Budowa auta na prąd


Czy to się opłaca?

Tak! Jadnak konieczność budowy pociąga za sobą dwa waruneki konieczne:

- posiadanie własnej posesji, najlepiej z garażem

- ograniczenia dot. zasięgu w zależności od ładowności auta

Własna posesja to możliwość dostaw o każdej porze i niezależnie długo energii elektrycznej, niezbędnej do podładowywania akumulatorów, możliwość utrzymywania akumulatorów we wzglednie stałej temperaturze oraz możliwość przeróbek i poprawek.

Warunek ten ma na celu zapewnienie jak najlepszej efektywności w użytkowaniu akumulatorów, przede wszystkim zapewnienie wysokiej pojemności ogniw w okresie zimowym. Akumulatory są bardzo czułe na niskie temperatury, a pojemność w mroźnych dniach może wynieść nawet 20-10% pojemności całkowitej, co wpływa z kolei na zasięg pojazdu. Przechowywanie zatem w pomieszczeniu względnie ciepłym (garaż, piwnica) to niezbędna koniecznosć do jazdy w okresie zimowym.

Typ auta ma znaczenie z uwagi na ładowność, co bezpośrednio przekłada się na możliwą do transportu pojemność akumulatorów (przy silniku 75-84V należy liczyć 7 szt akumulatorów po 12V). W pojeździe o większej ładowności można zamontować cięższe akumulatory o wiekszej pojemności co automatycznie zwiększa zasięg.


Pionierzy napędu elektrycznego w Polsce

Absolutnym pionierem w dziedzinie przeróek aut na elektryczne jest pan Zbigniew Kopeć z Gdańska. Praktycznie wszystkie wykonane obliczenia i kalkulacje są oparte o dane udostępnione przez pana Zbigniewa.

Obliczenia są jedynie szacunkowe, prowadzone dla warunków idealnych (akumulatory o 100% pojemności), parametry dla akumulatorów TROYAN 6V 180Ah ważących 29kg. Konstruktor, pan Zbiegniew Kopeć, używa zestawów ważących po około 400kg (14sztuk łączonych szeregowo) dających sumarycznie napięcie 84V DC. W celu zwiększenia zasięgu, dodatkowy identyczny zestaw podłączany jest równolegle.

1. Ilość akumulatorów w pojeździe jest niezwykle istotna. Wrast ze wzrostem ich ilości wzrasta masa całkowita pojazdu, ale znacznie bardziej rośnie wartość zgromadzonej energii, odpowiedzialnej za zasięg:

Pojemność*
[Ah]
Zasięg
[km]
180 170
360 550
540 1 130**
*- Pojemnosc 180Ah, to pojemnosc jednego zestawu 14 akumulatorów polaczonych szeregowo, DC=84 V
**- wartość szacunkowa

2. Gwałtowny wzrost krzywej zasięgu w zależności od niezmiennie rosnącej masy - pojemności akumulatorów powoduje gwałtowny spadek wymaganej pojemności na każde kolejne 100km zasięgu.
Czyli przy takiej samej pojemności można pojechać dalej - a więc taniej!
Analogicznie: jazda po mieście jest kosztowna: 10L/100km, ale w trasie już nie: 5L/100km - za 10L gdzie w mieście można przejechać 100km, w trasie można już dwa razy więcej-200km.

Pojemność
[Ah]
Zasięg
[km]
Pojemność/100km
180 170 106
360 550 65.5
540 1130* 47.8
*- wartość szacunkowa

A pojemność można już przeliczyć realnie na złotówki:


Kosztorys dla ceny: 0.20 zł/kWh (taryfa nocna)

Podróż przy kosztach 2 zł/100km jest już na pewno opłacalna :)) - szczególnie przy obecnych cenach paliw.

To oczywiscie półprawda, do ceny tej należy doliczyć:
- koszt zakupu elementów zasilania elektrycznego
- montaż i dostrojenie (koszty robocizny)
- rejestracja (w tym badania diagnostyczne)
- koszt zakupu akumulatorów i późniejszej ich wymiany (zużycie)

Oraz wzrost kosztów na km:
- straty energii (jazda w mieście, droga pagórkowata, nierówna)
- straty pojemności akumulatorów w wyniku chłodniejszych dni (mniejszy zasięg)


Opłacalność przeróbki

Czy opłaca się przerobić auto spalinowe na elektryczne. Patrząc na cenę przejechania 100 km zapewne wielu uważa że tak, niestety - w samochodzie elektrycznym podlega zużyciu najdroższy element przeróbki: akumulatory, które należy co jakis czas wymieniać.

Koszty ogólne przeróbki przedstawiają się następująco (dane z IX.2005):

Silnik używany1): 1200 - 2100 zł
Regulator Curtis2): 1000 zł
Montaż, sterowanie2) 3): 3000 zł
Pozostałe4): 800 zł
1) - w zależności od modelu
2) - brak danych, cena prawdopodobna
3) - wykonanie przez mechanika i elektryka
4) - Okablowanie, diagnostyka, rejestracja

Akumulatory:

Najlepszy stosunek pojemności do ceny mają obecnie standardowe akumulatory ołowiowe-kwasowe (NiMH, NiCd są bardzo drogie, nie wspominając o wszelkich litowych, których orientacyjna cena dla podobnych pojemności przekracza 50 tys zł.), modele wyższej klasy mają żywotność dochodzącą do 10 lat.

Akumulatory5) 12V 7szt: 3000 zł
5) - wysokiej jakości, wytrzymałości itp.

Przy silniku 75-84V niezbędnym jest podłączenie zestawu osiagającego te napięcie (7szt po 12V). Należy uwzględnić nośność pojazdu (chyba że ktoś posiada auto typu mini-VAN lub decyduje się na użycie dodatkowej przyczepy).
Przykładowo:

masa dopuszczalna:..... 1370 kg
masa własna pojazdu:.. - 890 kg
masa 2 pasażerów:...... - 150 kg
masa ładunkowa:......... 330 kg

Msa ładunkowa = masa 7 akumulatorów połaczonych szeregowo (7x12=84V), zatem waga 1 akumulatora to:

330:7 = 47 kg

Tak ciężkie akumulatory posiadają pojemność około (szacunkowo) 120Ah.

Zatem całkowita pojemność akumulatorów wynosi: 120 Ah, moc: 10 kW, co wystarcza na zasilanie 10kW silnika przy maksymalnym obciążeniu przez około godzinę*, przy oszczędnej jeździe (około 50km/h) pozwala to na przejechanie około 90km.

W warunkach optymalnych użytkowania akumulatorów, tj. 100% pojemności (naładowane, temp około 25°C).

Zakładając, iż koszt nowych akumulatorów dobrej jakości o trwałości minimum 5 lat wyniesie sumarycznie 3000 zł, (koszta energii można zaniedbać, pełne naładowanie to cena około 2zł), to koszta wyniosą około 50 zł/miesiąc.

Porównując do kosztów benzyny: 50zł/m-c - 12L benzyny. Przy spalaniu 6L na 100 wystarcza to na przejechanie około 200 km/h, co odpowiada zaledwie 10 km dziennie ( w ciągu 20 dni roboczych)!

Widac więc, iż przeróbka auta się za każdym razem opłaca, nawet w najgorszym wariancie cenowym.


Technikalia

Auto elektryczne można zbudować w opraciu o dwa typu napędów:

- silnik prądu zmiennego (trójfazowy)

- silnik prądu stałego

Oba silniki mają swoje wady i zalety.


Moc silnika

Moc znamionowa silnika (w odróżnieniu od mocy chwilowej) charakteryzuje właściwą, użytkową moc jednostki napędowej. Jeśli auto miałoby posiadać parametry użytkowe podobne jak auta spalinowego (np. 55KM mocy), to silnik elektryczny musiałby mieć taką samą moc. Jednak takie wielkie (mocą i gabarytem) silniki trudno dostać a także zamontować... pozostaje więc silnik mniejszej mocy.

Dobór silnika stanowi właściwie główny problem konstrukcji. Od mocy silnika zależy przyspieszenie pojazdu, prędkość maksymalna a także zużycie energii. Od rodzaju silnika zależy każdy z tych parametrów.


Moc silnika - opory ruchu

Dobór silnika nie jest identyczny dla danej marki pojazdu , gdyż opory samochodu zależą od:
- prędkości
- masy samochodu
- charakterystyki dynamicznej auta

Dla każdego modelu samochodu parametry te będą się różnić, zmieniąc wymaganą moc silnika:

Fopory = k * C * v2

gdzie:
k - stała określająca gęstość powietrza
C - stała określająca charakterystykę dynamiczną i masę pojazdu
v - prędkość

Można jednak wyliczyć przybliżone wartości oporów ruchu, posiłkując się dostępnymi charakterystykami pojazdów (np z www). Przykładowo:

VW Golf II
1.3
Fiat126p
"Maluch"
Moc
silnika
55 KM 24 KM
Prędkość
max.
151 km/h 105 km/h

Czyli silnik Golfa musi wydatkować 55 KM mocy aby utrzymać stałą prędkość 151 km/h - pokonanie oporów powietrza, tocznych i inn. przy tej prędkości będzie wymagało więc mocy silnika 55KM. Korzystając ze wzoru na wielkość sił oporu ruchu, możemy określić stałe, charakterystyczne dla danego modelu auta.

Fopory = a * v2

a = Fopory/v2

aGolf = 0.002412 aFiat = 0.001983

Podstawiając stałą "a" dla wzoru na F (jako k*C) możemy prosto wyznaczyć wielkość sił oporów w zależności od prędkości pojazdu - a także określić moc dla zadowalającej prędkości maksymalnej pojazdu elektrycznego.
Należy nie zapominać o przeliczeniu KM na kW.


Konieczna moc silnika w zależności od prędkości pojazdu

I cóż się okazuje? Maluch, mimo 2x słabszego silnika ma lepszą charakterystykę mocy! Wynika to oczywiście z niewielkich gabarytów oraz mniejszej masy "pojazdu".

Aby wyliczyć maksymalną prędkość pojazdu przy konkretnej mocy silnika wzór zmienia nieco swoją postać:

gdzie:
P - moc pojazdu ([kW] = F/0.745, F - moc w [KM])
a - współczynnik oporów pojazdu

Najłatwiej dostępne jednostki napędowe (DC) posiadają moc 7, 10 i 14kW. Moc takiego silnika wystarczy na pokonanie oporów ruchu pojazdu przy prędkości:

VW Golf II
1.3
Fiat126p
"Maluch"
Silnik 7kW 54 km/h 59 km/h
Silnik 10kW 64 km/h 71 km/h
Silnik 14kW 76 km/h 84 km/h

Z powyższych kalkulacji nasuwa się ciekawy wniosek: dwa razy silniejszy silnik dla tech akurat aut powoduje wzrost prędkości o 20-25 km/h. Przy parametrach: akumulatory o pojemności 200Ah, napięcie pracy 84V (16.8 kWh) oba auta przejadą przy prędkości maksymalnej:

Dysponując danymi: prędkość maksymalna oraz pojemność akumulatorów: (200Ah x 84V = 16.8kWh), można oszacować zasięg pojazdów:

VW Golf II
1.3
Fiat126p
"Maluch"
Silnik 7kW 142 km 130 km
Silnik 10kW 119 km 108 km
Silnik 14kW 101 km 91 km

Paradoksalnie można się sugerować, iż tańszy, mniejszy silnik 7kW będzie bardziej optymalny - opłaca się jeździć wolniej. Niskie prędkości i zerowy pobór mocy w trakcie postoju są wręcz idealne dla jazdy "w mieście". To jednak jest tylko półprawda - zaletami silniejszych silników jest jednak: większa prędkość i większa moc w przypadkach koniecznych: jażdzie pod strome podjazdy czy omijanie różnego typu zawalidróg.


Moment obrotowy

Moment obrotowy jest faktycznie wartością wyznaczającą wielkość przyspieszenia pojazdu, określaną jako ramię siły, wielkość siły, działającej na ramię, powodującej jego obrót z określonym przyspieszeniem:

Moment obrotowy w silnikach elektrycznych zależy od rodzaju silnika, silnik AC ma staly, DC - zależny od obrotów. Wartość momentu można zwielokratniać przez zastosowanie skrzyni biegów, podobnie jak się to dzieje w przypadku silników spalinowych (ruszanie z biegu I a III). Niższe przyłożenie (niższy bieg) to mniejsza prędkość ale większy moment obrotowy i większa siła działająca na samochód - co umożliwia łatwiejsze pokonywanie wzniesień, czy gwałtownie przyspieszać.

Silnik 14kW będzie dla niskich prędkości zużywał tyle mocy ile silnik 7kW (pokonywanie oporów powietrza), jednak pozostanie określony zapas mocy na podniesienie prędkości, czy też na podjazd pod górę na wyższym biegu - z większą prędkością.

Moment obrotowy silnika DC jest maksymalny na najniższych obrotach, zatem najekonomiczniejsza jazda wydaje się być dla wyższych biegów, dla których są niższe prędkości obrotowe a najwyższe wartości przyspieszeń. Optymalnym będzie korzystanie z biegu IV-V, a niższe - tylko w przypadku konieczności uzyskania większych momentów obrotowych (np. przy stromych podjazdach).

Moment obrotowy silnika AC jest w przybliżeniu stały - niezależny od liczby obrotów, jednak jego wartość ściśle zależy od mocy nominalnej silnika (7,10,14 kW) - silnik 14kW dysponuje zatem 2x większym momentem obrotowym niż silnik 7kW, co powoduje iż silnik ten może rozpędzić pojazd szybciej i do większych prędkości.


Liczba obrotów silnika

Należy pamiętać, iż mimo mocy silnika i momentu obrotowego (związanego z mocą nominalną) nie da się przekroczyć ilości obrotów silnika przy najwyższym przełożeniu.
Przykładowo, jeżeli ilość maksymalna obrotów silnika elektrycznego wynosi 3000 obr/min, a na najwyższym biegu dla tej prędkości można osiągnąć np. 75 km/h (przydatny obrotomierz), to mimo iż silnik będzie posiadał zapas mocy (np zużywane 11kW dla zastosowanego silnika 14kW) - nie da się o rozpędzić szybciej - (chyba że sztucznie podkręci się obroty, np. podwyższając napięcie, czy zwiększając częstotliwość pracy silnika AC falownikiem).

Przykładowo:
silnik
spalinowy
silnik
elektryczny 14kW
2 000
obr/min
65 km/h 84 km/h
3 000
obr/min
90km/h 84 km/h
Opis Silnik 14kW 2000 obr/min zdolny będzie rozpędzić pojazd wyłącznie do 65km/h - mimo, iż będzie on posiadał zapas mocy, konstrukcja skrzyni biegów nie pozwoli rozpędzać się szybciej (silnik osognie maksymalne oborty przy maksymalnym przyłożeniu). Silnik 14kW 3000 obr/min nigdy nie osiągnie prędkości końcowej 3000 obr/min - gdyż mocy wystarczy jedynie na pokonanie opoów powietrza przy prędkości 84km/h - silnik będzie więc pracował z niższymi obrotami od maksymamalnych.

Widać zatem, iż najbardziej ekonomiczny silnik to taki, którego obroty pozwalają na uzyskanie prędkości wyższej niż wynikająca z silnika moc (do pokonywania oporów ruchu pojazdu).


Jak jeździć - szybkość rozładowywania akumulatorów

Znanym faktem jest to, iż im większy prąd poboru, tym mniejsza pojemność akumulatora C (gdzie C oznacza pojemność np. 50Ah):

wielkość
prądu
czas
rozładowania
3 C 6 min
2 C 12 min
1 C 33 min

Zjawisko to nie zachodzi tylko dla dużych prądów równych wielokrotności pojemności akumulatora, ale również dla małych prądów, stanowiących ułamki pojemności całkowitej akumulatora.
Obniżenie wielkości poboru mocy może nastapić poprzez zmniejszenie zapotrzebowania, lub poprzez większą pojemność akumulatorów:

pojemność
akumulatora
czas
rozładowania
200 Ah 3.4 h
400 Ah 9.0 h

Zaleca się zatem wozić jak najwiekszą pojemność akumulatorów ze sobą a także jeździć moźliwie najwolniej - spowoduje to:
a) spadek ilości pobieranego prądu na akumulator
b) obniżenie zapotrzebowania na energię (mniejsze opory powietrza) - prędkość optymalna to ok. 50 km/h


Silnik pradu zmiennego (trójfazowy)

Najważniejszą zaletą stosowania silników prądu zmiennego jest ich względnie niewielka cena i stały moment obrotowy (co de facto pozwala zlikwidować skrzynię biegów).

Wskutek możliwości bezpośredniego przyłożenia wału napędowego do kół pojazdu, silnik powinien się charakteryzować niską prędkością obrotową, rzędu 1500 obr/min - teoretycznie wartość ta pozwala na osiągnięcie przez pojazd prędkości około 170km/h, stosowanie więc szybszych silników mija się z celem, szczególnie iż wskazana jest praca silnika na szybkich obrotach, przy których silnik produkuje najmniej ciepla (najmniej się grzeje), a jego sprawność jest najwyższa.

Stosowanie skrzyni biegów umożliwia precyzyjne sterowanie momentem obrotowym przenoszonym na koła pojazdu (moment obrotowy wzrasta o wartość przełożenia), stąd dla przełożenia 2:1 (2 obroty silnika na 1 obrót kola) moment obrotowy bedzie 2x większy - oczywiście dla tej samej prędkości obrotowej silnika elektrycznego. Skrzynia biegów powinna się jednak przydawać w sytuacjach wymagających wysokich mocy na kołach, jak jazda z obciążeniem, w trudnym terenie czy pod górę.


Sterowanie

Sterowanie stanowi najsłabszy, a zarazem nadroższy punkt konstrukcji auta opartego na silniku AC. Do naefektywniejszej pracy silnika wymagany jest falownik wektorowy, zamieniający napięcie stałe na zmienne 3-fazowe (do jakości falownika zależy końcowa sprawność silnika). Falownik powinien mieć moc o około 30% większą od samego silnika.
Samo sterowanie falownikiem odbywa się poprzez potencjometr (rezystor nastawny) i jest on sprzęgniety z pedałem gazu.


Odzysk energii

Odzysk energii z pojazdu jest szczątkowy, ale może być bardziej efektywny niż w standardowym pojeździe spalinowym. W tradycyjnym napędzie, silnik spalinowy wydatkuje moc na obroty alternatora (który stawia pewny opór magnetodynamiczny, generując jednocześnie prąd).
W samochodzie zasilanym silnikiem AC, energia może być odzyskiwana przez alternator (lub zespół alternatorów) w momencie hamowania lub jazdy "luzem". Warto podkreślić, iż wskutek względnie dużych oporów obrotowych alternatora (lub zespołu alternatorów), pojazd będzie znacznie szybciej wyhamowywany, niż przy użyciu samych hamulców.


schemat instalacji pojazdu z silnikiem AC


Silnik pradu stalego

Zaletą stosowania silników prądu stałego jest znacznie prostszy układ sterujący silnikiem, a także samoczynne działanie silnika jako prądnica przy hamowaniu lub jeździe "na luzie" (oczywiście przy wyłączonym silniku i -odwrotnie jak w samochodach spalinowych- wrzuconym biegu).

Elementy cierne silników DC podlegają okresowej wymianie w wyniku zużycia (szczotki), a zdobycie samego silnika odpowiedniej mocy nie jest tak proste, jak w przypadku silnika AC.

Stosowanie skrzyni biegów umożliwia precyzyjne sterowanie momentem obrotowym przenoszonym na koła pojazdu. W odróżnieniu od silników AC, silniki DC posiadają moment obrotowy zależny od obrotów. Dla wysokich obrotów moment obrotowy silnika spada, dlatego skrzynia biegów wydaje się być niebędna (wyjątkiem są sytuacje, gdy silnik DC jest silnikiem wolnoobrotowym).

Sterowanie

Sterowaniem obrotów zajmuje się regulator - rodzaj zwykłego potencjometru z odpowiednimi układami zabezpieczającymi i kontrolującymi parametry prądu (zabezpiecza silnik m.in. przed zbyt dużym skokiem napiecia). Regulator może być bezpośrednio sprzeżony z pedałem gazu.


Odzysk energii

W przypadku pojazdów opartych o silniki DC nie ma potrzeby wykorzystywania alternatorów, wyłączony silnik działa jak prądnica. W celu zwiększenia wydajności prądowej zespołu akumulatory/silnik, należałoby się zastanowić nad rozwiązaniem samoczynnie wyłączającym silnik w przypadku hamowania i jeździe na luzie.
W odróżnieniu od tradycyjnych konstrukcji aut spalinowych, jazda "na luzie" doładowująca akumulatory polegała by na wyłączeniu silnika, lecz ciągłym przenoszeniu obrotów z kół na silnik w pozycji odpowiadającej któremuś z biegowi (tradycyjnie skrzynia biegów w pozycji "luz" odłącza silnik spalinowy od kół).


schemat instalacji pojazdu z silnikiem DC


Konstrukcja auta elektrycznego:
wg.danych konstruktora elektrycznej Toyoty Corolli, pana Zbigniewa Kopcia z Gdańska, oraz materialów źródłowych:

Samochody elektryczne - technologie, strona Dawida R.


Artykuł tematyczny:Auto na prąd

Artykuł tematyczny:Rozmowa z prof. Grocholą n/t przyszłości ogniw paliwowych

Artykuł tematyczny:Ogniwo bezpośredniego zasilania paliwem