Nenáviděné hybridy – mají vůbec smysl?

Tak jako průměrného uvědomělého Čecha rozhořčí jakýkoli článek o elektroautech, podobné reakce se dostane komukoli, kdo vytáhne něco o hybridních autech mezi fanatickými příznivci EV. Tenhle fenomén pozoruji už delší dobu a z hybridů se stal takový otloukánek obou extrémů mezi motoristy. Prý žádné problémy neřeší a jen vytváří další. Jenže je tomu skutečně tak? Je hybrid pouze ojebávka na úředníky?

40-e-cvt-and-hybrid

Budu se snažit zbytečně moc nerozepisovat, ale po několika nedávných diskuzích, jsem pocítil, že napsat o tom na blog je už asi nevyhnutelné, protože mě to donutí uspořádat si lépe myšlenky a zároveň mít případné argumenty už někde vystavené, aby na ně stačilo příště jen odkázat.

Nejčastěji zaznívající argumenty proti klasickým (full-) hybridům jsou v internetových diskuzích (nejen s fanoušky EV) následující:

  • Kombinace spalovacího a elektrického pohonu znamená větší poruchovost proti autům, které mají jen jeden z pohonů.
  • Hybrid je těžší než čistě spalovací auto
  • Baterka nic nevydrží, je drahá a v hybridu se hodně cykluje
  • Spotřeba je nižší jen v normovaných testech, ale ne v reálném provozu

Pak jsou tu samozřejmě ještě plug-in hybridy. Pokud někdo nezná rozdíl mezi klasickým a plug-in hybridem: klasický má malou baterii, používá pro ni spalovací motor jako jediný zdroj energie (vedle rekuperace pomocí elektromotoru) a vypíná ho jen v případě, že je zrovna potřeba malý nebo žádný výkon pro pohyb vozidla. Naproti tomu plug-in má výrazně větší baterii a dostal navíc konektor pro dobíjení ze zásuvky (u klasického se do baterie dostane energie jen ze spalovacího motoru). Plug-in hybrid je na kratší cesty možné používat v čistě elektrickém režimu (obvykle do 50 km).

V případě plug-inů jsou argumenty proti v podstatě stejné jako u klasických, ale ještě víc vystupuje do popředí, že je auto těžší (protože má větší baterii). Další si stěžují, že výrobcem udávaná spotřeba je daleko od reality a že si takové auto nezaslouží „EL“ značky (tj. dálniční známka zdarma a sem tam někde zdarma i parkování).

Je klasický hybrid složitější a těžší?

Full-hybrid je samozřejmě možné vyrobit tak, aby byl opravdu pouze komplikovanější, těžší a nejspíš i poruchovější než čistě spalovací auto, ale to (kupodivu?) není preferovaný způsob mezi výrobci. V případě hybridů si asi většina lidí vybaví Toyotu, která je takovým tahounem tohoto pohonu. V případě Toyoty nicméně neplatí, že by byl pohon komplikovanější než u mnohých moderních čistě spalovacích aut. Používají jednodušší konstrukci motoru bez turba a dlouhou dobu dokonce i bez přímého vstřikování (nyní už mají kombinaci přímého i nepřímého). Motor je doplněn o startér-generátor a spolu se samostatným elektromotorem je napojen na kola přes planetovou převodovku (než jsem stihl článek vydat, vyšel na WeberAuto názorný popis aktuálního Toyoťáckého pohonu, který doporučuju zkouknout k plnému pochopení, čím se liší e-CVT od klasického CVT). Řídicí jednotka následně vyhodnocuje, zda je vhodné pohánět kola pouze spalovacím motorem, kombinací obou, nebo jen elektromotorem. V případě poslední situace pak jednotka ještě rozhoduje, zda je v tu chvíli vhodné elektromotor krmit z malé baterie a spalovací motor vypnout, nebo jej používat v režimu generátoru, kdy dodává energii pro elektromotor a přebytky posílá do baterie.

Tohle všechno není složitější než moderní turbo-diesel s dvojspojkovou automatickou převodovkou. Naopak bych řekl, že jde vlastně o poměrně jednoduché a chytré řešení, které umožňuje jednotlivým komponentám pracovat v režimu, který je tolik neopotřebovává. Hybridy od Toyoty jsou s námi už nějakých 20 let a za tu dobu se zařadilo jejich pohonné ústrojí mezi ta nejspolehlivější. Dle zkušeností uživatelů nakonec malá baterie navzdory velkému cyklování (v porovnání s elektroauty) nemá problém přežít třeba 15 let a 250 tisíc kilometrů.

Na první pohled se může zdát, že hybrid zákonitě musí být složitější než čistě spalovací auto, protože si většina představí čistě spalovací auto a k němu jen tak přidaný elektromotor a baterii. Ve výsledku to je spíš tak, že z toho původního spalovacího auta je také část nahrazena a část úplně odstraněna, takže výsledek v porovnání s autem, které nabízí podobnou dynamiku a spotřebu, už může být ve prospěch hybridu.

Připadá vám řešení od Toyoty stále moc složité? Pak se vám může líbit, jak to vyřešila Honda. Ta totiž žádnou převodovku ve svých full-hybridech ani nemá. Je tam fixní převod (něco na úrovni nejvyššího kvaltu ve spalovacím autě) a hydraulická spojka, která umí spalovací motor od vyšších rychlostí připojit přímo na kola, což se hodí třeba při jízdě po dálnici. Pokud spalovací samotný nestačí, vypomůže mu elektromotor. Pokud je rychlost nízká, elektromotor pohání kola sám a spalovací motor se zapíná jen v režimu generátoru.

honda-ecvt-electric

honda-ecvt-direct

Pokud jde o hmotnost, malé baterie full-hybridů mají komplet do 50 kilo, pokud jsou záměrně s takovou chemií, u které nehrozí thermal runaway (tj. jsou z hlediska požáru minimálním rizikem). V reálu jsou díky lehkému motoru bez turba rozdíly v nižších desítkách kilogramů. Však se taky bavíme o baterce, která má pár kWh. I baterka mého Ioniqa (technologicky rok 2016) má při využitelné kapacitě 28 kWh jen 200 kg, tak proč by zrovna baterka v hybridu měla vůbec stát co do hmotnosti za řeč?

Měl bych ještě dodat, že samozřejmě ne všechny hybridy (ať už klasické, nebo plug-in) jsou konstruované takto radikálně odlišně od konvenčních aut. Hyundai/Kia sice používá atmosférický motor 1.6 extra upravený pro hybridní použití, ale jako převodovku má klasický dvojspojkový automat. V případě (plug-in) hybridů od Škodovky je vedle běžného robotizovaného automatu použit také obyčejný oturbený čtyřválec 1.4 TSI.

Energeticky efektivnější využití spalovacího motoru

U spalovacích motorů dnes lze v autech dosáhnout účinnosti 30-40 %, pokud se bavíme o ideálních pracovních podmínkách. V případě velkých motorů typu deseti a více litrových dieselů může být i 50 %, ale to už bychom byli mimo osobáky.

Problém je v těch ideálních pracovních podmínkách. Z aplikací spalovacích motorů jsou osobní auta jednou z těch nejhorších, bavíme-li se o energetické účinnosti. Nelze se divit, když je motor v autech vystavován velkému rozpětí pracovních otáček i zátěže. V městském provozu se dostane do ideálních podmínek jen málokdy a jeho průměrná účinnost pak může být oproti té ideální poloviční.

citroen-1.6-hdi-90hp-bsfc-r2

BSFC pro 1.6HDi v Citroen Berlingo LX 625 L1 (zdroj)

Na obrázku výše je 90koňový naftový motor 1.6HDi z Citroenu Berlingo. Jde o graf, který udává BSFC (Brake Specific Fuel Consumption, resp. měrnou spotřebu paliva), tedy množství paliva k vyprodukování jednotky mechanické práce v závislosti na otáčkách motoru a jeho zatížení. Čím je hodnota nižší, tím je motor účinnější. Pokud bychom z této hodnoty chtěli získat účinnost (resp. BTE = Brake Thermal Efficiency), je potřeba provést v případě nafty přepočet následovně (přes dolní výhřevnost paliva):

BTE = 1 / (BSFC × 0,0119531)

Takže pro představu hodnoty BSFC v grafu znamenají následující účinnosti ve smyslu BTE (berte v potaz, že BTE řeší účinnost samotného motoru na jeho výstupu – pro celé auto by byla účinnost nižší kvůli dalším ztrátám pohonného ústrojí, například na převodovce):

  • 265 g/kWh = 31,5 %
  • 300 g/kWh = 27,9 %
  • 400 g/kWh = 20,9 %
  • 450 g/kWh = 18,1 %

Tento motor tedy má účinnost až 31,5 %, ale pokud budu brát v potaz ustálenou rychlost takového auta 90 km/h (~15 kW; 70 Nm při ~1950 rpm), resp. 130 km/h (~30 kW; 95 Nm při 2800 rpm) dostanu se někam na účinnost ~28 %. Z grafu vidíte, že nejlepší účinnost je někde mezi 1900 a 2200 rpm při 60-85% zátěži tohoto motoru. Jakmile je požadovaný výkon nižší (nejedu dost rychle, neakceleruji), nepomůže vám ani přeřazení, protože když zvýšíte otáčky, klesnou vám nároky na točivý moment a naopak. Ve městě při rychlosti 50 km/h potřebujete s autem této velikosti výkon jen asi 7-8 kW, což vám dá účinnost maximálně 20 %, a to ještě budete muset podtáčet (což ostatně kvůli tomu radí i palubní počítače mnoha moderních aut) – blíž se k ideální účinnosti nepřiblížíte.

No a tady přichází na řadu full-hybridy. Jejich cílem je nepoužívat spalovací motor tam, kde je neefektivní. Z grafů je vidět, že jde v běžném provozu hlavně o situace, kdy je zátěž spalovacího motoru malá. V případě provozu ve městě je to mimo nějakých akcelerací vlastně většinu času (i na běžnou akceleraci ve městě stačí ~20 kW).

toyota-2.5-bte-r2

Zde můžete vidět graf účinnosti (Brake Thermal Efficiency) pro 2,5litrový benzínový čtyřválec (bez turba), který Toyota používá ve větších hybridech. Ty šikmé šedé čáry ukazují výsledný výkon, takže nemusíte nic přepočítávat z otáček a točivého momentu (zdroj).

V nízkých zátěžích naopak dobře funguje elektromotor, takže stačí, aby auto vyhodnocovalo, který pohon je v tu chvíli vhodnější, a ten použilo. Tím, že jde o použití elektromotoru hlavně při požadavku na nízký výkon, není potřeba velká baterie. Auto může fungovat čistě z baterie a spalovací motor vypnout. K zapnutí spalovacího motoru pak dochází jen v případě, že opět nastaly podmínky pro jeho efektivní využití, anebo by baterie už nezvládla sama pohánět elektromotor (ať už kvůli vybití, nebo zvýšeným nárokům na výkon). Pokud se ovšem zapne spalovací motor v režimu generátoru energie, elektronika auta jej využije v takovém zatížení a otáčkách, aby dosáhl co nejlepší účinnosti – výhodou je právě to, že zátěž spalovacího motoru není limitována tím, co zrovna elektromotor potřebuje, protože přebytkem se dobíjí baterie. Elektromotor samotný pak může také sloužit jako generátor, a to například při jízdě z kopce, nebo brždění pomocí rekuperace.

V případě potřeby větší akcelerace také mohou pracovat elektromotor i spalovací motor současně tak, aby spalovací nemusel jít mimo pracovní prostor, kde má dobrou účinnost (tj. ve vyšších otáčkách třeba nad 80 %). Kromě toho je možné spalovací motor optimalizovat na vyšší účinnost za cenu horší dynamiky (resp. odezvy), protože právě to zhoršení dynamiky v klidu zakryje výpomoc elektromotoru.

Tohle všechno dohromady způsobuje, že i teoreticky těžší full-hybrid může mít nižší spotřebu než čistě spalovací auto. Z testů, zkušeností mých známých, ale i třeba při zkoumání výsledků ze spritmonitor.de vychází, že benzínový hybrid má proti čistě benzínovým motorizacím nižší spotřebu alespoň o litr. Pokud budu brát čistě benzínovou motorizaci se stejnou dynamikou, bude rozdíl třeba dva litry. Kombinovaná dlouhodobá spotřeba benzínového hybridu v litrech na sto km tak vychází někde na úrovni naftové verze (anebo i pod). S ohledem na to, že benzín je lehčí a je v něm uloženo méně energie na litr (proti naftě), jde tedy o vyšší účinnost.

Ono není zas tolik aut, která by existovala ve všech možných variantách pohonu. Dobrý je v tom crossover Hyundai Kona. Na spritmonitor.de vychází následovně (nejčastější výskyt):

  • Benzínový turbo-tříválec 1.0 T-GDI (120 koní) = 6,6 l/100 km
  • Benzínový turbo-čtyřválec 1.6 T-GDI (177 koní) = 8,3 l/100 km
  • Benzínový full-hybrid 1.6 GDI (~140 koní) = 5,3 l/100 km
  • Naftový čtyřválec 1.6CRDi (136 koní) = 5,6 l/100 km

Nelze to brát jako jasně daný poměr mezi jednotlivými pohony. Taktéž Kona není (mimo elektrické verze) ani úplně nejúspornější auto. Jiné hybridy (velikosti nižší střední třídy) se v kombinované spotřebě dostávají i pod hranici pěti litrů „na sto“. Taková Toyota Corolla 2.0 TS Trek má dle dlouhodobých zkušeností známého průměrnou letní spotřebu 4,8 l/100 km (v zimě 5,4), což je dost luxusní hodnota na benzínové auto s (kombinovaným) výkonem 184 koní a většinou cest po dálnici.

Kvalita hybridů, ale i dieselů je různá napříč automobilkami i jednotlivými modely. Dále pak hybrid šetří v běžném provozu tím více, čím častěji se dostává spalovací motor mimo optimální pracovní podmínky – jeho přínos bude logicky spíše v městském a příměstském provozu než při dlouhých cestách po dálnici.

Plug-in hybrid vs. klasika

Plug-in hybrid je něco na půl cesty mezi spalovacím a elektrickým autem. Princip je vlastně shodný s full-hybridem s tím rozdílem, že díky větší baterii a silnějšímu elektromotoru je možné častěji zůstat v čistě elektrickém režimu. Plug-iny navíc nabízejí možnost tento čistě elektricky režim přímo vynutit.

Pokud budete používat plug-in hybrid stejně jako full-hybrid a nikdy jej nebudete nabíjet, logicky se nedostanete na lepší spotřebu. Obě auta se budou chovat obdobně, pouze jedno z nich bude vozit třeba 100 kg navíc kvůli baterii s větší kapacitou. Plug-in tedy proti klasickému nedává příliš smysl, pokud jej neplánujete nabíjet.

Teoreticky smysl může dávat pro ty, kteří nechtějí nabíjet, ale chtějí získat výhody EL značky, protože na ty klasický hybrid nedosáhne. V praxi je to horší. Problém je v rozdílu pořizovacích nákladů. Třeba takový Hyundai Ioniq Hybrid a Plugin-Hybrid mají rozdíl 200 tisíc v pořizovací ceně (v ceníku je to 599 vs. 799, ale ani po slevách se rozdíl moc nemění). Je tedy otázkou, zda opravdu není jednodušší si tu dálniční známku a parkování v Praze rovnou zaplatit, než si to předplácet ve vyšších pořizovacích nákladech a doufat, že se výhody brzy nezruší. Za 200 tisíc korun je spousta parkování a dálničních známek.

Výhody plug-inů

Plug-iny jsou pro lidi, které lákají elektromobily, ale potřebují ještě přestupní zastávku. Důvody mohou být různé – třeba pro ně zatím nemají cenově dostupná elektroauta potřebný dojezd, nebo nevěří síti nabíjecích stanic (vývoj cen některých provozovatelů, způsoby placení). Stačí aby měli u vlastního parkovacího stání obyčejnou zásuvku a mohou si auto přes noc pravidelně dobíjet, což umožní všechny kratší cesty jako jsou například nákupy a odvoz dětí do školky řešit čistě elektrickým provozem. U dlouhých cest zas nebudou omezováni dostupností nabíjecích stanic a dobou dobíjení.

Typický plug-in dnes dokáže ujet čistě na elektřinu reálně 30-70 km podle modelu. Auto v elektrickém režimu nečeká až se baterie vybije do nuly a při určitém minimu se přepne do režimu klasického hybridu. Reálně tedy nenastávají situace, že by se z elektromotoru a baterky stala mrtvá váha bez jakéhokoli užitku. Nastavení režimu provozu je na uživateli, ačkoli leckterý moderní hybrid dnes nabízí také nějakou formu automatiky, kdy necháte rozhodování čistě na autě.

Samozřejmě jde vytvořit patologickou situaci, ve které dosáhnete toho, aby měl nějaký plug-in hybrid horší spotřebu než jeho čistě spalovací alternativa (cíleně co nejvíc vybít baterii a pak šup na dálnici). Reálně však prakticky všichni lidé v mém okolí, co pravidelně nabíjejí, navzdory kombinaci kratších i dlouhých cest, mluví o dlouhodobém průměru okolo 3,5 l/100 km u auta střední třídy. Ti, co jezdí převážně město, jsou pak klidně i na hodnotách pod 2 l/100 km. V průzkumech je poměrně běžné, že lidi denně najedou třeba 60-80 km (dojíždění do práce atd.). Pokud je prvních 50 bez použití spalovacího motoru, spotřebu to výrazně sníží a není v tom žádné kouzlo. S předpokladem, že u průměrného uživatele auta je obvykle většina nájezdu tvořena právě kratšími cestami, to může znamenat viditelnou úsporu za palivo proti spalovací klasice, i proti full-hybridu.

Nevýhody plug-inů

Tam, kde výrobci nabízejí plug-in hybrid i čistě elektrickou variantu, už nebývá cenový rozdíl mezi nimi příliš velký, přestože baterie v plug-inu je výrazně menší, takže pokud víte, že naprostá většina denních nájezdů je třeba 100-200 km, už má smysl dívat se spíše po čistě elektrické variantě.

Na rozdíl od elektromobilů mají plug-iny často (ale ne vždy) elektromotor až za převodovkou (pohledem od kol), což vytváří další ztráty, a obecně platí, že plug-in varianta má v elektrickém režimu vyšší spotřebu. Naprostá většina navíc nemá možnost rychlého (DC) dobíjení – jsou vybaveny jen zásuvkou AC, často s výkonem 3,6 kW. Pro domácí nabíjení přes noc (nebo v práci přes den) to plně postačuje, ale nějaké nabíjení při rychlém nákupu, nebo snad cílené dobíjení na delších cestách nestojí vůbec za tu námahu, když těch svých 50 kilometrů elektrického dojezdu budete nabíjet tři hodiny.

ioniq-nabijeni

S levným elektrickým autem můžete na dobíjecí stanici nabít třeba 120 km za čtvrt hodiny. Za stejnou dobu byste do plug-in hybridního Škoda Superbu iV dobili energii na ujetí necelých pěti kilometrů.

Dále je dobré zjistit, jak je řešené topení v autě. Některé plug-iny mají odporové topení živené z baterie, ale jsou i takové, kde se v zimě prostě na topení zapne spalovací motor, což vnímám jako hodně nešťastné řešení.

Obecně bych nedoporučil kupovat plug-in v případě, že chcete drtivou většinu cest sfouknout v elektrickém režimu. Pokud počítáte se spalovacím motorem jako záložním řešením, které budete potřebovat na delší cestě jednou za měsíc až dva, může jeho dlouhodobé nepoužívání způsobit různé problémy. Své o tom vědí třeba majitelé BMW i3 REX, kde je spalovací motor jako nouzové řešení pro prodloužení dojezdu. Navzdory celé řadě zajímavých mechanismů na zvýšení spolehlivosti, jsou tyto motory jednou z nejporuchovějších komponent v i3, a to tím více, čím méně jsou používány (ti, kteří jej používají pravidelně, naopak problémy nemají).

Když už mluvím o spolehlivosti – je logické, že plug-in bude mít dražší servis než elektromobil, když jsou v něm spalovací motor a převodovka navíc. Pokud je však chytře udělaný, budou náklady na servis podobné jako u čistě spalovacích variant.

Závěrem

Když vidím situaci na poli výzkumu a vývoje baterií a jak moc se tímto směrem poslední roky začalo investovat, domnívám se, že baterkáče už tento boj vlastně vyhrály – jen se to ukáže v následující dekádě. Nic to nemění na tom, že není možné všechna auta rychle nahradit (jen to asi zabilo možnost vodíku v osobních autech). Bude to postupná a pozvolná změna i co do poměru spalovací x elektrické x hybridy v prodejích nových aut, takže kdo má rád spalovací motory, má ještě spoustu času si je užít.

Hybridy z mého pohledu pravděpodobně postupně původní vytlačí původní čistě spalovací varianty a tento jev přijde u nových aut mnohem rychleji (už kvůli emisním normám). Díky tomu, jak se daří dělat baterky lehčí a levnější, budou moct fungovat ještě lépe a rozdíl ceny proti nehybridní variantě bude ještě menší (u Toyoty je to dnes 50 tisíc, což je jako příplatek u jiných automobilek za automatickou převodovku).

Zatímco klasické hybridy tu s námi budou ještě dlouho, domnívám se, že plug-iny v současném pojetí budou jen takovou kratší epizodkou a postupně vymizí s tím, jak bude klesat cena baterií a následně i cena elektromobilů s dobrým dojezdem. Nyní si je část lidí koupí, ale tipoval bych, že až je budou nahrazovat, půjdou už do elektromobilů.

Komentáře k článku

  1. 1. Kamil2  29.1.2021  19:16:05

    Objektivní článek. Stále sleduji vývoj. Ovšem stále si užívám svého benzínového newtimeru. Víkendových pět a půl litru na sto.

  2. 2. swarm  29.1.2021  20:06:28

    [1] Myslim, že až ty si koupíš hybrida, tak budeš mít při nejhorším tři litry na sto :D

  3. 3. kfemervk  29.1.2021  22:37:47

    Dobré shrnutí. Je to hlavně o tom, co si kdo pod hybridem představí. Jak píšeš, je něco úplně jiného Toyotí provedení s planetovou převodovkou, která umožnujě libovolně měnit poměr využití spalovacího nebo elektro motoru spolu s optimalziacemi skrze atkinsonův cyklus, nebo když nějakého markteťáka napadně udělat hybrid tak, že se do obyčejného nafťáku narve elektromotor na zadní nápravu…

  4. 4. Kamil2  31.1.2021  15:56:15

    [3] Nejlepší je oboje. Optimalizace i příležitostné 4×4.


Napsat komentář