Ilyenek lesznek a jövő villanyautói
Mint száz éve a belsőégésű motoros autók, ma az elektromosak fejlődnek napról napra. A rohamtempó miatt a jövő megjósolhatatlan, de azért megpróbáljuk.
Száz éve már működőképes volt a benzinmotor, de szinte naponta érkeztek a hírek az új fejlesztésekről. A szelepek oldalról felköltöztek a hengerfejbe, rájöttek, hogy a szelepösszenyitás nem ördögtől való, hanem segíti a fordulatszám növelését, a benzin adagolása lehetővé tette az oktánszám és ezáltal a kompresszió növelését, és egyre több motor kapott kompresszort. Mindenki örömére a teljesítmény és az autók sebessége nőtt, miközben a fogyasztás csökkent.
Elektromos autók hajtásánál azonban a kulcsproblémát nem is annyira a motor, hanem az akkumulátor jelenti. Mindjárt három szempontból is. Az egyik a súlyra vetített áramtároló képessége, a második a tölthetősége, a harmadik pedig az ára. Az elsővel jelenleg úgy állunk, hogy egy kilónyi akkumulátorban 250 Wh, azaz negyed kilowattóra áramot tudunk eltárolni. Ez azt jelenti, hogy a használható hatótávolság alját nyújtani képes, 50 kWh-s akkumulátor tömege legkevesebb 200 kg. Könnyű belátni, hogy ha ezt a 250 Wh-t sikerülne csak megduplázni, a tömeg máris megfeleződne, és már alig lenne nehezebb, mint egy nagyobbacska, 120 literes tele benzintartály.
A tölthetőség, pontosabban a töltés gyorsasága a gyakorlatban legalább olyan fontos kérdés, mint a hatótávolság. Egyrészt nyilván senki nem szeretne órákig rostokolni, amíg újra feltöltődik az autó akkuja. Másrészt a tapasztalatok azt mutatják, hogy a hatótávot meghaladó, mondjuk 700 kilométeres távot kevesebb idő alatt lehet megtenni egy kisebb akkumulátoros, ámde gyorsan töltő villanyautóval, mint egy nagy akkumulátorossal, ami lassabban tölt.
A másik nagy kérdés az ár. Jelenleg 125-135 dollárba kerül 1 kWh tárolóképesség, ami 50 kWh-s akku esetén önmagában hatezer dollárt, azaz körülbelül 1,8 millió forintot meghaladó költséget jelent. Ez azért sok, mert körülbelül ennyi egy komplett kisautó gyártási költsége belső égésű motorral, váltóval, karosszériával, futóművel, mindennel együtt. A villanyautóból pedig ennyiért csak az akkut kapjuk meg, ami mellé még oda kell tenni a hajtásláncot és minden mást. Jelenleg a 100 dolláros kilowattóránkénti ár tűnik rövid távon, körülbelül 2025-ig elérhető célnak, míg 2030-ra már 60 dollár alatti árral számolnak, ami sokkal barátságosabbnak tűnik.
Minden szempontból áttörést jelenthetne a szilárdtest akkumulátor gyártásba kerülése, de ennek időpontja még nagyon bizonytalan. Addig marad az ismert lítiumion akkumulátorok továbbfejlesztése.
Hogyan lehet mindezt megvalósítani? Az áttörést a sokat emlegetett szilárd elektrolitos, vagy más néven szilárdtest akkumulátor hozhatná el, ami mindhárom szempontnak tökéletesen megfelelne. Nagy a fajlagos áramtároló képessége, megfelelő töltőberendezéssel 10 percen belüli idő alatt újra lehetne tölteni, és még olcsóbb is, mint a jelenlegi lítiumion akkumulátorok. Ám pillanatnyilag úgy néz ki, hogy ha valaki ezen előnyök tudatában úgy dönt, megvárja a szilárd elektrolitos akkuk megérkezését, az még évekig belső égésű motoros autóval lesz kénytelen járni.
Ugyanakkor az ismert lítiumion akkumulátorokat gőzerővel fejlesztik, újabb és újabb lehetőségeket találnak tulajdonságaik javítására és a költségek csökkentésére. Mindkettő egyszerre érhető el új anyagok felhasználásával. Az akkucellák negatív elektródájának egyik fontos összetevője a kobalt, amit azonban csak pár helyen bányásznak a világon, ezért drága. Ráadásul etikai probléma is kötődik hozzá, ugyanis a termelés közel háromnegyede a kongói Demokratikus Köztársaságból származik, ahol nem a legemberbarátabb módon folyik a munka. A kobalt kiváltására az olcsóbb és hozzáférhetőbb nikkel tűnik ígéretes alternatívának.
A pozitív elektródánál azzal kísérleteznek, hogy a grafitot minél nagyobb mértékben szilíciummal váltsák ki. Az ok részben a költségcsökkentés, de ennél többet nyom a latban, hogy ezzel növelhető az energiasűrűség. A Volvo szerint ez a két megoldás is sokat segít abban, hogy elektromos autóikkal 2030-ra elérjék az 1000 kilométeres hatótávolságot.
Mind a tölthetőség, mind a lítiumion akkumulátor energiaháztartása szempontjából fontos lépés a 400 voltos feszültségről 800 voltra áttérés. A Porsche Taycant eleve így tervezték, és már ilyen az akkumulátorfeszültsége az új Hyundai Ioniq 5-nek és a szintén új Kia EV6-nak. A feszültség megduplázódása azonos teljesítmény esetén feleakkora áramerősséget jelent. Emiatt kisebb keresztmetszetű kábelekre van szükség, és az egyéb veszteségek is kisebbek. Kicsit hasonlóan ahhoz, amikor az autók áttértek a 6 voltos fedélzeti rendszerről a ma is használt 12 voltosra.
Hasonló előnyökkel jár a tölthetőség szempontjából is a 800 voltos feszültség bevezetése. Ugyanakkora töltőáramot feltételezve kétszer akkora teljesítménnyel lehet tölteni az autó akkumulátorát. Ez 350-400 kW is lehet, amivel már egy 100 kWh-s akkumulátor is fél óránál kevesebb idő alatt 10 százalékról 80 százalékosra tölthető. Talán itt érdemes megjegyezni, hogy általában a maximális töltőáramot szokták emlegetni, míg valójában azzal csak a töltés elején tölt a rendszer. Utána azonban az akkumulátor celláinak kímélése, vagyis a töltés cellák közötti egyenletesebb elosztása érdekében mérséklik a töltőáramot. Ezért nem lehet úgy számolni, hogy az akku kapacitását egyszerűen elosztjuk a töltőteljesítménnyel, és akkor kijön a töltési idő. Ennél a valóságban mindig többre van szükség.
Az egyébként, hogy egy akkumulátor miként veszi fel, illetve terhelés során miként adja le az áramot, nagyban függ az akkumulátor hőháztartásától. A lítiumion akkumulátorok ideális hőmérséklete 15-35 fok közötti, ilyen hőmérsékleten terhelve és töltve ideális a működésük és a leghosszabb az élettartamuk. Ennél kisebb, vagy sokkal nagyobb hőmérsékleten ugyanakkor sem a teljesítmény kivétele, de főként a töltés nem történhet maximális erőbedobással. Ezen segít az igénybevételt gondosan lekövető hőháztartás. Mivel erre a léghűtés nem képes, ezért az újabb elektromos autókban a hőközvetítő közeg kizárólag folyadék.
Minden, a hűtésben-fűtésben résztvevő elemet egy rendszerbe foglalnak a motor hűtésétől kezdve az utastér fűtéséig. Utóbbira felhasználhatják a motorban és az akkumulátorban keletkező hőt, amelyek mellett hőszivattyús fűtést is bevetnek.
Azért ez a kicsit bonyolult megfogalmazás, mert a folyadék nemcsak hűt, hanem fűt is, ha az akkumulátor éppen azt igényli. Részben már a jelen, de a jövő elektromos autóiba mindenképpen egy eléggé összetett hőmérséklet szabályozó rendszert építenek, amelynek része az akkumulátor, a motor, vagy motorok, valamint az utastér hűtésének-fűtésének megoldása. Az utastér hűtésére elektromos hajtású klímarendszer szolgál már ma is, a fűtésére azonban egyre inkább hőszivattyút alkalmaznak, ami kapcsolatban áll a motor és az akkumulátor hőkezelő rendszerével. A hőszivattyú nagy előnye, hogy mivel a környező levegőből vonja ki az utastér melegítésére szánt hőt, ezért energiaigénye töredéke az elektromos fűtőtestekének. És mert kevesebb energiát szív ki a nagyfeszültségű akkumulátorból, így több maradhat hajtásra, vagyis nő a hatótávolság.
Jobb oldalon az egyes, prizmatikusnak nevezett cellák,balra a belőlük összerakott modul.
Az akkumulátor temperálásának megoldása függ a cellák kialakításától. A formájuk alapján a közönséges elemekre hasonlító, de azoknál nagyobb méretű hengeres cellákat a köztük természetesen keletkező hézagokon keresztül akár körbefolyhatja a folyadék, így azokat nagyon hatékonyan és gyorsan lehet hűteni és fűteni. Éppen ebből adódik azonban hátrányuk, hogy rosszabb a helykihasználásuk, mint a téglára emlékeztető alakú prizmatikus, vagy a lapos formájú tasakos celláké. Mindkét fajta cellát lényegében légmentesen lehet egymás mellé sorakoztatni, így nem alakul ki közöttük akár temperálásra használható holt tér. Ezért ezeket úgy hűtik, hogy az alattuk alakítanak ki hűtőfelületet.
Az akkumulátorfejlesztés fázisai. Jobbra a jövő akkumulátora, amely egyszerűbb, masszívabb és könnyebb, mint a korábbi megoldások.
Persze nem ilyen egyszerűen! A cellákat ugyanis a terhelés egyenletesebb elosztása, a könnyebb hibakeresés és a könnyebb javíthatóság érdekében modulokba szervezik. Ez lényegében egy fémdoboz, ami a megfelelő számú cellát tartalmazza a kívánalmaknak megfelelő kapcsolásban. Tulajdonképpen ezeket hűti alulról a hűtőfelület, és egyúttal ezek védik is a cellákat. A Volvo jövőbeli fejlesztése, hogy a modulok házát olyan erősre méretezik, hogy együttesen részt vállaljanak a teljes akkumulátortelep, sőt, az egész autó ütközésvédelmében.
Kompakt, sorozatgyártásra optimalizált akkumulátor. Alul a védőtok, felette a hűtőfelület, ami felett a modulok, az elektromos vezetékek és a védőfedél.
Az akkumulátor védelme a következő pont, amiben folyamatos a fejlesztés. Azt már a kezdet-kezdetén tudták, hogy a lítium-ion akkumulátort védeni kell, mert sérülés esetén hajlamos a kigyulladásra, sőt, akár a felrobbanásra is. Emiatt olyan védőkeretet kell kialakítani körülötte, ami minden eshetőség közepette megakadályozza a cellák túlzott deformációját. A baj ezzel az, hogy növeli a tömeget, amit – mivel elkerülhetetlenül szükséges - be szokás számítani az akkumulátor tömegébe. Csakhogy ez alól lehet, és egyre inkább lesz is kivétel!
Járóképes elektromos autó alváz a Boschtól. Az akkumulátor védőkeretéhez csatlakoznak a futómű tartó nyúlványok, sőt az ütközési energiaelnyelő elemek egy része is.
A gond az, hogy van egy megfelelően merev autókarosszéria, és ennek aljára csavarozzák az akkumulátort a megerősített házával együtt. Már a legtöbb gyárban rájöttek, hogy ez nem túl észszerű megoldás, hiszen így dupla megerősítés és azzal járó nagyobb tömeg van az autó alatt. Még nem általános, de várhatóan egyre általánosabbá váló megoldásként az akkumulátort védő masszív házat belekalkulálják a karosszéria szilárdságába. Ez odáig terjedhet, hogy a futóművek sem a karosszériához, hanem az akkumulátorház megerősített keretéhez csatlakoznak. A még további lépés az, ha még az ütközéskor deformálódó zónákat is ehhez kötik be.
Erre már példa is akad, igaz nem autógyártól, hanem az egyik legnagyobb beszállítótól. A Bosch ez év elején mutatta be működés közben is azt az önjáró padlólemez, illetve alváz megoldását, ami tulajdonképpen egy autó karosszéria nélkül. Az akkumulátor masszív keretéhez csatlakoznak a futómű felfogatási pontjai, és láthatók rajta azok a nyúlványok elöl és hátul is, amelyek a megfelelő irányból érkező ütközések energiáját hivatottak felemészteni. Mivel hajtásláncot is tettek bele, ezért csak egy ülést, és a biztonság kedvéért egy bukókeretet kellett szerelni rá, és már lehetett is körbe-körbe autókázni a próbapályán. Az autógyárak közül máris többé-kevésbé ilyen építésmódot alkalmaz például a Tesla, a Ford (Mach-E) , a Mercedes (EQS) és a Hyundai konszern (Hyundai Ioniq 5, Kia EV6). Vélhetően a jövőben többen is használják majd, a Volvo például máris bejelentette, hogy előkészületben lévő elektromos autói így épülnek majd fel.
Több előnye is van a kívülről gerjesztett forgórészű szinkronmotornak. Jobban szabályozható a teljesítményleadása és a visszatáplálása, és nem kellenek hozzá drága ritka földfém mágnesek.
Motorfronton nem várható olyan áttörés, mint amilyen az akkumulátoroknál a szilárd elektrolitos akkumulátor lenne. Az állandó mágneses szinkronmotorokat továbbra is sokan alkalmazzák majd, ellenben az aszinkronmotorok felhasználása visszaszorulhat. Helyüket a reluktancia motoroknak adhatják át, amelyek még egyszerűbb felépítésűek, és ha nem hajtanak, hanem a kerekek forgatják őket, akkor még kevesebb áramot gerjesztenek, ezért alkalmasabbak összkerékhajtású elektromos járművek második tengelyének hajtására. Hátránya csupán annyi, hogy vezérlése összetettebb és ezért jelenleg még költségesebb elektronikát igényel.
Eltérően a legtöbb más megoldású elektromotortól, a gerjesztett forgórészű szinkronmotornak van kopó alkatrésze. A csúszógyűrű és a kefe élettartama azonben elérheti az 500 000 km-t.
A másik motorfajta, ami vélhetően széles körűbb felhasználásra talál majd, a kívülről gerjesztett, tekercselt forgórészű szinkronmotor. Legalábbis akik korábban e mellett tették le a voksukat, kitartanak mellette, mint például a BMW is. Előnye, hogy gyártásához nincs szükség drága ritkaföldfém, például neodímium mágnesekre. Az is mellette szól, hogy mivel a mágneses tér a gerjesztés révén szabályozható, ezért a motor teljesítmény- és nyomatékleadása, valamint visszatáplálása is jobban kézben tartható. Míg például az állandó mágneses szinkronmotorok a fordulatszám növekedésével kismértékben ejtik a teljesítményüket, ez a külső gerjesztésű szinkronmotoroknál nem történik meg. Ezek ellen a motorok ellen azt szokás felhozni, hogy a forgórész tekercseinek megtáplálásához csúszógyűrűkre és bronzkefékre van szükség (mint ma a 12 voltos generátoroknál), és azok kopnak. Iparági pletykák szerint azonban a kefék 400-500 ezer kilométert simán elfutnak az első cseréig. Ráadásul a művelet sem egy nagy mutatvány.
Az akkumulátorokhoz hasonlóan a motorok hűtésénél is áttérés várható a folyadékhűtésre. Ez nemcsak hatékonyabb a léghűtésnél, hanem lehetővé teszi azt is, hogy a motor hűtőkörét befoglalják az autó hőháztartásába. Így az integrált rendszernek nem csupán az akkumulátor, az utastér hűtése-fűtése, ezzel összeköttetésben a hőszivattyú, hanem a motor hűtőköre is lényeges része.
Jelenleg ennyi látszik abból, hogy a körülbelül 2030-ig milyen irányban fejlesztik tovább az elektromos járműveket. Az izgalmas persze az, hogy mindez nem zárja ki, hogy valamely gyártó nem ér el akár holnap valamilyen áttörést, ami alapjaiban forgatja fel a jelenleg megjósolható forgatókönyveket. Annyi pénz folyik az egyre jobban felpörgő kutatásba, hogy gyakorlatilag bármi megtörténhet.
