Hybrides: vijf plekken voor een elektromotor, drie architecturen, één slim tandwielstel
Een hybride is niet half een benzineauto en half een EV — het is een machine die een verbrandingsmotor binnen het smalle eilandje houdt waar hij echt efficiënt is, en die de energie terugwint die remmen anders zou verbranden. Waar je de motor inbouwt, verandert alles, dus hebben ingenieurs er een kaart van gemaakt: P0 tot en met P4. En het slimste antwoord van allemaal, Toyota's vermogenssplitsing, weet de hele versnellingsbak te vervangen door één planetair tandwielstelsel.
Waarom je de twee aan elkaar koppelt
Een benzinemotor is alleen indrukwekkend efficiënt in één klein gebied van zijn werkveld — ruwweg twee derde gas, rond 2.000–3.000 tpm. Het echte rijden komt daar amper: stadsverkeer wil kleine vermogens bij lage toeren, precies waar de motor het grootste deel van zijn brandstof verspilt aan simpelweg blijven draaien. Een elektrische machine is bijna overal efficiënt, heeft koppel vanaf 0 tpm, en werkt in beide richtingen — hij kan remenergie opslokken in plaats van weggooien. Elke hybride, van een mild 48-volt-systeem tot een plug-inhybride Prius, is een variatie op dezelfde drie trucs: de motor ontzien waar hij slecht presteert (of hem helemaal uitschakelen), hem op zijn beste werkpunt belasten wanneer hij wél draait, en regenereren bij elke stop.
De P0–P4-kaart
Omdat de positie van de motor in de aandrijflijn bepaalt wat hij wel en niet kan, geeft de industrie de vijf inbouwpunten namen: P0 tot en met P4, van de voorkant van de motor tot de verste as:
P0 vervangt de dynamo aan de riem: een paar kW voor soepele herstarts en een zacht duwtje — hier wonen milde hybrides. P1 zit direct op de krukas (Honda's vroege IMA): sterker, maar nog steeds getrouwd met de motor, dus geen zuiver elektrisch rijden. P2 zit na een koppeling die de motor volledig kan loskoppelen — de eerste positie die echt elektrisch rijden mogelijk maakt, en daarom kiezen de meeste plug-inhybrides hem. P3 rijdt mee op de uitgang van de versnellingsbak, voor maximale regeneratie recht bij de wielen. P4 drijft de andere as aan, en raakt de motor alleen via het asfalt — direct vierwielaandrijving, en de reden dat de voor- en achterkant van een hybride door verschillende bedrijven gemaakt kunnen worden.
Serie, parallel, vermogenssplitsing
Los van de posities moet de energie ergens van brandstof naar band komen, en daarvoor zijn er precies drie routes:
In een serie-hybride raakt de motor de wielen nooit: hij laat een generator draaien, en een elektromotor doet al het rijwerk — de motor wordt een apparaat dat brandstof in elektriciteit omzet, en dat altijd op zijn beste werkpunt kan draaien, ongeacht het verkeer (precies zo werkt trouwens ook een diesel-elektrische locomotief). In een parallel-hybride behoudt de motor zijn mechanische verbinding en helpt de elektromotor alleen maar mee, zodat cruisen op de snelweg efficiënt blijft — maar de motor zit via de versnellingsbak weer vast aan de wielsnelheid. Een vermogenssplitsing-hybride weigert die keuze: een planetair tandwielstelsel verdeelt het motorvermogen in een mechanische stroom en een elektrische stroom, en kiest voortdurend de mix.
De rendementsrekensom van elke routevoor ingenieurs
Serie betaalt op elke watt een dubbele omzetting: motor → generator (~94%) → elektronica (~97%) → elektromotor (~94%), ruwweg — nog vóór de accu erbij komt. Die belasting van 14% is in de stad onverslaanbaar, want daarmee koop je de motor zijn beste werkpunt (2× waard of meer, vergeleken met een stationair draaiende, gesmoorde motor), en onvergeeflijk op de snelweg, waar een gewoon mechanisch pad zo'n 98% efficiënt zou zijn geweest, op een werkpunt dat toch al goed was. Parallel is het spiegelbeeld. De truc van vermogenssplitsing is dat de elektrische (belaste) stroom maar een deel van het vermogen draagt — zo'n 28% bij een typische snelwegkruissnelheid voor het Prius-tandwielstelsel, afnemend tot nul op zijn "mechanische punt" — zodat hij de omzettingsbelasting alleen betaalt over het deel dat hij gebruikt om vrijheid in motortoerental te kopen.
Waarom de Prius geen versnellingsbak heeft
De Prius heeft geen koppeling, geen koppelomvormer en geen kiesbare overbrengingsverhoudingen — en dat is geen omissie. In hun plaats zit één planetair tandwielstelsel, hetzelfde onderdeel als in elke automaat, maar op een compleet andere manier gebruikt. Drie assen delen het tandwiel: het zonnewiel in het midden, de drager die de planeetwielen vasthoudt, en het ringwiel eromheen. De motor draait de drager rond, de wielen (en de grote elektromotor, MG2) draaien mee met het ringwiel, en een kleine motor-generator, MG1, houdt het zonnewiel vast.
Een planetair tandwielstelsel legt precies één regel op tussen zijn drie snelheden — met de Prius-tandaantallen (zonnewiel 30, ringwiel 78):
Eén vergelijking, drie snelheden: leg er twee vast en de derde volgt vanzelf. De wielen leggen het ringwiel vast (de rijsnelheid), en hier zit de truc — MG1 legt het zonnewiel elektrisch vast, op elke snelheid die de computer wil, inclusief achteruit of stilstand. Daardoor wordt het motortoerental op elke rijsnelheid een vrije keuze: een traploze transmissie zonder riemen, zonder koppelingen en zonder slijtende oppervlakken. Trek hard op, en de motor springt naar zijn beste vermogenstoerental terwijl de auto nog aan het optrekken is — het beroemde "rubberen-band"-gevoel is het geluid van de vergelijking die opgelost wordt, niet van iets dat slipt. Er is ook geen achteruitversnelling: MG2 draait gewoon de andere kant op.
De hefboomanalogie, met echte cijfersvoor ingenieurs
Ingenieurs jongleren zelden rechtstreeks met de vergelijking — ze tekenen hem. Zet de drie assen op drie verticale tpm-assen, met zo'n tussenafstand dat de drager op van de weg van zonnewiel naar ringwiel staat. De vergelijking hierboven zegt dan: elke mogelijke toestand van het tandwielstelsel is een rechte lijn over de drie assen. Het tandwielstelsel is een wip; de tandaantallen zijn de hefboomarmen.
Die lijn verklaart ook de ene zwakte van het systeem. De koppelbalans op de hefboom ligt vast door de armlengtes — het koppel van de motor splitst altijd naar het ringwiel en 28% naar het zonnewiel. Dat koppel aan de zonnewielkant moet MG1 tegenhouden, en dat tegenhouden terwijl hij draait, betekent vermogen verwerken: . Hoe verder het motortoerental afdwaalt van het "rechtstreekse" punt, hoe meer vermogen circuleert via MG1 → accubus → MG2, waarbij elke schakel ~5–8% belasting kost. Bij zeer hoge kruissnelheden kantelt de lijn zo ver dat MG1 achteruit draait terwijl hij belast is — het circulerende vermogen groeit en het rendement zakt, en daarom voelen klassieke Toyota's met vermogenssplitsing zich het prettigst onder ~130 km/h, en waarom latere versies extra reductietrappen voor MG2 kregen. De hefboom geeft je de hele machine: snelheden uit waar de lijn kruist, koppels uit de armen, en de ontwerpafweging uit hoe ver je hem durft te kantelen.