Nie ma odwrotu – samochody elektryczne to przyszłość motoryzacji. Warto więc wiedzieć, na jakiej zasadzie działają i jak są zbudowane ich silniki. Najważniejsze informacje.
Materiał powstał przy współpracy z marką Skoda
Już ponad 100 lat temu inżynierowie wiedzieli, że w silniku elektrycznym drzemie olbrzymi potencjał, ale dopiero dzisiaj rozwiązanie to zaczęło grać pierwszoplanową rolę w świecie motoryzacji. Największą zaletą jednostek zasilanych elektronami jest tzw. sprawność cieplna – to wartość mówiąca o tym, jaki procent energii z paliwa jest zamieniany na siłę napędową (reszta jest tracona w postaci np. ciepła). Silniki spalinowe osiągają sprawność do 40%, a elektryczne ponad 90%, różnica jest więc ogromna.
Budowa silnika elektrycznego jest prosta (patrz niżej), bo zamiast wału korbowego, tłoków, cylindrów oraz zaworów są tu stojan i wirnik, a energię dostarcza nie łatwopalna ciecz ze zbiornika paliwa, lecz energia elektryczna magazynowana w akumulatorach.
materiały prasowe
Jak działa silnik elektryczny
Zasada działania takiej jednostki napędowej okazuje się dość skomplikowana, dlatego w dużym skrócie: stojan to nieruchoma część zewnętrzna silnika, naszpikowana przewodami, które pod wpływem przepływającego przez nie prądu wytwarzają pole elektromagnetyczne. Wirnik z kolei to magnes (lub elektromagnes), umieszczony wewnątrz stojana, który pod wpływem odpychającego oddziaływania na siebie pól magnetycznych stojana i wirnika, jest wprawiany w ruch obrotowy. Wirnik jest jednocześnie wałem napędowym, a więc przesyła prosto do przekładni wytworzoną w ten sposób siłę napędową.
materiały prasowe
Jak działa silnik elektryczny?
Silnik elektryczny ma taką specyfikę, że w zależności od rodzaju dostarczanej energii zamienia energię elektryczną z akumulatora w mechaniczną (napędza koła), a otrzymując energię z drugiej strony, od kół, pracując jako prądnica, zamienia energię mechaniczną w elektryczną (to tzw. proces rekuperacji), która trafia do „baterii”. Chociaż kiedyś już o tym pisaliśmy, warto przytoczyć porównanie, że działa to tak, jakby za pomocą kręcenia wałem korbowym silnika spalinowego dało się wyprodukować benzynę. Przewaga silnika elektrycznego nad spalinowym okazuje się tu oczywista.
materiały prasowe
Jak działa silnik elektryczny?
Jednostka elektryczna jest niewielka i dość lekka, nawet w autach o dużej mocy – żeby zwiększyć moc, nie trzeba znacznie powiększać silnika, lecz wystarczy np. zwiększyć jego maksymalne obroty. Chociaż taka jednostka nie potrzebuje do pracy wielu podzespołów, np. układu smarowania czy elementów zapłonu, to również wymaga chłodzenia. Większość silników elektrycznych chłodzi się cieczą za pomocą umieszczonego w ich obudowie płaszcza wodnego. Ważny jest też moduł sterujący, czyli tzw. elektronika mocy. To jednostka zarządzająca przepływem energii elektrycznej w układzie napędowym, od skuteczności jej działania zależy m.in. zużycie energii przez silnik, a więc również zasięg samochodu elektrycznego.
Ten sam silnik, różne zadania
materiały prasowe materiały prasowe materiały prasowe Łagodna hybryda Hybryda plug-in Samochód elektryczny
Zasada działania silnika elektrycznego jest taka sama w różnych rodzajach zelektryfikowanych aut, ale w każdym z nich silnik wykonuje nieco inne zadania. W autach określanych jako łagodne hybrydy, jak np. Skoda Octavia e-Tec, silnik elektryczny jest niewielki i nie napędza samochodu w pojedynkę, lecz odzyskuje energię podczas hamowania i wykorzystuje ją potem do wsparcia jednostki spalinowej podczas przyspieszania. W klasycznych hybrydach udział silnika elektrycznego jest większy, bo takie auta nawet przez 60-70 procent czasu poruszają się w trybie elektrycznym, ale jednostki te nie są zbyt mocne i bez uruchamiania spalinowej mogą „na raz” przejechać maksymalnie 2-3 kilometry.
materiały prasowe
Jak działa silnik elektryczny?
Bardziej zaawansowane są hybrydy typu plug-in, czyli takie, w których montuje się akumulatory magazynujące znacznie więcej energii elektrycznej, dzięki czemu silnik elektryczny może napędzać samochód nawet przez 40-60 kilometrów. Pozwala też rozpędzić auto nawet do 140 km/h – bez uruchamiania jednostki spalinowej. Taki napęd ma np. Skoda Octavia iV. Finalną i najbardziej zaawansowaną formą wykorzystania silników zasilanych elektronami są oczywiście samochody w pełni elektryczne, jak np. Skoda Enyaq iV, które mogą mieć nawet dwie takie jednostki – jedną z przodu, drugą z tyłu.
materiały prasowe
W Skodzie Enyaq iV silnik znajduje się z tyłu; w wersji z napędem na cztery koła, montuje się drugi, tym razem z przodu
Samochód elektryczny (BEV – ang. Battery Electric Vehicle) działa dokładnie tak samo, jak samochód z silnikiem spalinowym, z tą różnicą, że do napędu wykorzystuje energię elektryczną, czyli prąd. Zamiast silnika spalinowego, umieszczonego niekoniecznie pod maską, jest silnik lub silniki elektryczne, sterownik oraz zestaw akumulatorów.
Cały układ jest prostszy, czystszy i bardziej cichy, bo silnik elektryczny nie generuje hałasu. Energia elektryczna zmagazynowana w akumulatorach jest przekazywana do silnika elektrycznego, który napędza koła samochodu bezpośrednio lub przez zespół przekładni mechanicznych.
Moment obrotowy silnika elektrycznego dostępny jest od zerowej prędkości obrotowej, w wyniku czego auto jest znacznie bardziej dynamiczne a technicznie nie ma konieczności stosowania sprzęgła. To właśnie dlatego samochody elektryczną podczas przyspieszania tak mocno wciskają w fotel, dają niewyobrażalne poczucie dynamiki i przyjemności z jazdy.
A skąd bierze się moment obrotowy? W przypadku silnika spalinowego ze spalania mieszanki (paliwa i powietrza) w cylindrze. W silniku elektrycznym na skutek oddziaływania pól magnetycznych wytworzonych przez stojan i wirnik. Prąd przepływający przez wirnik wytwarza wokół niego pole magnetyczne. Bieguny jednoimienne magnesu odpychają się, a różnoimienne przyciągają się, czego skutkiem jest powstanie ruchu obrotowego. Każdy, kto bawił się magnesami odczuł ich przyciąganie i odpychanie na własnej skórze.
W silniku elektrycznym nie dochodzi do procesu spalania mieszanki paliwa i powietrza, nie ma tłoków i cylindrów, wreszcie nie ma konieczności stosowania turbosprężarek. Nie ma więc konieczności smarowania elementów ruchomych olejem i chłodzenia silnika. Przekłada się to bezpośrednio na trwałość samochodu elektrycznego, czystość pracy oraz koszty utrzymania.
Elektromobilność rozgrzewa świat motoryzacji. Samochody elektryczne wkrótce staną się częścią naszego codziennego życia. Do 2025 roku ŠKODA będzie miała w swojej ofercie 10 zelektryfikowanych modeli. Jednak to, w jaki sposób działają samochody elektryczne, dla wielu kierowców pozostaje tajemnicą. Samochody te wydają się egzotyczne, skomplikowane i technologicznie odległe, podczas gdy w rzeczywistości są pod wieloma względami prościej zbudowane niż samochody z silnikiem spalinowym.
Co sprawia, że samochody elektryczne działają? Czym różnią się od samochodów z silnikiem spalinowym? W jakim stopniu można na nich polegać? Eksperci marki ŠKODA udzielili jasnych odpowiedzi na wszystkie nurtujące pytania.
Czym różni się silnik elektryczny od silnika spalinowego?
Zasada zamiany pierwotnej energii na ruch mechaniczny jest zupełnie inna. Podczas gdy silnik spalinowy, spalając paliwo, wykorzystuje przemiany chemiczne i termodynamiczne, silnik elektryczny wskutek przepływu prądu wykorzystuje przemiany elektro- i magnetodynamiczne. W silniku spalinowym znajduje się mechanizm korbowo-tłokowy (cylindry, tłoki, zawory, wał korbowy, itp.), podczas gdy w silniku elektrycznym jest tylko stojan i wirnik. Podczas hamowania lub zwalniania tracona energia kinetyczna w dużej części może zostać odzyskana przez zamianę na prąd i ponownie zgromadzona w akumulatorze.
Czym różni się działanie silnika elektrycznego od silnika spalinowego?
Charakterystyka mocy i momentu obrotowego obu rodzajów silników jest zupełnie różna. Podczas gdy moc i moment obrotowy silnika spalinowego zależy od prędkości obrotowej (aż do osiągnięcia maksymalnej wartości), w silniku elektrycznym maksymalny moment obrotowy jest dostępny już na starcie. W praktyce oznacza to, że samochód z napędem elektrycznym ma wyjątkowo dobrą dynamikę i bardzo dobre przyspieszenie. Ponadto, szeroki zakres prędkości obrotowej silnika oznacza, że nie ma potrzeby stosowania wielobiegowej przekładni ze sprzęgłem, więc przeciętny samochód elektryczny radzi sobie za pomocą jednego biegu – lub reduktora mechanicznego – od bezruchu do prędkości maksymalnej.
W samochodach spalinowych mówimy o zużyciu paliwa, a w pojazdach elektrycznych?
W samochodach elektrycznych zużycie energii jest pokazywane w kilowatogodzinach na 100 kilometrów jazdy (kWh/100 km). W zestawie wskaźników, tak jak w konwencjonalnych samochodach, można zobaczyć informacje o chwilowym i średnim zużyciu energii. Oprócz tego również wyświetlana jest informacja o ilości energii odzyskiwanej i gromadzonej z powrotem w akumulatorze.
Jak wygląda obsługa i żywotność silników elektrycznych?
Ponieważ główna i jedyna ruchoma część silnika elektrycznego to jego wirnik, nie potrzebuje on regularnej obsługi. Nie trzeba wymieniać oleju, filtra paliwa ani filtra powietrza. Samochód z silnikiem elektrycznym ma bez porównania mniejsze wymogi obsługowe.