PSAT (Powertrain System Analysis Toolkit) a realizat un studiu referitor la autotractoarele hibride si la economia de carburant pe care o pot aduce. Acesta a avut la baza un camion conventional, unul slab hibridizat si unul 100% hibrid, iar in timpul testelor au fost simulate diferite conditii de drum, de la autostrada la trafic urban, de la teren plan la sosele cu pante si rampe. Vehiculele hibrid s-au dovedit mai economice pe orice tip de traseu, dar pe autostrada plana, unde circula cu viteze mari, reducerea consumului este mai putin sesizabila.
 

Vehiculul cu nivel redus de hibridizare este bazat pe o configuratie in paralel, cu un dispozitiv electric functionand ca starter-alternator, ce permite pornirea/oprirea motorului, un cuplu mic si un nivel redus de regenerare a energiei la franare, iar cel complet hibrid are o combinatie de configuratii in serie si paralela, cu doua dispozitive electrice, din care unul ca starter-alternator si altul intre ambreiaj si cutia de viteze. Camionul poate rula cu propulsie electrica la viteze/puteri mici, motorul fie fiind oprit, fie functionand in configuratia de serie, ceea ce sporeste gradul de recuperare a energiei la franare.
Pierderea de energie cauzata de trenul de rulare scade daca sursa de energie electrica este plasata mai aproape de roti sau post-transmisie, motoare, dar aceasta nu este o solutie practica pentru aplicatiile grele din transporturi.
Un vehicul conventional pierde mult din energia cinetica din timpul acceleratiei din cauza franarii pe suprafete ude, dar un sistem de recuperare a energiei la franare poate recupera o parte din aceasta pierdere si reincarca sistemul de stocare a energiei.
Hibrizii pot aduce si economii indirecte de carburant, in situatii care nu apar intotdeauna in timpul procedurilor standard de testare a vehiculelor. Daca acceleratia este imbunatatita sau durata necesara schimbarii treptelor se scurteaza, viteza camionului nu va mai cobori atat de usor sub viteza optima aleasa, deci nu va mai fi nevoie ulterior sa se accelereze prea mult – un avantaj important in transportul pe distante mari. Pe de alta parte, o acceleratie imbunatatita il poate face pe sofer sa ceara mai multa putere in conditii normale de condus, ceea ce duce la o folosire mai putin eficienta a sistemului hibrid.

O familie de hibrizi pentru fiecare utilizare
In functie de pozitia dispozitivelor electrice pe trenul de rulare, exista mai multe familii de hibrizi. Configuratia in serie presupune propulsia doar prin putere electrica: energia produsa de motor este convertita in energie electrica prin intermediul unui generator si este fie stocata in baterie, fie reconvertita in putere mecanica. Este configuratia cel mai simplu de implementat, deoarece propulsia este 100% electrica si generatorul functioneaza aproape ca un sistem independent, usor de controlat. Dezavantajele sunt insa ca ambele dispozitive electrice (de propulsie si generatorul) trebuie sa aiba dimensiuni mari, iar la viteza de croaziera transmisia electrica are o eficienta scazuta din cauza dublei conversii a energiei mecanice produse de motor.
Configuratia in paralel se caracterizeaza prin faptul ca vehiculul poate fi propulsat direct de motor, de motorul/ motoarele electrice sau de ambele in acelasi timp. Aceste camioane au de obicei cel putin un ambreiaj si o cutie de viteze cu multe trepte, ca modelele conventionale, ceea ce confera o eficienta destul de buna la viteze de croaziera, deoarece puterea motorului merge direct la roti prin intermediul cutiei de viteze si a trenului de rulare. Mecanismul electric poate sau sa ofere un cuplu pozitiv, contribuind la propulsia vehiculului, sau sa reincarce cu energie dispozitivul de stocare. In functie de pozitia dispozitivului electric, configuratia in paralel poate fi si ea de mai multe tipuri.
Daca se afla in pozitie de starter-alternator, adica intre volant si ambreiaj, in cazul vehiculelor slab hibridizate, permitand oprirea/pornirea motorului cand vehiculul este oprit, principalul avantaj este usurinta in implementare si costurile reduse. Daca se afla intre ambreiaj si transmisie sau intre cutia de viteze si cutia de transfer, cand este actionat ambreiajul, motorul este deconectat de la trenul de rulare, dar dispozitivul electric nu, permitand rularea doar in modul electric. Nu este o solutie practica pentru autotractoare cu semiremorca din cauza lipsei posibilitatii de multiplicare a cuplului pentru dispozitivul electric. Combinatia de configuratii in serie si paralel vine cu beneficiile ambelor. Cand este actionat ambreiajul, motorul poate fi oprit sau nu, in al doilea caz el generand electricitate si apeland la configuratia in serie pentru viteze reduse, in timp ce sistemul paralel se foloseste pentru viteze mari de croaziera.
La configuratia power-split, folosita de Toyota si Ford, motorul si moto-generatorul sunt conectate la planetare, la care mai este conectat un alt motor-generator. Nu este o solutie practica, deoarece necesita supradimensionarea vehiculelor pentru a fi folosite intr-o gama larga de aplicatii.
Iar transmisia multi-mode combina cateva moduri power-split, fiecare disponibil pentru diferite cerinte, astfel ca supradimensionarea nu mai este necesara. Configuratia trenului de rulare poate fi combinata si cu o cutie de viteze fixa, pentru mai multa flexibilitate.
Pentru acest studiu, PSAT a ales o configuratie in serie-paralela si una starter-alternator. Mai exista varianta unui hibrid multi-mode cu transmisii fixe, dar din cauza complexitatii designului nu a fost luata in considerare.

Consum cu 40% mai mic in oras pentru vehiculele 100% hibride
Configuratia in serie-paralela cu un dispozitiv electric situat inaintea transmisiei, intre ambreiaj si cutia de viteze, a fost aleasa pentru vehiculul complet hibrid. Datorita unui alt dispozitiv electric, configuratia in serie permite pornirea usoara a motorului si reincarcarea cu energie cand vehiculul este oprit. Iar configuratia starter-alternator a fost aleasa pentru camionul mai slab hibridizat, la care motorul se opreste cand este inactiv. Datorita dispozitivului electric de putere redusa si bateriilor cu energie mica, acest hibrid necesita investitii in avans mai reduse decat hibridul 100%.
Lor li s-a alaturat un camion conventional. Toate trei au simulat mersul pe autostrada si in trafic urban si rezultatul a fost ca economiile de carburant fata de modelul conventional sunt mai mici pe autostrada, ceea ce era de asteptat, deoarece sistemul hibrid nu intervine prea mult la viteza de croaziera, unde motorul diesel opereaza oricum eficient. Camionul slab hibridizat a realizat economii mai mici decat cel 100% hibrid, iar acesta din urma economiseste pana la 40% in trafic urban. S-a mai constatat – deoarece simularile s-au facut si cu 26 t greutate totala, si cu 36,3 t – ca economia de carburant este mai mica atunci cand greutatea totala este mai mare. Scaderea consumului este cauzata de faptul ca motorul nu este inactiv cand vehiculul sta la stop, energia la franare se recupereaza si se poate folosi pentru accesorii, iar pentru versiunea 100% hibrida propulsia electrica se poate folosi in situatii de incarcare redusa. Totusi, hibrizii sunt mai eficienti in trafic urban, cu numeroase accelerari, decelerari si opriri.

Decelerarea si greutatea totala influenteaza consumul
Rata de recuperare a energiei la franare la nivelul rotilor – care nu include pierderile trenului de rulare si ale dispozitivului electric, implicate in trimiterea energiei la baterie – depinde de agresivitatea la decelerare. Pe autostrada, la viteze de croaziera, unde sunt cele mai scazute niveluri de deceleratie dintre toate situatiile in care au fost testate camioanele, vehiculul complet hibrid recupereaza aproape toata energia la franare – franele mecanice nu sunt folosite mai deloc – si tot pe autostrada, dar la viteza mai mica, doar jumatate. Iar vehiculul slab hibridizat recupereaza circa 25% din energia la franare in aproape toate situatiile de drum, cu un varf de 55% tot pe autostrada, la viteza de croaziera, datorita puterii mult mai mici a dispozitivului electric, combinate cu o perioada mai mare de intrerupere a cuplului la schimbarea treptelor.
Testele au demonstrat ca o greutate mai mare duce la forte mai mari de franare sau putere pentru aceeasi decelerare si, in consecinta, un camion mai greu atinge mai repede limita de regenerare a energiei la franare. Eficienta motorului nu se imbunatateste mult in majoritatea cazurilor, iar la vehiculul mai slab hibridizat poate fi chiar mai mica decat la cel conventional. Principala diferenta in operare este aceea ca la primul motorul este oprit cand vehiculul se opreste. La camionul 100% hibrid, capacitatea de a imbunatati eficienta este mai mica pe autostrada, dar creste in trafic urban, cand operatiile cu eficienta scazuta pot fi realizate in modul electric.
Au fost realizate simulari atat pe teren plan, cat si, pentru a se apropia de conditiile din viata reala, cu urcusuri si coborasuri. Coborarea unui deal necesita franare, care poate fi o oportunitate de a economisi carburant prin recuperarea energiei si folosirea ei ulterioara.
Testele au demonstrat ca un camion 100% hibrid incarcat la capacitate si dotat cu sistem de control adaptiv, pe drum lung, cu diferite altitudini, aduce economii de carburant de pana la 16%. Iar in mediul rural reducerea de consum este de 20-40% pentru camionul 100% hibrid si de 10% pentru cel slab hibridizat. Pe distante mari, pe autostrada, castigurile se reduc semnificativ, dar pe drumuri cu pante scurte sau moderate hibrizii aduc noi economii. Prin recuperarea energiei necesare pentru franarea la coborarea unui deal si refolosirea ei, reducerea consumului de carburant poate ajunge la 8% in cazul camionului slab hibridizat si la 16% in cazul celui 100% hibridizat, ambele incarcate la capacitate.

Efectele pantelor
In cazul unei pante de 1% nu este nevoie ca soferul sa franeze pentru a ramane la 96 km/h, deci recuperarea energiei la franare nu e posibila si avantajele aduse de tehnologia hibrida sunt minime. La 2% e nevoie de franare, dar limitata, deci chiar si la o rata maxima de recuperare energia nu este suficienta pentru incarcatura aditionala. La 2,5% se poate recupera suficienta energie la franare, iar la peste 3% economiile realizate de camionul slab hibridizat inceteaza sa mai creasca, deoarece energia la franare suplimentara disponibila nu poate fi recuperata de motorul sau, prea mic. In ceea ce priveste camionul complet hibrid, economiile de carburant sunt cu atat mai mari cu cat perioada de urcare a dealului este mai scurta – nu datorita hibridului, ci motorului conventional, care consuma mai mult cand perioada de urcare a dealului este mai scurta.

Cercetarile continua
Hibrizii ofera posibilitati nelimitate de combinare a configuratiilor si dimensiunilor componentelor, dar cand se alege un anumit design trebuie sa se tina cont si de costuri si de ROI (return of investment). Exista insa si alte elemente pe care simularile nu le pot evidentia si de care trebuie sa se tina cont, iar proiectele viitoare PSAT isi propun sa le ia in calcul si pe ele. Un aspect important este comportamentul soferului dupa cateva ore de condus.