De pompprijs is zojuist weer gestegen. Je staart naar het mondstuk, maakt hoofdrekenen en vraagt je af of het tijd is om de verbrandingsmotor voorgoed achterwege te laten. Misschien komt de gedachte bij u op om uw dagelijkse bestuurder in te ruilen voor een plug-in elektrisch voertuig (BEV). Maar bereikangst is reëel. Je wilt efficiëntie. Je wilt een lagere uitstoot. Je wilt na een roadtrip niet drie uur aan een laadstation vastgebonden zitten.
Betreed de hybride auto.
Het is de middenweg. Maar wat gebeurt er eigenlijk onder de motorkap om 20 of 30 extra mijlen per gallon uit een tank te persen? Betekent een beter kilometerrendement automatisch een schonere voetafdruk? En waar past de plug-in hybride in deze vergelijking?
We ontrafelen de werking van de benzine-elektrische hybride. We zullen bekijken hoe deze systemen energiebronnen combineren en hoe u er één kunt aandrijven om de efficiëntie te maximaliseren.
Benzinekracht versus elektrische energie
Een hybride is letterlijk een hybride. Het neemt het beste van de ICE-wereld (interne verbrandingsmotor) en combineert dit met de elektrische aandrijflijn. Om het compromis te begrijpen, moet je naar de uitersten kijken.
De benzinewagen:
1. De brandstoftank bevat benzine.
2. Benzine voedt de motor.
3. De motor schakelt de transmissie in.
4. Transmissie laat de wielen draaien.
De elektrische auto:
1. Accu slaat elektriciteit op.
2. Batterijen voeden de motor.
3. De motor draait de transmissie.
4. Transmissie laat de wielen draaien.
De hybride probeert het gemak van tanken bij een benzinestation te behouden en tegelijkertijd het brandstofverbruik van de eerste optie te verlagen. Het is een balans tussen energiedichtheid en elektrisch koppel.
De anatomie van een benzine-elektrische hybride
Hybrides zijn niet zomaar een benzinemotor met een kleine accu erop. Het zijn complexe systemen. Hier zijn de kerncomponenten die de magie mogelijk maken.
De benzinemotor
Het ziet eruit als een standaardmotor, maar is anders afgesteld. Hybriden gebruiken doorgaans kleinere motoren, soms viercilinders, terwijl een V6 in een conventionele auto zou leven. Ze gebruiken geavanceerde technologie om schoner en efficiënter te verbranden. De motor is niet altijd de voornaamste drijfveer.
De brandstoftank
Dit is waar de energiedichtheid van belang is. Benzine heeft een enorme klap in vergelijking met batterijen. Om dezelfde hoeveelheid energie op te slaan als slechts één liter gas, heb je ongeveer 1.000 kilo aan batterijcellen nodig. Dat gewicht is onbetaalbaar voor de meeste personenauto’s. De brandstoftank blijft de belangrijkste energiebron op lange afstand.
De elektromotor
Dit zijn geen eenvoudige starters. Het zijn geavanceerde eenheden die worden bestuurd door geavanceerde elektronica. Een elektromotor in een hybride is tweerichtingsverkeer. Het fungeert als een motor en haalt stroom uit de accu’s om de auto te helpen accelereren. Maar het kan ook als generator fungeren. Wanneer u het gas loslaat of op de rem trapt, keert de motor zijn functie om. Het vangt kinetische energie op en voert deze terug in de batterijen. Dit is regeneratief remmen in actie.
De generator
Anders dan de tractiemotor heeft dit onderdeel alleen de taak om elektriciteit te produceren. Het wordt voornamelijk aangetroffen in hybride serieopstellingen. Het draait de wielen niet rechtstreeks.
De batterijen
Deze slaan de energie op voor de elektromotor. In tegenstelling tot de brandstoftank, die alleen energie levert, kan de hybride accu energie ontvangen. De elektromotor levert tijdens het afremmen vermogen terug, terwijl de benzinemotor dit tijdens het rijden kan opladen.
De transmissie
Dit is waar ontwerpen enorm uiteenlopen. Sommige hybriden gebruiken conventionele transmissies. De Honda Insight maakt bijvoorbeeld gebruik van een automaat met meerdere versnellingen. Anderen, zoals de Toyota Prius, gebruiken een fundamenteel andere architectuur die motor- en motorinvoer voortdurend combineert.
Parallelle hybriden
Bij een parallelle hybride zijn beide krachtbronnen met de wielen verbonden. De gasmotor kan de transmissie laten draaien. De elektromotor kan ook de transmissie laten draaien. Ze kunnen samenwerken.
Bij lage snelheden kan de elektromotor al het werk doen. Bij snelheden op de snelweg of bij hard accelereren worden zowel de motor als de motor tegelijkertijd ingeschakeld. Het is een eenvoudige aanpak. U profiteert van de voordelen van elektrisch koppel zonder een complexe serie-opstelling.
Serie hybrides
Seriehybriden werken anders. De benzinemotor drijft nooit rechtstreeks de wielen aan. In plaats daarvan fungeert het als een bereikvergroter.
De gasmotor drijft een generator aan. Die generator produceert elektriciteit. Die elektriciteit laadt de batterijen op of drijft de elektromotor aan die de transmissie aandrijft. Het is in wezen een elektrische auto met een benzinegenerator aan boord. Door deze opstelling kan de motor constant op het meest efficiënte toerental draaien, ongeacht de snelheid van het voertuig, maar dit leidt tot efficiëntieverliezen in het conversieproces.
De efficiëntieparadox van kleinere motoren
De geheime saus van een hybride autoprestatiestrategie gaat niet alleen over het toevoegen van elektriciteit; het gaat erom de verbrandingsmotor kleiner te maken. Een conventionele auto heeft een grote, dorstige motor nodig om voldoende koppel te genereren voor een snelle acceleratie. Een hybride ruilt die V-8 in voor een compacte viercilinder of zelfs een driecilinder.
Waarom verhoogt het verkleinen van de motor de efficiëntie? Het komt neer op fysica en wrijving. Een grote motor is zwaar. Elke keer dat je versnelt of een heuvel beklimt, sleep je dat extra metaal rond. Binnenin het blok hebben grotere zuigers en krukassen meer energie nodig om op en neer te bewegen. Een grotere cilinderinhoud betekent dat er meer brandstof per slag wordt ingespoten. En laten we de cilinders zelf niet vergeten: ze ontsteken en verbranden brandstof, zelfs als de auto stationair draait of uitrolt.
Twee identieke auto’s, verschillende motoren. Op de snelweg met een snelheid van 100 km/uur hebben beide evenveel pk’s nodig om snelheid te behouden. Maar de kleinere motor verbruikt minder brandstof om zichzelf te laten draaien. Hij werkt dichter bij zijn piekbelasting, waar de thermische efficiëntie het hoogst is, terwijl de grote motor met lage, inefficiënte toerentallen rondrijdt.
De machtskloof overbruggen
Hoe kan een kleine motor een Camaro ZL1 bijhouden? Dat is niet het geval. En dat is ook niet nodig.
In een traditionele auto is de motor gedimensioneerd voor topprestaties. Je zet hem op de oprit van de snelweg en de grote V-8 schreeuwt om maximaal koppel. Maar hier is de harde waarheid: de meeste bestuurders gebruiken dat piekvermogen minder dan 1% van de tijd. De rest van de rit bestaat uit woon-werkverkeer, cruisen en stationair draaien.
Hybriden ontkoppelen kracht van noodzaak. De benzinemotor is geschikt voor een gemiddelde vermogensbehoefte, genoeg om de auto op snelwegsnelheden in beweging te houden. Wanneer je snel moet invoegen of een steile helling moet beklimmen, wordt de elektromotor ingeschakeld. Deze levert het onmiddellijke koppel dat de kleine benzinemotor mist. Deze synergie betekent dat de motor zichzelf nooit te groot hoeft te maken voor zeldzame, veelgevraagde evenementen.
Vijf tactieken voor het maximaliseren van MPG
Naast de motorwissel gebruiken hybrides specifieke technologieën om elke kilometer uit een liter te persen. Sommige zijn standaard efficiëntietrucs; andere zijn hybride-exclusief.
1. Regeneratief remmen: opvang van de afvalwarmte
Als je remt, gooi je in feite energie weg. Kinetische energie wordt in de remblokken omgezet in warmte en verdwijnt in de lucht. Bij een hybride gaat die energie niet verloren.
Het systeem maakt gebruik van regeneratief remmen. Wanneer u het gaspedaal loslaat of op de rem trapt, keert de elektromotor zijn functie om. In plaats van kracht te onttrekken om de wielen te laten draaien, fungeert het als een generator. De weerstand vertraagt de auto en laadt tegelijkertijd de hoogspanningsaccu op. Je vangt energie op die anders verdwenen zou zijn.
2. Automatische start-stop: stationair draaien uitschakelen
Stationair draaien is brandstofverspilling. Er wordt geen werk verricht, maar de motor verbrandt benzine. Hybrides met geavanceerde start-stopsystemen schakelen de motor volledig uit wanneer de auto tot stilstand komt, bijvoorbeeld bij rood licht of in druk verkeer. Zodra u de rem loslaat, wordt de elektromotor of starter ingeschakeld om de motor soepel opnieuw te starten. Er wordt geen gas verbrand terwijl de auto stilstaat.
3. Vermindering van de aerodynamische weerstand
Bij snelheden op de snelweg is de aerodynamische weerstand de vijand. De primaire taak van de motor is niet het verplaatsen van de auto; het duwt de auto door de lucht.
Hybriden hebben vaak lagere daklijnen, gladdere bodempanelen en zelfs afgedekte wielkasten. Deze ontwerpkeuzes verminderen het frontale oppervlak en zorgen voor een soepele luchtstroom. Minder weerstand betekent dat de motor minder hard hoeft te werken om de snelheid te behouden, waardoor het brandstofverbruik direct wordt verbeterd.
4. Banden met lage rolweerstand
Standaardbanden zijn een compromis. Ze moeten stil, comfortabel en grip hebben in regen of sneeuw. Ze zijn niet gebouwd voor efficiëntie. Hybride auto’s maken gebruik van gespecialiseerde banden met lage rolweerstand. Ze zijn stijver en werken vaak met hogere druk. Dit vermindert de buiging in de zijwanden en de wrijving van het contactvlak, waardoor de auto met minder kracht verder kan rollen.
5. Gewichtsvermindering
Gewicht is de moordenaar van het brandstofverbruik. Een lichtere auto heeft minder energie nodig om te accelereren en minder energie om heuvels te beklimmen. Fabrikanten gebruiken lichtgewicht materialen zoals aluminium, magnesium en composietkunststoffen in de carrosserie en het chassis. Elke pond die verloren gaat, vertaalt zich in een lichte maar cumulatieve winst in mijlen per gallon.
De hartslag van de Prius
Het powersplit-apparaat is het eigenlijke hart van de Toyota Prius. Dat moet je respecteren. Het is een slimme versnellingsbak die de benzinemotor, de generator en de elektromotor allemaal in één stevige knoop verbindt. Dit is waar de magie gebeurt. Hierdoor kan de auto functioneren als een parallelle hybride. De elektromotor kan de auto zelf aandrijven, de benzinemotor kan de auto zelf aandrijven, of ze kunnen de auto samen aandrijven. Het is flexibel.
Hij gedraagt zich ook als een seriehybride. De benzinemotor kan onafhankelijk van de voertuigsnelheid werken. Het laadt alleen de batterijen op of levert stroom aan de wielen als dat nodig is. Dat is efficiënt.
Het Power Split-apparaat fungeert ook als een continu variabele transmissie. Hierdoor is er geen handmatige of automatische transmissie meer nodig. Geen verschuiving. Geen koppelingspedaal. Gewoon een soepele vermogensafgifte. Ten slotte heeft de auto geen starter nodig, omdat het Power Split-apparaat de generator in staat stelt de motor te starten. Dat deel bestaat gewoon niet.
Het powersplit-apparaat is een planetaire tandwielset. Het is complex maar elegant. De elektromotor is verbonden met het ringwiel van het tandwielstel. Het is ook rechtstreeks verbonden met het differentieel. Dat differentieel drijft de wielen aan. Dus ongeacht de snelheid waarmee de elektromotor en het ringtandwiel draaien, bepaalt de snelheid van de auto. Eenvoudige natuurkunde. Krachtige resultaten.
Het mechanische hart van het hybridesysteem van Toyota is het Power Split-apparaat, een planetaire tandwielset die de energiestroom tussen de motor, de generator en de tractiemotor regelt. Het is geen traditionele transmissie met versnellingen die schakelen. In plaats daarvan is het een continu variabel mechanisme waarbij het zonnewiel is verbonden met de generator en de planeetwieldrager is verbonden met de benzinemotor. Het ringtandwiel? Dat is verbonden met de uitgaande as die uiteindelijk de wielen aandrijft.
Omdat deze drie componenten mechanisch aan elkaar zijn vergrendeld, kunnen ze niet onafhankelijk bewegen. De snelheid van het ringwiel is de som van de bewegingen van de andere twee. Ze moeten voortdurend coördineren. Als iemand versnelt, moeten de anderen hun rotatie aanpassen om de fysica werkend te houden. Zo regelt het systeem de uitgangssnelheid zonder conventionele koppeling of versnellingsbak.
Wanneer je vanuit stilstand het gaspedaal indrukt, blijft de benzinemotor uit. De elektromotor en het accupakket doen al het zware werk. De elektromotor is verbonden met het ringtandwiel, waardoor deze onmiddellijk begint te draaien en de auto vooruit duwt. Maar hier is de truc: de planeetdrager, bevestigd aan de motor, staat stil. De motor draait nog niet.
Omdat het ringwiel draait en de planeetwieldrager vastzit, moeten de planeetwielen om hun eigen assen draaien. Deze draaiende beweging laat het zonnewiel draaien. Het zonnewiel is verbonden met de generator. Dus terwijl u in de elektrische modus accelereert, draait de generator. Het genereert nog geen elektriciteit voor de batterij; hij draait alleen maar om de motor uitgeschakeld te houden. De generator draait met precies de snelheid die nodig is om de beweging van het ringwiel ten opzichte van de planeetwieldrager te neutraliseren. Hierdoor blijft de motoras volledig stil. Het is een elegante mechanische truc.
Wanneer de motor wordt ingeschakeld
Deze uitsluitend elektrische modus duurt tot u een snelheid van ongeveer 64 km/u bereikt. Op dat moment besluit het systeem dat het tijd is om de benzinemotor erbij te betrekken. De generator verandert plotseling zijn rotatiesnelheid. Deze verandering verstoort de balans van het planetaire tandwielstelsel. De kracht die via de tandwielen wordt overgebracht, zorgt er nu voor dat de planeetdrager gaat draaien.
De planeetdrager is vergrendeld aan de krukas van de motor. Dus zodra hij begint te draaien, begint de motor te draaien. De overgang verloopt soepel omdat de motor al door de aandrijflijn wordt rondgedraaid voordat hij aanslaat. Er is geen startmotor nodig om de motor in beweging te krijgen; het hybridesysteem fungeert als starter.
Zodra de motor stationair draait en draait, komt hij op een constant toerental terecht. De generator verandert nu voortdurend zijn snelheid om te voldoen aan de uitgangsbehoeften van de tractiemotor en de wielen. Hierdoor kan de motor in het meest efficiënte toerentalbereik werken, ongeacht hoe snel de auto rijdt. De generator varieert zijn snelheid zodat deze overeenkomt met de uitvoersnelheid van de elektromotor, zodat de motor niet wild hoeft te sjouwen of toeren maken.
Als u het gaspedaal intrapt, onttrekt de elektromotor extra stroom aan de hoogspanningsaccu om voor een koppelboost te zorgen. Maar zodra je snelwegsnelheden bereikt, rijdt de auto op een combinatie van gas en elektriciteit. Alle elektriciteit die in dat stadium wordt gebruikt, is afkomstig van de generator, die door de motor wordt rondgedraaid. De batterij is in wezen een buffer, die energie opslaat tijdens het remmen en deze vrijgeeft tijdens het accelereren.
Hoeveel pk heb je eigenlijk nodig?
Er bestaat een enorme kloof tussen het aantal pk’s dat op het kenteken van een auto staat en het vermogen dat daadwerkelijk nodig is om de snelheid op de snelweg te behouden. Het meeste van wat een auto op de weg doet, gebruikt slechts een klein deel van zijn totale vermogen.
Wanneer u met een snelheid van 96,6 km/u op een vlakke weg rijdt, vecht uw motor tegen drie belangrijke krachten:
- Aerodynamische weerstand. De luchtweerstand neemt toe met het kwadraat van uw snelheid. Door de lucht duwen kost kracht.
- Mechanische wrijving. Dit omvat de rolweerstand van banden, wrijving in de transmissie, assen en remklauwen.
- Accessoirebelastingen. De compressor van de airconditioning, de stuurbekrachtigingspomp en de elektrische systemen halen allemaal stroom uit de motor.
Voor de meeste moderne sedans vereist het overwinnen van deze krachten bij 100 km/uur minder dan 20 pk. Waarom bouwen fabrikanten dan motoren met 200 pk? Omdat je dat reservevermogen nodig hebt om in te halen, in te voegen op snelwegen of te accelereren vanaf kruispunten. Dat “vloer-it”-moment is de enige keer dat u de volledige output gebruikt. Bij het overgrote deel van het rijden gebruik je een klein percentage van het beschikbare vermogen.
Deze efficiëntiekloof is de reden waarom hybrides zo aantrekkelijk zijn. Ze gebruiken de elektromotor om te voldoen aan de eisen bij lage snelheden en hoge koppels, die anders brandstof zouden verspillen.
Tips voor hybride kilometers: rijden voor efficiëntie
Het verlangen naar snelle acceleratie is de vijand van het brandstofverbruik. Je hebt dit waarschijnlijk al opgemerkt bij de dealer. Een auto met een kleinere, minder krachtige motor heeft vaak betere MPG-ratings in de stad en op de snelweg dan een identiek model met een turbomotor of een grotere motor. Meer energiepotentieel betekent dat er meer brandstof wordt verbrand om dat potentieel te creëren, zelfs als u het niet gebruikt.
Om het beste aantal kilometers uit een hybride te halen, heb je geen nieuwe auto nodig. Je hebt gewoon andere gewoonten nodig. De principes zijn hetzelfde als voor elke benzineauto, maar het hybridesysteem versterkt de beloningen.
Rijd langzamer
De luchtweerstand is de grootste factor in de efficiëntie van snelwegen. De kracht van de luchtweerstand neemt dramatisch toe met de snelheid. Bij 70 mph (113 km/u) is de luchtweerstand ongeveer het dubbele van die bij 50 mph (81 km/u). Het verdubbelen van de weerstand verdubbelt niet het vereiste aantal pk’s, maar verhoogt het aanzienlijk. Als u uw snelheid laag houdt, zelfs bij 5 of 16 km/uur, kan dit meetbare MPG-winst opleveren.
Handhaaf een constante snelheid
Elke keer dat je versnelt, verbrand je energie om de kinetische energie te vergroten. Als je remt, wordt die energie als warmte afgevoerd. Bij een hybride herstelt regeneratief remmen een deel ervan, maar niet alles. Door een constante snelheid aan te houden, minimaliseert u het energieverlies bij het remmen en accelereren. Cruisecontrol helpt, maar je voet is vaak beter. Anticipeer op de verkeersstroom en houd het pedaal stabiel.
Vermijd abrupte stops
Dit is waar hybriden schitteren. Wanneer u zachtjes remt, fungeert de elektromotor als generator. Het weerstaat de rotatie van de wielen, vertraagt de auto en zet kinetische energie weer om in elektriciteit, die in de accu terechtkomt. Hoe harder en sneller je stopt, hoe meer de mechanische remmen het overnemen. Mechanische remmen zetten die energie om in warmte en verspillen deze volledig.
Als je de elektromotor de tijd geeft om het voertuig af te remmen, recupereert hij meer energie. Dat geldt ook voor benzineauto’s, maar bij hybrides is het effect sterker omdat de teruggewonnen energie direct bruikbaar is voor de volgende acceleratie. Vloeiende invoer gaat niet alleen over comfort. Ze gaan over efficiëntie.
Bronnen
–
