Zašto hibridna vozila? Ivan Mahalec, 2006.03. 1. Nafta CO2 Temperatura Zemlje Slika 1. Lijevo: Svjetska proizvodnja nafte i plina te prognoze o trajanju zaliha izračunate na osnovi potrošnje u 2005. godini (Gboe = Giga billion barrels oil equivalent). Desno: Porast koncentracije CO 2 u atmosferi i srednje temperature Zemlje. Fosilna goriva imaju dva nedostatka: zalihe su im končne i približavaju se svom relativno bliskom kraju, izvlačenjem ugljika na površinu Zmlje i njegovim izgaranjem povećava se sadržaj CO2 u atmosferi, time se pojačava efekt staklenika i doprinosi globalnom zatopljenju. Potaknuto Kyoto protokolom, udruženje europskih proizvođača automobila ACEA postavilo je cilj dostizanje emisije CO2 na razini flote putničkih automobila od 140 g/km u 20. godini. Zbog relativno velikih snaga motora taj se cilj ne može dostići čak ni ako bi su u sva vozila ugrađivali štedljiviji Dieselovi motori. Međutim, hibridna vozila s lakoćom ostvaruju ovu emisiju i zbog toga će ona u predstojećim godinama sve više dobivati na značaju. Slika 2. Lijevo: cilj grupacije ACEA: smanjiti emisiju CO 2 na 140 g/km do 2008. godine za cijelu flotu europskih proizvođača vozila. Desno: očekivani porast alternativnih pogona vozila u budućnosti. 1
2. Hibridni pogonski sustavi Hibridni pogonski sustavi se mogu podijeliti, s obzirom na vezu mehaničkog i električnog dijela u tri skupine: serijski, paralelni i serijsko-paralelni hibridi. S druge strane, s obzirom na autonomnost električnoga pogona, hibridi se dijele na: djelomične (engl. mild hybrid) i potpune (engl. full hybrid). Serijski Aku Inv Kotači Aku Inv Paralelni Kotači Serijskoparalelni Gen Inv Aku MSUI MSUI Gen EM EM Inv MSUI Raz EM Put mehaničke energije Put električne energije Slika 3. Sheme hibridnih pogona. Oznake: Aku - elektr. baterija; EM - elektromotor; Gen elektr. generator; Inv elektr. pretvarač; MSUI - motor s un. izg.; Raz - razdjelnik snage; objavljeno u [5.]. 120 η = max HIBRID Moment motora M e, (Nm) 100 80 60 40 20 246 250 260 300 400 240 EG V 800 g/kwh 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Brzina, vrtnje, min -1 v max EG - za pogon električnog generatora V - za vožnju Otpori vožnje v = konst., uspon = 0 Slika 4. Usporedba rada motora s unutarnjim izgaranjem kod konvencionalnog i kod hibridnog vozila u topografskom dijagramu specifične efektivne potrošnje goriva U hibridnom vozilu motor s unutarnjim izgaranjem radi većinom u području minimalne specifične potrošnje goriva, pri čemu se višak snage iznad iznosa potrebnog za vožnju usmjerava na pogon električnog generatora koji puni bateriju. Kod Priusa generator također pogoni i elektromotor koji pomaže motoru s unutarnjim izgaranjem pogoniti kotače. 2
3. Potrošnja goriva i štetna emisija Slika 5. Potrošnja goriva (l/100km) triju generacija hibrida Prius i sličnog konvencionalnog automobila. l/100km 14 13 12 11 10 9 8 7 6 g CO2/km (benzin) g CO2/km (dizel) Potrošnja goriva 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 290 250 210 170 130 g CO 2 /km Slika 6. Potrošnja goriva za njemačku flotu vozila u novom europskom ispitnom ciklusu prema podacima VDA i na temelju nje izračunata emisija CO 2. Slika 7. Ukupna učinkovitost Priusa i njegovih takmaca prema Well-to-Wheel analizi. Slika 8. Štetna emisija Priusa. 3
4. Toyota Prius svjetska uspješnica broj 1 Prius THS II Akumulator Regulator snage Visokonap. dio Generator Motor s unut. izgar. Inverter Elektromotor Razdjelnik snage Kotači Prijenosnik snage Put mehaničke energije Put električne energije Slika 9. Shema pogonskog sustava hibridnog automobila Toyota Prius THS II. Podaci: motor s unutarnjim izgaranjem: 1.5 dm 3, proces 4-taktni Otto/Atkinson, smanjeno trenje u motoru, P MSUI,max = 57 kw kod 500 min- 1, 115 NM kod 4200 min-1, g e,min = 225 g/kwh (η e,max = 37 %); elektromotor: P EM,max = 50 kw; ukupna najveća snaga za vožnju vozila 82 kw iznad 85 km/h (P max = P MSUI,max + 50 % (P EM,max )); 1300 kg; 0-100 km/h za 10,9 s; 170 km/h; 104 g CO 2 /km. 4
Slika 10. Shema pogonskog sustava i prijenosnika snage. 5
Slika 11. Toyota Prius: shema djelovanja Slika 12. Dolje - lijevo: kod kočenja Priusov elektromotor postaje generator. Slika 13. Značajke motora s unutarnjim izgaranjem (lijevo) i elektromotor (desno) 6
Slika 14. Zajedničko djelovanje motora s unutarnjim izgaranjem i elektromotora. Slika 15. Lijevo: zajedničko djelovanje motora s unutarnjim izgaranjem i elektromotora. Desno: usporedba ubrzanja Priusa i klasičnog vozila s benzinskim motorom od 2.4. litre. Slika 16. Usporedba ubrzanja Priusa i klasičnog vozila s podjednako snažnim Diesleovim motorom. 7
Slika 17. Električni pogonski sustav i prijenosnik snage. Slika 18. Ni-MH baterija: 28 serijski vezanih paketa po 7,2 V = 202 V; 6,5 Ah; 30 kg; trajnost 300.000 km. 8