Jazda z prądem

Maciej Blum
9.10.2014

Już niedługo będziemy poruszać się, wykorzystując napęd elektryczny lub chociaż wspierając się nim w momentach, kiedy nie będzie możliwe napędzanie samochodu silnikiem spalinowym.

Jeszcze nigdy producenci pojazdów, jak i ustawodawstwo, nie byli tak zgodni, jeśli chodzi o kwestię zastąpienia silnika ze spalaniem wewnętrznym napędem elektrycznym. Na razie oba te typy napędu są integrowane w autach hybrydowych. Typowo elektryczny rodzaj napędu znajdzie na początku szersze zastosowanie w pojazdach typowo miejskich ze względu na ograniczony zasięg będący pochodną na razie niskiej pojemności baterii. Przemysł motoryzacyjny jest tym bardziej motywowany regulacjami wewnątrzwspólnotowymi oraz globalnymi określającymi maksymalne normy emisji spalin. Na razie normy te są trudne do osiągnięcia, ale już niedługo przemysł motoryzacyjny poradzi sobie z nimi, coraz szerzej stosując rozwiązania hybrydowe. Według szacunków firmy Mercedes Benz w kolejnych 5 latach firma ta każdego roku będzie sprzedawać po 100 tysięcy samochodów z napędem hybrydowym lub elektrycznym. Łącznie producent ze Stuttgartu planuje wyprodukować około 1,5 miliona takich pojazdów. To oznacza, że 1 na 15 produkowanych przez tę firmę pojazdów będzie wyposażony w taki rodzaj napędu. Mimo tego inwestycja w alternatywny napęd się opłaca, ponieważ nawet w rozwiązaniach typu mild hybrid lub całkowicie hybrydowych montuje się już zespół napędowy posiadający silnik elektryczny, który wspiera jednostkę spalinową, a nawet chwilowo ją zastępuje. W niektórych rozwiązaniach, takich jak range extender lub hybrydy typu plug in, silnik elektryczny jest podstawowym źródłem napędu. Zasada działania Co zmienia się w układzie napędowym podczas jazdy z napędem elektrycznym? Napęd taki składa się z jednego lub kilku silników elektrycznych prądu zmiennego, inwertera prądu zmiennego, prostownika oraz naturalnie akumulatorów energii elektrycznej i akumulatorów wysokiego napięcia. Aby na przykład zasilić sieć pokładową lub oświetlenie napięciem 14 V, wysokie napięcie z akumulatora napędu musi być przetworzone przez przekładnik AC/DC. Zazwyczaj jest on zintegrowany we wspólnej obudowie z inwerterem. To urządzenie zwane jest elektroniką mocy, ponieważ w porównaniu do tradycyjnych sterowników przetwarza wysokie wartości napięcia oraz prądu. Silniki elektryczne w układzie napędowym działają według tej samej zasady. Zamieniają one siłę elektromagnetyczną w ruch obrotowy wirnika. Stojan silnika zintegrowany jest z jego obudową, a wirnik napędzany jest zmiennym polem magnetycznym. Prędkość obrotowa wirnika przenoszona jest przez przekładnię do półosi napędowych lub bezpośrednio na piastę koła w przypadku silników zintegrowanych z nią. Elektryczne napędy stosowane w samochodach wykorzystują prąd zmienny trójfazowy. Akumulatory jednak magazynują i dostarczają prąd stały. Aby do silnika dopłynął prąd o żądanej charakterystyce, musi być on zamieniony na prąd przemienny przez inwerter (falownik). Inwerter działa dwustronnie, co oznacza, że może on także zamienić prąd zmienny na prąd stały gotowy do zmagazynowania w akumulatorach. Dzieje się tak na przykład podczas hamowania regeneracyjnego (rekuperacji), kiedy silnik elektryczny napędu zaczyna działać jak prądnica napędzana od kół pojazdu. W trzech wersjach Jako silniki elektryczne stosowane są standardowo 3 rozwiązania. Pierwszym z nich jest silnik asynchroniczny, kolejnymi silnik synchroniczny stałowzbudny oraz silnik synchroniczny ze wzbudzeniem obcym. Uzwojenie stojana znajduje się zazwyczaj w obudowie silnika. Jego zadaniem jest wytworzenie zmiennego pola magnetycznego. Wewnątrz silnika znajduje się wirnik. W silniku stałowzbudnym wirnik wyposażony jest w magnesy stałe, które podążają za wirującym polem magnetycznym wytwarzanym przez stojan. W silniku obcowzbudnym wirnik wyposażony jest w uzwojenie zasilane przez szczotki silnika. Gdy do niego doprowadzi się napięcie, to zaczyna ono wytwarzać pole magnetyczne podążające za wirującym polem magnetycznym stojana. Trzecim rodzajem jest silnik asynchroniczny, który charakteryzuje się niskim kosztem wytworzenia i prostotą konstrukcji. Ma on jednak dwie podstawowe wady, polegające na wielkości silnika i niskiej sprawności w pewnych warunkach pracy. Silniki asynchroniczne przeważają w prostych systemach hybrydowych polegających na wsparciu silnika spalinowego na przykład podczas przyspieszania (Boost) oraz przy odzyskiwaniu energii w trakcie hamowania regeneracyjnego. Silniki w napędach elektrycznych lub pełnohybrydowych to zazwyczaj silniki synchroniczne ze wzbudzeniem obcym lub samowzbudne. Są one relatywnie niewielkie i mają większą sprawność. Silniki tego typu nadają się do zastosowania przy montażu w obudowie sprzęgła lub w piastach kół. Ich wadą jest koszt wytworzenia, ponieważ zawierają silne magnesy wytworzone z pierwiastków ziem rzadkich. Przechowywanie energii Jak do tej pory króluje rozwiązanie polegające na zastosowaniu baterii litowo-jonowych, które mają na razie największą gęstość upakowania energii oraz mocy. Według konstruktorów najlepszymi rozwiązaniami w tym rodzaju akumulatorów są te wykorzystujące pary, takie jak lit i kobalt, lit i magnez oraz lit i stop żelazowo-fosforowy. Wszystkie baterie litowe wymagają systemu zarządzania energią elektryczną oraz nadzoru nad temperaturą, ponieważ zwiększają one swoją temperaturę podczas ładowania. Aby baterie pracowały z największą wydajnością, muszą utrzymywać stałą temperaturę. Jest to realizowane przez dodatkowy system chłodzenia powietrzem lub cieczą. Najnowszym rozwiązaniem są baterie litowo-polimerowe, w których ciekły elektrolit zastąpiony jest warstwą polimeru. W nich katoda (elektroda ujemna) wytworzona jest z grafitu, a anoda z litu. Zaletą jest o połowę mniejsza waga niż w przypadku standardowych baterii litowo- jonowych oraz o 20% większe upakowanie energii. Baterie te mają jednak jedną wadę – rozładowują się szybciej niż litowo-jonowe. Ładowanie Dodawanie energii w samochodach elektrycznych różni się od tego stosowanego w samochodach z silnikiem spalinowym. Zamiast jechać na stację benzynową możliwe jest naładowanie baterii z domowego gniazdka elektrycznego. Niekiedy wymagane są dodatkowe domowe stacje do ładowania samochodów ze względu na chwilowy wysoki pobór prądu. Producenci, jak na przykład BMW, oferują system ładowania indukcyjnego polegający na tym, że pojazd powinien zostać zaparkowany w specjalnie do tego celu przeznaczonym miejscu. W podłożu znajduje się jedna cewka zasilana ze stacji ładującej, a w pojeździe druga. Energia zasilająca przekazywana jest z cewki w podłożu do cewki w pojeździe za pomocą zjawiska indukcji elektromagnetycznej. W przypadku ładowania indukcyjnego samochodów BMW moc ładowania wynosi 3,6 kW. Według producenta umożliwia to pełne naładowanie wielu rodzajów pojazdów w czasie mniejszym niż 3 godziny. W przypadku samochodu BMW i8 czas pełnego ładowania został skrócony nawet do 2 godzin. Jednak szybkie ładowanie przyczynia się do szybszego zużywania baterii, w związku z czym producent zaleca w miarę możliwości ładowanie całonocne za pomocą zasilania z gniazdka domowego niż ładowanie indukcyjne z dużą mocą. Zasięg Pojazdy elektryczne mają podstawową wadę polegającą na niezbyt dużym zasięgu. Aktualnie produkowane modele mogą na pełnym ładowaniu przejechać około 100-150 kilometrów. Wyjątkiem w tym przypadku jest pojazd Tesla model S, który na pełnym ładowaniu według producenta może przejechać 500 kilometrów, a w przypadku doładowywania każde 30 minut ładowanie pozwala na przejechanie 50 kilometrów. Tesla osiągnęła ten wynik przez znaczne zagęszczenie baterii w całej objętości samochodu. Okazuje się, że z roku na rok pojazdy elektryczne mogą przejechać coraz większy dystans. Postęp w tej kwestii jest jednoznaczny z postępem w produkcji baterii oraz w technice ich rozmieszczenia w pojeździe. Jeszcze kilka lat, a pojazdy elektryczne będą rzeczywiście konkurencyjne do tych napędzanych silnikiem spalinowym. Maciej Blum Redaktor naczelny Jak rozwiązane będą kwestie serwisowania pojazdów z napędem elektrycznym? tel. 71 78 23 190 e-mail: maciej.blum@autoexpert.pl

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę