Elektryczne układy napędowe wyznaczają kluczową zmianę w krajobrazie motoryzacyjnym. W rezultacie wiele części znajdujących się w pojeździe z silnikiem spalinowym (ICE) staje się niepotrzebnych w pojeździe elektrycznym. Niektóre komponenty zachowują podobne funkcje, inne przyjmują nowe role. Celem tego artykułu jest nakreślenie głównych różnic pomiędzy samochodami napędzanymi silnikami spalinowymi i elektrycznymi.
Co się zmieniło?
Zacznijmy od pojedynczego elementu charakterystycznego dla pojazdów elektrycznych: akumulatora wysokonapięciowego. Akumulator ten służy jako elektryczny odpowiednik zbiornika paliwa samochodu ICE, dostarczając niezbędną energię elektryczną do silnika elektrycznego.
Kolejnym charakterystycznym elementem pojazdu elektrycznego jest silnik elektryczny. Jego zadaniem jest zamiana energii elektrycznej na ruch mechaniczny, który napędza samochód. Interakcja nie jest jednak prosta, ponieważ silnik i akumulator działają w różnych „językach” elektrycznych: akumulator wysokonapięciowy wykorzystuje prąd stały (prąd stały), natomiast silnik zasilany jest prądem trójfazowym (prądem przemiennym).
Jest oczywiste, że potrzebny jest „tłumacz” pomiędzy tymi dwiema częściami. Rolę tę przejmuje urządzenie energoelektroniczne zwane potocznie falownikiem.
Elektronika mocy jest odpowiedzialna za przetwarzanie prądu stałego z akumulatora wysokiego napięcia na trójfazowy prąd przemienny dla silnika elektrycznego podczas napędu. Odwrotnie dzieje się podczas hamowania regeneracyjnego – prąd przemienny jest przekształcany na prąd stały w celu ładowania akumulatora wysokiego napięcia.
Sprawność falownika odgrywa kluczową rolę w ogólnej sprawności pojazdu elektrycznego. Jednak energoelektronika nie jest jedynym „interpretatorem” w pojeździe elektrycznym. Drugim urządzeniem łączącym jest ładowarka pokładowa. Przekształca fazę AC 1 lub 3 z sieci na prąd stały w celu ładowania akumulatora. Gdy korzystamy z ładowania prądem stałym o dużej mocy, wbudowana ładowarka jest pomijana.
Kolejnym obszarem, który jest bardzo odmienny, jest ogrzewanie kabiny pojazdów elektrycznych – nagrzewnice PTC (dodatni współczynnik temperaturowy) i pompy ciepła. Takich urządzeń nie ma w pojazdach ICE, które marnują dużo energii cieplnej (ze względu na niską sprawność cieplną silników), a część z nich można łatwo wykorzystać do ogrzewania kabiny.
W pojazdach elektrycznych nie jest to jednak możliwe. Wysoka sprawność układu napędowego oznacza, że wytwarzana energia cieplna jest minimalna. Dlatego potrzebne są różne urządzenia, które wyprodukują niezbędne ciepło dla kabiny i akumulatora.
Przetwornica DC/DC to kolejny, zupełnie nowy element. To urządzenie odpowiada za konwersję wysokiego napięcia prądu stałego z akumulatora na napięcie 12 V dla odbiorników niskiego napięcia w samochodzie (światła, system informacyjno-rozrywkowy, elektrycznie sterowane szyby, lusterka).
Wreszcie gniazdo ładowania to także unikalny element, z którym spotykamy się w samochodzie elektrycznym.
Czym się różni?
Chociaż zarówno samochody ICE, jak i samochody elektryczne wykorzystują sprężarkę klimatyzacji, sposób zasilania tego komponentu jest zupełnie inny. W samochodzie elektrycznym sprężarka klimatyzacji jest urządzeniem wysokiego napięcia i zasilana jest z akumulatora. Jednak w samochodzie ICE jest to część mechaniczna pobierająca moc z wału korbowego silnika. Dlatego też włączając klimatyzację w samochodzie ICE możemy odczuć niewielki spadek mocy, gdyż sprężarka klimatyzacji odbiera część mocy silnikowi.
Obydwa typy samochodów wykorzystują skrzynie biegów, ale w samochodzie elektrycznym jest to o wiele prostsze (z kilkoma godnymi uwagi wyjątkami) i zwykle ma tylko jedną prędkość. W nowoczesnych samochodach osobowych ICE rozpowszechniają się już 9-biegowe automatyczne skrzynie biegów. Przyczynę takiego stanu rzeczy opisano w tym artykule.
Filozofia układu hamulcowego różni się również w samochodach ICE i samochodach elektrycznych. W większości pojazdów elektrycznych, gdy kierowca naciśnie pedał hamulca, silnik elektryczny służy jako generator, który wykonuje hamowanie wstępne i jednocześnie ładuje akumulator – dlatego nazywamy to „hamowaniem regeneracyjnym”.
Jeśli kierowca potrzebuje większej siły hamowania, istnieje próg, po przekroczeniu którego konwencjonalny układ hydrauliczny hamuje samochód. W większości codziennych sytuacji samochody elektryczne w ogóle nie korzystają z konwencjonalnego układu hamulcowego, co wydłuża żywotność klocków i tarcz hamulcowych. Jednak w samochodzie ICE hamulce hydrauliczne są używane za każdym razem, gdy kierowca naciśnie pedał hamulca.
Kolejną różnicą między samochodami spalinowymi i elektrycznymi jest prostota samego silnika. Silnik elektryczny w większości nie wymaga konserwacji i ma tylko dwie ruchome części. Natomiast silnik spalinowy ma wiele ruchomych części – przeciętny silnik 4-cylindrowy ma ich co najmniej 40. Wymaga regularnej wymiany filtrów oleju i paliwa, łańcuch rozrządu lub pasek rozrządu jest niezbędny i wymaga konserwacji, paski wielorowkowe napędzają każdy element pomocniczy – jak wiadomo z doświadczenia, lista ta jest długa.
Co jest takie samo?
Wszystko, co ma związek z zawieszeniem, kołami i oponami, jest dość podobne w przypadku samochodów ICE i samochodów elektrycznych. Począwszy od zawieszenia, w obu typach samochodów zastosowano tę samą architekturę.
Samochody elektryczne oparte na platformach ICE mają zwykle taką samą konstrukcję zawieszenia, jak ich koledzy ze stajni ICE. Samochody elektryczne oparte na dedykowanych platformach EV wykorzystują najczęściej w pełni niezależne konstrukcje zawieszenia, takie jak wielowahaczowe, podwójne wahacze i kolumny McPhersona.
Oczywiście amortyzatory i sprężyny są przystosowane w samochodach elektrycznych, aby poradzić sobie z dodatkowym ciężarem.
Opony ICE i elektryczne mają również podobną konstrukcję. Do obu typów pojazdów dostępne są opony charakteryzujące się niskimi oporami toczenia. Kiedyś koła różniły się między samochodami ICE i samochodami elektrycznymi ze względu na „aero” konstrukcję, którą większość samochodów elektrycznych wykorzystuje w celu zmniejszenia oporu aerodynamicznego, ale już nie. Wiele najnowszych modeli ICE jest wyposażonych w koła „aero”, które również redukują turbulentny przepływ wokół kół. Ta pozornie niewielka różnica w konstrukcji wpływa na 1/3 całkowitego oporu w samochodzie.
Wreszcie układ kierowniczy zarówno w pojazdach ICE, jak i pojazdach elektrycznych jest podobny. Obydwa wyposażone są w układy elektromechaniczne z odpowiednimi jednostkami sterującymi. Systemy elektromechaniczne są obowiązkowe, ponieważ są w stanie wspierać zaawansowane systemy wspomagania kierowcy, takie jak asystent pasa ruchu i parkowanie autonomiczne.
Conclusions
Podsumowując, podstawowe różnice między pojazdami z silnikiem spalinowym a modelami elektrycznymi wynikają z zasadniczo odmiennych układów napędowych, które wymagają całkowicie odrębnych zestawów podzespołów. Kiedy odłożymy na bok te różnice, wspólna płaszczyzna stanie się oczywista — w końcu oba są samochodami i wiele części jest wspólnych pomimo rozbieżnych układów napędowych.
To nakładanie się jest korzystne; gdyby pojazdy elektryczne pod każdym względem różniły się od samochodów ICE, ich koszty wzrosłyby, a masowe przyjęcie postępowało znacznie wolniej.
