7.11. Električno vozilo (BEV)

Firma 'Tesla Motors' iz SAD, Kalifornija (Silicon Valley), osnovana 2003. godine, predstavila je 2008. godine 'Tesla Roadster' (slika 7.11.1b) prvi komercijalni Električno vozilo pokretan elektromotorom koji električnu energiju iz baterija pretvara u kinetičku i koji kao takav nema nikakvih štetnih emisija plinova - BEV (Baterijsko Električno Vozilo). U osnovi, zadržan je koncept upravljanja vozilom i prijenosom snage motora na kotače kao kod klasičnog automobila (volan, kočnice, diferencijal ...), s tim da je elektromotor pogonski agregat umjesto benzinskog motora, a koristi se i mnogobrojne inovacije koje su raspoložive zahvaljujući suvremenoj elektronici, u čemu prednjači uporaba računala s kojim se nadzire i / ili upravlja mnogobrojnim sustavima ugrađenim u automobil. Motor ima 90 postotnu učinkovitost (80 postotnu pri vršnom opterećenju) te razvija oko 200 kW i može dostići brzinu do približno 200 km/sat, te dostigne 100 km/sat za 4-5 sekundi. Energija se pohranjuje u 6831 litij-ionskoj baterija koje se preko vanjskog ispravljača za struju pune 3.5 sata. Vijek trajanja im je 7 godina ili 170'000 km. S punim baterijama može preći put od oko 350 km, ovisno o načinu vožnje i načinu kočenja, jer automobil posjeduje regenerativno kočenje što znači da se pri svakom kočenju akumulira nešto energije koja se vraća natrag u baterije.

'Tesla Roadster' ima kožna sjedala, klimu, električne podizače stakala, zaštitu putnika pri prevrtanju, karoseriju dizajniranu da apsorbira energiju udarca prilikom eventualnog sudara, kontrolu frikcije kotača, ABS i još mnogo nadzora i podešavanja koja imaju moderni luksuzni automobili. Prije samog pokretanja automobila na monitoru s ekranom osjetljivim na dodir kraj komandne table i upravljača, prikazanog na slici 7.11.2b, potrebno je ukucati PIN (Personal Identification Number) i tek onda je automobil raspoloživ korisniku. Također ga se može podesiti da radi u nekoj vrsti štedne potrošnje (safe-mod) s kojom se može smanjiti njegova najveća brzina i produžiti doseg i sve postavke zaštiti PIN-om. Ekran osjetljiv na dodir, kako je prikazano 7.11.2b, ne služi samo za ukucavanje PIN-a, već se na njemu prikazuje sva sila podataka, od trenutnog stanja baterija pa do same brzine vožnje, te se korisniku signalizira neka od mogućih neispravnosti ili dotrajalosti dijelova, kao na primjer upozorenje o izlizanosti obloga za kočnice.

Naredna slika 7.11.1a prikazuje osnovne upravljačke i energetske elemente i transmisiju. Pod ' 1 ' označena je skupina Lithium-ion akumulatorskih baterija koje se napune na deklariranu vrijednost strujom od 70 A pri naponu napajanja gradske mreže preko vanjskog ispravljača. Šezdeset devet baterija paralelno su povezane i tvore energetski blok. Devedeset i devet blokova spojeni su u seriju i zapakirani u plosnati paket, jedanaest takvih paketa umeću se u zajedničko kućište, a sve zajedno teži oko 500 kg. Lithium-ion baterije gotovo se ne mogu puniti na niskim temperaturama, te je predviđeno njihovo zagrijavanje ako su vremenske prilike nepovoljne. Kako je razvoj električnog automobila dobio veći značaj od dosadašnjeg, za očekivati je i značajniji razvoj baterija, u smislu manjih gabarita, većeg kapaciteta i bržeg punjenja.

Slika*** 7.11.1 Uređaji vozila / Roadster / S / X. ( + / - )

Energetski pretvarač ' 2 ' (Power Electronics Module) služi da posredstvom računala, u kojem je naravno nekakva programska potpora. Istosmjerni napon baterija pretvara u izmjenični trofazni izvor za elektromotor, koristeći radni napon od 375 V uz potrošnju do 900 A. Računalo i njegova programska potpora su u prednjem dijelu automobila, ugrađeni u komandnu tablu, a za rukovanje s njim služi monitor osjetljiv na dodir. Računalo automobila nadzire njegovo stanje, koordinira sve potrebne radnje i reagira na promjene vanjskih uvjeta vožnje izdavanjem odgovarajućih naloga energetskoj jedinici i ostalim ugrađenim sustavima koji omogućavaju veću stabilnost vožnje i sigurnost putnika.

Najvažniji dio energetskog pretvarača je elektroničko prekidačko poluvodičko polje sastavljeno od šest prekidača grupiranih u tri para. Svaki prekidač sastavljen je od četrnaest bipolarnih tranzistora (IGBC - Insulated Gate Bipolar Transistors). Njihovim preklapanjem ostvaruje se trofazni izvor potreban za napajanje električnog motora. Preklapanje se vrši do 32'000 puta u sekundi koje nadzire upravljački sustav s dva procesora, primarnim-radnim koji nadzire okretno magnetsko polje i sekundarnim-sigurnosnim koji nadzire odnos pritiska na pedalu 'gasa' i vrtnje kotača i usklađuje ih.

PEM svojim procesorom kontrolira zbivanja kada je automobil u pogonu. Procesor prati papučicu gasa i koristi podatke za kontrolu struje motora. Kako bi osigurali da se generira moment koji je prikladan za stanje automobila, odnosno drugih komponenti u automobilu, koriste se i drugi procesori izvan modula. Na primjer, ako su navedeni procesor i procesor koji prati stanje baterija izračunali da je baterija puna, regenerativni moment se smanjuje, a ako je putem senzora procesor detektirao da je motor prešao idealnu temperaturu, struja motora se smanjuje.

Pozicija ' 3 ' na slici predstavlja asinkroni trofazni elektromotor (kao na slici 7.11.2c), bez kolektora i četkica naravno, kakav danas koriste sve električne lokomotive, dizalice i slično. Kako se mijenja brzina, putem senzora taj podatak se dostavlja računalu koje energetskom pretvaraču daje nalog koju radnu frekvenciju trofaznog napona treba uporabiti, te se ostvaruje prilično velik obrtni moment, linearan u velikom rasponu rada motora kako prikazuje slika 7.11.2a. Na taj način ostvaruje se da je motor energetski učinkovit jer se njegov rotor okreće u obrtnom magnetskom polju optimalne brzine vrtnje, sukladno okretanju pogonskih osovina kotača. Motor se sastoji od 'kaveznog' rotora (nema namotaja žice) i statora s namotajima raspoređenim u četiri pola s po tri seta namotaja u svakom polu sukladno trofaznom sustavu napajanja. Zamjenom faza u dva seta namotaja, koja se ostvaruje elektroničkim putem posredstvom već spomenutih prekidača, motor se vrti u suprotnom smjeru.

Motor je izravno povezano s jedno brzinskim mjenjačem, reduktorom i diferencijalom, pozicija ' 4 ' iznad stražnje osovine pogonskih kotača. Jednostavnost s jednim prijenosnim omjerom smanjuje težinu i eliminira potrebu za kompliciranim mehanizmom spojke. Elegantan motor ne treba kompliciranu opremu za vožnju unatrag. Motor se jednostavno vrti u suprotnom smjeru, prema nalogu upućenom s komandne table. Prve inačice ovog automobila imale su mjenjač s dvije brzine glede bolje iskoristivosti raspoložive snage, koju opisuje dijagram na narednoj slici.

Slika** 7.11.2 Obrtni moment i snaga / Monitor. ( + / - )

Razvojem energetskog pretvarača i programske potpore dobivena je ravnomjerna snaga u širem rasponu te se je potreba za mjenjačem s dvije brzine, kako je prvotno dizajniran prijenos snage, pokazala suvišnom. Karoserija je napravljena od laganih ali čvrstih i tvrdih karbonskih panela s profiliranom šasijom od posebno obrađenog aluminija, kako bi se prvenstveno anulirala težina bloka baterija.

Dakle, koncept upravljanja i prijenosa snage u odnosu na klasične automobile u osnovi se nije promijenio, osim što je 'motor' drugačije prirode. Diferencijal i pogonske poluosovine glede prijenosa snage na stražnje kotače i dalje je nužda, mada se koriste sva moderna dostignuća glede postizavanja raznih kontrola. Tek mogućnost upravljanja zasebnim motorima za svaki kotač doprinijeti će jednostavnijoj mehanici i posve novom pristupu transfera energije na kotače. U tom smislu razvijaju se verzije koje koriste pogonske poluosovine od elektromotora do kotača ili je elektromotor svakog kotača u sklopu njegovog ovjesa.

Pozicija ' 5 ', već je načelno prikazana na slici 7.11.2b, i predstavlja monitor nadzornog i upravljačkog sustava automobila (VME - Vehicle Management System). Sustav za upravljanje vozilom koristi se za tri osnovne svrhe:

• Nadzor uporabe automobila (pogonska elektronika, cjelovitost vozila, parkiranje, ABS ...)
• Nadzor stanja baterija (stanje pojedinih modula; zagrijavanje, ventiliranje i vanjski uvjeti - HVAC sustav)
• Povratne informacije vozaču (instrument tabla, monitor osjetljiv na dodir, pritisak u gumama ...)

Jedna od najvećih prednosti automobila je napredna i inovativna programska potpora - 'firmware', koja u svakom momentu vrši fino podešavanje funkcionalnosti sustava automobila putem više procesorskog sustava. Više procesora koristi se u različite svrhe; za kontrolu aktivnosti vozača, koje se ne mogu baš prihvatiti 'zdravo za gotovo', nadzire se pogonski napon iz baterija, kontrolira rad motora, vrši dijagnostika, nadzire 'brava' i prati interakcija s monitorom osjetljivim na dodir. Različiti operativni sustavi i programski jezici koriste se za optimizaciju izvršavanja i dovršetak izabrane funkcije. Rad svih procesora objedinjen je kako bi vršilo praćenje stanja svih komponenti tijekom korištenja automobila, razmjenjuju informacije za koordinaciju svojih aktivnosti glede učinkovite reakcija na promjenu vanjskih uvjeta.

Sustav za upravljanje automobilom je kao dirigent u fino usklađenom orkestru. Omogućava vozaču da je svjestan većine zbivanja tijekom vožnje. Upravlja sigurnosnim sustavom, otvara vrata, prenosi upozorenja tipa 'učvrstiti svoj sigurnosni pojas', 'vrata se pritvorena' itd. Sakuplja i usklađuje podatke mnoštva procesa kako bi koordinirao potrebne aktivnosti za vožnju. Sustav upravljanja automobilom rabi tri osnovna načina rada; sportski, standardni, ili prošireni doseg, te surađuje sa procesom punjenja i pražnjenja baterija na način da izračunava idealne i stvarne raspone koristeći složeni programski algoritam koji uzima u obzir dob baterija, kapacitet, stil vožnje i način utroška energije.

Dodatna korist koju omogućava 'firmware' je moguća dijagnostika automobila na daljinu. Ako korisnik osjeti da nešto ne ide kako treba s automobilom, daljinsko dijagnosticiranje omogućuje utvrđivanje problema i rješenje bez izravnog pristupa automobilu. Moguć je odabir servisnog sjedišta glede bežične komunikacije. Osim toga 'firmware' se neprestano razvija i nadograđuje i moguće je nove verzije prema potrebi 'ugraditi' u automobil.

Dakako, riječ je o električnom automobilu za prijevoz putnika, a prikazani model automobila prvi je iz serije koju ova firma razvija, spada u kategoriju sportskih automobila, dvosjeda, i dosta uspješno se nosi sa svojom 'benzinskom braćom'. Osim navedenog razvijen je model s više sjedišta, bliži obiteljskim potrebama, model ' S ' s pet sjedišta i stražnjom vučom ili vučom na sve kotače (slika 7.11.1c). Vuča na sve kotače ostvaruje se sustavom s dva motora, jedan sprijeda i jedan straga s digitalnom i samostalnom kontrolom okretnog momenta na prednje i stražnje kotače. Rezultat je učinkovita kontrola proklizavanja kotača u svim uvjetima. Manji, inovativniji i kompaktniji model ' X ' (prototip) predviđen je s elektromotorima u tri verzije, samo zadnja vuča, prednja i zadnja vuča s dva zasebna elektromotora, te prednja i zadnja vuča s zasebnim elektromotorima za svaki kotač.

Čak i obični DC elektromotori mogu nadmašiti bilo koji motor s unutarnjim izgaranjem u gotovo svim područjima. Učinkovitost, iznimno brz odziv, širok raspon raspoložive snage, kompaktna veličina, regenerativno kočenje i visoki okretni moment samo neke prednosti elektromotora. Primjer uspješnog koncepta primjene električnog pogona koji rabi sinkrone elektromotore kojima rotor sadrži jake stalne magnete, nazvan 'Concept_One' prikazan je na slici 7.11.3.

Slika* 7.11.3 Prototip električnog automobila 'Concept_One'. ( + / - )

Dakle, svaki kotač pogoni preko reduktora zasebni sinkroni istosmjerni elektromotor snage 250 kW. Elektromotori automobil mogu 'potjerati' preko 300 km/sat, uz ubrzanje od 0-100 km/sat za svega 2.8 sekundi. Kapacitet baterija dostatan je za udaljenost od 600 km. Sinkroni istosmjerni elektromotor je u osnovi motor s kolektorom (komutatorom) koji omogućava dovod struje na namotaje rotora motora. Zbog nedostataka koje uzrokuje komutator u novije vrijeme razvijen je istosmjerni motor bez četkica koji na rotoru ima jake permanentne magnete, dok se struja propušta samo kroz statorske namotaje s kojom upravlja računalo posredstvom prekidnih elektroničkih sklopova pojedinih namotaja statora (elektronički komutator). Da bi se moglo ispravno odrediti kroz koji namotaj statora će elektronički komutator propustiti struju, koliko veliku i kojeg smjera, takav motor mora imati senzor položaja rotora na osnovu čega računalo upravlja radom motora. Takav motor daje veću snagu u odnosu na trofazne motore istih gabarita. Sve elektromotore nadzire programska potpora računala, te je mehanički diferencijal kao mehanizam prijenosa snage na kotače nepotreban. Upravljanje vozilom vrši se kao kod klasičnog automobila, volanom.

Automobil je razvila firma 'Rimac automobili' sa sjedištem u Hrvatskoj u blizini Zagreba. Automobil je prvi put javno prikazan 2009. godine i rezultat je rada skupine entuzijasta, inženjera i dizajnera glede prezentacije posve novog načina izrade automobila, i dokaz je da Električno vozilo može biti i vrlo brz. 'Luigi, auto je brže od 'Ferrari' :-).

SAŽETAK:

Općenito uzevši, električno vozilo nije novost. Električni pogon poodavno se učinkovito koristi recimo kod malih gradskih dostavnih vozila ili viljuškara ili pak neke druge vrste dostavnih ili skladišnih vozila. Električne lokomotive i gradski tramvaj već su odavno uobičajeni. No, Električno vozilo za obiteljsku namjenu, uz razvijenu mrežu punionica baterija (ili njihove brze zamjene) je posve nešto drugo, a sigurno je moguća alternativa sadašnjim dizelskim i benzinskim pogonskim rješenjima. Osim toga njegovu funkcionalnost u velikoj mjeri osigurava moderna elektronika, kao računalo i njegova programska potpora, bez koje gotovo sve navedeno ne bi bilo moguće realizirati.

Električno voziloi velike pogonske snage, kao i trkaći automobili 'Formula E', uobičajeno za prijenos snage s jednog elektromotora na kotače koriste diferencijal i poluosovine. Diferencijal je mehanički uređaj koji broj okretaja motora tj. osovine pogona, preko manjeg zupčanika smanjuje okretanjem većeg zupčanika za nekoliko puta kako bi se broj okretaja poluosovina koje su gibljivim zglobovima povezane s kotačima uskladio prema potrebama vožnje po cesti, te da podsustavom zupčanika omogući da se poluosovine, odnosno kotači, nejednako okreću dok automobil vozi okukom uz ravnomjernu raspodjelu snage prema kotačima. Kod električnih automobila manje pogonske snage ima rješenja da je elektromotor uz kotač koji je izravno vezan za rotor elektromotora, odnosno elektromotor je u sklopu ovjesa kotača. Kako se elektromotor okreće vrlo brzo, neophodna je uporaba reduktora kako bi se smanjio broj okretaja kotača u jedinici vremena na prihvatljivu mjeru. Diferencijal automobila, bilo benzinskog ili električnog, glede već navedenog smanjivanja broja okretaja prema kotačima funkcionira i kao reduktor. Ako se kod automobila velike snage za svaki kotač koriste zasebni pogonski elektromotori, obvezno moraju imati i zasebne reduktore za svaku poluosovinu, a o nadzoru okretnog momenta svakog od elektromotora brine se računalo, upravljačka elektronika i programska potpora, te se prati stanje automobila i prianjanje svakog kotača uz podlogu i na osnovu toga vrši potrebno usklađivanje obrtnih momenata svih kotača i prijenos snage prema njima. Diferencijal kao mehanički uređaj kod uporabe zasebnih elektromotora za svako kolo nije od značaja.

I drugi proizvođači vrše istraživanja glede izrade električnog automobila, ali osim opisanog primjera niti jedan do sada nije bio raspoloživ za kupovinu već samo za najam, te su po njegovom isteku naprosto uništeni. Konceptualno, Električno voziloi drugih proizvođača slični su opisanome, uz napomenu da postoje i hibridne inačice, kod kojih klasični motor pokreče generator struje s kojom se dalje upravlja elektromotorima. I nadalje relativno veliki problem predstavlja dugo vrijeme punjenja baterija, što bi podrazumijevalo koncept brze zamjene baterija za duža putovanja, te velika težina akumulatorskih baterija. Osim toga treba razviti i mrežu 'punionica', ali lobi naftne industrije u priličnoj mjeri koči razvoj električnog automobila. Razlog tome je vjerojatno u činjenici da automobilskoj industriji već dobro utemeljenoj na benzinske motore, nije baš u interesu razvijati neke nove standarde i uspostaviti mrežu 'punionica' na potpuno novim načelima. Vladavina nafte definitivno je odgodila široku primjenu električnog automobila. No, nafte je svakim danom sve manje i manje i stoga je vrlo često uzrok ratovima. Rješenje je već davno trebalo pronaći. Kroz povijest razvijala su se raznolika rješenja, čak i parna (parni klip je jako mali i moćan ali mu je zato kotao užas). Iako se kroz cijelu stranicu rabi naziv 'baterija' zapravo se radi o akumulatoru. Nema sumnje da će razvoj električnih automobila unaprijediti i koncept izrade akumulatora u smislu da budu manjih gabarita, većeg kapaciteta i učinkovitiji tijekom punjenja. Naime, punjenje praznih akumulatora prilično dugo traje. Naizgled, još jedan 'mali' problem također je prisutan. Kako su u pitanju prilično veliki kW snage motora, kada se uzme u obzir autonomija kretanja automobila i vrijeme punjenja akumulatora, proizlazi da potrošnja struje prilikom punjenja akumulatora nije baš mala. Kako riješiti ovaj problem ako se ova vrsta automobila postane znatno više rasprostranjena?

I da, nije potrebno sa sobom nositi nikakve rezervne dijelove, ne radi toga što se ovakvi automobili ne kvare, već radi toga što je korisnik naprosto nemoćan za bilo kakav zahvat osim zamjene probušene gume ili neispravne žarulje. Jedini stvarno korisni alat je 'mobitel' s po mogućnosti već upisanim brojem servisera. U automobilu je priključnica koja se s kablom spoji za testni uređaj koji serviseru omogućava da preko ugrađenih senzora očita sve važne parametre i ustanovi opće stanje automobila ili pak dijagnosticira kvar. Negdašnji 'meštri' definitivno su završili u mirovinu :-).
       Da Električno vozilo nije fantazija, već realna stvarnost, potvrđuje slika desno u ovom paragrafu koja predstavlja 'pumpu' za struju u garaži jedne korporacije. Ovakve strujne priključke koriste Cisco, John Hancock HQ, Geico, Hitachi, Sysco i drugi u velikim garažama svojih korporacijskih sjedišta. Ne samo da se ugrađeni priključci za punjenje električnih automobila u garažama, već sam izgled i prisutnost u garažama ukazuju da je oblik priključka standariziran, što je jako važno glede uporabe različitih automobila na struju. Stigla su električna vozila na veliko tržište. Industrija promiče značajna poboljšanja u tehnologiji izrade baterija. Kao rezultat toga, ova nova i uzbudljiva industrija 'stanica za električno punjenje' je ovdje da ostane i očekuje se da će brzo rasti.