HYBRIDBILAR (främst Prius)


HUR FUNGERAR DET?


En bil som för sin framdrivningen nyttjar två eller flera olika typer av motorer brukar kallas en hybridbil. Avsikten är att förbättra driftsekonomin och minska miljöpåverkan. En av dessa motorer brukar vara en elmotor (som ger stort vridmoment redan vid låga varvtal och fungerar bra även vid högre varvtal). En annan motor är någon typ av förbränningsmotor, som i en hybridbil i dess mest renodlade form endast är till för att producera el till elmotorn/elmotorerna. När jag i min ungdom först hörde talas om framtida hybridbilar, tänkte man sig att de skulle ha en elmotor i eller vid varje hjul och en förbränningsmotor med generator som laddade ett batteri med ström för elmotorerna. Ett stort batteri krävs alltså för mellanlagring av elen eftersom elmotorn/elmotorerna inte drar lika mycket ström hela tiden. Den ekonomiska och miljömässiga vinsten kommer av att förbränningsmotorn hela tiden kan arbeta med det varvtal eller inom det varvtalsområde inom vilket den är mest effektiv. Dessutom kan vid inbromsning, nedförsbackar och stillastående förbrännigsmotorn helt stängas av. Vid inbromsning och nedförsbackar kan vidare elmotorn (elmotorerna) fungera som generator(-er). Ett problem är att det hittills har krävt mycket stora och tunga batterier. Olika tillverkare har försökt komma runt detta problem genom att minska behovet av lagringskapacitet genom att på olika sätt få förbränningsmotorn att direkt bidra till framdrivningen så mycket som möjligt. Detta kan den då lämpligen göra vid jämn belastning d.v.s. vid konstant fart. Man försöker alltså få det så att elmotorn/elmotorerna arbetar i första hand i stadsttrafik och vid acceleration.

Vartefter batteritekniken förbättras säljs fler och fler ladd-hybrider (eller rent av rena elbilar) d.v.s. med batterier som kan laddas direkt från elnätet, vilket gör att driftskostnaderna minskar ytterligare (el är mycket billigare än bensin). Dessutom kommer då bilarnas batterier eventuellt att kunna användas som en buffert i elnätet. En sådan buffert gör det lättare att utnyttja vind och sol för framställningen av el. Se en artikel i Forskning och Framsteg. Även detta kommer att bidra till en bättre miljö. Bensinbolaget st1 propagerar för inhemsk produktion av etanol (ur matavfall) och turnerar med en till etanoldrift ombyggd Toyota Prius. Med denna kombination anser man sig kunna komma ner i ett koldioxidutsläpp på endast 22 g/km. Även för detta finns nu ombyggnadssatser att få.

Pionjärer när det gäller moderna hybridbilar har framför allt Toyota varit, men även GM och Honda har varit tidigt ute. Idag har alla mer betydande tillverkare modeller av hybrid-, laddhybrid- och/eller ren eldrift-typ. På Wikipedia finns en förteckning över olika modeller. Många olika kombinationer finns, men fortfarande är Toyotas (Lexus'), Fords och Chryslers teknik intressant p.g.a. sin enkelhet, smidighet och effektivitet.


TOYOTAS (LEXUS') TEKNIK

Toyota har funnit ett sätt att tillsammans med avancerad elektronik använda en planetväxel som kraftfördelare mellan de olika motorerna i sina hybridbilar. Denna kraftfördelare ersätter både koppling och växellåda. Tekniken användes först i Toyota Prius och sedermera också i flera andra Toyota- och Lexusmodeller. (Texten handlar närmast om Toyota Prius II.)

Hur det fungerar i Toyota (Prius, Auris hybrid, Yaris hybrid) och Lexus (CT 200 h) har jag förutom i motortidningar framför allt hittat på en amerikansk sajt som heter John's stuff - Toyota Prius and more. Därifrån har jag också hämtat animeringarna längst ner på denna sida och inspiration till övriga bilder. Andra intressanta sajter är Graham's Toyota Prius (en bild har jag hämtat från denna sajt), Toyota Prius - Power Split Device (PSD) och Privatenrg (en bild har jag hämtat från denna sajt).

Man kan tänka sig att man från början bara ville skapa en enkel CVT-växellåda (se ovan) och att man därvid utgått från det faktum att om ett av de två drivhjulen på en vanlig bil inte får fäste (står på en isfläck exempelvis) och snurrar fritt så står det andra hjulet stilla. Om man alltså bryter förbindelsen till ena drivhjulet (exempelvis högra) så snurrar den högra (röda) drivaxeln fritt medan ingen kraft överförs till det drivhjul (det vänstra gröna) som fortfarande skulle kunna driva bilen framåt. Det står då stilla. Detta motsvarar en vanlig växellådas neutralläge.

För att få det gröna drivhjulet att börja rotera, kan man då tänka sig att sätta en broms på den högra röda axeln. Då börjar bilen röra sig framåt och vid tillräckligt kraftig bromsning kan man få både den gröna (drivande) axeln och den röda att rotera lika snabbt framåt. Detta innebär att bilen har startat och växellådan växlats upp.


För att öka farten ytterligare dras bromsen åt så hårt att den högra röda axeln helt stoppas. Detta motsvarar att en överväxel lagts in.


Men att använda en broms på detta sätt är inte särskilt lyckat. Mycket av den energi som behövs för framdrivningen av bilen slösas bort i form av friktionsvärme från bromsen. Dessutom skulle antagligen inte bromsen hålla särskilt länge. Nu kommer då den ljusa idén att genom att ersätta bromsen med en generator kan man ta tillvara denna energi och använda den till att med hjälp av en elmotor ge drivhjulet extra kraft.

Man kan alltså på detta sätt förstå hur en Toyota Prius fungerar genom att jämföra den med en gammaldags bil med bensinmotor fram, kardanaxel, differential och bakhjulsdrift som byggts om på detta sätt. Bensinmotorn förbinds direkt med kardanaxeln utan koppling och växellåda däremellan. Differentialen används som kraftfördelare och därmed avstår vi från tvåhjulsdrift och bilen blir endast enhjulsdriven (vänstra bakhjulet - högra bakhjulet rullar fritt). Vänstra bakhjulet kopplas också direkt till en kraftig elmotor/generator, medan den drivaxel som skulle ha varit förbunden med högra bakhjulet i stället är direkt kopplad till en mindre elmotor/generator. Se figuren nedan:


När man har stigit i och tryckt på startknappen, så känner elektroniken av om batteriet är tillräckligt välladdat eller inte. Om det inte är det, sätter (den röda) 10-kW-motorn fart på den röda axeln som skulle ha varit förbunden med höger bakhjul så att den roterar "framåt". Eftersom det vänstra gröna bakhjulet (= drivhjulet) står still (låst) så gör differentialen så att (den blå) kardanaxeln och därmed besinmotorn också roterar "framåt" (med halva rotationshastigheten). 10-kW-motorn fungerar alltså nu som startmotor. Så snart bensinmotorn startat övergår 10-kW-motorn till att fungera som generator och laddar batteriet.

När man sedan trycker på "gaspedalen" (borde kanske hellre kallas fartökningspedalen) släpper låsningen på drivhjulet och även det drivs framåt av bensinmotorn och 50-kW-motorn. Strömmen från 10-kW-motorn/generatorn kan, när batteriet är tillräckligt laddat, styras om från att ladda batteriet till att leverera ström direkt till 50-kW-motorn. Genom att styra strömmarna på lämpligt sätt mellan de olika elmotorerna/generatorerna kan bensinmotorn hela tiden få arbeta inom ett för bränsleekonomin och miljön gynnsamt varvtalsområde och bilen accelereras mer eller mindre kraftigt. Om 10-kW-motorn/generatorn roterar fortare ("framåt") än drivhjulet går bensinmotorn fort i förhållande till bilens fart (= låg växel). Om å andra sidan 10-kW-motorn/generatorn rotera långsammare eller rent av baklänges i förhållande till drivhjulet går bensinmotorn långsamt i förhållande till bilens fart (= hög växel).

Normalt (d.v.s. då batteriet är välladdat) arbetar dock aldrig bensinmotorn då bilen står stilla eller körs med låg fart. När man då från stillastående trycker på "gaspedalen", står bensinmotorn fortfarande stilla och det är endast 50-kW-motorn som ger bilen allt högre fart. Genom att reglera strömmen till 50-kW-motorn kan bilen också gå med konstant fart. Att bensinmotorn står stilla innebär att 10-kW-motorn/generatorn fungerar som generator (eller motor) medan den roterar baklänges lika fort som drivhjulet roterar framåt

Vid högre fart träder bensinmotorn in som huvudsaklig drivkraftskälla. Även i detta fall agerar 10-kW-motorn/generatorn startmotor - dock räcker det att den "håller emot" den röda axelns bakåtrotation tillräckligt mycket för att bensinmotorn skall tvingas rotera framåt. När bensinmotorn startat roterar både (det gröna) drivhjulet och (den röda) 10-kW-motorn/generatorn framåt och fungerar som generator. Om batteriet inte kan laddas mer styrs strömmen till 50-kW-motorn/generatorn, så att den kan avlasta bensinmotorn något. När man sedan vill öka farten ges det extra krafttillskottet av 50-kW-motorn som då drar mycket ström från batteriet, medan batteriet i gengäld laddas mycket när man saktar in för då kan bensinmotorn helt slås ifrån samtidigt som båda elmotorerna fungerar som generatorer och därvid hjälper till att bromsa bilen.

När bilen skall backa drivs den alltid enbart av 50-kW-motorn/generatorn som då roterar baklänges. Är batteriet dåligt laddat går även bensinmotorn, men fortfarande "framåt", vilket innebär att (den röda) 10-kW-motorn/generatorn roterar framåt och fungerar som generator.

Jag övergår nu till hur det ser ut på Toyota Prius. Den är naturligtvis inte enhjulsdriven utan framhjuldriven som de flesta moderna bilar med en differential mellan framhjulen som fungerar som vanligt. Som kraftfördelare används i stället en enkel och kompakt planetväxel. Den har förbundits med de olika komponenterna så som figuren nedan visar. Förbindelsen med drivhjulen sker alltså via en vanlig differentialväxel:

Nedanstående bild kan underlätta förståelsen. Den röda oändligt långa "kuggstången" till vänster representerar solhjulet, den gröna oändligt långa "kuggstången" representerar ringhjulet. Tänk på att (den blå) bensinmotorn inte kan gå baklänges:

Eller mera som det i verkligheten ser ut i bilen (principskiss):

Eller ännu mer som det verkligen ser ut i bilen. Man slås av hur liten och mekaniskt enkel komponent kraftfördelaren är. Lägg märke till att transmissionskedjan är vänd i motsatt riktning mot i figuren ovan:


Så här rör sig de olika delarna i planetväxeln, när bilen (drivhjulen) står stilla och bensinmotorn startas (den lilla motorn/generatorn fungerar som startmotor) eller då den går för att ladda batteriet (eller värma kupén - den lilla motorn/generatorn fungerar som generator).


Så här rör sig de olika delarna i planetväxeln, när bilen körs med låg hastighet och drivs framåt av endast den stora elmotorn. Nu går bilen ljudlöst och helt utan avgaser.


Så här rör sig de olika delarna i planetväxeln vid kraftig acceleration eller acceleration vid högre fart. Både den stora elmotorn och bensinmotorn bidrar, men bidraget från elmotorn gör ändå att bensinmotorn kan arbeta på ett sådant sätt att bensinförbrukningen och skadliga utsläpp kan begränsas. Den lilla elmotorn fungerar som generator.


Så här rör sig de olika delarna i planetväxeln, när bilen körs med hög, konstant fart. Drivkraften kommer i första hand från bensinmotorn som dock går relativt långsamt (= hög växel).


Så här rör sig de olika delarna i planetväxeln, när bilen backas och endast den stora elmotorn bidrar med drivkraft. Bensinmotorn står stilla. Detta är det normala när man backar.


Så här rör sig de olika delarna i planetväxeln, när bilen backas och både elmotorn och bensinmotorn går. Men det är ändå så att endast den stora elmotorn direkt bidrar med drivkraft. Bensinmotorns uppgift är i detta läge endast att ladda batteriet (eller värma kupén).

Fr.o.m. Toyota Prius III har ytterligare en planetväxel tillfogats så som visas i bilden nedan. (I bilden har de två planetväxlarna ritats separerade för tydlighetens skull, medan de i verkligheten är hopbyggda så att de har ett gemensamt ringhjul. I denna planetväxel är planetbäraren låst vid transmissionshuset så att denna planetväxel endast ökar varvtalet hos den större elmotorn/generatorn i förhållande till övriga delar. Syftet är dock främst att därmed kunna minska varvtalet hos den mindre elmotorn/generatorn så att bilen ska kunna köras med högre hastighet vid enbart eldrift. Samtidigt har transmissionskedjan ersatts av enbart kuggdrev. På YouTube förklaras detta närmare: Version 1 - Version 2 - Isärplockning av hela transmissionen.

I Toyota Prius IV sitter inte längre bensinmotorn och de två elmotorerna monterade efter varandra med koncentriska axlar utan de två elmotorerna sitter monterade parallellt med slutväxeln. Därmed har hela motorpaketet kunnat göras både kortare och lättare. Denna konstruktion delar Toyota med modeller från Ford och Chrysler. På YouTube förklaras detta närmare: Ford - Prius IV

Efter detta tror väl alla att jag sedan länge har haft en sådan här bil. Men det har jag inte. Av både praktiska och ekonomiska skäl har jag haft en billigare och större bil, som bl. a. hade ett avsevärt större bagagerum och var försedd med dragkrok (kula). Men nu har jag som pensionär med mindre transportbehov äntligen skaffat en hybridbil i stället - en Toyota Yaris Hybrid: