Samochody elektryczne - optymalna konstrukcja
Zanim wskażemy, gdzie tkwi tajemnica wyższych kosztów eksploatacji, niż podaje producent, warto wspomnieć o budowie samochodu elektrycznego. Każdy producent przykłada bowiem wielką uwagę nad dwoma czynnikami: aerodynamiką i minimalizacją oporów toczenia.
Prześledźmy te opracowania na podstawie Volkswagen ID4.
Aerodynamika
Współczynnik cx wynosi w tym modelu tylko 0,28. Decydującym czynnikiem przy uzyskaniu tej wartości, okazał się tu opływowy kształt nadwozia z kabiną mocno przesuniętą do tyłu i minimalizacja oporu przepływu strugi pod samochodem. Dodatkowo, regulowana elektrycznie żaluzja z przodu nadwozia otwiera się tylko wtedy, gdy znajdujące się za nią urządzenia potrzebują chłodzenia powietrzem.
Z boku, zewnętrzne klamki tworzą z drzwiami równą powierzchnię, a obręcze kół mają płaski wzór.
Z tyłu, idealne poprowadzenie strugi opływającej karoserię, wymagało prac nad spojlerem na krawędzi dachu, kształtem tylnych lamp oraz dyfuzorem kierującym strugą u dołu nadwozia.
Efektywność ruchu
System zarządzania odzyskiwaniem energii w VW ID.4 został zaś skonstruowany pod kątem maksymalnej efektywności i działa w dwóch trybach. W trybie D podczas toczenia się, samochód przechodzi w tzw. żeglowanie. Gdy kierowca wciśnie pedał hamulca, rozpoczyna się rekuperacja i elektryczny silnik przekazuje energię elektryczną z powrotem do akumulatora. Gdy opóźnienie wynosi do 0,25g auto hamuje silnikiem – tak dzieje się w większości codziennych sytuacji. Dopiero powyżej tego opóźnienia niemal niezauważalnie aktywowane są hydrauliczne hamulce przy kołach.
System Eco Assistent (seryjny), weryfikujący dane systemu nawigacyjnego oraz znaki drogowe, ułatwia kierowcy jazdę informując go przed znakiem ograniczenia prędkości, tablicą oznaczającą teren zabudowany albo przed skrzyżowaniem, że powinien zdjąć nogę z pedału przyspieszenia. Gdy kierowca to zrobi, system sam dobierze odpowiednią prędkość i optymalny moment do rozpoczęcia rekuperacji.
W trybie B rekuperacja następuje podczas każdego zwolnienia pedału przyspieszenia.
Wynika stąd, że producenci bardzo dokładnie przygotowali się do konstrukcji aut elektrycznych. Co więcej, jeżdżąc wielokrotnie różnymi samochodami elektrycznymi komputer pokładowy zawsze pokazywał wskazania bliskie danym katalogowym wg WLTP. Zatem skąd straty? Co ukrywają producenci?
Kto zawinił?
Okazuje się, że nie są winni producenci. Straty powstają bowiem w czasie ładowania baterii. Gdy podłączymy samochód do ładowarki w domu, to okaże się, że doładowanie baterii trakcyjnej o 20 kWh jest równoznaczne z poborem prądu 24 kWh (wg odczytu z miernika poboru prądu, wg którego płacimy rachunki).
Problemem tym zajęli się inżynierowie z ADAC. Wykonali oni test na czterech samochodach elektrycznych; Renault Zoe, Volkswagen ID3, Tesla 3 i Fiat 500. Dobór tych modeli był efektem ich popularności na rynku i przekrojowym wskazaniem różnych segmentów aut.
Zasady testu
Istnieje kilka sposobów ładowania samochodu elektrycznego w domu. Każdy z innym czasem naładowania baterii i innymi stratami. Możemy ładować korzystając z gniazdka sieciowego 230V, ze skrzynki Wallbox z mocą do 11 kilowatów, a nawet ze skrzynki Wallbox o mocy 22W.
W tym ostatnim przypadku jest to jednak uzależnione, czy operator sieci zatwierdzi to dla gospodarstwa domowego.
Aby wyjaśnić, ile energii jest tracone w różnych opcjach systemu ładowania, inżynierowe ADAC przeprowadzili pomiary w trzech punktach ładowania:
- w domu z „normalnego" gniazdka AC 230V,
- z Wallbox do 11 kW
- z Wallboxa z połową tej mocy
Samochód elektryczny: straty podczas ładowania podczas ładowania AC
Jeśli porównamy wyniki pomiarów podczas ładowania z gniazdka, z ładowaniem z Wallboxa, od razu widać, że skuteczność ładowania w tym drugim przypadku jest znacznie lepsza. Takie efekty były w przypadku wszystkich czterech testowanych pojazdów. Przy czym różnica jest największa w Renault Zoe, a najmniej w VW ID3.
W trzeciej serii pomiarów sprawdzono, jak duże są straty ładowania, gdy pojazd jest eksploatowany ze zmniejszoną mocą ładowania z ładowarki Wallbox.
W praktyce może się to zdarzyć, gdy zarządzanie obciążeniem rozdziela dostępną moc ładowania do dwóch pojazdów w garażu, a także gdy wykorzystujemy panele fotowoltaiczne,. Pomiary te wyraźnie pokazują również, że im wyższa moc ładowania, tym mamy mniejsze straty ładowania.
Jak wytłumaczyć straty w doładowaniu baterii?
Ponieważ baterie trakcyjne samochodu elektrycznego mogą magazynować tylko prąd stały DC, a z domowej sieci energetycznej jest dostarczany prąd zmienny AC, ładowarka pokładowa musi zamienić ten prąd na prąd stały.
Dodatkowo stratę powodują też długi kabel od gniazdka w domu/garażu do gniazda w samochodzie. Warto też pamiętać, że instalacja domowa nie jest idealna. W instalacjach domowych dopuszcza się do 4% strat ładowania. Należy to wziąć pod uwagę, zwłaszcza w starszych instalacjach domowych. Najlepiej, wcześniej zlecić sprawdzenie instalacji domowej przez elektryka, aby upewnić się, że przewód zasilający do gniazdka domowego nadaje się do ciągłej pracy.
Największą stratę bo wynoszącą 5-15% mamy jednak podczas ładowania z gniazdka 230 V na instalacji auta 12 V, gdy podtrzymywane są w pracy różne elektroniczne układy.
W sumie straty ładowania w gniazdku domowym wynoszą od 10 do 30 proc.
Ładowanie z naściennej skrzynki Wallbox
Ładowanie w domowej skrzynce Wallbox jest zwykle trójfazowe (zamiast jednofazowego), a zatem poradzi sobie więc z większymi wyzwaniami niż instalacja jednofazowa, zapewniając im odpowiednio dużą moc.
Dodatkowo puszki naścienne Wallbox są podłączane przez elektryka w taki sposób, że linia zasilająca jest grubsza i prawie nie ma strat przesyłu. Straty konwersji w ładowarce pokładowej są wprawdzie nadal takie same, ale jest inny zysk.
Najważniejsza różnica dotyczy zużycia własnego elektroniki pojazdu. Straty na instalacji własnej 12 V wynoszą poniżej 1% (przypominam z 230 V to wartość 5-15%).
W sumie, straty ładowania w skrzynce ściennej Wallbox wynoszą tylko od 5 do 10 procent.
Jak użytkownicy e-samochodów mogą uniknąć strat związanych z ładowaniem?
- Podczas ładowania prądem przemiennym obowiązuje zasada: im wyższa moc ładowania tym krótszy proces ładowania i mniejsze straty ładowania.
- Ze względu na koszty, zaleca się zatem, aby zawsze ładować ze skrzynki ściennej z maksymalną wydajnością ładowania. Bateria powinna być zawsze naładowana tak szybko, jak to możliwe.
Nie stwierdzono za to istotnego wpływu w pomiarach, podczas różnego stopnia naładowania baterii. Niezależnie od tego, czy akumulator był naładowany w 20 % czy w 50 %, straty ładowania w testach ADAC różniły się tylko nieznacznie.
Ładowarka publiczna
Jeśli zastanawiacie się, jak duże są straty podczas ładowania prądem stałym DC na publicznej stacji szybkiego ładowania, to... są niewielkie.
Przy ładowaniu prądem stałym DC, prąd nie jest przetwarzany w ładowarce pokładowej pojazdu, ale w stacji ładowania. W rezultacie za opisane tutaj straty ładowania odpowiada operator kolumny. To właśnie jeden z powodów, dla których kilowatogodzina ładowania prądem stałym jest droższa niż ładowania prądem przemiennym w domu.
Strata przeliczona w złotych
Jeżeli posiadamy Renault Zoe, którym przejeżdżamy rocznie 15 000 km, to koszt przejazdu wynosi 1859 zł (wg cyklu mieszanego WLTP zużycie 17,7 kWh/100 km, cena prądu 1 kWh = 0,7 zł wg kosztów z rachunku domowego). Tyle tylko, że jest to wynik podczas wyliczeń wskazań zużycia energii i kosztu prądu. W rzeczywistości, przyjmując stratę 24,2% musimy liczyć się za stratą dodatkowo 450 zł. Gdy ładujemy pojazd ze skrzynki Wallbox, strata wyniesie 180 zł.
Tym samym zakup Wallboxa jest w pełni uzasadniony.
Epilog
Na zakończenie warto podać porównanie eksploatacji samochodu Renault Zoe 136 KM którego cena zaczyna się od 168 500 zł, z benzynowym Renault Clio 1,3 140 KM w cenie od 89 900 zł (niestety porównanie jest niepełne, gdyż Zoe to tylko wersja automat, a Clio tylko manual).
- Jak wspomniano Renault Zoe, którym przejeżdżamy rocznie 15 000 km będzie kosztował podczas ładowania w domu 1859 zł (wg cyklu mieszanego WLTP zużycie 17,7 kWh/100 km, cena 1 kWh = 0,7 zł) + co najmniej 180 zł.
- Gdy ładujemy się na stacji GreenWay, to roczna eksploatacja wyniesie 4657 zł (1 kWh = 1,37 zł plus abonament miesięczny 85,36 zł)
- Gdy tankujemy na stacji Orlen koszt wynosi – 5416 zł (1 kWh = 2,04 zł)
- Na zakończenie podam, że koszt przejazdu 15 000 km rocznie Renault Clio to 5643 zł (wg WLTP średnie spalanie to 5,4 l/100 km, a koszt paliwa 6,6 zł).
