Viděli jste někdy auto s hybridním pohonem a manuální převodovkou? Pochybujeme, i když historie techniky takové příklady zná. S největší pravděpodobností, když se ocitnete za volantem, najdete jeden z mnoha typů voliče režimu automatické převodovky. Ale co ovládá?
Masově prodávané hybridní automobily se na trhu objevily koncem 20. století a od té doby inženýři vyzkoušeli (a stále zkoušejí) mnoho různých konstrukcí. Podívejme se na ty nejoblíbenější.
Hybridy s klasickou převodovkou
Toto je pravděpodobně nejjednodušší, nejlevnější, ale také nejméně efektivní typ hybridních vozů. Ne však nejstarší. Naopak, vozy s takovou konstrukcí vděčí za svůj vzhled popularitě mnohem pokročilejších a dokonalejší hybridů. Automobilky, které zachytily novou módu, začaly přemýšlet o tom, jak novou technologii přizpůsobit svým starým modelům, jak se říká, „s malým krveprolitím“.
Představte si klasický benzínový vůz s automatickou převodovkou, kde se točivý moment přenáší a rychlostní stupně řadí hydraulickými pohony. Relativně jednoduchá, spolehlivá a odolná technologie, která bude v příštím desetiletí stará 100 let.
Představte si nyní, že elektromotor je vložen přímo na výstupní hřídel motoru, před převodovku, někde v oblasti setrvačníku. Hřídel z motoru se pak stává jeho rotorem a zvenku je připevněn startér. V případě potřeby se takový motor zapne a přidá trakci, v přechodových režimech zajišťuje brzdění motorem a rekuperuje energii a v případě potřeby se může pohybovat i na elektrickou trakci, pokud to samozřejmě kapacita baterie dovolí.
Takové hybridy mají nižší účinnost než pokročilejší konstrukce, ale schéma se snadno přizpůsobí stávajícím podvozkům. Byly populární asi před 20–15 lety: takové byly rané hybridy BMW, Mercedesu a General Motors – například první hybridní Cadillac Escalade.
Hybridy s planetovým převodem
Systém navržený společností Toyota koncem 1990. let, díky kterému se model Prius stal známým. Ve skutečnosti to hybridy byly až donedávna.
Planetová převodovka je sada ozubených kol pohybujících se po různých drahách, které mohou navenek připomínat model sluneční soustavy, a to nejen s planetami, ale i s jejich satelity. Není náhodou, že některá ozubená kola v takových převodovkách se nazývají satelity. Příkladem nejjednoduššího planetového převodu je diferenciál, dobře známý všem amatérským automechanikům, známý také jako hlavní převod.
Trik takového systému spočívá v tom, že blokováním určitých převodových stupňů lze na výstupu dosáhnout různých převodových poměrů. A co je ještě důležitější, může existovat několik vstupních bodů točivého momentu. To umožňuje propojit benzínový a elektrický pohon nikoli přes jednu hřídel, jako u hybridů s klasickými automatickými převodovkami, ale přes různé převodové stupně.
V důsledku toho se převodovky znásobují. Tam, kde je rozsah otáček benzínového motoru již vyčerpán, může zvýšení rychlosti zajistit elektrický pohon a naopak. Navíc se v takovém schématu výrazně zvyšuje účinnost rekuperace energie v důsledku brzdění.
Toyota ve skutečnosti dokázala, že je možné dosáhnout takové synergie mezi elektromotorem a spalovacím motorem, že parazitní energie druhého jmenovaného motoru nejen shoří v atmosféře, ale může být akumulována v baterii a znovu využita elektromotorem. Jednoduše řečeno, palivo, které v běžném benzínovém autě spaluje marně, se v takovém hybridu přemění na elektřinu a je užitečné. Výsledkem je právě ta palivová účinnost, pro kterou byla celá tato složitá konstrukce postavena.
Příkladem hybridního pohonu s planetovým převodem jsou prakticky všechny hybridy Toyoty a Lexusu, kterých se již prodaly miliony kusů.
Dokonalost však není nijak omezena.
Hybridy s robotem nebo variátorem
Přes všechny výhody planetových převodovek při vytváření synergie mezi elektrickými a benzínovými motory, ne vždy optimálně plní skutečnou funkci převodovek – tedy efektivní přenos energie ze spalovacího motoru na kola v širokém rozsahu otáček.
Proto se téměř všichni výrobci klasických hybridů, a dokonce i Toyota, vydali následující cestou vývoje hybridních převodovek. Spalovací motor a elektromotor stále vstupují do synergie pomocí planetového převodu – ale toho nejjednoduššího s minimálním počtem stupňů. A k této konstrukci se přidává další modul, regulující převodové poměry.
Existují zde dvě možnosti. Může to být variátor – tuto konstrukci milují japonští výrobci, například Nissan. Nebo jednoduchý robot. Ten nepotřebuje mnoho stupňů, protože synergie spalovacího motoru a elektromotoru již umožňuje měnit převodové poměry. Například hybridy Chery se spokojí s třístupňovými „roboty“ a řidič si řazení téměř nikdy nevšimne.
Hybridy s jednoduchou převodovkou
Proč auto vůbec potřebuje převodovku? Protože spalovací motor vyvíjí točivý moment potřebný pro pohyb pouze v poměrně úzkém rozsahu otáček. Například nefunguje při 0 otáčkách. Vůbec. A otáčky kol auta v okamžiku zahájení pohybu jsou přesně 0. Aby se koordinovaly pracovní otáčky motoru s otáčkami kol, je potřeba převodovka a každý rychlostní stupeň odpovídá určitému rozsahu rychlostí auta.
Elektromotory tento problém nemají. Pracují v mnohem širším rozsahu otáček a hlavně vyvíjejí točivý moment od 0 otáček. Stačí kolo jednoduše připevnit k elektromotoru, přivést elektřinu a ono se roztočí. Není potřeba ho nejdříve „nastartovat“ a pak „roztočit“ alespoň do volnoběžných otáček.
Elektromobily proto nepotřebují převodovky – stačí jednoduchý editor s pevnými převody. Tedy jeden jediný převodový stupeň a žádná spojka. Tento převodový stupeň bude první, bude také poslední a veškeré zrychlení elektromobilu je zajištěno zvýšením otáček elektromotoru.
Ale při jízdě vysokou rychlostí, na dálnici, spotřeba energie prudce roste. A kapacita baterie již nestačí na dlouhé cesty. Proto jsou některé moderní hybridy vybaveny spalovacím motorem, ale bez převodovky. Přesněji řečeno, s jedním jediným, nejvyšším převodovým stupněm.
Takové vozy se rozjíždějí pouze s využitím elektrické trakce. Pokud baterie nemá dostatek energie, benzínový motor začne pracovat jako generátor, ale při nízkých rychlostech není připojen ke kolům.
Pouze při jízdě po okresní silnici a nabírání rychlosti se spalovací motor spojuje s koly prostřednictvím jediného nejvyššího převodového stupně. Z takového převodového stupně je nemožné se rozjet. Ale zapnout ho při rychlosti 120 km/h a jezdit na benzín je snadné. Jako příklad takového schématu lze uvést hybridní verze vozů Voyah.
Sériové hybridy
Konečně se dostáváme k typu hybridu, jehož popularita v posledních letech vzrostla: sériové hybridy neboli elektromobily s vestavěným motorgenerátorem.
Hlavním problémem všech elektromobilů je jejich nedostatečný dojezd, spojený s obtížností nabíjení baterie. Samotné baterie jsou drahé a těžké a jejich kapacita přímo závisí na ceně. Pokud si nainstalujete kompaktní, lehkou a relativně levnou baterii, bude to stačit na cesty po městě, ale na dlouhé cesty budete muset zapomenout – budete muset nabíjet příliš často a nabíjecích stanic je stále málo.
Ale co kdybychom vyrobili elektromobil s baterií na 150-250 kilometrů, což je ve městě docela dost, a dalším benzínovým motorem, který není nijak spojen s koly, ale dokáže baterii nabíjet v podmínkách, kdy potřebujete jet, a po cestě není žádná nabíjecí stanice? To je docela možné a tomu se říká sériové hybridy.
Výrazným příkladem takových vozů jsou crossovery Lixiang. Jejich kola jsou otáčena výhradně elektromotory prostřednictvím jednoduchých jednostupňových převodovek bez jakýchkoli spojkových mechanismů. To znamená, že zde nejsou žádné převodovky v obvyklém slova smyslu. A benzínové motory otáčejí výhradně elektrickými generátory, a to pouze v případě potřeby.
