BSEN

Početna › Motorna vozila › Električna i hibridna vozila

Električna i hibridna vozila

Karakteristika elektromotora, baterija i njen kapacitet, potrošnja energije i domet, rekuperacija, punjenje, vrste hibridnog pogona i poređenje s motorom s unutrašnjim sagorijevanjem.

Sadržaj
  1. Zašto je pogon drugačiji
  2. Karakteristika elektromotora
  3. Baterija
  4. Potrošnja energije i domet
  5. Rekuperacija
  6. Punjenje
  7. Hibridni pogoni
  8. Poređenje s klasičnim pogonom
  9. Visoki napon i sigurnost
  10. Riješen primjer
  11. Literatura

1. Zašto je pogon drugačiji

Fizika kretanja je ista kao kod svakog vozila: isti otpori, isti bilans sila, isto prianjanje (vidi Vučni proračun). Razlikuje se izvor energije i karakteristika pogonskog motora. Elektromotor daje pun moment od nule, radi u širokom opsegu broja obrtaja s visokim stepenom iskorištenja i može raditi kao generator. Zato električna vozila najčešće nemaju mjenjač ni spojnicu, a dio energije kočenja vraćaju u bateriju.

2. Karakteristika elektromotora

Spoljna karakteristika vučnog elektromotora ima dva područja:

$$M = M_{max}\ (n \le n_b), \qquad M = \frac{P_{max}}{\omega}\ (n > n_b), \qquad n_b = \frac{30}{\pi}\,\frac{P_{max}}{M_{max}}$$

To je skoro idealna vučna karakteristika (hiperbola F·v = const), pa jedan stalni prenosni odnos pokriva i polazak i najveću brzinu. Razlikuju se vršna snaga, dostupna nekoliko desetina sekundi, i trajna snaga, ograničena hlađenjem.

n [o/min]M [Nm]04000800012000160000100200300050100150P [kW]nb  = 4620stalan momentstalna snaga
Karakteristika vučnog elektromotora iz primjera (150 kW, 310 Nm). Do baznog broja obrtaja moment je stalan, a iznad njega snaga je stalna i moment opada. Puna linija je moment, isprekidana snaga.

Najčešće vrste motora su sinhroni s permanentnim magnetima (PMSM), s visokim stepenom iskorištenja i velikom gustinom snage, i asinhroni (indukcioni), bez skupih magneta. U novije vrijeme koriste se i sinhroni motori s namotanim rotorom, bez magneta. Stepen iskorištenja motora i invertora zajedno u većem dijelu radnog područja je 85–95 %.

3. Baterija

Baterija je skup litijum-jonskih ćelija, povezanih serijski (za napon) i paralelno (za kapacitet):

$$E = U\cdot Q, \qquad U = n_s\, U_c, \qquad Q = n_p\, Q_c$$

gdje je E energija u Wh, U napon, Q kapacitet u Ah, a ns i np broj ćelija u seriji i paraleli. Sistemi rade na naponu oko 400 V ili 800 V. Viši napon znači manju struju za istu snagu, pa i tanje kablove i brže punjenje.

++++++++++++++++++++++++ns  ćelija u seriji → napon U = ns  · Uc np  u paraleli → kapacitet Q = np  · Qc 
Ćelije se vežu u paralelne grupe (kolone), radi većeg kapaciteta, a grupe serijski, radi većeg napona. Energija baterije je E = U·Q. Za oko 400 V treba približno 110 grupa NMC ćelija u seriji.

4. Potrošnja energije i domet

Energija na točkovima po pređenom putu jednaka je otpornoj sili (1 N = 1 J/m). Uz stepen iskorištenja od baterije do točka ηbt i snagu pomoćnih potrošača Paux (grijanje, klima, elektronika), potrošnja iz baterije je

$$e = \frac{F_f + F_w}{\eta_{bt}} + \frac{P_{aux}}{v} \quad [\text{J/m}], \qquad e\,[\text{kWh/100 km}] = \frac{e\,[\text{J/m}]}{36}$$

a domet

$$D = \frac{E_{kor}}{e}$$

Za razliku od vozila s motorom SUS, kod kojeg je potrošnja u gradu najveća, električno vozilo najmanje troši u gradu: brzine su male, otpor zraka je mali, a kočenje vraća energiju. Najveća potrošnja je na autoputu, gdje dominira otpor zraka. Zato aerodinamika (cxA) kod električnih vozila ima ključan uticaj na domet.

5. Rekuperacija

Pri kočenju motor radi kao generator i puni bateriju. Vraćena energija je kinetička energija umanjena za gubitke u motoru, invertoru i bateriji (ukupno se vraća 60–75 % energije kočenja), uz ograničenja:

Mnoga vozila imaju vožnju „jednom pedalom“: otpuštanje gasa daje rekuperativno usporenje do 0,2–0,3 g, pa se tarne kočnice u gradu rijetko koriste. Usklađivanje rekuperacije i tarnih kočnica obrađeno je u poglavlju Kočenje.

6. Punjenje

Približno vrijeme punjenja je

$$t \approx \frac{\Delta E}{\eta_{pun}\, P_{pun}}$$

7. Hibridni pogoni

VrstaPrincip
Blagi hibrid (MHEV, 48 V)mali starter-generator; pomaže pri polasku i rekuperira, ne vozi samostalno
Puni hibrid (HEV)vozi kratko samo električno, baterija se puni isključivo iz goriva i rekuperacijom
Plug-in hibrid (PHEV)veća baterija koja se puni iz mreže, 40–100 km električnog dometa
Serijski hibrid / EREVmotor SUS samo pogoni generator, a točkove pogoni elektromotor
Paralelni hibridoba motora mehanički pogone točkove
Serijsko-paralelni (sa razdjelnikom snage)planetarni prenosnik dijeli snagu motora SUS na mehanički i električni put (npr. Toyotin sistem)
serijskimotor SUSgeneratorbaterijaelektromotortočkoviparalelnimotor SUSbaterijaelektromotormjenjačtočkovi
Serijski hibrid: motor SUS samo proizvodi struju, a točkove pogoni elektromotor. Paralelni hibrid: oba motora mehanički pogone točkove, zajedno ili pojedinačno.

Hibrid štedi gorivo jer motor SUS drži bliže području najmanje specifične potrošnje (vidi mapu ge u Vučnom proračunu), isključuje ga pri malim opterećenjima i vraća energiju kočenja.

8. Poređenje s klasičnim pogonom

U primjeru iz Vučnog proračuna benzinsko vozilo pri 90 km/h troši 6,9 L/100 km. Uz energetsku vrijednost benzina od oko 8,9 kWh/L, to je oko 61 kWh/100 km hemijske energije. Električno vozilo iste veličine pri sličnoj brzini troši oko 15 kWh/100 km iz baterije, dakle oko četiri puta manje energije na točkovima. Razlika je u stepenu iskorištenja: motor SUS u vožnji pretvori u rad 20–35 % energije goriva, a električni pogon 80–90 % energije iz baterije.

benzin – energija goriva61,4 kWh/100 kmelektrično – iz baterije14,3 kWh/100 kmenergija na točkovima (ista za oba)12,6 kWh/100 kmvozilo 1700 kg pri 90 km/h (primjer iz Vučnog proračuna)
Isti otpori vožnje, različit stepen iskorištenja pogona. Benzinski motor u ovom primjeru pretvori u rad na točkovima oko 21 % energije goriva, a električni pogon oko 88 % energije iz baterije.

Za potpuno poređenje uticaja na okolinu treba uzeti u obzir i proizvodnju električne energije i proizvodnju baterije (analiza životnog ciklusa), što je izvan okvira ovog poglavlja.

9. Visoki napon i sigurnost

Napon od 400–800 V je opasan po život. Propisi (UN R100) traže zaštitu od dodira dijelova pod naponom, nadzor izolacije, automatsko isključenje baterije pri sudaru i zaštitu baterije od mehaničkog oštećenja. Termički bijeg (engl. thermal runaway) je nekontrolisano zagrijavanje ćelije koje se može prenijeti na susjedne. Sprječava se upravljanjem temperaturom i konstrukcijom paketa, a ispitivanja prema propisima traže da putnici imaju vremena napustiti vozilo. Rad na visokonaponskim sistemima smiju obavljati samo za to obučene osobe.

10. Riješen primjer

Zadatak. Električno vozilo srednje klase: m = 1800 kg, cx = 0,28, A = 2,3 m², f = 0,009, ηbt = 0,88, pomoćni potrošači 1 kW, korisna energija baterije 70 kWh, motor 150 kW i 310 Nm.

a) Bazni broj obrtaja motora

\(n_b = \dfrac{30}{\pi}\cdot\dfrac{150\,000}{310} = 4620\ \text{o/min}\)

b) Potrošnja i domet pri 100 km/h

\(F_f = 1800\cdot 9{,}81\cdot 0{,}009 = 159\ \text{N}, \qquad F_w = \tfrac12\cdot 1{,}225\cdot 0{,}28\cdot 2{,}3\cdot 27{,}78^2 = 304\ \text{N}\)

\(e = \dfrac{463}{0{,}88} + \dfrac{1000}{27{,}78} = 526 + 36 = 562\ \text{J/m} = 15{,}6\ \text{kWh/100 km}\)

\(D = 70/15{,}6\cdot 100 = 448\ \text{km}\)

c) Uticaj brzine (isti postupak):

BrzinaOtporPotrošnjaDomet
50 km/h235 N9,4 kWh/100 km≈ 740 km
100 km/h463 N15,6 kWh/100 km≈ 450 km
130 km/h673 N22,0 kWh/100 km≈ 320 km

Povećanje brzine sa 100 na 130 km/h smanjuje domet za trećinu. Za klasično vozilo ovo je poznata pojava, ali kod električnog je izraženija, jer nema „gubitka u praznom hodu“ koji bi to prikrio.

d) Brzo punjenje od 10 do 80 % (49 kWh) uz prosječnu snagu od 100 kW i η = 0,95: \(t = 49/(0{,}95\cdot 100) = 0{,}52\ \text{h} \approx 31\ \text{min}\)

11. Literatura