesítményű belső égésű motorokat használnak a full hibridekhez az autóipari vállalatok a villamos gép paraméterei következtében, így ezekhez a rendszerekhez precízebb és bonyolultabb energiagazdálkodási beállítások szükségesek.
A beszerelt elektromos erőforrásnak az alábbi üzemmódjait különböztetjük meg:
A nagyobb feszültségű és kapacitású akkumulátorrendszer néhány kilométerre elegendő villamos meghajtást, emissziómentes közlekedést biztosít a gépkocsi számára. A tisztán benzines vagy dízel személygépjárművekhez viszonyítva jelentősebb indítónyomaték érhető el a full hibrid típusoknál. Lengéscsillapítóként is működhet - Torziós lengések csillapítása. A mild hibrid autókhoz hasonlítva erőteljesebb rásegítés áll rendelkezésre gyorsításkor. A micro és mild hibridekkel szemben nagyobb mértékű fékezési energia visszatáplálására van lehetőség a nagyfeszültségű akkumulátorba.
A villanymotor segítségével, full hibrid gépkocsik esetén akár 30 - 50 %-os fogyasztás- és károsanyag-kibocsátás csökkenés is elérhető, amelyet az üzemeltetési szokások határoznak meg a legnagyobb mértékben (városi vagy autópályás közlekedés). A károsanyag-kibocsátás mérséklődését valójában a következő három funkció eredményezi:
Teljesen elektromos üzemmód lehetősége 0 lokális CO2-kibocsátás mellett. Rövidebb és gyorsabb indítási folyamat. Álló gépkocsinál a katalizátor kevésbé hűl ki, mert nincs a katalizátorban gázáramlás.
Természetesen ahány gyártó, annyiféle megoldás, azonban az elektromos motor teljesítményének szükséges nagyobbnak lennie, mint 20 kW-nak, viszont az esetek többségében nagyságrendileg 50 kW teljesítményt szolgáltat. Nagyfeszültségű hibrid technológiának is nevezik, hiszen többnyire 200-350 V a rendszer feszültsége. Az akkumulátor hosszú élettartamának biztosítása érdekében egy központi számítógép állandóan monitorozza az akkumulátor töltöttségi állapotát és folyamatosan egy optimális értéken tartja. A rendelkezésre álló kapacitás megőrzéséhez nagyon fontos, hogy sohasem szabad teljesen feltölteni, illetve teljesen lemeríteni az akkumulátorokat, mert így nagy igénybevételnek vannak kitéve, ami hátrányosan befolyásolja az élettartamukat. A mobiltelefon és notebook akkumulátorok ennek a folyamatnak köszönhetően veszítenek jelentősen kapacitásukból néhány év alatt. Az autóipar ezt igyekszik elkerülni ideálisabb töltésvezérléssel.
Toyota Full Hybrid System Drive
Lexus RX450h full hibrid hajtáslánc
7. ábra
Forrás: https://www.heffner.ca/lexus/hybrid/
A Toyota 1997-ben mutatta be az első sorozatgyártású full hibrid technológiával felszerelt személyautóját, az 1. generációs Priust. 2005-ben megérkezett az SUV szegmens első hibrid modellje a Lexus RX400h, míg 2010-ben az első kompakt kategóriájú hibrid a Toyota Auris, 2012-ben pedig az úgynevezett B szegmensben megjelent elsőként a piacon a Yaris Hybrid és a máig népszerű Prius 7 üléses változata.
A Toyota/Lexus azt a technológiát nevezi full hibrid hajtásrendszernek, ahol a gépjárműben a benzinmotor és az elektromos erőforrás egyaránt rendelkezésre áll a meghajtáshoz, továbbá a hajtott kerekek és a villamos gép között nincsen tengelykapcsoló (sem hidrodinamikus tengelykapcsoló, sem egy-, vagy többtárcsás kuplung). Az elektromos motor folyamatosan hajt és lassításkor, illetve fékezéskor a keletkező energiát visszatölti az akkumulátorokba, valamint a töltöttségi állapot függvényében a töltésben a generátorként is üzemelő belső égésű erőforrás is közreműködik. A beépített inverter feladata vezérelni a villamos áram áramlását az akkumulátorokba és az akkumulátorokból, illetve a jobb energiahatékonyság eléréséhez az inverter folyamatosan módosítja az elektromos motorba juttatott feszültséget. Az inverter segítségével a Toyota full hibrid személyautóiban a légkondicionáló a benzinmotor beindítása nélkül is működőképes marad. A meghajtásról gondoskodhat önállóan a belső égésű erőforrás vagy a villamos gép, továbbá a kettő együttesen is. Elinduláskor és parkolásnál általában csak az elektromos motor dolgozik, a benzinmotor bekapcsolódása a hajtásba a töltöttségi állapottól függően változik, de feltöltött akkumulátorokkal 50 km/h sebesség és 2 km elektromos hatótáv is elérhető csak a villamos erőforrás által (EV üzemmód). Alacsony, állandó sebesség esetén mindkét motor üzemel, kiegészítve egymás teljesítményét (ECO - gazdaságos üzemmód). Teljesen lenyomva a gázpedált mindkét erőforrás a legmagasabb fordulatszámon működik a legjobb teljesítmény biztosításához (POWER üzemmód). Az alapértelmezett üzemmód a NORMAL, amelynél a számítógép a legalacsonyabb fogyasztást igyekszik tartani a vezető által megkívánt teljesítmény garantálása mellett. Hosszú ideig tartó autópályás közlekedés során a belső égésű motor gondoskodik a meghajtásról, az elektromos gép nem vesz részt benne.
A mérsékeltebb üzemanyag-fogyasztás és károsanyag-kibocsátás mellett egy hibrid jármű szervizköltségei is kisebbek, hiszen nincsen beszerelve kettős tömegű lendkerék, kuplung, generátor, önindító, ékszíj. A hagyományos gépkocsikhoz viszonyítva a fékbetétek, féktárcsák élettartama is hosszabb az erőteljesebb motorfékhatásnak köszönhetően. A Toyota hibrid rendszere rendszerint a megbízhatósági teszteken is előkelő helyen szerepel.
Toyota Full Hybrid System Drive - akkumulátor
Az energia tárolásához alkalmazott akkumulátor típusa nikkel-metál hidrid (Ni-MH) vagy Lítium-ion. A Toyota sokáig előszeretettel használta az autóiban a nikkel-metál hidrid akkumulátorokat, azonban újonnan áttért a Lítium-ion alapú megoldásra (Új Yaris Hybrid), mivel az utóbbi években sok fejlesztést végeztek ezen a technológián a gyártók a hibrid járművek növekvő népszerűsége és az emissziós normák teljesíthetősége érdekében. A Ni-MH akkumulátornak nemcsak az energiasűrűsége kisebb, hanem az önkisülése is nagyobb, viszont a Li-ion akku-csomag élettartamát jelentősen növelni tudták az évek során, így 2021-re a hátrányai ellenére lényegesen kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkezik, mint a nikkel-metál hidrid verzió. A Toyota hibridek akkumulátora nem egy nagy akku, hanem egy több modulból álló akkumulátorcsomag. Az egyes modellekben a modulok teljesen egyformák, csupán a számuk, ezáltal teljesítményük, kapacitásuk eltérő. A modulok és cellák eltérő száma változó rendszerfeszültséget eredményez a különböző típusokban, de átlagosan 200 és 300 V közötti értékek mérhetők. A legnagyobb és legerősebb gépkocsikban, viszont a 300 V feletti rendszerfeszültség sem kizárt, ezért a hibrid és természetesen az elektromos autók szervizelésekor, javításakor és egy baleset utáni mentésük során rendkívül körültekintően kell eljárni. Az eszköznek saját hűtési rendszere van, így a várható élettartama megnövekszik, ami az optimalizált töltésvezérlésnek köszönhetően a jármű teljes használati idejét is elérheti. Az akkumulátorcsomag működési tartománya 20% és 80% között van, ami azt jelenti, hogy a rendszer sohasem engedi teljesen lemerülni, illetve a 100%-os feltöltés sincs engedélyezve az akkumulátor megkímélése érdekében. A kidolgozott megoldás könnyű és gyors motorindítást tesz lehetővé bármilyen hőmérsékleten, valamint hosszú állásidőt követően is.
Li-ion akkumulátor csomag
8. ábra
Forrás: https://electrek.co/2015/10/14/toyota-unveils-new-tech-for-the-prius-will-offer-two-choices-of-battery-packs-with-higher-energy-density/
5. Plug-in hibrid járműtechnológia működési elve
Jegyezze meg a plug-in hibrid rendszer működésének tulajdonságait, illetve a Toyota Prius Plug-in Hybrid releváns jellemzőit!
A korábban ismertetett hibrid meghajtásokkal szemben a plug-in hibridek nagyfeszültségű akkumulátora külső áramforrásról vagy akár otthoni elektromos hálózatról is feltölthető. Általánosságban elmondható, hogy autógyártótól függetlenül a plug-in hibrid járművek jelentősen nagyobb kapacitású akkumulátorral rendelkeznek más hibrideknél. A meghajtás kialakítását tekintve soros, párhuzamos (fordulatszámösszegző, nyomatékösszegző, vonóerőösszegző) és soros-párhuzamos hajtásrendszerű típusok léteznek. A gépkocsi meghajtásrendszere és működési üzemmódjai teljes mértékben megegyeznek a full hibrid változatokkal, tehát ugyanúgy van lehetőség csak a villanymotorral, vagy csak a belső égésű erőforrással, illetve akár mindkettővel egyszerre is működtetni a személygépjárművet.
A nagyobb indítónyomaték, a fékezési energia visszatáplálása, valamint a gyorsítási rásegítés szintén ugyanúgy rendelkezésre áll, mint más hibrid verzióknál. A lényegi különbség a teljes hibrid típusokhoz viszonyítva, hogy a magasabb teljesítményű és kapacitású elektromos berendezéseknek (villamos gép és akkumulátor) köszönhetően hosszabb elektromos hatótáv, így hosszabb teljesen emissziómentes közlekedés érhető el a plug-in típusokkal. Az esetek többségében ezekbe az autókba kisebb teljesítményű benzinmotort szerelnek, ha összehasonlítjuk a hagyományos változatokkal, azonban ez nem minden gyártónál van így, viszont a fejlesztési költségek mérséklése érdekében igyekeznek csökkenteni a belső égésű erőforrások számát, így a lehetőségekhez mérten több modellbe is ugyanazt a motort építik be.
A nagyobb kapacitású akkumulátorcsomagnak köszönhetően, akár 50 % feletti üzemanyag-fogyasztás és károsanyag-kibocsátás mérséklődést is el lehet érni, amelyet a használati körülmények jelentősen befolyásolnak. Gyakori városi közlekedés és rendszeres töltés esetén a tisztán villamos árammal való utazás is biztosítható, ugyanis a plug-in hibrid gépkocsik akár 30 - 80 km elektromos hatótávval is rendelkeznek a kialakított verziótól függően.
A fogyasztás és károsanyag-kibocsátás csökkenését alapvetően az alábbi három jellemző határozza meg:
Teljesen elektromos üzemmód lehetősége 0 lokális CO2-kibocsátás mellett. Rövidebb és gyorsabb indítási folyamat. Álló gépkocsinál a katalizátor kevésbé hűl ki, mert nincs a katalizátorban gázáramlás.
Plug-in hibrid meghajtású gépkocsi
9. ábra
Forrás: https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-plug-in-hybrid-electric-cars-work
Toyota Prius Plug-in Hybrid
A Toyota Prius Plug-in hibrid típusnak a működése teljes mértékben megegyezik a korábban már ismertetett Toyota full hibrid modellekével, azonban a beépített akkumulátor-pakk külső áramforrásról is tölthető, így nagyobb elektromos hatótáv érhető el a személyautóval. A jármű legújabb verziója egy négyhengeres, 1798 cm3-es 72 kW (98 LE) teljesítményű benzinmotorral és egy 39 kW (53 LE) teljesítményű villamos erőforrással rendelkezik. A hibrid rendszernek az összteljesítménye pedig 90 kW (122 LE). Az elektromos gép egy állandó mágneses szinkronmotor, amelynek a legnagyobb nyomatéka 163 Nm, a legnagyobb feszültsége pedig 600 V. A gépkocsiban elhelyezett Lithium-ion akkumulátor névleges feszültsége 351,5 V, kapacitása 25 Ah, míg a beszerelt akkumulátormodulok száma 95, melyből következik, hogy 1 modul feszültsége 3,7 V. Az autó egyik különlegessége, hogy a hibridek közül elsőként rendelhető napelemcellákkal ellátott üvegtetővel, amely tölti a 12 V-os akkumulátort, valamint a nagyfeszültségű akkumulátort is. Az egyedi megoldás nagyságrendileg 5 km-rel megnöveli a tisztán emissziómentesen megtehető távolságot. A gyártó 60 km-es elektromos hatótávot, 22 g/km CO2-kibocsátást és 1,0 l/100 km üzemanyagfogyasztást ígér a személygépjárműhöz.

| Feladatok
1. Sorolja fel a belső égésű motorral hajtott személyautók magas fogyasztásának és magas károsanyag-kibocsátásának 3 fő okát!
2. Sorolja fel milyen feladatokra alkalmazzák a villamos gépet a micro hibridekben!
3. Sorolja fel a micro hibridekben lévő elektromos motor üzemmódjait!
4. Sorolja fel a mild hibridekben lévő villamos gép üzemmódjait!
5. Sorolja fel a villamos erőforrás lehetséges típusait mild hibridek esetében!
6. Sorolja fel mi a beépített inverter feladata full hibrid személyautók esetében!
7. Sorolja fel a full hibridekben lévő elektromos motor üzemmódjait!
8. Sorolja fel a Toyota Full Hybrid System Drive üzemmódjait!
9. Sorolja fel a leggyakrabban alkalmazott akkumulátor típusokat full hibrid autók esetében!
10. Sorolja fel mely 3 tényező határozza meg a plug-in hibridek fogyasztását és károsanyag-kibocsátását!
Önellenőrző kérdések
1. Százalékosan kifejezve mekkora a micro hibridek hibridizáltsági szintje?
| 5%
| 10%
| 50%
| 40%
2. A micro hibrid járművekbe szerelt elektromos motor tud nyomatékot leadni?
| igen
| nem
3. Hány százalékos üzemanyag megtakarítás érhető el micro hibrid járművek esetében?
| 20-25%
| 50-60%
| 45-55%
| 5-10%
4. Mekkora a villanymotor maximális teljesítménye micro hibrid autóknál?
| 20 kW
| 10 kW
| 5 kW
| 1 kW
| 8 s
5. Százalékosan kifejezve mekkora a mild hibridek hibridizáltsági szintje?
| 10%
| 5%
| 50%
| 40%
6. Hány Nm nyomaték leadására képesek nagyságrendileg a mild hibrid járművekbe szerelt elektromos motorok?
| 500-550 Nm
| 200-250 Nm
| 50-100 Nm
| 10-20 Nm
7. Hány százalékos üzemanyag megtakarítás érhető el mild hibrid autók esetében?
| 5-10%
| 70-80%
| 15-20%
| 50-60%
8. Mekkora az elektromos motor maximális teljesítménye mild hibrid járműveknél?
| 20 kW
| 10 kW
| 5 kW
| 1 kW
9. Minek a rövidítése a BMS?
10. Mekkora a lítium-ion akkumulátorok fajlagos teljesítménye?
| 200 W/kg
| 3000 W/kg
| 5100 W/kg
| 1800 W/kg
11. Hány másodpercig tudnak a legújabb mild hibrid rendszerrel rendszerelt Audi személyautók vitorlázó üzemmódban haladni?
| 55 s
| 40 s
| 12 s
| 48 s
12. Hány százalékos üzemanyag megtakarítás érhető el full hibrid személyautók esetén?
| 5-10%
| 30-50%
| 15-20%
| 1-2%
13. Átlagosan mekkora a full hibrid járművek rendszerfeszültsége?
| 200-350 V
| 10-50 V
| 100-200 V
| 800-1000 V
13. Mekkora a Toyota Prius Plug-in hibridben lévő Lithium-ion akkumulátor névleges feszültsége?
| 151,5 V
| 1051,5 V
| 551,5 V
| 351,5 V
14. Mekkora elektromos hatótávval rendelkezik a Toyota Prius Plug-in hibrid személygépjármű?
| 60 km
| 20 km
| 100 km
| 5 km