Elektroautomobil
Elektroautomobil |
|
| Pondělí, 11. únor 2013 |
|
Po rokoch rozvoja a stagnácie, ktorý bol zapríčinený sériovou výrobou automobilov poháňaných benzínom pomohlo rozvoju elektroautomobilom a hybridným pohonom arabské ropné embargo. Prudký nárast ceny benzínu zvýšilo záujem o vytváranie nových elektrických vozidiel, ktorý bol podmienený i finančnou podporou pre výrobu elektroautomobilov a hybridných automobilov. V súčasnosti je hlavným problémom asi momentálne cena elektroautomobilu, ktorá je ešte pomerne vysoká. Čiastočne sa to ovplyvňuje poskytovaním rôznych výhod, ktoré vyplývajú z faktu, že elektroautomobily šetria životné prostredie, čo by malo byť prioritou každého štátu. Ďalším problémom hlavne u nás je tiež chýbajúca infraštruktúra aj keď v súčasnosti sa začínajú rozbiehať a realizovať projekty pre odstránenie uvedeného nedostatku. V pripravovanom projekte sa predpokladá, že stanice budú plne automatizované, pričom úhrada za nabitie by bola realizovaná pomocou platobnej karty a o stave nabitia, alebo predčasného odpojenia bude zákazník upovedomený informačnou správou. Predpokladá sa, že časť energie pre dobíjanie by sa získavala napr. pomocou slnečných panelov (obr.1), čím by sa využívali obnoviteľné zdroje energie (a súčasne by sa šetrilo životné prostredie).
1. Návrh koncepcie hlavných častí elektroautomobilu Bežný elektroautomobil sa skladá zo štyroch základných častí (obr.2), ktorými sa odlišuje od klasického vozidla so spaľovacím motorom, sú to:
1.1 Motor V súčasnosti sa najčastejšie používa motor BLDC tzv. bezkefový, ktorý svojou konštrukciou a svojimi vlastnosťami je najvhodnejší na poháňanie elektroautomobilov. Taktiež možno použiť aj reluktančný motor pre jeho veľmi jednoduchú konštrukciu. Tento motor nie je zatiaľ v oblasti elektroautomobilov často používaný, ale je snaha aby mohol byť zakomponovaný do takéhoto vozidla. Jedna z jeho nevýhod je čiastočné zvlnenie jeho výstupného momentu, ale s použitím vhodnej výkonovej elektroniky je možné toto zvlnenie vyhladiť a v takomto prípade by mu už nič neprekážalo konkurovať BLDC motoru.
1.2 Akumulátory Akumulátor energie (zásobník energie) je technické zariadenie na uchovávanie elektrickej energie. Môžeme použiť nasledujúce akumulátory:
Bežné olovené batérie sú nie vhodné na časté dobíjanie a úplné vybíjanie, preto sa v praxi využívajú olovené batérie s tzv. hlbokým cyklom vybíjania (sú schopné vydržať v priemere 400 až 800 nabíjacích cyklov). Akumulátory s hlbokým cyklom vybíjania sa dodávajú vo verzii 6 V, 8 V, a 12 V. Z hľadiska dĺžky dojazdu sa odporúčajú 6 V batérie, ktoré majú vyššiu špecifickú hustotu energie. Z hľadiska požiadaviek na výkon sa uprednostňujú 12 V batérie a nové 8 V akumulátory poskytujú kompromis medzi vyššie uvedenými typmi. Problém poklesu účinnosti batérie pri nižšej okolitej teplote sa v elektroautomobiloch rieši ich tepelným izolovaním, ohrevom batérií apod. Výhodou olovených batérií je, že sú zo všetkých dostupných batérií najlacnejšie a relatívne jednoduchá údržba. Iné typy akumulátorov, ktorých i cena v súčasnosti klesá sú napr. nikelmetal hydridové alebo lítium-iónové akumulátory, umožňujúce dojazd vozidla často viac ako 200 km. Základné charakteristické hodnoty niektorých v súčasnosti používaných akumulátorov a predpokladané charakteristické hodnoty budúcich olovených batérií sú uvedené v tab.1. V súčasnosti je enormná snaha o vyvinutie výkonných a lacných batérií. V USA napr. pre tento účel vzniklo konzorcium súkromných i štátnych firiem, elektrární, ministerstvo energetiky, federálne laboratóriá a firmy zaoberajúce sa výrobou akumulátorov, ktoré okrem vývoja klasických chemických batérií sa zaoberá aj inými typmi skladovania energie ako súzotrvačníky (obr.3), kapacitory a palivové články. V dnešnej dobe sú najviac používané akumulátory pre elektroautomobily lítiové batérie. Superkondenzátor je tvorený mikroskopickými uhlíkovými nanotrubičkami stotisíckrát tenšími ako je ľudský vlas s výhodnými vlastnosťami, ktoré je možno v elektroautomobile využiť ako malý, ale výkonný zásobník energie (napr. v superkondenzátore sa uloží energia zo začiatku brzdenia, a potom je použitá pri rozjazde alebo pri obiehaní). Ďalej sú to batérie s nanovodičmi, ktoré môžu mať 10-krát väčšiu kapacitu ako klasické li-ion batérie. Medzi batérie budúcnosti patria batérie na báze morských rias, ktoré majú vynikajúcu nanoštruktúru, ktorá je ideálna pre uchovávanie energie. Iné typy skladovania energie ako akumulátory sú zotrvačníky, ktoré dokážu uskladniť pozoruhodne veľké množstvo energie a predpokladá sa, že v budúcnosti môžu úplne nahradiť akumulátor (napr. zotrvačník s hmotnosťou 150 kg má rovnakú kapacitu ako 600 kg olovených batérií).
1.3 Elektronický regulátor Elektronický regulátor (obr.4) zabezpečuje prenos energie z akumulátorov do motora a do ostatných elektrických častí vozidla (svetlá, ventilácia atď.). Regulátor je tiež pripojený na pedál akcelerácie a podobne, ako v prípade elektrických regulátorov intenzity osvetlenia, zabezpečuje prenos vyššieho alebo nižšieho množstva elektrickej energie z batérií do motora. Tento systém býva oveľa prepracovanejší ako v bežných vozidlách, moderné elektroautomobily majú elektronický systém doplnený o ďalšie prvky ako je napr. monitorovací systém riadený mikroprocesorom (kontroluje všetky funkcie vozidla a pomocou multiplexovej technológie optimalizuje tiež chod motora). Konvertor jednosmerného prúdu (obr.5) sa používa na nabíjanie doplnkovej batérie pričom napája elektrické prístroje (tvorí integrálnu súčasť nabíjačky).
1.4 Obnova energie pre elektroautomobily Systém dobíjania akumulátorov Úlohou uvedeného systému (obr.6) je dobíjať batérie energiou, ktorá z nich bola odčerpaná elektromotorom. Vstupná časť dobíjania je prispôsobená na prenos elektrickej energie z klasickej zásuvky na 220 V (resp. 110 V), výstupná časť je pripojená na sadu batérií. Systém dobíjania je často doplnený aj o tzv. rekuperáciu energie (energia uvoľňovaná pri brzdení vozidla sa premieňa na elektrickú energiu a prenáša sa do batérií počas jazdy vozidla). Novým prvkom je tiež elektrická zásuvka, umožňujúca pripojenie na vonkajší zdroj elektrickej energie a súčasne dobíjanie batérií.
Rekuperácia energie Rekuperácia (znovu získavanie) energie uvoľňovanej pri brzdení a spomaľovaní vozidla je v elektroautomobiloch veľmi dôležitá a pritom jednoduchá. V mestskej premávke je možné takto získať a využiť na dobíjanie batérií až 60% kinetickej energie vozidla. Fotovoltaické články
Tlmiče – generátory Navrhované nové patentované tlmiče (obr.8) sú v podstate elektromagnetickým lineárnym generátorom využívajúci energiu, ktorá by sa strácala ako odpadové teplo. V súčasnosti sa testujú a čoskoro budú pripravené na sériovú výrobu. Ich efektivita bude závislá od hmotnosti automobilu (najväčší účinok prinesú vo väčších automobiloch). Dobíjanie elektroautomobilov z vozovky Je spracovaný plán na dobíjanie akumulátorov elektroautomobilov nasávaním energie z nabíjacích pruhov zabudovaných do vozovky. Predpokladá sa, že by k dobíjaniu áut na elektrický pohon stačilo zabudovať tieto pruhy do 10% mestských ciest. Pruhy na povrchu vozovky by boli široké 200 ÷ 900 mm a dlhé možno niekoľko pár metrov (automobily by si z nich „nasávali“ energiu počas jazdy bez priameho kontaktu). 1.5 Hlavné požiadavky kladené na motory Medzi najdôležitejšie požiadavky patria plynulá výsledná momentová charakteristika bez väčšieho zvlnenia, najjednoduchšia konštrukcia a s tým súvisiaca údržba, hlučnosť (je určite nižšia ako u klasických spaľovacích motorov) a dve najhlavnejšie požiadavky sú spoľahlivosť a ich efektívnosť. Na poháňanie elektroautomobilov sa používa v súčasnej dobe BLDC motor tzv. bezkefový (obr.8) ako i reluktančný motor, ktorého veľká výhoda je v jeho jednoduchej konštrukcii. BLDC motory Výsledkom vývoja metód riadenia elektrických motorov bola náhrada mechanického komutátora jednosmerného motora elektrickým komutátorom, výrobcovia servopohonov so SMPM (synchrónne motory s pernamentným magnetom) označujú pohon ako bezkefový JM (Brushless DC motor). Bezkefový jednosmerný ale i synchrónny motor sú zhotovené vo viacerých vyhotoveniach, pričom všetky spĺňajú tieto kritéria:
Obidva majú PM na rotore a trojfázové vinutie na statore napájané z polovodičového meniča tak, že zo snímača polohy dostáva signály potrebné na spínanie prúdu aby sa nahradila funkcia komutátora a kief. Na tom istom princípe pracuje aj synchrónny stroj s PM, riadený spätnou slučkou.
Reluktančný motor Tieto motory sa zatiaľ nepoužívajú no spĺňajú všetky požiadavky, ktoré sú vhodné pre pohon týchto vozidiel. Čiastočnou nevýhodou spínacích reluktančných a synchrónnych reluktančných motorov je zatiaľ ich hlučnosť a zvlnený výstupný výkon. Spínaný reluktančný motor má veľmi jednoduchú konštrukciu pričom rotor aj stator majú vyjadrené póly a sú vrstvené. Má veľmi jednoduché vinutie na statore, rotor je bez vinutia, bez magnetov a celý vyvíjaný moment je reluktančný. Jeho výhodné vlastnosti ako aj jeho nízka výrobná cena ho robia konkurencieschopným pre striedavé a jednosmerné pohony. Naproti tomu reluktančný synchrónny motor nebol v predchádzajúcom období veľmi často používaný, avšak v súčasnosti je zaujímavý, vďaka moderným konštrukciám a technickému zvládnutiu (možno dosiahnuť kvalitatívne ukazovatele: merný výkon, účinník a dynamiku momentu). 2. Elektrické motory v kolesách Michelin Active Wheel V r. 2008 bola predstavená koncepcia Active Wheel. Tento vysoko inovatívny výrobok, ktorý obsahuje všetky potrebné súčiastky, už nepotrebuje mať vo vozidle motor, tradičné tlmiče, súčiastky prevodovky ani radiacu páku. MICHELIN Active Wheel (obr.10) je inteligentné koleso, schopné poháňať autá elektricky a zároveň preberá funkciu tlmičov, bŕzd, ponúka pohodlie a skvelú ovládateľnosť na ceste. Uvedené integrované riešenie otvára novú éru cestnej dopravy, v ktorej sa bezpečnosť, ochrana životného prostredia a úspory energie dostávajú na nezvyklú úroveň, vďaka malému poháňaciemu motoru a systému elektrických tlmičov, ktoré sa stali priamo súčasťou kolesa. Tieto technológie umožnili kompletne prepracovať celú koncepciu automobilu. Pre elektrické alebo hybridné motory, ktoré nevyužívajú systém elektrických tlmičov je možné použiť motorizované kolesá na prednej alebo zadnej náprave. Kľúčom k motorizovanému kolesu a technologickému prelomu MICHELIN Active Wheel je jeho kompaktný hnací motor a integrované tlmiče. Efektívne sa podarilo prepracovať celú koncepciu kolesa a prvýkrát v histórií tak nie je súčasťou kolesa len brzdový kotúč, ale aj elektrický poháňaný motor a motorček tlmiča. Podľa toho k akému účelu bude vozidlo využívané, je možné použiť na vozidle 4 (jeden na každom kolese) alebo 2 motory (napr. na predných kolesách). Zdroj energie integrovaného motoru je trvale elektrický a môže mať podobu lítiového článku (prípadne iný typ batérie), palivového článku alebo superkondenzátora. Vo všetkých prípadoch poskytujú tieto zdroje energie dve dôležité výhody: neznečisťujú životne prostredie a sú veľmi tiché. Ich produkt ponúka jedinečný výkon na vozovke a zároveň je šetrný k životnému prostrediu. Tieto dynamické vlastnosti sú podporované systémom tlmičov, ktorý nastavuje nové hranice pohodlia a schopnosti udržať vozidlo na vozovke. U tohto kolesa už tlmiče nie sú mechanické, ale elektrické (systém reaguje mimoriadne rýchlo – len za 0,003s a všetky kolísavé i hádzavé pohyby sa automaticky vyrovnávajú).
Siemens VDO eCorner Jeho cieľom je integrovať pohonné jednotky, riadenie, tlmiče nárazov a brzdy priamo do kolies budúcich automobilov. Je nazývaný eCorner s princípom pre ekologické „Drive-by-Wire“ automobily (medzi ovládacími prvkami automobilu – napr. volant, pedále – neexistuje mechanická väzba, všetky pokyny sa prenášajú „po kábli“), ktoré by mali byť bežne viditeľné na cestách v priebehu 10÷15 rokov. Nahrádza nielen zavesenie kolies s hydraulickými tlmičmi nárazov, mechanické riadenie a hydraulické brzdy, ale predovšetkým konvenčné spaľovacie motory s vnútorným spaľovaním, čo znamená zlepšenú palivovú prevádzku, vyššiu bezpečnosť a väčšie pohodlie. Okrem toho eCorner ponúka dizajnérom novú slobodu pri tvorbe automobilov s elektrickým pohonom a elektronickou kontrolou. Ďalším šetrením v budúcnosti je predpoklad nevyhnutné nájsť alternatívy ku konvenčným spaľovacím motorom. Ako riešenie Siemens VDO navrhuje, aby sa tradičná stavba motora nahradila elektromotormi v nábojoch kolies, ktoré sú schopné fungovať priamo na kolesách a akcelerovať s automobilom. Štyri nezávisle operujúce elektromotory umiestnené v nábojoch kolies tak zabezpečia na diaľniciach v budúcnosti extrémne dynamické riadenie. Možná eliminácia spaľovacích motorov spaľujúcich benzínové alebo dieselové palivo zredukuje emisie a dokonca splní extrémne prísne zákony, ktoré môžeme očakávať. Pokročilý medzistupeň – hybridné motory V budúcnosti budú mať kolesá automobilov úplne odlišný vzhľad ako dnešné oceľové kolesá alebo kolesá z ľahkých zliatin. S eCornerom pneumatika obsahujúca senzor na monitorovanie tlaku v pneumatike (Tire Guard) bude v kontakte s cestou a dokonca aj zavesenie kolies bude v budúcnosti značne odlišné od dnešnej stavby. Zatiaľ čo mechanické zavesenie kolesa s olejovo-pružinovým tlmičom zabezpečuje len pohodlnú jazdu pre pasažierov a neustály spoľahlivý kontakt s cestou, elektronické obvody budú v budúcnosti hrať ešte významnejšiu a dôležitejšiu úlohu. Elektromotory kompletne prevezmú úlohu zabezpečiť kontakt medzi kolesom a vozovkou. Ďalšou snahou vývoja je možnosť samostatného natočenia každého kolesa o potrebný uhol. Elektromotory umiestnené v nábojoch kolies by mali fungovať ako pomocné brzdy využívajúce efekt rekuperácie (energia vytvorená týmto spôsobom sa môže využiť na dobíjanie akumulátora), elektronické klinové brzdy môžu spomaliť každé koleso osobitne s maximálnou precíznosťou a enormnou brzdnou silou, aby maximálne vyhoveli potrebám jazdnej situácie apod. Záver Stručne uvedený prechod, od spaľovacích motorov s vnútorným spaľovaním ku konceptu eCorner s elektroautomotormi umiestnenými v nábojoch kolies, bude závisieť od rôznych aspektov (výrobcov, vodičov automobilov ako aj od efektívnosti energie a s tým spojenými emisiami). Pri optimálnych podmienkach budúci plne hybridný systém využije cca 85% teoreticky dostupnej energie (napr. súčasné benzínové a dieselové motory dokážu využiť dokonca len menej ako 30%). Pričom elektromotory umiestnené v nábojoch kolies sú projektované využiť až 96% dodávanej elektrickej energie na pohon automobilu. Vďaka tomu môžu výrobcovia automobilov oveľa ľahšie uspokojiť emisné predpisy a zároveň ponúknuť extrémne dynamické vozidlá s excelentnou palivovou prevádzkou. Možno teda konštatovať, že integrácia rôznych komponentov auta do kolies umožní ďalšiu modularizáciu budúcich áut.
Literatúra [1] Kovár Ľubomír: Elektroautomobil budúcnosť bez emisií. Bakalárska práca ŽU EF Žilina, 2010. [2] Michelin Aktive Wheel. Michelin 2009. |
Vývoj elektroautomobilov i v súčasnosti neustále napreduje a na trh prichádzajú stále nové modely, hoci ich počiatky siahajú do polovice devatenácté storočia, kedy postavil elektroautomobil a čiastočne hybrid Čech F. Křižík.
