Baterie v hybridních vozidlech

Vlády různých zemí již dlouhodobě prosazují politiku zaměřenou na snižování spotřeby paliva a znečištění životního prostředí. Děje se tak tak, aby se neměnily zavedené řidičské návyky, a hybridní doprava na tuto poptávku reaguje nejvíce. Lídrem v její propagaci je v současnosti Japonsko, kde je problém vysoké spotřeby paliva a ekologie velmi aktuální.

Účelem hybridního pohonného ústrojí je úspora paliva bez ztráty výkonu. Toho je dosaženo použitím jednoho nebo více elektromotorů, které pomáhají spalovacímu motoru (ICE) při akceleraci a zároveň přeměňují kinetickou energii generovanou při brzdění na elektřinu. ICE v hybridních automobilech se na semaforech vypíná a za pohyb vozu nízkou rychlostí je zodpovědný elektromotor. Při maximálním výkonu využívá HEV všechny své motory.

HEV využívá mechanickou převodovku k přenosu výkonu ze spalovacího motoru na kola. V tomto ohledu se HEV podobá konvenčnímu automobilu s klikovým hřídelem a spojkou, což je také známé jako paralelní konfigurace. Úspory paliva se dosahuje použitím menšího spalovacího motoru, který je optimalizován pro maximální palivovou účinnost, spíše než pro vysoký točivý moment. Toyota tvrdí, že její hybridní vůz Prius nejnovější generace má tepelnou účinnost 40 %. Elektromotor dokáže poskytnout dynamičtější zážitek z jízdy, protože poskytuje větší točivý moment než motor s podobným výkonem.

Standardní rozsah AGM	Deep Cycle Range AGM	GEL řady Gellyte
10 – 12 let / 600 cyklů	10 – 12 let / 700 cyklů	10 – 12 let / 750 cyklů
univerzální řada AGM	pro hluboké výboje AGM	univerzální řada GEL

Většina bateriových systémů používaných v hybridních elektromobilech (HEV) má garantovanou životnost 8 let. Toho je dosaženo optimalizací prvků takového systému pro odolnost, spíše než pro vysokou specifickou energetickou kapacitu, jak je tomu u baterií spotřebních zařízení. Výrobci v takových článcích používají silnější a odolnější separátor, což má příznivý vliv na jejich životnost. Pro minimalizaci opotřebení by bateriový systém HEV měl pracovat v rozsahu stavu nabití 30–80 %, což odpovídá napětí lithium-iontového článku 3,5–4,0 V, na rozdíl od standardních 3,0–4,2 V.

Systém baterií hybridních vozidel pracuje spíše v dávkách, podobně jako startovací baterie, v tom smyslu, že se jedná o krátké výboje energie pro zrychlení, spíše než o dlouhé nepřetržité vybíjení jako u elektromobilu. Je extrémně vzácné, aby se baterie HEV vybila na nízký stav nabití 20 procent. Za normálního provozu spotřebuje paralelní HEV méně než 2 procenta své dostupné kapacity baterie na míli (1,6 km). Pokles kapacity je nepostřehnutelný a baterie HEV stále fungují dobře s méně než polovinou své původní kapacity.

Obrázek 1 ukazuje pokles kapacity baterií šesti hybridních vozidel po ujetí 256 000 km (2006 1634 mil). Testy byly provedeny v rámci programu FreedomCAR and Vehicle Technologies (FCVT) amerického ministerstva energetiky v roce XNUMX v souladu s normou SAE JXNUMX a zahrnovaly hybridní vozidla Honda Civic, Honda Insight a Toyota Prius.

Obrázek 1: Pokles kapacity bateriového systému hybridního vozidla. Po ujetí 256 000 km měly oba vozy Honda Civic kapacitu 68 %, Insight 85 % a Toyota Prius pouze 39 %. Za zmínku stojí, že pokles kapacity nemá významný vliv na zvýšení spotřeby paliva.

Řada Marin GEL	Řada Deep Cycle GEL	Řada solárních GELů
10 – 12 let / 800 cyklů	10 – 12 let / 800 cyklů	10 – 12 let / 800 cyklů
pro elektromotory člunů a člunů	pro hluboké cyklické výboje	pro solární elektrárny

Bateriový systém obou vozů Honda Civic měl zbývající kapacitu 68 %, Insight 85 % a Toyota Prius 39 %. I kdyby byl pokles kapacity větší, spotřeba paliva by nebyla vážně ovlivněna. Insight vykázal pokles spotřeby paliva o 0,12 l/100 km, zatímco Toyota Prius zaznamenala pokles o 0,33 l/100 km. Klimatizace byla v obou případech vypnutá.

Zároveň hybridní nákladní automobily s celkovou hmotností vozidla až 33 tun mají poměrně přísné požadavky na bateriový systém. Baterie musí být schopna nepřetržitého nabíjení nebo vybíjení při teplotě 4 °C, poskytovat výkon 10 kW (200 koní) po dobu 10 minut, pracovat při teplotách od -20 °C do 40 °C a mít životnost 5 let. Superkondenzátory by mohly poskytnout požadovanou odolnost, ale mají rozhodující nevýhodu v podobě vysokých nákladů a nízké hustoty energie. Olověný elektrochemický systém má dobré vybíjecí vlastnosti, ale má velmi pomalý proces nabíjení. Lithium-iontové baterie, zejména technologie LTO, jsou dobrou volbou, ale při vysokém zatížení budou potřebovat samostatný chladicí systém. Experimentální druhá generace nikl-metalhydridových baterií vypadá slibně a nelze zanedbávat ani spolehlivý nikl-kadmiový systém.

Paradox hybridní dopravy

Překvapivě neexistuje všeobecný konsenzus ohledně hybridní dopravy a stále se čas od času objevují debaty o její efektivitě a hospodárnosti. Na konferencích věnovaných moderním autobateriím odpůrci HEV často hovoří o lepší účinnosti dieselových vozů. Výrobci hybridů, kteří nepochybně používají marketingové nástroje, taková tvrzení kategoricky popírají. Pravda je pravděpodobně někde uprostřed. V městském provozu HEV jasně vykazují lepší palivovou účinnost, ale diesel spotřebuje na dálnici méně. Kombinace obou technologií jistě poskytne nejlepší možnost, ale vysoká cena diesel-hybridních řešení se nemusí vyplatit nízkými cenami pohonných hmot, ačkoliv taková vozidla jsou v Evropě k dispozici.

Hybridní manažerské vozy jsou vybaveny plnohodnotným spalovacím motorem o výkonu 250 koní a elektromotorem o výkonu 150–400 koní. Taková vozidla si své kupce jistě najdou, zejména s vládními dotacemi. Je trochu škoda, že ti, kdo chodí pěšky, jezdí na kole nebo využívají veřejnou dopravu, takové bonusy nedostávají. Selský rozum všem říká, že pro co největší úsporu energie je nutné minimalizovat řízení, a pokud je to nutné, používat malá vozidla.

Trojan Marine RV	Hluboký cyklus AGM	Trojan GEL Deep Cycle
10 – 12 let / 700 cyklů	10 – 12 let / 600 cyklů	10 – 12 let / 800 cyklů
pro říční a námořní dopravu	pro elektromotory, solární elektrárny, vysoké zátěže

Wolfgang Hatz, bývalý šéf výzkumu a vývoje ve společnosti Volkswagen Group, uvedl, že hybridní technologie je velmi drahý způsob, jak ušetřit malé množství paliva, a tvrdil, že Volkswagen vyrábí hybridní vozy pouze kvůli politickému tlaku. Dodal, že dieselové motory jsou energeticky nejúčinnější, zejména na dálnicích.

Ale možná měla tato automobilka nejlepší řešení: Volkswagen 1-Liter Car (obrázek 2). Jak název napovídá, tento koncepční vůz spotřebuje pouze 1 litr paliva na 100 km. Aby dokázal vážnost vývoje, tehdejší šéf koncernu Volkswagen Ferdinand Piëch osobně řídil tento vůz ze svého sídla ve Wolfsburgu na setkání dražitelů v Hamburku. Průměrná spotřeba paliva na této cestě byla pouze 0,89 litru na 100 km.

Obrázek 2: Litrový vůz Volkswagen. Tento vůz byl považován za nejúspornější na světě, ale jeho sériová výroba nebyla nikdy zahájena.

Tak nízké spotřeby paliva bylo dosaženo díky vylepšené aerodynamice a snížené hmotnosti. Zatímco standardní vůz má koeficient odporu vzduchu 0,30, Volkswagen 1-Liter Car měl koeficient odporu vzduchu pouze 0,16. Panely karoserie z uhlíkových vláken a hořčíkový rám umožnily snížit hmotnost na 290 kg. Jednoválcový vznětový motor dosahoval výkonu 1 koní (8,5 kW) a nádrž o objemu 6,3 litru poskytovala dojezd 6,5 km. Průměrná spotřeba paliva byla 650 litru na 0,99 km.

Ačkoli se litrový vůz nikdy nedostal do sériové výroby, Volkswagen prokázal, že je možné extrémně efektivně využívat fosilní paliva. Tato osobní doprava z bodu do bodu byla umožněna snížením hmotnosti na rekordních 1 kg, což je dokonce lehčí než 290kg baterie v Tesle S. Místo spotřeby 540–150 Wh na kilometr, jako je tomu u elektromobilů, spotřeboval litrový vůz pouze 200 Wh. A i přes spalování fosilních paliv byl dopad na životní prostředí menší než u výroby elektřiny odpovídající ujeté vzdálenosti.

Plug-in hybridní elektromobil (PHEV)

Většina plug-in hybridních vozidel využívá plně elektrický pohon, který postrádá mechanické spojení mezi spalovacím motorem a koly. Tato konfigurace využívá k pohonu pouze elektrický pohon a spalovací motor se aktivuje pouze tehdy, když není bateriový systém dostatečně nabitý pro napájení elektromotorů. Dojezd plně nabité baterie PHEV je přibližně 50 km.

Monitor baterie	Ochrana proti hlubokému vybití	Balancér baterie
ovládání více než 25 parametrů, historie a synchronizace	Ochrana nízkého a vysokého napětí, nastavitelná	pro systémy 12, 24, 36 a 48V možné paralelní připojení

PHEV je ideální pro dojíždění nebo jiné krátké cesty. Na krátké vzdálenosti nedochází ke spotřebě paliva a v některých zemích je jízda po zpoplatněných silnicích pro elektromobily zdarma. Pokud si však takové auto nabíjíte doma, měli byste se připravit na vyšší náklady na elektřinu.

Na rozdíl od paralelní konfigurace HEV, kde je zátěž baterie pouze krátkodobá, PHEV provozuje bateriový systém v režimu vybíjení, což vede k většímu opotřebení a v důsledku toho snižuje jeho životnost. Zatímco pokles kapacity baterie Toyota Prius HEV na 39 % bude mít pouze malý vliv na celkový výkon, stejný pokles u PHEV zkrátí možný dojezd z 50 na 20 km.

Chevrolet Volt je vybaven lithium-iontovou baterií o kapacitě 16 kWh, která váží 181 kg a je schopna pohánět elektromotor o výkonu 149 koní. Provozní teplota během jízdy a nabíjení takové baterie by měla být 20–25 °C. Zásuvka s napětím 115 V tuto baterii nabije za 8 hodin a zásuvka s napětím 220 V za 3 hodiny. Chevrolet Volt dokáže ujet 64 mil, než se zapálí čtyři válce spalovacího motoru o objemu 4 litru, což aktivuje alternátor o výkonu 1,4 kW pro výrobu elektřiny.

Ekonomická složka

Navzdory všem výhodám PHEV mohou být dlouhodobé úspory z jeho používání menší, než se očekávalo, zejména pokud během životnosti takového vozu bude nutné vyměnit baterii. Proces stárnutí baterie je velký problém, o kterém výrobci automobilů v reklamních brožurách nijak zvlášť neradi hovoří. Řidiči zvyklí na vozy se spalovacími motory od ní vždy očekávají dostatečný výkon jak v horku, tak v chladu, a degradace výkonu související s věkem je v tomto případě minimální. Baterie však tato očekávání nemůže plně splnit a řidič se musí připravit na pokles počtu najetých kilometrů v zimě, stejně jako na postupný mírný pokles kapacity s věkem.

V moderních automobilech není důležitá jen čistě dopravní složka, ale také pohodlí, bezpečnost a dokonce i potěšení z jízdy. Absence systémů vytápění a klimatizace v autě se již jeví jako něco mimořádného. A pokud je teplo vedlejším produktem spalovacího motoru, pak je u PHEV již nutné jej vyrábět samostatně a ještě větším problémem je klimatizace, která spotřebovává 3–5 kW výkonu. Z toho vyplývá, že chvíle pohodlí v PHEV by měly být poskytovány ekonomičtěji, a to vzhledem k jejich zatížení bateriového systému.

Ale i PHEV má svého spotřebitele, který si cení ekologické složky a potěšení z tiché jízdy, poháněné elektřinou. To je pro kupujícího velkým lákadlem, protože elektrická pohonná jednotka je ve srovnání se spalovacím motorem „přirozenější“. Řidič takového vozidla se musí přizpůsobit jeho provozu, protože je lepší jej nabíjet v noci, kdy je elektřina levnější, a mít na paměti omezení počtu najetých kilometrů. Naštěstí se již objevuje stále více nabíjecích stanic, které tato omezení postupně ruší.

Poslední aktualizace 2016. 05. 30

Nabíječka Phoenix	Skylla-i	Skylla-TG
12/24 V, 16–200 A	24 V, 80–500 A	24/48 V, 30–500 A
Výkonné profesionální nabíječky pro jachty, lodě a další druhy dopravních prostředků. K dispozici jsou jednofázové a třífázové vysoce výkonné nabíječky. Vícestupňové adaptivní nabíjení s manuálním ovládáním.