Samochody elektryczne napędzane są jednym, dwoma, trzema, a czasem nawet czterema silnikami. Z punktu widzenia ekonomii najlepszym rozwiązaniem jest jeden silnik, ale niektórzy czują się pewniej, gdy dysponują napędem na obie osie. Tylko jak połączyć pewność oferowaną przez AWD z niskim zużyciem energii? Producenci mają na to kilka sposobów.
Napędy wielosilnikowe w elektrykach. Jak samochody dbają o niższe zużycie energii?
Zacznijmy od punktu wyjścia, od napędu na jedną oś. W zależności od decyzji producenta mamy do czynienia z silnikiem ulokowanym przy przedniej (FWD) lub tylnej osi (RWD). Napęd na przód to w pewnym sensie spadek po samochodach spalinowych: dziesiątki lat temu uznano, że gwarantuje on wyższe bezpieczeństwo, dlatego większość pierwszych elektryków dysponowała właśnie napędem na przód. Do dziś jest to podstawowe rozwiązanie w Nissanie i Renault (Leaf, Zoe, platforma CMF-EV) oraz modelach, które są konwersjami samochodów spalinowych (np. VW e-Golf, Mercedes EQA).
Z podejścia „napęd na przód to podstawa” od początku wyłamywała się Tesla, wyłamało się też BMW z i3 oraz Volkswagen z platformą MEB, gdzie rozwiązaniem bazowym jest silnik ulokowany przy tylnej osi. U wielu kierowców wzbudza to delikatną obawę – bo w podbramkowych sytuacjach samochody spalinowe z napędem na przód faktycznie są bezpieczniejsze – jednak przy silnikach elektrycznych właściwie nie ma się czym martwić. Elektronika i elektryka są o wiele szybsze niż systemy mechaniczne w bezwładnych silnikach spalinowych.
Jeden silnik to, w uproszczeniu, jeden zestaw przewodów wysokiego napięcia, jeden falownik, jeden układ sterujący. Im w systemie jest mniej elementów, tym mniejsze będą sumaryczne straty. Dlatego samochody elektryczne z jednym silnikiem z zasady będą bardziej ekonomiczne niż auta z dwoma i więcej silnikami, o czym napisaliśmy już na początku.
Tyle że kierowcy lubią napęd na obie osie. Niektórzy kupują go dla lepszych osiągów, inni, bo czują się z nim bezpieczniej, jeszcze inni, bo regularnie jeżdżą w trudnych warunkach terenowych. Silniki elektryczne rozpieszczają tutaj inżynierów: zamiast wielkiej, gorącej, trzęsącej się orurowanej bryły mamy elegancką zwartą konstrukcję, którą można dołożyć na drugiej osi. Co zrobić, żeby w takiej sytuacji nie przeszarżować ze zużyciem energii i zagwarantować właścicielowi w miarę rozsądne zasięgi? To oczywiste: trzeba wyłączyć tyle silników, ile się tylko da.
Tylko jak to zrobić?
Sposób numer 1: zastosuj sprzęgło (np. platforma E-GMP Hyundaia: Hyundai Ioniq 5, Kia EV6)
W samochodach elektrycznych stosowane są dwa rodzaje silników: indukcyjne (asynchroniczne, ang. asynchronous motor, ASM) lub z magnesami trwałymi (synchroniczne, ang. permanent magnet motor, PSM). Silniki z magnesami trwałymi są ekonomiczniejsze, więc ich zastosowanie ma sens wszędzie tam, gdzie liczy się maksymalizacja zasięgu. Ale mają one też pewną istotną wadę: magnesów trwałych nie da się wyłączyć, generują pole magnetyczne czy nam się to podoba, czy też nie.
Jako że koła za pomocą osi i przekładni są na sztywno połączone z silnikiem, każda jazda będzie powodowała przepływ energii elektrycznej: z baterii do silnika (napędzanie samochodu) lub z silnika do baterii (rekuperacja). Jeżeli więc zastosujemy po jednym silniku z magnesami trwałymi przy każdej osi, może dojść do sytuacji, w której jeden będzie napędzał koła, a drugi będzie hamował samochód, bo zmieni energię mechaniczną w elektryczną. Wybitnie niepożądana sytuacja.
Hyundai rozwiązał ten problem stosując na przedniej osi mechaniczne sprzęgło. Jego działanie jest całkowicie automatyczne, niczym systemu Haldex w autach spalinowych: gdy kierowca potrzebuje dużej mocy, sprzęgło się zapina i obydwa silniki rozpędzają (lub hamują?) auto. Gdy natomiast kierowca jedzie spokojnie, sprzęgło odłącza przedni silnik od kół, nie ma więc problemu z hamowaniem.
Podstawową zaletą sprzęgła jest możliwość zastosowania ekonomiczniejszych silników PSM na obu osiach. Wada to wprowadzenie do systemu kolejnego mechanicznego elementu, który musi wytrzymywać duże momenty obrotowe i błyskawicznie reagować na zmiany. Część będzie się zatem stopniowo zużywać – i choć wygląda na dość prostą konstrukcyjnie, poziom jej zakotwiczenia w systemie napędowym sprawi, że wymiana raczej nie będzie tania.
Sposób numer 2: zastosuj silnik indukcyjny na co najmniej jednej osi (np. Tesle Model S/X Raven, Volkswagen MEB)
Sposób numer 2 stosowany jest dłużej i częściej, od początku pojawiał się w Teslach Model S i X, teraz znajdziemy go też m.in. Volkswagenach na platformie MEB, w tym w VW ID.4 GTX. Polega on na tym, że silniki indukcyjne, z elektromagnesami, montuje się albo na obu osiach (starsze Tesle), albo co najmniej na osi przedniej (MEB AWD, Tesle S/X od wersji Raven). Zasadę działania elektromagnesu znamy wszyscy ze szkoły podstawowej: pole magnetyczne generowane jest tylko wtedy, gdy przyłożymy napięcie. Kiedy prąd zostaje odłączony, elektromagnes zamienia się w zwykły zbiór przewodów.
Przy silniku indukcyjnym wystarczy zatem odłączyć uzwojenie od zasilania, żeby przestał on stawiać opór. Niewątpliwą zaletą takiego rozwiązania jest prostota konstrukcji, wszystko załatwia się bowiem z użyciem elektroniki. Wadą jest natomiast niższa sprawność silników indukcyjnych oraz fakt, że pewne opory generuje zazębiona na sztywno przekładnia i sam silnik.
Tak jak wspomnieliśmy, silniki indukcyjne stosuje się najczęściej na przedniej osi, więc ich główną rolą jest dodawać mocy, kiedy ta jest potrzebna, i nie przeszkadzać, gdy kierowca przemieszczał się spokojnie.
Sposób numer 3: po cichu powiększ baterię
Warto pamiętać, że sprawność silników elektrycznych jest bardzo wysoka (95, a czasem nawet 99+ procent). Dlatego nawet przy napędzie AWD z dwoma silnikami z magnesami trwałymi, które zawsze napędzają koła (nie licząc rekuperacji), straty w stosunku do zestawu z jednym silnikiem będą stosunkowo niewielkie. Ale będą, a przecież zgromadzona w baterii energia to produkt deficytowy – im więcej zużyjemy jej na jazdę, tym gorszy będziemy mieli zasięg.
Dlatego trzecią metodą na zwiększenie zasięgu samochodów elektrycznych AWD z dwoma silnikami PSM jest ciche zwiększenie użytecznej pojemności baterii. Pojemność całkowita może zostać po staremu, pojemność użyteczna bywa zmienna, więc osoby decydujące się między RWD/FWD a AWD niekoniecznie zauważą różnicę, o ile tylko producent nie powie o niej wprost.
Nie wiemy, czy opisana przez nas metoda jest przez kogoś stosowana. Tesla, owszem, w nowszych Modelach 3 Performance daje nabywcy dostęp do nieco większej użytecznej pojemności baterii, ale akurat tutaj może chodzić o to, by wariant Performance (Dual Motor) nie odstawał pod względem zasięgu od wariantu Long Range (Dual Motor).
