Rewolucja w napędach pojazdów hybrydowych
oselote/stock.adobe.comEuropejska motoryzacja wchodzi w etap głębokiej transformacji układów napędowych. Dążenie Unii Europejskiej do neutralności klimatycznej po 2035 r. wymusza elektryfikację. Wielu producentów – zwłaszcza z Azji – rozwija jednak alternatywne strategie, które opierają się na hybrydach z dominującym napędem elektrycznym. Zmiana ta oznacza dla warsztatów nowe wyzwania w zakresie serwisu, diagnostyki i kwalifikacji mechaników.
- Od wspomagania do dominacji elektrycznej – przekładnie DHT odwracają tradycyjną filozofię napędów hybrydowych.
- Inteligentna współpraca silników – tryb szeregowy w mieście i równoległy na autostradzie zapewniają optymalną sprawność w każdych warunkach.
- Renesans technologii EREV – pojazdy elektryczne z przedłużaczem zasięgu eliminują lęk zasięgowy, osiągając ponad 1000 km zasięgu łącznego.
- Globalna rewolucja napędowa – europejscy i amerykańscy producenci odpowiadają na chińskie innowacje, rozwijając własne systemy EREV i DHT.
Tradycyjne układy hybrydowe opierają się na konstrukcjach, w których silnik spalinowy jest głównym źródłem napędu, a jednostka elektryczna jedynie go wspomaga. W rozwiązaniach opracowywanych przez azjatyckich producentów ta filozofia uległa odwróceniu – w nowoczesnych układach szeregowo-równoległych typu DHT (dedicated hybrid transmission) to silnik elektryczny napędza koła, a jednostka spalinowa pełni funkcję generatora energii lub włącza się tylko w fazach zwiększonego zapotrzebowania na moc.
Kluczowym elementem tej koncepcji są dedykowane przekładnie hybrydowe DHT. W przeciwieństwie do typowych skrzyń stosowanych w napędach hybrydowych – takich jak przekładnie bezstopniowe CVT (continously variable transmission), automatyczne lub dwusprzęgłowe – w rozwiązaniu tym wykorzystano 1–3 przełożenia mechaniczne, bezpośrednio zintegrowane z modułem napędowym.
Przełożenia te działają głównie w trybie równoległym, kiedy silnik spalinowy przekazuje moment obrotowy bezpośrednio na koła. Z kolei w trybie szeregowym lub w pełni elektrycznym przekładnia pozostaje odłączona od napędu, a jednostka spalinowa napędza generator, który zasila silnik elektryczny lub ładuje akumulator trakcyjny.
Opisane rozwiązanie pozwala łączyć zalety pojazdów hybrydowych i elektrycznych – zapewnia:
- płynność jazdy,
- wysoką sprawność energetyczną
- i niższe zużycie paliwa w ruchu miejskim.
Dzięki temu systemy typu DHT coraz częściej stają się podstawą nowych strategii napędowych w motoryzacji.
Inteligentna współpraca silników
W nowoczesnych układach szeregowo-równoległych kluczową rolę odgrywa sposób wykorzystania silnika spalinowego. W fazie pracy szeregowej jednostka spalinowa nie napędza bezpośrednio kół, lecz działa w ściśle określonym punkcie najwyższej sprawności, zasilając generator energii elektrycznej. Wytworzony prąd zasila zarówno silnik trakcyjny, który odpowiada za napęd pojazdu, jak i akumulator, pełniący funkcję bufora energetycznego.
Pozwala to całkowicie oddzielić pracę silnika spalinowego od aktualnych potrzeb napędowych pojazdu. Zastosowanie takiego trybu pracy pozwala utrzymać jednostkę spalinową w obszarze najwyższej sprawności niezależnie od warunków jazdy. To szczególnie korzystne w ruchu miejskim, gdzie częste zmiany prędkości wymuszają ciągłe przyspieszanie i hamowanie. W tych warunkach silnik może pracować z optymalnym obciążeniem, a nadmiar energii kierowany jest do akumulatora trakcyjnego, zamiast być tracony w postaci ciepła.
Podczas jazdy z wyższymi prędkościami system automatycznie przełącza się w tryb równoległy. W tej fazie silnik spalinowy napędza koła bezpośrednio przez przekładnię mechaniczną, a silnik elektryczny pełni funkcję wspomagającą. Ponieważ praca w tym trybie występuje głównie przy jeździe autostradowej, wystarczają jedna lub dwie przekładnie. Gdy potrzebna jest pełna moc, układ przechodzi ponownie w konfigurację szeregową, co pozwala uzyskać maksymalne przyspieszenie niezależnie od prędkości.
Źródła efektywnosci napędów
Rozwój nowoczesnych układów hybrydowych nie byłby możliwy bez znaczącego postępu w dziedzinie energoelektroniki i konstrukcji silników cieplnych. Starsze generacje układów, oparte na półprzewodnikach krzemowych, charakteryzowały się stratami konwersji energii na poziomie kilku procent. Obecnie stosowane inwertery z węglika krzemu (SiC) pozwalają osiągać sprawność do 98–99%. W najbliższych latach coraz częściej pojawiać się będą też komponenty z azotku galu (GaN) – równie wydajne, lecz tańsze w produkcji. Równolegle rozwijają się silniki spalinowe projektowane specjalnie do współpracy z napędem elektrycznym.
Nowoczesne jednostki benzynowe, które pracują w cyklu Atkinsona lub Millera, osiągają sprawność cieplną rzędu 40–45%,a niektóre konstrukcje (jak najnowszy silnik Nissana e-POWER) w warunkach laboratoryjnych zbliżają się nawet do 50%. To wartości wcześniej nieosiągalne w jednostkach przeznaczonych do bezpośredniego napędu kół. Tak wysoka efektywność możliwa jest dzięki pracy w stałym punkcie obciążenia – silnik nie napędza kół bezpośrednio, lecz pełni funkcję generatora energii, co pozwala utrzymać optymalne warunki spalania. W klasycznych układach spalinowych uzyskanie podobnych wartości byłoby praktycznie niemożliwe.
EREV – druga młodość zapomnianego rozwiązania
Równolegle z rozwojem hybryd szeregowo-równoległych obserwujemy renesans technologii przedłużaczy zasięgu, znanych pod skrótem EREV (extended range electric vehicle). Sama koncepcja nie jest nowa – wykorzystywano ją już w takich modelach, jak BMW i3 REx oraz Chevrolet Volt. Wówczas traktowano ją jednak jako rozwiązanie przejściowe między silnikiem spalinowym a pełną elektryfikacją i produkcję większości z tych pojazdów szybko zakończono. Technologia odebrano wówczas jako kompromis, a nie rozwiązanie docelowe. Dziś sytuacja wygląda inaczej. Dane z rynku chińskiego opublikowane przez CPCA (China Passenger Car Association) wskazują, że w ostatnim pełnym roku w segmencie pojazdów z EREV odnotowano kilkunastoprocentowy wzrost. Powód jest czysto pragmatyczny: infrastruktura ładowania rozwija się wolniej, niż zakładano, a przedłużacz zasięgu skutecznie eliminuje tzw. obawę przed niewystarczającym naładowaniem..
W przeciwieństwie do wcześniejszych konstrukcji współczesne układy EREV zapewniają pełną moc napędową niezależnie od trybu jazdy. Kluczowa różnica między pojazdami elektrycznymi z rozszerzonym zasięgiem a klasycznymi hybrydami plug-in (plug-in hybrid electric vehicle – PHEV) tkwi w filozofii projektowania. Pojazdy EREV wywodzą się z konstrukcji czysto elektrycznych – to samochody elektryczne, do których dodano niewielki silnik spalinowy, który pełni funkcję generatora prądu.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
W hybrydach plug-in jest odwrotnie: bazą jest klasyczna platforma spalinowa, do której dołączono silnik elektryczny, umieszczony między jednostką spalinową a skrzynią biegów. W efekcie to właśnie pojazdy typu EREV stają się pomostem między pojazdami elektrycznymi a hybrydami – łącząc prostotę napędu BEV (battery electric vehicle – pojazd elektryczny zasilany wyłącznie z baterii) z elastycznością i zasięgiem zapewnianym przez silnik spalinowy.
Przykłady nowych konstrukcji z rynku
Na polskim rynku pojawiają się już modele reprezentujące nową generację układów napędowych. Jednym z przykładów jest MG3 Hybrid+, w którym zastosowano układ łączący silnik benzynowy o pojemności 1,5 l z elektrycznym silnikiem trakcyjnym. Całość współpracuje z 3-stopniową przekładnią hybrydową, umożliwiającą płynne przełączanie między trybami: elektrycznym, szeregowym i równoległym. Akumulator o pojemności 1,83 kWh zapewnia możliwość pokonania ok. 10 km wyłącznie na napędzie elektrycznym. To niemal 2-krotnie więcej niż w typowych pojazdach hybrydowych.
Większy model, MG ZS/EHS, dostępny jest również w wersji plug-in hybrid z akumulatorem 24 kWh. Według normy WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures) daje on zasięg do 100 km w trybie czysto elektrycznym. Tego typu konstrukcje odzwierciedlają szerszy trend wśród azjatyckich producentów – większy akumulator pozwala na codzienną eksploatację w trybie elektrycznym, a silnik spalinowy służy jako wsparcie na dłuższych trasach, zapewniając pełną elastyczność użytkowania. Koncepcję przedłużacza zasięgu rozwija natomiast Leapmotor C10 EREV. Producent wyposażył swój samochód w akumulator o pojemności 28,4 kWh, który umożliwia przejechanie ok. 145 km w trybie elektrycznym.
Globalne odpowiedzi na chińskie wyzwanie
Europejscy producenci nie pozostają bierni wobec dynamicznego rozwoju chińskich technologii napędowych. Dowodem na to są działania ich chińskich oddziałów – podczas targów Auto Shanghai 2025 koncern Volkswagen Group China zaprezentował koncepcyjnego SUV-a – ID. ERA – pojazd elektryczny z silnikiem spalinowym, który pełni funkcję generatora energii. Prototyp wyposażono w akumulator umożliwiający przejechanie do 300 km w trybie elektrycznym, a po uruchomieniu generatora całkowity zasięg przekracza 1000 km. Projektu nie zatwierdzono jeszcze do produkcji seryjnej, ale wyraźnie pokazuje on, że również europejskie koncerny dostrzegają potencjał koncepcji EREV.
Podobne kierunki rozwoju widać także za oceanem. Amerykańska spółka zależna Volkswagena – Scout Motors – planuje wprowadzenie do produkcji elektrycznych SUV-ów i pick-upów z opcjonalnym przedłużaczem zasięgu w latach 2026–2027. Z kolei koncern Stellantis rozwija model Ram 1500 Ramcharger. W nim zastosowano chłodzony cieczą akumulator o pojemności 92 kWh, który współpracuje z 3,6-litrowym silnikiem V6 pełniącym funkcję generatora energii. Według danych producenta zasięg w trybie elektrycznym wyniesie ok. 145 km, a łączny zasięg całkowity przekroczy 1000 km. Te przykłady potwierdzają, że technologia EREV stopniowo staje się globalnym trendem w przemyśle motoryzacyjnym.
Reakcja na zapotrzebowanie rynku
Rosnące zainteresowanie napędami z przedłużaczami zasięgu i układami szeregowo-równoległymi skłania producentów komponentów do opracowywania zintegrowanych modułów napędowych. Coraz częściej są to kompletne zestawy obejmujące generator, elektronikę mocy, przekładnię i system sterowania, które można łatwo zaadaptować do różnych typów pojazdów. Część firm dostarcza jedynie moduły elektryczne, pozostawiając wybór silnika spalinowego producentowi pojazdu. Inne oferują pełne układy napędowe z jednostką spalinową w komplecie.
Przykładem takiego rozwiązania jest system z generatorem o mocy ciągłej 85 kW i energoelektroniką pracującą przy napięciu 800 V, którego sprawność przekracza 97%. Towarzyszy mu silnik benzynowy z turbodoładowaniem o mocy 30–120 kW. Czterosuwowy silnik spalinowy, którego działanie oparte jest na wykorzystaniu cyklu Millera, osiąga sprawność cieplną ponad 42%. To parametry porównywalne z najlepszymi jednostkami na rynku.
Dynamiczny rozwój widać również w segmencie dedykowanych przekładni hybrydowych DHT. Chińscy dostawcy oferują dziś kompletne platformy DHT dla europejskich producentów pojazdów, a część z tych technologii trafia już do pojazdów eksportowanych na rynki europejskie. Rozwiązania te umożliwiają łączenie trybu szeregowego z równoległym, co zwiększa elastyczność pracy układu w różnych warunkach obciążenia i prędkości jazdy.
Źródło: Materiały redakcyjne
O Autorze
