Hur hybriddrift kan optimera bränsleförbrukning och funktioner i moderna fordon

En av fördelarna med en hybriddrift är att man kan använda en mindre förbränningsmotor och ändå uppnå samma prestanda för momentkurvan vid full belastning. Genom att kombinera den interna förbränningsmotorn med den elektriska drivenheten kan motorns effektkurva justeras så att den arbetar inom det område där bränsleförbrukningen är lägre. Detta kallas för downsizing av förbränningsmotorn. En mindre motor innebär mindre intern friktion, och motorn arbetar oftare vid högre belastning inom kartan, där specifik bränsleförbrukning normalt är mer fördelaktig. Den minskade effekten från förbränningsmotorn kompenseras av hybriddriftens extra kraft, vilket ger en betydande bränslebesparing vid normal körning.

Trots att energilagringssystemen i dagens hybridbilar snabbt kan tömmas vid långvarig körning med hög belastning, innebär downsizing att den reducerade kraften från förbränningsmotorn blir märkbar, särskilt vid längre sträckor med konstant hög hastighet. Förutom de redan nämnda faktorerna för att minska bränsleförbrukning, såsom återvinning av bromsenergi, plug-in laddning, lastpunktsförskjutning och downsizing, erbjuder hybriddrivlinor också andra funktioner som kan vara av intresse.

Elektrisk körning är särskilt fördelaktig i tät stads trafik, där dieselfordon ofta släpper ut stora mängder föroreningar vid stopp-och-go-körning. Ett hybridfordon som har elektrisk körning kan därför vara befriat från körrestriktioner. Dessutom gör det att fordonet kör tyst, vilket minskar ljudstörningar, särskilt för boende i stadsområden. Men den mycket låga ljudnivån i elektriskt körläge innebär också en viss fara. När konventionella motorer körs genereras ljud som fungerar som en naturlig varning för andra trafikanter, särskilt fotgängare och cyklister. Detta varningssystem försvagas kraftigt om ett fordon körs helt elektriskt. Därför är det viktigt att elektriska fordon utrustas med ljudgeneratorer för att uppmärksamma andra trafikanter.

En annan funktion är "eco-roll" eller rulläge, där växellådan sätts i neutralläge vid rullande faser för att maximera rullsträckan och minska bränsleförbrukningen. I ett hybridfordon kan denna fas förlängas genom att elmotorn används för att driva fordonet, vilket fördröjer återaktiveringen av förbränningsmotorn så länge som möjligt. Detta kallas för coasting-läge och bidrar till en ännu större bränslebesparing under rullande körning.

Boost-läge innebär att både förbränningsmotorns och elmotorns effekt kombineras för att tillfälligt ge föraren extra kraft vid behov, till exempel vid acceleration eller vid körning på motorväg. Vissa elmotorer kan till och med tillfälligt överstiga den nominella effekten för att ge ett extra kraftuttag. Det är även möjligt att använda elmotorn som starter, vilket innebär att den elektriska motoren kan vända förbränningsmotorn utan att en traditionell startmotor behövs. Detta reducerar komponenter i systemet och sparar vikt och utrymme.

Vid kallstart, särskilt i kallt väder, kan dieselmotorn ha svårt att starta. Här kan hybridens elektriska system hjälpa till att ge den nödvändiga energi för att övervinna detta problem, även när batteriet har låg kapacitet. Den elektriska utrustningen kan även användas för att driva 24V ombordelektronikssystem, vilket gör att den klassiska startbatteriet och generatorn kan ersättas.

Ett annat intressant användningsområde är regenerativ bromsning, där elmotorn används för att skapa ett bromsande moment när föraren trycker på bromsen. Detta minskar slitaget på hjulbromsarna och förbättrar systemets effektivitet. Eftersom batteriet i hybridfordon inte alltid kan återhämta energi när det är fulladdat, är denna funktion inte alltid tillgänglig. När batteriet är fullt kan återvinningsfunktionen sluta fungera.

Hur bränslecellens effektivitet påverkas av olika faktorer och material

Bränslecellens effektivitet är beroende av flera faktorer som tillsammans bestämmer hur mycket energi som kan utvinnas från den kemiska energin i bränslet. En central aspekt är hur mycket av bränslet som faktiskt används i den kemiska reaktionen för att generera elektricitet. På väte-sidan finns ett återcirkulationssystem där vätgas som inte används i reaktionen skickas tillbaka till bränslecellens ingångssida. En liten del av vätgasen lämnar systemet med avgaser, vilket är en ineffektiv förlust som behöver minimeras för att uppnå högsta möjliga verkningsgrad. För att beskriva denna förlust introduceras bränsleutnyttjande koefficienten µfuel, som definieras som förhållandet mellan den massa bränsle som faktiskt deltar i reaktionen och den totala mängden bränsle som matas in i bränslecellsystemet. Målet är att få denna koefficient så nära 1 som möjligt, även om realistiska siffror vanligtvis ligger kring 95%.

När det gäller bränslecellens verkningsgrad är det avgörande att förstå att bränslecellens egen verkningsgrad inte alltid är den mest relevanta för praktiska tillämpningar, som till exempel i fordonssektorn. Här är det istället den övergripande systemeffektiviteten som spelar en större roll. Systemet använder en del av den producerade energin för att driva pumpar och andra auxiliärer, som t.ex. luftkompressorer och kylsystem, vilka kan konsumera upp till 20% av den energi som produceras av bränslecellen. Därför definieras systemeffektiviteten som förhållandet mellan den elektriska energi som bränslecellssystemet producerar och den kemiska energi som bränslet tillför systemet. När systemet används för att generera både el och värme, t.ex. i en kombinerad värme- och kraftanläggning (CHP), inkluderas också den värmeenergi som systemet producerar i beräkningen av effektiviteten.

Vid höga belastningar minskar verkningsgraden på grund av att cellens spänning sjunker. Ju högre ström, desto mer minskar spänningen, vilket leder till att den effekt som kan genereras från en given mängd bränsle blir mindre. I mycket låg belastning är verkningsgraden också låg eftersom det mesta av energin från bränslecellen går åt för att driva auxiliärutrustningen. En optimal driftpunkt, där systemeffektiviteten är som högst, är vanligtvis över 60% för lastbilar, men utvecklare arbetar för att hålla systemet nära denna optimala punkt.

Bränsleceller åldras också med tiden, vilket medför att deras prestanda försämras. Detta åldrande beteende är en viktig aspekt att beakta i bränslecellens utveckling, tillsammans med frågor om livslängd och kostnad, som är centrala i fordonsindustrin.

Förutom den traditionella vätebaserade protonbytesmembranbränslecellen (PEMFC) finns det även andra bränslecellsteknologier som kan användas beroende på applikationen. Valet av bränslecellsteknologi beror på faktorer som effektivitet, kostnad, livslängd och den specifika användningen, t.ex. inom fordonsindustrin. Det finns också olika reaktioner och material som kan användas för att skapa bränsleceller. I grund och botten kan kemisk energi från bränslen med sammansättningen CmHn eller CxHyOz utnyttjas på två sätt: för det första som bränsle för traditionella förbränningsmotorer, där den kemiska energin omvandlas till termisk energi och sedan till mekanisk energi, och för det andra för att skapa elektrisk energi direkt i en bränslecell.

När vi talar om utveckling och effektivitet hos bränsleceller, är det av största vikt att först

Vad är framtiden för elektriska drivlinor i kommersiella fordon?

En av fördelarna med elektriska drivlinor är att elektriska komponenter, när de produceras i stor skala, leder till förväntningar om låga underhållskostnader. I personbilssektorn har eldrivna bilar funnits som serieproduktion under en lång tid. Flera viktiga aktörer på marknaden har redan meddelat att de ser batterielektriska fordon som framtidens väg. Även nykomlingar på marknaden för personbilar förlitar sig uteslutande på elektriska drivsystem. För kommersiella vägfordon är batterielektriska drivlinor en attraktiv lösning för små lastbilar eller distributionsfordon med korta resor och dagliga returer till lastbilsdepåer. För långväga lastbilar arbetar man även med elektriska lösningar, men dessa måste hantera större energikrav, vilket medför behov av snabbare laddning. Detta är en av de största utmaningarna, eftersom batteriernas energi inte är tillräcklig för att driva lastbilar under längre perioder utan att behöva laddas. Ett alternativ som diskuteras är overheadkontaktledningar, som till exempel används i vissa elektriska tåg. Ett långsiktigt alternativ kan också vara att använda bränsleceller för att generera elektricitet ombord, vilket skulle lösa en del av energibehovet.

Elektriska drivlinor är i sig relativt enkla att implementera. Elektriska motorer är robusta och lättare att hantera än sina förbränningsmotor-motsvarigheter. Redan i de tidigaste dagarna av bilindustrin studerades elektriska drivsystem parallellt med förbränningsmotorer, men det var förbränningsmotorn som tillslut dominerade under mer än ett sekel, delvis på grund av de stora batteriernas låga energidensitet och vikt. I dagens utveckling, där energidensiteten och batteriteknologin förbättras, kan vi förvänta oss att elektriska drivsystem kommer att spela en allt större roll i framtiden.

En annan aspekt är att elektriska drivlinor kräver särskilda komponenter, såsom elektriska motorer, batterier (eller vätebränsleceller i vissa fall), omvandlare för att hantera växelström (AC) och likström (DC), samt avancerad kraftelektronik för att optimera energiflödet mellan systemets olika komponenter. Eftersom elektriska system är känsliga för temperaturvariationer krävs också aktiv kylning för att hålla motorerna och batterierna inom optimala drifttemperaturer. En annan teknisk utmaning är att mekaniska komponenter som traditionellt har drivits av förbränningsmotorer, såsom luftkompressorer och kylfläktar, nu måste drivas elektriskt i ett batteridrivet system.