המושג "היברידי" – בעברית, "בֶּן כִּלאַיִם" או "כִּלאַיִם" – מקורו לטיני ומתייחס לדבר שנוצר משני מרכיבים שונים; זני צמחים, גזעי חיות, וגם, בין השאר, במוצרים טכנולוגיים. כלי רכב, למשל.
בתחום הרכב, המושג "היברידי" מתייחס, כמעט תמיד, למכונית המשלבת יחידות הנעה שונות או מקורות אנרגיה. השימוש בטכנולוגיה כזאת נועד לצמצם את היקף השימוש במנוע בעירה פנימית ברכב נתון להפחתת צריכת הדלק, צמצום המזהמים וכבונוס קבלת ביצועים עדיפים. ימי הרעיון הזה בעולם הרכב כמעט כימי המכונית, וכבר ב-1900 נוצר רכב כזה (של פרדיננד פורשה ויעקב לוהנר), אבל את ההיכרות העכשווית עם המושג הזה במכוניות חייבים לטויוטה פריוס (1997).
אף על פי שרכב היברידי מזוהה באופן כמעט בלעדי עם מכונית המשלבת מנוע בעירה פנימית עם מנוע חשמלי – "רכב היברידי חשמלי", HEV (ר"ת Hybrid Electric Vehicle) – יש לזכור כי קיימים שילובים נוספים ואין דרך אחת לביצוע.
למה בכלל
ההכרה שמנועי מכוניות מזהמים ופוגעים בבריאות האדם ובאקלים כדור הארץ (תחילת שנות השמונים) הביאה ליצירת תקנות המגבילות פליטת מזהמים (בסוף אותו עשור); הידיעה שנפט הוא משאב מתכלה, אספקתו ומחירו לא ממש יציבים, הביאה להכרה (כבר בשנות השבעים) בחשיבות שיפור צריכת הדלק וחיפוש אחרי אלטרנטיבות; העובדה שככל שהרכב צורך פחות דלק כך הוא מזהם פחות, הביאה לא רק לשיפור בפעולת המנועים, אלא להכרה בכך שאם יופעל גם על-ידי מנוע חשמלי, מנוע הבעירה הפנימית יעבוד הרבה פחות. למנוע החשמלי, בנוסף, יש הרבה יתרונות.
זיווג מחשמל
ישנם סוגים רבים של מנועים חשמליים, אך רובם חולקים אותם יתרונות – הם קטנים, יש להם מעט חלקים, פשוטים לתחזוקה, אמינים, לא צורכים אנרגיה במנוחה, בעלי תגובה מהירה, ושיא מומנט (גבוה) מוצע כבר באפס סל"ד ורצועת הכוח היעיל רחבה. כל אלה היו ידועים כאמור כבר בסוף המאה ה-19, אבל ספק האנרגיה שלהם, הסוללות, היה כבד מדי והרעיון נזנח בגלל שיקולי עלות ומשקל.
אבל מה שנזנח הפך להיות פתרון לאותו שילוב בעייתי של זיהום וצריכת דלק, בייחוד כאשר שיפורים במנוע בעירה פנימית קשים ויקרים יותר ויותר להשגה. גם אחרי שמנועים רגילים עברו שיפורים רבים – שיפור דרמטי ביעילות השריפה מה שהביא לשיפור בצריכה, בניקיון ובביצועים, מגדש טורבו, מערכת דימום/התנעה – עדיין נשארנו עם מנוע השורף דלק ופולט מזהמים.
מערכת חשמלית מאפשרת גם למקסם את יכולות מנוע הבנזין; ניתן לייצר מנוע בנזין חסכן ולא ביצועיסט, קטן יותר או כזה הפועל במחזור אטקינסון, וזה יקבל את תוספת הכוח ממנוע חשמלי; ניתן לאגור את האנרגיה הנוצרת בעת בלימה ולהשתמש בה במקום לבזבז אותה כחום הנפלט לאטמוספירה. מערכת החשמל החזקה גם מאפשרת להפעיל את אביזרי הרכב, בדגש על מזגן, בזמן עמידה בפקק גם אם מנוע הבעירה הפנימית כבוי.
ויש חסרונות; העיקריים הם משקל נוסף, מורכבות ומחיר. זו הסיבה שמכוניות היברידיות יקרות יותר ממקבילותיהן נטולות המנועים החשמליים – אלא שתוספת המחיר מקוזזת על ידי הטבות מס הניתנות לגרסאות כאלה על-ידי מדינות רבות, גם ישראל, כדי לעודד את רכישתן.
תכניות החלוקה
היברידי מלא, היברידי מעודן. חלוקה ראשונית מבדילה בין מכוניות היברידיות היכולות לנוע בכוח החשמל בלבד, החל מקילומטרים אחדים ועד עשרות קילומטרים (Full hybrid) – ובין אלה שמנוען החשמלי רק מוריד מעט מהנטל על ממנוע הבנזין/מוסיף ליכולתו (Mild Hybrid). דוגמאות וותיקות הן טויוטה פריוס לסוג הראשון, הונדה סיוויק היברידית לשני.
טעינה פנימית, טעינה חיצונית. יש מכוניות היברידיות שהסוללה בהן נטענת רק על-ידי המנוע, ויש כאלה המאפשרות טעינה על-ידי רשת החשמל; לסוג השני טווח חשמלי גדול יותר.
מקבילה, טורית, משולבת. חלוקה נוספת מתייחסת לסוגי המערכות ההיברידיות. אלה, כמו הרבה דברים בחיים (וכמעט כמו כל דבר בצבא), נחלקות לשלושה סוגים עיקריים: מערכת היברידית מקבילה (Parallel hybrid); הנעה חשמלית בלבד (Series hybrid); מערכת היברידית מפוצלת או משולבת (Power-split or series-parallel hybrid). כתבה זו מתייחסת למערכות אלה.
מערכת היברידית מקבילה
מערכת במבנה כזה משתמשת במנוע בעירה ובמנוע חשמלי העובדים במקביל כדי להניע את הרכב. במערכת זו, כאשר רק אחד משני המנועים נמצא בשימוש, המנוע הפעיל מסובב את השני, כאשר האחרון אינו אקטיבי, או שהוא מנותק על-ידי מצמד/מנגנון חד-כיווני. במערכת היברידית מסוג זה ישנו קשר ישיר בין מהירות סיבוב של אחד המנועים למהירות הסיבוב של השני. בזמן בלימה או בשיוט, המנוע החשמלי יכול לתפקד כגנרטור כדי לטעון את הסוללה.
דוגמא יונדאי איוניק.
תחת הגדרה זו גם נכללות גם מערכות הנקראות Through The Road, או TTR, ובהן מנוע הבעירה הפנימית והמנוע החשמלי מחוברים לצירים שונים. במערכות אלו הסנכרון בין מנוע הבעירה הפנימית למנוע החשמלי מבוצע דרך הכביש (ומכאן השם), ואין חלק מכני המחבר את צירי המנועים. מטבע הדברים, מערכות כאלו מעניקות לרכב הנעה כפולה.
דוגמא ב.מ.וו i8.
מערכת היברידית מפוצלת או משולבת
גם במערכת מסוג זה המנוע החשמלי ומנוע הבערה הפנימית משלבים כוחות בהנעת הרכב. אך בניגוד להנעה היברידית מקבילה, מנוע הבעירה הפנימית והמנוע החשמלי יכולים לפעול כל אחד בסל"ד שונה, וכך לחלק בינם את העומס בצורה גמישה יותר מאשר במערכת המקבילה. כמובן שמערכת כזו מאפשרת נסיעה על כל אחד מהמנועים בנפרד. מערכות כאלו משמשות בעיקר בדגמי טויוטה/לקסוס, המיישמת את העיקרון בעזרת מפצל כוח, הדומה במבנהו לדיפרנציאל קלאסי, המפצל את כוח מנוע הבעירה הפנימית בין הגנרטור והגלגלים. הגנרטור בתורו, יחד עם הסוללה, מזין את המנוע החשמלי המחובר גם כן לגלגלים. מבנה זה מנתק את הקשר בין מהירות סיבוב מנוע הבעירה הפנימית למהירות סיבוב הגלגלים, ויוצר תחושה של "תיבה רציפה" המזוהה עם המערכות של החברה היפנית. מנגנון זה פשוט יותר ליישום מאשר מערכת היברידית מקבילה, משום שאינו דורש שילוב וניתוק של מצמדים כדי לנתב את הכוח.
דוגמא טויוטה פריוס.
מערכת היברידית עם הנעה חשמלית בלבד/מאריך טווח
למרות שההנעה לגלגלים מקורה במנוע/ים חשמלי/ים בלבד, מערכת עם מאריך טווח המבוסס על מנוע בנזין קטן הטוען את הסוללות – כך שאין קשר בין המנועים – נחשבת על-ידי רבים כהיברידית. המצבר במכונית כזו גדול בהרבה, הטווח משופר וניתן להטעינו מרשת החשמל.
מערכות אלו פשוטות מאוד מבחינה מכנית – אין צורך בתיבת הילוכים, מצמדים או מפצל כוח – אבל הן סובלות מחוסר יעילות מובנה בגלל הצורך להמיר אנרגיה מכנית לחשמלית ואז חזרה למכנית. מערכות מסוג זה יופיעו בדרך כלל במכוניות עם מצבר גדול אותו ניתן לטעון מרשת החשמל, כך שביום יום המכונית מתפקדת כמכונית חשמלית לכל דבר ועניין. החיסרון הוא כמובן מחיר גבוה יותר משל מכונית חשמלית רגילה, כמו גם המשקל והנפח הנוסף שתופסים מנוע הבעירה הפנימית ואביזריו.
יש מכוניות המשלבות בין מבנה כזה לבין חיבור ישיר – בלי תיבת הילוכים – בין מנוע הבעירה הפנימית לגלגלים, המשתלב מעל מהירות מסוימת, וכך נחסכת ההמרה הכפולה שהוזכרה ומתקבלת יעילות גבוהה יותר בשיוט.
דוגמאות שברולט וולט;
ב.מ.וו i3, חשמלית עם אופציה לרכישת מאריך טווח
העתיד מתחיל עכשיו
תעשיית הרכב עוברת בהדרגה ממנועי בנזין ודיזל יעילים מאוד, למערכות היברידיות – החל מכאלה שהסוללה שלהן נטענת רק על-ידי המנוע וגמור בנטענות רשת – בדרך למכוניות כל-חשמליות ולכאלה המבוססות על תאי דלק. התהליך הזה נמשך מזה מספר שנים, מואץ עכשיו וצפוי למצות את השינוי תוך 10-15 שנים.
היקפו ועומקו של תהליך זה, מושפעים מדרישות המדינות, התמריצים הכספים לרוכשים וליצרנים, ההתקדמות הטכנולוגית ופיתוח התשתיות. השינויים יהיו בחלקם לינאריים, בחלקם האחר יגיעו בבת אחת, אבל התהליך ברור ומערכות היברידיות הן כאן כדי לשנות את האופן בו עולם הרכב נע – ומונע.
_________________________________
לא על ה-HEV לבדו
אחת הדרכים לשיפור ביצועים או צריכת דלק במכוניות היברידיות היא במִחזוּר אנרגיה. למשל בבלימה – במקום שהאנרגיה הקינטית "תבוזבז" בצורת חום דרך החיכוך בבלמים, הופכים אותה לאנרגיה חשמלית הנאגרת במצברים. ניתן לאגור את האנרגיה גם באמצעים אחרים – למשל בגלגל תנופה או באוויר דחוס. האנרגיה שנאגרה יכולה לשמש בהמשך להנעת הרכב במקום מנוע הבעירה הפנימית (לחיסכון בדלק, למשל) או כסיוע למנוע הבעירה הפנימית בתאוצה (לשיפור ביצועים; KERS, כמו במכוניות פורמולה 1) – או גם וגם.
אבל לא רק אנרגית בלימה אפשר למחזר. במנועי בעירה פנימית רוב האנרגיה הכימית האצורה בדלק לא הופכת לאנרגיה מכנית, אלא נפלטת כחום, אם דרך המצנן ואם דרך המפלט. גם את האנרגיה ה"אבודה" הזו חולמים המהנדסים לנצל, ומדי פעם מציגים רעיונות לדרכים לעשות זאת. ב.מ.וו, למשל, הציגה לפני כעשור את Turbosteamer, מערכת שהפיקה קיטור בעזרת גזי פליטה חמים וזה שימש להנעת טורבינה. במקרה של ב.מ.וו הטורבינה הזו תרמה מומנט למערכת ההנעה, אך באותה מידה אפשר לנצל אותה להפקת חשמל.
