9. Električna i hibridna vozila


Električna i hibridna vozila

81

Električna vozila

Unatoč tome što su se prvi električni automobili pojavili još početkom prošlog stoljeća, napredak u njihovom razvoju zasjenjen je masovnom proizvodnjom i uporabom automobila s unutarnjim izgaranjem. U zadnjih nekoliko godina ponovno se javlja veliki globalni interes za električnim vozilima, zbog sve veće ekološke osviještenosti društva i zbog ogromnog napretka u učinkovitosti baterija. Mnoge su prednosti električnih automobila u odnosu na klasične:

  • nema emisije stakleničkih plinova
  • manja ovisnost o fosilnim gorivima
  • veća učinkovitost motora
  • manja razina buke itd

Unatoč tome, za daljnji razvoj i globalnu primjenu električnih automobila potrebno je riješiti još nekoliko značajnih prepreka od koji je najveća ograničen kapacitet baterija. Konstantan napredak na području razvoja baterija i energetske učinkovitosti sigurno dovode 82električne automobile u svakodnevnu primjenu, a samo je pitanje vremena kada će električni u potpunosti biti konkurentni klasičnim automobilima. Razvoj tehnologije uvelike je potaknut mogućnošću njene praktične primjene u svakodnevnom životu. Jedan od primjera je električni automobil koji se pojavio nedugo nakon konstrukcije prvog elektromotora. Prvi elektromotor s osnovnim dijelovima rotorom, statorom i komutatorom konstruiran je 1828. godine. Daljnjim usavršavanjem elektromotora dolazi i do prvih komercijalnih primjena elektromotora u industriji pa tako nastaju i prvi električni automobili. Konstrukcija prvog pravog električnog automobila može se pripisati Robertu Andersonu između 1832. – 1839. godine, dvadeset godina prije konstrukcije prvog motora s unutarnjim izgaranjem. U narednim desetljećima dolazi do velikog napretka u razvoju električnog automobila i njihove komercijalne primjene.

Slika 36.: Prvo električno vozilo (kočija)

U to vrijeme jedino ograničenje električnih automobila je bio radijus kretanja i prosječna brzina. Danas je električni automobil ponovo postao vrlo interesantan jer je suvremeni održivi razvoj utemeljen na ekologiji i štednji energije. Energija za potrebe transporta iznosi 40-60% ukupne potrošnje fosilnih goriva (uglavnom nafte). Električna vozila su po radijusu kretanja i cijeni po kilometru idealna za gradske potrebe (obiteljske potrebe, gradski prijevoz i slično). Sve veći naglasak na ekološkoj osviještenosti, ali i zbog činjenica da su naftne rezerve ograničene, ponovo postavlja električni automobili u fokus mogućih tehničkih rješenja u prometu. Električna vozila rade vrlo tiho i nemaju direktnu emisiju štetnih plinova na mjestu funkcije, stoga se njihova najveća primjena očekuje u bolnicama, skladištima, nacionalnim parkovima, parkovima prirode i velikim gradovima.

84

Slika 37.: Električni automobili danas

Osnovni elementi za pogon električnog automobila

Osnovni elementi za pogon električnog automobila su:

83

Ostali dijelovi električnog automobila su: analogno-digitalni pretvarač signala papučice gasa, sklopnik, osigurač ili prekidač, istosmjerni pretvarač napona za pogon uobičajeno ugrađenih trošila vozila na naponskoj razini 12V, mjerni instrumenti za upravljanje vozila, (pokazivač preostalog kapaciteta baterija, napon, struja, snaga, brzina), punjač baterija. Ostali dijelovi koje vozilo na električni pogon mora sadržavati su: kabeli pogonskog napona, kabeli pomoćnog napona 12V, baterije pomoćnog napona 12V, kabelske stopice te kabelski priključci.

Baterija je komponenta koja određuje ukupne karakteristike električnog vozila, definira njegovu cijenu, autonomiju (doseg) i njegovu raspoloživost.

Dva su čimbenika koji određuju performanse baterije:

  • energija (pređena udaljenost)
  • snaga (ubrzanje).

Omjer snage i energije (engl. power/energy ratio) – pokazuje koliko je snage po jedinici energije potrebno za određenu primjenu.

85

Slika 38.: Blok shema elemenata vozila na električni pogon

Najvažnija komponenta svakog električnog automobila je električni motor. Električni motor je električni stroj koji električnu energiju pretvara u mehaničku koristeći princip elektromagnetske indukcije. Motori konstrukcijski imaju dva namota (stator i rotor) od kojih je jedan uzbudni, a drugi radni (armaturni namot).

Osnovne vrste električnih strojeva prema izvoru napajanja mogu se podijeliti na:

  • istosmjerne motore (DC)
  • izmjenične motore (AC)
  • koračne elektromotore

Prednosti asinkronih (AC) elektromotora u odnosu na istosmjerne (po jedinici snage) su: manja masa, manje dimenzije, manji moment inercije, manja cijena, veća brzina vrtnje, veći stupanj korisnog djelovanja (0.95-0.97 u odnosu na 0.85-0.89), jednostavno i jeftino održavanje. Prednost istosmjernih elektromotora u odnosu na asinkrone je lakše i jeftinije upravljanje.

Uz sve veće korištenje obnovljivih izvora električne energije, električni automobili su korak naprijed u smanjenju ovisnosti o fosilnim gorivima. Prepreke globalnoj prihvaćenosti električnih automobila su još uvijek poprilično velike, a osim kapaciteta baterija i cijene, socijalno-kulturna konzervativnost je također jedna od znatnih prepreka. Političko-ekonomska potpora vozila na električni pogon mnogih europskih zemalja jasno pokazuje da razvoj električnih automobila nije samo aktualan trend već potencijalno rješenje za ekološke i energetske izazove čovječanstva koje je na samom pragu ekonomske isplativosti.

Hibridna vozila

Hibridna vozila su trenutačno najzanimljivija alternativa klasičnim automobilima, proizvode se već dugi niz godina, a u većini država Europske unije su za kupnju hibridnog vozila na raspolaganju subvencije i/ili niži porez. Financijski gledano, isplativost hibridnog vozila (po pitanju utroška goriva) povećava se s prijeđenom udaljenosti u odnosu na klasični automobil, naročito u uvjetima gradske vožnje. Hibridna vozila pokretana su električnom energijom, ali i klasičnim motorom s unutrašnjim izgaranjem. Iako su ovakva vozila skuplja od klasičnih, njihova potrošnja goriva je i do dva puta manja, a vozne karakteristike jednake. U osobnim vozilima najčešće se koristi takozvani paralelni hibridni sustav, kod kojega kotače istodobno pokreću i benzinski motor i elektromotor, pri čemu uvjeti vožnje određuju koji pogon preuzima vodeću ulogu.

Kod hibridnog pogona osnovna ideja vodilja je ta, da se u rad što učestalije uključuje elektromotor radi što manje potrošnje goriva, što niže emisije štetnih plinova i što veće vučne snage. Specifičnost hibridnih vozila je postojanje dodatnog izvora snage koji može funkcionirati kao glavni pogon, kao dodatna potisna sila ili zajednička snaga automobila.

86

Slika 39.: Presjek hibridnog automobil

Hibridi su vozila koja za pogon koriste dva ili više izvora snage. Prema vrstama različitih ugrađenih pogonskih motora može se govoriti o:

  • hibridima koji kombiniraju motor s unutarnjim izgaranjem (benzinski ili dizel) i elektromotor
  • hibridima koji kombiniraju motor s unutarnjim izgaranjem ili elektromotor sa zrakom (hibridi na stlačeni zrak)
  • hibridima pokretanim ljudskim pogonom ili snagom vjetra i elektromotorom

Također hibride prema načinu djelovanja pojedinih impulsa snage možemo podijeliti na serijske i paralelne. Tijekom desetljeća u praksi su iskušane razne kombinacije pogona i goriva, no tek je Toyota dala zadovoljavajući omjer učinka benzinskog motora, elektromotora i kapaciteta baterije. Sve se zasniva na spremanju dovoljne količine energije koja se u određenom trenutku može uspješno iskoristiti, a potom i brzo nadoknaditi.

Serijski hibrid ima benzinski motor koji služi isključivo za pogon generatora, koji dovodi energiju pogonskim elektromotorima i akumulatorima. Kotače pokreče samo elektromotor, stoga su performanse vozila ograničene snagom motora, što je najveća slabost serijskog hibrida. Generator je napravljen poput elektromotora, pa u sustavu imamo dva elektromotora od kojih jedan puni baterije, a drugi vrti kotače. Struja od generatora do kotača protječe serijski.

Vozilo se neko vrijeme može kretati i sa ugašenim benzinskim motorom, bez emisije plinova i buke. Benzinski motor uvijek radi u najekonomičnijem području (području optimalnog iskorištenja snage), te je stoga ekološki prihvatljiv, a zbog rada u području optimalne korisnosti njegova snaga ne mora biti prevelika.

Paralelni hibrid ima dvostruki pogon, pa kotače istodobno pokreću i benzinski motor i elektromotor pri čemu uvjeti vožnje određuju koji pogon preuzima vodeću ulogu. Benzinski motor i pogonski elektromotor su nefleksibilno povezani, tako da oba motora prenose okretni moment na kotače istovremeno, pri čemu elektromotor pomaže benzinskom motoru pri pogonu vozila. Takvo vozilo ima odlična ubrzanja, no potrošnja goriva nije uvijek ekonomična. Vožnja s ugašenim benzinskim motorom nije moguća, pošto su zbog njegove mehaničke povezanosti okretaji u razmjeru sa okretajem kotača. Kako elektromotor može raditi u generatorskom režimu, baterija se puni prespajanjem elektromotora u funkciju generatora. Osnovni problem je u tome što paralelni hibrid ne može puniti baterije (osim na nizbrdici), dok iz njih istodobno troši struju za pokretanje elektromotora i kotača i obrnuto (kako je u sustavu samo jedan motor/generator).

87

Slika 40.: Serijski, paralelni i serijsko – paralelni hibrid

Serijsko – paralelni hibrid je kombinacija dvaju sustava (THS sustav), te objedinjuje prednosti obaju sustava. Tu benzinski motor i elektromotor sinkrono vrte kotače, a punjenje baterije prepušteno je generatoru koji se, po potrebi, spaja na pogon jednog ili drugog motora. Ovisno o uvjetima vožnje i kontroliranoj štednji energetskih rezervi, vozilo se simultano kreće s jednim ili oba pogonska sklopa, pri čemu se baterije stalno dopunjuju. Ovisno o potrebi, u nekim uvjetima rada dominira benzinski motor, a drugim elektromotor. Posebni benzinski motor, snažni elektromotor i generator su mehanički povezani uz pomoć jednostavnog planetarnog reduktora i njima upravlja inteligentni sustav u računalu. Sustav tako uvijek osigurava odlične performanse sa najboljom mogućom iskoristivošću.

88

Slika 41.: Operativni panel hibridnog vozila (Toyota Prius)

Hibridni automobil u vožnji

89

Automobilska baterija

Akumulatorska baterija je ključna komponenta u gotovo svim električnim vozilima. Kod klasičnih električnih vozila akumulatorska baterija je jedino spremište energije i komponenta s najvećim volumenom, težinom i najvišom relativnom cijenom. U hibridnim je vozilima akumulator koji konstantno mora primati i davati električnu energiju također ključna komponenta najveće važnosti.

Baterija (akumulator) se sastoji od dvije ili više povezanih električnih ćelija. Ćelije pretvaraju kemijsku energiju u električnu energiju, a sastoje se od pozitivnih i negativnih elektroda povezanih elektrolitom. Kemijska reakcija između elektroda i elektrolita generira istosmjerni (DC) elektricitet. U slučaju sekundarnih (punjivih) baterija kemijska reakcija može se promijeniti promjenom smjera struje, te se tada baterija puni. Usprkos svim različitim iskušanim mogućnostima i oko 150 godina razvoja, još uvijek nije razvijena baterija pogodna za široku upotrebu kod električnih vozila. Međutim, nedavno su ostvareni određeni važni pomaci u tehnologiji izrade baterija koji pružaju veliku nadu u budućnost.