Mi határozza meg a kWh/100 km értéket? A hatásfokveszteségek nyomában

A kWh/100 km érték azt mutatja, hogy mennyi energiát vesz fel a jármű az akkumulátorából 100 kilométer megtételéhez. Ezt az értéket az akkumulátortól a kerékig tartó energiaáramlás minden veszteségi láncszeme meghatározza - a motor és az inverter hatásfoka, a fűtés és hűtés terhelése, az aerodinamikai ellenállás és a gördülési ellenállás. Még ugyanaz a jármű, ugyanaz az akkumulátor és ugyanaz az út esetén is különböző körülmények között ez az érték jelentősen változhat.

Amikor az elektromos jármű fogyasztási táblázatát nézed, valójában egy energiaáramlás utolsó sorát olvasod. Az akkumulátorból kilépő minden kilowattóra útra kel az inverteren át a motorba, a motortól a kerékig; útközben hőként, mágneses veszteségekként és a gumiabroncsok talajra nehezedő ellenállásaként fogy el. Ebben a cikkben végigkövetjük ezt az utat, és a veszteségláncon keresztül magyarázzuk el, miért tud ugyanaz a jármű egyik nap 14, másik nap 22 kWh/100 km-t mutatni.

Az akkumulátortól a kerékig: hol vész el az energia?

Az elektromos hajtáslánc szerkezetileg hatékonyabb, mint a benzinhajtás; azonban a "hatékony" nem azt jelenti, hogy "veszteségmentes". A lánc minden láncszemének megvan a maga része. Az akkumulátor belső ellenállása, az inverter kapcsolási veszteségei, a motor elektromos és mágneses veszteségei, a hajtáslánc mechanikai súrlódása - mind az akkumulátorból vett energia egy részét hővé alakítják.

A lánc legtöbb veszteséggel járó láncszeme a motor. A lítium-ion akkumulátorok coulomb-hatásfoka meghaladja a 99%-ot, vagyis az akkumulátor szinte semmit nem veszít hőként. A motor más: a tekercsek ohmos (réz) veszteségei, a mágneses kör vasveszteségei és a permanentmágneses motoroknál maguknak a mágneseknek a veszteségei korlátozzák az elektromos energia mechanikai energiává alakítását. A motor az elektromos energia körülbelül 80%-át mechanikai energiává alakítja; míg egy több száz, sőt több ezer mozgó alkatrésszel rendelkező benzinmotor elméleti maximális termikus hatásfoka a 35-40% sávban marad, és a tüzelőanyag energiájának mindössze 15-30%-a jut el a kerekekig. Ez az egyetlen összehasonlítás összefoglalja, hogy az elektromos autó fogyasztási értéke miért általában alacsony.

A motor és az akkumulátor között álló inverter az egyenáramot a motornak megfelelő háromfázisú váltakozó árammá alakítja, a veszteségek pedig közvetlenül a hatótávolságra hatnak. A kapcsolási veszteség azt jelenti, hogy a félvezetők minden be- és kikapcsoláskor egy kis energiát adnak le hő formájában; minél magasabb az inverter hatásfoka, annál jobb a hatótávolság és a termikus teljesítmény. Ugyanez az inverter a rekuperatív fékezésnél is kritikus, mert a visszanyerés során az energia ellentétes irányban, a motortól az akkumulátor felé ugyanazon a teljesítményelektronikán keresztül áramlik.

Hogyan befolyásolja a motor típusa a hatásfokot?

Az elektromos járművekben két alapvető motortípus létezik: a permanentmagnet szinkronmotorok és az aszinkron (indukciós) motorok. A különbség gyökere egy fizikai elv, a csúszás ("slip"). A szinkronmotornál a rotor a forgórész forgó mágneses mezőjével lépésenként szinkronban forog; az aszinkronmotornál viszont a rotor szándékosan lemarad a forgórész mezőjétől, hogy nyomatékot tudjon termelni, és ez a különbség veszteségként jelenik meg a rotor áramköreiben. Ezért a permanentmagnet szinkronmotorok általában néhány ponttal hatékonyabbak - a különbséget nagyjából 2-3%-os nagyságrendűnek adják meg.

Ezzel szemben az aszinkronmotornak megvannak a maga előnyei: önindítású, magas fordulatszámon stabil teljesítményt nyújt, és nem hordoz mágnesköltséget. Sok gyártó ezért hibrid felépítést választ: szinkronmotort a fő hajtáshoz, ahol a hatásfok kritikus, aszinkronmotort a másodlagos tengelyhez. A fogyasztási érték olvasásakor tudni, hogy a jármű milyen motortípust hordoz, megmagyarázza azonos osztályú két jármű táblázatban látható egy-két kWh-s különbségének egy részét.

Sebesség és aerodinamika: a fogyasztást leggyorsabban emelő tényező

Annak fő oka, hogy az elektromos jármű az autópályán több energiát fogyaszt, mint a városban, egy egyszerű fizikai törvény: az aerodinamikai ellenállás a sebesség négyzetével nő. Ha megkétszerezed a sebességet, a légellenállás négyszeresére nő; az legyőzéséhez szükséges teljesítmény pedig még gyorsabban nő. Ezért az elektromos járművek magas sebességnél exponenciálisan válnak hatékonyatlanná, és a hatótávolsági táblázat autópálya-értéke mindig magasabb, mint a városi érték.

A mérték konkrét: az aerodinamikai ellenállás autópályai sebességeknél a teljes fogyasztás akár 50%-áig is hozzájárulhat. Az ellenállás 10%-os csökkentése nagyjából 5%-kal javítja az autópálya-hatásfokot - ez magyarázza, miért fontosak az első lökhárító vagy a kerékfedél tervezésében mutatkozó különbségek. Ennek a szabálynak egy következménye az is: az elektromos jármű elméleti leg hatékonyabb sebessége nagyon alacsony. Mert a klíma, a fűtés és az elektromos rendszerek stb. állandó fogyasztásai alacsony sebességnél viszonylag nagy részt tesznek ki; a sebesség növekedésével viszont az ellenállás válik uralkodóvá. A gyakorlatban a leghatékonyabb sáv a középső tartomány, ahol az állandó fogyasztások már felélődtek, de az ellenállás még nem robbant fel.

Gumik, felnik és a gördülési ellenállás

Ahogy a sebesség csökken, a légellenállás mérséklődik, és a gördülési ellenállás veszi át a főszerepet. A gumik egy elektromos jármű hatótávolságát 20-40 százalék közötti tartományban is befolyásolhatja. Míg egy benzinüzemű autónál az energia körülbelül 5 százaléka veszrik el a gumikon, addig elektromos járműnél ez az arány 16 százalékra emelkedik - elektromos járműnél ugyanis a teljes energia amúgy is kicsi, ezért minden veszteség aránya nagyobb.

A guminyomás is beleszól a játékba: az ajánlott nyomás alatti minden PSI növeli a gördülési ellenállást, és több energiát von el az akkumulátortól. A felni mérete pedig olyan különbséget okoz, ami még a gyártói dokumentációkban is megjelenik. Ugyanazzal a 77.4 kWh-s akkumulátorral Hyundai Ioniq 6 esetében a 18 hüvelykről 20 hüvelykre való átállás - vagyis mindössze 11 százalékos felni-növekedés - 14 százalékos hatékonyságcsökkenést hozott. A nagy felnik a vastag profilú gumikhoz képest nagyobb érintkezőfelületet és keményebb oldalfal-viselkedést jelentenek; a kis felni és vastag profil kombinációja továbbra is a leghosszabb hatótávolságot adja.

• Tartsa be az ajánlott guminyomást; minden hiányzó PSI az akkumulátor számláján jelenik meg.
• A hó, a sár és a hideg talajviszonyok növelik a gördülési ellenállást.
• A felni választásánál közvetlen csere van a dizájn és a hatótávolság között.

Utastér fűtése és hűtése: a láthatatlan fogyasztás

Benzinüzemű autónál az utastér fűtése szinte ingyen jön a motor hulladékhőjéből. Elektromos járműnél ez a luxus nem létezik: a klíma, a fűtés és minden segédrendszer közvetlenül a nagyfeszültségű akkumulátorról működik. Vagyis a kWh/100 km érték egy része soha nem jut a kerekekig; a fűtőellenállásra és a kompresszorra megy el. Egy átlagos autó hideg időben 4-8 kW fűtési teljesítményre van szüksége - ez egy hajtómotor teljesítményéhez közeli érték, és városi alacsony sebességnél könnyen megduplázhatja a fogyasztást.

A hideg hatása mérhető méretű. A fagypont körüli hőmérsékleteken az átlagos hatótávolság-veszteség körülbelül 20 százalék, és a levegő hűlésével tovább nő. Egy tanulmányban -7 fokon a teljesen elektromos jármű hatótávolsága 41 százalékkal csökkent; hasonló körülmények között a benzinüzemű autónál a csökkenés 10 százalék volt. A hidegben bekövetkező hatótávolság-veszteség nem egyetlen okra vezethető vissza: az utastér fűtése, a hideg akkumulátor magas belső ellenállása és a megnövekedett gördülési ellenállás ugyanarra a számlára írja fel magát. A hőszivattyú a fő technológia, amely enyhíti ezt a terhet; a fűtőellenálláshoz képest hideg körülmények között 8-10 százalékkal növelheti a hatótávolságot.

A szélsőséges meleg is növeli a fogyasztást: 46-50 fok között az energiafogyasztás a 26-30 fokhoz képest akár 28 százalékig emelkedhet. Ennek fő oka a kompresszor terhelése és a hőmenedzsment erőfeszítése, hogy az akkumulátort hűvösen tartsa. Az optimális hőmérsékleti sávban - nagyjából 10-30 fok között - az elektromos járművek a hatótávolságuk egészét, sőt afölöttit is kihasználják; ez a sáv a legközelebbi környezet azokhoz a referenciafeltételekhez, amelyek mellett a hivatalos fogyasztási értékeket mérik.

Miért győzi le a város az autópályát? A rekuperatív fékezés szerepe

Benzines autónál a forgalmi lámpa puszta pazarlás; elektromos autónál viszont a fékezés energiagyűjtési folyamat. A regeneratív fékezés a jármű kinetikus energiáját úgy alakítja villamos energiává, hogy a motort generátorként működteti, és az energiát visszaírja az akkumulátorba. A megfogott kinetikus energia 60-70%-a visszajuthat az akkumulátorba; a fékezési események 25-40%-a regeneratív módon hasznosítható vissza. Vegyes városi/autópálya-használatnál a visszanyerést a teljesen elektromos járműveknél körülbelül 22%-ra becsülik. A stop-and-go forgalomban ez az arány még jelentősebb, lejtmenetben pedig az akkumulátor valóban visszatölt energiát.

Az eredmény a klasszikus szokás ellentéte: számos modell városi vezetésnél 15-25%-kal jobb energiahatékonyságot ér el, autópályán viszont a hatékonyság 10-30%-kal csökken. Ugyanazon jármű kWh/100 km értékének város-autópálya különbsége nagyrészt innen ered - a városban a fékezések visszatáplálják az energiát, autópályán viszont egyetlen dolgunk a légellenállás legyőzése.

Különbség a hivatalos és a valós érték között

A katalógusban szereplő kWh/100 km érték egy meghatározott tesztprotokollban, mért hőmérsékleten és egy adott felni-gumi kombinációval készül. A valódi út azonban más történetet mesél: a vezetési sebesség, a külső hőmérséklet, az utastér fűtése, a gumiabroncs nyomása, a terhelés és a vezetési stílus ugyanarra a járműre eltérő értékeket ír. A gyártók is nyíltan kimondják: a hatótávolság a hőmérséklettől, a terepviszonyoktól, az akkumulátor életkorától és a terheléstől jelentősen változhat. A -7°C-on akár 41%-os eltérés ennek a figyelmeztetésnek a nagyságrendjét mutatja.

A fogyasztási érték olvasásakor érdemes a következő táblázatot szem előtt tartani:

Gyakorlati módok az érték csökkentésére

Ha ismeri a veszteségláncolatot, azt is tudja, hol kezdje az érték javítását. Három tétel áll előtérben: a sebesség megtartása, az utastér terhelésének kezelése és a gumik ellenőrzés alatt tartása. A állandó fogyasztások csökkentése hőszivattyúval, a gördülési ellenállás leküzdése helyes nyomással és lehetőség szerint kisebb felnikkel, autópályán pedig a sebességgel való fegyelemmel a légellenállás terhelésének mérséklése - a három együtt mérhető különbséget produkál ugyanazon a járműven. Emellett számolni kell azzal is, hogy az akkumulátorba juttatott energia 12-15%-a a töltési folyamat során veszik el; a fogyasztás nemcsak vezetés közben keletkezik, hanem a konnektortól az akkumulátorig vezető úton is.

Összefoglalva: a kWh/100 km nem járműtulajdonság, hanem egy rendszer eredménye. Az akkumulátor, a motor, az inverter, a gumi és a levegő - mind az öt ráírja a bélyegét arra a számra. Ha megértette, miért változik az érték, a hatótávolság becslése sem többé szerencsejáték; mérhető mérnöki problémává válik.

Források

• Hatékonyság számít: minden az elektromos autók hatékonyságáról
• Az elektromos járművek előnyei és szempontok
• Az energiafelhasználás a közlekedésben: elektromos járművek
• A hideg környezeti hőmérséklet hatása a BEV teljesítményére
• Tanulmány: mennyivel növelik a hőszivattyúk az elektromos autók hatótávolságát
• Hogyan befolyásolja a hőmérséklet és a sebesség az elektromos autók hatótávolságát
• Hogyan hat a hőmérséklet az elektromos járművek hatótávolságára
• Elektromos autók magyarázva: töltési veszteségek
• Hogyan befolyásolja a gumiabroncs az elektromos autód hatótávolságát
• Hogyan optimalizáld elektromos autód hatótávolságát
• Veszteségek az elektromos járművek hatásfok-térképein: áttekintés
• Közelebbről az elektromos autómotorok veszteségeiről
• Inverterek az elektromos járművekben: funkció, típusok és hatékonyság
• A szélsőséges meleg hatása az elektromos járművek energiafogyasztására
• A rekuperációs fékrendszer fejlesztése
• A rekuperáció megértése az elektromos járművekben