Od pewnego czasu uważa się, że samochody elektryczne nie wyprą aut z silnikami Diesla i benzynowymi, dopóki nie nastąpi rewolucja w technologii. Zasadniczo inżynierowie wiedzą co trzeba zrobić, ale nie do końca wiedzą jak. Jednak wygląda na to, że w końcu mamy historyczny przełom, który wytnie auta spalinowe z rynku.
Co dziś jest kulą u nogi aut elektrycznych?
Miłośnicy silników Diesla i benzynowych zarzucają pojazdom na prąd, że nawet, jeśli rozbuduje się infrastrukturę ładowania, to są niepraktyczne w użyciu. Po pierwsze baterie są ciężkie, a po drugie ładują się znacznie dłużej niż trwa wlanie do baku benzyny lub oleju napędowego. Jakby tego było mało upływ czasu, warunki atmosferyczne i eksploatacja pogarszają właściwości.
Obecnie samochody elektryczne wykorzystują baterie litowe z ciekłym elektrolitem, co niesie ze sobą pewne ograniczenia i zagrożenia. W przypadku takich ogniw ciężko zwiększyć ich pojemność energetyczną oraz wolno się je ładuje. Dodatkowo łatwiej o doprowadzenie do samozapłonu poprzez zwarcie w wyniku powstawania dendrytów litu.
Wielki przełom w bateriach nowej generacji
Rozwiązaniem tego problemu mają być baterie solid-state, czyli z elektrolitem w formie ciała stałego. Z jednej strony niemożliwy jest w nich samozapłon, bo ewentualne dendrytu litu nie przebiją się przez ciało stałe. Z drugiej strony mogą pomieścić niewyobrażalnie więcej energii. To sprawia, że mogą być też mniejsze i lżejsze. Przy tym dużo szybciej można je ładować.
Do tej pory wyzwaniem dla laboratoriów na całym świecie było opracowanie tej technologii tak, aby była opłacalna do wykorzystania komercyjnego. Co kilka miesięcy słychać o kolejnych przełomach i tym razem osiągnięto ważny kamień milowy. Mocno doinwestowany przez koncern Volkswagena, QuantumScape pochwalił się wielkim przełomem w swojej litowo-metalowej konstrukcji.
To działa!
Ich duża bateria naładowała się w 15 minut (od 10 do 80 proc.) podczas 400 kolejnych cyklów szybkiego ładowania. To tak jakby auto z jedną baterią (zasięgiem ok. 500 km) zrobiło przebieg ok. 200 tys. kilometrów. Mimo względnie dużego obciążenia w akumulatorze pozostało ponad 80 proc. początkowej pojemności. To tylko dowodzi, że QuantumScape nie tylko wie jak to zrobić skutecznie, ale i niezawodnie.
Firma chce uruchomić przed-pilotażową linię produkcyjną już w 2023 r. Co ciekawe, dyrektorem ds. produkcji w QuantumScape jest Amerykanka polskiego pochodzenia, Celina Mikolajczak. Absolwentka Caltech i Uniwersytetu w Princeton przed laty pracowała m.in. w Tesli (2012 – 2018).
Wspomniany przełom nie oznacza wcale, że baterie ze stałym elektrolitem szybko trafią do aut elektrycznych dla mas. Tego należy spodziewać się raczej w drugiej połowie dekady, choć wcześniej zapewne pojawią się pojedyncze premiery. Nie należy się jednak nastawiać na niskie ceny. Nie mniej jest to trend, który sprawia, że do 2030 r. wszystkie dzisiejsze bolączki aut elektrycznych powinno udać się rozwiązać.
Renault Trucks staje naprzeciw wyzwaniu zmierzającemu do redukcji emisji CO2 oraz zużycia paliwa. Producent będzie wyposażać swoje pojazdy gam T, T High, C i K w nowe silniki DE11 i DE13. Wspomagane nowymi zaawansowanymi technologiami takimi jak „Turbo Compound”, czy specjalnie dedykowane usługi pozwalające osiągnąć do 10% oszczędności paliwa.
W 2021 roku Renault Trucks wprowadziło wiele ważnych zmian w gamach T, T High, C i K w zakresie komfortu jazdy i życia na pokładzie. Producent kontynuuje prace nad rozwojem produktu wprowadzając ulepszone 11 i 13 litrowe silniki DE11 / DE13 Euro VI Step E. W połączeniu z nowymi technologiami i usługami mogą dostarczyć do 10% oszczędności w porównaniu do poprzednich wariantów jednostek napędowych.
Zoptymalizowana wydajność nowych silników DE11 i DE13
Optymalizacji procesu spalania mieszanki w komorze służy opatentowane rozwiązanie tłoków z pofalowanymi denkami („Wave Piston Technology”). Poprzez lepsze ukierunkowanie czoła płomienia w komorze spalania, wzrasta stopień wykorzystania dostępnego tlenu i tym samym wydajności całego procesu. Dodatkowo zastosowano nowy typ, wykonanych z wyższą dokładnością wtryskiwaczy, których parametry techniczne wspierają ulepszone warunki spalania mieszanki.
Celem dalszego podniesienia sprawności silników, Renault Trucks skupiło się także nad redukcją strat pochodzących z tarcia wewnętrznego: korbowody, tłoki oraz wał korbowy zostały poddane optymalizacji. W turbosprężarce zastosowano łożyska kulkowe, co pozwoliło skrócić czas jej reakcji, a pompa oleju została wzbogacona o system zmiennego wydatku przepływu.
Ostatnią, lecz niemniej ważną zmianą jest dalsze ulepszenie układu obróbki spalin oraz zastosowanie nowej kasety sterującej silnika.
Technologia „Turbo Compound” zapewniająca wyższy moment obrotowy i lepszą wydajność paliwową silnika
Pojazdy Renault Trucks T, T High i C będą dostępne z silnikami DE13 TC wzbogacone o system Turbo Compound. Układ gwarantuje wysokie oszczędności paliwa bez najmniejszego pogorszenia parametrów jezdnych czy średniej prędkości.
Dodatkowa turbina umieszczona po stronie wylotowej sprężarki zamienia pozostałą (niewykorzystaną) energię gazów spalinowych w mechaniczną i przekazuje ją na wał korbowy, podnosząc dostępny moment obrotowy silnika.
Tym samym „Turbo Compound” zwiększa dostępną wartość momentu przy niższych prędkościach obrotowych jednostki napędowej. Podczas autostradowych podjazdów pod wzniesienia, na tempomacie, pojazd łatwiej utrzyma jednostajną prędkość bez konieczności redukcji biegu.
Nowa generacja skrzyń biegów pracuje wydajniej!
Pojazdy zostały również wyposażone w nową wersję skrzyń Optidriver. Zmiany dotyczą bardziej wydajnej kasety sterującej z ulepszonym oprogramowaniem oraz zespołu siłowników, który skraca czas samej zmiany przełożenia.
Zaawansowane oprogramowanie oraz nowe, dedykowane usługi obniżające zużycie paliwa oraz zwiększające poziom kontroli pojazdu
Kolejne oszczędności są wynikiem wprowadzenia systemu Smart Torque Control, który wydłuża czas pracy silnika w zakresie zielonego pola i maksymalnej wydajności. Ta funkcjonalność również nie ma żadnego negatywnego wpływu na osiągi.
Renault Trucks kontynuuje również prace nad rozwojem tempomatu topograficznego Optivision. System korzystając z danych o ukształtowaniu terenu optymalizuje zmiany biegów i technikę jazdy racjonalnej pomagając obniżyć zużycie paliwa.
Oferujemy dodatkowo wiele rozwiązań wspierających firmy transportowe w obniżaniu zużycia paliwa i emisji CO2. System telematyczny Optifleet (subskrypcja „Check”) zbiera dane o technice i stylu jazdy pozwalając określić obszary wymagające wsparcia. Renault Trucks może pochwalić się kompletnym i rozbudowanym programem szkoleń z zakresu jazdy racjonalnej, pozwalającym utrzymać zużycie paliwa na bardzo satysfakcjonującym poziomie.
Moment, moc, sprawność, wielkość i waga silników z magnesami trwałymi, o strumieniu osiowym, poprzecznym i promieniowym.
Wymagania stawiane silnikom elektrycznym dotyczące ich momentu, mocy, sprawności, wymiarów, wagi, a także innych cech wymagają przemyślanej i optymalnej do danego zastosowania konstrukcji. Nie wystarcza już podział silników stosowany dawniej – na silniki pracujące ze stałą/zmienną prędkością oraz przystosowane do pracy dorywczej. Zwiększony nacisk na sprawność energetyczną powoduje, że coraz częściej do sterowania silnikami wykorzystuje się falowniki, które pozwalają efektywnie sterować pracą silników w dużym zakresie prędkości obrotowej. W systemach sterowania, w których wymaga się dokładnego pozycjonowania, stosuje się zwykle silniki o dużych wartościach momentu dostępnego w całym przedziale prędkości: od prędkości nominalnej aż do zerowej. Każdy z elementów systemu sterowania ruchem, od sterownika przez falownik/serwonapęd i kable aż do silnika, kształtuje charakterystykę napędu.
Wśród wielu silników dostępnych na rynku wyróżnić można pięć podstawowych konstrukcji: uniwersalne szczotkowe silniki DC, silniki o zmiennej lub przełączalnej reluktancji, indukcyjne silniki asynchroniczne, bez-
szczotkowe silniki synchroniczne, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Uniwersalne silniki komutatorowe (szeregowe) mogą być zasilane napięciem stałym i przemiennym. Niestety ich wadą jest mała sprawność. Wszystkie silniki szczotkowe mają też wspólną wadę – ich żywotność jest ograniczona.
Zdobycze nowej technologii wykorzystywane są prawie wyłącznie w silnikach reluktancyjnych, indukcyjnych i bezszczotkowych silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi. Niektóre wersje silników łączą cechy konstrukcyjne różnych typów silników.
Silniki z magnesami trwałymi
Silniki z magnesami trwałymi cechują się największą sprawnością elektryczną spośród wszystkich silników dostępnych na rynku. Synchroniczne silniki z magnesami trwałymi (PMSM), nazywane są często bezszczotkowymi silnikami DC, bezszczotkowymi silnikami PMAC lub elektronicznie sterowanymi silnikami ECM.
W dzisiejszych konstrukcjach typowych silników PMSM magnesy trwałe umieszczonesą na powierzchni wirnika, która ma przekrój koła. Najnowsze konstrukcje mają magnesy umieszczone prostopadle do osi wirnika lub pod kątem do niej (silniki IPM). Zmiana orientacji magnesów względem uzwojenia stojana pozwoliła na znaczne zwiększenie otrzymywanego momentu i zmniejszenie masy, co jest niewątpliwą zaletą w wielu aplikacjach precyzyjnego pozycjonowania. Takie serwosilniki znajdują zastosowanie w obrabiarkach, robotach i maszynach do produkcji elementów półprzewodnikowych.
Silniki ze strumieniem osiowym
Szeroko rozumiany przemysł transportowy (rowery elektryczne, skutery, motocykle i samochody) to główny obszar zastosowań nowych silników PMSM o strumieniu osiowym i poprzecznym.
Silniki PMSM o strumieniu osiowym (rysunek) mają unikalną konstrukcję tarczową, która generuje większy moment niż tradycyjne silniki cylindryczne o strumieniu promieniowym. Dzięki swoim kształtom nadają się znakomicie do wbudowania we wszelkiego rodzaju koła.
Silniki o strumieniu osiowym charakteryzują się dużym momentem siły przy niskich obrotach, dzięki czemu w wielu aplikacjach można zrezygnować z kosztownej przekładni. Ponowne zainteresowanie samochodami o napędzie hybrydowym lub elektrycznym sprzyja rozwojowi tych konstrukcji na potrzeby napędu pojazdów.
Podstawową i najbardziej popularną wersją silników o strumieniu osiowym jest konstrukcja tarczowa, w której wirnik z magnesami trwałymi umieszczony jest między dwoma uzwojeniami stojana. Inna, rzadziej stosowana konfiguracja to stojan umieszczony w przestrzeni między dwoma tarczami z magnesami trwałymi (rys.). Przedsiębiorstwa transportowe prowadzą we współpracy z uczelnianymi ośrodkami naukowymi liczne badania w zakresie projektowania i eksploatacji tych silników. Chińskie przedsiębiorstwa produkują dużą liczbę silników o strumieniu osiowym zintegrowanych z piastą koła roweru.
Niedawna recesja spowodowała bankructwo wielu młodych innowacyjnych przedsiębiorstw, które oferowały silniki o strumieniu momentowym zintegrowane z piastą. Jedną z firm, która pozostała na rynku, jest KLD Energy Technologies z Austin (Texas) w USA, posiadająca w swej ofercie silnik o mocy 5 kW do napędu skuterów. YASA Motors of Abington z Wielkiej Brytanii opracowała silnik o strumieniu osiowym do większych pojazdów, który wykorzystuje bezżłobkowy stojan do generowania 60 Nm przy 3600 obr./min (co równoważne jest mocy 25 kW) i osiąga przy tym sprawność 96%. Prawie wszystkie silniki o strumieniu osiowym wykorzystują magnesy neodymowe o silnym polu magnetycznym.
Nieco bardziej nietypowe konstrukcje silników PMSM o strumieniu osiowym ma w swojej ofercie NovaTorque (z Sunnyvale w USA). Ich silniki są znacznie dłuższe (mierząc wzdłuż osi) niż szersze, przypominają zatem typowe konstrukcje silników PMSM o strumieniu poprzecznym. Wirnik stanowią dwa zbudowane z magnesów ferrytowych stożki, które zwrócone są do siebie wierzchołkami. Stojan ma również nietypowy kształt. Konstrukcja, choć wydaje się złożona, jest w stanie konkurować z silnikami wykorzystującymi droższe magnesy neodymowe.
Magnetyczne stożki, choć znajdują się naprzeciwko siebie, są od siebie oddalone. Strumień magnetyczny biegnie cały czas prosto (równolegle do osi silnika) przez osiowe bieguny. Stożkowy kształt wirnika ma zwiększoną szczelinę powietrzną, dlatego silnik może generować większy moment. Pierwszy silnik PMSM o strumieniu osiowym, wyprodukowany przez NovaTorque, miał moment 18 Nm przy 1800 obr./min. Silniki NovaTorque znajdą zastosowanie w wentylatorach, pompach i sprężarkach wykorzystywanych w systemach grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.
Silniki o strumieniu poprzecznym
Silniki o strumieniu porzecznym mają złożony obwód magnetyczny. W przeciwieństwie do silników o strumieniu osiowym i promieniowym, które mogą być symulowane za pomocą dwuwymiarowej analizy elementów skończonych, silniki o strumieniu poprzecznym wymagają, ze względu na swój trzyosiowy obwód magnetyczny, trójwymiarowej analizy elementów skończonych. Elementy magnetyczne o kształcie litery U otaczają uzwojenia stojana o kształcie kolistym. Silnik o strumieniu poprzecznym został wynaleziony w 1986 roku przez W.M. Mordaya, jednak rozwój tych konstrukcji nie postępuje gwałtownie ze względu na skomplikowaną strukturę i duży koszt. Wraz z upowszechnieniem magnesów neodymowych oraz opracowaniem magnetycznie miękkich kompozytów (SMC) firmie Landert Motoren of Biilach ze Szwajcarii udało się opracować małe silniki z serii MDD1, które osiągają moment 3,310 Nm przy 300 obr./min (100300 W). Są wykorzystywane w stolikach obrotowych obrabiarek i innych przemysłowych maszynach.
Południowokoreański Instytut Badania Elektryczności (KERI) buduje silniki o strumieniu poprzecznym od ponad dziesięciu lat. Jego mechatroniczna grupa opracowała wersje obrotowe i liniowe. Systemy transportowe materiałów, w których były wykorzystywane, wymagały sił rzędu 5000 N. Silniki o strumieniu poprzecznym oferują większy moment i większą moc przy mniejszych rozmiarach, ale kosztują więcej, dlatego wykorzystywane są na razie wyłącznie w specyficznych aplikacjach.
Hybrydowe silniki cylindryczne
Hybrydowe konstrukcje silników zawierają rozwiązania znane z silników z magnesami trwałymi, silników o zmiennej reluktancji oraz asynchronicznych silników indukcyjnych. Jedną z firm produkujących takie silniki jest QM Power. Nowa technologia równoległej ścieżki magnetycznej QM Power (PPMT) jest kombinacją idei przełączania reluktancji i stosowania magnesów trwałych. Pole magnetyczne z dwóch źródeł (magnesów trwałych i uzwojenia pozwalającego na zmianę reluktancji) oddziałuje na ten sam element magnetyczny silnika. Jego siła jest do 3 razy większa niż w tradycyjnych rozwiązaniach, dzięki czemu wg QM Power można osiągnąć 30-procentowy wzrost gęstości mocy i podobny wzrost szczytowej sprawności. Osiągane moce zawierają się w przedziale od stu watów do setek kilowatów.
Technologia PPMT dedykowana jest do silników pracujących ze stałą i zmienną prędkością. PPMT pozwala uzyskiwać większą sprawność przy większych obciążeniach. Zapewnia wysoką wydajność także w konstrukcjach z rdzeniem ferromagnetycznym.
Innym przykładem hybrydowych rozwiązań jest kombinacja technologii silnika klatkowego z silnikiem z magnesami trwałymi w asynchronicznych silnikach indukcyjnych, dzięki czemu znacząco poprawiono sprawność silnika indukcyjnego. Firma Lafert, zlokalizowana w Wenecji we Włoszech, oferuje takie silniki przystosowane do napięcia sieciowego instalacji domowych i przemysłowych o mocach 115 kW i sprawności większej o 58% w stosunku do tradycyjnych konstrukcji.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE