Σίγουρα όλοι πλέον γνωρίζουμε ότι τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα μπορούν να υιοθετηθούν μαζικά στην χρήση τους βλέποντας μάλιστα και μακροπρόθεσμα ότι οι υποδομές θα υπάρχουν και τα αυτοκίνητα αυτά θα έχουν εξελιχθεί ακόμη περισσότερο. Ως εκ τούτου διερευνούμε την εξέλιξη και το μέλλον των ηλεκτροκινητήρων και των μπαταριών που τα εφοδιάζουν
Του Νεκτάριου Διατσίδη
Ανατρέχοντας λίγο πίσω στα αυτοκίνητα με κινητήρα εσωτερικής καύσης και συγκεκριμένα σε αυτά όπου το ηλεκτρικό τους σύστημα διέθετε τη λειτουργία Start – Stop κυρίως για το σταμάτημα και ξεκίνημα του ίδιου του κινητήρα σε κάποιο φανάρι, ήταν μια τεχνολογία πριν περάσουμε στην εποχή της ηλεκτροκίνησης. Αυτή αποτελούσε το τέλος μιας σειράς μέχρι τότε ηλεκτρικών μοτέρ και μπαταριών, τα οποία δεν έχουν καμία σχέση πλέον συγκριτικά με τη σημερινή, αλλά και με ό,τι ετοιμάζεται για το μέλλον, σε υβριδικά και αμιγώς ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Σε αυτά λοιπόν τα παλαιού τύπου ηλεκτρικά μοτέρ και στις μπαταρίες, υπάρχουν αρκετές απώλειες και βάρος καθιστώντας αδύνατο να κατασκευαστούν αμιγώς ηλεκτρικά ή και υβριδικά αυτοκίνητα με τα δεδομένα εκείνης της τεχνολογίας.
Το ηλεκτρικό μοτέρ αυτού του παλαιού τύπου, που πλέον σήμερα χρησιμοποιείται σε απλές κατασκευές χαμηλού κόστους όπως μικρά ηλεκτρικά οχήματα χωρίς ανάκτηση κινητικής ενέργειας, δεν μπορούσε να λειτουργήσει αποδοτικά και ως μοτέρ και ως γεννήτρια καθώς έπρεπε η κατασκευή του να διαφέρει για την κάθε χρήση και έτσι μόνο για την εκκίνηση του κινητήρα υπήρχε η μίζα που είναι ένας μικρός ηλεκτροκινητήρας ενώ για την φόρτιση της μπαταρίας υπήρχε το δυναμό που είναι μία ηλεκτρογεννήτρια. Η λειτουργία του ηλεκτρικού μοτέρ ήταν να τροφοδοτείται με συνεχόμενο ρεύμα απευθείας στον περιστρεφόμενο άξονα μέσω του συλλέκτη και των δύο ψηκτρών ή αλλιώς «καρβουνάκια» και ο περιστρεφόμενος άξονας ή ρότορας είχε τις περιελίξεις των καλωδίων ώστε να δημιουργείται το κατάλληλο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με εναλλαγή της φοράς διέλευσης του ρεύματος από κάθε περιέλιξη λόγω της περιστροφής του άξονα με τις ψήκτρες. Στη γεννήτρια, η λειτουργία ήταν παρόμοια με τη διαφορά ότι το ρεύμα που παραγόταν και περνούσε από τις ψήκτρες μπορούσε να είναι είτε συνεχές, είτε εναλλασσόμενο, οπότε ένας ανορθωτής το μετέτρεπε σε συνεχές για να φορτίζεται η μπαταρία ή να τροφοδοτούνται με ρεύμα τα ηλεκτρικά συστήματα του αυτοκινήτου.
ΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΜΟΤΕΡ
Στα σύγχρονα ηλεκτρικά μοτέρ η λειτουργία τους και ως γεννήτριες είναι πλήρως εφικτή, ενώ απουσιάζουν εντελώς οι ψήκτρες που είχαν μεγάλες απώλειες και φθορές. Ο ρότορας είναι πλέον ένας άξονας με ενσωματωμένους μαγνήτες χωρίς περιελίξεις, συλλέκτη και ψήκτρες, ενώ όλες οι περιελίξεις βρίσκονται στο σταθερό περίβλημα. Τα σύγχρονα ηλεκτρικά μοτέρ εξελίσσονται εδώ και μία δεκαετία ως προς τη διάταξη των περιελίξεων με αρκετούς διαφορετικούς τρόπους, ενώ και η διάταξη των σταθερών μαγνητών καθώς και τα υλικά κατασκευής έχουν συνεχή βελτίωση και ενναλακτικές επιλογές υλικών. Η ανάλυση όλων των τύπων και των διαφορών είναι μία πολύ εξιδεικευμένη γνώση η οποία έχει να κάνει με τη βελτιστοποίηση των γραμμών των μαγνητικών πεδίων που σχηματίζονται, οπότε ουσιαστικά αυτό που εμείς μπορούμε να γνωρίζουμε είναι ότι στις περιελίξεις το ρεύμα έχει εναλλασσόμενο τρόπο διέλευσης και έχει έναν ιδιαίτερο τρόπο να ακολουθεί την περιστροφή του ρότορα συντονισμένα ή με έναν όχι τόσο συντονισμένο τρόπο, όπως συμβαίνει στα ασύγχρονα επαγωγικά μοτέρ όπου υπάρχει καθυστέρηση του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου, καθιστώντας αυτά τα μοτέρ λίγο πιο φθηνά στην κατασκευή, με χαμηλότερη ροπή στρέψης στις χαμηλές στροφές αλλά με υψηλή ισχύ στις υψηλές. Η διαχείριση του ρεύματος συντονίζεται από μία κεντρική μονάδα ελέγχου του ρεύματος σε συνδυασμό με τις μπαταρίες.
Τα αποτελέσματα όλων των παραπάνω αλλαγών είναι να έχουμε πολύ μικρά και ελαφρά μοτέρ με πολύ υψηλές αποδόσεις και ελάχιστες απώλειες, δίνοντας τη δυνατότητα της πολύ μικρής κατανάλωσης ρεύματος αλλά και πλήρους ανάκτησης κινητικής ενέργειας στην επιβράδυνση ή στο κατέβασμα μίας κατηφόρας. Όλη η εξέλιξη στα ηλεκτρικά μοτέρ σε συνδυασμό με την εξέλιξη των μπαταριών, έφερε την επανάσταση στις επιδόσεις των αυτοκινήτων, είτε με πλήρη χρήση αυτών στα αμιγώς ηλεκτρικά, είτε στα σπορ υβριδικά, μιας και αυτή η τεχνολογία προέρχεται από τον χώρο της Formula 1.
ΟΙ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ
Η τεχνολογική εξέλιξη των μπαταριών έφερε μια νέα εποχή τα τελευταία χρόνια κυρίως στον τομέα της αυτονομίας και αυτή είναι και η πιο σημαντική παράμετρος πλέον που αποτελεί καθοριστικό ρόλο στο να χρησιμοποιούμε τα αμιγώς ηλεκτρικά αυτοκίνητα πέρα από σύντομες μετακινήσεις και σε μακρινές αποστάσεις χωρίς να μένουν από ρεύμα. Οι μπαταρίες που εξελίσσονται τα τελευταία χρόνια και που θα εξελιχθούν ακόμη περισσότερο τα επόμενα είναι κυρίως μπαταρίες λιθίου – ιόντων (LI-on) οι οποίες μετά από συνεχή έρευνα και εξέλιξη, έχουν φτάσει στο σημείο να είναι πολύ αποδοτικές, να έχουν μεγάλη αυτονομία με μικρό σχετικά βάρος, γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση, μεγάλη διάρκεια ζωής και μεγάλο αριθμό κύκλο φορτίσεων. Μία πολύ σημαντική λειτουργία των μπαταριών είναι η δυνατότητα εναλλαγής από εκφόρτιση σε φόρτιση, όταν κατά την οδήγηση χρειάζεται να γίνει αυτή η εναλλαγή από έντονη επιτάχυνση σε επιβράδυνση του αυτοκινήτου ώστε να γίνει ανάκτηση κινητικής ενέργειας και να ανταπεξέλθουν άμεσα, χωρίς να μειώνεται η διάρκεια ζωής τους, από αυτές τις εναλλαγές.
Αν και τα μέχρι στιγμής δεδομένα από τις μπαταρίες δείχνουν μία συνεχή βελτίωση σε όλους τους τομείς, υπάρχουν ακόμα δύο νέες τεχνολογίες που εξελίσσονται, οι μπαταρίες ξηρού τύπου (Solid – state) και οι υπερπυκνωτές (Supercapacitors) που υπόσχονται πολλά πλεονεκτήματα. Οι μπαταρίες ξηρού τύπου μοιάζουν με τις λιθίου – ιόντων έχοντας όμως ανάμεσα στα ηλεκτρόδια στερεό ηλεκτρολύτη.
Χαρακτηριστικά τους θα είναι η μεγαλύτερη ισχύς και χωρητικότητα, μικρότερος όγκος και βάρος, αντοχή σε καταπονήσεις και κραδασμούς, περισσότερη ασφάλεια σε συγκρούσεις, ενώ η λειτουργία τους θα έχει λιγότερες θερμικές απώλειες. Οι υπερπυκνωτές είναι πυκνωτές όπου ανάμεσα στους οπλισμούς τους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό το οποίο ανεβάζει κατά πολύ τη χωρητικότητά τους. Με βάση τους υπερπυκνωτές έχουν κατασκευαστεί ήδη πολύ ισχυρές μπαταρίες μετά από την εξέλιξη που έγινε από το ΜΙΤ και την Lamborghini και έχουν εφαρμοστεί στο μοντέλο Sian επιβεβαιώνοντας τα προτερήματα που είναι η ακόμα μεγαλύτερη ισχύς, ο μικρός όγκος και το βάρος, η δυνατότητα πολύ γρήγορης φόρτισης και εκφόρτισης, η μεγάλη αντοχή σε αυτές τις εναλλαγές και η αντοχή σε καταπονήσεις και κρούσεις. Το μειονέκτημά τους είναι η απώλεια του ρεύματος μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα, όμως υπάρχει συνεχής εξέλιξη και ως προς αυτό το φαινόμενο που γενικά οι μπαταρίες έχουν.
Η χρήση των μπαταριών στην αυτοκίνηση κυρίως στα αμιγώς ηλεκτρικά αυτοκίνητα, έχει ήδη υιοθετηθεί στον τρόπο των μετακινήσεών μας και τα μέχρι πρότινος προβλήματα μικρής αυτονομίας φαίνεται να ξεπερνιούνται στο άμεσο μέλλον. Προς το παρόν μία λύση για την καλύτερη διαχείριση της αυτονομίας στα σημερινά μοντέλα είναι να γνωρίζουμε ότι η ελάχιστη δυνατή κατανάλωση ρεύματος από τους ηλεκτροκινητήρες, επειδή δεν έχουν απώλειες και τριβές, είναι ακριβώς αναλογική με την αύξηση στη μέγιστη κατανάλωση και τη μέγιστη ισχύ τους.
Συγκρίνοντας την ελάχιστη κατανάλωση καυσίμου στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, επειδή μεγάλο μέρος οφείλεται σε απώλειες του κινητήρα και αυτές παραμένουν σχεδόν σταθερές και στην μέγιστη ισχύ τους, προκύπτει η διαφορά της μέγιστης κατανάλωσης να μην είναι ακριβώς αναλογική. Αυτή η διαφορά στην κατανάλωση λίγου ρεύματος στα αμιγώς ηλεκτρικά σε χαμηλό φορτίο και πολύ σε υψηλό, σε συνδυασμό με το μεγάλο βάρος των μπαταριών τους, ανεβάζει σημαντικά την κατανάλωση όταν οδηγηθούν με έντονες επιταχύνσεις. Αν και υπάρχει η ανάκτηση κινητικής ενέργειας κατά την επιβράδυνση, αυτή δεν αρκεί να δώσει πίσω ότι δόθηκε στην επιτάχυνση, ενώ το πιο σημαντικό που πρέπει να γνωρίζουμε είναι ότι αν αφήσουμε το αυτοκίνητο να επιβραδύνει πολύ ελαφριά, τότε οι αεροδυναμικές αντιστάσεις, οι τριβές στα ελαστικά και λίγες τριβές στο σύστημα μετάδοσης είναι αυτοί οι παράγοντες που θα το επιβραδύνουν και όχι το ηλεκτρικό μοτέρ που για να δουλέψει ως γεννήτρια πρέπει να ζητηθεί περισσότερη επιβράδυνση από τον οδηγό. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει μεγαλύτερο όφελος από την πολύ ήπια επιβράδυνση και δεν χρειάζεται να αφήσουμε την αδράνεια του αυτοκινήτου να υπερνικήσει τις αντιστάσεις αφήνοντάς το να διανύσει πολλά μέτρα χωρίς ουσιαστικά παροχή ενέργειας.
Εάν η επιβράδυνση γίνεται πολύ έντονα τότε το παραγόμενο ρεύμα έχει όριο τη μέγιστη δυνατότητα παροχής ρεύματος από τον ηλεκτροκινητήρα – γεννήτρια, οπότε παρεμβαίνουν τα φρένα του αυτοκινήτου μειώνοντας έτσι τη δυνατότητα ανάκτησης κινητικής ενέργειας αλλά και τη διάρκειά της.
Είναι μεγάλες οι προσδοκίες που έχουμε από τα μελλοντικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα και μάλιστα οι βελτιώσεις ωφελούν πολύ και τα υβριδικά, καθώς έχουν λίγο καλύτερη ανάκτηση κινητικής ενέργειας, μιας και διαθέτουν συνήθως μεγάλα σχετικά ηλεκτρικά μοτέρ ως προς το μέγεθος των μπαταριών τους.
Στα αμιγώς ηλεκτρικά η ανάκτηση έχει περισσότερη ισχύ αν έχουν πολύ δυνατούς ηλεκτροκινητήρες – γεννήτριες όπως όταν πρόκειται για σπορ και υπεραυτοκίνητα με παραπάνω από ένα μοτέρ. Το ζητούμενο είναι τα αμιγώς ηλεκτρικά να βελτιωθούν λίγο ακόμα, να βελτιωθούν και οι υποδομές, έτσι ώστε να μην φοβίζει η αυτονομία τους και να μην αποτελεί μόνο η οικονομική οδήγηση τον τρόπο χειρισμού τους, καθώς χρειάζεται για την ενεργητική ασφάλεια να κινούμαστε στις ανάλογες συνθήκες των δρόμων και της κυκλοφορίας τους.
Με τη μέχρι στιγμής πρόοδο και το κόστος να δικαιολογείται μετά από τόση έρευνα και εξέλιξη, μένει να δούμε αν με λίγο ακόμη αυξημένο κόστος, τα ηλεκτρικά μοτέρ και οι μπαταρίες θα φτάσουν να καλύψουν όλα όσα υπόσχονται οι αυτοκινητοβιομηχανίες που πυρετωδώς κάνουν αυτή τη μεγάλη έρευνα και εξέλιξη, ενώ ένα μικρό μερίδιο υβριδικών με κινητήρες εσωτερικής καύσης συνθετικών καυσίμων ή υδρογόνου, φαίνεται να έχει θέση και αυτό στο μέλλον καθώς θα είναι κατηγορίας (Plug – in) με την μπαταρία κυρίως να το κινεί, έχοντας μεγάλη επίσης αυτονομία. Αναμένουμε τις εξελίξεις στα ηλεκτρικά μοτέρ και στις μπαταρίες με αρκετό ενδιαφέρον, μιας και αυτές είναι ραγδαίες.
