Lesson 1 - Charakterystyka pojazdów elektrycznych

Charakterystyka pojazdów elektrycznych
Konwencjonalny pojazd silnikowy staje się pojazdem elektrycznym, gdy mechaniczny układ
napędowy z silnikiem spalinowym otrzymuje układ napędowy z silnikiem elektrycznym.
Jednak w dłuższej perspektywie, a w przypadku dużych wartości, system napędowy jest bardziej
korzystny, ponieważ elektryfikacja oferuje wiele nowych poziomów swobody, które mogą być
wykorzystane do optymalizacji całego pojazdu.
Oprócz omawianego układu napędowego z silnikiem elektrycznym, również sposób magazynowania
energii należy zmienić. Oznacza to, że konwencjonalny zbiornik paliwa jest wymieniany przez baterię.
Bateria nie zajmuje dużo więcej miejsca, ale jest znacznie cięższa (około 250 kg dodatkowej wagi).
Ciężar ten wykorzystuje akumulator umieszczony zwykle w podłodze pojazdu, który tworzy niższy
środek ciężkości i, w związku z tym, pozwala na wyższą stabilność jazdy.

Zalety napędu elektrycznego

Napęd elektryczny jest wydajny energetycznie

Energooszczędne silniki elektryczne, jak te używane w pojazdach elektrycznych, przekształcają
energię elektryczną w mechaniczną moc napędu bardzo efektywnie. W prawie całym zakresie
działania oferują poziom sprawności ponad 90%. Silniki spalinowe, z drugiej strony, osiągają 40% w
większości i tylko w bardzo wąskim zakresie prędkości obrotowej. W innych zakresach roboczych
wydajność spada znacząco. Ponadto, podczas hamowania, silniki elektryczne mogą być przełączane
elektronicznie do trybu generatora, tak aby wytwarzana energia hamowania mogła być wykorzystana
do ładowania akumulatora. Tak zwana "rekuperacja", połączona z wysokim poziomem sprawności,
prowadzi do znacznego obniżenia zużycia energii przez pojazd elektryczny w porównaniu z
konwencjonalnymi pojazdami, co skutkuje odpowiednio niskim kosztem eksploatacji. Ponadto, ze
względu na stosunkowo prostą konstrukcję w porównaniu z silnikami benzynowymi lub
wysokoprężnymi, silnik elektryczny jest w dużej mierze wolny od zużycia i bezobsługowy.

Rekuperacja (regeneracja)

Rekuperacja jest procesem przekształcania energii kinetycznej pojazdu elektrycznego z powrotem do
użytecznej energii elektrycznej podczas hamowania elektrodynamicznego. Proces rekuperacji jest
stanem, gdy silnik jest wyłączony, gdy jest hamowany i staje się generatorem, który zaczyna
generować energię elektryczną, ponieważ jest zasilany przez koła samochodu. Podczas gdy samochód
spowalnia, akumulator jest ładowany i silnik nie zużywa prądu. Jest to proces, który sprawia, że
„czyste” samochody elektryczne i pojazdy hybrydowe są bardziej ekonomiczne, ponieważ większość
energii z ruchu jest przechowywana zamiast skończyć się jak ciepło, jak w przypadku
konwencjonalnych hamulców. Gdy pojazd jest hamowany, pojazdy elektryczne i hybrydowe ładują
swoje baterie. Jest to proces hamowania regeneracyjnego znany jako system odzysku energii
kinetycznej lub KERS, który jest obecnie używany również w samochodach Formuły 1.

Napęd elektryczny jest lokalnie bez emisji
W trybie jazdy, samochód elektryczny emituje na miejscu nie warte uwagi poziomy zanieczyszczeń.
W związku z tym pojazdy wyłącznie elektryczne są klasyfikowane jako "pojazdy zerowe" (ZEV)
zgodnie z rygorystycznymi normami emisji CARB w amerykańskim stanie Kalifornia. CARB, California
Air Resources Board, jest agencją rządową w stanie Kalifornia. Ten organ doradczy jest znany ze
swoich szczególnie rygorystycznych wniosków ustawodawczych dotyczących kontroli
zanieczyszczenia powietrza. Również zgodnie z wytycznymi Unii Europejskiej, pojazdy elektryczne nie
przyczyniają się do emisji CO2 floty pojazdów.
Jednakże, zero emisji występuje tylko z lokalnego punktu widzenia. Ogólnie rzecz biorąc, w
odniesieniu do obciążenia zanieczyszczeniem, należy również wziąć pod uwagę produkcję energii
elektrycznej dla pojazdów. Ale nawet biorąc pod uwagę cały łańcuch energetyczny (z pokolenia na
konsumenta = punkt widzenia "well to wheel"), e-pojazdy wytwarzają mniej zanieczyszczeń niż
konwencjonalne pojazdy. W sytuacji idealnej, jeśli do ładowania wykorzystywana jest energia
wytwarzana regeneracyjnie, e-pojazd nie generuje żadnych znaczących emisji, również z szerszej
perspektywy. Ocena lokalnych emisji przez pojazd nazywa się podejściem "tank to wheel". Nawet
jeśli e-pojazdy nie mają zbiornika w odpowiednim rozumieniu tego słowa, termin ten jest używany do
oceny z lokalnego punktu widzenia. Jeśli produkcja energii jest również brana pod uwagę, takie
podejście nazywa się oceną "well to wheel".

Napędy elektryczne mają wysoką wartość momentu obrotowego nawet przy prędkościach początkowych i obejmują szeroki zakres obrotów.
Dzięki tym cechom, konwencjonalna skrzynia biegów i sprzęgło przesuwne stają się zbędne.
Konieczne jest tylko jeden reduktor stopniowy do dostosowania prędkości obrotowej. W trybie jazdy,
powoduje to całkowity brak szarpnięć podczas jazdy w całym zakresie prędkości. Dzięki wysokiej
wartości momentu obrotowego silników elektrycznych, nawet przy najniższej prędkości obrotowej,
pojazdy elektryczne mogą być uruchamiane z pozycji stojącej przy wysokich wartościach
przyspieszenia. Wcześniej często konieczne były poślizgnięcia sprzęgła, a wielokrotne przesunięcia i
zmiany nie są już potrzebne. Pojazdy elektryczne charakteryzują się zatem dużym potencjałem dla
bardzo dynamicznej jazdy, jak również wysokim komfortem jazdy, nie oferowanym przez inne
pojazdy, nawet z automatyczną skrzynią biegów.

Napędy elektryczne są ciche
Bardzo niski poziom głośności silników elektrycznych w porównaniu z silnikami spalinowymi prowadzi
do przyjemnie cichego „hałasu” w tle dla kierowcy i pasażerów, nawet podczas jazdy z dużą
prędkością. Również poza pojazdem, niski poziom hałasu podczas jazdy, w szczególności przy niskich i
średnich prędkościach, poprawia jakość życia mieszkańców oraz innych użytkowników dróg. Przy
dużych prędkościach, efekt jest nadal obecny, ale nie jest już tak silny ze względu na rosnący hałas
toczenia.
W obszarach miejskich, przy niskich prędkościach, niski poziom hałasu może nawet doprowadzić do
tego, że takie pojazdy nie zostaną zauważone lub zauważone zbyt późno przez pieszych i
rowerzystów, co może powodować sytuacje krytyczne. Prowadzone są prace nad rozwiązania tego
problemu, na przykład wprowadzenie elektronicznie generowanych sygnałów ostrzegawczych.

Pojazdy czysto elektryczne mają prostą konstrukcję i mogą być łatwiej regulowane
W porównaniu z pojazdami spalinowymi, samochody elektryczne mają znacznie prostszą strukturę.
Przy porównywalnej wydajności silnik elektryczny jest lżejszy i bardziej kompaktowy, a także w
dużym stopniu bezobsługowy. Silniki elektryczne mogą być regulowane elektrycznie łatwiej, nawet
przełączanie między ruchem do przodu i do tyłu odbywa się bez rozdzielania i po prostu
elektronicznie.
W przeciwieństwie do tego, silniki spalinowe wymagają, tylko dla regulacji ilości paliwa i czasu
zapłonu, w warunkach czystego spalania, zaangażowania wszystkich zasobów inżynieryjnych
producenta samochodów. Nie można jednak ignorować tego, że ze względu na wysokie napięcia i
prądy sterujące napędy elektryczne wymagają bardziej obszernej elektroniki kontrolnej niż w
przypadku pojazdów konwencjonalnych.
Z drugiej strony, w pojazdach czysto elektrycznych, poza wspomnianą skrzynią biegów i sprzęgłem,
nie ma potrzeby szeregu innych dodatkowych elementów, takich jak
-zbiornik, pompa paliwowa
-misa oleju, olej
-katalizator
-układ wydechowy
-rozrusznik, alternator, akumulator startowy
Inne komponenty, na przykład hamulce, są znacznie mniej obciążone, dzięki wspomaganiu
hamowania, rekuperacji, która ma pozytywne konsekwencje w postaci dłuższego okresu eksploatacji
układu hamulcowego. Wszystkie te różnice pozwalają poświęcić mniej czasu i pieniędzy na
konserwację. Wreszcie, prostsza struktura zapewnia więcej możliwości recyklingu pojazdu pod koniec
okresu eksploatacji.
Koszty serwisowania i konserwacji samochodu elektrycznego są znacznie niższe niż w przypadku
klasycznego samochodu. Nie trzeba tankować, zmieniać i sprawdzać oleju, filtrów i chłodziw. Zaletą
samochodu elektrycznego jest znacznie niższa liczba elementów silnika - większa prostota silnika to
mniejsza szansa awarii samochodu elektrycznego. Silnik elektryczny nie jest narażony na wysokie
ciśnienia lub temperatury, co skutkuje dłuższą żywotnością silnika elektrycznego w porównaniu do
konwencjonalnego silnika spalinowego.
Samochody elektryczne oferują wysoki komfort jazdy i korzystne koszty eksploatacji. Lokalnie, są one
wolne od emisji i CO2-neutralne, gdy "są tankowane" z regeneracyjnie produkowanej energii.

Wady napędu elektrycznego

Pojazdy elektryczne mają wysoką cenę

Zakupione samochody elektryczne składają się z dużo mniejszej liczby elementów niż
konwencjonalne samochody. Nie mają skrzyni biegów, spalin, chłodzenia i wielu innych urządzeń
używanych w klasycznych samochodach. Produkcja samochodu elektrycznego powinna zatem być
znacznie tańsza niż konwencjonalne samochody, ale elektromobile mają jeden specyficzny element,
który zwiększa cenę samochodów elektrycznych. Są to baterie. Cena akumulatorów w amochodach
elektrycznych jest tak wysoka, że ma decydujący wpływ na cenę końcową pojazdu. Cena baterii określa wysokie wymagania, które muszą spełniać baterie. W szczególności, jest to najmniejsza waga,
mała objętość, zdolność do dostarczania wysokiego prądu, niskie samorozładowanie, duża liczba cykli
ładowania i wiele innych.
Ważne elementy napędowe, silnik elektryczny, w tym elektronika użytkowa, mogą być oferowane w
kosztach porównywalnych do silnika spalinowego i jego elektroniki kontrolnej, ale baterie litowojonowe muszą prowadzić do znacznie wyższej ceny. W przypadku baterii o pojemności około 20 kWh,
zazwyczaj używanych w dzisiejszych samochodach elektrycznych, cena zakupu wynosi ponad 10.000
euro (od 2014). W przyszłości można oczekiwać, że akumulatory staną się bardziej efektywne pod
względem kosztów, a po 2020, koszty mogą być zmniejszone o połowę.

Pojazdy elektryczne mają ograniczony zasięg i długi czas ładowania
Na dzisiejsze typowe i nadal przystępne pojemności baterii, samochody elektryczne mają nominalne
(to jest w "warunkach pracy", zgodnie z przepisami UE) określony zakres 150 do 200 km. W praktyce
zakres ten jest czasami znacznie krótszy. Na przykład, korzystanie z systemu klimatyzacji lub
ogrzewania może ograniczyć zasięg pojazdu o jedną trzecią. Zazwyczaj takie odległości są
wystarczające dla większości napędów na co dzień. W standardowym przypadku pojazd jest
ładowany w nocy. Można to zrobić na ogół w każdym gospodarstwie domowym lub w garażu, ale
ładowanie trwa wiele godzin.
Jeśli jednak trzeba ładować pojazd dodatkowo podczas długich napędów, takie długie czasy
ładowania są niedopuszczalne. W związku z tym pojazdy są ładowane na publicznych słupach
ładowania, oferując wysokie możliwości ładowania i krótszy czas ładowania. Takie słupki ładujące są
teraz instalowane w wielu miejscach. W coraz większym stopniu oferują one możliwość szybkiego
ładowania prądem stałym o bardzo dużej pojemności. Skraca to czas ładowania do około 30 minut.
Dla kierowcy, który uzna to rozwiązanie za zbyt zawodne, ale nadal chce jechać na elektryczności,
producenci oferują pojazdy hybrydowe, i coraz częściej od 2014, plug-in hybrydy. Wiele takich
pojazdów pozwala na wykonywanie większości tras (do 50 km) wyłącznie elektrycznie. W przypadku
dłuższych jazd, wykorzystywany jest silnik spalinowy. Pojazdy elektryczne są drogie ze względu na
wciąż wysokie koszty baterii. Zasięg jest ograniczony, ale wystarcza na większość codziennych jazd.
Ładowanie zajmuje dużo czasu, nawet szybkie ładowanie trwa co najmniej pół godziny.

Baterie mają zagrażające życiu wartości
Napięcia dla pojazdów elektrycznych muszą spełniać ścisłe wytyczne bezpieczeństwa w odniesieniu
do wartości zagrażającej życiu (400 v-600 v) nisko-napięciowych baterii DC (niebezpieczeństwo
porażenia prądem).
Zdefiniowane napięcia-reprezentuje niskie i wysokie napięcie zgodnie z normą ECE R100. Podane
napięcie jest klasyfikacją komponentów elektrycznych lub obwodu, jeżeli wartość skuteczna (RMS)
napięcia roboczego w określonym zakresie (AC-prąd przemienny; DC-prąd stały)
-bardzo niski prąd (prąd niski) < 50 v RMS AC a < 120 v DC
-prąd niskiego napięcia 50-1000 v rms AC a 120-1500 v DC
-wysoki prąd > 1000 v RMS AC a > 1500 v DC.

Zagrożenia związane z systemami
Wspólne ryzyko dla pracy elektrycznych pojazdów występuje w naprawie i konserwacji pojazdów,
naprawach „w drodze” i podczas innych działań związanych z pojazdem wiążących się z dodatkowymi
zagrożeniami podczas pracy nad pojazdami elektrycznymi. Do zagrożeń tych zalicza się:
-obecność podzespołów wysokiego napięcia i przewodów kablowych, które mogą spowodować
śmiertelne porażenie prądem elektrycznym,
- przechowywanie elektryczności z prawdopodobieństwem wybuchu lub pożaru,
-komponenty, które mogą utrzymywać niebezpieczne napięcia nawet wtedy, gdy pojazd jest
wyłączony,
-silniki elektryczne lub sam pojazd, które mogą nieoczekiwanie poruszać się w wyniku
siły magnetycznej wewnątrz silników,
-obsługi i ryzyka związanego z wymianą baterii
-prawdopodobieństwo uwolnienia wybuchowych gazów i szkodliwych cieczy, jeśli baterie są
uszkodzone lub nieprawidłowo wymienione,
-prawdopodobieństwo, że ludzie nie będą wiedzieć o ruchu pojazdów, ponieważ napęd elektryczny
charakteryzuje się cichą pracą,
-warunki otoczenia, w tym warunki podczas ładowania w obecności wody-na przykład deszcz, mycie,
itp.
-niewłaściwe użycie przedłużaczy podczas ładowania,
-prawdopodobieństwo, że układy elektryczne pojazdów wpłyną na funkcjonowanie urządzeń
medycznych, takich jak stymulatory serca i pompy insulinowe.

Porażenia prądem
Porażenie elektrycznym występuje, gdy prąd przechodzi przez organizm ludzki. To wpływa zarówno
na mięśnie, układu krążenia i układu oddechowego, a czasem prowadzi do poważnych oparzeń.
Stopień niebezpieczeństwa dla ofiar zależy od wielkości prądu, części ciała, przez które przechodzi
prąd, i czasu przejścia prądu. Mówiąc krótko, jeśli mały prąd przechodzi przez części ciała ludzkiego,
osoba jest w poważnym niebezpieczeństwie, jeśli nie ma obecnej przerwy w bardzo krótkim czasie.
Nawet niski prąd, który przepływa przez organizm przez dłuższy okres czasu może być śmiertelny.
Na przykład, limit przetrwania ofiary na 500 mA wynosi 0,2 sekund, ale w 50 mA to 2 sekundy.
Ponieważ prąd jest równy napięciu podzielonemu przez opór, opór ciała jest ważnym czynnikiem w
określaniu aktualnej wartości, podobnie jak napięcie. Spocony lub mokry człowiek będzie miał niższą
odporność ciała, więc może być trafiony prądem elektrycznym z fatalnymi konsekwencjami nawet
przy niższych napięciach. Nasilenie porażenia prądem elektrycznym zależy zatem od aktualnej
wartości ustalonej przez rezystancję napięcia i ciała, aktualnej ścieżki, obszaru styku i czasu trwania
kontaktu.

Środki ostrożności podczas pracy w systemach elektrycznych i elektronicznych
Pod maską pojazdów są typowe pomarańczowe kable w silniku, które są ważnym wskaźnikiem bycia
pojazdem elektrycznym. Napięcie akumulatora jest zagrożeniem dla życia nawet przy niskim napięciu
DC. Wszędzie widzimy znaki ostrzegawcze, które wskazują na niebezpieczeństwa porażenia prądem
elektrycznym.
Pojazdy elektryczne wykorzystują baterie o niskim napięciu prądu stałego, dzięki czemu energia
dostarczona do silnika napędowego może być zwrócona do akumulatora w bardzo krótkim czasie.
Napięcie 300 v jest już powszechne, często jest to nawet więcej niż 600 woltów i oczekuje się, że
wzrośnie! Podczas pracy z tymi pojazdami należy przestrzegać ścisłych środków ostrożności.
Przestrzeganie bezpieczeństwa jest również związane z faktem, że ewentualne zwarcia mogą
spowodować przegrzanie, a w konsekwencji eksplozje lub pożar. Niezabezpieczone styki są
zagrożeniem porażenia prądem elektrycznym.

Serwisowanie i konserwacja pojazdów elektrycznych może przeprowadzać wyłącznie autoryzowana i właściwie wyszkolona osoba.
Bezpieczeństwo pojazdów elektrycznych jest również objęte międzynarodowymi standardami, w
szczególności ISO 6469. Norma ta, podzielona na trzy części, zajmuje się przechowywaniem baterii na
pokładzie pojazdu, funkcjonalnością sprzętu oraz ochroną przed awarią i ochroną osób przed
zagrożeniem porażeniem prądem elektrycznym.
Do pracy w systemach o wysokich, zagrażających życiu, wartościach napięcia są zalecane następujące
środki ochrony osobistej: nieprzewodząca odzież robocza (zamek błyskawiczny, guziki), rękawice
izolowane, obuwie robocze z gumową podeszwą i niemetalicznych ochraniaczy palców, w końcu
okulary. Zawsze używamy izolowanych narzędzi roboczych.