Auta elektryczne – jak działają? Jak są zbudowane? Czy baterie samochodu elektrycznego są ciężkie? Drogie? Czy skrzynia biegów w samochodzie elektrycznym jest skomplikowana? Oto krótkie wprowadzenie w tematykę, zalety aut elektrycznych i ich wady.
Jak działa samochód elektryczny
Spis treści
Z zewnątrz samochód elektryczny w zasadzie nie różni się normalnego, spalinowego auta. Można go poznać w zasadzie tylko po tym, że nie ma rury wydechowej i brzmi nieco inaczej. To znaczy: praktycznie nie brzmi i nie hałasuje, nie licząc cichego wizgu silnika elektrycznego. Czasem (przykładowy film):
Gruntowne różnice zaczynają się dopiero w podwoziu. Samochód elektryczny nie ma silnika spalinowego, skrzyni biegów (o tym też niżej) i układu wydechowego. Zamiast nich auto elektryczne ma spore baterie i niewielki silnik elektryczny. Jak niewielki? Mniej więcej wielkości arbuza. W BMW i3 wygląda to tak:
Konstrukcja BMW i3 z leżącymi obok bateriami oraz niewielkim silnikiem napędzającym koła tylne – to ta błyszcząca beczka z tyłu, do której prowadzą pomarańczowe przewody (c) BMW
Baterie w samochodzie elektrycznym: do pół tony pod podłogą, najdroższa część
Największe, najdroższe i najcięższe w samochodzie elektrycznym są baterie. To skomplikowany odpowiednik klasycznego zbiornika paliwa, w którym przechowywana jest energia wytwarzana bezpośrednio w elektrowni. Prostszego transportu chyba nie można sobie wyobrazić: zaczyna się na turbinie w elektrowni i po kablu biegnie wprost do żelazka, komputera, auta elektrycznego.
Jak duże są baterie auta elektrycznego? Zajmują całe podwozie. Jak drogie? Zestaw widoczny na zdjęciu wart jest około 30 tysięcy złotych. Jak ciężkie? Każde 15 kilowatogodzin pojemności baterii waży dziś, w 2017 roku, około 100 kilogramów, wliczając w to obudowę i osprzęt chłodząco-grzejący.
W jakich jednostkach mierzy się pojemność baterii
Ale właśnie, „kilowatogodziny” – co to za jednostki? Otóż pojemność baterii mierzy się w jednostkach energii, czyli właśnie kilowatogodzinach (kWh). Nie należy mylić ich z jednostkami określającymi moc, czyli (kilo)watami (kW). Te jednostki energii znamy z rachunków za prąd, które opłacamy średnio co dwa miesiące.
Przekrój poprzedniej generacji Nissana Leafa. Przód auta znajduje się po prawej stronie, gdzie jest gniazdo ładowania. Silnik znajduje się w połowie drogi między kołami (czarna tuba pod pomarańczowymi przewodami), a baterie znajdują się bliżej tylnych kół auta (c) Nissan
Przeciętne gospodarstwo domowe zużywa dziennie około 15 kilowatogodzin energii, a każda kilowatogodzina kosztuje nie więcej niż 60 groszy. Mniej więcej tyle samo energii zużywa ekonomicznie jadący kierowca samochodu elektrycznego – ale na 100 kilometrów.
> Jak przeliczać kilowatogodziny (kWh) energii w samochodzie elektrycznym na litry paliwa?
Baterie: od 150 do 500 kilogramów
Baterie są jednym z najcięższych elementów samochodu elektrycznego. Ważą od około 150 do około 500 kilogramów (pół tony!). Na przykład baterie Tesla Model 3 o pojemności nieco przekraczającej 80 kilowatogodzin ważą 480 kilogramów – a Tesla jest liderem w zakresie optymalizacji masy!
Baterie (w środku) i silnik (z tyłu) w samochodzie Tesla Model 3 (c) Tesla
Jakie pojemności mają baterie w samochodach elektrycznych
Produkowane w 2018 roku samochody mają baterie o pojemnościach od niecałych 30 (Hyundai Ioniq Electric) do około 60 kilowatogodzin (Opel Ampera E, Hyundai Kona 2018) oraz od 75 do 100 kilowatogodzin (Tesla, Jaguar I-Pace, Audi e-tron Quattro). Generalnie: im większa bateria, tym większy zasięg auta elektrycznego, a każde 20 kilowatogodzin pojemności baterii powinno wystarczyć na przejechanie co najmniej 100 kilometrów.
> Samochody elektryczne 2017 z największymi zasięgami na jednym ładowaniu [RANKING TOP 20]
Silnik w samochodzie elektrycznym: nawet 20 tysięcy obrotów na minutę!
Silnik auta elektrycznego to prosta, znana od grubo ponad 100 lat konstrukcja wynaleziona przez Nikolę Teslę, wynalazcę serbskiego pochodzenia. Silnik elektryczny składa się w najgorszym razie z kilkudziesięciu części, podczas gdy silnik samochodu spalinowego – z kilku-kilkunastu tysięcy!
Zasada działania silnika elektrycznego jest bardzo prosta: przykłada się do niego napięcie, żeby zamienić je w ruch (obroty). Im wyższe napięcie, tym większa liczba obrotów na minutę.
Silnik Tesli wraz z przekładnią znajduje się w srebrnej tubie. Przekładnia znajduje się pod białoszarą obudową, dzięki niej obroty silnika trafiają do półosi i na koła. Rysunek poglądowy (c) Engineering Explained
Przeciętny samochód benzynowy ma obrotomierz wyskalowany od 0 do 7 000 obrotów na minutę, przeciętny diesel – do 5 000 obrotów na minutę. Czerwone pole oznaczające ryzyko uszkodzenia silnika zaczyna się wcześniej, przy 4,5-6 tysiącach obrotów.
Tymczasem silniki w samochodach elektrycznych osiągają nawet kilkanaście tysięcy obrotów na minutę. Mają przy tym doskonałą sprawność, bo zamieniają zwykle ponad 90 procent dostarczonej energii na ruch – w silnikach spalinowych wielkim sukcesem jest sprawność na poziomie 40 procent, którą osiągają tylko niektóre najnowocześniejsze samochody.
> Jaką wydajność ma silnik elektryczny? ABB osiągnęło 99,05 procent
Skrzynia biegów w samochodzie elektrycznym: tylko 1 bieg (!)
Najciekawszym elementem współczesnych samochodów elektrycznych są skrzynie biegów, których… nie ma. Tak, tak, auta elektryczne najczęściej mają tylko jeden bieg (plus wsteczny, ma się rozumieć, który uzyskuje się przez odwrotne przyłożenie napięcia). Silnik połączony jest z kołami za pomocą bardzo prostej przekładni, która redukuje obroty silnika w przedziale 8-10:1. Czyli 8-10 obrotów wału silnika oznacza 1 pełny obrót kołami. Taka przekładnia składa się zwykle z trzech kół zębatych, które są ze sobą na stałe zazębione:
Dlaczego samochody elektryczne mają tylko jeden bieg? Wygląda na to, że producenci nie chcieli zwiększać masy aut i komplikować sobie życia. Silniki elektryczne generują od samego początku bardzo duże momenty obrotowe, które wymagają grubych i wytrzymałych kół zębatych. Jednocześnie wał silnika elektrycznego może wirować nawet z szybkością 300 obrotów na sekundę (!).
Wszystkie te cechy powodują, że skrzynia biegów w silniku elektrycznym musi być niezwykle wytrzymała, a jednocześnie musi zmieniać biegi w ciągu setnych części sekundy – co znacząco podnosi koszt samochodu elektrycznego.
Skrzynie biegów w autach elektrycznych – będą?
W zasadzie już są. To zdjęcie, które widzicie powyżej, to w rzeczywistości przekrój prototypowej dwubiegowej przekładni do auta elektrycznego. Samochód Rimac Concept One wykorzystuje przekładnie dwubiegowe (czyli ma już skrzynię, a w zasadzie skrzynie biegów!). Pojawiają się też pierwsze prototypowe przekładnie trzybiegowe.
Takie skrzynie biegów do samochodu elektrycznego są o tyle istotne, że z jednej strony pozwalają na szybkie rozpędzenie auta, a z drugiej, przy jeździe autostradowej umożliwiają silnikowi wolniejsze kręcenie się (=mniejsze zużycie energii), czyli efektywnie zwiększają zasięg samochodu.
Dwa silniki zamiast dwubiegowych skrzyń
Dziś problem braku skrzyń biegów Tesla rozwiązała na swój sposób: auta z dwoma silnikami mają różne przekładnie i, nierzadko, dwa różne silniki z przodu i z tyłu. Ten z tyłu może być mocniejszy i mieć większe przełożenie (np. 9:1), żeby lepiej wykorzystać moment obrotowy i błyskawicznie rozpędzić samochód. Ten z przodu z kolei może być słabszy (=zużywać mniej energii) i mieć mniejsze przełożenie (np. 7,5:1), żeby obniżyć zużycie energii na długich dystansach.
Powyższe dane są przykładowe i bardzo zależą od wersji i modelu auta. Ale różnice są dostrzegalne. Na przykład Tesla Model S 75 ma tylko 401 kilometrów zasięgu, a Tesla Model S 75D („D”, czyli wersja z napędem na obie osie) już 417 kilometrów zasięgu:
> Tania Tesla S wraca do oferty. Model S 75 w sprzedaży od 2018 roku
Nie przegap nowych treści, KLIKNIJ i OBSERWUJ Elektrowoz.pl w Google News. Mogą Cię też zainteresować poniższe reklamy: