Charakteristika elektromobilů/elektrických vozidel

Konvenční motorové vozidlo se stává elektrickým v případě, kdy je pohonná jednotka vozidla se spalovacím motorem nahrazena motorem elektrickým.

Z dlouhodobého hlediska, či v případě větších počtů, je koncept tohoto systému mnohem výhodnější, jelikož elektrifikace nabízí nové možnosti, které mohou být využity k optimalizaci celého vozidla.

Jako další musí být kromě pohonné jednotky, v podobě elektrického motoru, vyměněn také zásobník energie. To znamená, že se tradiční palivová nádrž nahradí baterií, která sice nezabere více místa, ale je výrazně těžší (o cca 250 kg). Vzhledem k její váze je baterie zabudována do podlahy vozidla, což má za následek snížení celkového těžiště a lepší jízdní stabilitu.


Výhody elektrického pohonu


Elektrický pohon je energeticky účinný

Elektrické motory používané v elektromobilech přeměňují elektrickou energii na mechanickou s vysokou účinností. V rámci téměř celého provozního rozsahu nabízí účinnost přes 90 %. Oproti tomu spalovací motory dosahují nanejvýš 40 %, a to pouze ve velmi úzkém rozsahu točivého momentu.  Mimo tento interval účinnost výrazně klesá. Při brzdění lze navíc elektromotor elektronicky přepnout do generátorového režimu. Tím pádem lze energii vyprodukovanou brzděním využít k dobíjení baterie. V porovnání se spalovacími motory, vede tato tzv. rekuperace spolu s vyšší účinností k výrazně nižší spotřebě energie, jejímž výsledkem jsou i nižší provozní náklady. Díky své jednoduché konstrukci je navíc v porovnání se spalovacími motory méně náročný na údržbu.

Rekuperace („znovuzískávání“)

Rekuperace je proces přeměny kinetické energie elektromobilu zpět na energii elektrickou. Dochází k tomu při elektrodynamickém brzdění.

Proces rekuperace je stav, kdy se při brždění elektromotor přepne a stane se z něj generátor, který začne vyrábět elektřinu, jelikož je poháněn pohybujícími se koly auta. Zatímco auto zpomaluje, baterie se dobíjí a motor nespotřebovává žádný proud. Nastává proces, který dělá čistě elektrická auta a hybridní vozidla úspornější, protože je většina pohybové (kinetické) energie uložena, namísto toho, aby se přeměnila v uvolněné teplo, jako je tomu u běžných brzd. Když vozidlo brzdí, čistě elektrická a hybridní vozidla své baterie dobíjejí. Toto je proces regeneračního brždění známý jako systém rekuperace kinetické energie nebo KERS, který se dnes používá u vozů Formule 1.

Elektrický pohon je lokálně bezemisní

Elektrická vozidla nevypouští v průběhu jízdy žádné významné škodliviny. Čisté elektromobily jsou klasifikovány jako „Zero Emission Vehicle“ (ZEV), podle přísných emisních norem CARB legislativy amerického státu Kalifornie. CARB, California Air Resources Board je vládní komise státu Kalifornie. Tento orgán je znám pro své mimořádně přísné legislativní návrhy týkající se znečišťování ovzduší. Také v souladu se směrnicemi Evropské unie nepřispívají elektromobily k emisím CO2.

K nulové emisi však dochází pouze z lokálního pohledu. Při posuzování se však musí zahrnout nejen znečišťující látky, které jsou produkovány při výrobě elektřiny pro dané elektromobily, ale také při pohledu na celý energetický řetězec (od výroby ke spotřebiteli = „Well-to-Wheel“). Elektromobily produkují méně znečisťujících látek, než je tomu u běžných automobilů. V ideálním případě, kdy je využíváno k dobíjení elektromobilu regenerativní brždění, neprodukuje takovýto automobil žádné stopové znečisťující prvky. Vzhledem k lokálním emisím vozidla se odkazuje na hodnocení typu "tank-to-wheel". I když elektronická vozidla nemají nádrž v pravém slova smyslu, tento termín se používá k jejich hodnocení. Pokud je výroba energie zahrnutá, používá se označení "Well to Whell" (od zdroje ke kolu).

Elektrické pohony mají velký točivý moment v nízkých otáčkách a zároveň pokrývají velký rozsah otáček

Díky těmto vlastnostem je konvenční převodovka a spojka zbytečná. K přizpůsobení rychlosti otáčení je nutný pouze jednostupňový redukční převod. Při jízdě vede k absolutně hladkému provozu v celém rozsahu rychlostí. Vzhledem k vysokému točivému momentu elektromotorů i při nejnižší rychlosti mohou elektrická vozidla kdykoli velmi rychle akcelerovat. Dřívější prokluzování spojky a řazení už je minulostí. Pro elektrické vozy je charakteristický dynamický jízdní styl, ale také vysoký jízdní komfort, který nenabízejí ani dnešní automobily s automatickou převodovkou.

Elektrická vozidla jsou tichá

V porovnání se spalovacími motory mají ty elektrické nižší hladinu hluku, která vytváří příjemné tišší prostředí pro řidiče i posádku, a to dokonce i za rychlé jízdy. Stejně tak má jeho tichost pozitivní dopad na okolí, kdy především v zónách s omezenou rychlostí zlepšuje kvalitu života jak rezidentů, tak ostatních účastníků provozu. S tímto pozitivním dopadem se setkáváme i v případě vysoké rychlosti, avšak jeho vliv není kvůli aerodynamickému hluku a odvalování (pneumatik) tak patrný.

V městských částech s omezenou rychlostí může takto nízká hladina hluku dokonce způsobit úplné přehlédnutí vozidla pěšími či cyklisty, což může vést ke kritickým situacím. Na možných řešeních tohoto problému se již pracuje. Jedním z nich jsou například elektronicky generované varovné signály (nejčastěji umělý zvuk motoru).

Čistě elektrická vozidla mají jednoduchou konstrukci a mohou být jednoduše regulována

V porovnání s vozidly se spalovacími motory, mají elektromobily výrazně jednodušší konstrukci. Elektrický motor je lehčí, kompaktnější a méně náročný na údržbu. Elektrické motory mohou být elektronicky regulovány, a dokonce změnu mezi jízdou vpřed a couváním lze provést jednoduše bez řadicí páky, a to pouze pomocí elektroniky.

Oproti tomu spalovací motory potřebují jen k řízení množství paliva a vznícení pod podmínkou čistého spalování hned několik inženýrských odvětví. Nelze však opomenout, že v důsledku vysokých regulačních napětí a proudů vyžadují elektrické pohony rozsáhlejší regulační elektroniku než v případě konvenčních vozidel.

Na druhou stranu, v elektromobilech není potřeba kromě převodovky a spojky dalších součástek, jako např.:

-          nádrž, palivová pumpa

-          nádrž na olej, olej

-          katalyzátor

-          výfukový systém

-          startér, alternátor.

Další součástky, kterými jsou například brzdy, jsou značně méně opotřebovávány díky unikátnímu brzdnému systému, rekuperaci, která má pozitivní vliv na delší životnost brzd. Všechny tyto zmíněné odchylky či odlišnosti vedou k menší spotřebě peněz na údržbu vozidla. V poslední řadě poskytuje jednodušší konstrukce vozu lepší recyklovatelnost vozidla na konci jeho životního cyklu.

Náklady na servis a údržbu elektromobilu jsou mnohem nižší, než je tomu u běžných vozidel. Není potřeba tankovat, měnit či doplňovat olej, filtry či kapalinu v chladiči. Největší výhodou elektromobilů je zkrátka menší počet součástek – větší jednoduchost motoru je výhodná i z důvodu menší poruchovosti vozidla. Elektrický motor není vystaven vysokým tlakům či teplotám, čímž se jeho životnost značně prodlužuje.

Elektrovozidla nabízí vysoký jízdní komfort a příznivé provozní náklady. Lokálně se jedná o vozidla s nulovými emisemi a při správném dobíjení, pomocí již vyprodukované a regenerované energie se nepodílí na emisích CO2.

 

Nevýhody elektrovozidel

Elektrovozidla mají vysokou pořizovací cenu

Elektrovozidla mají v porovnání s běžnými vozy mnohem méně součástek. Nemají převodovku, výfukový systém, chlazení a mnoho dalších systémů využívaných v běžných vozidlech. Výroba elektrovozidla by tedy měla být výrazně levnější, ale elektromobily mají jednu zásadní součástku, která jejich cenu zvyšuje. Jedná se o baterii. Cena samotné baterie v elektrovozidlech je tak vysoká, že se musí odrážet i v ceně celého elektromobilu. Vysoká cena baterie odpovídá vysokým požadavkům, které musí baterie splňovat. Jedná se např. o co nejmenší hmotnost, malý objem, schopnost přívodu vysokého proudu, malé procento samovybíjení a velký počet dobíjecích cyklů, apod.

Zatímco součástky potřebné k jízdě, tedy elektrický motor a výkonová elektronika, mohou být nabízeny za podobné ceny, za které se nabízí spalovací motor a jeho součástky, avšak lithium-iontové baterie způsobují vyšší cenu. V případě běžně užívaných baterií s kapacitou cca 20 kWh se k roku 2014 prodejní cena pohybovala kolem 10 000 euro. V budoucnosti

se dá očekávat zefektivnění výroby, a do roku 2020 by mohly být ceny zredukovány
až na polovinu.

Elektromobily jsou limitované dojezdem a dlouhým dobíjecím časem

Dnešní elektromobily s typickými kapacitami baterií mají formálně (dle regulací Evropské Unie) určený dojezd mezi 150 a 200 km. V praxi je tento dojezd ale většinou mnohem kratší. Například používání klimatizace či topení může způsobit snížení dojezdu až na třetinu. Daný dojezd je většinou dostačující k běžnému každodennímu ježdění, kdy se vozidlo stihne dobít během noci, a to ať už v domácnosti či v garáži, avšak toto dobití trvá až několik hodin.

V případě, kdy je potřeba vícero dobití v rámci delší cesty, je takto dlouhá doba dobíjení vozidla nepřípustná. Proto se elektrovozidla dají dobít u rychlodobíjecích stojanů umístěných na veřejných místech, kde je dobití mnohem rychlejší. Tyto dobíjecí stojany se nyní budují ve velkém počtu měst. Nabízejí možnost rychlého dobití stejnosměrným proudem a vysokou kapacitou. Tato skutečnost snižuje čas dobití až na cca 30 minut.

Pro řidiče, kterému tento způsob nevyhovuje nebo mu připadá nedůvěryhodný, ale přitom chce stále řídit elektrovozidlo, výrobci přicházejí s hybridními vozy. Většina těchto vozidel dokáže čistě na elektřinu uskutečnit většinu jízd do 50 km. V případě delších cest se následně využívá spalovací motor. Elektrická vozidla jsou díky vysoké ceně baterie stále drahá. Dojezdová vzdálenost je limitována, avšak dostačující pro běžné každodenní jízdy. Dobíjení trvá několik hodin, a v případě rychlonabíjení se jedná stále o půl hodiny.

Baterie dosahují život ohrožujících hodnot napětí

V elektrických vozidlech musíme kvůli přítomnosti život ohrožujících hodnot nízkého napětí (400–600 V) baterií se stejnosměrným proudem dodržovat přísné bezpečnostní pravidla.

Hodnoty nízkého a vysokého napětí jsou jasně vymezené dle norem ECE R100. Tyto hodnoty napětí slouží ke klasifikaci elektrických součástek či obvodu, a to v případě kdy jsou účinné hodnoty provozního napětí ve specifickém rozsahu
( AC- střídavý proud, DC- stejnosměrný proud)

- velmi nízký proud (nízký proud) < 50 V rms AC a < 120 V DC
- nízký proud  50–1000 V rms AC a 120-1500 V DC
- vysoký proud > 1000 V rms AC a > 1500 V DC.

Rizika spojené s elektrickým systémem vozidla

Běžná rizika v rámci opravy v autoservisu, údržby, opravy na silnici a dalších aktivit spojených s vozidlem obsahují při práci s elektrovozidlem další speciální rizika. Těmi jsou např.:

  • přítomnost součástek s vysokým napětím a kabelů elektrického vedení, které mohou způsobit úraz elektrickým proudem
  • množství elektřiny, která může způsobit výbuch či požár
  • součástky, které mohou způsobovat životu nebezpečné hodnoty i v situaci, kdy je vozidlo vypnuté
  • samotné elektromotory, které mohou způsobit nečekaný pohyb vozidla kvůli magnetickým silám uvnitř motoru
  • rizika při výměně baterie
  • možnost uvolnění výbušných plynů a nebezpečných kapalin při poškození či špatné výměně baterie
  • možnost přehlédnutí elektrovozidla pěšími díky jeho charakteristické tichosti
  • rizika spojené s přírodními podmínkami – dobíjení v přítomnosti vody (deště, mytí, povodní, apod.)
  • nesprávné použití prodlužujících kabelů k nabíjení
  • možnost ovlivnění funkce medicínských zařízení (např. kardiostimulátoru či inzulínové pumpy) kvůli elektrickému systému

Elektrický šok

K elektrickému šoku dochází v situaci, kdy elektrický proud projde lidským tělem. Ovlivňuje funkci svalu, oběhového i dýchacího systému a může vést i k závažným popáleninám.

Stupeň ohrožení závisí na hodnotách elektrického proudu, typu části těla, kterou proud prochází a době jeho průchodu.

Zjednodušeně řečeno, jakmile projde nízký proud jakoukoliv částí lidského těla a není rychle přerušen, nachází se osoba ve vážném ohrožení. I nízký proud procházející lidským tělem po delší dobu může být fatální.

Časový limit, kdy člověk přežije 500 mA je 0,2 s, avšak při 50 mA jsou to 2 s. Jelikož je hodnota proudu rovna napětí rozděleného dle odporu. Odpor lidského těla je důležitým faktorem pro určení hodnoty elektrického proudu stejně tak jako napětí. Zpocený či mokrý člověk má nízký odpor těla, tudíž může být velice snadno a rychle zasažen elektrickým proudem s fatálními následky i při nízkých hodnotách elektrického proudu. Závažnost následků elektrického šoku proto závisí na hodnotě proudu určené dle napětí a odporu lidského těla, dráze proudu, kontaktním místě a celkové době kontaktu.

Bezpečnostní opatření při práci s elektrickým či elektronickým systémem

Pod kapotou automobilu můžeme nalézt uvnitř motoru typické oranžové kabely, které slouží jako hlavní indikátor elektrických vozidel. Tedy přítomnost baterie s život ohrožujícími hodnotami napětí stejnosměrného proudu. Všude jsou varovné značky poukazující na hrozící nebezpečí úrazu elektrickým proudem.

Elektromobily využívají baterie s vysokým a nízkým napětím stejnosměrného proudu, tudíž může být energie potřebná k pohonu motoru velmi rychle navrácena do baterie. Napětí
300 V je již běžné, a čím dál tím více se setkáváme s napětím s více než 600 V. Při práci na  těchto vozidlech je třeba dodržovat přísná bezpečnostní opatření. Jejich dodržování je důležité také kvůli skutečnosti, že krátké obvody mohou způsobit přehřátí, explozi či výbuch vozidla. Při nechráněném kontaktu s vozidlem hrozí úraz elektrickým proudem.

Servis a údržba elektrovozidel může být provedena pouze autorizovanými a řádně proškolenými osobami

Bezpečnost elektrovozidel je také zastřešena mezinárodními standarty, speciálně tedy
ISO 6469. Tato norma skládající se ze tří částí pojednává o ukládání baterií ve vozidlech, funkčnosti jednotlivých součástek a vybavení a ochraně proti poškození a riziku úrazu elektrickým proudem.

Při práci se systémy s vysokým, život ohrožujícím napětím se doporučuje užívat následující ochranné vybavení: nehořlavé pracovní oblečení (zipy, knoflíky), izolované rukavice, pracovní obuv s gumovou podrážkou, nekovové doplňky či součástky a případně ochranné brýle. Vždy používáme izolované pracovní náčiní.