Niin mikä oli: aivan kaikki, mitä sinun tulee tietää hybrideistä

Kokosimme kaikki hybrideistä yhteen pakettiin voimalinjojen toteutuksen osalta. Jos mikrohybridi, kevythybridi, täyshybridi, rinnakkaishybridi tai sarjahybridi yhtään mietityttävät, niin kerromme vastaukset.

Hybridi on päivän sana automaailmassa. Sana tarkoittaa yhdistelmää, mikä automaailmassa tarkoittaa auton liikkuvan kahdella eri voimanlähteellä.

Käytäntö on monimutkaisempi: hybridin voi toteuttaa monella tapaa. Lisäksi tekniset erot ja markkinointitermit sekoittuvat mukavaksi sekasotkuksi.

Markkinoilla on hybridejä, kevythybridejä, ladattavia hybridejä. Puhutaan rinnakkaishybrideistä ja sarjahybrideistä. Tässä Niin mikä oli -juttusarjan artikkelissa kokoamme kaiken hybrideistä yhteen pakettiin.

Yleisesti käytetty tapa erotella hybridit pohjautuu hybridisoinnin määrään: kuinka voimakkaasti molempia voimanlähteitä voidaan käyttää. Käytännössä tällöin eteen tulevat termit mikrohybridi, kevythybridi, täyshybridi ja ehkä tavallaan matkanjatkaja (englanniksi range extender). Näistä mikrohybridi ei ole hybridiauto lainkaan, mutta tähän palaamme myöhemmin.

Ehkä nykyisin tutuin tapa jakaa hybridit riippuu siitä, voiko poltto- ja sähkömoottorilla liikkuvan hybridiauton akkuja ladata ulkoisesta lähteestä. Tässä tapauksessa termit ovat itselataava hybridi ja lataushybridi. Itselataava hybridi on terminä luvalla sanoen hölmö, mutta tämänkin selitämme tarkemmin.

Aloitetaan kahdella perustavalla ratkaisuerolla: sarja- tai rinnakkaishybridi. Termit kuulostavat teknisen tylsiltä, mutta kyse on lopulta yksinkertaisesta asiasta.

Sarjahybridi

Sarjahybridinä toteutettu auto liikkuu aina yhden voimanlähteen, tavallisesti sähkömoottorin, voimin. Sähköenergiaa saadaan akusta tai suoraan polttomoottorin pyörittämältä generaattorilta. Voimanlähteet on kytketty peräkkäin, eli sarjaan, mistä juontaa nimi sarjahybridi.

Hybridiauton ratkaisusta tekee se, että energiaa saadaan akusta tai polttomoottorin kautta polttoaineesta.

Sarjahybridiksi laskettaneen myös range extenderillä eli matkanjatkajana toimivalla polttomoottorilla varustettu sähköauto. Kun sähköauton akut alkavat loppua, voidaan polttomoottorin ja generaattorin avulla tuottaa lisää energiaa sähkömoottorille. 

Tähän teknologiaan pohjautuvia autoja ovat esimerkiksi BMW i3 Rex ja Opel Ampera, jotka monesti mielletään jopa sähköautoiksi. Ne ovatkin teoriassa selvästi lähempänä sähköautoa kuin rinnakkaishybridit. Polttomoottoria on tarkoitus käyttää vain poikkeustilanteissa matkanjatkamiseen ja pääasiallisesti matkat hoidetaan sähköllä. 

Polttomoottori mitoitetaan usein kohtalaisen kevyttehoiseksi, sillä sen tarvitsee vain ladata akkuja nopeammin kuin ne keskimääräisesti tyhjenevät, eikä suinkaan tarjota hetkellistä huipputehoa. Huipputehon tuottaa aina sähkömoottori akkuihin varatun energian avulla. 

Polttomoottoria voidaan sarjahybridissä käyttää pääasiallisesti energiatehokkaimmalla kierroslukualueella, jolloin sen hyötysuhde on parempi. Käytettävä polttomoottori optimoidaankin usein vain lataukseen käytettävälle kierroslukualueelle, joka mahdollistaa hieman erilaisia ratkaisuja kuin auton ajomoottoriksi suunniteltavan voimanlähteen tapauksessa.

Sinällään sähkömoottorin parina voi yhtä hyvin olla perinteisen polttomoottorin sijaan esimerkiksi polttokenno – vetyautot ovat lähes poikkeuksetta juuri sarjahybridejä. Tälläinen ratkaisu on Mercedes-Benz GLC F-Cell. Sarjahybrideihin on kokeiltu, ainakin prototyyppiasteella, monenlaisia matkanjatkajana toimivia lisävoimanlähteitä kaasuturbiineista kiertomäntämoottoreihin.  

Polttomoottorin sijoittelu voidaan tehdä täysin vapaasti. Se kun ei ole mekaanisessa yhteydessä auton akseleihin, vaan ainoastaan sähkökaapelilla yhteydessä akustoon. Tämä tarjoaa mahdollisuuksia luovaan paketointiin.

Rinnakkaishybridi

Rinnakkaishybridi tarkoittaa nimensä mukaisesti sitä, että kaksi voimanlähdettä toimii rinnan kytkettynä. Tämä on muodostunut toteutuksista yleisimmäksi, osin varmasti koska sellainen on mahdollista rakentaa olemassa olevasta polttomoottoriautosta verrattain pienillä muutoksilla. Sähkömoottori voidaan lisätä esimerkiksi vaihdelaatikon kylkeen. 

Ratkaisu sallii polttomoottorin ja sähkömoottorin yhtäaikaisen käytön, jolloin järjestelmän kokonaisteho on yleensä suurempi kuin kummankaan yksittäisen voimanlähteen huipputeho. Sähkömoottoria voidaan hyödyntää sekä osana voimantuottoa että jarrutuksissa akkujen lataamiseen jarrutusvoiman talteenoton avulla.

Rinnakkaishybrideitä voitaisiin jakaa alaryhmiin sen mukaan kuinka polttomoottori ja sähkömoottori on yhteydessä toisiinsa. Vaihtoehtoja on planeettavaihteistoista yksinkertaiseen kytkimeen ja kaikkea siltä väliltä. Näiden kaikkien kuvaaminen olisi kokonainen oma tarinansa.  

Samalla akselilla sijaitsevat voimanlähteet tarkoittavat vetotavan säilyvän samana voimanlähteestä riippumatta ja voimanlähteen vaihtuminen voidaan tehdä varsin saumattomasti. Tähän perustuvat lähes kaikki Toyotan hybridimallit.  Toisaalta on mahdollista jakaa moottorit omille akseleilleen: viattomasti yksinkertaistaen näin on tehty Volvon nelivetoisissa ladattavissa hybrideissä: polttomoottori vetää etuakselilla, sähkömoottori taka-akselilla.

Rinnakkaishybridissä sähkömoottori voidaan mitoittaa maltillisesti vain avustamaan polttomoottoria tai toisaalta tehokkaaksi toimimaan useassa tilanteessa ainoana voimanlähteenä esimerkiksi lataushybridissä. Vaihtoehtoja on valtaisasti, joka toisaalta selittää osin myös ratkaisun suosiota.

Moottorit eri akseleilla

Hybridi voidaan toteuttaa myös kahdella eri voimanlähteellä, jotka eivät ole yhteydessä toisiinsa. Käytännössä tämä tarkoittaa voimanlähteiden, eli moottoreiden, sijoittamista eri akseleille. 

Tällöin tavallisesti toiselle akselille on asennettu sähkömoottori ja toiselta löytyy polttomoottori. Tällä hetkellä yleisemmässä toteutuksessa sähkömoottori on sijoitettu taka-akselin yhteyteen polttomoottorin pitäessä paikkansa perinteisessä etuvetorakenteessa. Moni tämänkaltainen hybridiauto onkin rakennettu täysin tavallisen polttomoottoriauton pohjalta. 

Polttomoottori vaihteistoineen on aivan kuten perinteisessä polttomoottorimallissa eikä siihen tarvitse tehdä suuria muutoksia. Erillinen sähkömoottorikokonaisuus rakennetaan auton toiseen päähän, mutta akuille pitää toki niillekin löytää paikka.

Eri akseleilla sijaitsevat moottorit tarkoittavat etu-, taka- ja nelivetoa tilanteesta riippuen. Nelivetomahdollisuus saavutetaan suorastaan sivutuotteena. Ratkaisulla on paljon etuja, mutta toki se aiheuttaa myös haasteita ajettavuuden suhteen, kun saman rakenteen pitää venyä kolmeen vetotapaan. Erityisesti tämä näkyy ääritilanteissa: liukkaalla kelillä saman auton tulee toimia etu-, taka- ja nelivetoisena!

Nämä toteutustavat kattavat kaikki erilaiset hybridivoimaliinjan perusrakenteet. Seuraavaksi tarkastelemme termejä, jotka kuvaavat hybridisoinnin voimakkuutta.

Mikrohybridi

Hybridisointiasteen voimakkuuteen perustuva jaoittelu alkaa termistä mikrohybridi. Se on mukana vain, koska termissä esiintyyy sana hybrid. Mikrohybridi ei ole teknisessä mielessä hybridi, sillä sähköä ei käytetä auton ajamiseen. Mikrohybridissä ei ole toista voimanlähdettä.

Käytännössä sanalla mikrohybridi tarkoitetaan polttomoottorin käynnistys-sammutusautomatiikkaa (start-stop) ja usein tätä varten asennettua erillistä akkua sekä hieman tavallista tehokkaampaa laturia. Polttomoottori voidaan sammuttaa kesken ajon kun sitä ei tarvita, joka säästää hieman polttoainetta.

Perinteisessäkin polttomoottoriautossa ladataan akkua laturilla. Toimintaperiaate on siten samankaltainen ja ero vähintäänkin häilyvä – missä kohti laturi on riittävän suuri.

Kevythybridi

Miedoin hybridiratkaisu on nimensä mukainen, kevythybridi, mistä käytetään usein tunnusta MHEV, Mild Hybrid Electric Vehicle. Kevythybridissä toinen voimanlähde, tavallisesti sähkömoottori, ei pysty yksinään liikuttamaan autoa. Näin ollen kevythybridi voi itse asiassa olla joko rinnakkais- tai sarjahybridi. Aiemmin mainittu aina sähköllä liikkuva sarjahybridi kun on teknisessä mielessä kevythybridi.

Tavallisemmin kevythybridiksi mielletään kuitenkin rinnakkaishybridi, jossa on polttomoottorin parina pieni sähkömoottori. Sähkömoottori tukee polttomoottoria auton käynnistyksessä ja kiihdytyksissä. Monesti autossa on tällöin tukevampi 48 voltin sähköjärjestelmä, pieni akku sekä käynnistinmoottorigeneraattori.

Tavallaan myös tämänkaltainen kevythybridijärjestelmä muistuttaa pitkälti perinteistä polttomoottoriratkaisua ja hybridipuoli on vähissä. Toisaalta 48 voltin käynnistinmoottorigeneraattori kykenee kuitenkin tarjoamaan tuntuvan lisäpotkun mikrohybridiin verrattuna ja samasta syystä saavutettavat edut ovat suuremmat.

Täyshybridi

Täyshybridi on joka tapauksessa todellinen hybridi, jonka voi jo nimestäkin osin päätellä. Kaikkein kehittyneimmällä hybridijärjestelmällä voidaan liikkua kummalla tahansa kahdesta voimanlähteestä tai vaikka molempienkin avulla. Tavallisimmin kyse on poltto- ja sähkömoottorin yhdistelmästä. 

Tämänkaltainen täyshybridijärjestelmä pyrkii usein valitsemaan älykkäästi järkevimmän voimalinjan tai niiden yhdistelmän kuhunkin tilanteeseen. Sinällään kyseessä voi olla itselataava tai lataushybridi – täyshybridi ei sulje tässä suhteessa kumpaakaan pois.

Itselataava hybridi

Nykyisin pitkälti Toyotan markkinoinnin seurauksena itselataava hybridi tarkoittaa perinteistä hybridiä, jota ei voi ladata sähköpistokkeesta. Auton taloudellisuus perustuu jarrutusenergian talteenottoon ja mahdollisuuteen sammuttaa polttomoottori hetkellisesti muun muassa auton rullatessa. Tuota jarrutusenergiaa pyritään tallettamaan generaattorin avulla akustoon. 

Tämä voidaan toteuttaa joko kevythybridinä tai täyshybridinä. Kuten aiemmin kerroimme, täyshybridi kykenee liikkumaan pelkän sähkömoottorin voimin, mutta kevythybridi ei. Näiden perinteisten hybridiautojen edut tulevat esille erityisesti kaupunkiolosuhteissa jarrutusten ja kiihdytysten myötä, sillä tasanopeudella suoritettavassa maantieajossa järjestelmä tuo lähinnä lisämassaa.

Ladattava hybridi

Ladattava hybridi, lataushybridi, pistokehybridi tai englannista lainattu lyhenne PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) ovat vakiintuneita nimiä hybridiautolle, jonka akkuun voidaan ladata lilsää energiaa verkkovirrasta. Tuon latausmahdollisuuden sallimana myös akusto on tyypillisesti merkittävästi perinteisempiä ilman latausmahdollisuutta varustettuja hybridejä suurempi.

Jutun alussa mainitsimme, että termi itselataava hybridi on hieman kömpelö. Niin sanottu itselataava hybridi toki hyödyntää jarrutusenergian talteenottoa akun lataamiseen, mutta niin tekee lataushybridikin. Näin ollen perinteinen, niin sanottu itselataava, hybridi eroaa lataushybridistä lähinnä latausmahdollisuuden puuttumisella.

Ladattava hybridi voidaan toteuttaa usealla erilaisella aiemmin mainitulla ratkaisulla, eli se voi olla sarja- tai rinnakkaishybridi.

Kaasuhybridi?

Tämä kattaa valtaosan hybrideistä. Lähihistoriassa on väläytelty paineilman käyttöä polttomoottorin apuna, ja markkinointiviestintä on nimennyt myös kaasuautot hybrideiksi. Näihin emme sekaannu enempää: paineilma jäi konseptiksi ja kaasuauton voimanlähteenä on sama polttomoottori, joka saa energiansa kahdesta aineesta: bensiinistä tai kaasusta. Hybridin kanssa sillä ei ole tekemistä.

Kuvat: Mercedes-Benz, BMW, Ford, Aake Kinnunen/Moottorin arkisto, Lauri Ahtiainen/Moottorin arkisto, Opel, Toyota, Mitsubishi; Lähde: Braess & Seiffert (2011). Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. Wiesbaden: Springer Vieweg.; Teksti: Henri Posa ja Lauri Ahtiainen