Serie om elhybrider (personbilar) – Historiska och nutida teknikval

De senaste åren har det varit stort fokus på elbilar (BEV) och laddhybrider (PHEV), i samhället i stort men även inom industrin och akademin. Då är det lätt att glömma bort de icke laddbara elhybrider (HEV, ibland även kallade fullhybrider) och dess mildhybridiserade kusiner. Försäljningen av elhybrider är relativt stor, t ex har Toyotas ackumulerade försäljning av elhybrider nyligen passerat 15 miljoner enheter [1]. Det sker även en del utveckling och nya OEM:er ger sig in i leken. Vi kommer därför att skriva ett antal nyhetsbrev om utvecklingen av elhybrider samt ett om mildhybrider, där den sistnämnda är en stark framväxande trend inom fordonsindustrin.

Det finns tre typer av elhybrider utan laddmöjlighet: serie, parallell och serieparallell, se [2] och [3] för mer detaljerad info.

• Seriehybrid: Framdrivning sker endast från en eller flera elmaskiner som i sin tur försörjs av el från batteriet och/eller från en generator som drivs av förbränningsmotorn.
• Parallellhybrid: Fordonet drivs av en elmaskin och en förbränningsmotor som är sammankopplade via en gemensam växellåda. Elmaskinen kan inte driva fordonet själv. Det finns ingen extra generator i denna konfiguration, elmaskinen fungerar som generator vid t ex regenerativ bromsning. Elmaskinen och batteriet tenderar att vara mindre i denna konfiguration. Mildhybrider är generellt konstruerade som en parallellhybrid.
• Serieparallellhybrid: En kombination av serie och parallellhybrid. Förbränningsmotorn kan driva drivhjulen men kan även kopplas bort till förmån för eldrift via elmaskinen. Den variabla kraftfördelningen mellan de två drivkällorna möjliggör att förbränningsmotorn kan arbeta mer optimalt jämfört med andra designer.

I dagens nyhetsbrev ger vi en kort historisk tillbakablick kring teknikval för hybrider, följt av en spaning på några intressanta modeller som är på gång.

Toyota var först och är fortfarande störst

En viktigt nutidshistorisk händelse var när Toyota började sälja Prius i Japan 1997. Toyota blev därmed först att kommersialisera elhybridtekniken i bilar. Två år senare lanserade Honda modellen Insight, som faktiskt hann före Prius på den viktiga nordamerikanska marknaden [4]. Den tänkta rivaliteten mellan Prius och Insight blev det dock inte mycket av. Toyota sålde fler Prius år 2000 än vad Honda lyckades sälja av Insight under de sex år som den producerades [5,6].

Honda och Toyota gjorde ett antal avvikande teknik- och designval som är intressanta. Insight var tvåsitsig, lätt och mycket aerodynamisk (t ex genom delvis täckta bakhjul). Optimerad för låg energianvändning. Hybriddrivlinan i Insight var av parallelltyp. Drivlinan har klara likheter med vad vi idag hade benämnt som en mildhybrid (svag elmaskin och litet batteri). Endast eldrift var alltså ej möjlig, elmaskinen stöttade endast förbränningsmotorn i framdrift samt agerade startmotor.

Toyota valde en mer praktisk design med fyra dörrar men med förhållandevis bra egenskaper i fråga om vikt och aerodynamik. Drivlinan i Prius var en serieparallellhybrid. Konfigurationen består av två elmaskiner, varav en fungerar som generator och startmotor och den andra som drivmotor och generator vid regenerativ bromsning. Både elmaskinen och förbränningsmotorn kan driva bilen. Förbränningsmotorn kan även ladda batteriet. Bensinmotorn kördes enligt Atkinsoncykeln, dvs hög effektivitet men låg effekt [7]. De olika lägena styrs via en planetväxel som fördelar kraft till drivhjulen via elmaskinen eller förbränningsmotorn beroende på rådande omständigheter (hastighet, acceleration, lutning osv) [8]. Toyota kallar denna teknik Hybrid Synergy Drive (HSD) och tekniken har applicerats med stor framgång i mängder av Toyota- och Lexusmodeller de senaste 20 åren. Även Honda har mer eller mindre konstant haft elhybrider i sitt utbud, dock med betydligt beskedligare försäljningssiffror. På senare år har dock flera andra OEM:er börjat utveckla egna elhybrider, ofta med tydlig inspiration från elhybridtekniken utvecklad av Toyota. Idag är troligen den största konkurrenten till Toyota i elhybridsmarknaden Hyundai/Kiagruppen, som likt Toyotas bygger serieparallellhybrider med en Atkinsonmotor [9], t ex Kia Niro och Hyundai Ioniq.

Nya elhybriddesigner är på väg

Två kommande elhybrider som har väckt en del uppmärksamhet är nya Honda Jazz e:HEV och Renault Clio E-tech. Tidigare elhybridversioner av Honda Jazz har varit parallellhybrider. Den nya modellen som släpps i sommar har dock en annan konfiguration. Jag har inte hittat någon skarp benämning för e:HEV:n men skulle själv benämna det som kombination av seriehybrid och serieparallellhybrid. En relativt kraftfull elmaskin (109 hk, 253 Nm) är den huvudsakliga drivkällan, en ytterligare elmaskin fungerar som generator [10]. Huvuduppgiften för förbränningsmotorn (bensin) är att via generatorn antingen driva den framdrivande elmaskinen och/eller ladda li-jon batteriet. Det intressanta är att förbränningsmotorn även kan kopplas direkt till drivhjulen men endast i ”landsvägsfart”, detta via en en-växlad transmission. Honda menar att denna lösning är mer kompakt och ska ge jämnare kraftfördelning jämfört med andra hybrider (läs Toyota). Energianvändningen uppges vara 4,5l/100km (WLTP) [10].

Renualt Clio E-tech är en serieparallellhybrid med en unik konfiguration delvis utvecklat av Renaults F1 team [11]. Den huvudsakliga innovationen är den fyra-växlade transmissionen (Toyota använder steglös CVT och Hyundai/Kia har valt dubbelkoppling). Likt F1 bilarna saknar växellådan koppling, en andra elmaskin reglerar svänghjulets hastighet vilket gör växlingarna mjukare [11]. Den drivande elmaskinen har även en separat kraftöverföring till växellådan vilket möjliggör att förbränningsmotorn (bensin) och elmaskinen kan agera oberoende av varandra. Detta ger totalt 15 olika kombinationer av drivning och utväxlingar. Backväxel saknas då elmaskinen används för att backa. Sammantaget ska E-tech vara kompakt, billig och kunna köra upp till 80 % av tiden på el [11, 12]. Systemeffekten är 140 hk och energianvändningen uppges vara ca 4,5l/100km (WLTP).

Egen kommentar

Grundtanken med dagens nyhetsbrev var att undersöka teknikvalen i nutida elhybrider. Många vägar ledde dock tillbaka till Toyota. Inte minst när det kommer till teknikval för hybridisering. Toyota hybridrecept består av: serieparallellhybrid, planetväxel, förbränningsmotor enligt Atkinsoncykel och CVT transmission. Ett populärt recept även hos andra tillverkare som Ford och Hyundai/Kia. Både Hondas och Renaults nya hybrider avviker från den rådande normen. Det återstår att se om de kan hota Toyota.

Referenser

[1] Toyota. April 2020. länk

[2] Union of Concerned Scientists. 2015. länk

[3] Center for Advanced Automotive Technology. länk

[4] AutoGuide. 2015. länk

[5] Toyota. 2017. länk

[6] Honda. 2009. länk

[7] Autoweek. 2017. länk

[8] Burress, Timothy Adam. ”Vector control and experimental evaluation of permanent magnet synchronous motors for HEVs.” (2006).

[9] Green Car Report. 2019. länk

[10] Honda. 2020. länk

[11] Top Gear. 2020. länk

[12] Top Gear. 2020. länk