Co określa wartość kWh/100 km? Ślad strat energii

Wartość kWh/100 km pokazuje ilość energii pobranej z baterii, jaką pojazd potrzebuje do przejechania 100 kilometrów. Ta wartość jest określana przez każde ogniwo strat w łańcuchu energetycznym rozciągającym się od baterii do kół - sprawność silnika i falownika, obciążenie grzaniem i chłodzeniem, opór aerodynamiczny oraz opór toczenia. Nawet ten sam samochód, z tą samą baterią i na tej samej trasie, może w różnych warunkach znacząco zmieniać tę wartość.

Patrząc na tabelę zużycia samochodu elektrycznego, czytacie w rzeczywistości ostatni wiersz przepływu energii. Każda kilowatogodzina wychodząca z baterii odbywa podróż przez falownik do silnika, a od silnika do kół; po drodze jest tracona jako ciepło, jako straty magnetyczne oraz jako opór, jaki opony wywierają na nawierzchnię. W tym artykule prześledzimy tę podróż od początku do końca i za pomocą łańcucha strat wyjaśnimy, dlaczego ten sam samochód może jednego dnia pokazywać 14, a następnego 22 kWh/100 km.

Od baterii do kół: Gdzie ginie energia?

Elektryczny układ napędowy jest strukturalnie wydajniejszy niż benzynowy; jednak nie oznacza to "stratności", lecz właśnie brak strat. Każde ogniwo łańcucha ma swój udział. Rezystancja wewnętrzna baterii, straty przełączania falownika, straty elektryczne i magnetyczne w silniku, tarcie mechaniczne w układzie napędowym - wszystko to zamienia część energii pobranej z baterii w ciepło.

Najbardziej stratnym ogniwem łańcucha jest silnik. Baterie litowo-jonowe osiągają sprawność kulometryczną powyżej 99%, co oznacza, że bateria prawie niczego nie traci w postaci ciepła. Silnik jest inny: straty omowe (miedziane) w uzwojeniach, straty w żelazie obwodu magnetycznego oraz straty, jakim podlegają same magnesy w silnikach z magnesami trwałymi, ograniczają przemianę energii elektrycznej w energię kinetyczną. Silnik przekształca około 80% energii elektrycznej w energię mechaniczną; teoretyczna maksymalna sprawność termiczna silnika benzynowego z setkami, a nawet tysiącami ruchomych części mieści się w przedziale 35-40%, a do kół dociera jedynie 15-30% energii paliwa. To pojedyncze porównanie podsumowuje, dlaczego wartość zużycia samochodu elektrycznego jest ogólnie niska.

Falownik stojący między silnikiem a baterią przekształca prąd stały w trójfazowy prąd zmienny odpowiedni dla silnika, a straty bezpośrednio odbijają się na zasięgu. Straty przełączania oznaczają, że półprzewodniki przy każdym włączeniu i wyłączeniu oddają pewną ilość energii w postaci ciepła; im wyższa sprawność falownika, tym lepszy zasięg i osiągi termiczne. Ten sam falownik jest kluczowy również przy hamowaniu rekuperacyjnym, ponieważ podczas odzysku energii płynie ona w przeciwnym kierunku, od silnika do baterii przez tę samą energoelektronikę.

Jak typ silnika wpływa na sprawność?

W pojazdach elektrycznych istnieją dwie podstawowe rodziny silników: synchroniczne silniki z magnesami trwałymi oraz asynchroniczne (indukcyjne). Źródłem różnicy jest poślizg - fizyczna zasada ("slip"). W silniku synchronicznym wirnik obraca się krok w krok zsynchronizowany z wirującym polem magnetycznym stojana; w silniku asynchronicznym wirnik celowo pozostaje w tyle za polem stojana, aby generować moment obrotowy, a ta różnica pojawia się jako strata w obwodach wirnika. Dlatego silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są zazwyczaj wydajniejsze o kilka punktów - podaje się, że różnica wynosi około 2-3%.

Z kolei silnik asynchroniczny ma swoje zalety: samowykonalny rozruch, solidne osiągi przy wysokich obrotach i brak kosztów magnesów. Wielu producentów preferuje z tego powodu hybrydową konfigurację: silnik synchroniczny do napędu głównego, gdzie sprawność jest krytyczna, silnik asynchroniczny do osi wtórnej. Znając typ silnika pojazdu, czytając wartość zużycia, wyjaśnia się część różnicy jednego-dwóch kWh między dwoma pojazdami tej samej klasy w tabeli.

Prędkość i aerodynamika: Najszybszy czynnik podnoszący zużycie

Głównym powodem, dla którego pojazd elektryczny zużywa na autostradzie więcej energii niż w mieście, jest prosta zasada fizyki: opór aerodynamiczny rośnie z kwadratem prędkości. Gdy podwoisz prędkość, opór powietrza rośnie czterokrotnie; a moc potrzebna do jego pokonania rośnie jeszcze szybciej. Dlatego pojazdy elektryczne stają się niewydajne wykładniczo przy wysokich prędkościach, a wartość autostradowa w tabeli zasięgu zawsze przekracza wartość miejską.

Skala jest konkretna: opór aerodynamiczny może stanowić do 50% całkowitego zużycia przy prędkościach autostradowych. Zmniejszenie oporu o 10% poprawia wydajność autostradową o około 5% - to wyjaśnia, dlaczego zwraca się uwagę na różnice w projektowaniu przedniego zderzaka czy osłon kół. Rozszerzeniem tej zasady jest fakt, że: teoretyczna najwydajniejsza prędkość pojazdu elektrycznego jest bardzo niska. Ponieważ stałe zużycia, takie jak klimatyzacja czy systemy grzewcze, stanowią przy niskich prędkościach relatywnie duży udział; a wraz ze wzrostem prędkości opór aerodynamiczny staje się dominujący. W praktyce najbardziej wydajny zakres to środkowy obszar, gdzie zużycia stałe zostają "rozcieńczone", a opór jeszcze nie wybucha.

Opony, felgi i opór toczenia

Wraz ze spadkiem prędkości opór powietrza maleje, a na scenę wkracza opór toczenia. Opony mogą wpływać na zasięg pojazdu elektrycznego w zakresie 20-40%. W samochodzie benzynowym około 5% energii tracone jest w oponach, a w samochodzie elektrycznym odsetek ten wzrasta do 16% - ponieważ w pojeździe elektrycznym całkowita energia jest już niewielka, udział każdej straty jest z tego względu duży.

Ciśnienie w oponach również ma tu znaczenie: każdy PSI poniżej zalecanego ciśnienia zwiększa opór toczenia i pobiera więcej energii z baterii. Rozmiar felg natomiast tworzy różnicę widoczną nawet w dokumentacji producenta. W Hyundai Ioniq 6 z tą samą baterią 77,4 kWh przejście z felg 18-calowych na 20-calowe - czyli wzrost rozmiaru felgi zaledwie o 11% - przyniósł spadek wydajności o 14%. Duże felgi to w porównaniu z oponami o grubym profilu większa powierzchnia styku i twardsza reakcja bocznia; kombinacja małej felgi i grubego profilu nadal zapewnia najdłuższy zasięg.

• Utrzymuj zalecane ciśnienie w oponach; każdy brakujący PSI odbija się na rachunku za baterię.
• Warunki śnieżne, błotniste i zimne podłoże zwiększają opór toczenia.
• W wyborze felg istnieje bezpośredni kompromis między designem a zasięgiem.

Ogrzewanie i chłodzenie kabiny: Niewidoczne zużycie

W samochodzie benzynowym ogrzewanie kabiny przychodzi niemal za darmo z ciepła odpadowego silnika. W samochodzie elektrycznym nie ma takiego luksusu: klimatyzacja, ogrzewanie i wszystkie systemy pomocnicze są zasilane bezpośrednio z wysokonapięciowej baterii. Oznacza to, że część wartości kWh/100 km w ogóle nie trafia do kół; idzie do grzałki i kompresora. Przeciętny pojazd potrzebuje w zimną pogodę mocy grzewczej 4-8 kW - to moc zbliżona do mocy napędowej silnika i może łatwo podwoić zużycie przy niskich prędkościach miejskich.

Wpływ zimna jest wymierny. Przy temperaturach wokół punktu zamarzania średnia utrata zasięgu wynosi około 20% i rośnie wraz z wychładzaniem powietrza. W jednym z badań zasięg w pełni elektrycznego pojazdu spadł przy -7°C o 41%; w podobnych warunkach spadek w samochodzie benzynowym wynosił 10%. Utrata zasięgu w zimnie nie ma jednej przyczyny: ogrzewanie kabiny, wysoka rezystancja wewnętrzna zimnej baterii i zwiększony opór toczenia przyczyniają się do tego samego rachunku. Pompa ciepła to główna technologia łagodząca ten rachunek; w porównaniu z grzałką może zwiększyć zasięg w zimnych warunkach o 8-10%.

Ekstremalne upały również zwiększają zużycie: w zakresie 46-50°C zużycie energii wzrasta nawet o 28% w porównaniu do 26-30°C. Główną przyczyną jest obciążenie kompresora i wysiłek zarządzania termicznego, by utrzymać baterię w chłodzie. W optymalnym zakresie temperatur - mniej więcej między 10 a 30°C - pojazdy elektryczne wykorzystują pełnię swoich zasięgów; jest to środowisko najbliższe warunkom referencyjnym, w których mierzone są oficjalne wartości zużycia.

Kto wygra: miasto czy autostrada? Udział rekuperacji

W samochodzie benzynowym światło uliczne to czysta strata; w samochodzie elektrycznym hamowanie jest procesem odzyskiwania energii. Rekuperacja zamienia energię kinetyczną pojazdu na energię elektryczną, działając silnikiem jak generator, i zapisuje ją z powrotem w baterii. Do baterii może wrócić 60-70% przechwyconej energii kinetycznej; 25-40% zdarzeń hamowania można odzyskać metodą rekuperacji. Przy mieszanym jeździe miejskiej/autostradowej szacuje się, że odzysk energii w pełni elektrycznych pojazdach wynosi około 22%. W ruchu miejskim typu stop-and-go odsetek ten jest jeszcze bardziej znaczący, a przy zjazdach w dół bateria faktycznie odzyskuje energię.

Wynik jest odwrotnością klasycznego przyzwyczajenia: wiele modeli osiąga o 15–25% lepszą ekonomię energii w jeździe miejskiej, a na autostradzie wydajność spada o 10–30%. Duża część różnicy miejsko-autostradowej w wartości kWh/100 km tego samego pojazdu bierze się właśnie stąd - w mieście hamowanie zwraca energię, a na autostradzie naszym jedynym zadaniem jest pokonywanie oporu powietrza.

Różnica między wartością oficjalną a rzeczywistą

Wartość kWh/100 km z katalogu jest produkowana w zdefiniowanym protokole testowym, przy zmierzonej temperaturze i z określoną kombinacją felg i opon. Natomiast rzeczywista droga opowiada zupełnie inną historię: prędkość jazdy, temperatura zewnętrzna, ogrzewanie kabiny, ciśnienie w oponach, ładunek i styl jazdy nadają temu samemu pojazdowi różne wartości. Producenci również wyraźnie to zaznaczają: zasięg może się znacząco zmieniać w zależności od temperatury, terenu, wieku baterii i obciążenia. Odchylenie do 41% przy -7°C pokazuje skalę tego ostrzeżenia.

Czytając wartość zużycia, warto mieć na uwadze następującą tabelę:

Praktyczne sposoby na obniżenie wartości

Jeśli znasz łańcuch strat, to znasz też, od czego zacząć, aby poprawić wynik. Na pierwszym planie pojawiają się trzy punkty: utrzymanie prędkości, zarządzanie obciążeniem kabiny i kontrola opon. Zmniejszenie stałego zużycia za pomocą pompy ciepła, obniżenie oporów toczenia dzięki właściwemu ciśnieniu i, jeśli to możliwe, mniejszym felgom, a także dyscyplina prędkości na autostradzie ograniczająca obciążenie oporem powietrza - te trzy razem dają mierzalną różnicę w tym samym pojeździe. Należy również uwzględnić, że 12–15% energii dodanej do baterii tracone jest w procesie ładowania; zużycie powstaje nie tylko podczas jazdy, ale również na drodze od gniazdka.

kWh/100 km to nie cecha pojazdu, lecz wynik działania systemu. Bateria, silnik, falownik, opony i powietrze - wszystkie pięć elementów przykłada rękę do tej liczby. Kiedy zrozumiesz, dlaczego wartość się zmienia, przewidywanie zasięgu przestaje być grą losową; staje się mierzalnym problemem inżynierskim.

Źródła

• Wydajność ma znaczenie: wszystko o efektywności pojazdów elektrycznych
• Korzyści i kwestie do rozważenia związane z pojazdami elektrycznymi
• Wykorzystanie energii w transporcie: pojazdy elektryczne
• Wpływ niskich temperatur otoczenia na osiągi pojazdów BEV
• Badanie: o ile pompy ciepła zwiększają zasięg pojazdów elektrycznych
• Jak temperatura i prędkość wpływają na zasięg pojazdów elektrycznych
• Jak temperatura wpływa na zasięg pojazdów elektrycznych
• Samochody elektryczne wytłumaczone: straty przy ładowaniu
• Jak opony wpływają na zasięg samochodu elektrycznego
• Jak zoptymalizować zasięg swojego samochodu elektrycznego
• Straty na mapach sprawności samochodów elektrycznych: przegląd
• Bliższe spojrzenie na straty w silnikach samochodów elektrycznych
• Falowniki w samochodach elektrycznych: funkcja, rodzaje i sprawność
• Wpływ ekstremalnych upałów na zużycie energii
• Rozwój układu odzyskiwania energii z hamowania
• Zasada działania hamowania rekuperacyjnego w samochodach elektrycznych