- Mikrohybryda 48 V to nie wybór, lecz właściwie konieczność – instalacja 12-woltowa często nie radzi już sobie z urządzeniami pokładowymi
- Wiele urządzeń napędzanych prądem pracuje tylko wtedy, kiedy są potrzebne
- Obniżenie emisji dwutlenku węgla oznacza dla firmy niższe kary lub ich brak
- Więcej takich tekstów znajdziesz na stronie głównej Onet.pl
Dlaczego pomysłu z mikrohybrydą nie zrealizować z tradycyjną instalacją 12-woltową? Po co komplikować i dublować akumulatory? Zacznijmy od podstaw elektrotechniki. Wzór na moc urządzenia elektrycznego jest bardzo prosty: P = U × I, gdzie P oznacza moc, U – napięcie, zaś I – natężenie. Wniosek nasuwa się sam: 4-krotny wzrost napięcia oznacza 4-krotne obniżenie natężenia (albo… 4-krotny wzrost mocy). A stąd już tylko krok do kabli o mniejszym przekroju, jako że to natężenie prądu determinuje konieczność użycia kabli o określonym przekroju. Przy zbyt dużym natężeniu będzie rósł opór (czyli pojawią się straty), wzrośnie też temperatura, co może prowadzić nawet do pożaru. Z kolei wyższe napięcie wymaga dobrej izolacji, ale to nie jest już problemem.
Dlaczego zatem nie podnieść napięcia jeszcze wyżej, np. do poziomu stosowanego w hybrydach i autach elektrycznych, czyli około 350-400 V? Tu sprawa też jest prosta, od 60 V mówimy już o wysokim napięciu. Serwisanci muszą mieć uprawnienia do obsługi, trzeba korzystać ze specjalnych izolowanych narzędzi itp. A w omawianych urządzeniach wyższa moc nie jest z kolei potrzebna.
Kolejna ważna sprawa – moc standardowych alternatorów już od wielu lat okazuje się niewystarczająca. Mają one około 3 kW, czyli 4 KM, nie pomaga chłodzenie cieczą. Jeśli samochód ma pneumatyczne zawieszenie i szereg innych dodatków, to… już nie ma mowy o ładowaniu akumulatora, szczególnie zimą, kiedy dochodzi np. konieczność dogrzewania wnętrza. Poza tym akumulator ołowiowy jest mało wydajny. Kiepsko znosi głębokie rozładowanie i ma bardzo kiepski tzw. współczynnik gęstości mocy – wysoką masę przypadającą na zgromadzoną w nim energię.
Jaki z tego ma zysk ekologia? Okazuje się, że całkiem spory, choć – oczywiście – mniejszy niż w przypadku klasycznych systemów hybrydowych. Wspomaganie silnika spalinowego w czasie dynamicznej jazdy pozwala obniżyć emisję m.in. tlenków azotu (szczególnie w dieslu). Co ciekawe, tego wspomagania za bardzo nie czuć, jako że z jednej strony przebiega bardzo płynnie, z drugiej – to najczęściej tylko kilka, góra kilkanaście koni mechanicznych. Ale pojawiają się kolejne zalety. Znaczne wydłużenie czasu działania systemu start-stop (w połączeniu z funkcją żeglowania, kiedy silnik również jest wyłączany) to kolejny zysk na niespalonym paliwie. Odzysk energii podczas hamowania – i kolejne kilka kropel pozostało w zbiorniku paliwa.
Pojawiły się też kolejne przesłanki do zastosowania wydajnego akumulatora – również związane z ekologią, a jednocześnie rozwojem elementów wyposażenia komfortowego. Chcecie, żeby samochód sam zaparkował? To musi mieć elektryczne wspomaganie, które zdecydowanie ułatwia też regulację siły, np. zależnie od prędkości jazdy czy wybranego trybu jazdy (tryby Sport lub Komfort). Samochód sam ma utrzymać tor jazdy? Znowu wracamy do elektrycznego wspomagania. Jak podwyższyć sprawność silnika i obniżyć spalanie? Eliminując zbędne obciążenie, czyli np. pompę oleju (na wolnych obrotach niepotrzebnie przetłacza duże ilości oleju), pompę oleju w automatycznej skrzyni biegów czy nawet pompę płynu chłodzącego. Zamieniając „sztywny” napęd od wału korbowego na napęd silnikami elektrycznymi, możemy dowolnie sterować ich pracą – włączać tylko wtedy, kiedy są potrzebne, i dozować ilość dostarczanego do nich prądu. Czyli mamy kolejne oszczędności na paliwie i zysk ekologiczny.
Pojawia się sporo głosów krytycznych – czy takie rozwiązanie ma sens? Oczywiście, jeśli ktoś spodziewa się obniżenia spalania lub emisji CO2 o połowę, to nie tędy droga. Jednak instalacja elektryczna o podwyższonym napięciu pozwala lepiej wykorzystać potencjał silnika i ułatwia konstruowanie urządzeń „komfortowych”. Ważną zaletą całego rozwiązania jest też niewysoki koszt. Zajrzyjmy do cennika Forda Pumy. Odmiana 1.0 EcoBoost 125 KM w wersji standardowej kosztuje 80 200 zł (Titanium). Taka sama wersja, ale z mikrohybrydą kosztuje o 1400 zł więcej.
W których modelach znajdziemy rozwiązania z hybrydą „mikro”? Jest ich tak dużo, że nie wymienimy wszystkich. W jednych są konieczne, żeby obniżyć emisję dwutlenku węgla, w innych stosuje się je bardziej ze względu na konieczność wykorzystania instalacji o podwyższonym napięciu. Jedni producenci ogłaszają, że mają w ofercie „hybrydy” – jak Fiat (np. Panda), Ford czy Suzuki. Faktem jest, że Fiat 500 1.0 mHEV ma się zadowolić 3,9 l/100 km! Dla innych powodem do dumy może być rozbudowana instalacja 48-woltowa, a nie samo urządzenie rozruchowe. Praktycznie w technologię mild hybrid wszystkie modele wyposażyły np. Audi czy Land Rover.
Mild hybrid – słowniczek:
- 12 V: napięcie typowej instalacji samochodowej. Zasilanie urządzeń o wysokiej mocy oznacza przepływ prądu o dużym natężeniu i konieczność zastosowania kabli o dużym przekroju, np. 1000 W to aż 83 A.
- 48 V: wartość napięcia prądu stałego, która nie powoduje sklasyfikowania instalacji jako niebezpiecznej (patrz także niżej HV) – nie potrzeba dodatkowych środków ostrożności (np. przeszkolonych mechaników).
- HV: High Voltage, czyli wysokie napięcie. Według regulaminu międzynarodowego to napięcia uznawane za niebezpieczne dla obsługujących je osób. W przypadku prądu przemiennego to wartości od 30 do 1000 V, w przypadku prądu stałego – od 60 do 1500 V.
- mHEV: skrót od „mild Hybrid Electric Vehicle”, czyli: łagodny pojazd elektryczny hybrydowy. Oznacza układ hybrydowy, w którym silnik elektryczny nie jest w stanie samodzielnie napędzać pojazdu, ale może wspomagać pracę jednostki spalinowej. Inne oznaczenia – np. mikrohybrydy.
- Żeglowanie: wyłączanie silnika spalinowego nawet podczas jazdy z prędkością 20 km/h po zdjęciu nogi z pedału gazu.
Mild hybrid – naszym zdaniem
Rozwiązania typu mild hybrid to oczywiście tylko mały krok producentów w stronę elektryfikacji układów napędowych. Choć oszczędności pozornie wyglądają na niewielkie. obecność instalacji 48-woltowej w samochodzie wydaje się jak najbardziej uzasadniona. Właściwie trudno znaleźć wady. Koszty nie są duże, a oszczędności mogą być zauważalne. Lepsze takie rozwiązanie niż żadne.
1: Konwerter DC/DC – obniża napięcie z akumulatora litowo-jonowego, aby naładować akumulator 12 V.
2: Kabel 12 V – główny kabel zasilający instalację 12 V. Poprowadzony z konwertera 48/12 V do akumulatora 12 V.
3: Silnik spalinowy – klasyczna jednostka benzynowa lub diesel. Układ mHEV jest stosowany zarówno w małych silnikach, jak i potężnych, np. 3.0 V6/R6.
4: Akumulator 12 V – zapewnia zasilanie odbiornikom pracującym pod napięciem 12 V.
5: Akumulator 48 V litowo-jonowy – lepiej niż kwasowo-ołowiowy znosi duże obciążenie.
6: Kabel 48 V – łączący ISG z akumulatorem. Dzięki obniżeniu natężenia może mieć mały przekrój.
7: Alternator/rozrusznik – serce systemu 48 V, to urządzenie połączone paskiem z wałem korbowym silnika.
Alternator i rozrusznik z klasycznego silnika, silnik wspomagający jednostkę spalinową, generator efektywnie odzyskujący energię podczas hamowania – urządzenie pełni wiele funkcji i często jest nazywane ISG (Integrated Starter Generator) lub po prostu rozrusznik-alternator. Dzięki napięciu 48 V wszystkie te procesy są o wiele bardziej wydajne i szybciej przebiegają. Przykładowo w ramach rekuperacji generator pracuje z mocą 14 KM.
Podczas umiarkowanej jazdy urządzenie służy przede wszystkim do wytwarzania energii elektrycznej, gromadzonej w akumulatorze 48 V. W momencie dużego zapotrzebowania na moc (agresywne przyspieszanie itp.) silnik elektryczny – najczęściej poprzez pasek wielorowkowy – dopędza jednostkę spalinową. Gdy zdejmujemy nogę z gazu, urządzenie zaczyna pracować jako generator, nieco wyręczając układ hamulcowy (oczywiście, nie tak, jak potrafią to zrobić maszyny elektryczne w pojazdach elektrycznych). Kolejną funkcją jest tzw. żeglowanie – gdy kierowca zdejmie nogę z gazu, ale nie hamuje, silnik spalinowy można wyłączyć. Mocne urządzenia elektryczne (osprzęt) będą pracować dzięki wykorzystywaniu energii z akumulatora litowo-jonowego.
1: serce systemu – urządzenie ISG, łączące funkcje m.in. alternatora i rozrusznika.
2: konwerter przekształca napięcie 48 V na 12 V (do zasilania pozostałej części tradycyjnej instalacji elektrycznej).
3: akumulator litowo-jonowy ma większą pojemność i pracuje wydajniej niż ołowiowy.
4: podczas napędzania silnik elektryczny daje zastrzyk mocy jednostce spalinowej.
Urządzeń, w których przydaje się (lub nawet okazuje się kluczowe) napięcie 48 V, jest bardzo wiele. Oprócz silnika wymienić można chociażby elektrycznie napędzany wirnik turbiny, zapewniający doładowanie motoru. Do tego dochodzą pompy oleju (w silniku oraz w skrzyni biegów) i pompa cieczy chłodzącej. Mnóstwo takich elementów jest też w podwoziu. Podstawowe to elektryczne wspomaganie układu kierowniczego oraz obsługa kompresora pneumatycznych miechów. Elektryczne sterowanie wprowadzić można np. do stabilizatorów (zmieniając ich charakterystykę). Mocna instalacja otwiera też drogę do rozwiązań typu by-wire – układów kierowniczych czy hamulcowych bez mechanicznych pomp lub przekładni.
1: moduł sterujący przednim zawieszeniem.
2: kable do instalacji 48-woltowej.
3: przetwornik napięcia.
4: litowo-jonowy akumulator 48 V.
5: aktuator przedniego zawieszenia.
6: aktuator tylnego zawieszenia.
7: moduł sterujący tylnym zawieszeniem.
Pompa oleju w skrzyni automatycznej to ważne urządzenie, bo olej nie tylko smaruje, lecz także odpowiada za zmianę przełożeń.
Instalacja 48-woltowa oznacza nowoczesność i odpowiednio wysoką moc urządzeń – tu nie trzeba iść na kompromisy. Dlatego… można się nią pochwalić.