Hybride aandrijving: hoe verbrandingsmotor en elektromotor samenwerken
Een hybride aandrijving combineert twee soorten motoren in één auto: een verbrandingsmotor die op benzine of diesel draait, en een elektromotor die stroom haalt uit een ingebouwde batterij. De twee werken samen of nemen om beurten het werk over, met als doel minder brandstof te verbruiken en minder uitstoot te veroorzaken. Denk aan een estafetteploeg: de verbrandingsmotor is de duurloper die lange, gelijkmatige afstanden aankan, terwijl de elektromotor de sprinter is die bij het wegrijden of tijdens een korte spurt extra kracht levert. Door die twee talenten te combineren, hoeft de verbrandingsmotor minder vaak te werken op de momenten waarop hij juist inefficiënt is, zoals bij optrekken vanuit stilstand.
Nederlanders kennen het concept vooral van de Toyota Prius, de auto die het woord 'hybride' bij het grote publiek bekend maakte. Tegenwoordig zit de techniek in tientallen modellen, van stadsauto's tot vrachtwagens en zelfs raceauto's in de Formule 1. Niet elke hybride werkt hetzelfde: sommige auto's kunnen een paar kilometer volledig elektrisch rijden, andere gebruiken de elektromotor alleen als hulpmotor die nooit alleen het stuur overneemt. Wat ze gemeen hebben is dat de batterij zichzelf oplaadt tijdens het rijden en dus niet per se aan een stopcontact hoeft.
Wat is het precies?
De basis van elke hybride auto bestaat uit drie onderdelen: een verbrandingsmotor, een of meer elektromotoren, en een batterij die kleiner is dan in een volledig elektrische auto. Een besturingscomputer bepaalt voortdurend welke motor op elk moment het efficiëntst is, en schakelt naadloos tussen de twee of laat ze samenwerken.
Er bestaan grofweg drie varianten. Een mild hybrid heeft een kleine elektromotor die de verbrandingsmotor ondersteunt bij optrekken en helpt de motor kort uit te schakelen tijdens stilstand, maar kan niet zelfstandig op elektriciteit rijden. Een full hybrid, zoals de Prius, heeft een krachtiger elektromotor en een grotere batterij, waardoor de auto af en toe - vaak een paar kilometer - puur elektrisch kan rijden, bijvoorbeeld in de file. Een plug-in hybrid (PHEV) gaat een stap verder: de batterij is groter en kan worden opgeladen aan een stopcontact of laadpaal, waardoor de auto tientallen kilometers elektrisch kan afleggen voordat de verbrandingsmotor bijspringt.
Ook de manier waarop de motoren zijn verbonden verschilt. Bij een parallelle hybride kunnen beide motoren, los van elkaar of samen, de wielen aandrijven. Bij een serie-hybride drijft alleen de elektromotor de wielen aan, terwijl de verbrandingsmotor uitsluitend een generator aandrijft die stroom opwekt - vergelijkbaar met een dieseltrein waarin de dieselmotor elektriciteit maakt voor de elektromotoren. Toyota's eigen systeem, bekend als 'power split', gebruikt een tandwielconstructie (een planetair tandwielstelsel) die continu de verhouding tussen beide motoren varieert, zonder traditionele versnellingsbak. Bij vrijwel alle systemen speelt regeneratief remmen een sleutelrol: bij afremmen werkt de elektromotor als generator en zet hij bewegingsenergie om in elektriciteit die terug de batterij in gaat, in plaats van dat die energie als warmte in de remmen verloren gaat.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van hybride aandrijving is simpel: hetzelfde rijgedrag en dezelfde actieradius bieden als een gewone benzine- of dieselauto, maar met een lager brandstofverbruik en minder CO2-uitstoot - zonder dat de bestuurder afhankelijk wordt van laadpalen. Dat maakt de techniek aantrekkelijk als tussenstap voor kopers die nog niet toe zijn aan een volledig elektrische auto, bijvoorbeeld omdat ze geen laadpaal thuis hebben of regelmatig lange afstanden rijden.
Autofabrikanten hebben er ook een dwingende reden bij: Europese regelgeving verplicht hen tot een steeds lager gemiddeld CO2-uitstootniveau over hun hele modellenaanbod. Door verbrandingsmotoren te combineren met een elektromotor kunnen fabrikanten die norm halen zonder meteen hun hele aanbod te vervangen door dure, volledig elektrische auto's. Voor stadsverkeer met veel stop-en-gaan is een hybride bovendien juist in zijn element: de elektromotor vangt precies de situaties op waarin een verbrandingsmotor het minst efficiënt is.
Voorbeelden uit de praktijk
De Toyota Prius, geïntroduceerd in Japan in 1997 en wereldwijd verkocht vanaf 2000, was de eerste in massa geproduceerde hybride auto en bewees dat het concept commercieel haalbaar was. Toyota heeft inmiddels wereldwijd meer dan 25 miljoen hybrides verkocht en past de techniek toe in bijna het hele modellengamma, van de compacte Yaris tot de RAV4.
Honda volgde snel met de Insight (1999), die een ander systeem gebruikte - Integrated Motor Assist - waarbij de elektromotor vooral ondersteunend werkte in plaats van zelfstandig te kunnen rijden.
In 2013 introduceerde Mitsubishi de Outlander PHEV, die jarenlang de bestverkochte plug-in hybride ter wereld was en liet zien dat ook grotere gezinsauto's met een aanzienlijke elektrische actieradius (destijds zo'n 50 kilometer) haalbaar waren.
Sinds 2014 gebruikt de Formule 1 hybride 'power units' met twee elektromotoren: de MGU-K, die net als in gewone hybrides remenergie terugwint, en de MGU-H, die energie oogst uit de uitlaatgassen van de turbo. Dit systeem toont een extreme, kostbare versie van dezelfde basisprincipes die ook in gewone showroomauto's zitten.
De Chinese fabrikant BYD verkoopt sinds 2021 met zijn DM-i-systeem in hoog tempo hybrides die vooral zijn geoptimaliseerd voor een laag verbruik, en is daarmee - naast volledig elektrische auto's - uitgegroeid tot een van de grootste hybrideproducenten ter wereld.
Hoe ver is de techniek?
Hybride aandrijving is een volwassen, uitontwikkelde techniek: sinds de introductie van de Prius zijn ruim 25 jaar verstreken en hybrides zijn tegenwoordig standaard verkrijgbaar bij vrijwel elk automerk. De efficiëntiewinst per generatie wordt wel kleiner - de eenvoudige verbeteringen zijn al doorgevoerd, en verdere winst vraagt steeds duurdere en complexere oplossingen.
Een recente ontwikkeling is de opmars van goedkope '48-volt mild-hybride' systemen, die met een relatief kleine batterij en elektromotor toch een paar procent brandstof besparen en inmiddels op veel gewone benzine- en dieselauto's als standaardoptie verschijnen. Tegelijk staat vooral de plug-in hybride onder druk: onderzoek liet zien dat PHEV's in de praktijk vaak veel meer uitstoten dan de officiële testcijfers, omdat veel bestuurders de batterij zelden opladen en dus grotendeels op de verbrandingsmotor rijden - terwijl die auto's wel het extra gewicht van de batterij meezeulen. Daarom zijn de testmethodes en fiscale voordelen voor PHEV's de afgelopen jaren aangescherpt.
Een belangrijk obstakel blijft de complexiteit: een hybride auto bevat in feite twee complete aandrijfsystemen, wat hem zwaarder, duurder om te bouwen en ingewikkelder te onderhouden maakt dan een auto met slechts één type motor. Naarmate batterijen goedkoper worden en laadinfrastructuur zich uitbreidt, groeit bovendien de vraag hoe lang hybride aandrijving nog een aparte rol zal spelen naast volledig elektrische auto's - veel fabrikanten zien de techniek vooral als overgangsoplossing voor de komende tien à vijftien jaar, niet als eindpunt.
Wie werken eraan?
Toyota geldt als de onbetwiste pionier en houder van de meeste patenten op hybride-aandrijflijnen; concurrenten als Ford moesten in de jaren 2000 zelfs een licentie op Toyota-technologie nemen om hun eigen hybrides te mogen bouwen. Honda ontwikkelde een eigen lijn, inmiddels e:HEV genoemd, en Zuid-Koreaanse merken als Hyundai en Kia hebben brede hybride modellenreeksen.
In Europa zetten Duitse fabrikanten als BMW, Mercedes-Benz en Volkswagen vooral in op plug-in hybrides voor hun grotere modellen, terwijl in China BYD met zijn DM-i-systeem een van de grootste spelers is geworden. In de racerij ontwikkelen onder meer Mercedes-AMG High Performance Powertrains, Ferrari, Honda en Red Bull Powertrains de hybride power units voor de Formule 1 - techniek die via kennisdeling soms doorsijpelt naar gewone productieauto's.
Nederlandse kennisinstellingen zoals TU Delft en TNO doen onderzoek naar efficiëntere aandrijflijnen en naar de praktijkuitstoot van hybrides, terwijl de Europese Commissie en brancheorganisatie ACEA - de koepel van Europese autofabrikanten - de regelgeving en normen bepalen waarbinnen fabrikanten hun hybride strategie moeten vormgeven.