Jak wygląda silnik elektryczny w samochodzie? Budowa od środka

Silnik elektryczny w samochodzie to nie jest żadna czarna magia ani kosmiczna technologia to zaskakująco prosty mechanizm, w którym energia z akumulatora zamienia się w ruch obrotowy kół przez pole magnetyczne. Wygląda zupełnie inaczej niż jednostka spalinowa, zajmuje znacznie mniej miejsca, waży trzykrotnie mniej, a do tego potrafi generować maksymalny moment obrotowy już od pierwszego obrotu. Wielu kierowców słyszało o tym ogólnikowo, ale gdy ktoś prosi o szczegóły, okazuje się, że wiedza nagle się rozmywa. Ten artykuł pokaże to precyzyjnie, warstwa po warstwie.

• Z czego składa się napęd elektryczny
• Rodzaje silników elektrycznych w autach
• Silnik elektryczny a spalinowy co się różni
• Silnik EV w praktyce liczby i fakty
• Mity, które wciąż krążą wokół EV

Z czego składa się napęd elektryczny

Cały układ napędowy samochodu elektrycznego opiera się na współpracy kilku modułów, z których każdy pełni ściśle określoną funkcję. Akumulator trakcyjny magazynuje energię w ogniwach litowo-jonowych, najczęściej o łącznej pojemności od 40 do 100 kWh. Pojedyncze ogniwo wytwarza napięcie około 3,7 V, dlatego tysiące ogniw łączonych szeregowo tworzy pakiet o napięciu roboczym rzędu 400 V (w tańszych konstrukcjach) lub 800 V (w nowszych platformach).

Energia z akumulatora płynie do falownika, który zamienia prąd stały na trójfazowy prąd przemienny o częstotliwości dopasowanej do aktualnych obrotów silnika. To właśnie ten element decyduje, jak płynnie auto przyspiesza i jak efektywnie odzyskuje energię przy hamowaniu. Bez falownika silnik nie dostałby prądu w odpowiedniej formie, a akumulator nie mógłby go odzyskać podczas zwalniania.

Ładowarka pokładowa pełni funkcję tłumacza między gniazdkiem a akumulatorem. Przy ładowaniu z domowego gniazdka lub wallboxa prąd przemienny z sieci zostaje przekształcony w prąd stały i skierowany do pakietu. Moc takiej ładowarki waha się od 7 kW (faza jednofazowa) do 22 kW (trzy fazy). Szybkie ładowarki DC omijają pokładową ładowarkę i zasilają akumulator bezpośrednio mocą nawet 350 kW, o ile auto obsługuje taki standard.

BMS, czyli Battery Management System, to układ scalony z własnym procesorem, który nieustannie monitoruje napięcie każdego ogniwa, jego temperaturę oraz stopień naładowania. Dzięki temu zapobiega przeładowaniu, nadmiernemu rozładowaniu oraz przegrzaniu. To właśnie BMS decyduje, czy w danym momencie możesz wyciągnąć pełną moc, czy BMS ją ograniczy, by chronić ogniwa.

Pompa ciepła to rozwiązanie, które rozwiązuje największą bolączkę aut elektrycznych w polskim klimacie. Zamiast zużywać drogą energię z akumulatora na ogrzewanie kabiny, pompa ciepła pobiera ciepło z zewnętrznego powietrza, z silnika i z elektroniki, a następnie spręża je i oddaje do wnętrza. Sprawność tego procesu sięga 300%, co oznacza, że z 1 kWh prądu potrafi wytworzyć 3 kWh ciepła.

Rodzaje silników elektrycznych w autach

Najpopularniejszy typ to silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM). Wirnik zawiera magnesy wykonane z neodymu, dysprozu i terbu, które wytwarzają stałe pole magnetyczne. Stojan, czyli nieruchoma część, generuje wirujące pole elektromagnetyczne, które ciągnie wirnik za sobą. Sprawność tego rozwiązania sięga 95%, a moc jest wysoka przy małych rozmiarach.

Silnik synchroniczny z uzwojeniem (EESM) działa podobnie, ale zamiast magnesów trwałych ma elektromagnesy zasilane prądem przez pierścienie ślizgowe lub bezprzewodowo. To rozwiązanie stosowane przez jednego z europejskich producentów w modelu Mégane E-Tech. Zaletą jest brak metali ziem rzadkich, co obniża koszt i zwiększa niezależność od dostawców z Chin. Sprawność waha się od 89 do 91%, co wciąż świetnie wypada na tle silników spalinowych, gdzie maksymalna sprawność nie przekracza 40%.

Silnik asynchroniczny, nazywany też indukcyjnym, jest najprostszy konstrukcyjnie. Wirnik nie ma ani magnesów, ani uzwojeń, składa się z aluminiowych prętów zwartych na końcach. Pole magnetyczne stojana indukuje w nim prąd, a powstała siła wprawia go w ruch. Prostota oznacza tanią produkcję i wytrzymałość, ale też wyższą masę i nieco niższą sprawność przy niskich obrotach. Tesla stosowała ten typ w Modelu S, zanim przeszła na PMSM.

Silnik reluktancyjny to najnowsza propozycja w motoryzacji. Działa na zasadzie dążenia wirnika do pozycji, w której opór magnetyczny jest najmniejszy. Stojan wytwarza wirujące pole, a wirnik wykonany z miękkiej stali obraca się, by „ustawić się" zgodnie z polem. Brak magnesów i uzwojeń na wirniku oznacza niski koszt i łatwość recyklingu. Producenci tacy jak Renault czy BMW inwestują w tę technologię, bo może zdominować rynek w drugiej połowie dekady.

Silnik elektryczny a spalinowy co się różni

Silnik spalinowy to perpetuum mobile wśród mechaniki: ponad 2000 ruchomych części, w tym tłoki, wał korbowy, zawory, wałek rozrządu, turbosprężarka, wtryskiwacze. Silnik elektryczny ma ich mniej niż 20. Ta kolosalna różnica przekłada się na niezawodność i koszt serwisu. Tam, gdzie spalinowy wymaga wymiany oleju co 15 000 km, filtrów, świec, pasków i uszczelek, elektryczny potrzebuje jedynie kontroli hamulców, płynu chłodniczego i oprogramowania.

Sprawność to drugi przewrót. Silnik benzynowy zamienia zaledwie 30 do 40% energii z paliwa na ruch, reszta ucieka jako ciepło. Silnik elektryczny osiąga 90 do 95% sprawności, a cały układ napędowy (od gniazdka do koła) przesyła energię z wydajnością około 77%. Dla kierowcy oznacza to po prostu niższy koszt przejechania 100 km. Przy cenach prądu w taryfie G11 wynoszących około 0,62 zł/kWh, koszt 100 km w aucie zużywającym 17 kWh/100 km to około 10,50 zł. Porównywalny spalinowy hatchback spala 6 l/100 km benzyny po 6,30 zł/l, co daje 37,80 zł.

Moment obrotowy w silniku spalinowym narasta wraz z obrotami i osiąga maksimum gdzieś między 1500 a 4500 obr./min, w zależności od konstrukcji. W silniku elektrycznym maksymalny moment dostępny jest od pierwszego obrotu. Dlatego elektryczne auto potrafi „wcisnąć" w fotel przy ruszaniu, a spalinowe potrzebuje chwili, by turbosprężarka się rozkręciła. Przyspieszenie 0 do 100 km/h w aucie elektrycznym o mocy 220 KM trwa około 7,4 s, a w 1020-konnym Modelu S Plaid poniżej 2,1 s.

Silnik EV w praktyce liczby i fakty

Zasięg to pierwsza rzecz, o którą pytają kupujący. Według normy WLTP akumulator o pojemności 60 kWh w aucie takim jak Mégane E-Tech pozwala przejechać do 450 km na jednym ładowaniu. W warunkach zimowych przy temperaturze -10°C i włączonej pompie ciepła zasięg spada o 15 do 25%, czyli realnie do około 340-380 km. Latem, przy prędkości 120 km/h na autostradzie, trzeba liczyć się ze spadkiem o 10-15% względem katalogu.

Moc ładowania zależy od stacji i od auta. Ładowarka pokładowa AC obsługuje najczęściej 7 kW (faza jednofazowa, ładowanie z wallboxa przez noc) lub 11 kW (trzy fazy, pełne naładowanie w 6 godzin). Szybka ładowarka DC o mocy 130 kW uzupełni 80% akumulatora w 30 minut. Nowe stacje 350 kW potrafią naładować auto z 10 do 80% w 18 minut, o ile akumulator i system chłodzenia na to pozwalają.

Holowanie przyczepy jest możliwe, ale wpływa drastycznie na zasięg. Dopuszczalna masa holowanej przyczepy z hamulcem wynosi 900 kg, bez hamulca 750 kg. Podczas holowania zużycie energii rośnie dwukrotnie, w górzystym terenie nawet trzykrotnie. Bagażnik dachowy obniża zasięg o 5-10% przez pogorszony współczynnik aerodynamiczny. Ładowność dachu to 80 kg.

Mity, które wciąż krążą wokół EV

„Silnik elektryczny nie ma mocy" to najczęściej powtarzane kłamstwo. Tesla Model S Plaid generuje 1020 KM i przyspiesza do setki w 2,1 s. Standardowy Nissan Leaf ma 150 KM, co wystarcza do normalnej jazdy. Każde auto elektryczne ma wystarczającą moc do codziennych podróży i do wyprzedzania na autostradzie.

„Akumulator wystarczy na 5 lat" to kolejny mit. Producenci oferują gwarancję na 8 lat lub 160 000 km, podczas której akumulator nie może stracić więcej niż 30% pojemności. Realna degradacja wynosi 2-3% rocznie w pierwszych latach, potem spowalnia. Po 10 latach akumulator wciąż ma 70-80% pierwotnej pojemności. Recykling zużytych pakietów to osobny temat, ale fabryki takie jak Refactory w północnej Francji odzyskują ponad 90% materiałów.

„Ładowanie trwa wiecznie" nie wytrzymuje konfrontacji z liczbami. Ładowarka domowa 7 kW uzupełnia 300 km zasięgu w 8 godzin, czyli przez noc. Szybka ładowarka DC 130 kW daje 80% w 30 minut, a 350 kW potrafi to samo w 18 minut. Przy planowaniu trasy wystarczy 20-minutowa przerwa na kawę i auto znów jest gotowe do drogi.

„W zimie elektryk nie jedzie" to przesada, ale ziarno prawdy w tym jest. Bez pompy ciepła ogrzewanie kabiny zużywa 4-6 kW mocy, co w aucie z akumulatorem 60 kWh oznacza skrócenie zasięgu o 10-15%. Pompa ciepła obniża to zużycie do 1-2 kW, bo pobiera ciepło z otoczenia zamiast je wytwarzać z prądu. W autach bez pompy ciepła kierowcy widzą spadek zasięgu nawet o 30% przy mrozie -20°C.

Przyszłość napędów elektrycznych

Platforma CMF-EV to wspólna baza koncernu, na której powstaje coraz więcej modeli. Zaprojektowana od podstaw dla aut elektrycznych, pozwala umieścić akumulator płasko pod podłogą, co obniża środek ciężkości i zwiększa przestrzeń w kabinie. Nowe generacje silników rezygnują z metali ziem rzadkich, co zmniejsza zależność od Chin i obniża koszty produkcji.

Range extender to pomysł na kompromis. Silnik elektryczny napędza koła, a mały silnik spalinowy pełni rolę generatora i doładowuje akumulator w trasie. Takie rozwiązanie stosuje BMW i3 REx czy NIO ES6. Zasięg wzrasta do 700-900 km, a kierowca nie musi szukać stacji ładowania na trasie.

Recykling akumulatorów staje się osobnym przemysłem. Zużyte pakiety z aut trafiają do magazynów energii, gdzie obsługują farmy fotowoltaiczne i wiatrowe. Po 10 latach w aucie akumulator ma jeszcze 70-80% pojemności, co wystarcza do buforowania energii przez kolejne 15 lat. Dopiero potem ogniwa trafiają do hut, gdzie odzyskuje się lit, kobalt, nikiel i miedź.

Ładowanie indukcyjne, czyli bezprzewodowe, zaczyna wchodzić do użytku. Płytka w podłodze garażu ładuje auto mocą 7-11 kW, gdy nad nią zaparkujesz. W Norwegii i Szwecji działają już pilotażowe odcinki dróg publicznych z ładowaniem indukcyjnym dla autobusów i ciężarówek. W domu kierowca nie musi pamiętać o podłączeniu kabla.

Czy silnik EV jest dla Ciebie? Szybka checklista

• Mieszkasz w domu z garażem lub masz dostęp do wallboxa?
• Jeździsz głównie po mieście i okolicach, do 200 km dziennie?
• Masz możliwość ładowania w pracy lub w pobliżu?
• Nie planujesz regularnych podróży na 800+ km bez przerwy?
• Chcesz obniżyć koszty eksploatacji o 60-70%?
• Cenisz cichą pracę napędu i brak wibracji?
• Nie potrzebujesz holować przyczepy powyżej 900 kg?
• Akceptujesz spadek zasięgu o 20% zimą?
• Planujesz eksploatację auta przez co najmniej 5 lat?
• Masz dostęp do szybkiej ładowarki DC w promieniu 50 km?

Pięć lub więcej odpowiedzi „tak" sugeruje, że napęd elektryczny sprawdzi się w Twoim przypadku. Mniej niż trzy oznaczają, że warto poczekać na dalszy rozwój infrastruktury lub rozważyć hybrydę plug-in jako rozwiązanie pośrednie.

Mini-glosariusz

Stojan nieruchoma część silnika, w której uzwojenia wytwarzają wirujące pole magnetyczne.

Wirnik część obrotowa, która podąża za polem stojana.

BMS Battery Management System, układ nadzorujący pracę ogniw akumulatora.

CCS Combined Charging System, standard szybkiego ładowania DC w Europie.

WLTP Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Procedure, procedura pomiaru zasięgu i emisji.

EESM Electrically Excited Synchronous Machine, silnik synchroniczny z uzwojeniem wzbudzanym prądem.

Dane liczbowe i specyfikacje techniczne pochodzą z normy WLTP, raportów Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA), Europejskiego Stowarzyszenia Producentów Pojazdów (ACEA) oraz materiałów technicznych udostępnianych przez producentów samochodów elektrycznych (Renault, Tesla, BMW, NIO). Strony źródłowe: iea.org, acea.be, wltpfacts.eu.