Sposób działania silnika elektrycznego dla wielu osób wciąż jest niejasny. Choć coraz większa liczba pojazdów zasilanych energią elektryczną zaczyna pojawiać się na ulicach polskich miast, nadal niewielu kierowców wie, jak naprawdę działa ekologiczny napęd. Postanowiliśmy więc przybliżyć większość tajników technologicznych, związanych z e-autami. Co warto wiedzieć o pracy zeroemisyjnego silnika?
Podobnie jak w przypadku samochodów spalinowych, sercem auta elektrycznego jest silnik. W pojazdach elektrycznych jest on jednak zasilany energią elektryczną. Jakie różnice są z tym związane? Podstawowa dotyczy wagi. O ile jednostki benzynowe czy wysokoprężne są dosyć ciężkie – waga wersji benzynowej o pojemności 1.4 to około 70-100 kg (w przypadku diesli może to być nawet więcej), o tyle np. motor w Tesli Model S waży około… 45 kg. Silnik elektryczny pracuje w dwóch trybach. W pierwszym, zajmuje się zamianą energii elektrycznej na mechaniczną. W drugim, uruchamiającym się podczas zwalniania, energię mechaniczną na elektryczną doładowując elektrochemiczny magazyn energii.
Zasada działania trakcyjnego silnika elektrycznego oczywiście jest oparta na ruchu obrotowym. Sposób pracy zależy jednak od rodzaju konstrukcji, o której mowa. W przypadku motorów prądu stałego, wirnik porusza się za sprawą występowania przeciwstawnie ustawionych pól magnetycznych. Ważnym elementem tego procesu są komutatory. W zależności od typu silnika komutator może być mechaniczny lub elektrycznie sterowany.
Silnik prądu stałego a silnik synchroniczny
Nieco inaczej wygląda sprawa w przypadku silnika elektrycznego synchronicznego. Przy tej konstrukcji konieczne jest zastosowanie trójfazowego uzbrojenia, które wytwarza pole magnetyczne wirujące. Za jego sprawą porusza się wirnik. W zależności od rodzaju konstrukcji występują różnice w budowie wirników. Silnik synchroniczny jak sama nazwa wskazuje musi pracować synchronicznie. Aby to osiągnąć stosuje się tzw. opóźnienie wirnika względem wirującego pola i wartość tą wyraża w stopniach obrotu wału. Praktyczna wartość kąta opóźnienia zapewniająca synchroniczną pracę wynosi ok. 60 stopni. Wadą silników synchronicznych jest ich utrudniony rozruch, ale i z tym problemem, stosując odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne producenci e-samochodów sobie poradzili. Wykorzystuje się do tego celu tzw. falowniki. Z jednej strony elektryczny układ napędowy cechuje ideowa prostota konstrukcji, tj. silnik elektryczny jest połączony z przekładnią. Prosty mechanizm o jednym, stałym przełożeniu wraz z mechanizmem różnicowym wiąże go z kołami, umożliwiając tym samym zarówno napęd auta, jak i odzyskiwanie energii kinetycznej. Z drugiej strony jest to układ składający się dodatkowo z systemów sterowania – przekształtnik energoelektroniczny, oraz elektrochemicznego magazynu energii wraz z systemem chłodzenia i ładowania.
Baterie, ładowarka i… jednostka sterująca
Rola elektrochemicznego magazynu energii jest dość oczywista. To on stanowi główny zasobnik energii elektrycznej wykorzystywanej w samochodzie. Dzięki zmagazynowanej energii, pojazd może oferować właściwy zasięg oraz jest w stanie zasilać urządzenia pokładowe. Jeżeli chodzi o uzupełnianie zgromadzonych w nim zapasów energii, zajmuje się tym układ ładowania, połączony z siecią elektryczną za pomocą specjalnego portu i kabla przejściowego.
Mimo, że w elektrycznym układzie napędowym nie występuje proces spalania, poszczególne elementy ze względu na ich sprawność ogólną generują ciepło podczas pracy i wymagają chłodzenia. Układ chłodzenia jest wykorzystywany nie tylko do chłodzenia elementów układu napędowego, ale odpowiada również za ochronę baterii przed zbyt wysoką lub niską temperaturą. W przypadku większości modeli spotykanych na rynku, akumulatory są chłodzone za pomocą cieczy. Tak jest m.in. w modelach Tesli, Oplu Amperze E czy BMW i3. Alternatywę może stanowić chłodzenie powietrzem (np. Renault Zoe i Hyundai Ioniq Electric) lub pasywne (Nissan Leaf i Volkswagen e-Golf). Model pasywny polega na odprowadzaniu ciepła poprzez ścianę obudowy baterii.
Silnik elektryczny zmienia sposób projektowania aut
Zasada działania silnika elektrycznego przekłada się na dwie znaczące korzyści. Po pierwsze, układ napędowy oparty wyłącznie o e-silniki jest oczywiście zeroemisyjny. Jego praca nie powoduje uwalniania do atmosfery żadnych szkodliwych związków. Po drugie, całkowicie zmienia sposób projektowania pojazdów. Silnik wymaga mniejszej przestrzeni od motoru spalinowego. Do tego inżynierowie nie muszą myśleć o lokalizacji takich elementów jak skrzynia biegów, skomplikowany układ przeniesienia napędu czy nawet układ wydechowy.
Dzięki temu samochody otrzymują nie tylko niżej poprowadzoną i bardziej opływową linię przodu, ale także przy mniejszych rozmiarach karoserii, mogą stać się bardziej przestronne. Dla przykładu Volkswagen I.D., choć wielkością nadwozia ma przypominać Golfa, pojemnością kabiny będzie bliższy raczej Passatowi. Warto również wspomnieć, że praca elektrycznego układu napędowego odbywa się z efektywnością energetyczną sięgającą 95% i wiąże się z wysokim momentem obrotowym dostępnym już praktycznie przy starcie. Efekt? Nowy Nissan Leaf jest w stanie przyspieszyć do 100 km/h w 7,9 sekundy, a BMW i3 potrzebuje do tego zaledwie 6,9 sekundy. To wartość nieosiągalna chociażby dla mocnego diesla montowanego w porównywalnym kompakcie.