Električni automobili

Abeceda električnog pogona

Električni automobili donose mnogo novosti s kojima se ne susrećemo kod automobila s klasičnim pogonom pa ćemo za optimalno korištenje morati naučiti neke stvari koje nam prije nisu trebale

Kod električnih automobila će nam, od snage motora, mnogo važniji biti kapacitet baterije

Električno doba ne donosi samo novu vrstu pogona već potpuno novi koncept korištenja vozila s kojim moramo naučiti živjeti. Tehnologija koju koristimo sasvim je drukčija te donosi nove uređaje koji na nov način definiraju naše vozilo. Dok smo ranije govorili o vrsti i veličini motora, kod električnih vozila će nam mnogo važniji biti podatak o veličini baterije, dosegu te mogućnostima punjenja. Uz to, morat ćemo naučiti koristiti aplikacije za punjenje kako bismo najprije pronašli punionice, a potom i napunili svoje vozilo. Osim što služi za pogon, elektromotor može i rekuperirati (vraćati) energiju, što sa sobom donosi novu vještinu koju ćemo morati usvojiti, a to je što bolje korištenje rekuperacije. U ovom pregledu donosimo nekoliko najvažnijih elemenata korištenja električnih vozila.

Baterija

Baterija je ključan element električnih vozila jer sadrži energiju potrebnu za kretanje vozila, a sastoji se od nekoliko stotina ćelija. Ćelije mogu biti složene u module koji potom čine bateriju ili baterija može bez modula te je čine pojedinačne ćelije. 

Baterija se sastoji od nekoliko stotina pojedinačnih ćelija koje mogu biti složene u module

U pravilu se koriste litij-ionske ćelije, što znači da su nositelji energije litijevi ioni. Ćelija se sastoji od četiri glavne komponente: dvaju elektroda (anode i katode), separatora i elektrolita koji omogućuje protok iona s katode prema anodi i obrnuto.
Kod punjenja, vanjski napon 'tjera' ione s katode na anodu, dok pri pražnjenju negativni elektroni putuju vanjskim krugom (kroz trošilo) prema anodi.

Baterija je komponenta s najvećom masom u vozilu, a smještaj u podnicu spušta težište te pomaže stabilnosti

Najvažnija karakteristika baterije je njezin kapacitet koji se izražava u kWh (kilovat sat), a označava koliko snage baterija može otpustiti i u kojem razdoblju. Moderni automobili u pravilu imaju baterije kapaciteta između 40 i 100 kWh, što omogućuje doseg do nekoliko stotina kilometara. 

Pražnjenjem baterije smanjuje se napon unutar baterije, a kada on padne ispod dopuštene granice, prekida se isporuka struje, iako u bateriji još uvijek ima određena količina energije. Zaostala količina energije je razlika između nominalnog i iskoristivog kapaciteta te u pravilu iznosi oko pet posto.

Punjenje

Baterija se puni priključenjem na vanjski napon, a proces punjenja odvija se punjenjem pojedinačnih ćelija. Budući da je u bateriji istosmjerna struja, dok je vanjsko napajanje uvijek izmjenično, nužno je napraviti pretvorbu. 

Ne punimo bateriju već svaku pojedinačnu ćeliju pa je iznimno važno pravilno upravljati raspodjelom energije među ćelijama

Tome služi punjač u automobilu (tzv. onboard charger) koji ispravlja izmjeničnu struju u istosmjernu te je šalje u bateriju. Snaga koju punjač može poslati u bateriju ograničena je njegovom snagom, bez obzira na snagu vanjskog napajanja. Povećanjem snage povećava se i veličina te težina punjača koji bi kod velikih snaga bili vrlo veliki i teški.
Za punjenje većim snagama (iznad 50 do 350 kW) koriste se istosmjerni (DC) punjači kod kojih je ispravljač ugrađen u punionicu te se u ovom slučaju ne koristi punjač u automobilu, već struja ide izravno u bateriju. 

Vrijeme punjenja ovisi o snazi punjača i može iznositi samo 20-ak minuta, ali i više sati ako je riječ o kućnim punjačima

Najveća snaga punjenja koju baterija može primiti ovisi o njezinoj karakteristici, a može biti do 300 kW. Povećanjem razine napunjenosti postupno se smanjuje jakost struje unutar baterije, što posljedično smanjuje i snagu koju baterija može primiti.

Elektromotor

Elektromotor se sastoji od statora (nepokretnog dijela) u kojem su namotaji električnog vodiča i rotora koji se vrti unutar statora te također može biti s namotajima ili trajnim magnetima. 

S pomoću struje iz baterije stator generira magnetsko polje koje silom djeluje na električni naboj što se nalazi u njemu (rotor), a to izaziva njegovu vrtnju. Budući da je u bateriji istosmjerna struja, a elektromotor treba izmjeničnu, ponovno nam je potrebna konverzija, ali ovaj put iz istosmjerne u izmjeničnu struju, čemu služi inverter.

Elektromotor i kotači su uvijek povezani te u pravilu čim prestaje pogon, počinje rekuperacija

Ubrzanje automobila, odnosno povećanje brzine vrtnje motora, inicira se povećanjem frekvencija generiranih izmjeničnih struja čime upravlja inverter. Povećanjem frekvencije se, osim povećavanja brzine, povećava i snaga, što znači da motor uz stalan napon povlači jaču električnu struju iz baterije te automobil ubrzava.

Također, ako automobil vozi na uzbrdici, zbog povećanja opterećenja, motor će vući veću struju kako bi zadržao stalnu brzinu kretanja ili ubrzavao. Naravno, to znači i višu potrošnju energije. Za kretanje unazad mijenjamo smjer vrtnje motora (a time i kotača) zamjenom redoslijeda faza u inverteru što je vrlo jednostavno.

Rekuperacija

Kada vozilo usporava, inverter prestaje generirati izmjeničnu struju i frekvencija postaje nula, ali se rotor nastavlja okretati jer ga pogone kotači koji se i dalje vrte. 

Rekuperacija - 1. Vozač otpušta papučicu gasa, nema pogona ni rekuperacije 2. Pritisak na kočnicu aktivira rekuperaciju 3. Pogonski kotači pogone elektromotor koji radi kao generator 4. Elektromotor proizvedenu električnu energiju šalje u bateriju

Ovim rotor stvara okretno magnetsko polje koje u namotajima statora generira električnu struju te motor prelazi u generatorski način rada. Generirana električna struja je, naravno, izmjenična, pa se ponovno ispravlja s pomoću punjača koji njome puni bateriju. 

Svi električni automobili u pravilu imaju mogućnost povećanja ili smanjenja snage rekuperativnog usporenja, čime se ne povećava samo količina povraćene energije već i razina usporenja vozila. 

Kada vozač ponovno pritisne papučicu gasa, inverter još jednom počinje slati struju u motor koji se iz generatorskog prebacuje u motorni režim i pogoni vozilo. 

Rekuperacija je iznimno važna jer se energija usporenja može naknadno koristiti, ali i stoga što se većina usporenja u vožnji može izvesti s pomoću motora, čime se značajno povećava životni vijek kočnica.

Priključci za punjenje

Nažalost, ne postoji globalni standard za vrstu priključka za punjenje, već se koristi više njih, a potom to definira i izvedbu priključka na punjaču, odnosno utičnice u automobilu. 

CCS2-priključak za brzo punjenje istosmjernom strujom (DC), od 50 kW naviše

Najrašireniji standard (koji se koristi u Europi, ali i drugdje) je CCS (Combined Charging System) koji se koristi za izmjenično (AC) ili istosmjerno (DC) punjenje. 

Neka vozila i punjači imaju samo mogućnost AC-punjenja te u tom slučaju imaju tzv. Type 2 priključak, dok vozila i punjači s mogućnošću brzog DC-punjenja imaju tzv. CCS2 priključak. 

No važno je da se vozila s mogućnošću DC-punjenja mogu puniti i na AC-priključku (Type 2), ali je onda snaga limitirana snagom punjača (ispravljača) u vozilu. 

Neki azijski proizvođači koriste sustav za brzo punjenje CHAdeMO razvijen u Japanu, dok Tesla ima vlastiti priključak, ali s pomoću adaptera se može spojiti na Type 2 ili CCS2-priključke.