elektromos autó

Villanyautó alapozó

2014.10.17.

Nagyon felgyorsultak az elektronok, lendületben van ma Magyarországon az elektromos gépjárműhajtásról szóló kormányzati gondolkodás. Ez nem baj, sőt…
Már rovatunkban sokat foglalkoztunk az elektromos hajtással, voltunk elektroszkeptikusak, reális esélyelemzők, sőt lelkesültek is. Talán még egy hiányzott, egy komolyabb műszaki megalapozás.

Nem érzékeljük még a betárolható energia nagyságát, a fogyasztást, nem tudjuk, hogyan számítható a végsebesség, a hatótávolság. Gondot okoz a villanyautók műszaki adatainak értelmezése, értékelése, egybevetésük. Nem látjuk világosan (vagy sajnos sehogy sem), a fejlődés irányát, a jellemzők javításának lehetőségeit, korlátait. A kedves olvasó ugyan most sem fog ebből „kisegyetemet” kapni, de igyekszünk segíteni, az ábécé alapjait lerakni.

Ebben nagyszerű segítséget találtunk a Permanent Kft. (www.evpermanent.com) honlapján, a cég szíves engedélyével ebből emelünk ki részleteket. „Az elektromos autót építünk: álmodozás-tervezés-megvalósítás” terjedelmes és nagyon szakszerű elemzésük elolvasását mindenkinek ajánljuk!

Hatótáv

A legjelentősebb korlátozó tényező az energiatárolás. A leginkább elterjedt és legolcsóbb savas ólomakkumulátorok 30 Wh energiát tudnak tárolni 1 kg-ban. A korszerűnek számító lítium alapú akkumulátorok energiasűrűsége sem nagyobb 100÷150 Wh/kg-nál, szemben a benzin 12 000 Wh/kg értékével. Ha egy átlagos tanknyi tüzelőanyagban lévő energiát szeretnénk magunkkal vinni, akkor lítium akkumulátorokból kb. 5 tonnányit, ólomakkumulátorból ennek legalább háromszorosát kellene cipelnünk végig az út során. Valójában azért nem ennyire sötét a kép, mert az elektromos meghajtás hatásfoka lényegesen jobb, mint a benzin vagy dízelmotorral szerelt járgányoké. Egy átlagos átépített gépkocsi fogyasztása 10÷15 000 Wh/100 km, vagyis benzinre vetítve 1÷1.5 literes fogyasztást kapunk. A savas akkumulátorokkal egy töltéssel elérhető hatótávolság 100 km körüli lehet, amihez 300÷400 kg akkumulátort kell beépíteni. Lítium akkumulátorból egy hasonló méretű akkumulátorpakk 350÷400 km-es hatótávolságot tesz lehetővé, ami már az igények jelentős részét kielégíti.

Teljesítmény

A beépítésre kerülő motor teljesítményét illetően első látásra úgy tűnhet nincs korlátozó tényező. A motorválasztékot illetően ez valóban így is van. A korlátozást ismételten az akkumulátor jelenti. Az akkumulátorban tárolt energiát ugyanis nem vehetjük ki tetszőleges sebességgel. A gépkocsi meghajtó savas ólomakkumulátorok kapacitását általában 10 óra alatti kisütésre (0.1C) adják meg. Ha az energiát 1 óra alatt akarnánk kivenni (1C) akkor már csak a 0.1C-re megadott kapacitás 60%-a áll rendelkezésünkre. Általános méretezési szabályként elmondható, hogy a névleges motorteljesítmény kétszeresére kell választani az akkumulátor kapacitást. Egy 4 kW-os motorhoz 8 kWh-nyi akkumulátor kapacitás az ideális. Jellemzően az elektromos motorok rövid ideig (1÷2 perc) névleges teljesítményűk 2÷2.5 -szeresét is le tudják adni, ami a gyorsítások szempontjából igen lényeges. Ekkor az áramfelvételük is természetesen megnő. Az említett akkumulátor kapacitást meghatározó méretezési szabálytól lefelé történő jelentős eltérés megakadályozhatja ennek a nagyobb teljesítménynek az elérését. Ezért a minimum érték nem lehet kevesebb, mint a névleges motorteljesítmény, vagyis egy 4 kW-os motorhoz minimum 4 kWh-nyi akkumulátor kapacitást kell választanunk. A lítium akkumulátorok ebből a szempontból is sokkal kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkeznek: Folyamatosan 3C-vel kisüthetők, rövid időre akár 10C-vel is terhelhetők. Így a minimum korlát is lényegesen alacsonyabb lehet. Például egy 30 kW-os motorhoz (ami rövid ideig 60-70 kW teljesítmény leadására is képes ), elegendő 10 kWh-nyi lítium akkumulátor kapacitást beépíteni.

Töltés

A nagy távolságokra történő használatot leginkább a töltés időszükséglete korlátozza. A teljesen lemerült ólomakkumulátorok feltöltéséhez 10 óra szükséges. A lítium akkumulátor esetében 3 óra 20 perc is elegendő. 
A fenti korlátok figyelembevételével tehát először azt kell eldöntenünk, milyen követelményeket támasztunk elektromos autónkkal szemben.

A választék a 3÷4 kW-os motorral szerelt, 50 km/h végsebesség körüli, 50÷60 km hatótávolságú városi mopedautótól az 50÷60 kW-os motorú, 150÷200 km/h végsebességű, 3÷400 km hatótávú, szinte kompromisszummentes aszfaltszaggatóig terjed.

Tervezés

Tapasztalati tények alapján sík úton az alábbi végsebességek elérésére lehet számítani:

4 kW

-

50-60 km/h

7,5 kW

-

70-80 km/h

11 kW

-

90-110 km/h

21 kW

-

120-140 km/h

Megtévesztő lehet a viszonylag kis végsebesség. Mivel az alkalmazott motorok rövid ideig névleges teljesítményük 2-3-szorosát is le tudják adni, gyorsításkor a vártnál élénkebben mozognak.

A 4 kW-os motort elsősorban az L6e kategóriájú moped-autókba, esetleg a kultikus autókba célszerű beépíteni. A 7,5 kW-os motor a kultikus autók számára ideális. A kis sportkocsikba viszont már legalább 11 kW-os motort illik telepíteni.

Akkumulátor csomag

Az akkumulátor az elektromos autók leggyengébb láncszeme. Itt kell tennünk a legnagyobb kompromisszumokat és ez a legdrágább, ráadásul a leghamarabb elhasználódó alkatrész.

Méretének meghatározásához az elvárt hatótávból kell kiindulnunk. Egy elektromos autó fogyasztása vezetési stílustól, útviszonyoktól függően 100 Wh/km - 200 Wh/km között alakul. A 100 Wh/km-es értékkel általában az elektromos gépkocsik gyártói - forgalmazói számolnak, hogy kedvezőbb színben tüntessék fel a hatótávolság adataikat.

Ha gyakorlati értékekkel akarunk dolgozni, akkor a 150 Wh/km jó közelítésnek tűnik. Nézzük meg, hogy mennyi energiát tudunk magunkkal vinni! Egy 12 V/150 Ah akkumulátorban névleg 12*150 = 1800 Wh-nyi energia található. Ezt azonban nem célszerű az utolsó cseppig elhasználni, mert az erőteljesen csökkenti az akkumulátor várható élettartamát. Szintén jó gyakorlati közelítés, ha a ténylegesen felhasználható energia mennyiségét 1500 Wh-nak vesszük, vagyis 12 V-os akkumulátornál Ah-ként 10 Wh energiával kalkulálhatunk.

A fenti számokból következik, hogy egy 12 V/150 Ah akkumulátorban tárolt energia biztonsággal elegendő egy 10 km-es út megtételére.

(forrás: Blága Csaba)

Nézzünk egy gyakorlati példát: Van egy 7,5 kW-os 72 V-os motorral szerelt gépkocsink, 6 db 12 V/150 Ah savzselés ólomakkumulátorral. Az ebben tárolt energia mennyisége 9 kWh. A becsült biztonsággal megtehető hatótávolság 60 km (9000/150). Ha az akkumulátorok viszonylag újak, jó kondícióban vannak, kíméletesen vezetünk és még az idő is elég meleg (hidegben ugyanis jelentősen lecsökken az ólomakkumulátorok teljesítménye), nem elképzelhetetlen, hogy akár 100 km-t is megtehetünk egy töltéssel.

A LiFePO4 akkumulátorok esetében a kisebb tömeg mellett, a jobb dinamikus viselkedés, kisebb hőmérsékletfüggés és a négyszeres élettartam jelent nem elhanyagolható előnyt. A savzselés akkumulátorokhoz hasonló számítást végigvezetve egy 3,2 V/90 Ah lítium akkumulátorban tárolt energia 2 km-nyi út megtételéhez elegendő biztonsággal.

Variációk

Nézzünk meg táblázatos formában néhány lehetséges összeállítást:

A motor típusa

Az akkumulátor csomag

Végsebesség

Hatótáv

Beépítendő tömeg

4 kW/48 V

4 db 12 V/150 Ah Pb

50-60 km/h

40 km

224 kg

4 kW/48 V

8 db 12V/120 Ah Pb

50-60 km/h

64 km

310 kg

7,5 kW/72 V

6 db 12V/150 Ah Pb

70-80 km/h

60 km

310 kg

7,5 kW/108 V

9 db 12V/120 Ah Pb

70-80 km/h

72 km

360 kg

11 kW/144 V

12 db 12V/120 Ah Pb

90-110 km/h

96 km

455 kg

11 kW/144 V

48 db 3,2V/90 Ah LiFePO4

100-120 km/h

96 km

224 kg

11 kW/144 V

48 db 3,2V/160 Ah LiFePO4

100-120 km/h

170 km

349 kg

A lítium akkumulátorok esetében látható, hogy a várható végsebesség is valamelyest megnövekedett. Ez két dolognak tudható be: a kisebb tömeg és a nagyobb (48*3,2 V = 153,6 V) névleges feszültség. A feszültség növelése az egyik legegyszerűbb módja az elektromos autók "tuning"-jának.

Ólom vagy lítium, ez itt a kérdés?

Ha a hosszútávú költségeket nézzük, nincs különbség: a lítium akkumulátorok ötszörös árukat, ötszörös élettartammal hálálják meg. Egyéb rendkívül előnyös tulajdonságaik, ha hosszabb távra és nagyobb futásteljesítményre tervezünk verhetetlenek: harmad akkora súly, gyors energia leadás, gyors tölthetőség, hidegtűrés.

Mik az ólomakkumulátor előnyei? Pusztán az ár maradt. Ha jelenlegi költségvetésünk nem engedi, hogy lítium akkumulátorokba komoly összeget fektessünk, vagy nem napi használatra készítjük az átépítést, akkor marad az ólomakkumulátor. Napi használat esetén kb. 2 év múlva, vasárnapi autó esetén 5-6 év múlva kell feltennünk magunknak újra a kérdést: Milyen akkumulátort válasszak? A technika folyamatosan fejlődik, ma még nem tudjuk, hogy a jövőben erre a kérdésre milyen választ fogunk tudni adni.

Előnyök

1. Üzemanyagköltség

Figyelembe véve az akkumulátorok töltés-kisütés ciklusának, valamint az akkumulátortöltőnek a veszteségeit, 100 km megtételéhez mintegy 15÷20 kWh villamos energiát kell felhasználnunk a hálózatból. Ha a normál tarifával számolunk, akkor ez mintegy 570÷760 Ft költséget jelent. Ez jelenlegi árakon 2÷2.5 liter benzin árának felel meg. Ha lehetőségünk van kapcsolt (úgynevezett éjszakai) árammal végezni a töltést még kedvezőbb a helyzet. A kapcsolt áram ára ugyanis csak 60÷65%-a (kb. 22 Ft/kWh) a bármikor rendelkezésre álló áraménak, így a tankolás 1÷1.5 liter benzin árából oldható meg 100 km-re. Ebben az esetben még külön öröm, hogy nagy valószínűséggel megújuló energiaforrásból előállított áramot használtunk. A megújuló energiaforrások használatának elterjedését leginkább akadályozó tényező, hogy az áramszolgáltatók nem tudnak mit kezdeni a fogyasztási völgyidőszakokban termelődő szél és napenergiából előállított árammal. Ezen a gondon segíthet az áramszolgáltató által vezérelt fogyasztók használata, amivel mi is hozzájárulhatunk a környezet megóvásához.

2. Karbantartási költségek

Maga az elektromos motor lényegesen egyszerűbb, kevesebb alkatrészt tartalmaz, mint a benzin- vagy dízelmotor. Üzemi hőmérséklete is jóval kisebb azokénál. Karbantartási igénye lényegesen kisebb, javítása egyszerűbb. Szénkefés DC motor használatánál csak a szénkefék időnkénti (50 - 100 ezer km-enkénti) cseréjével kell számolni.

Elektromos gépkocsiknál a legnagyobb tehertétel az akkumulátorok véges élettartama miatt jelentkező csereköltség. Az ólomakkumulátoroknál 5-600 töltési ciklus után csökken a kapacitás 80% alá. Ez 100 km-es hatótávra méretezett akkumulátorok esetén 50÷60 ezer km-enkénti akkumulátorcserét tesz szükségessé. 2006-ban jelentek meg a legújabb fejlesztésű LiFePO4 akkumulátorok, amelyek több mint 2000 töltési ciklust tudnak teljesíteni, így a csereperiódus 200 ekm feletti.

3. Környezetvédelem

Az elektromos autó károsanyag kibocsátása nulla. Energiát azonban használ, amit elő kell állítani. Vajon ez több vagy kevesebb, mint amit egy benzines jármű igényelne? Az elektromos motor hatásfoka széles tartományban 80% körüli. Az akkumulátorok töltés-kisütési ciklusa hozzávetőlegesen 75%-os. Az eredő hatásfok tehát 60% körüli szemben a benzinmotorok 15 - 20% körüli hatásfokával. Ráadásul ezt az energiát megújuló forrásokból is elő lehet állítani. Ha mégis fosszilis tüzelőanyagokból állítanánk elő ezt az energiát, akkor is kevésbé károsítjuk a környezetünket. A szén és gázerőművek hatásfoka 30% körüli, a termelt 70%-nyi hőenergiát is legtöbbször hasznosítani lehet, nem beszélve arról, hogy a károsanyag kibocsátás nem a zsúfolt városban a babakocsik szintjén történik. ©Permanent Kft.

Akinek egyszer nem volt elég elolvasnia a teljes megértéshez, így vagyok magam is, az kezdje elölről, mert ismétlés a tudás szülőanyja, édesapja a kíváncsiság, a dolgok hajtóereje.

 

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika főszerkesztője

(Az Autótechnika folyóiratban a témához kapcsolódó szakmai cikkek jelent meg, ezek a lap előfizetőinek visszamenőleg is olvashatóak a http://autotechnika.hu oldalon. További információt is itt találhatnak.)

 

Az oldal fő támogatója

 

2022.01.27
Kiderült, milyen problémákkal kell szembenézniük az orosz autósoknak az ukrán válság miatt. ..
2022.01.27
Andrzej Duda lengyel elnök aláírta azt a törvényt, amelynek értelmében február 1-jétől július....
2022.01.27
Interjúm befejező részében beszélgettem Borissal lenyűgöző garázsáról, gyűjteményéről, amelyben....
2022.01.27
Hatvanöt éve nem mért mélypontra süllyedt tavaly a brit autóipar termelése, elsősorban a....
2022.01.27
Kilábalóban a taxis szektor a koronavírus-járvány okozta sokkból, de messze még a járvány előtti....
2022.01.27
Lefolytatta a 2018 decemberében megrendelt PzH 2000 önjáró lövegek első, úgynevezett....
2022.01.27
Az európai piac legaranyosabb négyüléses villanyautója köszön el, hogy átadja helyét kínai....
2022.01.27
A gépkocsijába beszorult autóst a fővárosi hivatásos tűzoltók feszítővágó segítségével....
2022.01.26
Tavaly 4,07 százalékkal csökkent az új személyautók értékesítése - közölte a román autógyártók....
2022.01.26
Márciustól jönnek az időalapú jegyek a Budapesti Közlekedési Központ (BKK) járatain, de még ezelőtt....