AR lektira: Hibridna vozila

Pojam

Riječ hibrid potječe iz grčkog jezika, gdje je izvorno označavala dijete nastalo iz oholosti ili grijeha. Takva se prokreacija smatrala suprotnom božanskom redu — uključujući preljub, miješanje različitih vrsta životinja i druge oblike neprirodnog sparivanja. U svakodnevnom govoru, potomci takvih veza često su bili označavani pogrdnim izrazima poput kopilani, bastardi i slično.

Značenje u suvremenom kontekstu

U suvremenim jezicima pojam hibrid izgubio je svoj izvorni negativni prizvuk te danas označava jednostavno mješanca ili križanca — primjerice, u kontekstu poljoprivrednih kultura. U automobilskoj industriji, hibrid uz oznaku modela ističe tehnološku cjelinu nastalu kombiniranjem dviju različitih vrsta pogona, odnosno procesa pretvorbe energije. Posebnost hibridne tehnologije leži u integraciji pogonskih sustava koji svaki zasebno predstavljaju funkcionalno i zaokruženo tehničko rješenje. Njihovim povezivanjem nastaju nove, poželjne karakteristike — poput veće energetske učinkovitosti, smanjenog utjecaja na okoliš te poboljšanih performansi. Temelj hibridnog pogona leži u integraciji tehnološki različitih podsustava — pristupu koji konvencionalne tehnologije uglavnom izbjegavaju. U ovom kontekstu, pojam hibrid označava pogonski sustav koji se temelji na dvostrukom ili višestrukom tehničkom rješenju, pri čemu svaki podsustav posjeduje vlastitu unutarnju strukturu i funkcionalnu autonomiju. Za razliku od hibridnog koncepta, konvencionalni pristup preferira višestruko korištenje istih komponenti za istu funkciju ili integraciju različitih podsustava s ciljem ostvarivanja različitih zadataka. Pritom se izbjegava međusobno preklapanje u osnovnoj funkciji pogona, čime se osigurava jednostavnija struktura i veća tehnička predvidljivost sustava.

Vizija hibridnog vozila

Termodinamika i razvoj hibridnog pogona

Drugi zakon termodinamike nas uči da se gubici pri pretvorbi energije ne mogu izbjeći, no iskustvo pokazuje da ih je moguće znatno smanjiti pametnim konstruktorskim rješenjima. Već u vrijeme nastanka prvih hibridnih vozila bilo je jasno da će motori s unutarnjim izgaranjem (SUS) relativno brzo dosegnuti fizikalne granice svoje učinkovitosti. Zbog toga se počelo eksperimentirati s integracijom elektromotora i baterija u pogonske sustave automobila. Kod elektromotora su ta odstupanja između minimalnih i maksimalnih gubitaka znatno manja, a dodatna prednost je mogućnost rada u generatorskom režimu, što omogućuje povrat dijela energije kroz rekuperativno kočenje. Vizija koja je vodila inženjere pri razvoju hibridnog pogonskog mehanizma bilo je upravo smanjenje termodinamičkih gubitaka kod vozila pogonjenih SUS motorom — kroz integraciju elektromotora, baterije i sustava za rekuperaciju energije u jedinstvenu funkcionalnu cjelinu. Tako je nastao koncept hibridnog elektrificiranog vozila.

Učinkovitost i gubici pogonskih sustava

Termodinamički gubici kod motora s unutarnjim izgaranjem (SUS) prelaze 50%, dok se kod elektromotora kreću između 5% i 30%. Iako se nećemo upuštati u konkretne vrijednosti pojedinih varijanti ovih motora, važno je naglasiti da su navedeni podaci orijentacijski i služe kao okvir za razumijevanje razlika u učinkovitosti. Dodatno, krivulje gubitaka kod oba tipa motora nisu konstantne — one variraju ovisno o režimu rada, uključujući brzinu vrtnje, opterećenje i druge operativne parametre. Kod elektro-motora ta varijabilnost je znatno manja, što ih čini predvidljivijima i učinkovitijima u širem rasponu radnih uvjeta.

Vrste hibridnih vozila

U stručnoj literaturi i specijaliziranim časopisima najčešće se susrećemo sa slijedećim vrstama hibridnih vozila:

mikro hibridima, blagim ili mild hibridima, pravim hibridima i Plug in hibridima.

Već na početku valja istaknuti svojevrsni contradictio in adiecto — proturječje u klasifikaciji plug-in hibridnih vozila kao hibrida. Naime, klasični hibridi smatraju se elektrificiranim, a ne električnim vozilima, budući im je primarni izvor pogonske energije ugljikovodično gorivo. Za razliku od navedenih, plug-in hibridi pripadaju kategoriji električnih vozila, jer im pogonska energija može dolaziti iz baterije koja se puni iz vanjske električne mreže. Stoga je terminološki ispravnije govoriti o plug-in hibridnim električnim vozilima (PHEV). Proizvođači nerijetko manipuliraju terminologijom i skraćenicama kako bi jednostavniju i jeftiniju tehnologiju predstavili kao napredniju i skuplju. Tako se mikro hibridi često nazivaju hibridima, dok se pravi hibridi označavaju kao Hybrid Electric Vehicles (HEV), iako bi precizniji naziv bio Hybrid Electrified Vehicles.

Mikro hibridi

Iako predstavljaju najnižu razinu hibridizacije vozila, mikro hibridi zapravo predstavljaju najnovije tehničko rješenje — premda ih neki stručnjaci ne svrstavaju u kategoriju hibrida. Osnovne karakteristike su radni napon hibridnog sustava od 12 volti uz bateriju kapaciteta 0,2 – 0,3 kWh i elektro-motor snage cca 10 kW. Najčešće se koristi tehnologija BDMG (Belt Driven Motor Generator), gdje motor/generator služi kao podrška motoru s unutarnjim izgaranjem (SUS) pri pokretanju vozila, a istovremeno djeluje kao električni pokretač (anlaser). Ovakvo rješenje je povoljno i pouzdano, što ga čini privlačnim proizvođačima zbog dobrog omjera uloženog i dobivenog, osobito u kontekstu smanjenja emisije CO₂. Za krajnjeg korisnika, mikro hibridi se ponašaju poput klasičnih automobila — nije ih moguće pokrenuti isključivo na električni pogon, bez obzira na stanje baterije. Uštede goriva, zamjetne isključivo kod gradske vožnje, su relativno male u usporedbi s konvencionalnim vozilima. Mogu se kombinirati s ručnim ili raznim vrstama automatskih mjenjača. Iako klasični mikro hibridi rade na 12V, industrija ponekad koristi pojam hibrida fleksibilnije, ne navodeći prefix „mikro“.

Tipičan primjer su: Suzuki Swift Hybrid i Fiat 500 Hybrid.

Blagi hibridi

Blagi hibridi obuhvaćaju širi spektar tehničkih rješenja — od jednostavnijih sustava sličnih mikro hibridima (BDMG), pa sve do naprednih pogonskih sklopova poput e-DCS6 automatskog mjenjača iz Stellantis grupe, koji se po svojim karakteristikama približavaju „pravim“ hibridima.

Zajednička karakteristika svih blagih hibrida je radni napon od 48 volti, uz baterije kapaciteta između 0,5 i 0,9 kWh te elektromotore snage do 20 kW. Međutim, snagu elektromotora treba promatrati uvjetno — sustav je podešen tako da motor s unutarnjim izgaranjem (SUS) i elektromotor (EM) razvijaju snagu i okretni moment pri različitim brojevima okretaja, odnosno pri različitim brzinama vrtnje i prijenosnim omjerima.

Zbog toga se njihove snage ne zbrajaju, a sistemska snaga je ponekad jednaka snazi SUS motora. Ipak, elektro-motor ima izrazito povoljnu momentnu karakteristiku, što mu omogućuje da pruži podršku SUS motoru upravo kada je to najpotrebnije — pri niskim okretajima i kod pokretanja vozila.

Iskoristivi kapacitet baterije u odnosu na nominalni je manji od 50% kao rezultat više faktora: kratkog vremena punjenja regenerativnim kočenjem ili radom motora, ograničenjem punjenja na maksimalno 80% i pražnjenja do minimalno 30% SoC (State of Charge) radi trajnosti baterije i kontinuiteta pogona. Kao i mikro hibridi, blagi hibridi se mogu kombinirati s ručnim ili različitim vrstama automatskih mjenjača, ovisno o konfiguraciji vozila.

Primjeri blagih hibridnih vozila:

Volkswagen Tiguan 1.5 eTSI, Suzuki Vitara 1.4 BoosterJet SHVS, Ford Puma 1.0 EcoBoost Hybrid, Peugeot 2008 1.2 Hybrid 145 e-DCS6, Renault Captur 1.3 TCe MHEV, Audi A6 2.0 TFSI MHEV

„Pravi“ hibridi

Za razliku od mikro i blagih hibrida, pravi hibridi uvijek funkcioniraju u kombinaciji s nekom vrstom automatskog mjenjača, odnosno automatskom spojkom. Najpoznatije rješenje u toj kategoriji je Toyotina e-CVT transmisija, koja je postala sinonim za hibridni pogon.

Klasični mjenjači vs. CVT

Kod većine konvencionalnih mjenjača, prijenos i redukcija okretnog momenta ostvaruju se putem sustava zupčanika u zahvatu, raspoređenih na pogonskim i gonjenim vratilima. S druge strane, CVT mjenjači (Continuously Variable Transmission) koriste remenice povezane remenom ili lancem, koje se šire i skupljaju po aksijalnoj osi. Promjenom promjera remenica mijenja se prijenosni omjer, pa se za CVT često kaže da ima „beskonačan broj brzina“.

Povijesni razvoj

CVT mjenjač je razvio Huub van Doorne, nizozemsko-američki inovator, koji ga je prvi put predstavio 1958. u modelu DAF 600 pod nazivom Variomatic — prvi serijski automobil s CVT prijenosom. No, još ranije, 1920. godine, britanska tvrtka Clyno Engineering predstavila je ranu verziju kontinuirano varijabilnog mjenjača u modelu 10.8.

Evolucija u e-CVT

e-CVT (Electronic Continuously Variable Transmission), posebno u Toyotinom hibridnom sustavu Hybrid Synergy Drive, uključuje planetarni prijenosnik kao ključni dio svoje konstrukcije. Taj sustav nije klasični CVT s remenom i remenicama, već sofisticirana kombinacija planetarnog zupčanika i dvaju elektromotora/generatora koji elektronički upravljaju prijenosom snage.

Kako funkcionira e-CVT s planetarnim prijenosnikom:

Planetarni prijenosnik ima tri glavne komponente: sunčani zupčanik, planetarne zupčanike i prstenasti zupčanik. Jedan elektro-motor (MG1) djeluje kao generator i kontrolira brzinu SUS motora, a drugi elektro-motor (MG2) je glavni pogonski motor koji pokreće vozilo. Kombinacijom rada elektromotora i planetarnog sklopa sustav simulira promjene prijenosnog omjera bez klasičnih stupnjeva prijenosa — otud naziv „bez stupanjski“.

Glavna prednost ovog rješenja je visoka učinkovitost. Optimalna raspodjela momenta između elektromotora i SUS motora, manja potrošnja goriva, niže emisije, vožnja bez trzaja pri promjeni brzina i pouzdanost: manje je mehaničkih dijelova u kontaktu koji se troše. Toyota je pionir ove tehnologije, ali slične principe koriste i drugi proizvođači, poput Honde i Nissan-a u novijim generacijama hibrida. Kao i svako tehničko rješenje, ima i negativnih strana: kod vožnje uzbrdo ili naglog ubrzanja, motor često „zavija“ na 4.000+ okretaja, jer sustav nastoji održati SoC baterije uz razvoj sub-maksimalne snage. Osim toga, nedostatak klasičnih promjena brzina može se vozaču činiti monotonim ili „gumenim“, a često nedostaje osjećaj kontrole i dinamike. Ponekad se  osjeća lagano trzanje ili kašnjenje kod prebacivanja s električnog na SUS pogon. Ako baterija nije dovoljno napunjena što je redovita pojava kod forsiranja snage, SUS motor radi na granici mogućnosti što povećava potrošnju i buku.

Plug-in hibridi (Plug-in Hybrid – PHEV)

PHEV vozila imaju puno kapacitetnije baterije, od 15–25 kWh i radni napon od 300–400 V. Omogućavaju vožnju na struju do 120 km, a baterija se puni vanjskim punjenjem, SUS motorom i regeneracijom. Idealni su za svakodnevnu vožnju bez emisija ukoliko postoji pristup električnoj mreži.

Sistemska snaga kod hibridnih vozila

Sistemska snaga nije jednostavan zbroj snage elektromotora i benzinskog motora, jer se ne razvijaju istodobno. Elektromotori isporučuju vršnu snagu kratkotrajno (10–30 sekundi), dok SUS motor teoretski isporučuje trajnu snagu neprekidno. Na primjer, Mitsubishi Outlander PHEV 2025 ima trajnu snagu SUS motora od 100 kW, a sistemsku snagu 225 kW. Sistemskoj snazi, osim elektromotora, doprinosi i izuzetno velika maksimalna izlazna snaga baterije. Baterija kod novog modela ima kapacitet 22,7 kWh i može kratkotrajno isporučiti do 180 kW snage, što omogućava paralelni hibridni rad Atkinson motora i elektro-motora bez većih gubitaka u prijenosu.

Tehničke izvedbe PHEV modela

PHEV modeli nude različite kombinacije kapaciteta baterije, snage elektromotora, SUS motora i tehničke izvedbe transmisije. Veći kapacitet baterije omogućava veći električni doseg, a snažniji elektromotori bolje performanse. Sustavi pogona i način rada variraju ovisno o proizvođaču.

Način rada pogonskog sustava: Mitsubishi Outlander PHEV vs. Hyundai Tucson PHEV

Outlander PHEV koristi dva elektromotora (prednji i stražnji) i benzinski motor koji radi kao generator ili se uključuje u paralelnom režimu. Pogon na sve kotače osiguravaju elektromotori (S-AWC), bez klasičnog mjenjača. Režimi vožnje uključuju EV, serijski i paralelni način rada.

Za razliku od toga, Tucson PHEV koristi jedan elektromotor integriran u 6-stupanjski automatski mjenjač. Benzinski motor direktno pokreće kotače, a električni pogon je moguć samo na prednjim kotačima. AWD je mehanički i aktivira se putem spojke.

Koju hibridnu tehnologiju odabrati?

Ako imate kućnu punionicu ili utičnicu, PHEV je za sada najisplativiji izbor. Kućno punjenje košta oko 0,05–0,10 €/kWh, dok javne punionice naplaćuju od 0,35 do 0,85 €/kWh. HEV i MHEV su bolji izbor ako pristup kućnom priključku nije moguć.

Primjer: Punjenje baterije od 20 kWh kod kuće (0,07 €/kWh) = 1,40 €, dok na javnoj punionici (0,55 €/kWh) košta 11,00 €. Mjesečni trošak za 2.000 km vožnje na struju po gradu bi iznosio oko 28 €, uz uvjet da se baterija puni kod kuće. Ista udaljenost na benzin (8 l/100 km, 1,50 €/l): oko 240 €

Ušteda: više od 200 € mjesečno

Koju onda hibridnu tehnologiju odabrati?

Odabir hibridne tehnologije ne ovisi samo o tehničkim specifikacijama vozila, već prvenstveno o stvarnim uvjetima korištenja, pristupu električnoj mreži i vozačkim navikama korisnika. Za vozače pristupom kućnoj utičnici ili punjaču, plug-in hibrid (PHEV) predstavlja najisplativiju opciju. Omogućava svakodnevnu vožnju na električni pogon uz minimalne troškove, a benzinski motor osigurava fleksibilnost za dulja putovanja.

Ako korisnik nema pristup električnoj mreži na vlastitom parkingu, ali želi smanjiti potrošnju goriva, najbolji izbor je pravi (HEV) ili blagi hibrid (MHEV). Treba pri tome uzeti u obzir i način korištenja; ako se puno vremena provodi na auto cesti, MHEV je bolji izbor od HEV-a i obrnuto. Ove tehnologije ne zahtijevaju vanjsko punjenje, a baterija se dopunjava automatski tijekom vožnje. HEV je idealan su za gradske uvjete i vozače koji žele jednostavno rješenje bez dodatne infrastrukture, ali je skuplji od MHEV-a. U slučajevima kada se vožnja oslanja isključivo na javne punionice, PHEV može i dalje biti isplativ, ali uz korištenje različitih opcija besplatnog punjenja kod nekih trgovačkih centara i dugoročnu pretplatu kod operatera.

PHEV na EU tržištu

Tržište plug-in hibridnih vozila (PHEV) u Europi bilježi snažan rast, potaknut ekološkim ciljevima i zakonodavnim pritiscima, uz prosječan godišnji rast od 13–14%. Prodaja bi mogla premašiti 1,8 milijuna jedinica do 2029., s prosječnom cijenom vozila od oko 65.000 EUR.

Regulatorni okvir  EU uključuje zabranu prodaje vozila sa SUS motorima do 2035. i nacionalne mjere poput subvencija, poreznih olakšica i pristupa zelenim zonama.

Provedivost tranzicije na potpuno električna vozila (BEV) do 2035.

Globalni prijelaz s vozila na fosilna goriva prema isključivo električnim vozilima do 2035. predstavlja ambiciozan plan povezan s klimatskim, ekonomskim i tehnološkim zahtjevima. Međutim, provedivost te tranzicije nije samo pitanje tehnologije i infrastrukture, već je snažno uvjetovana suvremenim geopolitičkim okolnostima.

1. Dominacija Kine u lancu vrijednosti baterija

Kina drži dominantan položaj u globalnoj proizvodnji litij-ionskih baterija – procjenjuje se da nadzire oko 75 % kapaciteta te više od pola rafinerijskih kapaciteta za ključne sirovine – litij, kobalt i grafit. Ova ovisnost otežava zapadnim ekonomijama osiguranje samostalne opskrbe i uzrokuje visoke troškove uvoza, što usporava domaću proizvodnju hibridnih i električnih vozila.

2. Carine, subvencije i zaštita industrije

Zapadne ekonomije – SAD i EU – kontinuirano uvode protekcionističke mjere. SAD je definirao lokalizacijske uvjete (npr. određeni udio baterijskih komponenti mora biti izrađen u SAD-u) u okviru Zakona o inflacijskoj redukciji (IRA), dok EU uvodi anti-subvencijske carine na kineske EV modele, u rasponu od oko 17% do čak 38%. To otvara vremenski prostor za jačanje lokalnih industrija, ali i povećava troškove nabave i usklađivanja s regulativom.

3. Rizici isključenja i fragmentacije lanaca opskrbe

Postoji stvarni rizik od „atrofije” kroz geopolitičku fragmentaciju. Države bogate strateškim mineralima – primjerice u južnoj Africi – mogle bi ograničiti izvoz, favorizirajući vlastitu industriju. To bi podiglo cijene sirovina i usporilo globalne isporuke. Istovremeno, nesuglasice oko regulative o obradi podataka i trgovini otežavaju primjenu jedinstvenih standarda na različitim tržištima.

4. Europski izazovi i prilike

Europska autoindustrija suočava se s velikim pritiscima: konkurencijom iz Kine, visokom proizvodnom cijenom radi skupe energije i rada te kompleksnog regulatornog okvira. Industrijski lideri poput Mercedes-Benza upozoravaju da je cilj totalne elektrifikacije do 2035. “nerealističan” i zahtijevaju fleksibilniji pristup. No donosioci odluka u EU ne odstupaju od zahtjeva, pa su postavili cilj da 90 % potražnje za baterijama do 2030. pokriju domaći kapaciteti. Inicijativa poput joint venture-a između CATL-a i Stellantisa u Španjolskoj predstavlja primjer strateškog umrežavanja, no CATL je ipak kineska kompanija.

5. Sirovine, održivost i pravna pitanja

Potreba za sirovinama za baterije se eksponencijalno povećava. Predviđa se rast potražnje s 400 kt u 2020. na oko 11.800 kt do 2040. Otežavajuća okolnost je da su rudnici uglavnom koncentrirani u zemljama za koje EU političke elite predstavljaju geo-političke suparnike ili čak protivnike. Stoga bi EU morala puno ulagati i u reciklažu baterija, kako bi ublažila ovisnost o primarnoj ekstrakciji.

6. Alternativni prezentni modeli i stratificirane tehnologije

Trenutačno kapaciteti za baterije u SAD-u i savezničkim zemljama su daleko od potrebnih razina – prema modelima, od 2027. do 2032. proizvest će samo oko 5 milijuna baterijskih jedinica naspram višestruko većih potreba za ispunjenje ciljeva. Baš u ovom razdoblju mogu pomoći hibridni pogonski sustavi, nudeći prijelazno rješenje uz nižu ovisnost o sirovinama. Alternativne tehnologije – poput natrij-ionskih baterija, solid-state baterija i vodikovih pogona – također se razmatraju kao moguće opcije za budućnost.

I za kraj, tranzicija na BEV do 2035. je tehnički moguća, ali tek ako se istovremeno riješe geopolitički izazovi: diversifikacija lanca opskrbe i razvoj domaćih industrija (EU baterije, reciklaža), ponovno uspostavljanje međunarodne suradnja bez zatvaranja granica za trgovinu i inovaciju i pragmatičan industrijski plan koji uključuje i komplementarne tehnologije poput svih vrsta hibrida i novih baterija. Drugim riječima, potrebne su realne politike koje balansiraju klimatske ciljeve i ekonomsku stabilnost.

Branko Kondić

(413)