Jest prawdopodobne, że gdy usłyszysz słowo „hybryda”, pomyślisz o Toyocie Prius. To sprawiedliwe. Od końca lat 90. Prius definiował ten segment, zachęcając rywali, takich jak Honda Insight i Ford Fusion Hybrid, do włączenia się do walki. Ale pomysł połączenia silnika benzynowego z silnikiem elektrycznym jest stary. Bardzo stary. Pierwszy samochód hybrydowy pojawił się dziesięć lat wcześniej niż Model T.
Historia hybrydowego pojazdu elektrycznego (HEV) rozpoczyna się w 1900 roku.
Premiera w Paryżu, 1900 rok
Ferdinand Porsche, który pracował dla austriackiego producenta Lohner-Kessburg, zaprezentował na paryskiej wystawie Lohner-Porsche Elektromobil. Samochód wyglądał jak pudło na kołach, ale jego rozwiązanie inżynieryjne było radykalne.
Większość samochodów tamtych czasów napędzana była parą, energią elektryczną lub benzyną. Porsche zrobiło coś innego. Stworzył samochód, który poruszał się po mieście wykorzystując energię elektryczną. Ale był w tym pewien trik.
Lohner-Porsche Elektromobil stał się pierwszym pojazdem, w którym do ładowania akumulatora zastosowano silnik spalinowy.
To jest definicja hybrydy. Silnik benzynowy wytwarza energię do ładowania akumulatora, który z kolei napędza koła. Do tego momentu samochód musiał być podłączony do gniazdka. Porsche rozwiązało problem ograniczonego zasięgu, który do dziś jest plagą samochodów czysto elektrycznych. Do ładowania akumulatorów podczas jazdy wykorzystywał mały silnik benzynowy.
Dlaczego to ma teraz znaczenie
Można zapytać, dlaczego zapomniano o tym wczesnym eksperymencie?
Po pierwsze, benzyna stała się tania i dostępna. Samochody czysto elektryczne miały ograniczony zasięg. Samochody zasilane wyłącznie benzyną podbiły rynek. Koncepcja hybrydowa pozostawała uśpiona przez dziesięciolecia.
Potem kryzys naftowy, a później regulacje środowiskowe przywróciły go do użytku.
- 1968: General Motors zbudował XP 512, eksperymentalną hybrydę, która przy niskich prędkościach wykorzystywała energię elektryczną, a przy dużych prędkościach benzynę.
- 1973: Victor Vuk zbudował prototyp na podstawie Buicka Skylarka z 1972 roku. Agencja Ochrony Środowiska (EPA) nie sfinansowała projektu, więc został on porzucony.
- 1989: Audi wprowadziło Audi Duo, które łączyło 12-konny silnik elektryczny z silnikiem benzynowym o mocy 139 koni mechanicznych.
- 1997: Toyota wprowadziła na rynek Japonii Priusa.
Era nowożytna to tak naprawdę jedynie odrodzenie idei z 1900 roku. Lohner-Porsche udowodnił, że silnik można oddzielić od kół. Można jeździć na jednym źródle energii, a następnie przełączyć się na inne. Od tego czasu ta elastyczność jest podstawą każdej hybrydy.
W następnej sekcji przyjrzymy się bliżej specyficznym cechom mechanicznym Lohnera-Porsche i temu, dlaczego tak bardzo wyprzedzał swoje czasy.
Jak Lohner-Porsche Elektromobil rozwiązał problem ograniczonego zasięgu w 1900 roku
Przeszkoda inżynieryjna dla pierwszych producentów samochodów była prosta, ale uparta. Baterie szybko się rozładowywały. W 1900 roku zasięg mierzono nie w milach, ale w ćwiartkach. Rozwiązaniem Porsche nie było zwiększenie rozmiaru akumulatora. Był to silnik benzynowy, który pracował jako generator.
Taka konfiguracja uczyniła Elektromobil pierwszym praktycznym wczesnym samochodem hybrydowym benzynowo-elektrycznym. Silnik spalinowy nie obracał bezpośrednio kół. Obrócił generator, aby naładować akumulator. Właściwy ruch zapewniały elektryczne silniki w piaście. Prędkość maksymalna wynosiła 23 mil na godzinę (37 km/h). W 1900 roku wystarczało to do podróży miejskich. Nie wystarczyło to na długie podróże, ale rozwiązało bezpośredni problem wyczerpanych akumulatorów na środku miejskiej ulicy.
Dlaczego warto zamówić E.U. Hart zmienił historię przemysłu samochodowego
Pierwszym klientem był E.W. Hart z Luton w Anglii. Nie potrzebował tylko hybrydy. Potrzebował przyczepności. Poprosił o zamontowanie silników na wszystkich czterech kołach.
Porsche spełniło tę prośbę. W rezultacie powstała hybryda z napędem na wszystkie koła. To był ogromny skok techniczny. Przed rozkazem Harta Elektromobil był eksperymentem w zakresie napędu na dwa koła. Gdy samochód stał się napędem na wszystkie koła, koncepcja rozwinęła się z niszowej ciekawostki w niezawodne rozwiązanie układu napędowego. Można argumentować, że Hart kupił pierwszy pojazd hybrydowy z napędem na wszystkie koła (AWD). Pomogło to również udowodnić, że elektryczny układ napędowy jest w stanie sprostać złożonym zadaniom związanym z kierowaniem i rozkładem masy, z którymi borykały się wczesne samochody benzynowe.
Porównanie Elektromobilu z 1900 r. i Toyoty Prius z 1997 r
Różnica między tymi dwoma samochodami wynosi prawie sto lat. Technologie są różne. Intencje są podobne.
| Charakterystyka | Lohner-Porsche Elektromobil (1900) | Toyota Prius (1997) |
|---|---|---|
| Główne źródło energii | Silniki elektryczne w piastach | Silnik elektryczny + silnik benzynowy |
| Rola silnika benzynowego | Tylko generator | Generator + napęd bezpośredni |
| Maksymalna prędkość | 23 mil na godzinę (37 km/h) | ~112 mil na godzinę (180 km/h) |
| Wielkość produkcji | ~300 jednostek | Ponad 1 000 000 sztuk do 2008 r. |
| Wpływ na rynek | Niszowy przedmiot luksusowy | Rynek masowy |
Prius nie wynalazł technologii hybrydowej. Uprzemysłowił to. Firma Lohner-Porsche udowodniła, że koncepcja się sprawdza. Prius udowodnił, że może być wystarczająco tani dla milionów ludzi.
Gdzie można zobaczyć pierwszą hybrydę
Większość Elektromobilów zniknęła. Ocalało tylko kilka egzemplarzy. Pojawiają się na wystawach samochodów zabytkowych, zwykle w nienagannym stanie, przyciągając tłumy widzów, którzy myślą, że są to eksponaty statyczne. Ale to nieprawda. Oni pracują. Silniki w piaście nadal się kręcą. Generator nadal buczy.
Powód, dla którego zniknęli z pamięci publicznej, jest prosty. Były drogie. Byli powolni. A potem silnik spalinowy stał się lepszy, tańszy i cichszy. Pomysł na hybrydę nie umarł z powodu niepowodzenia. Zmarła, ponieważ silnik benzynowy stał się wystarczająco dobry.
Dlaczego koncepcja hybrydowa powraca po 100 latach
Możesz zapytać, dlaczego trwało to tak długo. Odpowiedzią jest ekonomia. W 1900 roku energia elektryczna była droga, a infrastruktura słaba. W latach 90. ceny ropy naftowej stały się niestabilne, a przepisy dotyczące emisji zaostrzono. Prius został wprowadzony na rynek w Japonii w 1997 r., ponieważ ostatecznie dostosowano klimat regulacyjny i gospodarczy.
Porsche i Lohner stworzyli dowód koncepcji. Toyota stworzyła uzasadnienie biznesowe. Lohner-Porsche Elektromobil pozostaje przypisem w większości książek o historii motoryzacji. Jeśli jednak przyjrzysz się bliżej układowi napędowemu dowolnej nowoczesnej hybrydy, zobaczysz tę samą podstawową logikę: używaj energii elektrycznej, aby uzyskać wydajność przy niskich prędkościach, używaj benzyny, aby uzyskać zasięg i moc. Logika ta narodziła się w wiedeńskim warsztacie w 1900 roku.
Jak faktycznie działa produkcja akumulatorów hybrydowych
Linia montażowa samochodu hybrydowego do złudzenia przypomina linię, na której składany jest zwykły sedan. Taśmy przenośnikowe przesuwają komponenty, windy podnoszą zespoły na miejsce, a połączenie robotycznych ramion i ludzkich rąk dokręca śruby. Jeśli stałbyś w fabryce bez znaku wskazującego, co dokładnie jest produkowane, możesz nie zdawać sobie sprawy, że był to samochód ekonomiczny.
Prawdziwa rozbieżność występuje na etapie akumulatora. Te akumulatory są duże, ciężkie i wymagają dużo miejsca. Nie schodzą z tej samej linii produkcyjnej, co reszta samochodu. Produkują je wyspecjalizowane firmy, głównie z siedzibą w Japonii, takie jak Panasonic i Sanyo. W zależności od modelu i epoki mówimy o ogniwach niklowo-wodorkowych (NiMH) lub litowo-jonowych (Li-ion).
Rozważmy ścieżkę litowo-jonową. Proces rozpoczyna się od wlewka litu. Pod ogromnym ciśnieniem wytłacza się go na arkusz o grubości zaledwie 0,01 cala (0,254 mm). Precyzyjne maszyny nawijają te arkusze w ciasne szpule, tworząc pojedyncze komórki.
Następnie następuje etap nagrzewania.
Te komórki rany są pieczone w wysokich temperaturach. Zautomatyzowany sprzęt natryskuje stopiony metal na arkusze w etapie zwanym metalizacją. Po stwardnieniu tej powłoki kilka metalizowanych ogniw składa się w jeden moduł. To ten moduł ostatecznie ląduje pod bagażnikiem lub siedzeniem i zarządza obciążeniem elektrycznym, podczas gdy większość pracy wykonuje silnik benzynowy.
Czy produkcja hybryd neguje ich korzyści dla środowiska?
Utrzymuje się mit, że ślad węglowy budowy hybrydy jest tak duży, że neguje oszczędności wynikające z jej eksploatacji. Dla sceptyka ma to intuicyjny sens: większa bateria, więcej pierwiastków ziem rzadkich, więcej energii do wyprodukowania. Ale matematyka tego nie potwierdza.
Weźmy pod uwagę Toyotę Prius. Jeden z powszechnych kontrargumentów głosi, że transport niklu potrzebnego do akumulatora NiMH po całym świecie powoduje spalanie większej ilości energii, niż zaoszczędziłbyś, jeżdżąc Priusem zamiast Hummerem. Analitycy obalili to konkretne twierdzenie, wskazując na fałszywe założenia. Energia wydana na logistykę to tylko niewielka część paliwa zaoszczędzonego przez cały okres użytkowania pojazdu.
Dane własne Toyoty dają wyraźniejszy obraz. Prius musi przejechać około 20 921 kilometrów (13 000 mil), aby redukcja emisji CO2 przekroczyła emisję powstającą podczas jego produkcji. W przypadku większości właścicieli ten próg rentowności przypada na pierwszy lub drugi rok posiadania pojazdu.
Która technologia akumulatorów hybrydowych jest lepsza pod względem wydajności?
NiMH i Li-ion nie są wymiennymi ulepszeniami. Służą różnym celom inżynieryjnym.
- NiMH : Starszy, cięższy i mniej gęsty w magazynowaniu energii. Był to standard dla wczesnych hybryd, ponieważ był mocny, tani i bezpieczny. Wymaga mniejszej regulacji termicznej niż jego następca.
- Li-ion : Lżejszy i zawiera więcej energii na funt. Pozwala to na zmniejszenie rozmiarów akumulatorów, uwalniając miejsce na ładunek lub pasażerów. Wymaga to jednak złożonej termoregulacji, aby zapobiec degradacji lub niekontrolowanej utracie ciepła.
Kiedy patrzysz na używane hybrydy, rodzaj akumulatora determinuje usługę. Jednostki NiMH ulegają awariom stopniowo, często wykazując rozbieżności w napięciach poszczególnych ogniw. Bloki litowo-jonowe mogą doznać nagłej utraty pojemności w przypadku awarii układu chłodzenia.
Gdzie samochody hybrydowe wpisują się w szerszą historię motoryzacji?
Hybrydy nie są wynalazkiem XXI wieku. Koncepcja ma ponad sto lat. Samochód Woods Dual Power z 1917 r. jest jednym z najwcześniej udokumentowanych przykładów połączenia silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym.
Technologia utknęła w martwym punkcie na dziesięciolecia, ponieważ technologia akumulatorów nie sprostała zadaniu. Akumulatory kwasowo-ołowiowe były zbyt ciężkie, aby hybryda była praktyczna w codziennej jeździe. Architektura ta nadawała się do masowej produkcji dopiero wraz z rozwojem NiMH w latach 90-tych.
Rozmowa zeszła teraz z pytania „czy one działają?” na „Jak wypadają w porównaniu z pojazdami wyłącznie elektrycznymi?” oraz „Jak radzą sobie z zimną pogodą?” Proces produkcyjny pozostaje złożony, ale wyzwania inżynieryjne nie polegają już na udowodnieniu rentowności. Dotyczą one optymalizacji zasięgu, redukcji kosztów i integracji ładowania energią słoneczną, tam gdzie ma to zastosowanie.
Linia montażowa wciąż pracuje. Baterie wciąż się wypalają. A co ze sceptycyzmem? Nadal tam jest, tylko teraz uzbrojony w dokładniejsze dane.
