Přehled hybridních technologii (úvodní 1. díl seriálu)

Nejvyspělejším, nejpropracovanějším a nejhospodárnějším je Lexus Hybrid Drive, uplatněný u již úspěšně prodávaných modelů značky Lexus!

Začátky

Myšlenka hybridního pohonu pro automobily není žádnou novinkou. Je téměř tak stará jako samotný automobil. Na přelomu 19. a 20. století měl elektrický pohon oproti spalovacímu motoru ve svých parametrech dokonce jednoznačně navrch, avšak karta se brzy obrátila. Některé velké automobilky se k myšlence hybridního pohonu vrátily ve svých experimentálních studiích zejména v 70. a 80. letech, kdy začínalo být zřejmé, že si ochrana životního prostředí vyžádá změnu celkového přístupu ke konstrukci automobilu a jeho poháněcího ústrojí. Přímá historie systému Lexus Hybrid Drive sahá až do absolutních prvopočátků úvah a prvních testů hybridních systémů pohonu.

Lexus Hybrid Drive

Úspěchy prvního sériového plně hybridního vozu světa – Toyoty Prius – inspirovaly použití hybridního pohonu v dalších modelových řadách značek Toyota a Lexus. Luxusní divize Lexus vyvinula pro své prémiové automobily vlastní hybridní systém Lexus Hybrid Drive. Jako první tak mohla s velkým předstihem před ostatními prémiovými značkami nabídnout zákazníkům výhody technicky nejvyspělejšího hybridního systému, který se vyznačuje kombinací nadstandardní výkonnosti a významného snížení spotřeby paliva. A tento stav trvá v podstatě dodnes, kdy mají prodejci japonské luxusní značky pro své klienty připraveny hned tři špičkové hybridní vozy, zatímco konkurence přichází s prvními pokusy o výrobu hybridních vozů až nyní.

Know how

Toyota s Lexusem může stavět na mnohaletých zkušenostech z vývoje a výroby hybridních pohonů. Obě tyto značky prodaly od konce roku 1997 do ledna 2009 po celém světě 1,7 milionu automobilů s hybridním pohonem. Prvním luxusním vozem na světě s plně hybridním pohonem se stal v roce 2005 Lexus RX 400h. O rok později navázal na tento působivý crossover první dynamicky laděný luxusní sedan GS 450h. Opět s ročním odstupem následovala první luxusní limuzína LS 600h s plně hybridním systémem založeným na vidlicovém osmiválci a stálým pohonem kol. Letos pak měla premiéru již druhá generace hybridních crossoverů RX 450h. Spojení suverénního výkonu (220 kW/299 k) a neuvěřitelně nízké spotřeby paliva (kombinovaná spotřeba činí 6,3 l/100 km, emise CO2 148 g/km) jen potvrzuje u této novinky obrovský technický náskok značky Lexus. Bezkonkurenční postavení hybridních systémů značek Toyota/Lexus dokládá i skutečnost, že některé automobilky již zakoupily licenci na jejich využití.

Co vlastně hybrid znamená?

Co si však máme představit, když se řekne hybridní vůz? Přestože ve skutečnosti existuje celá řada hybridních systémů, pro každý hybridní vůz platí, že má alespoň dva přímé nebo nepřímé zdroje hnací síly. V praxi to znamená zpravidla spalovací motor a elektromotor. Vhodnou kombinací obou těchto agregátů lze využít jejich vrozené přednosti a potlačit jejich nevýhody. Hybridní soustava nemusí mít samozřejmě jen jeden elektromotor. Na vysoký výkon orientovaný systém Lexus Hybrid Drive používá dva nebo dokonce tři.

Na palubě každého hybridního vozu jsou dále přítomny dva zásobníky energie v podobě nádrže na kapalná nebo plynná paliva (nejčastěji benzin) a větší či menší sada akumulátorů. Součástí výbavy hybridu je rovněž zařízení na přeměnu mechanické energie na elektrickou. Tuto funkci plní zpravidla elektromotory, které pracují buď v režimu motor (pohání) či generátor (dobíjí baterie). Prakticky u všech hybridních systémů tak zvyšuje účinnost celého hnacího řetězce rekuperace kinetické energie při brzdění či během jízdy bez stlačeného akcelerátoru. Díky tomu nevyžadují dosud vyráběné hybridní vozy nabíjení akumulátorů z vnější sítě, což ani není možné vzhledem k chybějící elektrické zásuvce. Lexus ovšem pro blízkou budoucnost s tzv. „plug-in hybridy“ počítá, neboť akumulátory s větší kapacitou a vnějším dobíjením umožní používat vůz v čistě elektrickém režimu EV (Electric Vehicle), bez produkce přímých emisí, na mnohem delší vzdálenosti, než je možné u současných systémů Lexus Hybrid Drive bez vnějšího dobíjení.

Různé druhy hybridů

Hybridní systémy se teoreticky rozdělují podle toku výkonu na hybridní systémy sériové, paralelní a smíšené (sériově-paralelní). Z hlediska stupně elektrifikace poháněcího ústrojí existují tzv. „micro hybridy“, „mild hybridy“ a „full hybridy“. Prvky jednotlivých druhů hybridních systémů lze vzájemně kombinovat, aby výsledná hybridní soustava dosahovala požadovaných vlastností.

Sériová hybridní soustava má spalovací motor, který pohání pouze generátor, ale s poháněnými koly není nijak mechanicky spojený. Takto vyráběná elektrická energie napájí přímo trakční elektromotor, zatímco přebytky elektrické energie se ukládají do akumulátorů pro pozdější použití. Z toho je patrné, že vůz je poháněn pouze elektromotorem a spalovací motor se na pohonu podílí jen nepřímo. Výhodou je možnost provozovat spalovací motor v úzkém rozsahu otáček, kdy dosahuje nejvyšší účinnosti, a vypínat ho v případech, kdy je dostatečně nabitý akumulátor. Nevýhodou sériového uspořádání je kromě ztrát z vícenásobné přeměny energie (snižuje celkovou účinnost soustavy) skutečnost, že systém s vysokým výkonem by musel být tvořen velkým a výkonným spalovacím motorem, který by zajistil dostatečné napájení elektromotoru. Jeho rozměry a hmotnost by při odpovídajícím výkonu rovněž nebyly skromné. Je to tedy řešení vhodné jen pro relativně malé vozy s menšími nároky na výkon.

V paralelním hybridním systému jsou motor a elektromotor uspořádány tak, aby se oba tyto zdroje mohly společně přímo podílet na pohonu vozidla. Paralelní hybrid může mít oproti sériovému se stejným výkonem menší spalovací motor i elektromotor. Nicméně paralelní hybridní systém nenabízí veškeré možné kombinace pohonu ani takovou efektivitu provozu, jako je tomu v případě sériově-paralelních systémů – viz níže.

Technicky nejnáročnější, avšak z hlediska minimalizace spotřeby paliva a škodlivých emisí nejúčinnější, jsou sériově-paralelní hybridní soustavy, jejichž skvělým příkladem je systém Lexus Hybrid Drive. U tohoto systému rozděluje hybridní převodovka, skládající se z planetového soukolí a dvou elektromotorů, výkon z jednotlivých zdrojů energie (spalovací motor, elektromotory). Díky tomu mohou hybridní modely Lexus fungovat pouze v režimu spalovacího motoru nebo samotných elektromotorů anebo jako spojení obou.

V situacích, kdy spalovací motor běží nehospodárně, např. při rozjezdu a pomalé jízdě, pohání vůz pouze elektromotor a spalovací motor je vypnutý. Za normální jízdy větší rychlostí optimalizuje řídicí jednotka účinnost systému regulací podílu výkonu spalovacího motoru a elektromotorů. Přebytek výkonu spalovacího motoru se ukládá do akumulátorů pro pozdější použití, např. při akceleraci, kdy je činnost spalovacího motoru podpořena točivým momentem elektromotoru. Kdykoli není spalovací motor k provozu automobilu zapotřebí, elektronická řídicí jednotka jej ihned vypne. V tomto ohledu je přínosnou novinkou systém rekuperace tepelné energie z výfukových plynů, který měl premiéru v novém modelu Lexus RX 450h. Díky oběhu chladicí kapaliny jednotkou za katalyzátorem se motor ohřívá rychleji na provozní teplotu, takže jej řídicí jednotka může vypínat dřív, častěji a na delší dobu.

Jedině „full hybrid“ uspoří až 50 % paliva

Systém Lexus Hybrid Drive patří mezi tzv. „full hybridy“. Toto označení vyjadřuje, že elektrická část hybridní soustavy je tak výkonná, že dokáže za jistých okolností sama zajišťovat pohon vozu, zatímco spalovací motor zůstává vypnutý. „Full hybridy“ nabízejí největší úsporu paliva, která může dosahovat až 50 % v porovnání s konvenčním pohonem. Spalovací motor totiž může být výrazně menší, aniž by došlo ke zhoršení dynamických parametrů vozu. Vzhledem k tomu, že elektromotory jsou schopné zcela nebo částečně pokrýt velké oblasti provozních podmínek, může být konstrukce spalovacího motoru upravena pro zvlášť vysokou účinnost a celý systém nastaven tak, aby motor běžel co nejčastěji právě v tomto režimu největší hospodárnosti. Lexus například používá v novém modelu RX 450h motor s Atkinsonovým spalovacím cyklem, který dosahuje vyšší účinnosti, ale v běžných vozech se nepoužívá kvůli nevhodnému průběhu točivého momentu. Kombinací s elektromotorem vzniká ovšem ideální partnerství, protože elektromotor dodává velký točivý moment přesně tam, kde má motor s Atkinsonovým cyklem z hlediska hnací síly slabiny. Druhá generace systému Lexus Hybrid Drive kromě toho ukazuje, že se postupným vývojem a aplikací inteligentních řešení úspěšně daří potlačovat slabé stránky „full hybridů“ v podobě nárůstu hmotnosti a větší prostorové náročnosti hybridní soustavy na zástavbu do vozu. V tomto směru se očekává další pokrok od přechodu ze současných akumulátorů Ni-MH na výkonnější a kompaktnější Li-Ion.

V půli cesty, aneb není hybrid jako hybrid

Větší technická náročnost „full hybridu“ vedla některé automobilky k aplikaci systému zvaného „mild hybrid“. Jak je již z názvu patrné, plní elektrická část jen podpůrnou funkci a hlavní břímě pohonu spočívá na spalovacím motoru. Elektromotor podporuje spalovací motor svým točivým momentem během akcelerace, zajišťuje funkci Start-Stop a umožňuje jistou míru rekuperace kinetické energie. Na rozdíl od „full hybridu“ ovšem sám „neutáhne“ pohon celého vozu. Celá soustava „mild hybridu“ je mnohem jednodušší, lehčí a menší, avšak menší jsou i dosahované úspory paliva ve výši cca 15 %, omezený je samozřejmě také nárůst výkonu, který je pro řidiče prestižních vozů velmi významnou vlastností.

Z hlediska výše uvedené definice hybridního vozu nepatří „micro hybrid“ mezi plnohodnotné hybridní systémy pohonu. Jedná se však o první stupeň postupující elektrifikace hnacího řetězce se spalovacím motorem. Mikrohybridní pohony jsou vybaveny systémem Start-Stop (kombinace spouštěče a generátoru na klikovém hřídeli), který zastavuje motor vozu stojícího déle než 3 sekundy a okamžitě motor opět spustí, jakmile projeví řidič přání znovu se rozjet. Malý akumulátor se navíc dobíjí rekuperací brzdné energie, aby se snížilo zatížení spalovacího motoru během provozu. Tento systém dosahuje úspory paliva v hustém městském provozu a v dopravních zácpách v řádu jednotek procent.

S hybridem k úspoře, ale také k většímu komfortu

Hybridní soustavy představují jakýsi mezistupeň ve vývoji od automobilů poháněných konvenčními spalovacími motory k elektromobilům, které budou nezávislé na uhlovodíkových palivech a zajistí mobilitu bez přímých emisí. Stejně jako spalovací motory prochází i hybridní systémy bouřlivým technickým vývojem, což názorně ukazují jednotlivé generace hybridního systému Lexus Hybrid Drive. Každá nová generace je lehčí, kompaktnější, výkonnější a především hospodárnější.

Bez povšimnutí by neměla zůstat ani vysoká úroveň komfortu a uživatelské přívětivosti hybridních vozů Lexus. Řízení je velice snadné a v podstatě se nijak neliší od konvenčních vozů se samočinnou převodovkou. Vlastně určité odlišnosti tu jsou: hybridní modely Lexus jsou ještě komfortnější, tišší a především hospodárnější než provedení s klasickým pohonem. Řidič nemusí mít tedy obavy, že by na něj při řízení hybridního vozu čekaly nějaké komplikace. Jízdu v hybridních modelech Lexus si cestující naopak ještě víc užijí. A to po všech stránkách – i z hlediska dynamiky, kterou lidé zpravidla od ekologického automobilu s nízkou spotřebou nečekají. U hybridních vozů Lexus je rovněž jedinečná možnost cestovat na krátké vzdálenosti (cca 5 km) malými rychlostmi v čistě elektrickém režimu EV (Electric Vehicle) – zcela bez jakýchkoliv škodlivých emisí a v téměř tichém prostředí luxusně zařízené kabiny. Stačí jen stisknout příslušné tlačítko.