Samochód elektryczny – jak działa?

Samochód elektryczny porusza się dzięki energii zgromadzonej w akumulatorze trakcyjnym. Zamiast silnika spalinowego, skrzyni biegów, układu wydechowego i zbiornika paliwa wykorzystuje przede wszystkim baterię, silnik elektryczny, falownik oraz układ sterujący przepływem energii.

Z punktu widzenia kierowcy wszystko wygląda bardzo prosto: naciskamy pedał przyspieszenia, a samochód rusza. Pod spodem zachodzi jednak kilka procesów jednocześnie. Energia z baterii trafia do układu napędowego, falownik odpowiednio ją przekształca, a silnik elektryczny zamienia ją w ruch kół.

Co ważne, podczas zwalniania proces może działać w przeciwną stronę. Silnik zaczyna wtedy pełnić funkcję generatora, a część energii wraca do akumulatora. To właśnie rekuperacja, czyli odzyskiwanie energii podczas hamowania.

Jak działa samochód elektryczny w praktyce?

Najprościej można opisać ten proces w kilku krokach.

Po naciśnięciu pedału przyspieszenia sterownik samochodu analizuje, jak dużej mocy oczekuje kierowca. Energia z akumulatora trafia następnie przez falownik do silnika elektrycznego. Silnik zaczyna wytwarzać moment obrotowy, który przez przekładnię jest przekazywany na koła.

Nie potrzeba przy tym klasycznej wielobiegowej skrzyni znanej z samochodów benzynowych i diesli. Większość aut elektrycznych wykorzystuje jednostopniową przekładnię redukcyjną, ponieważ silnik elektryczny pracuje efektywnie w bardzo szerokim zakresie obrotów.

Dzięki temu samochód może przyspieszać płynnie i bez zmiany biegów.

Z czego składa się samochód elektryczny?

Choć konstrukcja auta elektrycznego jest pod wieloma względami prostsza od samochodu spalinowego, nadal składa się z wielu współpracujących ze sobą systemów.

Najważniejsze elementy to:

• akumulator trakcyjny,
• silnik lub silniki elektryczne,
• falownik,
• przekładnia,
• system zarządzania baterią,
• układ chłodzenia i ogrzewania podzespołów,
• ładowarka pokładowa,
• przetwornica napięcia,
• instalacja 12 V,
• sterowniki odpowiedzialne za pracę całego układu.

Każdy z tych elementów ma inne zadanie.

Akumulator trakcyjny – magazyn energii samochodu

Największym i zwykle najdroższym elementem samochodu elektrycznego jest akumulator trakcyjny.

To właśnie w nim magazynowana jest energia potrzebna do jazdy. Bateria składa się z wielu pojedynczych ogniw połączonych w moduły, które razem tworzą kompletny pakiet akumulatorowy.

Pojemność baterii podaje się najczęściej w kilowatogodzinach, czyli kWh.

Przykładowo samochód z baterią o pojemności 60 kWh może przechowywać więcej energii niż model wyposażony w akumulator 40 kWh. Nie oznacza to jednak automatycznie proporcjonalnie większego zasięgu, ponieważ wpływa na niego także masa pojazdu, aerodynamika, temperatura, prędkość i zużycie energii przez inne urządzenia.

Gdzie znajduje się bateria?

W większości współczesnych samochodów elektrycznych akumulator umieszczony jest w podłodze pomiędzy osiami.

Takie rozwiązanie ma kilka zalet. Obniża środek ciężkości samochodu, pozwala równomierniej rozłożyć masę i nie zabiera dużej ilości miejsca w kabinie.

Pakiet baterii jest przy tym zamknięty w solidnej obudowie, która chroni ogniwa przed uszkodzeniami mechanicznymi, wodą i zanieczyszczeniami.

Co robi system BMS?

Bateria samochodu elektrycznego nie działa samodzielnie. Nadzoruje ją BMS, czyli Battery Management System.

To elektroniczny system zarządzania akumulatorem.

Kontroluje między innymi:

• temperaturę ogniw,
• poziom naładowania,
• napięcie,
• prąd ładowania i rozładowania,
• balans pomiędzy poszczególnymi ogniwami,
• bezpieczne granice pracy baterii.

BMS chroni akumulator przed przeładowaniem, nadmiernym rozładowaniem i zbyt wysoką temperaturą.

Kierowca widzi na ekranie informację o poziomie baterii, ale w rzeczywistości samochód stale kontroluje znacznie więcej parametrów.

Jak działa silnik elektryczny?

Silnik elektryczny zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną.

W dużym uproszczeniu odbywa się to dzięki oddziaływaniu pól magnetycznych. Przepływ prądu powoduje powstanie pola elektromagnetycznego, które wprawia wirnik silnika w ruch.

Efektem jest moment obrotowy przekazywany na koła.

Jedną z najważniejszych cech silnika elektrycznego jest to, że może on dostarczać bardzo wysoki moment obrotowy już od niskich obrotów.

Dlatego samochody elektryczne często reagują na naciśnięcie pedału przyspieszenia znacznie szybciej niż auta spalinowe o podobnej mocy.

Dlaczego elektryk nie potrzebuje klasycznej skrzyni biegów?

Silnik spalinowy pracuje efektywnie tylko w określonym zakresie obrotów. Z tego powodu potrzebuje skrzyni biegów, która pozwala dopasować przełożenie do aktualnej prędkości i obciążenia.

Silnik elektryczny ma znacznie szerszy zakres użytecznych obrotów.

Dlatego w większości samochodów elektrycznych stosuje się jedno stałe przełożenie.

Nie ma więc klasycznej zmiany pierwszego, drugiego czy trzeciego biegu. Samochód przyspiesza liniowo, a sterownik płynnie reguluje prędkość pracy silnika.

Co to jest falownik?

Falownik to jeden z kluczowych elementów napędu elektrycznego.

Akumulator przechowuje energię w postaci prądu stałego. W wielu samochodach silnik napędowy wykorzystuje natomiast prąd przemienny.

Falownik odpowiada za odpowiednie przekształcenie energii pomiędzy baterią a silnikiem.

Steruje także częstotliwością i parametrami prądu, dzięki czemu może bardzo precyzyjnie kontrolować prędkość obrotową silnika oraz jego moment.

Podczas rekuperacji przepływ energii odbywa się w przeciwnym kierunku. Energia generowana przez silnik jest przekształcana tak, aby mogła ponownie trafić do baterii.

Jak działa rekuperacja?

Rekuperacja to jedna z najważniejszych różnic pomiędzy autem elektrycznym a samochodem spalinowym.

Kiedy kierowca odpuszcza pedał przyspieszenia albo naciska hamulec, silnik elektryczny może zacząć działać jak generator.

Samochód wytraca prędkość, a część energii kinetycznej zostaje zamieniona na energię elektryczną i przesłana do akumulatora.

Dzięki temu energia, która w tradycyjnym samochodzie zostałaby w dużej mierze zamieniona w ciepło przez hamulce, może zostać częściowo odzyskana.

Czy elektryk zawsze hamuje silnikiem?

Zależy od ustawień samochodu.

W wielu modelach kierowca może zmieniać siłę rekuperacji. Przy mocnym odzyskiwaniu energii auto zaczyna wyraźnie zwalniać już po zdjęciu nogi z pedału przyspieszenia.

Niektóre samochody pozwalają nawet na jazdę w trybie one-pedal driving. W codziennych warunkach większość przyspieszania i zwalniania można wtedy kontrolować jednym pedałem.

Tradycyjny układ hamulcowy nadal jednak pozostaje w samochodzie i jest wykorzystywany wtedy, gdy potrzebne jest mocniejsze hamowanie.

Jak ładuje się samochód elektryczny?

Samochód elektryczny można ładować z różnych źródeł.

Najczęściej spotykane są:

• zwykłe gniazdko,
• domowy wallbox,
• publiczna ładowarka AC,
• szybka ładowarka DC.

Różnica polega między innymi na tym, jak szybko energia może trafić do baterii.

Ładowanie AC – jak działa?

AC oznacza prąd przemienny.

Kiedy samochód jest ładowany prądem przemiennym, energia trafia najpierw do ładowarki pokładowej znajdującej się w aucie.

To ona przekształca prąd AC na prąd stały potrzebny do ładowania baterii.

Moc ładowania jest więc ograniczona nie tylko możliwościami stacji, ale także parametrami ładowarki znajdującej się w samochodzie.

Jeżeli wallbox może dostarczyć 22 kW, ale samochód przyjmuje maksymalnie 11 kW AC, ładowanie będzie odbywało się właśnie z mocą do 11 kW.

Ładowanie DC – dlaczego jest szybsze?

Przy szybkim ładowaniu prądem stałym energia omija pokładową ładowarkę AC i trafia do baterii przez odpowiedni układ wysokiego napięcia.

Dlatego stacje DC mogą oferować znacznie większą moc.

W zależności od samochodu maksymalna moc szybkiego ładowania może wynosić kilkadziesiąt, ponad 100, 200, a w niektórych konstrukcjach nawet więcej kW.

Nie oznacza to jednak, że maksymalna wartość jest utrzymywana przez cały czas.

Im bardziej bateria jest naładowana, tym zwykle mniejsza staje się moc ładowania.

Dlaczego ostatnie procenty baterii ładują się wolniej?

Szybkość ładowania zależy od tzw. krzywej ładowania.

Przy odpowiedniej temperaturze baterii i niskim poziomie naładowania samochód może przyjmować bardzo wysoką moc. Wraz ze wzrostem poziomu energii system stopniowo ją ogranicza.

Ma to chronić akumulator.

Dlatego podczas długiej podróży często bardziej opłaca się ładować baterię na szybkiej stacji np. od kilkunastu do około 70–80 proc., zamiast za każdym razem czekać do pełnych 100 proc.

Jak samochód elektryczny chłodzi baterię?

Bateria trakcyjna najlepiej pracuje w określonym zakresie temperatur.

Zbyt niska temperatura może ograniczać moc ładowania i osiągi. Zbyt wysoka może negatywnie wpływać na trwałość ogniw.

Dlatego współczesne auta elektryczne wykorzystują system zarządzania temperaturą baterii.

W wielu modelach akumulator jest chłodzony cieczą. Ten sam układ może również podgrzewać baterię przed szybkim ładowaniem.

Niektóre samochody potrafią automatycznie przygotować akumulator do ładowania po ustawieniu szybkiej ładowarki jako celu w nawigacji.

Co dzieje się z elektrykiem zimą?

Niska temperatura nie uniemożliwia jazdy samochodem elektrycznym, ale wpływa na jego zużycie energii.

Zimą część energii trzeba przeznaczyć na:

• ogrzewanie kabiny,
• podgrzewanie baterii,
• ogrzewanie szyb i foteli.

Sama bateria również działa mniej efektywnie w niskich temperaturach.

Efektem może być zauważalnie mniejszy zasięg niż w ciepły dzień.

W wielu nowych samochodach wykorzystuje się pompę ciepła, która pozwala efektywniej ogrzewać wnętrze niż tradycyjna grzałka elektryczna.

Czy samochód elektryczny ma akumulator 12 V?

Tak.

Mimo że samochód elektryczny posiada dużą baterię trakcyjną o wysokim napięciu, nadal wykorzystuje również zwykłą instalację niskonapięciową, najczęściej 12 V.

Zasila ona między innymi:

• sterowniki,
• centralny zamek,
• oświetlenie,
• multimedia,
• systemy bezpieczeństwa.

Mały akumulator 12 V jest więc nadal bardzo ważny.

Co ciekawe, rozładowany akumulator 12 V może sprawić, że elektryk nie będzie się prawidłowo uruchamiał, nawet jeśli główna bateria trakcyjna jest naładowana.

Co oznacza wysokonapięciowa instalacja w elektryku?

Układ napędowy samochodu elektrycznego pracuje przy znacznie wyższym napięciu niż tradycyjna instalacja 12 V.

W zależności od konstrukcji pojazdu może to być kilkaset woltów, a w nowszych architekturach jeszcze więcej.

Przewody wysokiego napięcia są odpowiednio zabezpieczone i oznaczone.

Samochód wykorzystuje także systemy, które w razie wypadku lub wykrycia poważnej usterki mogą odłączyć baterię trakcyjną od reszty instalacji.

Dlatego przy samochodzie elektrycznym nie należy samodzielnie ingerować w układ wysokiego napięcia bez odpowiedniej wiedzy i kwalifikacji.

Czy samochód elektryczny ma mniej części niż spalinowy?

W układzie napędowym – zazwyczaj tak.

Samochód elektryczny nie potrzebuje wielu elementów charakterystycznych dla silnika spalinowego.

Nie znajdziemy w nim między innymi:

• świec zapłonowych,
• wtryskiwaczy paliwa,
• turbosprężarki w typowym znaczeniu,
• układu wydechowego,
• filtra DPF,
• sprzęgła,
• klasycznej wielobiegowej skrzyni manualnej,
• oleju silnikowego wymagającego regularnej wymiany.

Nie znaczy to oczywiście, że samochód elektryczny jest całkowicie bezobsługowy.

Nadal trzeba kontrolować hamulce, zawieszenie, opony, klimatyzację, płyny eksploatacyjne oraz stan układu chłodzenia.

Czy elektryk ma hamulce?

Tak, i konstrukcyjnie są one bardzo zbliżone do tych stosowanych w innych samochodach.

Różnica polega na tym, że dzięki rekuperacji klasyczne hamulce mogą być używane rzadziej.

Ma to dwie strony.

Z jednej strony klocki i tarcze mogą zużywać się wolniej. Z drugiej – przy bardzo spokojnej jeździe i intensywnym wykorzystywaniu rekuperacji elementy mechanicznego układu hamulcowego mogą być mniej regularnie obciążane.

Dlatego ich stan nadal powinien być okresowo kontrolowany.

Skąd bierze się zasięg samochodu elektrycznego?

Na zasięg wpływa przede wszystkim ilość energii zgromadzonej w baterii i średnie zużycie prądu.

Zużycie podaje się najczęściej w kWh na 100 km.

Jeżeli samochód ma do dyspozycji 60 kWh energii i zużywa średnio 15 kWh/100 km, w bardzo uproszczonym obliczeniu otrzymujemy około 400 km zasięgu.

W praktyce wynik będzie się zmieniał.

Wpływają na niego między innymi:

• prędkość,
• temperatura,
• styl jazdy,
• wiatr,
• rodzaj opon,
• obciążenie samochodu,
• ogrzewanie lub klimatyzacja,
• ukształtowanie terenu.

Szczególnie istotna jest prędkość. Przy szybkiej jeździe autostradowej opór aerodynamiczny rośnie, dlatego zużycie energii może być wyraźnie większe niż podczas jazdy miejskiej.

Dlaczego elektryk dobrze radzi sobie w mieście?

Samochód spalinowy podczas jazdy miejskiej często pracuje w mało korzystnych warunkach: częste ruszanie, postoje i niska średnia prędkość zwiększają zużycie paliwa.

Elektryk działa inaczej.

Przy niskich prędkościach jest bardzo efektywny, a podczas zwalniania może odzyskiwać część energii dzięki rekuperacji.

Dlatego różnica pomiędzy zużyciem energii w mieście i na autostradzie wygląda często odwrotnie niż w przypadku auta spalinowego.

Czy samochód elektryczny ma jeden silnik?

Nie zawsze.

Najprostsze konstrukcje wykorzystują jeden silnik elektryczny napędzający przednią albo tylną oś.

Modele z napędem na cztery koła często mają dwa silniki – jeden przy przedniej i drugi przy tylnej osi.

Pozwala to sterować napędem bez klasycznego wału łączącego obie osie.

W bardziej zaawansowanych samochodach można spotkać również większą liczbę silników, dzięki czemu sterownik może jeszcze precyzyjniej regulować moment trafiający na poszczególne koła.

Czy samochód elektryczny jest całkowicie bezgłośny?

Nie.

Silnik elektryczny pracuje znacznie ciszej od jednostki spalinowej, szczególnie przy niskich prędkościach.

Nadal słychać jednak:

• szum opon,
• przepływ powietrza,
• pracę zawieszenia,
• wentylatory,
• układ klimatyzacji,
• czasami charakterystyczny dźwięk silnika i przekładni.

Przy niskich prędkościach auta elektryczne mogą również emitować sztucznie generowany dźwięk ostrzegający pieszych.

Czy bateria w elektryku z czasem traci pojemność?

Tak.

Każdy akumulator stopniowo się zużywa.

Proces ten nazywa się degradacją baterii i oznacza, że z czasem jej maksymalna dostępna pojemność może się zmniejszyć.

Na tempo degradacji wpływają między innymi:

• temperatura,
• wiek baterii,
• liczba cykli ładowania,
• sposób ładowania,
• częste pozostawianie auta przy bardzo wysokim lub bardzo niskim poziomie naładowania.

Nie oznacza to jednak, że po kilku latach bateria nagle przestaje działać. Najczęściej proces jest stopniowy.

Jak działa samochód elektryczny – podsumowanie

Samochód elektryczny nie potrzebuje paliwa ani klasycznego silnika spalinowego.

Energia przechowywana w akumulatorze trakcyjnym trafia przez układy elektroniczne do silnika, który bezpośrednio napędza koła.

Podczas jazdy współpracują ze sobą przede wszystkim:

bateria, falownik, silnik elektryczny, system zarządzania baterią i układ termiczny.

Podczas hamowania część energii może zostać odzyskana i ponownie zgromadzona w baterii.

Cały układ jest pod względem mechanicznym stosunkowo prosty, ale bardzo mocno opiera się na elektronice i precyzyjnym zarządzaniu energią.

Czy samochodem elektrycznym można wjechać na myjnię?

Tak. Samochód elektryczny można normalnie myć na myjni automatycznej, bezdotykowej oraz ręcznej.

Instalacja wysokiego napięcia, bateria i złącza są odpowiednio zabezpieczone przed wodą i warunkami atmosferycznymi. Samochód elektryczny musi przecież bezpiecznie jeździć także podczas deszczu, przez kałuże czy po mokrej drodze.

Na myjni automatycznej należy po prostu stosować się do instrukcji konkretnego samochodu i myjni. W zależności od modelu może być konieczne wyłączenie automatycznego hamulca postojowego, funkcji Auto Hold, automatycznych wycieraczek lub przełączenie auta w odpowiedni tryb umożliwiający swobodne toczenie.

Nie ma natomiast powodu, aby obawiać się samego kontaktu auta elektrycznego z wodą podczas zwykłego mycia.