Problemy z zasilaniem opóźnią rynkowe debiuty pojazdów ekologicznych

Według Pike Research, liczba samochodów hybrydowych na drogach ulegnie niemal podwojeniu z obecnych 870 tys. sztuk do 1,5 mln w roku 2017, jednak wciąż będzie to zaledwie 1,6 proc. wszystkich samochodów na świecie. Z kolei rynek pojazdów z wbudowanym systemem start-stop, które w USA cieszą się niewielkim zainteresowaniem, nabierze większego rozpędu.

Te mikrohybrydy nie mają co prawda silnika elektrycznego, ale wykorzystują bardziej wydajny akumulator kwasowo-ołowiowy, rozrusznik oraz alternator do wyłączania silnika podczas postoju i włączania go ponownie w momencie wciśnięcia pedału gazu przez kierowcę. W tym roku Europejczycy kupią prawie 3 mln takich samochodów, a Pike Research przewiduje, że w roku 2020 na całym świecie zostanie sprzedanych 37 mln sztuk.

Mimo to udział samochodów z silnikiem spalinowym w światowym rynku będzie w roku 2017 wciąż wynosił niemal 90%. Według analityków z IHS Automotive, producenci tworzą wiele wersji samochodów alternatywnych, jednak pojazdy hybrydowe typu plug-in wydają się dobrym rozwiązaniem nawet w przypadku najbardziej restrykcyjnych wymogów w zakresie zużycia paliwa oraz emisji spalin.

Według przedstawicieli Forda, mnogość dostępnych wariantów pojazdów hybrydowych będzie skutkiem różnych potrzeb rynku oraz trudności z przewidzeniem przyszłego zapotrzebowania konsumentów. Pierwsze napędy firmy bazowały na standardowych silnikach spalinowych, które rozwinięto do postaci hybrydowych układów przeniesienia napędu oraz napędów hybrydowych typu plug-in.

Z kolei takie samochody, jak Chevy Volt, Nissan Leaf i Toyota Prius, zostały zaprojektowane całkowicie od podstaw, czego wynikiem jest ich większy koszt w stosunku do rozwiązań wykorzystujących istniejące platformy. Niebawem na rynek będą wprowadzane również kolejne wersje samochodów o napędzie całkowicie elektrycznym produkowane przez Codę i Teslę.

Według Pike Research, źródłem największych problemów samochodów alternatywnych jest akumulator, który zwiększa cenę samochodu o co najmniej 10 tys. dolarów. Koszt kilowatogodziny dla akumulatora wykonanego w najlepszej obecnie technologii litowo-jonowej wynosi 1 tys. dol. Celem jest obniżenie tego kosztu do 250 dol./kWh, co według IHS Automotive może potrwać do roku 2020 lub nawet dłużej.

Na rynku istnieją obecnie co najmniej cztery warianty akumulatorów litowo-jonowych oraz kilkadziesiąt opartych na innych technologiach. Zmiany w kwestii zasilania następują praktycznie każdego dnia, więc trudno przesądzić, która technologia okaże się zwycięzcą rywalizacji. Analitycy uważają, że nie należy przekreślać nawet akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Rola elektroniki

Relatywnie wolne i małe ładowarki o mocy 3,3 lub 6,6kW montowane na stałe w samochodach potrzebują wielu godzin do naładowania akumulatora. Większe ładowarki o mocy od 15 do 20kW na prąd stały są szybkie, ale mają wciąż zbyt duże gabaryty. Umieszczanie ich w samochodzie jest ryzykowne, dlatego są budowane jako moduły zewnętrzne umożliwiające ładowanie w przydomowym garażu.

Aby uniknąć przegrzania i pożaru, ładowanie i rozładowanie każdego ogniwa akumulatora litowo-jonowego musi być nadzorowane. Do tego celów wykorzystuje się układy scalone wraz z podzespołami mocy balansujące ładowanie i rozładowanie ogniw. Na rynku pojawiają się też sterowniki do akumulatorów niskiego napięcia stosowanych w samochodach mikrohybrydowych lub aplikacjach hamowania regeneracyjnego, w których moc wytwarzana przy hamowaniu zostaje wykorzystana do ładowania baterii lub superkondensatora.

Obecnie większość tego typu obwodów stosowanych w ładowarkach do napędów typu plug-in to komponenty przemysłowe, które zostały przystosowane do aplikacji motoryzacyjnych. Ponadto, napędy hybrydowe wymagają predriverów oraz obwodów sterujących do silników elektrycznych o mocy od 30 do 120kW. Freescale i Fuji Electric wspólnie pracują nad inwerterami, które będzie można integrować z modułami mechanicznymi oraz systemami chłodzenia.

Jak zapewnia Freescale, nowe komponenty mają przyczynić się do zwiększenia sprawności z obecnych 35% do ponad 90%. Ich wstępne implementacje wykorzystują dostępne komponenty przemysłowe, jednak w niedalekiej przyszłości pojawią się pierwsze układy scalone przeznaczone specjalnie do inwerterów oraz ładowarek samochodowych.

Według firmy Freescale, ogólna architektura elektryczna samochodu hybrydowego i elektrycznego jest całkowicie inna niż architektura wcześniejsza, co powoduje problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną w przypadku napięć 650V oraz prądów do 400A. Wymaga to nowych wysokonapięciowych interfejsów dla przetworników, inwerterów oraz sterowników monitorujących sygnały mocy. Niezbędne są również standardy dla ładowarek.

Ford od 3 lat pracuje nad normami SAE dotyczącymi przyłączy samochodów do stacji ładujących i niektóre z nich znajdują się obecnie w fazie implementacyjnej, jednak firma szacuje czas ukończenia prac na kolejne 3 do 5 lat. Równolegle własne badania prowadzi wiele innych grup standaryzacyjnych.

Na przykład ZigBee pracuje nad specyfikacją Smart Energy 2.0, która będzie obejmowała kwestie sterowania ładowaniem pojazdów hybrydowych typu plug-in, a inne opracowywane standardy będą dotyczyć szybkiego ładowania prądem stałym. Według przedstawicieli Forda, producenci samochodów dobrze opanowali kwestię sterowania pracą ładowarek na stałe zamontowanych w samochodzie, jednak w przypadku ładowania zewnętrznego kwestia jest bardziej skomplikowana.

Robocze wersje standardów dla szybkich ładowarek mają teraz zostać poddane wstępnym głosowaniom, jednak dopiero po pierwszych wdrożeniach znane będą szczegóły ich działania.

Grzegorz Michałowski