Onderwerpen:
- Inleiding
- Hybridevormen
- Micro hybride
- Mild hybride
- Seriële hybride aandrijving
- Parallelle hybride aandrijving
- Plug-in hybride
- Energieterugwinning
- Systeemoverzicht Toyota Prius
- Systeemoverzicht Mitsubishi Outlander
- Transmissie van een hybride-voertuig
Inleiding:
Bij verbranding van fossiele brandstoffen komt er koolstofdioxide (CO2) vrij. Deze CO2 hoopt zich in de atmosfeer op. Wanneer het zonlicht op de aarde valt, kan de warmtestraling door de CO2 ophoping niet meer ontsnappen, waardoor het ‘broeikaseffect’ ontstaat. 120g CO2 / km komt overeen met:
- 5,2 l benzine / 100 km
- 4,5 l diesel / 100 km
- 4,4 kg aardgas / 100 km
- 1,0 kg waterstof / 100 km
- 20 kWh stroom / 100 km
Met de hybride techniek wordt de CO2 reductie (uitstoot) verminderd. Fabrikanten zijn op dit moment druk bezig om steeds meer technieken te ontwikkelen om een energietransitie van CO2-neutraal rijden te kunnen realiseren.
Hybridevormen:
Voertuigen met hybride aandrijving maken gebruik van zowel de verbrandingsmotor als een elektromotor. Het doel van de hybridisering is vooral het verlagen van de het brandstofverbruik en de uitlaatgasemissies. Bijkomende voordelen dankzij de elektromotor(en) zijn een hoger koppel en meer comfort.
Bij hybride aandrijvingen wordt er onderscheid gemaakt tussen Micro-hybride, Mild-hybride en Full-hybride voeruigen.
Een voertuig met volledig elektrische aandrijving valt niet onder de categorie “hybride”. Een voertuig uitgerust met een range extender, kunnen we onder de noemer “serie hybride” plaatsen.
Het onderstaande schema toont de verschillende hybridevormen van een lage tot hoge vorm van elektrische ondersteuning cq. aandrijving.
Micro hybride:
Een micro-hybride voertuig beschikt niet over een elektromotor om de verbrandingsmotor tijdens het rijden te ondersteunen, maar is uitgerust met diverse brandstof besparende technologieën. Er is hier dus geen sprake van een HV- (Hoog Voltage) systeem. De brandstofbesparing wordt bereikt middels het start- / stopsysteem, welke automatisch de motor af laat slaan en laat starten wanneer het voertuig stil staat en een regeneratiesysteem voor de accu. Dit regeneratiesysteem laat de dynamo maximaal laden op het moment dat het voertuig afremt. De energie die normaliter in de remblokken verloren gaat, wordt nu deels gebruikt om de 12 volt accu op te laden. Daardoor is tijdens het rijden met constante snelheid geen extra brandstofinspuiting nodig voor de verhoogde belasting van de dynamo en wordt er brandstof bespaard.
Mild hybride:
Bij Mild-hybride voertuigen wordt de verbrandingsmotor ondersteund door één of twee 48 volt elektromotoren die onder verschillende bedrijfsomstandigheden extra vermogen leveren. De elektromotor assisteert de verbrandingsmotor bij het accelereren. Bij het rijden op constante snelheid wordt de elektromotor automatisch weer uitgeschakeld. Het voertuig kan hierbij dus niet volledig elektrisch rijden.
De elektromotor bevindt zich nabij het vliegwiel, of er is een ketting- / tandriemoverbrenging tussen de elektromotor en het uiteinde van de krukas. De relatief compacte 48 volt accu bevindt zich veelal in de kofferruimte.
De afbeelding toont een elektromotor in de vliegwielbehuizing van de verbrandingsmotor. Ook hierbij is geen sprake van een HV-systeem. Een technicus zonder NEN-certificaat mag daarom ook werkzaamheden doen aan de elektrische aandrijflijn.
Ook kan een micro-hybride voertuig zijn uitgerust met 48 volt startmotorgenerator, wat feitelijk een combinatie is van een dynamo en startmotor. Fabrikanten geven de volgende benamingen aan dit type startmotorgenerator:
- Dynastart;
- Starter generator;
- Belt driven starter-alternator;
- Belt integrated starter-generator (BSG).
Met behulp van een mechanisme kan de multiriem – afhankelijk van laden of starten – aan de juiste zijde strak worden aangetrokken.
De onderstaande drie afbeeldingen weergeven de drie mogelijke posities tijdens het (regeneratief) laden van de accu, starten van de verbrandingsmotor en de elektromotormodus, waarbij hij de verbrandingsmotor ondersteunt. De ondersteuning bij turbomotoren vindt voornamelijk plaats in het lage toerengebied, waarin de “boost” van de elektromotor het zogenaamde turbogat opvangt.
Een 48 volt startmotordynamo vervangt de “gewone” 12 volt dynamo. Naast de 48 volt accu hebben we ook nog de 12 volt accu voor het boordnet die de verlichting, deursloten en accessoires in de auto van energie voorziet. Een DC-DC-omvormer / converter (transformator) zet 48 volt om in 12 volt om de accu te kunnen laden.
Seriële hybride aandrijving:
Een voertuig met seriële hybride aandrijving wordt uitsluitend door de HV-elektromotor aangedreven. Er is geen directe verbinding tussen de verbrandingsmotor en de wielen. In de onderstaande afbeelding is een voorbeeld te zien van een achterwiel aangedreven serie-hybride auto.
Tussen de verbrandingsmotor (1) en de generator (3) bevindt zich een koppeling (2). Wanneer de motor draait en de koppeling gesloten is, wordt de HV-accu (7) door middel van de generator (3) en de omvormer cq. inverter (6) opgeladen. De inverter regelt de door de generator geleverde AC spanning af tot een afgeregelde DC-spanning.
De elektrische componenten in de aandrijflijn van een seriële hybride werken met een hoog voltage (HV). Dit is te herkennen aan oranje kabels en stekkers. Alleen gecertificeerde technici mogen werkzaamheden aan het HV-systeem verrichten.
Voordelen serieel hybride systeem:
- Eenvoudige constructie doordat de verbrandingsmotor niet direct voor de aandrijving zorgt.
- Geschikt om volledig elektrisch te rijden, indien de accu groot genoeg is.
- Geen koppeling nodig om vanuit stilstand weg te rijden; hier zorgt de elektromotor voor.
- Geen achteruitversnelling nodig omdat de elektromotor twee richtingen op kan draaien.
- Geschikt om via het lichtnet opgeladen te worden (plug-in).
Nadelen:
- De elektromotor dient het volledige aandrijfvermogen te leveren
- Grotere massa dan een voertuig met parallel aandrijving.
Parallelle hybride aandrijving:
Bij een voertuig met parallelle hybride aandrijving kan er wel sprake zijn van een directe verbinding tussen de verbrandingsmotor en de wielen. Wanneer de koppelingen (3 en 5) in de onderstaande afbeelding gesloten zijn, kan het voertuig rijden op de verbrandingsmotor. De elektromotor (4) dient zowel voor het laden van de accu als het aandrijven van de wielen.
Een parallel-hybride kan ook alleen rijden op de elektromotor. Door koppeling 3 te openen is de verbinding met de verbrandingsmotor verbroken; deze kan uitgeschakeld worden, zodat er zuiver elektrisch gereden kan worden. Koppeling 5 wordt gekoppeld bij het wegrijden vanuit stilstand.
Net als de serie- is de parallel-hybride voorzien van een HV-installatie met oranje kabels en stekkers.
Voordelen parallel hybride systeem:
- Geschikt om volledig elektrisch mee te rijden, mits de accu groot genoeg is en er een koppeling zit tussen de verbrandingsmotor en elektromotor.
- Geen achteruitversnelling nodig omdat de elektromotor twee richtingen op kan draaien.
- Geschikt om via het lichtnet opgeladen te worden (plug-in).
- Kleinere verbrandingsmotor, omdat de elektromotor assisteert bij accelereren.
- Kleinere elektromotor, omdat de verbrandingsmotor kan assisteren bij accelereren.
- Lagere massa dan een voertuig met seriële aandrijving.
Nadelen:
- Mechanisch ingewikkeld.
- Koppeling nodig voor elektrisch wegrijden.
- Versnellingsbak nodig.
Plug-in hybride:
De accu van een hybridevoertuig laadt normaliter op door middel van regeneratief remmen, of door de verbrandingsmotor de elektromotor aan te laten drijven (deze worden dan als generator gebruikt). Dat laatste is uiteraard niet efficiënt.
Met een plug-in hybride kan de het accupakket worden opgeladen door het voertuig met een stekker thuis met een stopcontact of een publieke laadpaal te verbinden en met het elektriciteitsnet op te laden. Wanneer men met de auto vertrekt, kunnen de eerste kilometers elektrisch (dus emissievrij) worden afgelegd. Ideaal als men vanuit de stad naar de snelweg rijdt. Zodra SOC (State Of Charge), oftewel de ladingstoestand van de accu laag wordt, zal de verbrandingsmotor opstarten en voor de hoofdaandrijving zorgen. Bij afremmen zal d.m.v. regeneratief remmen de accu weer deels bijladen.
Een bijkomend voordeel is dat de elektrische hulpverwarming en / of airconditioning op een vooraf ingestelde tijd kan worden geprogrammeerd, zodat men in een aangenaam binnenklimaat instapt, zonder dat dit ten koste gaat van accucapaciteit of brandstof.
Een plug-in hybride heeft in de meeste gevallen een beperkte elektrische actieradius van 40 tot 60 km. Voorbeelden zijn:
- BMW 225XXE Active Tourer (2021): 55 km;
- Hyundai Ioniq (2021): 52 km;
- Mitsubishi Outlander PHEV modeljaar 2015: 43 km en modeljaar 2021: 54 km;
- Volkswagen Passat GTE Business plugin-hybride (2021): 55 km.
Let wel: dit zijn de opgaven van de fabrikant. In ongunstige omstandigheden, zoals bij lage temperaturen of een ongunstige rijstijl, kan de actieradius tot wel 30% dalen.
Energieterugwinning:
Bij het accelereren levert de accu elektrische energie aan de elektromotor. Op het moment dat er wordt gedecelereerd (afgeremd), zal de elektromotor een genererende werking krijgen; de elektromotor zal daarbij de accu opladen. Dit wordt ook wel “regeneratief remmen” of “recuperatief remmen” genoemd. Meer informatie hierover kunt u op de pagina’s over de inverter en de elektromotor vinden.
Systeemoverzicht Toyota Prius:
In de batterij van een Toyota Prius zit een gelijkspanning van ongeveer 200 volt opgeslagen. De boost converter zet de batterijspanning van 201,6 om in een hogere gelijkspanning (DC) van 650 volt. De boost converter is een DC/DC-converter; het blijft gelijkspanning, alleen wordt de spanning verhoogd. De 650 volt gelijkspanning komt terecht in de inverter. De inverter zet gelijkspanning (DC) om in wisselspanning (AC) en andersom. We noemen deze converter dan ook een AC/DC gelijkrichter of DC/AC converter. In de inverter bevindt zich naast de omzetting van DC naar AC ook de aansturing van de elektromotoren d.m.v. IGBT’s. De twee elektromotoren (MG1 en MG2) werken met een driefasen wisselspanning van ongeveer 600 volt.
De batterijspanning gaat niet alleen naar de boostconverter en de aircocompressor, maar ook naar de DC/DC converter voor de boordnetaccu. De spanning van 201,6 volt wordt omgezet naar 14 volt om de loodzuuraccu te kunnen laden. Aan deze 14-volt accu zijn de elektrische componenten van het interieur en exterieur aangesloten, denk aan de radio, verlichting, deursloten, etc.
Systeemoverzicht Mitsubishi Outlander:
Het volgende overzicht toont de componenten van een Mitsubishi Outlander (modeljaar 2019 >).
Deze (plugin)hybride gedraagt zich, afhankelijk van de rij-omstandigheden, als EV, serie-hybride of parallel-hybride. De afkortingen zijn als volgt:
- PDU: Power Drive Unit
- GCU: Generator Control Unit
- FMCU: Front Motor Control Unit
- RMCU: Rear Motor Control Unit
- GCU: Generator Control Unit
- OBC: On Board Charger
EV-mode: bij volledig elektrisch rijden is de meervoudig natte plaatkoppeling ontkoppeld en zorgen de elektromotoren (ieder met een maximaal vermogen van 60 kW) voor de aandrijving. De benzinemotor en de generator zijn uitgeschakeld.
Serie-mode: bij een batterijlading van <30% en een vermogensvraag van >60 % worden de benzinemotor en generator gestart. De koppeling blijft ontkoppeld. De benzinemotor drijft de generator aan, welke voor de acculading zorgt (en dus niet voor de aandrijving van de wielen). Het systeem gedraagt zich nu als serie-hybride. Het toerental van de benzinemotor bedraagt tijdens het rijden ongeveer 1700 omw. / min. Bij gas geven en remmen daalt het toerental naar 1100 omw./ min.
Parallel-mode: op het moment dat men harder rijdt dan 65 km/h, er een verhoogde vermogensvraag of de SOC van de accu <30 % is, wordt de transmissie dusdanig geschakeld zodat de parallel-mode ontstaat. De verbrandingsmotor en de voorste elektromotor zorgen voor de aandrijving van de wielen. Er vindt een synchronisatie van de toerentallen van de verbrandingsmotor en voorste elektromotor plaats voordat de koppeling wordt ingeschakeld. In de parallel-mode wordt de achterste elektromotor tot 5% aangestuurd om bij hoge toerentallen weerstanden van het magnetische veld te voorkomen bij het onbelast draaien.
Transmissie van een hybride-voertuig:
De meeste fabrikanten (Ford, Honda, GM) passen anno 2019 CVT-techniek (Continu Variabele Transmissie) toe als transmissie bij hun hybride modellen.
De CVT-techniek van de Toyota Prius (zie afbeelding) wordt niet verkregen door een duwband en in diameter verstelbare poelies, maar door een elektrisch geregelde combinatie van elektromotor, generator en planetair tandwielstelsel. Het voordeel van dit type transmissie t.o.v. de mechanische CVT is dat het niet onderhevig is aan slijtage en een stuk minder gewicht heeft.
De afgebeelde aandrijflijn van de Prius bestaat uit:
- verbrandingsmotor (petrol engine);
- elektromotor MG1 (werkt als generator /dynamo bij regeneratief remmen);
- elektromotor MG2 (de motor voor de aandrijving);
- planetair tandwielstelsel (Power Split Device) die de verbrandingsmotor en elektromotor kan koppelen en ontkoppelen van de aandrijflijn;
- kettingoverbrenging op tandwielen die in verbinding staan met het differentieel.
