Czym jest silnik elektryczny stosowany w pojazdach
Silnik elektryczny to urządzenie przekształcające energię elektryczną na mechaniczną. W pojazdach drogowych używa się go jako napędu głównego lub pomocniczego w układach hybrydowych. W odróżnieniu od silnika spalinowego, silnik elektryczny nie ma układu zapłonowego, sprzęgła mechanicznego ani skrzyni biegów — moment obrotowy dostępny jest od pierwszego obrotu wału.
W samochodach elektrycznych najczęściej stosuje się dwa typy: silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM) oraz silniki indukcyjne (asynchroniczne, AC). Każdy z nich ma inne właściwości eksploatacyjne i obszar optymalnego zastosowania.
Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM)
Silnik PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) działa na zasadzie synchronicznego obrotu wirnika z polem magnetycznym stojana. Magnesy trwałe wbudowane w wirnik generują stałe pole magnetyczne, z którym synchronizuje się pole wytwarzane przez uzwojenia stojana zasilane prądem przemiennym.
Cecha charakterystyczna: Silniki PMSM osiągają wysoką sprawność energetyczną przy obciążeniach częściowych, co przekłada się na mniejsze zużycie energii w typowych warunkach jazdy miejskiej i podmiejskiej.
Tego typu silniki stosują m.in. pojazdy z grupy BMW (seria i), Hyundai i Kia w modelach z napędem e-GMP oraz Toyota w swoich hybrydach full hybrid od drugiej generacji Priusa. Silniki PMSM są wrażliwe na wysokie temperatury, ponieważ magnesy trwałe tracą właściwości magnetyczne po przekroczeniu temperatury Curie — stąd konieczność stosowania aktywnego chłodzenia w pojazdach sportowych i przy szybkim ładowaniu.
Silnik asynchroniczny (indukcyjny, AC)
Silnik asynchroniczny nie zawiera magnesów trwałych. Wirnik wytwarza pole magnetyczne na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Prąd indukowany w przewodnikach klatki wirnika wchodzi w interakcję z polem stojana i powoduje obrót. Prędkość wirnika jest zawsze nieco niższa od prędkości synchronicznej pola (stąd nazwa „asynchroniczny").
Tesla stosowała silniki asynchroniczne w modelach Roadster i pierwszej generacji Modelu S. Ich zaletą jest prostota budowy, odporność na przegrzanie i brak kosztownych magnesów ziem rzadkich. Wadą jest nieco niższa sprawność przy niskich obciążeniach w porównaniu z PMSM.
Parametry techniczne istotne przy ocenie silnika EV
| Parametr | Opis |
|---|---|
| Moc szczytowa (kW) | Maksymalna chwilowa moc oddawana przez silnik. Decyduje o dynamice przyspieszenia. |
| Moc ciągła (kW) | Moc utrzymywana przez dłuższy czas bez przegrzania silnika. Istotna przy jeździe autostradowej. |
| Maksymalny moment obrotowy (Nm) | Dostępny od 0 obr/min. Determinuje zdolność pokonywania wzniesień i holowania przyczep. |
| Sprawność (η) | Stosunek mocy mechanicznej do pobranej mocy elektrycznej. Dla PMSM wynosi typowo 93–97%. |
| Prędkość maksymalna (obr/min) | Nowoczesne silniki EV osiągają do 20 000 obr/min, co umożliwia uproszczenie przekładni. |
Układy jednobiegowe i reduktory
Większość samochodów elektrycznych nie posiada klasycznej skrzyni biegów. Stosuje się stały reduktor przekładni o przełożeniu dostosowanym do zakresu prędkości jazdy. Pozwala to na znaczne uproszczenie mechaniczne układu napędowego i zmniejszenie liczby części ruchomych — a tym samym obniżenie kosztów serwisowych.
Niektóre pojazdy, jak Porsche Taycan, stosują dwubiegową skrzynię automatyczną. Dzięki temu silnik pracuje w optymalnym zakresie obrotów zarówno przy ruszaniu, jak i przy wysokich prędkościach autostradowych.
Silniki elektryczne w transporcie ciężkim
Pojazdy ciężarowe i autobusy elektryczne używają silników o mocach od kilkudziesięciu do ponad 300 kW. Polskie miasto Kraków eksploatuje autobusy Solaris Urbino Electric z silnikami asynchronicznymi o mocy 160 kW każdy. Podobne rozwiązania stosuje Gdańsk, Wrocław i Warszawa.
Rekuperacja energii hamowania
Silnik elektryczny może pracować jako generator przy zwalnianiu. Energia kinetyczna pojazdu jest wówczas zamieniana na elektryczną i zwracana do akumulatora. Układ ten, zwany rekuperacją, pozwala na odzysk energii, która w samochodzie spalinowym jest bezpowrotnie tracona jako ciepło w hamulcach.
Stopień rekuperacji zależy od stylu jazdy, temperatury akumulatora i stanu naładowania. W pojeździe elektrycznym prowadzonym w trybie „one pedal driving" kierowca może sterować prędkością wyłącznie pedałem przyspieszenia — hamowanie jest realizowane przez silnik pracujący w trybie generatora.