Elektromos autó készítési alapok

Gondolatok átépítés előtt

Mielőtt belefognánk egy személygépkocsi elektromos meghajtásúvá alakításába, néhány fontos kérdésről nem árt beszélni:

Mire szeretnénk használni az elektromos autót?

Tudomásul kell venni, hogy a tisztán elektromos üzemű gépjármű a jelenlegi technikai lehetőségeket figyelembe véve nem tudja mindenben helyettesíteni a fosszilis üzemanyagokat használó gépkocsikat.

Korlátok:

1.   Hatótáv

A legjelentősebb korlátozó tényező az energiatárolás. A leginkább elterjedt és legolcsóbb savas ólomakkumulátorok 30Wh energiát tudnak tárolni 1 kg-ban. A korszerűnek számító lítium alapú akkumulátorok energiasűrűsége sem nagyobb 100÷150 Wh/kg-nál, szemben a benzin 12.000 Wh/kg értékével. Ha egy átlagos tanknyi üzemanyagban lévő energiát szeretnénk magunkkal vinni, akkor lítium akkumulátorokból kb. 5 tonnányit, ólomakkumulátorból ennek legalább háromszorosát kellene cipelnünk végig az út során. Valójában azért nem ennyire sötét a kép, mert az elektromos meghajtás hatásfoka lényegesen jobb, mint a benzin vagy dízelmotorral szerelt járgányoké. Egy átlagos átépített gépkocsi fogyasztása 10÷15.000 Wh/100km, vagyis benzinre vetítve 1÷1.5 literes fogyasztást kapunk. A savas akkumulátorokkal egy töltéssel elérhető hatótávolság 100km körüli lehet, amihez 300÷400 kg akkumulátort kell beépíteni. Lítium akkumulátorból egy hasonló méretű akkumulátorpakk 350÷400 km-es hatótávolságot tesz lehetővé, ami már az igények jelentős részét kielégíti.

2.   Teljesítmény

A beépítésre kerülő motor teljesítményét illetően első látásra úgy tűnhet nincs korlátozó tényező. A motorválasztékot illetően ez valóban így is van. A korlátozást ismételten az akkumulátor jelenti. Az akkumulátorban tárolt energiát ugyanis nem vehetjük ki tetszőleges sebességgel. A gépkocsi meghajtó savas ólomakkumulátorok kapacitását általában 10 óra alatti kisütésre (0.1C) adják meg. Ha az energiát 1 óra alatt akarnánk kivenni (1C) akkor már csak a 0.1C-re megadott kapacitás 60%-a áll rendelkezésünkre. Általános méretezési szabályként elmondható, hogy a névleges motorteljesítmény kétszeresére kell választani az akkumulátor kapacitást. Egy 4kW-os motorhoz 8kWh-nyi akkumulátor kapacitás az ideális. Jellemzően az elektromos motorok rövid ideig (1÷2 perc) névleges teljesítményűk 2÷2.5 -szeresét is le tudják adni, ami a gyorsítások szempontjából igen lényeges. Ekkor az áramfelvételük is természetesen megnő. Az említett akkumulátor kapacitást meghatározó méretezési szabálytól lefelé történő jelentős eltérés megakadályozhatja ennek a nagyobb teljesítménynek az elérését. Ezért a minimum érték nem lehet kevesebb, mint a névleges motorteljesítmény, vagyis egy 4kW-os motorhoz minimum 4 kWh-nyi akkumulátor kapacitást kell választanunk. A lítium akkumulátorok ebből a szempontból is sokkal kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkeznek: Folyamatosan 3C-vel kisüthetők, rövid időre akár 10C-vel is terhelhetők. Így a minimum korlát is lényegesen alacsonyabb lehet. Például egy 30kW-os motorhoz ( ami rövid ideig 60-70kW teljesítmény leadására is képes ), elegendő 10kWh-nyi lítium akkumulátor kapacitást beépíteni.

3.   Töltés

A nagy távolságokra történő használatot leginkább a töltés időszükséglete korlátozza. A teljesen lemerült ólomakkumulátorok feltöltéséhez 10 óra szükséges.
A lítium akkumulátor esetében 3 óra 20 perc is elegendő.
A fenti korlátok figyelembevételével tehát először azt kell eldöntenünk milyen követelményeket támasztunk elektromos autónkkal szemben.
A választék a 3÷4 kW-os motorral szerelt, 50 km/óra végsebesség körüli, 50÷60 km hatótávolságú városi mopedautótól az 50÷60 kW-os motorú, 150÷200 km/óra végsebességű, 3÷400 km hatótávú, szinte kompromisszummentes aszfaltszaggatóig terjed.

Előnyök:

1.   Üzemanyagköltség

Figyelembe véve az akkumulátorok töltés-kisütés ciklusának, valamint az akkumulátortöltőnek a veszteségeit, 100 km megtételéhez mintegy 15÷20 kWh villamos energiát kell felhasználnunk a hálózatból. Ha a normál tarifával számolunk, akkor ez mintegy 570÷760 Ft költséget jelent. Ez jelenlegi árakon 2÷2.5 liter benzin árának felel meg. Ha lehetőségünk van kapcsolt (úgynevezett éjszakai) árammal végezni a töltést még kedvezőbb a helyzet. A kapcsolt áram ára ugyanis csak 60÷65%-a (kb. 22 Ft/kWh) a bármikor rendelkezésre álló áraménak, így a tankolás 1÷1.5 liter benzin árából oldható meg 100 km-re. Ebben az esetben még külön öröm, hogy nagy valószínűséggel megújuló energiaforrásból előállított áramot használtunk. A megújuló energiaforrások használatának elterjedését leginkább akadályozó tényező, hogy az áramszolgáltatók nem tudnak mit kezdeni a fogyasztási völgyidőszakokban termelődő szél és napenergiából előállított árammal. Ezen a gondon segíthet az áramszolgáltató által vezérelt fogyasztók használata, amivel mi is hozzájárulhatunk a környezet megóvásához.

2.   Karbantartási költségek

Maga az elektromos motor lényegesen egyszerűbb, kevesebb alkatrészt tartalmaz, mint a benzin vagy diesel motor. Üzemi hőmérséklete is jóval alacsonyabb azokénál.
Karbantartási igénye lényegesen kisebb, javítása egyszerűbb. Szénkefés DC motor használatánál csak a szénkefék időnkénti ( 50÷100 ezer km-enkénti) cseréjével kell számolni.
Elektromos gépkocsiknál a legnagyobb tehertétel az akkumulátorok véges élettartama miatt jelentkező csereköltség. Az ólomakkumulátoroknál 5-600 töltési ciklus után csökken a kapacitás 80% alá. Ez 100 km-es hatótávra méretezett akkumulátorok esetén 50÷60 ezer km-enkénti akkumulátorcserét tesz szükségessé. 2006-ban jelentek meg a legújabb fejlesztésű LiFePO4 akkumulátorok amelyek több mint 2000 töltési ciklust tudnak teljesíteni, így a csereperiódus 200.000 km feletti.

3.   Környezetvédelem

Az elektromos autó károsanyag kibocsátása nulla. Energiát azonban használ, amit elő kell állítani. Vajon ez több vagy kevesebb, mint amit egy benzines jármű igényelne? Az elektromos motor hatásfoka széles tartományban 80% körüli. Az akkumulátorok töltés-kisütési ciklusa hozzávetőlegesen 75%-os. Az eredő hatásfok tehát 60% körüli szemben a benzinmotorok 15% körüli hatásfokával. Ráadásul ezt az energiát megújuló forrásokból is elő lehet állítani. Ha mégis fosszilis tüzelőanyagokból állítanánk elő ezt az energiát, akkor is kevésbé károsítjuk a környezetünket. A szén és gázerőművek hatásfoka 30% körüli, a termelt 70%-nyi hőenergiát is legtöbbször hasznosítani lehet, nem beszélve arról, hogy a károsanyag kibocsátás nem a zsúfolt városban a babakocsik szintjén történik.

Tervezés

Ha végre megszületett az elhatározás, hogy elektromos autót építünk, kezdődhet a tervezési (tervezgetési) fázis. Nagyon fontos, hogy realisták legyünk. Pontosan meg kell tudni fogalmazni igényeinket és felmérni lehetőségeinket, mert nincs szomorúbb látvány egy félbehagyott álomnál.

Gépkocsi választás

Kiindulásként érdemes szétnézni a nagyvilágban: Mások próbálkozásai hogyan sikerültek? Ehhez nagyon jó kiindulópont az Interneten például a www.austinev.org/evalbum oldal. Ezen az oldalon jelenleg több mint 1200 átépítésről számolnak be a hozzánk hasonló kreatív emberek. Néhány vastagabb pénztárcával rendelkező álmodozó alkotását pedig a www.metricmind.com/photo.htm oldalon találhatjuk meg.

Ha kellőképpen kicsodálkoztuk magunkat azon, hogy más emberek mire képesek, ideje kiválasztanunk saját elektromos autónk kiindulási alapját. Tulajdonképpen bármilyen autó átépíthető elektromos meghajtásúvá. Választáskor azonban néhány szempontot érdemes figyelembe venni:

• A kiválasztott gépkocsinak el kell bírnia a megnövekedett tömeget, illetve a fékeknek a nagyobb terhelést.
• Ha az autó szervofékes, akkor egy elektromos vákuumpumpával ki kell váltanunk a fékrásegítést.
• Ha az autó hidraulikus szervokormánnyal rendelkezik, három dolgot tehetünk:

1. Elektromos hidraulikaszivattyút építünk be.
2. Átalakítjuk a kormányszervót elektromosra.
3. Lemondunk a szervokormányról (ha megtehetjük).

• A klímaberendezés használata nem javasolt. Ha mégis használni szeretnénk, át kell alakítani elektromosra.

Nézzük meg, hogy a hatalmas választékból milyen típusok jöhetnek leginkább szóba. Három kategória lehet különösen érdekes:

L6e járműosztály:

 

Ezek a személyautónak látszó járművek valójában segédmotoros kerékpárok, vagy más néven könnyű négykerekű triciklik. Ahhoz, hogy egy jármű ebbe a kategóriába tartozzon, három feltételnek kell megfelelnie:

1. Saját tömege (akkumulátorok nélkül) nem lehet több 350 kg-nál.
2. A meghajtómotor teljesítménye nem lehet nagyobb, mint 4 kW.
3. A tervezett végsebessége nem lehet több, mint 45 km/h.

Az ilyen járművek üzembentartására és vezethetőségére országonként eltérő szabályok vonatkoznak. Általánosságban elmondható, hogy fenntartásuk lényegesen olcsóbb, mint egy normál személygépkocsié. Magyarországon a mopedautók minősítése és vezethetősége jelenleg jogilag tisztázatlan.

Kultikus autók:

Sportautók a 60-as, 70-es, 80-as évekből:

MOTORVÁLASZTÁS

A motorválasztást alapvetően az elérni kívánt végsebesség határozza meg. Ez ügyben legyünk visszafogottak. Bár a motorok ára nem emelkedik túl gyorsan a teljesítmény növekedésével, de a hozzávalók: vezérlés, töltő és nem utolsósorban a szükséges akkumulátor kapacitás ára és tömege már komoly korlátozást jelent.

A kívánt végsebességhez tartozó motorteljesítmény számítására az alábbi képlet használható:

P _motor = (P _gördülési + P _{légellenállás} ) / η = ( m _ö * g * f * v + γ * c _w * A * v³ / 2 ) / η

ahol:

Tapasztalati tények alapján sík úton az alábbi végsebességek elérésére lehet számítani:

Megtévesztő lehet a viszonylag alacsony végsebesség. Mivel az alkalmazott motorok rövid ideig névleges teljesítményük 2-3-szorosát is le tudják adni, gyorsításkor a vártnál élénkebben mozognak.

A 4 kW-os motort elsősorban az L6e kategóriájú moped-autókba, esetleg a kultikus autókba célszerű beépíteni. A 7.5kW-os motor a kultikus autók számára ideális. A kis sportkocsikba viszont már legalább 11kW-os motort illik telepíteni.

AKKUMULÁTOR CSOMAG

Az akkumulátor az elektromos autók leggyengébb láncszeme. Itt kell tennünk a legnagyobb kompromisszumokat és ez a legdrágább, ráadásul a leghamarabb elhasználódó alkatrész.

Méretének meghatározásához az elvárt hatótávból kell kiindulnunk. Egy elektromos autó fogyasztása vezetési stílustól, útviszonyoktól függően 100 Wh/km – 200 Wh/km között alakul. A 100 Wh/km-es értékkel általában az elektromos gépkocsik gyártói – forgalmazói számolnak, hogy kedvezőbb színben tüntessék fel a hatótávolság adataikat.

Ha gyakorlati értékekkel akarunk dolgozni, akkor a 150 Wh/km jó közelítésnek tűnik. Nézzük meg, hogy mennyi energiát tudunk magunkkal vinni! Egy 12V/150Ah akkumulátorban névleg 12*150 = 1800Wh-nyi energia található. Ezt azonban nem célszerű az utolsó cseppig elhasználni, mert az erőteljesen csökkenti az akkumulátor várható élettartamát. Szintén jó gyakorlati közelítés, ha a ténylegesen felhasználható energia mennyiségét 1500Wh-nak vesszük, vagyis 12V-os akkumulátornál Ah-ként 10Wh energiával kalkulálhatunk.

A fenti számokból következik, hogy egy 12V/150Ah akkumulátorban tárolt energia biztonsággal elegendő egy 10km-es út megtételére.

Nézzünk egy gyakorlati példát: Van egy 7.5kW-os 72V-os motorral szerelt gépkocsink, 6 db 12V/150Ah savzselés ólomakkumulátorral. Az ebben tárolt energia mennyisége 9kWh. A becsült biztonsággal megtehető hatótávolság 60 km (9000/150). Ha az akkumulátorok viszonylag újak, jó kondícióban vannak, kíméletesen vezetünk és még az idő is elég meleg (hidegben ugyanis jelentősen lecsökken az ólomakkumulátorok teljesítménye), nem elképzelhetetlen, hogy akár 100 km-t is megtehetünk egy töltéssel.

A LiFePO4 akkumulátorok esetében az alacsonyabb tömeg mellett, a jobb dinamikus viselkedés, kisebb hőmérsékletfüggés és a négyszeres élettartam jelent nem elhanyagolható előnyt. A savzselés akkumulátorokhoz hasonló számítást végigvezetve egy 3.2V/90Ah lítium akkumulátorban tárolt energia 2 km-nyi út megtételéhez elegendő biztonsággal.

VARIÁCIÓK

Nézzünk meg táblázatos formában néhány lehetséges összeállítást:

 

A lítium akkumulátorok esetében látható, hogy a várható végsebesség is valamelyest megnövekedett. Ez két dolognak tudható be: az alacsonyabb tömeg és a magasabb (48*3.2V= 153.6V) névleges feszültség. A feszültség növelése az egyik legegyszerűbb módja az elektromos autók “tuning”-jának.

Ólom, vagy lítium, ez itt a kérdés? Ha a hosszútávú költségeket nézzük nincs különbség: A lítium akkumulátorok ötszörös árukat, ötszörös élettartammal hálálják meg. Egyéb rendkívül előnyös tulajdonságaik, ha hosszabb távra és nagyobb futásteljesítményre tervezünk verhetetlenek: Harmad akkora súly, gyors energia leadás, gyors tölthetőség, hidegtűrés.

Mik az ólomakkumulátor előnyei? Pusztán az ár maradt. Ha jelenlegi költségvetésünk nem engedi, hogy lítium akkumulátorokba komoly összeget fektessünk, vagy nem napi használatra készítjük az átépítést, akkor marad az ólomakkumulátor. Napi használat esetén kb. 2 év múlva, vasárnapi autó esetén 5-6 év múlva kell feltennünk magunknak újra a kérdést: Milyen akkumulátort válasszak? A technika folyamatosan fejlődik. Reményeink szerint a jövőben erre a kérdésre már kedvezőbb válaszokat fogunk kapni.

KÖLTSÉGVETÉS

(amit minden valószínűség szerint túl fogunk lépni)

Egy komoly tervezés nem nélkülözheti a költségek előzetes felmérését. Bár el kell mondanom, hogy nagyon sok hobbiról lemondanának az emberek, ha ezt valóban megtennék. Például ki méri fel előre a költségeket, amikor belevág egy modellvasút terepasztal elkészítésébe? Mi most mégis ezt tesszük, de szigorúan csak a magunk számára.

Figyelem ! Ha komolyan elszántuk magunkat az átépítésre, szigorúan tilos ezt az oldalt megmutatni a párunknak, mert pillanatok alatt ki fog derülni mennyi minden más, értelmesebb dologra szórhatnánk el a pénzünket!

Nézzük tehát milyen kiadásokkal kell számolnunk. Abból kell kiindulnunk, hogy az átépítésre kiszemelt járművünk minden megmaradó alkatrésze hibátlan. A kiszerelendő robbanómotor és tartozékainak minősége számunkra lényegtelen. Elég optimista feltételezésnek tűnik, hogy egy nagykorú járgány szétbontásakor ne találnánk néhány “apróbb” hibát, amit célszerű orvosolni. Ezt azonban ne írjuk az átépítés számlájára!

Felsorolásszerűen:

• Elektromos motor + vezérlőelektronika, tartozékokkal
• Akkumulátor csomag
• Akkumulátortöltő
• Elektromos szerelési anyagok: kábelek, akkumulátorsaruk, stb.
• Munkadíj anyagokkal: felesleges anyagok bontása, motor illesztés elkészítése, motor és akkumulátor tartó elkészítése, elektromos szerelvényezés.
• Átépítési tervek elkészítése (48.000,- Ft), engedélyeztetés (11.800,- Ft)
• Tervfüggő kiadások: szervofék, szervokormány, klíma

A két véglet:

1. Legkisebb motor, minimális ólomakkumulátor, L6e, vagy kultikus autó 50-60 km/h végsebesség, 30-40km hatótáv, akkumulátorcsere 20.000 km-enként. (Minimum ev)
2. Kis sportkocsi, legnagyobb motor, lítium akkumulátor, 100-120 km/h végsebesség, 100 km körüli hatótáv, akkumulátorcsere 200.000 km-enként. (Maximum ev)

A kiadásokkal szemben érdemes átnézni a megtakarításokat is:

• Alacsonyabb biztosítási díj
• Alacsonyabb teljesítményadó
• Nincs zöldkártya
• Alacsonyabb karbantartási költségek (15-20.000 km-enként szénkefe csere)
• Alacsonyabb üzemanyagköltség (10 – 20 Ft/km megtakarítás)
• Zéró emisszió (150-200g/km CO₂ megtakarítás)