Samochody elektryczne - historia i współczesność

Ellica.comEllica (Electric Lithium-Ion battery Car) to prototyp samochodu elektrycznego skonstruowany przez zespół naukowców z uniwersytetu w Tokio. W każdym z 8 kół zastosowano silnik elektryczny. Ich łączna moc wynosi 640 kW, co zapewnia przyspieszenie do 100 km

Szybkie rozpowszechnienie nośników energii pochodzących z ropy naftowej, wysokie koszty energii elektrycznej w tamtym okresie oraz wprowadzenie rozrusznika elektrycznego w silniku spalinowym, wyeliminowały główną zaletę napędu elektrycznego czyli pewność rozruchu. Czynniki te spowodowały, że elektryczne układy napędowe nie były stosowane właściwie do lat 80. ubiegłego wieku. Barierę stanowiły również wykorzystywane do magazynowania energii akumulatory ołowiowe, których parametry elektryczne (zależne od temperatury), a szczególnie duża masa ograniczały ich stosowanie w trakcji.

NissanNissan Leaf jest pierwszym seryjnie produkowanym elektrycznym samochodem kompaktowym. Zastosowano w nim silnik o mocy 80 kW, zapewniający prędkość ponad 140 km

Współczesność

Jedną z dróg w ograniczaniu emisji dwutlenku węgla do atmosfery jest zastępowanie samochodów z układem napędowym zasilanym klasycznymi (ropopochodnymi) paliwami silnikowymi alternatywnymi nośnikami energii, wśród których jest również zasilanie elektryczne.

NissanZłącze do ładowania akumulatorów jest zamontowane pod klapką ze znaczkiem w przedniej części pojazdu

Jest to bardzo istotne ponieważ transport drogowy jest odpowiedzialny za blisko 10% emisji dwutlenku węgla w całkowitej emisji gazów cieplarnianych. W innych dziedzinach gospodarki następuje zmniejszenie emisji CO₂, w transporcie cały czas obserwuje się trend wzrostowy w tym zakresie, dlatego też działania związane z ograniczaniem emisji tego związku w transporcie są bardzo ważne.

Między innymi z powodu ograniczenia emisji dwutlenku węgla ostatnio obserwuje się zwiększone się zainteresowanie producentów samochodami elektrycznymi. Wielu światowych producentów samochodów obecnie lub w niedalekiej przyszłości będą miały w ofercie samochody z elektrycznym układem napędowym. Powrót do koncepcji zasilania pojazdów zasilanych elektrycznie jest możliwy z uwagi na postęp jaki dokonał się w budowie akumulatorów elektrochemicznych. Nowe rozwiązania ogniw upowszechniają się, są przy tym coraz tańsze.

BMWBMW Concept ActiveE został zaprezentowany w 2010 r. na targach w Detroit. Silnik o mocy 125 kW zapewnia prędkość maksymalną 145 km

Koszty eksploatacji

Kolejnym zagadnieniem przemawiającym za elektrycznym napędem pojazdów są koszty eksploatacji, wynikające z niskiej sprawności silników spalinowych. Przy obecnych cenach nośników energii koszty eksploatacji z wykorzystaniem elektrycznego układu napędowego są około 9 krotnie niższe niż w przypadku samochodów wyposażonych w silniki spalinowe.

BMWNa tablicy przyrządów BMW Concept ActiveE wyróżnia się wskaźnik zasięgu

W niewielkim samochodzie miejskim (Peugeot 106), przy założeniu zużycia energii na poziomie 12 kWh/100 km i wykorzystaniu do ładowania akumulatorów w pojeździe tańszej, drugiej taryfy koszty przejechania 100 km wynoszą nieco ponad 3 zł. Ładowanie akumulatorów pojazdów w nocy ma również inną, bardziej ogólną, zaletę. Można zagospodarować występującą wówczas w sieci nadwyżkę energii elektrycznej.

Tak niskie koszty eksploatacji wynikają bezpośrednio z wysokiej sprawności silnika elektrycznego, która przekracza w najnowocześniejszych rozwiązaniach nawet 90%. W przeniesieniu napędu na koła najczęściej nie jest wykorzystywana skrzynia biegów, co skutkuje bardzo wysoką sprawnością całego układu. Według badań prof. Antoniego Szumanowskiego, eksperta w zakresie napędów elektrycznych i hybrydowych z Politechniki Warszawskiej parametr ten liczony w cyklu miejskim, pokazujący procent energii zawartej w zbiorniku paliwa (akumulatorze) jaka jest przetwarzana na energię kinetyczną na kołach pojazdu kształtuje się w granicach 80-82 % w przypadku elektrycznego układu napędowego. Dla porównania, w samochodzie z nowoczesnym silnikiem benzynowym parametr ten osiąga wartość 10%, dla silników Diesla wynosi on 13%, w przypadku hybrydowych układów napędowych do 20% i 30-32% (dla samochodów wykorzystujących ogniwa paliwowe).

gazeo.plPolski trójkołowiec elektryczny Re-Volt jest napędzany za pomocą silnika o mocy 11,6 kW, co zapewnia prędkość maksymalną 90 km

Niska sprawność układów przeniesienia napędu zasilanych paliwami klasycznymi powoduje, że tylko niewielka część pieniędzy, które wydajemy na paliwa jest efektywnie przetwarzana na energię kinetyczną kół napędowych. Zakładając sprawność zamiany energii zawartej w zbiorniku paliwa na energię na kołach pojazdu na poziomie 20% (optymistycznie) okazuje się, że nasze roc zne wydatki na paliwo, wynoszące około 70 mld zł tylko w 20% (14 mld zł) są wykorzystywane do przemieszczania naszych samochodów.

gazeo.plSilnik napędzający Re-Volta

Reszta, 80% energii jaką kupujemy w postaci paliwa na stacjach tankowania (57 mld zł) przynosi korzyść jedynie dostawcą ropy naftowej i koncernom paliwowym. Przyjmując cenę miejskiego pojazdu elektrycznego na poziomie 57 tys. zł, kwota ta pozwala na zakup miliona samochodów elektrycznych.

Dla kogo te samochody?

Jako poważną niedogodność w używaniu samochodów elektrycznych uważa się ich zasięg, który z reguły nie przekracza dystansu 100 km. Jak się jednak okazuje, w świetle badań statystyczny samochód osobowy w Europie pokonuje dziennie dystans nie większy niż 60 km (87% pojazdów). Zatem parametry samochodu elektrycznego spełniają wymagania statystycznego Europejczyka.

A co jeśli jedziemy dalej

Niewielki zasięg pojazdów elektrycznych oraz długi czas ładowania akumulatorów są często przedstawiane jako niedogodności w stosowaniu tego rodzaju napędu. Obecnie dostępne systemy ładowania w połączeniu z najnowocześniejszymi akumulatorami umożliwiają naładowanie baterii do poziomu 80% w czasie nie przekraczającym 3

MercedesMB Vito E-Cell z silnikiem o mocy 60 kW przy zastosowaniu akumulatorów litowo-jonowych, gromadzących energię 36 kWh zapewnia zasięg 130 km. Użytkowa ładowność pojazdu wynosi 900 kg

0 minut. Możliwe jest również zastosowanie kilkuminutowego (doraźnego) doładowania baterii, co skutkuje zwiększeniem zasięgu pojazdu o dodatkowe 30 km.

MercedesW odróżnieniu od wersji spalinowych Vito E-Cell ma napęd przedni

Innym sposobem na szybkie uzupełnienie zapasów energii elektrycznej jest wymiana baterii na naładowaną na specjalnej stacji, co trwa nie więcej niż kilka minut. Rozważane są również inne systemy ładowania czy raczej doładowywania baterii, bez podłączania do sieci elektrycznej. Ładowanie z wykorzystaniem zjawiska indukcji elektromagnetycznej w czasie poruszania się w korkach ulicznych (zatopione w jezdni uzwojenia na zasadzie indukcji elektromagnetycznej przekazują energię do akumulatorów w pojeździe).

Silniki trakcyjne

W układach napędowych samochodów elektrycznych stosowane są silniki elektryczne prądu stałego lub częściej trójfazowe jednostki napędowe, których regulacja jest bardzo prosta. Poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego łatwo steruje się prędkością obrotową silnika.
Układy napędowe umożliwiają również odzysk energii w czasie hamowania. Przełączenie elektrycznego silnika napędowego na pracę prądnicową pozwala na odzysk energii, która jest wykorzystywana do doładowania akumulatorów. Normalnie jest ona bezpowrotnie rozpraszana w postaci ciepła uwalnianego z hamulców pojazdu.

MitsubishiPakiet akumulatorów litowo-jonowych stosowany w Mitsubishi i-MiEV

Jakie akumulatory?

W samochodach elektrycznych, stosuje się dwa typy akumulatorów, używanych do różnych celów. Silniki w układzie napędowym są zasilane z akumulatorów trakcyjnych. Wszystkie urządzenia pokładowe oraz systemy bezpieczeństwa, wentylacja, ogrzewanie i klimatyzacja są zasilane ze zwykłego akumulatora dysponującego napięciem 12 V. Specjalne systemy elektroniczne czuwają nad poziomem naładowania tego akumulatora, doładowując go w razie potrzeby z wykorzystaniem energii akumulatorów trakcyjnych.

Obecnie najbardziej efektywnymi na rynku są akumulatory zbudowane z ogniw litowo-jonowych. W tego typu ogniwie jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla a druga z tlenków metali. Rolę elektrolitu pełnią sole litowe rozpuszczone w mieszaninie rozpuszczalników organicznych.
Takie akumulatory są obecnie bardzo powszechne w różnego rodzaju urządzeniach powszechnego użytku. Niewielka masa w połączeniu z dużą gęstością energii oraz wysokim w porównaniu z innymi akumulatorami napięciem pojedynczego ogniwa 3,6 V powodują, że większe urządzenia służą jako akumulatory trakcyjne w pojazdach elektrycznych czy hybrydowych. Samochodowe pakiety akumulatorów litowo-jonowych gromadzą energię od 20 do 100 kWh, w zależności od zastosowania. Ponadto od akumulatorów stosowanych w samochodach wymaga się dużej trwałości, nawet do 10 lat. Osiąga się to przez zapewnienie optymalnej temperatury pracy, dzięki zastosowaniu specjalnych układów chłodzenia i ogrzewania. Największą wadą akumulatorów litowo-jonowych na razie jest ich cena.

RenaultRozwój akumulatorów elektrycznych

Cały czas, szczególnie w niewielkich, dwuosobowych samochodach miejskich stosowane są akumulatory kwasowo-ołowiowe o napięciu pojedynczego ogniwa 2,1 V. Są to baterie bezobsługowe oznaczane jako SLA (Sealed Lead Acid-szczelne ołowiowo-kwasowe). Elektrolit w bezobsługowych akumulatorach kwasowo-ołowiowych (37% roztwór kwasu siarkowego) nie ma postaci cieczy, występuje w postaci związanej. Efekt ten można uzyskać na dwa różne sposoby. Jednym z nich jest całkowite wchłonięcie i unieruchomienie elektrolitu przez specjalne separatory wykonane z włókna szklanego. W oznaczeniach takich akumulatorów pojawia się skrót AGM (Absorbed Glass Mat). Elektrolit może występować również w postaci żelu (akumulatory żelowe). W tym przypadku kwas jest wymieszany z dwutlenkiem krzemu tworząc żel, który unieruchamia elektrolit.

Zaletą akumulatorów AGM w stosunku do żelowych jest możliwość pracy pod zwiększonym ciśnieniem (dzięki matom szklanym), co wpływa na zwiększenie trwałości przy pracy cyklicznej. W przypadku akumulatorów żelowych wymaganą trwałość uzyskuje się zazwyczaj przez zwiększenie gęstości żelu, co jednak odbywa się kosztem zmniejszenia parametrów elektrycznych.

Jak widać dostępne technologie już na obecnym etapie rozwoju pozwalają na budowanie w pełni funkcjonalnych pojazdów elektrycznych. Dane są jednoznaczne produkcja tych samochodów z roku na rok zwiększa się lawinowo (2008-500 szt., 2009-2500 szt., 2010-15000 szt.). W przyszłym roku przewiduje się produkcję samochodów elektrycznych na poziomie 75000 sztuk.