Akumulátory a pohonné systémy elektrických vozidel - EV (1. díl)

Tato série se zabývá parametry a pohonnými systémy vozidel na elektřinu, nelze však vyloučit ani to, že se v budoucnu dotkneme i hybridních vozidel. Budou zde diskutovány jednotlivé modely nejrůznějších výrobců a jejich varianty. Řešit se bude spolehlivost, použitelnost, systémová napětí, návrhové výkony, proudy a další informace. Bude brán zřetel na pochopitelnost tématu tak, aby si své našel jak zapálený fanoušek, tak i laik, který v elektromobilu v životě nejel.

Co nás zajímá?

Je nutné si uvědomit, že v osvědčení o registraci vozidla a velkém technickém průkazu lze najít pouze maximální dosažitelný výkon vozidla. Nikoliv však informaci o velikosti kroutícího momentu, napětí baterie, počtu pólů motoru a jeho typu, převodovém poměru a uspořádání hnacího pohonu a tak podobně.

Hlavní parametry

Kapacita baterie a její napětí, chemické složení

Kapacita baterie je určující pro dojezd a výkon elektromobilu. Vzhledem k vysoké ceně baterií tvoří velkou část ceny vozidla. Rozlišujeme kapacitu celkovou a využitelnou, rozdíl mezi nimi je nazýván jako buffer a slouží k ochraně baterie před poškozením. Nedovolí uživateli vybít baterii úplně.

Elektromobily se v historii osazovaly různými druhy baterií. Zprvu volba padla na olověný akumulátor (GM EV1, Škoda Eltra), následně přišly nikl-kadmiové baterie (Peugeot 106 electrique, Citroen Berlingo electrique), nikl-metal hydridové (HEV Toyota Prius) a dnes dominují lithium-iontové typy baterií.

Tepelný management baterie je také velmi důležitý z pohledu životnosti a prevence jejího přehřátí. Baterie mohou být chlazené kapalinou, nebo vzduchem. Například Tesly mají kapalinou chlazené baterie, Hyundai Ioniq electric (28 kWh) a Nissan E-NV200 mají vzduchem chlazenou baterii. Některé baterie nejsou aktivně chlazené vůbec (VW E-UP).

Konfigurace a systémové napětí baterie je důležité z pohledu nabíjecího výkonu při rychlonabíjení. Například Renault ZOE a Nissan LEAF mají spojení 96 článků v sérii a tudíž maximální napětí je 403,2 V. Například Jaguar I-Pace a Audi E-Tron a další mají systémové napětí vyšší. Pokud pak nabíjecí stanice (například ABB Tera 53 - 50 kW) má maximální výstupní proud 125 A a napětí 500 V, tak při nabíjení baterie v režimu konstantního proudu je okamžitý nabíjecí výkon vyšší u vozidel s vyšším systémovým napětím. Elektrický výkon je totiž součin proudu a napětí. Za zmínku také stojí, že například Citroen Saxo electrique má systémové napětí pouze 120 V a nepodporuje žádnou formu moderního rychlého nabíjení (CCS, Chademo).

Výkon a typ elektromotoru, kroutící moment, maximální otáčky

Elektromotor je v elektromobilu naprosto klíčová součást. Probíhá v něm přeměna elektrické energie na mechanickou. Může být proveden ve třech provedeních jako stejnosměrný, asynchronní a synchronní. V elektromobilech Tesla se používají kombinace asynchronních a synchronních motorů pro dosažení vysoké účinnosti.

Stejnosměrný motor je používán pro svůj vysoký záběrný moment (velikost kroutícího momentu při zastavené ose motoru). Dnes ho v moderních elektromobilech nenajdeme, ale stále se používá ve vysokozdvižných vozících. Díky uhlíkovým kartáčům a komutátoru, je nutné provádět pravidelnou údržbu. Ty se společně starají o konverzi stejnosměrného proudu na střídavý, který je potřeba pro chod motoru. Používán byl například v Peugeotu 106 electrique a jeho výkon byl 11 kW.

Asynchronní motor je robustní a osvědčený typ. Tesla ho dnes používá v kombinaci se synchronním elektromotorem u modelů s pohonem všech kol. Například Tesla model 3 má v předu asynchronní a vzadu synchronní motor. Dosahuje nižší účinnosti než synchronní typ díky tomu, že je nutné indukovat proud v rotoru pro vytvoření vlastního magnetického pole. Jeho výhoda je, že je dobře přetížitelný a dobře se řídí.

Synchronní typ elektromotoru s permanentními magnety je vývojově jeden z nejnovějších. Vykazuje vysokou účinnost a výkonovou hustotu. Jeho řízení je prováděno na základě znalosti přesné polohy natočení rotoru vzhledem ke statoru a jeho magnetickému poli. Dnes ho najdeme v drtivé většině elektromobilů. Cena je vyšší než u asynchronních kvůli nutnosti použít permanentní magnety ze vzácných zemin. Renault ZOE (22 kWh) využívá synchronní elektromotor s vinutým rotorem, který používá kartáče se sběrnými kroužky a nepoužívá tak permanentní magnety.

Počet hnaných náprav

Některé elektromobily mají hnanou pouze přední nápravu (Citigo-iV, Ioniq...), nebo zadní nápravu (BMW i3, Tesla model S P85...) a některé mají hnané všechny nápravy. Pohon všech kol je u některých elektromobilů příplatkovou výbavou. Nejlevnější Tesla model 3 (SR+) je řešená pouze jako "zadokolka", edice s prodlouženým dojezdem má pohon všech kol.

Váha vozidla a její rozložení

Hmotnost elektromobilu je zpravidla vyšší než u vozidel se spalovacím motorem. Třeba Volkswagen E-UP váží 1235 kg oproti váze 980 kg u modelu se spalovacím motorem. Elektromobily, které mají relativně lehký elektromotor v předu a těžkou baterii v zadní části mohou mít problém s udržením trakce přední nápravy, zvláště když uvážíme velký kroutící moment elektromotoru. Již zmíněný E-UP má 210 Nm oproti 95 Nm u klasického UPu. Pro zajímavost Tesla model X váží 2490 kg.

Akcelerace a převodový poměr převodovky

Hovoříme-li o akceleraci, tak je nutné brát v potaz nejen výkon elektromotoru, ale i jeho maximální kroutící moment a převodový poměr vzhledem k poháněným kolům. Často elektromobily s větším převodovým poměrem mají lepší "odpich" než ty, které mají stejný výkon, ale menší převodový poměr. Výrobci udávají často čas zrychlení z nuly na sto kilometrů za hodinu a čas na překonání čtvrt míle. V rámci těchto metrik dominuje trhu Tesla a Porsche Taycan. I "levné" elektromobily však dosahují zrychlení, které vás dokáže překvapit.

Spotřeba elektrické energie

Spotřeba EV se odvíjí od mnoha vlivů, jako je rychlost vozidla, teplota, stav vozovky, použité pneumatiky, technický stav a tak podobně. Spotřeba se odvíjí od dvou hlavních faktorů a to je aerodynamický odpor vzduchu a valivý odpor pneumatik. Další vlivy nejsou tak zásadní, rozhodně je ale nelze zanedbat. Jedná se například o spotřebu energie na topení a klimatizaci kabiny, tepelný management baterie a podobně.

Závěr

Tato série je pokus, který si klade za cíl přiblížit veřejnosti to, jak vlastně elektrický pohon funguje a jaké u něho sledujeme parametry. Speciální poděkování patří Prof. Johnovi D. Kelly z Weber State University (automotive department) za jeho skvělou práci a videa, které o hybridních a elektrických vozidlech vytváří. Jeho práci a výborný technický komentář lze najít na tomto odkazu.