Technologie Plug-In Hybrid, řešení pro budoucí automobily?

Obrázek 1 Obrázek 1

V současné Evropě stále převažuje obliba vozů se spalovacím motorem. Odvaha zákazníků pořídit si vozidlo s nějakou novou technologií není zatím zcela běžným jevem. Na rozdíl od předchozích let se přesto showroomy jednotlivých značek zcela změnily. Změny jsou patrné již v image jednotlivých výrobců. V popředí reklamních kampaní zpravidla nefigurují levné modely za akční ceny, ale něco zcela nového. Dotknout se rukou velkoplošného displeje vyvolává nestranný pocit, že právě řidič je pánem nové a lepší energie, kterou ovládá. Celková silueta vozu je křížem krážem protkaná modrozeleným vláknem. Rokem 2020 začala éra nových komercializovaných technologií automobilů, kterou nikterak závažně nezbrzdila ani celosvětová krize spojená s covidem-19. Z toho tedy plyne, že pozice spalovacích motorů není tak neohrožená a na výsostném místě, jak tomu bylo v předchozích letech. Vyplatí se zanechat oblíbený spalovací motor ve spojení s jiným typem pohonu? Na tyto otázky se pokusím odpovědět.

  1. Legislativní nastavení v EU

Současné evropské předpisy pro emise osobních automobilů jsou tak přísné, že jejich dodržení vyžaduje nejen technologická řešení pro efektivní snížení škodlivin, ale bohužel i škrty ve výbavách, které primárně zvyšují hmotnost nebo aerodynamický odpor vozu. Rád bych tedy připomenul dvě sledované skupiny, kterými jsou emise škodlivin ve výfuku a emise CO2/km. Otázku emisí škodlivin u spalovacích motorů můžeme brát za dobře vyřešenou. Výrobci za posledních 10 let udělali veliký pokrok v komplexním plnění limitů škodlivin. Víceméně všichni mají připravenu výrobu pro nadcházející úrovně € 6.3 (6d EVAP ISC FCM, od 1. 1. 2021). Přesto stojí za to zmínit novou normu pro benzínové motory – EVAP. Ta nařizuje regulaci úniků aromatických uhlovodíků z nádrží do ovzduší. Vozidla se podrobují přísným testům v rámci homologace, a to metodou uzavření celku do specializované vytápěné místnosti, kde se po dobu 48 h sleduje únik aromátů z nádrže. Ostatní škodliviny jak pro diesely, tak i pro benzíny zůstávají stejné, jen se jejich limity pečlivěji prověřují pomocí nového jízdního cyklu WLTP (homologační test v laboratoři) a RDE (měření v reálném provozu mimo laboratoř). Navíc se výrobci vozidel musejí zavázat k plnění FCM a ISC. Zkratka FCM představuje technickou funkci vozidla, která má za úkol po celou dobu života vozu monitorovat jeho reálnou spotřebu paliva (v budoucnu případně i druhého paliva), a na dotaz zvláštního přístroje jej musí kdykoli umět uvést. Zkratka ISC zase představuje předpis, kdy výrobce musí zaručit po dobu nejméně 5 let plnění emisí tak, jak bylo auto homologováno. Emise škodlivin sice pro výrobce přinesly určitá úskalí a znamenají další investice, nicméně spalovací motor by v současné podobě mohl dále „žít“ bez další potřeby zvláštních inovací. Sečteno a podtrženo nejsou emise škodlivin současnou otázkou automobilové problematiky.

Staronovým problémem dopravy jsou emise skleníkových plynů, hlavně oxidu uhličitého. Poslední analýzy prokázaly, že automobilová doprava se v Evropě podílí zhruba na 12 % celkové produkce CO2. Z důvodu nárůstu počtu automobilů se oprášila myšlenka regulačního opatření CAFE (Corporate Average Fuel Economy, obr. 1), která původně vznikla v 70. letech 20. století v USA jako reakce na ropnou krizi vyvolanou uvalením embarga na země podporující Izrael. Tato opatření měla za následek okamžité zásahy do konstrukcí motorů s cílem ušetřit co nejvíce paliva. Podobnost v „okamžité potřebě“ uspořit palivo vidíme i dnes, nicméně z jiných důvodů, než je nedostatek klasických paliv. Paradoxem může být, že právě USA se moc nezapojují do současné politiky snižování emisí oxidu uhličitého (obr. 2).

gamba2Obrázek 2

Připomenu-li nastávající limit 95 g CO₂/km pro následující rok (všechny nově uváděné vozy na trh), dosáhnout tohoto limitu je pro současná paliva a nejčastější prodávané typy vozidel doslova sci-fi .

Proto si v následujícím textu ukážeme pár kouzel, jak zachovat spalovací motor, mít třeba 4 × 4 s celkovým součtem 300 koní, přičemž plnit homologaci dle WLTP na 32 g CO₂/km (obr. 3).

gamba3Obrázek 3

  1. PHEV technika vozidla

Zkratka PHEV označuje tzv. hybridní vozidla, která mají kromě klasického pohonu i pohon elektrický. Navíc disponují baterií, kterou lze nabíjet ze sítě, proto tedy Plug-in Hybrid Electric Vehicle. Jak vyplývá z logiky, auto lze provozovat buď čistě na spalovací motor, nebo jako elektromobil ZEV – zeroemission vehicle. Zajímavostí vozidel PHEV je, že byť se jedná o jednu myšlenku, detaily konstrukcí se u jednotlivých výrobců přece jen liší. Navíc potom prvky konstrukce zásadně hýbou i s výslednou cenou vozu.

Typy uspořádání trakcí hybridních vozidel

gamba4Obrázek 4

Abychom porozuměli schématu, je třeba pojmenovat komponenty hybridních vozidel (obr. 4).

  1. Spalovací motor (EG). Vznětový nebo zážehový. Poslední roky se více počítá s maloobjemovým benzínovým motorem.
  2. Trakční baterie (BATT). První konstrukce hybridů pracovaly s bateriemi typu NiMh. U současných PHEV se výhradně využívají lithiové články (různý chemismus) se součtem napětí mezi 350–400 V.
  3. Převodovka (T/M). Vícestupňové hydraulické automaty (PSA, VOLVO, BMW, MB, FORD) nebo dvouspojkové konstrukce (VW Group), popřípadě převodovky s plynulou změnou převodového poměru CVT (asijské vozy).
  4. Generátor (Gen. Motor). Třífázový elektrický stroj, který má za úkol výrobu elektřiny pro pohon kol a dobíjení baterie. Je poháněn od spalovacího motoru a vyrábí vysoké střídavé napětí.
  5. Elektromotor (Trac. Motor). Třífázový synchronní elektrický stroj napájený vysokým napětím. Motor je propojen sestupným převodem na nápravu, kterou pohání.
  1. Planetová převodovka (P/G). Využitá je pouze u dual split hybridu (asijské vozy). Slouží pro optimální rozložení pohonu od spalovacího motoru k elektrickým strojům (závislost na rychlosti vozu.
  2. Motor generátor (Gen./Trac. motor). Třífázový synchronní stroj s rotorem osazeným permanentními magnety. Díky elektronickému konvertoru dokáže pracovat jako motor nebo jako generátor (rekuperace energie).

 Jak již bylo zmíněno, počet komponentů a počet poháněných náprav zvedá cenu, ale i „chytrost“ vozu. Pokud budeme chtít zachovat spalovací motor, připadá zatím v úvahu pouze konstrukce PHEV s paralelním uspořádáním trakce. Dovolím si tedy pokračovat pouze s touto variantou (obr. 4). Ostatní typy hybridů zde opomenu.

Silnou výhodou současných PHEV je využití nových technologií převodovek (obr. 4), které umožňují vzájemnou kombinaci pohonů až do 135 km/h (max. rychlost testu WLTP). V ZEV módu ujedou až 55 km. Proto výsledné emise CO₂ jsou malé, do 40 g/km. Integrací elektrických strojů přímo do převodovek se ušetří vysokonapěťové kabely, mechanické propojení a klasický 12V startér spalovacího motoru. Výsledkem je optimalizace ztrát, jízdní komfort, redukce hmotnosti a zástavbového prostoru. Zajímavostí je, že každý výrobce automobilů investuje do svých převodovek vyvinutých již v minulých letech, akorát do nich nově integruje elektrický stroj.

Osazením druhé nápravy elektrickým motorem a zubovou spojkou (obr. 5) docílíme náhonu 4 × 4 a zároveň v součtu zvýšíme i výkon vozu.                                                                                   

gamba5Obrázek 5: Zdroj PSA

Velmi diskutovanou otázkou týkající se vozidel PHEV jsou palivové nádrže, resp. jejich odvětrání. Doposud se odvětrání benzínových nádrží řešilo stálým spojením nádrže a kanystru s aktivním uhlím. Tím se (na určitou dobu) zamezilo průniku aromátů do atmosféry. Pokud se nastartoval motor, aktivovala se funkce „čistění“ kanystru. Ten se na potřebnou dobu propojil se sáním motoru a tím se zbavil podílu nasycení aromáty. U PHEV může nastat situace, kdy je vozidlo používáno po delší dobu výhradně jako elektromobil. Tedy původní varianta by měla za následek, že kvůli stojícímu spalovacímu motoru by kanystr nebyl čištěn a docházelo by z důvodu jeho přesycení k únikům aromátů do ovzduší (neplnění normy EVAP). Technické řešení (obr. 6) je takové, že nádrž je normálně hermeticky uzavřená a tlak v ní se pohybuje okolo 300 mbar. Pokud vozidlo jede jako ZEV, nádrž zůstává uzavřena. Jestliže nastartuje spalovací motor, tlak v nádrži se stále udržuje, nicméně začne pracovat i propojení s kanystrem a sáním motoru. Pokud chce uživatel natankovat palivo, musí dát povel ke snížení tlaku – nádrž se propojí přes kanystr s atmosférou.

gamba6Obrázek 6: Zdroj PSA 

Trakční baterie je druhým plnohodnotným úložištěm energie PHEV. Klade se na ni požadavek výkonnostní, cenový, ale i designový, a to kvůli těžišti a celkové zástavbě ve voze. Tyto požadavky dnes zajišťuje baterie typu li-ion, později snad i jiný typ lithiových baterií. Vzhledem k jejímu výkonu musí být dostatečně chlazená (většinou kapalinou). Chlazení hraje roli jak při odevzdávání energie, tak i při jejím přijímání, tedy dobíjení. Maximální teplota je 40 °C. Jmenovité napětí je většinou 400 V a kapacity se pohybují (zatím) do 15 kW/h. Baterie nepracuje v celé škále své kapacity, ale od 10 do 97 % SOC. Čili nesmí se podbít, ale zároveň se musí nechat i prostor pro případnou rekuperaci při plném stavu nabití baterie. Baterie je složena z patřičného počtu modulů, které obsahují jednotlivé články 3,8 V (obr. 7).

gamba7Obrázek 7: zdroj PSA

  1. Požadavky na údržbu

Údržba se čistě řídí požadavkem výrobce. Je stanoven prahový interval jak kilometrový, tak i časový. Navíc se čím dál častěji využívá funkce adaptivního ukazatele údržby, který event. na základě jízdních podmínek stanovuje zkrácený proběh km do údržby. Servisní úkony na klasické části vozu se neliší od těch, které se provádějí na konvenčních vozech se spalovacím motorem. Péče o spalovací motor je tedy téměř identická. Je třeba zmínit předpis použití nízkovazkých motorových olejů FE. Ty primárně zajišťují snížení spotřeby paliva. Jejich druhým úkolem je zabezpečit lehké starty spalovacího motoru v hybridním režimu. Spalovací motor je po dobu provozu nesčetněkrát zastaven a spuštěn. Za chladného období a při kombinované jízdě ZEV/Hybrid může nastat situace, že spalovací motor nedosáhne provozní teploty. Nízké viskozity olejů a jejich viskozitní indexy umožní spalovacímu motoru zúžení jeho pásma fungování.

Co se týká elektrického pohonu, servis víceméně spočívá ve vizuální kontrole soustavy a diagnostickým přístrojem se kontrolují určité parametry komponentů. Náplně převodů (obr. 8) jsou většinou doživotní nebo s dlouhým intervalem výměny. Veškeré náplně mají svou specifikaci pro použití ve vozech ZEV nebo PHEV.

V rámci pravidelného servisu se také kontroluje stav trakční baterie. Součástí servisních prací je její plné nabití na dílně. Tato procedura umožňuje zjistit opotřebení, resp. kapacitu baterie. Zároveň většina výrobců umožňuje na vozech PHEV formátování baterie. Tato procedura umožní určitou obnovu a zpětné získání vyšší kapacity baterie.

Vozidla PHEV vyžadují specifický přístup a vybavení dílen. Zásahy na elektrické trakční soustavě vozu jsou podmíněny habilitací vyhlášky 50 § 5/6. Důvodem je vysoké součtové napětí článků baterie až 400 V. Habilitaci dostane pouze taková osoba, která má ukončené elektrotechnické vzdělání popsané v příloze normy 50/1978 Sb. Tento fakt může lehce ovlivnit nedostatek pracovníků na trhu práce. V současné době probíhají jisté tlaky na změnu právních předpisů spojených s údržbou a opravami ZEV, PHEV. Zatím se změny nepovedlo prosadit.  

  1. Dobíjení PHEV

Dobíjení ZEV a PHEV stále vyvolává otázky. Především se jedná o časy dobití baterií a typy dobíjení. Cílem elektromobility budoucnosti je zkrácení času dobíjení na minimum a rozšíření infrastruktury dobíjecích míst. Plnění tohoto plánu se nad očekávání daří realizovat, jak co do poskytovatelů energií, tak i do technologií baterií a dobíjecí techniky.

Typy dobíjení

gamba8Obrázek 8: Zdroj PSA

Na obrázku 7 a 8 vidíme schéma čtyř možností dobíjení. Ovšem tyto možnosti nejsou výhradně vymezeny pouze pro vozidla PHEV, ale obecně standardizují metody dobíjení elektromobilů. U vozidel PHEV se využívá mód 2 a 3, ale přesto si dovolím zkráceně popsat význam všech čtyř módů. Mód 1 se používá pro malá vozidla a v Evropě se s ním víceméně nesetkáme z důvodu nedostatečné bezpečnosti dobíjení. Mód 2 je základním typem dobíjení elektromobilů. Jedná se o nabíjecí kabel (součást při koupi vozu), který se zapojuje (CZ) do standardní domovní zásuvky E/F 16 A. Je opatřen elektronikou pro komunikaci s vozidlem, která rozhoduje o maximálním povoleném proudu dobíjení 8/16 A. Pokud se tento kabel připojí k běžné zásuvce, nastaví se nabíjecí proud 8 A. Pokud je ale připojen k posílené zásuvce E/F určené pro elektromobily (třeba typ Green-Up), nabíjecí kabel detekuje vestavěný senzor a přepne se do vyšší proudové hladiny 16 A. Tato zásuvka je na objednání a instaluje ji v domě běžný elektrikář, který předem zváží parametry domovní sítě. Mód 3 je moderním typem dobíjení elektromobilů, a to jak na veřejných místech, tak i jako domácí stanice. Na rozdíl od módu 2 může využít třífázového dobíjení ze sítě. Pro vozy PHEV se sice zatím 3fázové nabíjení nepoužívá, ale časem možná ano. Dobíjecí stanice (jinak WALLBOX) obsahuje elektroniku pro komunikaci s vozidlem, popř. čtečku čipových karet nebo Wi-Fi připojení. Vozidlo se s tímto zařízením propojí pouze „hladkým“ kabelem (dostupný jako doplněk). Výhodou je možné dobíjení až 7,4 A na fázi. K nabití vozidla PHEV stačí dvě hodiny (cca 55 km dojezd). Tato zařízení montují odborné firmy. Nejsou to pouze veřejné sloupky a wallboxy, ale tato podobná zařízení mohou být instalována i soukromým subjektům, pokud mají dostatečně vysoký rezervovaný příkon (hlavní domovní jistič nejméně 40 A). Mód 4 je určen pro nabíjení elektromobilů ZEV. Ty totiž mají 2- až 3krát vyšší kapacity baterií než PHEV. Účelem je nabít baterii co nejrychleji, tj. za 20–60 min. Jsou to profesionální stanice, které vyžadují zvláštní infrastrukturu elektrické sítě. Samotná vozidla musejí mít přípravu k rychlonabíjení, ta je většinou za příplatek. Nabíjení spočívá v přímém propojení baterie se stanicí a v dobíjení stejnosměrným napětím totožným, jako je nominální napětí baterie. Výkony jsou veliké od 50–150 kW.

gamba10Obrázek 9: Komerční zdroj

  1. Lithiová baterie jako odpad, nebo jako druhotná surovina?

Lithiová baterie[1] je obecně diskutovaným tématem. Na počátku stojí relativně vysoká cena nové baterie, která u vozidel ZEV stále činní okolo 50 % celkové ceny elektromobilu. Proto mohou být vozidla PHEV lehce ve výhodě. Jejich baterie jsou na rozdíl od ZEV třetinové. Druhým pohledem zjišťujeme, že s přibývající oblibou lithiových baterií roste i potřeba likvidace starých článků. Všichni výrobci elektromobilů jsou zároveň ze zákona povinni zajistit sběr a likvidaci použitých baterií. To stojí nemalé prostředky vyhrazené na samotnou realizaci. Proto se dnes využívají 3stupňové cykly. Prvním je vrácení použité baterie do výrobního závodu, který zváží repasi. Vymění se pouze poškozené články a zbytek se nechá. Tato procedura se brzy přesune na zemská centra (přímo autoservisy), která eliminují dlouhé přepravní vzdálenosti do repasních závodů. Druhou fází je sběr poškozených článků, které již nelze použít pro elektromobilitu, přesto jejich kapacita není nulová. Ty se specifickým způsobem využijí jako akumulátory energií z obnovitelných zdrojů nebo jako svodníky přebytečné energie z elektráren. Třetí fází je recyklace nepoužitelných, poškozených nebo nebezpečných článků / celých baterií. Tato varianta není zatím moc populární, a to z důvodu kapacity evropských zpracovatelů (obr. 10). Nicméně musíme se i na tuto část podívat nejen z pohledu složitého ekologického řešení, ale i s vidinou zpětného zisku strategických surovin, jakými jsou např. měď, nikl, kobalt, mangan atd. S rostoucím trendem využití lithiových baterií je nutné nastavit podobný proces recyklace jako například u olověných akumulátorů. Tedy aby stále rostlo procento materiálové výtěžnosti z recyklace a přitom klesala zátěž životního prostředí. Současní evropští zpracovatelé nejsou nastaveni na takovéto každoroční přírůstky. Proto je absolutně nevyhnutelné nastavit podmínky pro vznik nových subjektů v každé členské zemi. Dále je třeba rozvíjet nové zpracovatelské procesy a upravovat ty současné (pyrolýza, separace hydrometalurgie atd.), což se dozajista neobejde bez určitých státních subvencí. Výsledkem pro další generace bude čistější zpracování a maximální materiálová výtěžnost.

gamba11Obrázek 10: Komerční zdroj

  1. Závěrem

Vozidla PHEV se zdají být perfektním řešením pro další desetiletí. Vzhledem ke stávající přítomnosti konvenčního pohonu si postupně získají staronové motoristy. Těmto skupinám zákazníků zcela bezpochyby zajišťují vidinu jakési udržitelné mobility.

Použité technologie jsou špičkové a jejich koncepce umožňují vysoké výkony v opci s pohonem 4 × 4. Současné pořizovací ceny jsou zatím vyšší, ale nemají rostoucí trend. Dá se tedy předpokládat postupné zlevnění a plynulá aplikace pro střední i nižší třídy automobilů.

Zdroje

[1] PSA. (2020). Školicí dokument. PHEV.str. 1–10

[2] Eur-lex. (2020). Reduction in CO2 emissions of new passenger cars and of newlight commercial vehicles. str. 1, 2

[3] Josef Gamba. (2020). Spolupráce s kolektivním systémem Ecobat s.r.o., PSA Environmental Dept., spolupráce s Kovohutě a.s.

[4] Komerční zdroje. (2020). Použité foto str. 6, 8, 9 

Autor: Josef Gamba, P Automobil Import, s. r. o., Emil Frey Group

Recenzent: doc. Ing. Helebrant František, CSc., VŠB – Technická univerzita Ostrava; osoba certifikovaná na funkci Technik diagnostik tribodiagnostik – Kategorie II 

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz