Elektryczne układy napędowe w samochodach

Co prawda produkcja energii elektrycznej z węgla znacznie podnosi emisję związków azotu, siarki i cząstek stałych, lecz przy zwiększaniu udziału energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych również ten parametr staje się mniej istotny, także z uwagi na miejsce emisji (elektrownie z reguły położone są poza obszarami miast). Według badań przeprowadzonych przez szwajcarskich naukowców, aby samochód (klasy Golfa) napędzany klasycznym silnikiem spalinowym mógł dorównać pod względem emisji (w całym cyklu życia) samochodowi elektrycznemu powinien zużywać co najwyżej 3,9 l benzyny na 100 km.

NissanElementy elektrycznego układu napędowego w samochodzie Nissan Leaf

Niestety napęd elektryczny nie jest jeszcze doskonały. Najważniejszym mankamentem pojazdów elektrycznych jest obecnie ich niewielki zasięg, który wynika z parametrów stosowanych akumulatorów. Pomimo znacznego postępu w dziedzinie magazynowania energii elektrycznej nadal samochód nią zasilany nie jest w stanie dorównać pojazdom napędzanym silnikami spalinowymi.

Magazynowanie energii elektrycznej

Do magazynowania energii elektrycznej w samochodach używa się akumulatorów elektrochemicznych, złożonych z pojedynczych ogniw galwanicznych. Ich zasada działania polega na wykorzystaniu uwolnionych w trakcie reakcji chemicznej elektronów, będących nośnikiem energii przekazywanej na sposób elektryczny.

Akumulator gromadzący energię elektryczną do napędu pojazdu nazywamy baterią trakcyjną (akumulatorem trakcyjnym). Jest to jeden z najdroższych elementów tego typu pojazdów. Biorąc pod uwagę cały cykl życia baterii (produkcja, użytkowanie i utylizacja), bez względu na typ i konstrukcję stanowi ona również jeden z najbardziej obciążających środowisko elementów samochodu elektrycznego.

Cechy idealnej baterii trakcyjnej

-wysoka wydajność i moc,
-długa żywotność (ponad 10 lat),
-szeroki zakres temperatur pracy (od -30 do +65^oC),
-bezpieczeństwo użytkowania,
-łatwe monitorowanie parametrów pracy,
-bezobsługowość,
-niska cena,
-duża niezawodność,
-niewielkie obciążenie dla środowiska naturalnego.

Niestety pogodzenie wszystkich parametrów często jest niemożliwe. Poniżej przedstawiamy cechy najbardziej popularnych rodzajów akumulatorów trakcyjnych.

sztaplarka.plAkumulatory ołowiowo-kwasowe są używane w pojazdach transportu wewnętrznego, np. wózkach widłowych, w których ich duża masa jest wykorzystywana jako przeciwwaga niezbędna do zrównoważenia ładunku przenoszonego na widłach

Akumulatory ołowiowo-kwasowe

Do niedawna jedynym znanym rozwiązaniem baterii trakcyjnej pozostawały akumulatory ołowiowo-kwasowe. Ich podstawową zaletą jest niewielka cena wynikająca z opanowanej technologii i masowej produkcji. Akumulatory takie charakteryzują się jednak niewielką gęstością magazynowanej energii (30-40 Wh/kg). Ich wadą jest także znaczna masa, która może stanowić nawet 25-50% masy całego pojazdu. Poważnym mankamentem jest również spadek pojemności w niskich temperaturach otoczenia. Ponadto w czasie ładowania wydziela się wodór, co wymaga dobrej wentylacji przestrzeni, w której jest zamontowana bateria. Zastosowanie akumulatorów ołowiowo-kwasowych jako trakcyjnych ogranicza się do wózków widłowych i innych pojazdów mających zastosowanie w transporcie wewnętrznym. Napięcie pojedynczego ogniwa wynosi 2,1 V.

Akumulatory niklowo-kadmowe

Akumulatory tego typu charakteryzują się większą niż w przypadku akumulatorów ołowiowo-kwasowych gęstością magazynowanej energii (około 50 Wh/kg) i nadają się do szybkiego ładowania. Ich wadą jest zawartość kadmu, który jest pierwiastkiem silnie toksycznym.

ToyotaAkumulator niklowo-wodorkowy Toyoty Prius III generacji

Akumulatory niklowo-wodorkowe

Akumulatory tego typu charakteryzują się znacznie wyższą w porównaniu z ołowiowo-kwasowymi gęstością magazynowanej energii (do 80 Wh/kg). Przy prawidłowej eksploatacji akumulatory niklowo-wodorkowe są bardzo trwałe. Baterie trakcyjne wykonane w tej technologii osiągają przebiegi nawet 160 tys. km w ciągu 10 lat użytkowania. Wadą akumulatorów niklowo-wodorkowych jest duża skłonność do samorozładowania oraz skomplikowany cykl ładowania. Napięcie pojedynczego ogniwa wynosi 1,2 V.

O dobrych właściwościach baterii niklowo-wodorkowych świadczy fakt, że w najnowszej generacji Toyoty Prius zastosowano właśnie taki typ akumulatora.

fzsonick.comWysokotemperaturowy akumulator ZEBRA

Akumulatory typu ZEBRA

W przeciwieństwie do w.w. akumulator typu ZEBRA jest zbudowany w oparciu o ogniwa wysokotemperaturowe, w których jako elektrolitu używa się stopionych związków sodu. Gęstość energii wykonanej w tej technologii baterii trakcyjnej wynosi 120 Wh/kg. Bateria taka wymaga jednak podgrzania elektrolitu do temperatury około 270^oC, co jest kłopotliwe, szczególnie jeśli chodzi o długotrwałe utrzymanie baterii w stanie naładowania. Ogniwa typu ZEBRA

NissanTrakcyjna bateria litowo-jonowa samochodu Nissan Leaf

mają również niezbyt wysoką gęstość mocy (300 W/kg), a napięcie pojedynczego wynosi nieco ponad 2 V.

Akumulatory litowe

Obecnie coraz większą popularnością cieszą się akumulatory litowe z uwagi na bardzo dużą gęstość energii (do 200 Wh/kg). Ogniwa litowe występują w wielu odmianach różniących się materiałami elektrod, które bazują na związkach litu. Elektrolit stanowią rozpuszczone sole litu. W zastosowaniach trakcyjnych wykorzystuje się akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe. Napięcie pojedynczego ogniwa wynosi 3,6 V.

Akumulatory litowe są uważane za przyszłość elektrycznej motoryzacji i na ich rozwoju koncentrują się producenci i laboratoria naukowe. Nad nowym rozwiązaniem w akumulatorach litowych pracują specjaliści IBM. Są to ogniwa litowo-powietrzne, które charakteryzują się największą zdolnością magazynowania energii elektrycznej. W takim ogniwie tlen zawarty w powietrzu jest wykorzystywany jako elektroda dodatnia. Według specjalistów IBM, jeśli uda się spełnić założenia pokładane w tej technologii zasięg samochodów elektrycznych może zwiększyć się nawet do około 800 km.

daimler-technicity.deMercedes klasy B, w którym energia elektryczna do zasilania silnika trakcyjnego powstaje w ogniwie paliwowym: 1- elektryczna jednostka napędowa, 2- ogniwo paliwowe, 3- ciśnieniowe zbiorniki wodoru, 4- akumulator litowo-jonowy magazynujący energię elektryczną z ogniwa paliwowego oraz odzyskiwaną przy hamowaniu oddaje ją w czasie przyspieszania pojazdu

Ogniwa paliwowe

W ogniwie takim energia elektryczna nie jest magazynowana tylko wytwarzana w wyniku reakcji chemicznej. Paliwem najczęściej jest wodór, który reagując z tlenem atmosferycznym generuje na elektrodach różnicę potencjałów pozwalającą na zasilanie elektrycznego silnika trakcyjnego. Wadą ogniw paliwowych jest stosunkowo niska sprawność (do 50%), porównywalna z silnikami spalinowymi. Reszta energii jest zamieniana na ciepło, które w samochodzie może służyć, np. do ogrzewania wnętrza.

NissanElektryczny silnik Nissana Leaf ma moc 80 kW (109 KM) w zakresie 2730-9800 obr.

Elektryczne jednostki napędowe

Silniki elektryczne idealnie nadają się do zastosowań trakcyjnych z uwagi na przebieg charakterystyki momentu obrotowego. Osiąga on wysoką wartość już od samego startu. Dzięki temu w elektrycznym układzie napędowym nie ma konieczności stosowania skomplikowanych zespołów przeniesienia napędu (w układach napędowych samochodów napędzanych silnikami spalinowymi spotykane są już 9 stopniowe, automatyczne skrzynie biegów).

Pierwsze silniki elektryczne stosowane w samochodach były jednostkami napędowymi zasilanymi prądem stałym. Zasilanie silnika z baterii trakcyjnej nie stanowiło żadnego problemu ponieważ występuje w niej właśnie napięcie stałe.

Obecnie jednak stosuje się silniki prądu zmiennego, które umożliwiają uzyskiwanie większych prędkości obrotowych, charakteryzują się wyższą sprawnością, są tańsze, lżejsze i bardziej niezawodne. Mają nieco bardziej skomplikowane sterowanie, ponieważ napięcie stałe z baterii trakcyjnej należy zamienić na zmienne, niezbędne do zasilania silnika. Odbywa się to falowniku, który służy również do sterowania prędkością obrotową silnika, co odbywa się przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego.

Zalety i wady napędów elektrycznych

Jedną z najważniejszych zalet elektrycznych układów napędowych jest wysoka sprawność przekazywania energii, która wynosi 70-90% podczas gdy dla silników spalinowych parametr ten kształtuje się na poziomie 15-30%. Wysoka wartość momentu obrotowego dostępnego już od startu silnika znakomicie wpływa na zdolność pojazdów elektrycznych do przyspieszania. Silnik elektryczny jest również znacznie cichszy w porównaniu z spalinową jednostką napędową i nie emituje spalin (przynajmniej nie w miejscu jego eksploatacji - spaliny powstają w elektrowni przy produkcji energii elektrycznej).

samochodyelektryczne.orgWzrost liczby samochodów elektrycznych w latach 2008-2012. Przerywaną linią oznaczono lata (2011 i 2012), w których liczba wyprodukowanych samochodów jest określona na podstawie deklaracji producentów

Przy obecnych cenach energii elektrycznej użytkowanie samochodów elektrycznych jest również znacznie bardziej korzystne pod względem ekonomicznym. Koszt przejechania 100 km nie przekracza 10 zł. Dużą zaletą elektrycznego układu napędowego jest także możliwość łatwego odzysku energii hamowania pojazdu. W czasie hamowania silnik napędowy staje się prądnicą, a jego moment oporowy skutecznie zmniejsza prędkość pojazdu. Wytwarzane w tym czasie napięcie doładowuje akumulatory trakcyjne.

Do wad tego napędów elektrycznych można zaliczyć niewielki zasięg oraz długi czas ładowania baterii trakcyjnych. Obecnie stosowane akumulatory cały czas są drogie i mają dużą masę. Będący zaletą brak emisji hałasu jest jednocześnie wadą napędu elektrycznego. Emitowany przez samochody hałas przez cały okres rozwoju motoryzacji pomagał w ich lokalizacji. Był szczególnie pomocny dla osób niewidomych, rowerzystów, którzy byli w stanie ocenić czy pojazd zbliża się w ich kierunku. W przypadku samochodów elektrycznych taki sposób lokalizacji nie jest na razie możliwy. W przyszłości planuje wprowadzić się prawny obowiązek emitowania ściśle określonych dźwięków przez pojazdy elektryczne, co pozwoli na ich łatwą lokalizację.

Podsumowanie

Prognozy specjalistów na temat opracowania akumulatorów zapewniających zasięg kilkuset kilometrów (mają to zapewnić akumulatory litowo-powietrzne) wybiegają w stosunkowo niedaleką przyszłość (około 10 lat). Zatem na upowszechnienie samochodów elektrycznych musimy jeszcze trochę poczekać.