SILNIK ELEKTRYCZNY DO SAMOCHODU – JAK DZIAŁA? POZNAJ RODZAJE I BUDOWĘ

BUDOWA SILNIKA ELEKTRYCZNEGO W SAMOCHODACH

Mało kto zdaje sobie sprawę z faktu, że pierwsze wehikuły zdolne do samodzielnej jazdy, jakie poruszały się po drogach, powstały znacznie wcześniej niż pierwsze samochody spalinowe. Jaki miały napęd? Elektryczny. To pokazuje, że pod względem konstrukcyjnym napęd elektryczny jest w istocie prostszy i dużo bardziej efektywny od jakiegokolwiek silnika spalinowego. Dlaczego zatem dopiero teraz rozwijamy elektromobilność? Bo energia płynąca ze spalania węglowodorów była przez dziesiątki lat znacznie bardziej dostępna i tańsza, a ponadto – co ma dziś szczególne znaczenie – przez dekady nie zdawaliśmy sobie sprawy z wpływu spalania paliw kopalnych na naszą planetę – jedyny dom jakim dysponujemy.

Problemem związanym z samochodami elektrycznymi nigdy nie był zresztą sam napęd, lecz źródło energii dla silnika elektrycznego. Dopiero w XXI wieku na tyle rozwinęliśmy technologie wytwarzania odpowiednio wydajnych akumulatorów (które systematycznie rozwijamy), by budowanie aut z napędem elektrycznym stało się realnie możliwe, uzasadnione ekonomicznie i przynoszące realne korzyści dla środowiska, w którym żyjemy. W świecie naukowym panuje konsensus, że za zmiany klimatyczne naszej planety odpowiada człowiek i jego gospodarka, której znaczną częścią jest transport oparty na paliwach kopalnych. Musimy to zmienić i zmieniamy. Auta elektryczne nie są tymczasowym kaprysem czy chwilową modą, lecz uzasadnionym naukowo sposobem na redukcję emisji i uratowanie naszej planety bez poświęcania możliwości transportowych, które już wypracowaliśmy.

Obecnie na ulicach – także Polski – można spotkać coraz więcej aut z napędem elektrycznym. Zgodnie z aktualnym Licznikiem Elektromobilności prowadzonym przez Polskie Stowarzyszenie Paliw Alternatywnych (dane na koniec lutego 2022) po polskich drogach porusza się już 40 904 pojazdów elektrycznych (samochody zarówno z napędem wyłącznie elektrycznym, jak i hybrydy plug-in), dla porównania trzy lata temu, w marcu 2019 roku było ich zaledwie 4987. Co więcej, zainteresowanie autami elektrycznymi cały czas rośnie i to coraz szybciej. Elektromobilność to przyszłość motoryzacji, dlatego warto wiedzieć jak właściwie działa auto elektryczne, a dokładniej, jak działa silnik elektryczny do samochodu.

CZYM RÓŻNI SIĘ BUDOWA SILNIKA ELEKTRYCZNEGO OD SPALINOWEGO?

Czym różni się silnik spalania wewnętrznego (czyli spalinowy) od silnika elektrycznego? Zasadniczą różnicą jest źródło energii. W spalinowym jest to energia mechaniczna powstała w wyniku eksplozji paliwa w cylindrach, co przekłada się na ruch tłoków i tym samym pracę przekazywaną dalej przez korbowody i pozostałe elementy by ostatecznie trafić na koła. Silnik elektryczny jest znacznie prostszy – energia elektryczna jest tu zamieniana na pracę w znacznie prostszy sposób bez wielu elementów pośredniczących w przekazaniu mocy na koła. Widać to wyraźnie choćby w samym rozmieszczeniu obu typów napędów w samochodach. Silnik spalinowy zwykle znajduje się w specjalnie przygotowanej dla niego komorze (np. pod maską, z tyłu auta lub umieszczony centralnie – zależnie od modelu), tymczasem silnik lub silniki (bo wiele aut, np. Mustang Mach-E – może mieć więcej niż jeden silnik elektryczny) jest umieszczony najczęściej bezpośrednio w połączeniu z osią pojazdu, którą napędza. Samochodowy silnik elektryczny ma znacznie bardziej kompaktową budowę od jakiegokolwiek silnika spalinowego, mniej rozbudowany jest też układ przeniesienia napędu. Prostsza konstrukcja silnika elektrycznego daje producentom aut dużo większą elastyczność w zakresie projektowania nadwozia. Auta elektryczne o rozmiarach porównywalnych z autami spalinowymi dysponują niemal zawsze większym rozstawem osi, a to przekłada się na zauważalnie większą przestronność kabiny pasażerskiej, czyli po prostu wygodę.

JAKIE SĄ RODZAJE SILNIKÓW ELEKTRYCZNYCH W SAMOCHODACH?

Obecnie w samochodach elektrycznych wykorzystuje się dwa rodzaje silników elektrycznych. Pierwszy ich rodzaj to silniki indukcyjne (powszechnie stosuje się trójfazowe), asynchroniczne (ASM, z ang. asynchronous motor), drugi, to silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PSM, z ang. permanent magnet synchronous motor).

Silnik elektryczny asynchroniczny (indukcyjny) ma bardzo prostą budowę, najważniejsze w nim są dwa elementy: nieruchomy stojan z uzwojeniem, wykonany z ferromagnetycznych blach ze żłobkami (są one potrzebne na cewki uzwojenia) oraz ruchomego wirnika również wykonanego z blach z cewkami na uzwojenie. W wyniku płynięcia wielofazowego prądu przemiennego przez układ uzwojenia, powstaje dzięki indukcji elektromagnetycznej (stąd nazwa silnik indukcyjny) wypadkowe pole wirujące wokół wirnika i wokół stojana. Powstaje moment elektromagnetyczny działający na wirnik (ruchomą część silnika), co w konsekwencji przekłada się na pojawienie się momentu obrotowego, który może być przekazywany do układu napędowego pojazdu.

W przypadku silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, budowa wcale nie jest bardziej skomplikowana. Również w tym przypadku zasadniczymi elementami są stojan i wirnik. W tego typu silnikach wirnik może być litym elementem wykonanym z metalu magnetycznego. Zasadniczą różnicą w stosunku do silnika asynchronicznego jest nie tylko obecność magnesów trwałych, ale też fakt, że prędkość wirowania wirnika jest tu równa prędkości wirowania pola magnetycznego – obie prędkości są zsynchronizowane (stąd nazwa silnik synchroniczny) – nie ma tu poślizgu (asynchroniczności) czyli różnej prędkości wirnika i pola magnetycznego. Generalnie uważa się, że silniki synchroniczne z magnesami trwałymi charakteryzują się większą gęstością mocy (i momentem obrotowym) od silników asynchronicznych i mają mniejsze straty na rdzeniu (większą sprawność niż silniki asynchroniczne). Nie dziwi zatem, że Ford Mustang Mach-E to pojazd napędzany właśnie jednym (wersja RWD) lub dwoma (AWD, GT) silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi.

DZIAŁANIE SILNIKA ELEKTRYCZNEGO W SAMOCHODZIE

Nie wnikając w zawiłości procesów fizycznych, które zachodzą w silnikach elektrycznych, siła napędowa i moment obrotowy w obu typach silników elektrycznych powstają w wyniku oddziaływań elektromagnetycznych, a nie przemian chemicznych (spalenie paliwa) i termodynamicznych, jak w silnikach spalinowych. Bez względu na typ silnika elektrycznego, ma on znacznie prostszą budowę od jakiegokolwiek silnika spalinowego – nie ma tu tłoków, cylindrów, zaworów i pozostałych komponentów złożonego układu korbowo-tłokowego, są zasadniczo dwa elementy: stojan i wirnik. W silnikach spalinowych moc i moment obrotowy zależą od prędkości obrotowej silnika. W silnikach elektrycznych maksymalny moment obrotowy jest uzyskiwany praktycznie od zera, co istotnie wpływa na dynamikę i przyśpieszenia uzyskiwane przez auta elektryczne. Budowa silnika elektrycznego jest tym prostsza, że szeroki zakres prędkości obrotowej w silniku elektrycznym pozwala całkowicie zrezygnować w aucie elektrycznym z kolejnego skomplikowanego elementu: wielobiegowej przekładni (czyli po prostu skrzyni biegów).

WYDAJNOŚĆ SILNIKA ELEKTRYCZNEGO, A WYDAJNOŚĆ SILNIKA SPALINOWEGO

Absolutną przewagą silników elektrycznych jest ich wydajność, rozumiana jako sprawność energetyczna, czyli to, jaka część energii pochodzącej ze źródła (w przypadku samochodów elektrycznych – z litowo-jonowych akumulatorów) jest zamieniana na pracę, energię mechaniczną napędzającą koła pojazdu.

W najdoskonalszych silnikach spalinowych, ich efektywność energetyczna ledwo przekracza 40 procent, co oznacza, że większość energii powstałej w wyniku spalenia porcji węglowodorowego paliwa w cylindrach jest po prostu marnowana i wydzielana pod postacią ciepła. Najwyższą sprawność wśród silników spalinowych uzyskują silniki pracujące w cyklu Atkinsona, a te są stosowane przede wszystkim w napędach hybrydowych. Sprawność silników w autach wyłącznie spalinowych jest jeszcze niższa.

Tymczasem w przypadku silników elektrycznych bez problemu osiągają one sprawność energetyczną na poziomach przekraczających nawet 90 proc. Zdaniem organizacji Green NCAP Ford Mustang Mach-E został wyróżniony wskaźnikiem efektywności energetycznej wynoszącym 9,4 punkta na 10 możliwych, co w uproszczeniu możemy potraktować jako auto dysponujące napędem o 94 procentowej sprawności. To rezultat nieosiągalny przez jakikolwiek pojazd spalinowy, czy hybrydowy.

HYBRYDY TYPU PLUG-IN I SAMOCHODY Z SILNIKIEM ELEKTRYCZNYM – NA CZYM POLEGA RÓŻNICA?

Jak wcześniej wspomnieliśmy, po polskich drogach porusza się już ponad 40 tys. pojazdów z napędem elektrycznym. Przy czym ta pula jest w zasadzie w połowie rozdzielona pomiędzy auta z napędem wyłącznie elektrycznym (jak np. Ford Mustang Mach-E), oraz samochody z napędem hybrydowym plug-in. Warto zatem na koniec wyjaśnić różnice pomiędzy autem z napędem wyłącznie elektrycznym, a pojazdem z napędem hybrydowym plug-in.

Hybrydy plug-in to samochody wyposażone zarówno w silnik spalinowy, jak i silnik (lub kilka) elektryczny. Pozwala to z jednej strony poruszać się autem bezemisyjnie na krótszych (niż w przypadku aut wyłącznie elektrycznych) dystansach, co zwykle wystarcza do codziennych, krótszych tras na mieście (np. Ford Kuga 2.5L Plug-in Hybrid dysponuje średnim homologowanym zasięgiem na silniku elektrycznym wynoszącym 56 km). Z drugiej strony użytkownik hybrydy plug-in nie musi martwić się o infrastrukturę ładowania, bo auto dysponuje również silnikiem spalinowym. Jednak warto pamiętać, że efektywność napędu hybrydowego plug-in jest gorsza niż napędu wyłącznie elektrycznego. Po pierwsze, silnik elektryczny hybrydy plug-in pracuje mniej efektywnie niż w aucie wyłącznie elektrycznym, bo charakterystyka jego pracy wymaga dopasowania do komponentu spalinowego. Za spójną, równoległą pracę obu napędów w przypadku, gdy kierowca wymaga odpowiednio dużej mocy odpowiada skomplikowany układ sterujący pracą obu napędów. Z drugiej strony komponent spalinowy w hybrydach plug-in ma większą sprawność niż zwykłe auto spalinowe – głównie dlatego, że dzięki wsparciu jednostki elektrycznej, moc z silnika spalinowego jest wykorzystywana w optymalnym (pod względem efektywności) zakresie obrotów. Podczas startu, gdy silnik spalinowy mający niską prędkość obrotową pracowałby nieefektywnie, hybrydy plug-in rozpędzają się za pomocą silnika elektrycznego.

Reasumując, hybrydy plug-in to sensowny etap przejściowy, pomiędzy spalinową motoryzacją, a pełną elektromobilnością. Infrastruktura ładowania stale się rozbudowuje, co oznacza, że z upływem czasu inwestycja w auto wyłącznie elektryczne ma coraz większy sens, zarówno ekonomiczny, jak i ekologiczny. Warto jednak pamiętać o tym, by posiadając auto hybrydowe plug-in nie zaniedbywać jego ładowania np. w domowym garażu. Nieładowanie hybrydy plug-in to marnowanie potencjału tego napędu, a to przecież coś, za co zapłaciliśmy wybierając takiego auto. Na szczęście badania przeprowadzone przez naszą markę, analizujące dane pozyskane z modeli Ford Kuga PHEV poruszających się po drogach Europy pokazują, że nabywcy tego lubianego, funkcjonalnego, rodzinnego SUV-a doskonale zdają sobie sprawę z możliwości elektryczno-spalinowych napędu. Statystycznie blisko połowa przebiegów realizowanych przez egzemplarze poruszające się po europejskich drogach została uzyskana dzięki ładowaniu aut prądem i korzystaniu z trybu jazdy bezemisyjnej.