Καταιγιστικές είναι οι εξελίξεις στον τομέα της ηλεκτροκίνησης των οχημάτων με τους κατασκευαστές να επιδίδονται σε ένα δύσκολο αγώνα για την εξασφάλιση της πρωτοπορίας στη νέα πολλά υποσχόμενη αγορά.

Ο ανταγωνισμός εντείνεται και προκαλεί την ανάγκη συνεργειών μεταξύ αυτοκινητοβιομηχανιών, μεγάλων κατασκευαστών βασικών συστημάτων κίνησης-μετάδοσης π.χ. ZF, Bosch, Wabco, Schaeffler, Dana, Delphi, Telma κ.α., ενώ, για τον ίδιο λόγο, έχουμε σαφή αλλαγή στη ροή των κονδυλίων έρευνας και ανάπτυξης (RED) το μεγαλύτερο μέρος των οποίων διοχετεύεται τώρα στην ανάπτυξη μιας νέας γενιάς μπαταριών αυξημένων δυνατοτήτων, στα συστήματα ανάκτησης ενέργειας κατά την πέδηση και στη βελτίωση των ηλεκτροκινητήρων.

Οι αναγνώστες του περιοδικού Τ.Τ. γνωρίζουν ήδη τα πρώτα μεγάλα βήματα που έχουν γίνει στην ηλεκτροκίνηση των βαρέων οχημάτων, όπου το προβάδισμα, θα λέγαμε ότι το κατέχουν οι κατασκευαστές λεωφορείων, οι οποίοι από τα αστικά ηλεκτροκίνητα minibus έφτασαν στα αρθρωτά 18μετρα λεωφορεία κινούμενα μόνο με ρεύμα. Στη μάχη των ηλεκτρικών λεωφορείων συγκρούονται οι Ευρωπαίοι με τους Ασιάτες κατασκευαστές καθώς οι τελευταίοι, μάλλον έπιασαν στον ύπνο τους πρώτους. Αποτέλεσμα είναι οι Κινέζοι με πρώτο κατασκευαστή τη BYD να έχουν εισβάλει δυναμικά στην Ευρώπη και να εξασφαλίζουν σημαντικές παραγγελίες από συγκοινωνιακούς φορείς μεγάλων ευρωπαϊκών πόλεων. Ακολουθεί η επίσης κινέζικη Dongfeng κ.α.

Στην αντεπίθεση, ωστόσο, πέρασαν τώρα και τα κορυφαία ονόματα της Ευρώπης, όπως Mercedes-Benz, Irizar, Solaris, Scania κ.α. οι οποίοι παράλληλα παρουσιάζουν και ηλεκτροκίνητα φορτηγά. Για τα ηλεκτροκίνητα βαριά λεωφορεία και ελαφρά – μεσαία φορτηγά καταλληλότερη εφαρμογή έχει ο ηλεκτροκινητήρας ως ξεχωριστή μονάδα, ο οποίος τροφοδοτείται από το αποθηκευμένο στη μπαταρία ρεύμα. Η ισχύς του μπορεί να φτάνει ή να ξεπερνά τα 280 KW παρέχοντας την εκπληκτική ροπή των 3.000 περίπου Nm άμεσα διαθέσιμη ανάλογα με το βάρος που θα ασκηθεί στο πεντάλ. Η ροπή αυτή μεταφέρεται στον πίσω άξονα (κίνησης) εξασφαλίζοντας ικανοποιητική ελκτική δύναμη στο όχημα, ανάλογα βέβαια με το μικτό του βάρος.

Η μπαταρία καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος της χωρητικότητάς της από το ρεύμα που παίρνει από το σύστημα ανάκτησης ενέργειας, αυτό δηλαδή που κατά την πέδηση μετατρέπει την κινητική ενέργεια του οχήματος σε ηλεκτρική και στη φάση της επιτάχυνσης τροφοδοτείται η μπαταρία ή καλύτερα η συστοιχία των μπαταριών που διαθέτει το όχημα, φορτηγό ή λεωφορείο.

Στην κούρσα αυτή της ηλεκτροκίνησης βαρέων οχημάτων, το προβάδισμα έχουν τα ηλεκτρικά λεωφορεία χάρη στην ευκολία επαναφόρτισης της μπαταρίας τους. Οι φορτιστές όπως ίσως γνωρίζετε, είναι εγκατεστημένοι στις αφετηρίες/τέρματα των συγκοινωνιακών γραμμών όπου γίνονται οι επαναφορτίσεις που εξασφαλίζουν ηλεκτρική ενέργεια για το επόμενο δρομολόγιο, ενώ στη διάρκεια της νύχτας γίνεται η πλήρης φόρτιση με φορτιστές που βρίσκονται στο αμαξοστάσιο.

Αντίθετα, τα φορτηγά φορτίζουν με ρεύμα από το ντεπό της μεταφορικής ή της εμπορικής επιχείρησης και καλύπτουν τις ενδιάμεσες ανάγκες σε ρεύμα από παροχές που υπάρχουν στα σημεία εκφόρτωσης (π.χ. super market, αποθήκες Logistics κ.α.) ή από parking με ρευματολήπτες – γίνονται υποχρεωτικά στους αυτοκινητοδρόμους.

Ηλεκτρικοί Κινητήρες και συσσωρευτές (μπαταρίες)

Καρδιά των ηλεκτρικών οχημάτων είναι οι ηλεκτροκινητήρες αλλά οι πνεύμονες που δίνουν τη ζωή είναι οι μπαταρίες, οι συσσωρευτές της ηλεκτρικής ενέργειας. Ενδιαφέρουσα είναι η περιγραφή που δανειζόμαστε από το βιβλίο «Επαγγελματικά Οχήματα» του δρ. Σταύρου Παπαδόπουλου την οποία και παραθέτουμε στη συνέχεια.

Για την κίνηση των ηλεκτρικών οχημάτων, αρχικά χρησιμοποιούνται κινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC) λόγω της ευκολότερης διάταξης ελέγχου του ηλεκτρικού κυκλώματος. Με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος (power electronics) χρησιμοποιούνται πλέον κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Αυτοί διαχωρίζονται σε κινητήρες μόνιμης μαγνήτισης, σε τριφασικούς επαγωγικούς ή σε πολυφασικούς επαγωγικούς κινητήρες. Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος είναι μικρότεροι σε μέγεθος, απαιτούν πολυπλοκότερη διάταξη ελέγχου, μπορούν όμως να χρησιμοποιηθούν και σαν γεννήτριες κατά την πέδηση του οχήματος και γι’ αυτό αποτελούν πλέον την κύρια εφαρμογή, ιδίως σε επαγγελματικά οχήματα. Το είδος και η θέση των ηλεκτροκινητήρων στο όχημα εξαρτάται από τον κατασκευαστή. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η τοποθέτηση αυτών μέσα στους τροχούς, ώστε να αποφεύγονται διατάξεις μεταδόσεων.

Motul

Η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την λειτουργία του ηλεκτρικού κινητήρα του οχήματος, αποτελεί προς το παρόν το αδύνατο σημείο της ηλεκτροκίνησης. Το μέσο αποθήκευσης πρέπει να έχει μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα, διάρκεια ζωής (αριθμός επαναφορτίσεων) και ασφάλεια λειτουργίας, καθώς επίσης και χαμηλό κόστος. Η πρόσδοση ενέργειας σε αυτά γίνεται μέσω του ηλεκτρικού δικτύου (plug-in technology) ή με παραγωγή επί του οχήματος, π.χ. μέσω κυψελών (fuel – cells) και ηλεκτροπαραγωγών ζευγών, ή με την αξιοποίηση χαμένης ενέργειας του οχήματος π.χ. ενέργεια πεδήσεως. Για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται δύο κυρίως τεχνολογίες, των συσσωρευτών (battery) και των υπερπυκνωτών (ultra caps).

Οι σύγχρονοι συσσωρευτές που χρησιμοποιούνται στα οχήματα είναι τύπου λιθίου –ιόντων. Η άνοδος είναι από άνθρακα (γραφίτης) η κάθοδος από οξείδιο μετάλλου που περιέχει και λίθιο και ο ηλεκτρολύτης είναι οργανικό διάλυμα με άλατα λιθίου. Οι συσσωρευτές λιθίου είναι σε εξέλιξη με διάφορες χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες αναφορικά με τα υλικά καθόδου και του ηλεκτρολύτη π.χ. συσσωρευτές λιθίου –αέρα. Ανάλογα με τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται η πυκνότητα ενέργειας είναι της τάξεως των 250 [Wh/kg] (~ 900 [kJ/kg] ) ή 620 [Wh/l] (~1900 [J/cm3] ), ενώ η διάρκεια ζωής τους ανέρχεται σε περίπου 1200 κύκλους φορτίσεως.

Οι συσσωρευτές λιθίου – ιόντων μπορεί να κατασκευαστούν σε διάφορα σχήματα και μεγέθη, είναι ελαφρύτεροι από άλλους τύπους συσσωρευτών και έχουν μικρή αποφόρτιση όταν δεν χρησιμοποιούνται (περίπου 5-10% ανά μήνα). Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται κατά τη λειτουργία τους, που δεν πρέπει να υπερθερμαίνονται, καθώς και κατά τη φόρτισή τους, που δεν πρέπει να υπερβαίνουν συγκεκριμένα όρια.

Οι υπερπυκνωτές είναι ηλεκτροχημικά στοιχεία που αποθη- κεύουν ενέργεια ηλεκτροστατικά με την φόρτιση ηλεκτρολυτικού διαλύματος. Αποτελούνται από δύο πορώδεις πλάκες, που βυθίζονται στον ηλεκτρολύτη και στις οποίες εφαρμόζεται μία ηλεκτρική τάση. Σε έναν τυπικό πυκνωτή, η ενέργεια που αποθηκεύεται οφείλεται στο φορτίο των ηλεκτρονίων, που μεταφέρονται από μία πλάκα στην άλλη. Αν οι δύο πλάκες ενωθούν εξωτερικά με ηλεκτρικό αγωγό, μεταφέρεται ηλεκτρικό ρεύμα. Η αποθηκευμένη ενέργεια εξαρτάται από το δυναμικό μεταξύ των πλακών, το μέγεθος και την απόσταση και κυρίως από το διηλεκτρικό υλικό. Η λειτουργία των υπερπυκνωτών βασίζεται στην αρχή του διπλού στρώματος.

Αυτό δημιουργείται στην οριακή στιβάδα του ηλεκτρολύτη με τη στερεή πλάκα. Αρχικά η φόρτιση της πλάκας ελκύει τα ιόντα του ηλεκτρολύτη, και δημιουργείται ένα στρώμα με συγκεκριμένο φορτίο. Τα ιόντα αυτά με τη σειρά τους έλκουν τα ιόντα αντίθετης φόρτι- σης του ηλεκτρολύτη που σχηματίζουν επίσης ένα στρώμα, με αντίθετο φυσικά φορτίο απ’ ότι το προηγούμενο. Το λεπτό πάχος των στρωμάτων, τάξεως νανομέτρων, και το πορώδες των πλακών (συνήθως είναι γραφίτης) που αυξάνει το μέγεθος ενεργής επιφάνειας, επιτρέπει την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε περιορισμένο χώρο. Η ειδική ενέργεια των υπερπυκνωτών ανέρχεται σε 10 [Wh/kg], η ειδική ισχύς μέχρι 10 [kW/kg], ενώ η διάρκεια ζωής τους υπερβαίνει τους 500.000 κύκλους φορτίσεως.

Κύρια πλεονεκτήματα των υπερπυκνωτών έναντι των συσσωρευτών αποτελούν ο χρόνος ζωής (κύκλοι λειτουργίας), και ο πολύ μικρός χρόνος φόρτισης / αποφόρτισης που επιτρέπει την μεταφορά πολύ μεγαλύτερης ισχύος. Το σημαντικό βάρος, τόσο των συσσωρευτών όσο και των υπερπυκνωτών, μειώνει προφανώς το ωφέλιμο φορτίο του οχήματος, ενώ το υψηλό κόστος αυξάνει σημαντικά την τιμή του.

Ηλεκτροκινητήρες Τροχών

Η τοποθέτηση ηλεκτρικών μοτέρ στο εσωτερικό μέρος των τροχών είναι η διάταξη που φαίνεται να επικρατεί στα minibus, στα επιβατικά αυτοκίνητα και στα μικρά φορτηγά. Ήδη η ZF διαθέτει τον άξονα AVE 130 στις άκρες του οποίου βρίσκονται δύο ηλεκτροκινητήρες με ισχύ 2Χ125 KW ενώ αυξημένο είναι και το βολτάζ που φτάνει τα 400 Volt παρέχοντας έτσι ισχυρή ροπή που ανέρχεται στα 2Χ485 Nm.

Σημαντική εξέλιξη έχουμε και από τη Schaeffer η οποία σε συνεργασία με τη Ford ανέπτυξαν τον ηλεκτρονικό τροχό, e-Wheel, στον οποίο συνυπάρχει το ηλεκτρικό μοτέρ και ένα σύστημα ψύξης μαζί βέβαια με τα φρένα.

Το e-Wheel διαθέτει το δικό του σύστημα διαφοροποίησης της ροπής ανά τροχό παρέχοντας διαφορετική ροπή ανάλογα με την κατάσταση που βρίσκεται κινούμενο το όχημα. Προς το παρόν, κάθε ηλεκτρικό μοτέρ παρέχει 40 KW ισχύος και ροπή που φτάνει τα 700 Nm, προορίζεται δηλαδή για επιβατικά οχήματα και ελαφρά επαγγελματικά.