Hoe hybride is je voertuig het best?

Thomas More op zoek naar optimale hybridisatie

Hybridevoertuigen zijn steeds meer in zwang - en dus ook het onderzoek naar hun impact en hun werking. We weten immers nog niet zo veel over hun optimale efficiëntie. Hogeschool Thomas More voert hier extensief onderzoek naar en presenteerde op een lezing enkele opmerkelijke vaststellingen.

In de lift

In 2020 werden meer dan 45.000 nieuw ingeschreven hybridepersonenwagens ingeschreven, goed voor een aandeel van 11%. De nieuwste hybrideaandrijflijnen gaan ook steeds meer naar een full hybride. Mild hybrides leveren immers een kleinere daling op van de CO₂-uitstoot.
Hogeschool Thomas More onderzoekt hybrides, hun energieverbruik en hun efficiëntie. Op donderdag 4 november 2021 organiseerde het daarvoor een lezing over hybridisatie en de optimale graad daarvan. “Het voordeel van een hybridevoertuig met twee vermogensbronnen is dat bij de juiste inzet van die bronnen het verbruik wordt verlaagd”, opende prof. Luc Claessens van Thomas More.

Elektrisch waar nuttig, ICE waar nodig

"Grafiek 1 toont een test met een Toyota Prius van zo’n 10 minuten, waarbij we zien hoe het hybridesysteem gebruikt wordt om een zo efficiënt mogelijk energieverbruik te verkrijgen. Typisch daarbij is dat die de beste kanten van beide aandrijvingen gaat inzetten: elektrisch waar nuttig, de motor waar nodig.”

 

Hoe hybride?

Het probleem bij hybrides is echter dat je als koper niet goed weet wat je exact koopt. Hoe groot is het elektrische aandeel ten opzichte van het ICE-deel (internal combustion engine)? “Nemen we bijvoorbeeld een hybride Toyota Yaris van 74 kW, dan weten we niet hoeveel vermogen afkomstig is uit brandstof en hoeveel uit elektriciteit. Bovendien kost de hybrideversie 3.000 € meer dan de ICE-variant, terwijl die een stuk minder CO₂ uitstoot – het equivalent van 1 liter brandstof per 100 km. Betalen we hypothetisch 2 € voor 1 liter brandstof, dan moeten we 150.000 km rijden om dat bedrag terug te winnen."

"Bij andere wagens zien we dan weer dat het systeemvermogen niet noodzakelijk de som is van het vermogen van de ICE en die van de elektromotor."
"Als klant kun je dus niet exact weten wat je juist koopt bij een hybridewagen. Er is geen eenduidige vermelding van de vermogens, de optelsom van de vermogens is niet dezelfde als het totale systeemvermogen. Het publiceren van een hybridisatiegraad kan hier een oplossing zijn. Die geeft de verhouding van het elektrisch vermogen ten opzichte van het totale vermogen. Zo heeft de Yaris een ICE-motor van 55 kW en een elektromotor van 45 kW. Zijn hybridisatiegraad is dus 45/(45+55) of 45%.
Ook de accucapaciteit van een zelfladende hybride wordt zelden of nooit meegedeeld."

Hybridisatie

Thomas More onderzocht wat de ideale hybridisatiegraad van een voertuig is. Die zou liggen tussen de 35 en 45%. “Voor heel wat hybridewagens op de markt is die graad haalbaar, zeker de PHEV’s (plug-inhybrides), zo blijkt uit het onderzoeksrapport."

Acceleratieverbruik

De vraag is waar de hybridevoertuigen het beste presteren. “Daarvoor hebben we acceleratie- en deceleratietests uitgevoerd op de rollenbank, waar we het verbruik van zowel de verbrandings- als de elektromotor konden meten. Op grafiek 2 is duidelijk te zien dat het brandstofverbruik (de oranje lijn) op bepaalde momenten niet stijgt en dat de elektromotor dus ingeschakeld wordt. Dat komt omdat de accu nooit 100% opgeladen wordt; bij het bereiken van een bepaalde grens wordt die ingeschakeld en ontladen.”

Een ander merkelijk resultaat is het acceleratieverbruik. "We zien op grafiek 3 dat het verbruik bij een moderne benzinewagen (i.c. een Mazda CX3) het hoogst was (en dus het slechtst presteert) bij het versnellen van 30 naar 50 km/u. De acceleraties van 50 naar 70 en van 70 naar 90 km/u verbruiken merkelijk minder. Dat lijkt contra-intuïtief maar dat komt omdat je bij hogere snelheden een veel hoger rendement haalt uit de ICE-motor."
Bij de hybridewagen zien we andere tendensen. "Ten eerste is het acceleratieverbruik hier wél min of meer evenredig aan de versnelling, wat wil zeggen dat het aandrijfsysteem hier optimaal werkt. Maar het opmerkelijkste is het verschil tussen de hybride- en de ICE-wagen bij 30 tot 50 km/u. Hun respectieve verbruik verschilt enorm van elkaar, waarbij de hybridewagen op sommige punten de helft minder verbruikt dan de ICE-wagen."

Ook bij constante snelheden valt heel wat verbruik te besparen met een hybridewagen. "Concreet toont grafiek 4 de SOC (state of charge) van de accu (blauwe lijn). Als die stijgt, wordt er geladen en omgekeerd. We zien een periode van zo'n 60 seconden waarin we op de ICE-motor rijden en de batterij geladen wordt, tot die een drempelwaarde bereikt en het commando overneemt voor zo'n 200 seconden. Bij een constante snelheid van 30 km/u is die SOC dus een cyclisch gegeven. Daarbij heeft de elektromotor zo'n 1,5 kW nodig om elektrisch te rijden. Om ook accessoires te voeden zoals de gps, verlichting e.d. wordt zo'n 2 kW gevraagd. Na die 200 seconden, en de elektromotor terug moet worden opgeladen, zien we dat die in 60 seconden weer naar volle capaciteit gaat."

Hoe dat komt, heeft alles te maken met het optimale rendement van de verbrandingsmotor. "Grafiek 5 toont de optimale rendementen van een ICE-motor; hoeveel koppel haalt die aan welk toerental en wat verbruikt die daarbij?"

"In ideale omstandigheden heb je 240 g CO₂ nodig om 1 kWh te produceren", vertelt prof. Claessens. "Maar door omstandigheden - je rijdt in een stadscentrum en je vergeet te schakelen - heb je om diezelfde 1 kWh energie te kunnen produceren, liefst 1.000 g nodig - tot vier keer meer. Wetende dat je met 80 g benzine 1 kWh kunt opwekken (aan 100% rendement), haal je met 240 g een rendement van 32%. Met die 1.000 g is dat dan slechts 8% rendement."

"Mede daarom heb je een schakelindicator in de wagen; want rij je 30 km/u in een hogere versnelling - en dus een lager toerental - dan bespaar je uiteraard brandstof uit."
Het mooie aan een hybridesysteem is dat die generatoren aanspreekt om bij een bepaald toerental een hoger koppel te genereren. "In het geval van onze testwagen bij Thomas More is dat via een variabeltoerentalsturing, wat soms als het koffiemoleneffect bestempeld wordt: bij een constante snelheid zien we het toerental soms rare sprongen maken omdat die steeds naar het optimale werkpunt zoekt."

Ter conclusie drukte prof. Claessens de aanwezigen nog even met de neus op de feiten. "Het verbruik van hybrides aan een constante snelheid ligt merkelijk lager dan van een ICE-wagen, zo zien we in de tabel. Mochten we daar nog een elektrisch voertuig van pakweg 70 kW bij plaatsen, dan verbruikt die in theorie drie keer minder dan het hybridevoertuig. Al hangt heel wat af van de genomen wegen; wie vaak doorheen stadscentra rijdt, zal veel kunnen besparen. Wie vaak autosnelwegen moet nemen, zal weinig kunnen besparen."