Tym razem będzie trochę o wydajności silników. Ponieważ „konstruktywna” krytyka samochodów elektrycznych prezentowana przez wielbicieli zabójczych spalin opiera się niekiedy na twierdzeniach typu „elektryczna to może być pralka” lub „będzie tak szybki jak Melex”, postanowiliśmy odnieść się do niej prezentując kilka faktów na temat budowy i wydajności silników elektrycznych w stosunku do spalinowych.
Pierwsze praktyczne wykorzystanie energii elektrycznej pojawiło się wraz z badaniami Michała Faradaya. W 1831 roku odkrył zjawisko i zasady działania indukcji elektromagnetycznej i zbudował pierwszy sinik elektryczny oraz prądnicę. James Maxwell w 1861 roku opublikował swoje słynne równania elektrodynamiki klasycznej, opisujące wszystkie właściwości pola elektrycznego i magnetycznego oraz wszelkie zależności pomiędzy nimi. Podstawową i najważniejszą dla zastosowań praktycznych zasadą jest to, że każda zmiana prądu płynącego przez dowolny przewodnik powoduje zmianę otaczającego go pola magnetycznego i odwrotnie: każda zmiana pola magnetycznego zmienia prąd.
Silnik zasilany stałym napięciem
Wiemy z prostego doświadczenia, że magnes naturalny silnie przyciąga niektóre metale. Można tę siłę wykorzystać do budowy silników elektrycznych. W takich silnikach przepuszcza się prąd przez miedziany (najczęściej) przewód, co generuje bardzo duże siły. Pierwsze silniki elektryczne obracały się dzięki sile przyciągania stałego magnesu (stojana) wywieranej na oddzielnie nawinięte na wirnik zwoje przewodów, przez które przepływa prąd elektryczny. Do zwojów prąd dostarczany jest poprzez komutator, czyli zwykle – węglowe szczotki. Kolejne zmiany prądu dostarczają siły magnetycznej obracającej wirnik silnika. Nadaje mu to energię mechaniczną, którą można wykorzystać np. do napędzania pojazdu.
Taka konstrukcja nosi nazwę silnika na prąd stały. Jest bardzo prosta i niezawodna. Nie wymaga żadnych dodatkowych skomplikowanych systemów sterowania prądem – wystarcza włącznik i regulator natężenia prądu. Dzięki tym cechom silnik na prąd stały jest stosowany powszechnie i z powodzeniem. Również do napędu pojazdów, choć nie samochodów osobowych. Samochody osobowe i ciężarowe wymagają dużo lepszych i trochę bardziej skomplikowanych rozwiązań. Dlaczego? Ano po to, aby były lepsze od pralki i (nie ujmując mu niczego) Melexa.
Najczęściej wykorzystywane w elektrykach są silniki synchroniczne
Tam gdzie prostota i niezawodność musi być uzupełniona o możliwość precyzyjnego i kompletnego sterowania cennym prądem, najlepsze są trójfazowe silniki synchroniczne z wbudowanym magnesem stałym. W takie motory wyposażona jest większość jeżdżących dzisiaj samochodów z napędem elektrycznym.
Wirujące pole magnetyczne jest w tych silnikach wytwarzane nie przez komutator, ale przez podstawową zależność pomiędzy polami, wynikającą wprost ze wzoru Maxwella. Do rozruchu takiego silnika i uzyskanie przez niego synchronicznej prędkości obrotowej, równej częstotliwości prądu zasilającego – służą w samochodach tak zwane falowniki. Falowniki pozwalają na systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń stojana, co umożliwia stopniowe rozpędzanie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie.
W zakresie średnich mocy (a takie są w samochodach), maszyny synchroniczne – jako silniki napędowe – mają tę przewagę nad motorami prądu stałego, że nie wymagają mechanicznych styków ślizgowych do komutacji, które dość szybko się zużywają i wymagają konserwacji. Elektroniczne systemy kontroli mocy generowanej przez silniki tego typu są skomplikowane i złożone, ale zawsze niezawodne i tak efektywne, że pozwalają maksymalnie oszczędzać deficytowy prąd, a nawet go odzyskiwać. We wszystkich samochodach elektrycznych działa rekuperacja, czyli odzyskiwanie ponad 70% energii w trakcie hamowania silnikiem.
Silniki asynchroniczne
Pełne znaczenia praktyczne wzoru Maxwella odkrył i wykorzystał Nikola Tesla. Zbudował w 1887 roku, opierając się na wcześniejszych studiach G. Ferrarisa nad wirującym polem magnetycznym, pierwszy asynchroniczny silnik dwu-, a następnie trójfazowy. Ten wynalazek i inne jego dokonania były prawdziwym przełomem w powszechnym wykorzystaniu prądu zmiennego. W pełni zasłużył na to, że pierwszy prawdziwie komercyjny i udany samochód z napędem elektrycznym nazwany został jego imieniem.
Asynchroniczne silniki trójfazowe montowane są w samochodach przeznaczonych do rozwijania większych mocy (terenówki, SUV-y) i prędkości maksymalnych (np. Tesla sport) oraz pracujących w zmiennych i trudnych warunkach. Sterowane są również specjalną przetwornicą (falownikiem) dostosowującą częstotliwości prądów w wirniku i stojanie. W tego typu silnikach prędkość obrotowa sięga nawet 25 000 obrotów na minutę i jest prawie dwukrotnie większa niż w silnikach synchronicznych.
Rzeczywista sprawność napędu samochodowego
Zużycie energii i wydajność różnych, opisanych powyżej typów silników w samochodach elektrycznych, jest bardzo podobne. Ich sprawność, rozumiana jako procent energii przekształconej w użyteczną pracę mechaniczną, w każdym przypadku przekracza 90%.
Różnica pomiędzy sprawnością różnych rodzajów napędu elektrycznego a tradycyjnym napędem spalinowym jest bardzo duża. Sprawność silnika spalinowego wynosi jedynie ok. 33%, zaś odejmując straty mechaniczne napędu (skrzynia biegów, wał napędowy, sprzęgło, mechanizm różnicowy) jej wartości na kołach napędowych wynoszą jedynie ok. 16%!
Sprawność zaś w silniku elektrycznym obu typów (synchronicznym i asynchronicznym) z falownikiem może osiągnąć nawet do ok. 96-97%, co ma miejsce w przypadku najlepszych wielofazowych silników prądu zmiennego (a zatem też i samochodach napędzanych nimi). Zaś po odjęciu strat mechanicznych, sprawność na kołach napędowych ciągle jest bardzo duża i wynosi ok. 65%.
Wydaje się, że niedługo możemy także oczekiwać przełomu konstrukcyjnego w produkcji seryjnie wytwarzanych samochodów elektrycznych. Polegałby na zastosowaniu silników elektrycznych zamontowanych bezpośrednio w kołach, co zredukuje straty mechaniczne do minimum. Na razie takie rozwiązanie stosowane jest w lekkich pojazdach – rowerach, motocyklach i niewielkich pojazdach użytkowych. Jeśli jednak zostanie zastosowane do samochodów osobowych – ich wydajność przekroczy jeszcze bardziej obecną, już i tak o tyle większą niż w spaliniakach.
Co to będzie oznaczać dla wrażeń z jazdy? Pewnie będą jeszcze lepsze niż obecnie, ale o tym dopiero się przekonamy.
