Πώς λειτουργούν τα plug-in υβριδικά οχήματα

Συμβατικός κινητήρας εσωτερικής καύσης ή ηλεκτρικός κινητήρας; Βενζίνη, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο από τη μία ή ηλεκτρισμός, από την άλλη.

Υπάρχει μια τρίτη απάντηση σε αυτό το θεμελιώδες ερώτημα της σύγχρονης κινητικότητας: plug-in υβριδικό ηλεκτρικό όχημα ή εν συντομία PHEV, με συνδυασμό κινητήρα εσωτερικής καύσης και ηλεκτροκινητήρα, με τον δεύτερο να τροφοδοτείται με ενέργεια από μια μπαταρία ιόντων λιθίου στο πίσω μέρος του οχήματος, με δυνατότητα φόρτισηςσε πρίζα (plug-in).

Ένας συνδυασμός που επιτρέπει την κατά τόπους οδήγηση χωρίς εκπομπές ρύπων και με εντυπωσιακά χαμηλή συνολική κατανάλωση. Μερικές ερωτήσεις και απαντήσεις που κάνουν την τεχνολογία των PHEV πιο κατανοητή.

Τι σημαίνει υβριδικό σύστημα μετάδοσης κίνησης και τι είναι ένα plug-in υβριδικό αυτοκίνητο;

Παραδοσιακά, ένα σύστημα μετάδοσης κίνησης αναφέρεται ως υβριδικό σύστημα κάθε φορά που συνδυάζονται δύο τεχνολογίες κίνησης – στην προκειμένη περίπτωση ενός υβριδικού ηλεκτρικού συστήματος (HEV), συνδυασμός ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης και ενός ηλεκτρικού κινητήρα με το αντίστοιχο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας.

Ένα χαρακτηριστικό αυτών των οχημάτων είναι ότι ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί είτε να χρησιμοποιηθεί ως ο μοναδικός κινητήρας έλξης σε διαδρομές που επιλέγει ο οδηγός, χωρίς εκπομπές ρύπων, είτε να βοηθήσει τον κινητήρα εσωτερικής καύσης με πρόσθετη ικανότητα ώθησης. Ο ηλεκτροκινητήρας χρησιμεύει επίσης ως γεννήτρια για ανάκτηση ενέργειας, μετατρέποντας την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική και αποθηκεύοντάς την σε μπαταρία ιόντων λιθίου.

Σήμερα, το plug-in υβριδικό ηλεκτρικό όχημα (PHEV), που μπορεί να φορτιστεί εξωτερικά, σε σταθμό φόρτισης ή τη συνηθισμένη πρίζα, έχει καθιερωθεί ως η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μορφή υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος. Τα τελευταία χρόνια η ενεργειακή χωρητικότητα των μπαταριών αυτών των οχημάτων έχει αυξηθεί, αυξάνοντας κατά συνέπεια την ηλεκτρική αυτονομία του αυτοκινήτου.

Πώς προσεγγίζει η Audi την τεχνολογία των plug-in υβριδικών αυτοκινήτων;

Η Audi εστιάζει σε τρεις στόχους: απροβλημάτιστη εμπειρία ηλεκτρικής οδήγησης, εύκολη διαχείριση φόρτισης και υψηλή χρηστικότητα στην καθημερινή οδήγηση. Ας τους δούμε πιο αναλυτικά.

Απροβλημάτιστη εμπειρία ηλεκτρικής οδήγησης: τα PHEV της μάρκας εξοπλίζονται με ηλεκτρικό κινητήρα που αποδίδει έως και 143PS ίππους, ανάλογα με το μοντέλο. Αυτό εξασφαλίζει πλήρως ηλεκτρική λειτουργία σε μεγάλο εύρος ταχυτήτων και σε διαφορετικές καταστάσεις οδήγησης. Η εξελιγμένη διαχείριση κινητήρα των PHEV μοντέλων παρέχει τη βάση για συχνή και συνεχή ηλεκτρική οδήγηση. Το έξυπνο σύστημα διαχείρισης κινητήρα ελέγχει την αλληλεπίδραση του ηλεκτροκινητήρα και του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Αποφασίζει πότε το αυτοκίνητο θα λειτουργεί σε πλήρη ηλεκτρική λειτουργία, πότε θα ανακτηθεί ενέργεια ή πότε το αυτοκίνητο θα ρολάρει με τον κινητήρα εσωτερικής καύσης απενεργοποιημένο και πότε αυτός θα ενεργοποιηθεί εκ νέου.

Η χρήση διαφόρων αισθητήρων καθώς και δεδομένων και πληροφοριών διαδρομής για τον έλεγχο κίνησης, είναι απαραίτητη για έξυπνη διαχείριση κινητήρα, μεγάλα τμήματα ηλεκτρικής οδήγησης και υψηλή ενεργειακή απόδοση. Μετρημένα σύμφωνα με τον κύκλο WLTP, τα PHEV μοντέλα της γερμανικής εταιρίας επιτυγχάνουν ηλεκτρική αυτονομία έως και 59 χιλιόμετρα.

Η διαχείριση φόρτισης είναι ο δεύτερος πυλώνας της ανάπτυξης PHEV μοντέλων. Η χωρητικότητα φόρτισης των μεσαίων και μεγάλων PHEV μοντέλων φτάνει έως και 7,4 kW, με την επαναφόρτιση της μπαταρίας (από άδεια) να ολοκληρώνεται σε περίπου 2,5 ώρες. Αυτή η περίοδος φόρτισης είναι ιδανική για το τυπικό προφίλ χρήστη ενός PHEV: καθιστά δυνατή την εύκολη και γρήγορη φόρτιση του αυτοκινήτου, μία ή δύο φορές την ημέρα, είτε στο σπίτι είτε στην εργασία. Εκτός από το σύστημα φόρτισης “Compact” με καλώδιο για οικιακές και βιομηχανικές πρίζες, ο βασικός εξοπλισμός όλων των μοντέλων PHEV περιλαμβάνει καλώδιο Mode-3 με βύσμα Type-2 για δημόσιους σταθμούς φόρτισης.

Η υψηλή χρηστικότητα στην καθημερινή οδήγηση προϋποθέτει τους δύο πρώτους στόχους: συχνή κίνηση σε ηλεκτρική λειτουργία και εύκολη διαχείριση φόρτισης, παράλληλα με διατήρηση των ωφέλιμων χώρων που απαιτεί ο χρήστης από το αυτοκίνητό του. Οι μηχανικοί της πέτυχαν εξοικονόμηση χώρου και συμπαγή ενσωμάτωση των μπαταριών στο δάπεδο κάτω από το χώρο αποσκευών των PHEV μοντέλων της. Το δάπεδο είναι μεν ελαφρώς ανυψωμένο σε σύγκριση με τα συμβατικά μοντέλα, αλλά δεν περιλαμβάνει κάποιο ενοχλητικό σκαλοπάτι. Αυτό δημιουργεί ένα επίπεδο, πλήρως και αποτελεσματικά χρηστικό δάπεδο.

Ποιες εκδόσεις κινητήρα χρησιμοποιεί η Audi;

Η Audi συνδυάζει κατά περίπτωση υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες άμεσου ψεκασμού (TFSI), είτε 3λιτρο V6 είτε 4κύλινδρο 2λιτρο, με έναν ηλεκτροκινητήρα. Σε όλα τα plug-in υβριδικά μοντέλα, ο ηλεκτροκινητήρας είναι ενσωματωμένος στο κιβώτιο ταχυτήτων. Η υβριδική μονάδα αποτελείται από τον ηλεκτροκινητήρα και έναν συμπλέκτη που συνδέει τον κινητήρα TFSI με το σύστημα μετάδοσης κίνησης. Ο συμπλέκτης βρίσκεται ακριβώς μπροστά από το κιβώτιο 7 ή 8 σχέσεων.

Σε όλα τα PHEV, η ισχύς μεταδίδεται και στους τέσσερις τροχούς. Τα 6κύλινδρα μοντέλα χρησιμοποιούν μόνιμη τετρακίνηση quattro ως βασικό εξοπλισμό, ενώ τα 4κύλινδρα μοντέλα εξοπλίζονται με quattro ultra drive. Η ισχύς είναι 367 ίπποι για τις 4κύλινδρες εκδόσεις και 456 ίπποι για τις 6κύλινδρες. Ειδικά στην Ευρώπη, τα A6, A7 και Q5 διατίθενται και σε πιο μικρή έκδοση, με τον βενζινοκινητήρα 2.0 TFSI, με συνολική ισχύ 299 ίππων.

Ποια τεχνολογία μπαταρίας χρησιμοποιείται στα μοντέλα PHEV;

Το ρεύμα τροφοδοσίας των ηλεκτρικών κινητήρων παρέχεται από ένα σύστημα μπαταριών με υδρόψυκτες κυψέλες ιόντων λιθίου. Σε όλα τα μεσαία και μεγάλα μοντέλα, η μπαταρία 385 Volt αποθηκεύει 14,1 kWh (εξαίρεση τα 17,3 kWh στο Q7). Στα A6, A7 και A8, αποτελείται από 104 στοιχεία ενοποιημένα σε οκτώ modules.

Η μπαταρία ιόντων λιθίου στο Q5 αποτελείται από πρισματικά στοιχεία. Το κύκλωμα ψύξης της μπαταρίας είναι ενσωματωμένο στο κύκλωμα χαμηλής θερμοκρασίας που τροφοδοτεί τον ηλεκτρικό κινητήρα και τα ηλεκτρονικά ισχύος. Τα τελευταία, μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα της μπαταρίας υψηλής τάσης σε τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα για τον ηλεκτρικό κινητήρα. Στη λειτουργία ανάκτησης ενέργειας, η διαδικασία αντιστρέφεται.

Πόσος χρόνος χρειάζεται για τη φόρτιση των PHEV μοντέλων;

Συνδεδεμένα με τριφασικό φορτιστή AC 400 Volt με χωρητικότητα 7,4 kW, χρειάζονται περίπου  2,5 ώρες για να φορτιστεί πλήρως η μπαταρία 14,1 kWh. Σε οικιακή πρίζα 230 Volt, περίπου 6,5  ώρες.

Πώς επιλέγει ο οδηγός τους διαθέσιμους τρόπους οδήγησης;

Το υβριδικό σύστημα διαχείρισης των PHEV μοντέλων έχει σχεδιαστεί για μέγιστη απόδοση και άνεση και επιλέγει αυτόματα τη βέλτιστη στρατηγική λειτουργίας. Τρεις τρόποι λειτουργίας είναι διαθέσιμοι στον οδηγό: εκτός από τον στάνταρ υβριδικό τρόπο λειτουργίας “Auto”, ο οδηγός μπορεί να επιλέξει μεταξύ των λειτουργιών “EV” και “Hold”. Στη λειτουργία “EV”, το όχημα κινείται αποκλειστικά με ηλεκτρική ενέργεια, εφόσον ο οδηγός δεν υπερβαίνει ένα μεταβλητό επίπεδο πίεσης στο πεντάλ γκαζιού.

Η λειτουργία “EV” είναι η προεπιλεγμένη ρύθμιση κάθε φορά που το όχημα ξεκινά. Στη λειτουργία “Hold”, το σύστημα διαχείρισης κινητήρα ελέγχει το σύστημα μετάδοσης κίνησης έτσι ώστε να διατηρείται η υπάρχουσα κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας, για να καταστεί δυνατή στη συνέχεια η πλήρως ηλεκτρική οδήγηση, για παράδειγμα σε αστικές περιοχέςμε σχετικούς περιορισμούς.

Επιπλέον, ο οδηγός μπορεί να χρησιμοποιήσει το drive select για εναλλαγή μεταξύ των λειτουργιών “comfort”, “efficiency”, “auto” και “dynamic”, επηρεάζοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο τη ρύθμιση των συστημάτων κίνησης, ανάρτησης και διεύθυνσης. Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, ανάλογα με τη ρύθμιση, τα κατώφλια με τα οποία λειτουργούν ταυτόχρονα και τα δύο συστήματα πρόωσης διαφοροποιούνται. Στη λειτουργία “dynamic”, ο ηλεκτροκινητήρας βοηθά όλο και περισσότερο τον κινητήρα εσωτερικής καύσης με την ηλεκτρική του ικανότητα, για μέγιστη δυναμική οδήγηση.

Πώς λειτουργεί η διαχείριση κινητήρα των μοντέλων PHEV;

Τα PHEV μοντέλα της γερμανικής μάρκας διαθέτουν τα συστήματα Predictive Efficiency Assistant (PEA) και Predictive Operating Strategy (POS), που εξυπηρετούν το σκοπό της μεγιστοποίησης της χρήσης της ηλεκτρικής ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στη μπαταρία ιόντων λιθίου μέσω της προβλέψιμης διαχείρισης κίνησης και ανάκτησης, τροφοδοτώντας μια ποσότητα κινητικής ενέργειας πίσω στην μπαταρία.

Παράμετροι και δεδομένα του συστήματος πλοήγησης και της προγνωστικής διαδρομής, όπως επερχόμενα σήματα ορίων πόλης, διασταυρώσεις, κυκλικοί κόμβοι, στροφές στο δρόμο, ανοδικά και κατηφορικά τμήματα, γνωστά όρια ταχύτητας καθώς και προηγούμενα οχήματα που συλλαμβάνονται από τον αισθητήρα ραντάρ, τροφοδοτούνται στο σύστημα με στόχο την επίτευξη ομαλής κίνησης και τη μεγιστοποίηση χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας, που θεωρείται πιο «πράσινη», προκειμένου να φτάσει στον προορισμό με σχεδόν άδεια μπαταρία. Σχετικές πληροφορίες εμφανίζονται στον πίνακα οργάνων και με απτική ώθηση στο πεντάλ γκαζιού, υπενθυμίζεται στον οδηγό να σηκώσει το πόδι από το γκάζι ώστε να εξοικονομηθεί ενέργεια.

Τι είναι ένα ενεργό πεντάλ γκαζιού;

Παρέχοντας απτική ανάδραση, ουσιαστικά μία στιγμιαία ανάδραση από το πεντάλ προς το πόδι του οδηγού, το ενεργό πεντάλ γκαζιού βοηθά τον οδηγό να μεγιστοποιήσει την απόδοση του στυλ οδήγησης, ενημερώνοντάς τον όταν αυτός δεν λειτουργεί το όχημα στο ηλεκτρικό φάσμα οδήγησης. Με βάση τις πληροφορίες από το Predictive Efficiency Assistant, ζητά επίσης από τον οδηγό να σηκώσει το πόδι από το γκάζι ώστε να επιτευχθεί είτε ρολάρισμα (ελεύθερη κίνηση του οχήματος) είτε ανάκτηση ενέργειας.

Πώς λειτουργεί η ανάκτηση;

Όσον αφορά στην ανάκτηση ενέργειας, το σύστημα κίνησης του PHEV μοιάζει με αυτό του νέου, πλήρως ηλεκτρικού e-tron. Κατά τη διάρκεια της πέδησης, τα μοντέλα PHEV της επανακτούν έως και 80 kW ενέργειας. Ο ηλεκτροκινητήρας χειρίζεται όλες τις μικρές επιβραδύνσεις. Σε μέτριες επιβραδύνσεις, ο ηλεκτροκινητήρας μοιράζεται καθήκοντα επιβράδυνσης με τα υδραυλικά φρένα τροχών, τα οποία χρησιμοποιούνται μόνα τους μόνο μετά από ένα συγκεκριμένο επίπεδο επιβράδυνσης 0,4 g. Υπάρχει σχεδόν ανεπαίσθητη μετάβαση μεταξύ της πέδησης του ηλεκτροκινητήρα και αυτής των συμβατικών φρένων στους τροχούς, χωρίς να μεταβάλλεται η αίσθηση πίεσης στο πεντάλ φρένου.

Τι σημαίνει boosting ή επιπλέον ώθηση;

Η στρατηγική κίνησης των PHEV έχει σχεδιαστεί για μέγιστη απόδοση και ένα υψηλό ποσοστό ηλεκτρικής οδήγησης από τη μία πλευρά και (ανάλογα με τις ανάγκες) πολύ σπορ οδήγηση λόγω του boosting, της επιπλέον ώθησης, από την άλλη. Ο ηλεκτροκινητήρας βοηθά τον κινητήρα εσωτερικής καύσης σε αυτή τη διαδικασία και το επίπεδο βοήθειας εξαρτάται από το επιλεγμένο πρόγραμμα οδήγησης. Ανάλογα με τη διαμόρφωση του μοντέλου και του κινητήρα, εφαρμόζονται συνολικά έως 500 Nm ή 700 Nm ροπής, δηλαδή έως και 200 Nm περισσότερο από ό, τι αναπτύσσει από μόνος του ο αντίστοιχος θερμικός κινητήρας.

Ποιος είναι ο ρόλος της θερμικής διαχείρισης;

Το σύνθετο σύστημα θερμικής διαχείρισης συμβάλλει στην επίτευξη μεγάλης ηλεκτρικής αυτονομίας και τη γρήγορη θέρμανση του εσωτερικού. Μια αντλία θερμότητας ενσωματωμένη στο σύστημα θερμικής διαχείρισης χρησιμοποιεί την απορριπτόμενη θερμότητα των εξαρτημάτων υψηλής