Re-Volt - powrót do korzeni (motoryzacji)

Mniej więcej do lat 50. XX w. wyprodukowanie energii elektrycznej było droższe od energii uzyskiwanej ze spalania paliw płynnych. Stanowiło to poważną barierę w rozwoju elektrycznej motoryzacji. Po roku 1950 kiedy koszty obu rodzajów energii zrównały się obserwuje się stały wzrost ich cen, który jest znacznie bardziej dynamiczny w przypadku paliw płynnych. Kolejnym powodem, dla którego elektryczne samochody nie upowszechniły się były niedoskonałe technologie, szczególnie w zakresie magazynowania energii elektrycznej, co powodowało, że pojazdy tego typu były bardzo ciężkie. Przekładało się to na małą dynamikę i prędkość maksymalną oraz niewielki zasięg.

fot. gazeo.plRe-volt na ulicach Pruszkowa

Obecnie, kiedy bardzo dużą wagę przywiązuje się do zagadnień związanych z ekologią obserwuje się powrót do napędów elektrycznych w pojazdach. Coraz więcej samochodów, również użytkowych jest wyposażonych w hybrydowe (spalinowo-elektryczne) układy napędowe, które według wielu specjalistów uważane są etap przejściowy przed upowszechnieniem się napędów w pełni elektrycznych.

Udział w rozwoju elektrycznej motoryzacji mają również firmy polskie, czego znakomitym przykładem jest firma Impact Automotive Technologies z Pruszkowa, produkująca na zlecenie SAM Group AG pojazd o handlowym oznaczeniu Re-volt. Samochód wyprodukowano dotychczas w liczbie kilkuset sztuk, głównie na rynek niemiecki i szwajcarski.

Trochę historii

Historia powstania tego specyficznego, trójkołowego samochodu sięga 1999 r. kiedy specjaliści z szwajcarskiej firmy Cree opracowali jego koncepcję (za jego projekt byli odpowiedzialni ci sami ludzie którzy stworzyli samochód Smart, który wcześniej funkcjonował w mediach jako Swatch). Niestety z uwagi na dostępne wtedy niedoskonałe technologie pojazd okazał się mało praktyczny i cieszył się niewielkim zainteresowaniem wśród użytkowników. Główną bolączką był sposób magazynowania energii elektrycznej przy zastosowaniu akumulatorów ołowiowo-kwasowych (przy dużej masie - 140 kg zapewniały one niewielki zasięg, który był określany w instrukcji na 50-70 km). Po wyprodukowaniu 80 egzemplarzy firma w 2000 r. zbankrutowała. Po kilku latach powrócono do koncepcji tego pojazdu. Powstała wtedy (także w Szwajcarii) firma SAM Group AG, która reaktywowała produkcję pojazdu, który w stosunku do pierwotnego projektu zachował to samo nadwozie. Reszta elementów została zupełnie zmieniona.

Zmiany konstrukcyjne wykonali polscy inżynierowie z firmy Impact Automotive Technologies z Pruszkowa. Objęły one wszystkie istotne elementy pojazdu (układ napędowy, baterie akumulatorów, zawieszenie, wyposażenie wnętrza). W ten sposób powstał samochód Re-volt, który jest produkowany w Impact Automotive Technologies na zlecenie SAM Group AG w ponad 65% z komponentów pochodzenia krajowego (łącznie z silnikiem i baterią akumulatorów).

Za granicą pojazd jest dostępny pod marką SAM. W naszych realiach samochód o takiej nazwie byłby kojarzony z kategorią pojazdów SAM, co z marketingowego punktu widzenia byłoby niezbyt korzystne.

Silnik

Silnik do Re-volta jest produkowany w Branżowym Ośrodku Badawczo-Rozwojowym Maszyn Elektrycznych Komel w Katowicach. Ze specyfiki eksploatacji samochodu (konieczność częstych zmian prędkości jazdy) wynika, że elektryczny silnik trakcyjny musi mieć możliwość regulacji prędkości obrotowej w szerokim zakresie, charakteryzować się wysoką sprawnością, dużą przeciążalnością. Wymagania te spełniają bezszczotkowe, indukcyjne silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, w których sterowanie prędkością obrotową wykonuje się przez zmianę częstotliwości zmiennego napięcia zasilania.

fot. KOMELCharakterystyka silnika elektrycznego nie wymaga stosowania skrzyni biegów

Proces ten odbywa się w urządzeniu zwanym przekształtnikiem energoelektronicznym (falowniku). Reguluje on prędkość obrotową silnika dwustrefowo, tzn. w pierwszej strefie regulacji od 0 do 2200 obr./min silnik pracuje przy stałym stosunku napięcia do częstotliwości (stały strumień magnetyczny), co zapewnia stałą wartość momentu obrotowego wynoszącą 53 Nm. Przy prędkości 2200 obr./min napięcie na zaciskach silnika osiąga wartość maksymalną jaką jest w stanie wygenerować przekształtnik zasilany z baterii akumulatorów. Dalsze zwiększenie prędkości obrotowej (w drugiej strefie regulacji) jest możliwe dzięki odpowiedniemu osłabieniu strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej. W ten sposób jest regulowana prędkość obrotowa, powyżej 2200 obr./min do 6000 obr./min. W tym zakresie silnik charakteryzuje się stałą wartością mocy 11,6 kW (15,8 KM). Takie parametry silnika zapewniają pojazdowi o dopuszczalnej masie całkowitej 720 kg prędkość maksymalną 95 km/h.

Zmienne obciążenie silnika oraz jego sposób zamontowania (w tylnej osłoniętej części pojazdu) wymagał zastosowania cieczowego układu chłodzenia z chłodnicą umieszczoną w przedniej części pojazdu.

fot. gazeo.plSilnik trakcyjny Re-volta przekazuje napęd na tylne koło za pośrednictwem pasa zębatego. Pracuje on w zamkniętej aluminiowej obudowie stanowiącej jednocześnie wahacz wleczony prowadzący koło napędowe pojazdu

Układ przeniesienia napędu

Silnik jest zintegrowany z układem przeniesienia napędu w postaci pasa zębatego. Przekładnia pasowa przenosi moment obrotowy z wału silnika na tylne koło. Taki sposób przeniesienia napędu charakteryzuje zapewnia bezgłośną pracę oraz wymaganą trwałość, którą producent określa na 50 tys. km. Obudowa przekładni jest aluminiowym elementem przykręcanym do korpusu silnika. Stanowi jednocześnie element prowadzący koło w postaci wahacza wleczonego.

Ogniwa

W Re-volcie zastosowano ogniwa litowo-polimerowe, które charakteryzują się znakomitymi parametrami elektrycznymi przy niewielkiej masie własnej. Jednak aby w pełni je wykorzystać należy zapewnić im odpowiednie warunki pracy, ponieważ w temperaturach poniżej zera zmniejsza się wydajność akumulatorów. Charakterystyki obciążeniowe w tych warunkach znacznie ograniczają dostępną pojemność, co wpływa na obniżenie parametrów trakcyjnych układu napędowego (występuje o wiele większy, niż w temperaturach dodatnich spadek napięcia pod obciążeniem). Ponadto w niskich temperaturach akumulatorów nie można naładować do pojemności znamionowej.

Aby wyeliminować te wady zastosowane w Re-volcie akumulatory litowo-polimerowe są zamknięte w battery packu, który jest rozbudowany o system zarządzania energią, umożliwiający maksymalne wykorzystanie parametrów elektrycznych, szczególnie w niskich temperaturach otoczenia.

fot. gazeo.plBattery pack Re-volta zawiera ogniwa litowo-polimerowe. Nad ich prawidłowym działaniem czuwa system zarządzania energią

System zarządzania energią

Zasadniczym elementem zarządzania energią w battery packu Revolta jest opatentowany Aktywny System Ochrony Termicznej, który zapewnia odpowiednie warunki pracy akumulatorów. Odbywa się to poprzez ich ogrzewanie - zimą lub chłodzenie - latem. Jest to zaawansowany hybrydowy system bazujący na blokach wymiany ciepła wykorzystujących ogniwa Peltiera (półprzewodnikowe elementy mogące odbierać lub produkować ciepło) oraz odpowiednio sterowanym obiegu chłodzenia cieczowego. Aktywny System Ochrony Termicznej podgrzewa baterię akumulatorów przed ładowaniem, aby osiągnęły pełną pojemność znamionową po zakończeniu tego procesu. Wydłuża to nieco proces ładowania w temperaturach ujemnych. Przykładowo, ogrzanie baterii akumulatorów od temperatury -10 do 0^oC trwa około 1,5 godziny. Wiąże się to także z minimalnie zwiększonym poborem energii w czasie ładowania (około 0,06 kWh na każde 10^oC poniżej zera). Ponadto Aktywny System Ochrony Termicznej utrzymuje battery pack w temperaturze powyżej 10^oC (jeśli pojazd jest podłączony do sieci). Dzięki temu po rozpoczęciu jazdy można wykorzystywać pełną wydajność i pojemność akumulatorów nawet w bardzo niskich temperaturach otoczenia. Jeśli pojazd będzie pozostawiony na zewnątrz w niskiej temperaturze otoczenia bez podłączenia do sieci, akumulatory nie zapewnią deklarowanego przez producenta zasięgu (nastąpi spadek wydajności ogniw).

Parametry akumulatorów

Zastosowany w Re-volcie pakiet akumulatorów litowo-polimerowych zbudowany z ogniw Kokam produkuje warszawska firma Wamtechnik. Pozwala on na zgromadzenie 7 kWh energii. Napięcie znamionowe baterii (bez obciążenia) wynosi 133 V. Prąd ciągły jakim można ją obciążać wynosi 150 A, maksymalne, chwilowe obciążenie może sięgać 250 A. Żywotność baterii jest oceniania na 1200 pełnych cykli ładowania. Później następuje obniżenie jej pojemności o 20%. Oznacza to, że pojazd w tym okresie wykona przebieg około 120 tys. km (przebieg na jednym ładowaniu według danych katalogowych wynosi 100 km). W warunkach jazdy miejskiej jest to około 10 lat użytkowania. Nie oznacza to jednak, że po tym przebiegu bateria nadaje się do wymiany. Jej parametry elektryczne ulegną obniżeniu, zasięg pojazdu, jego parametry trakcyjne ulegną zmniejszeniu, lecz jego eksploatacja nadal będzie możliwa.

Wspomniana liczba 1200 cykli nie oznacza, że battery pack Re-volta można ładować tylko 1200 razy, ponieważ nie każde ładowanie baterii oznacza pełny cykl jej pracy. Najczęściej baterię tylko doładowujemy, co oznacza, że wykonujemy tylko część cyklu, wykonując tę czynność od pewnego poziomu naładowania (nie od pełnego rozładowania), często nie wykorzystując pełnej jej pojemności (bateria nie jest naładowania w 100%). System zarządzania energią uwzględnia ten fakt, precyzyjnie określając liczbę wykonanych w czasie pracy baterii pełnych cykli. Oznacza to, że do zmniejszenia pojemności baterii o 20% sumaryczna liczba wykonanych ładowań będzie znacznie wyższa.

fot. gazeo.plPodwozie Re-volta. We wnętrzu przebiegającej przez długość całego pojazdu belki nosnej mieszczą się ogniwa litowo-polimerowe wraz z systemem zarzadzania energią

Battery pack jest umieszczony w specjalnym tunelu (wzdłuż samochodu), wykonanym w ramie pojazdu. Przebiega on bardzo nisko w stosunku do nawierzchni, co wpływa na obniżenie środka masy całego pojazdu i poprawę własności jezdnych. Dostęp do baterii uzyskuje się po otwarciu przedniej pokrywy. Po jej odblokowaniu i odłączeniu złącza elektrycznego oraz spuszczeniu płynu z układu ogrzewania możliwe jest jej wyjęcie. W tym celu w przedniej części zamontowano specjalny uchwyt. Masa baterii z niezbędnymi układami pozwalającymi na efektywne jej wykorzystanie wynosi 70 kg. Przypomnijmy, że w pierwotnej wersji pojazdu, produkowanej w Szwajcarii bateria miała masę dwukrotnie wyższą.

Czas ładowania w pełni rozładowanej baterii akumulatorów do 100% pojemności wynosi około 4,5 godziny. Odbywa się to za pomocą zamontowanej w samochodzie ładowarki o mocy 2 kW. Takie ładowanie umożliwia pokonanie odległości do 100 km. Realnie w warunkach miejskich bateria akumulatorów zapewnia zasięg około 70 km.

fot. gazeo.plMoment obrotowy silnika jest przenoszony na tylne koło, skuteczne hamowanie zapewniają tarczowe mechanizmy hamulcowe oraz układ elektrycznego hamowania odzyskowego

Układ hamulcowy

Dodatkowym elementem pozwalającym na doładowanie baterii akumulatorów w czasie jazdy jest system umożliwiający odzyskiwanie energii hamowania. W „normalnym” samochodzie jest ona rozpraszana w postaci ciepła przez elementy układu hamulcowego. W Re-volcie odzysk energii hamowania odbywa się w dwóch trybach, jeśli samochód zwalania bez użycia hamulców (hamowanie silnikiem), cała energia hamowania jest przekazywana do baterii akumulatorów. W początkowym zakresie pracy pedału hamulca włączamy dodatkowy odzysk energii, samochód jeszcze intensywniej zmniejsza prędkość przy użyciu wyłącznie elektrycznego hamowania odzyskowego. Po wykorzystaniu tych dwóch etapów (mocniejsze wciśnięcie pedału hamulca) włącza się tradycyjny dwuobwodowy, hydrauliczny układ hamulcowy i zmniejszanie prędkości jazdy odbywa się z wykorzystaniem tarczowych mechanizmów hamulcowych zamontowanych w każdym z kół. Poziom elektrycznego hamowania odzyskowego można obserwować na specjalnym wskaźniku na desce rozdzielczej. Wykorzystując energię hamowania zwiększa się zasięg Re-volta.