Miękkie hybrydy w warsztacie

Miękkie hybrydy (ang. Mild Hybrid Electric Vehicle – MHEV) to jedno z najtańszych i najprostszych rozwiązań zaliczanych do gamy napędów hybrydowych. W poniższym tekście przyjrzymy się cechom tego rozwiązania i przedstawimy praktyczne aspekty serwisowania samochodów w układzie miękkiej hybrydy.

Rodzaje pojazdów hybrydowych

Na początku przedstawimy klasyfikację aut hybrydowych. Powstało bardzo wiele układów hybrydowych, stosowanych w różnych samochodach. Terminem hybryda określa się wiele aut, istotnie różniących się budową i możliwościami.

Mikro hybrydy

Tym terminem zwykle określa się pojazdy wyposażone w system start-stop. Termin hybryda jest w tym przypadku naciągany, ponieważ takie auta są napędzane silnikiem spalinowym i nie posiadają silnika elektrycznego. W niektórych układach próbuje się nieznacznie odzyskiwać energię hamowania, ale w przypadku tradycyjnych kwasowo-ołowiowych akumulatorów 12V ta koncepcja się nie sprawdza. Warunkiem, aby do akumulatora mógł trafić większy prąd jest jego częściowe rozładowanie, co na dłuższą metę prowadzi do zasiarczenia. Dodatkowo transfer większej mocy przy napięciu 12V generuje bardzo duże prądy, co jest niepraktyczne.

Co to jest miękka hybryda (mild hybrid)

To napęd, w którym silnik elektryczny nie jest w stanie w pełni napędzać pojazdu, a pełni w czasie jazdy funkcję pomocniczą. Istotą układu jest zastąpienie rozrusznika i alternatora pojedynczą maszyną elektryczną mogącą pełnić obydwie te funkcje (ang. Integrated Starter-Generator – ISG). Jako magazyn energii służą akumulatory 48V, choć niektóre rozwiązania (Mazda) wykorzystują napięcie 24V. W czasie hamowania system odzyskuje energię, która jest wykorzystywana do wspomagania silnika spalinowego. Samochód magazynuje jedynie niewielką ilość energii. W stosunku do samego silnika spalinowego można zaoszczędzić ok. 10% paliwa w warunkach rzeczywistych. Pojęcie miękka hybryda dotyczy zatem samochodów spalinowych wyposażonych w pomocniczy silnik elektryczny/generator.

Pełna hybryda

Klasyczny układ hybrydowy, w którym pojazd napędza zarówno silnik spalinowy, jak i w ograniczonym zakresie silnik elektryczny bez udziału silnika spalinowego. Wymaga to odpowiedniej konstrukcji układu przeniesienia napędu, która pozwoli na niezależną pracę obydwu rodzajów napędu. W trakcie typowej jazdy główną funkcją napędu elektrycznego jest odzysk energii hamowania i wykorzystanie jej przy ruszaniu. Pozwala to na istotną oszczędność paliwa w ruchu miejskim (zużycie paliwa jest niższe niż w przypadku rozwiązań mild hybrid). Energia elektryczna do ładowania pochodzi tylko z generatorów w pojeździe, nie ma możliwości ładowania z sieci. Samochody hybrydowe tego typu uzyskują bardzo krótki zasięg na silniku elektrycznym, rzędu 2km.

Hybryda typu plug in

Ten wariant to rozbudowa układu pełnej hybrydy o pakiet akumulatorów pozwalających uzyskać użyteczny zasięg w trybie elektrycznym. Hybrydy plug in możemy ładować z sieci elektrycznej i teoretycznie mogą być użytkowane jako samochody elektryczne na krótkich trasach. Hybrydy plug in budzą wiele kontrowersji ponieważ przy obowiązujących normach uzyskują bardzo dobre wyniki emisji CO2/km. Jest tak dzięki temu, że mogą sporą część testowej trasy przejechać w trybie elektrycznym, zaniżając również średnie spalanie. Kierowcy zwykle eksploatują te samochody na długich trasach korzystając wyłącznie z napędu spalinowego. To przekłada się na dużo mnie korzystne parametry emisji spalin i znacznie większe zużycie paliwa niż deklarowane. Hybryda plug in wiąże się z dużą masą pojazdu, który oprócz pełnego napędu spalinowego zawiera sporej masy baterię akumulatorów, podobnie jak auta elektryczne.

Jak działa miękka hybryda

Typowa konfiguracja takiego układu w samochodzie osobowym obejmuje następujące elementy.

• Maszynę elektryczną (silnik/generator) o typowej mocy rzędu 10kW. Istnieje kilka wariantów montażu tego elementu. W najprostszym jest łączony paskiem z wałem silnika, podobnie jak alternator (architektura P0 – większość komercyjnych rozwiązań). Inne systemy posiadają maszynę elektryczną osadzoną na wale korbowym (architektura P1 np. Honda IMA, Mercedes BlueHybrid). Obecnie pojawia się tendencja do umieszczania maszyn elektrycznych po stronie napędu co pozwala uzyskać lepszy parametry, ale wymaga zastosowania dodatkowego rozrusznika. W przypadku lokalizacji na wejściu skrzyni biegów mówimy o architekturze P2, a za skrzynią biegów P3. W tym systemie oznaczeń architektura P4 oznacza integrację napędu z osią napędową.
• Akumulator o napięciu 48V (lub 24V) i przykładowej pojemności 0,4 kWh – 1kWh. Ilość energii magazynowanej w takim akumulatorze jest więc zbliżona do energii zgromadzonej w typowym akumulatorze rozruchowym. Taki akumulator jest stosunkowo niewielki i lekki, niekiedy wymaga dodatkowego chłodzenia cieczą.
• Układ elektroniczny realizujący w trakcie jazdy ładowanie akumulatora (odzysk energii) bądź sterujący silnikiem elektrycznym, a czasem także elektryczną turbiną.

Elektryczna turbina – niektóre układy korzystają z elektrycznego wsparcia turbosprężarki. Ciśnienie doładowywania może być uzyskane dzięki mocy pobranej z akumulatora. Może się okazać, że elektryczne wsparcie turbosprężarki pozwoli uzyskać większe przyspieszenie przy ruszaniu niż to, które może zaoferować połączony z wałem korbowym silnik elektryczny.

Miękka hybryda – właściwości

1. 1. 1. Praktycznie każdy typ silnika spalinowego można przekształcić w miękką hybrydę dzięki doposażeniu go w gotowe moduły. Miękkie hybrydy mogą być zarówno napędzane silnikiem benzynowym, jak i silnikiem diesla. Producenci mogą bez większych trudów przekształcić dowolne istniejące modele samochodów w miękką hybrydę.
      2. Układ nie zwiększa istotnie masy samochodu i nie zajmuje dużo miejsca. Koszty są dużo niższe niż w przypadku samochodów typu pełna hybryda. Niestety wielu producentów szczególnie wysoko wycenia części zamienne występujące w tych układach (np. akumulatory). Nie zawsze ma to uzasadnienie w realnych cenach komponentów.
      3. System działa na bezpiecznym napięciu 48 lub 24V. Zwiększa to bezpieczeństwo eksploatacji aut i nie naraża mechaników na wysokie napięcie przy pracy z pojazdem. Jednocześnie poprzez podniesienie napięcia uzyskujemy możliwość transferu większej mocy, która okazuje się wystarczająca dla praktycznych rozwiązań.
      4. System może realizować funkcje systemu Start-Stop dużo lepiej niż tradycyjne tego typu układy w autach. Maszyna elektryczna ma duży zapas mocy przy rozruchu, a dzięki elektronicznemu sterowaniu może korzystnie dla silnika kształtować moment rozruchowy. Dodatkowo jest stale połączona z silnikiem. Nie ma szczotek i nie ulega zużyciu w zależności od liczby wykonanych rozruchów.
      5. Realna oszczędność paliwa przez auto może okazać się mniejsza niż to co deklarują producenci. Nie ma jednak wątpliwości, że choćby częściowy odzysk energii hamowania ma sens, szczególnie w warunkach jazdy miejskiej.
      6. Auta typu miękka hybryda są traktowane preferencyjnie, ich sprzedaż związana jest z niższym podatkiem akcyzowym, podobnie jak w przypadku pełnych hybryd.

Serwisowanie miękkich hybryd

W przeciwieństwie do klasycznych hybryd oraz hybryd typu plug in, serwisowanie miękkich hybryd nie wymaga dodatkowych uprawień elektrycznych. Napięcia występujące w układzie uznaje się za bezpieczne. Oczywiście nie oznacza to, że każdy mechanik będzie od razu gotów serwisować takie pojazdy. Jak w przypadku każdej nowej technologii warto zacząć od szkoleń i zdobycia niezbędnej wiedzy, aby bezpiecznie stawiać pierwsze kroki w obsłudze hybryd tego typu.

Usterki miękkich hybryd

Do najbardziej awaryjnych elementów układu zaliczymy z pewnością moduł akumulatora, który ulega naturalnemu zużyciu, a który również może ucierpieć w wyniku błędów eksploatacji samochodu. Ogniwa litowe nie wymagają co prawda ładowania do pełna jak kwasowo-ołowiowe – stan częściowego naładowania jest dla nich nawet korzystny, ponieważ w tym stanie wolniej ulegają degradacji. Jednak należy uważać na rozładowanie – akumulator głęboko rozładowany może ulec uszkodzeniu. W wielu przypadkach zintegrowana z akumulatorem elektronika może uniemożliwić ponowne naładowanie głęboko rozładowanego akumulatora. Dlatego zgodnie z zaleceniami producentów należy zapobiegać rozładowaniu akumulatora, uruchamiając auto przynajmniej raz w miesiącu. Należy również uważać na akumulatory obecne na rynku wtórnym. Jeśli zbyt długo czasu spędziły w stanie rozładowania (np. samochody powypadkowe) mogą okazać się bezwartościowe nawet mimo niedużego wieku czy przebiegu. Mówiąc o akumulatorze mamy na myśli nie tylko baterię ogniw litowych, ale także zintegrowaną elektronikę, zwykle wyposażoną w dodatkowe złącze do komunikacji ze sterownikiem.

Drugim problematycznym podzespołem jest przetwornica. Przetwornica odpowiada za transfer mocy w układzie dlatego podlega dużym obciążeniom. Jednocześnie istnieje potrzeba miniaturyzacji tych elementów przy optymalizacji kosztów. W wielu przypadkach awaryjność przetwornic wynika prawdopodobnie ze stosunkowo krótkiego okresu ich eksploatacji. Można spodziewać się, że takie problemy zostaną wyeliminowane w kolejnych generacjach układów.

Trzeci, najmniej awaryjny element samochodów hybrydowych omawianego typu stanowi maszyna elektryczna. Nowoczesne silniki tego typu, pozbawione szczotek i komutatora, są trwałe i nie powinny sprawiać problemów o ile zostały zaprojektowane i wyprodukowane w sposób właściwy.

Pomiary oscyloskopowe

Przykładowym pomiarem, który stosunkowo prosto można przeprowadzić, aby zobaczyć w praktyce jak działają auta z układem miękkiej hybrydy jest pomiar oscyloskopowy z użyciem cęg prądowych. Jeśli chcemy równocześnie zmierzyć napięcie to ważne aby zapewnić sobie urządzenie do którego bezpiecznie możemy dołączyć napięcie 48V. W przypadku wielu urządzeń musimy zastosować odpowiednie cęgi z dzielnikiem. Korzystając z oscyloskopu warsztatowego Scope DT nie musimy się o to martwić, gdyż takie napięcie możemy podłączyć do każdego z wejść. Dodatkowo konstrukcja wejść zabezpiecza przed możliwością zrobienia zwarcia. Dobierając cęgi musimy użyć elementu o odpowiednim zakresie prądowym, np. 400A. Cęgami obejmujemy jeden z przewodów prądowych prowadzących do akumulatora. Wykonując test w warunkach hamowni jesteśmy w stanie zobaczyć kiedy prąd przepływa do akumulatora, ładując go, a kiedy dodatkowa moc jest transferowana do silnika elektrycznego, który wspomaga silnik spalinowy.

Ilu producentów tyle wariantów

Konkretny sposób serwisowania danego samochodu z napędem hybrydowym typu miękka hybryda zależy od wersji systemu. Tych na rynku nie brakuje, a producenci opracowują nowe generacje układów różniące się technologią i możliwościami. Rozpatrując układy typu 48V zawsze należy odnosić się do procedur serwisowych konkretnych samochodów.