Zasada działania samochodu elektrycznego jest prosta. Kierowca w czasie postoju ładuje baterie, aby następnie zmagazynowaną energię wykorzystać do zasilania silnika elektrycznego i rozpędzenia pojazdu. Co ważne samochody z napędem elektrycznym, w przeciwieństwie do tradycyjnych napędzanych silnikami spalania wewnętrznego, potrafią część energii włożonej w rozpędzenie pojazdu odzyskać, e-auta korzystają bowiem ze zjawiska odzysku energii kinetycznej. W jaki sposób?
Rozwiązanie układu napędowego samochodów z napędem elektrycznym, z konstrukcyjnego punktu widzenia, jest stosunkowo proste. Wyposażone w zestaw baterii, silnik elektryczny, mało skomplikowaną przekładnię, przekazującą moc na koła i układ sterujący – tym właśnie różnią się od pojazdów tradycyjnych. W e-autach brakuje bowiem kilku zasadniczych elementów, świetnie znanych z pojazdów z silnikami spalinowymi. W szczególności wspomnieć warto m.in. o skrzyni biegów, sprzęgle, wtryskiwaczach paliwa, rozruszniku czy alternatorze. Dlaczego e-pojazd nie posiada alternatora?
W klasycznym samochodzie alternator napędzany z wału korbowego silnika spalania wewnętrznego, za pomocą paska wielorowkowego przez cały czas jazdy zajmuje się produkcją energii elektrycznej. Wytworzony w ten sposób prąd przekazuje do akumulatora, dzięki czemu może on służyć do zasilania pokładowych urządzeń i np. późniejszego rozruchu jednostki napędowej. W pojazdach elektrycznych, a jest to podyktowane względami homologacyjnymi, również zastosowano tradycyjny akumulator 12V służący do zasilania instalacji niskonapięciowej urządzeń pokładowych. Za jego ładowanie odpowiada odpowiednio dobrany układ przekazujący cześć energii zgromadzonej w akumulatorach trakcyjnych. Jak wspomniano we wstępie niniejszego artykułu, w przeciwieństwie do pojazdów z napędem konwencjonalnym, samochody z napędem elektrycznym potrafią odzyskać cześć energii zużytej do rozpędzenia pojazdu. Inżynierowie wykorzystali bowiem rozwiązanie, znane niemal od początku istnienia silników elektrycznych, czyli zastosowanie ich jako generatorów prądu (zasada działania zbliżona do wspomnianego alternatora). Gdy kierowca zdejmuje nogę z gazu, silnik elektryczny zaczyna pracować jako prądnica. W ten sposób powstaje prąd – z zamiany energii mechanicznej, wytwarzanej przez pęd pojazdu, na energię elektryczną.
Energia, która normalnie jest marnowana!
W tradycyjnym samochodzie z silnikiem spalinowym, pozbawionym systemu KERS (zob. słownik) energia kinetyczna zamieniana jest w procesie hamowania na ciepło w hamulcach ciernych i przekazywana do otoczenia. Proces hamowania jest zatem niczym innym jak tylko bezpowrotnym marnowaniem energii zużytej na rozpędzenie pojazdu.
W samochodach z napędem elektrycznym proces ten wygląda zupełnie inaczej. Silnik elektryczny podczas hamowania, zaczyna pracować jak prądnica odzyskując część energii wykorzystanej uprzednio do rozpędzenia pojazdu. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania, oprócz oczywiście poprawienia bilansu energetycznego, jest ograniczenie zużycia hamulca ciernego, a co za tym idzie redukcja pyłów dostających się do atmosfery. Zjawisko odzyskiwania energii elektrycznej w procesie hamowania określa się często mianem rekuperacji. Rekuperacja w samochodzie elektrycznym działa naprawdę efektywnie. Według wyliczeń naukowców z Politechniki Krakowskiej, już w pojeździe o napędzie hybrydowym istnieje możliwość wygenerowania 375 Wh energii podczas 40-minutowego cyklu jezdnego w warunkach drogowych.
Systemy rekuperacji są nieustannie dopracowywane przez producentów aut elektrycznych. We współczesnych pojazdach odzysk energii działa na tyle sprawnie, że jest w stanie nie tyle zredukować prędkość, co wręcz zatrzymać auto. Warto zauważyć, że hamowanie odzyskowe odbywa się w sposób całkowicie zautomatyzowany, w niektórych pojazdach wystarczy zdjąć nogę z pedału przyśpieszenia, w innych wymagane jest naciśniecie hamulca nożnego. W obu jednak przypadkach silnik zaczyna automatycznie pracować w funkcji prądnicy, a tradycyjny układ hamulcowy jest wykorzystywany jako uzupełnienie procesu hamowania. Tym samym wydłuża się okres eksploatacji elementów ciernych w postaci tarcz i klocków hamulcowych, ograniczone jest zanieczyszczenie środowiska oraz, co jest najłatwiej zauważalne przez kierującego, rośnie zasięg pojazdu.
Darmowa energia a dbałość o komponenty
Sprawny system rekuperacji jest bez wątpienia dobrodziejstwem. Daje możliwość odzyskania i wykorzystania energii, która w aucie klasycznym pozbawionym np. systemu KERS zostałaby zmarnowana. Z drugiej strony nakłada na kierowcę dodatkowy wymóg. A ten dotyczy nieco innego sposobu korzystania z układu hamulcowego. System odzyskiwania energii, w zależności od zastosowanego rozwiązania, będzie spowalniał samochód automatycznie za każdym razem, gdy kierowca puści pedał gazu lub w delikatny sposób będzie obchodził się z hamulcem nożnym. Mimo wszystko warto regularnie mocniej dohamowywać auto. Zmusza to bowiem do pracy elementy ścierne układu.
Korzystanie z hamulców jest kluczowe. Tarcze odciążone za sprawą układu odzyskiwania energii kinetycznej, narażone są na działanie czynników zewnętrznych. A wilgoć czy sól występujące na drogach mogą zainicjować proces korozji. Bez korzystania z hamulców rdza może postępować i doprowadzić do konieczności przedwczesnej wymiany elementów. Regularne dohamowywanie pozwala klockom na ścieranie z powierzchni tarczy zgromadzonego osadu.
Dbanie o tarcze hamulcowe w samochodach elektrycznych nie wymaga jednak szczególnej uwagi. Poza wykorzystywaniem, przynajmniej od czasu do czasu, pedału hamulca, kierowcy nie muszą martwić się o kwestię ich eksploatacji. Niektórzy producenci samochodów elektrycznych wprowadzili również rozwiązania, w których układ hamulcowy „oczyszcza” się sam i podczas jazdy klocek jest zbliżany do tarczy bez wiedzy kierującego. Rozwiązanie takie nie jest niczym nowym i podobne rozwiązania stosuje się również w pojazdach spalinowych, gdzie w wybranych modelach np. podczas jazdy w deszczu, klocki hamulcowe są cyklicznie zbliżane do tarczy w celu ich osuszenia i zapewnienia poprawności działania układu hamulcowego w momencie, gdy kierujący będzie tego wymagał.