UWAGA ten artykuł jest bardzo stary i wymaga przeredagowania.

Samochody elektryczne – technologie i teoria (EV – Electric Vehicle).
W dziale tym dowiesz się, jak zbudować proste autko elektryczne, a dokładniej mówiąc jak zbudować napęd i sterowanie do takiego autka, stworzonego na bazie jakiegoś samochodu produkowanego seryjnie. Przedstawię kilka rodzajów napędów, moim zdaniem najlepszych, nad rozwiązaniami tyrystorowymi i punktem 3 nie będę się specjalnie rozwodził.

!!! Uwaga !!!
W niżej przedstawionych układach napędowych występują napięcia szkodliwe dla zdrowia i życia ludzkiego, przy wszelkich próbach i użytkowaniu należy zachować szczególną ostrożność i zadbać o dobra izolacje elektryczna elementów w i na których znajdują się szkodliwe dla zdrowia i życia człowieka napięcia i prądy elektryczne, wszystko robicie na własną odpowiedzialność.

Wyróżniamy kilka rodzajów napędów:

1. Napęd za pomocą 3-fazowego silnika elektrycznego z falownikiem wykonanym na tranzystorach np.:  IGBT lub MOSFET
2. Napęd za pomocą silnika prądu stałego sterowany impulsowo (sterowanie PWM).
3. Napęd za pomocą silnika prądu stałego sterowany poprzez opornice.
4. Zastosowanie zwykłej automatycznej skrzyni biegów w powyższych napędach.
5. Napęd z wariatorem.

Aby zrobić samochód elektryczny, trzeba najpierw się zaopatrzyć w autko spalinowe, jak nie mamy pieniędzy lub robimy auto elektryczne po raz pierwszy w życiu, to możemy sobie kupić pojazd o nazwie np.: Nissan Micra K10, mały, bardzo lekki, brzydki i wysoce trwały i niezawodny mechanicznie. Jak jesteśmy nieobeznani w tej dziedzinie radził bym zacząć od pojazdu na prąd stały (DC).  Gdy już go mamy (auto spalinowe) i pojazd ten jeździ o własnych silach i ma sprawne zawieszenie i nawet inne układy, to należałoby zastanowić się nad osiągami takiego pojazdu. Musimy pomyśleć, jaka chcemy osiągać nim prędkość maksymalną, jakie przyspieszenie oraz pomyśleć, gdzie to ma jeździć ? Jak chcemy rozłożyć w aucie wszystkie podzespoły elektrycznego systemu napędowego (ESN). Do wyboru mamy kilka sposobów budowy takiego systemu ESN. Wszystko postaram się opisać możliwie najprościej i najzrozumialej. Załóżmy, ze nasz samochód wazy ok 1100kg  i chcemy, żeby osiągał prędkość maksymalną ok 110km/h. W tym celu musimy odpowiednio dobrać jego silnik: moc, moment obrotowy. Można to obliczyć pośrednio z mocy oryginalnego silnika spalinowego tego autka, jeżeli np taki Polonez ma silnik o mocy 55KW, na którym osiąga prędkość do 160 km/h, przy użyciu skrzyni biegów to moc silnika elektrycznego dającego ten sam efekt powinna być ok 30% niższa od 55kW czyli ok 40 kW, oczywiście przy użyciu skrzyni biegów. Wynika to z innej niż ma spalinowy silnik charakterystyki pracy silnika. Silnik spalinowy ma najwyżej sprawność ok 27%, mówiąc po ludzku tylko max 27% benzyny, która spala zamieniane jest na ruch pojazdu, a 73% frunie w “powietrze” i na tarcie. W silniku elektrycznym do 98% energii, którą pobiera silnik, zamieniane jest na ruch. Ten wskaźnik 98% dotyczy tylko najlepszych silników bezkomutatorowych tj: wielofazowych silników prądu przemiennego i bezszczotkowych silników prądu stałego (np silniki hallotronowe) – dla tego miedzy innymi auto elektryczne się opłaca. Do tego co bardzo ważne, silnik elektryczny zazwyczaj może osiągnąć nominalny moment obrotowy juz przy bliskich zeru obrotach. Silnik elektryczny posiada też inną ciekawą cechę jaką jest chwilowy moment rozruchowy wynoszący średnio ok 3-4 krotność nominalnego momentu silnika, mówiąc bardziej prosto chodzi o to, że silnik elektryczny o mocy nominalnej np 22kW przy rozruchu może chwilowo zachowywać się jak silnik o mocy 100kW, jest to zdolność nie dostępna dla silników spalinowych, dla tego miedzy innymi samochody elektryczne często nie mają skrzyń biegów. Oczywiście w naszym aucie należy ją zostawić bo po 1 działa ona jak przekładnia silnika zniżająca obroty na koło a po 2 skrzynia się przydaje np do jazdy w terenie, po za tym pozwala auto o małym silniku elektrycznym rozpędzić do sporych prędkości. Np dla osiągnięcia prędkości ok 100km/h samochodem elektrycznym bez skrzyni biegów wystarczyłby silnik ok 30 kW (Auto o wadze ok 1 tony). Używanie skrzyni biegów wpływa na obniżenie kosztów pojazdu, dłuższe życie akumulatorów i można też zastosować mniejszy tańszy silnik i uzyskać nim większy zasięg niż na większym silniku bez skrzyni biegów. Oczywiście w samochodzie elektrycznym nie majtamy co pięć sekund drążkiem zmiany biegów, a jedynie przełączamy biegi w celu zmiany “trybu jazdy”, np tryb terenowy to bieg 1, tryb miejski to bieg 2 lub 3 jak ktoś w mieście jeździ szybciej niż 50km/h. Przy użyciu silnika elektrycznego można ruszać na 2 biegu jeżdżąc po mieście, jak ktoś ma silnik ok 20 -30kW to nawet na 3 biegu. Ciekawą alternatywą dla auta elektrycznego jest użycie automatycznej skrzyni biegów, oczywiście mam tu ma myśli stare automaty bez komputerów, jest możliwość dostosowania takiej skrzyni do napędu elektrycznego ale nie jest to łatwe ze względu na różne charakterystyki pracy spaliniaka i elektryka, przy skrzyniach sterowanych komputerem jest to szczególnie trudne ponieważ trzeba zrobić praktycznie nowy komputer do takiej skrzyni. Innym jeszcze ciekawym rozwiązaniem jest użycie wariatora (przekładnia zwykle cierna o płynnej regulacji przełożenia, opis na dole strony) np z Nissana Micry k-11. Model ten jest wyposażony w automatyczna skrzynie biegów typu wariator, jak skuter. Oczywiście wariator Nissana jest bardziej zaawansowany i mniej stratodajny niż wariator skutera. Trzeba się liczyć z tym, że wariator to przekładnia czysto cierna więc generuje pewne straty odpowiednio większe niż typowa przekładnia automatyczna trybowa. Niestety co do wariatorów Nissana to trzeba pisać nowy program do sterowania tym wariatorem bo program w komputerze skrzyni jest zoptymalizowany pod silnik spalinowy. Poniżej ekonomiczna analiza opłacalności auta na prąd. Koszt przeróbki, w zależności od rozwiązania jakie wybierzemy koszt może wynosić (szacunki z 2006 roku):

0 zł, może to dziwnie brzmi ale taki jest fakt. Załóżmy, że kupujemy wyżej wymienioną micre sprawna jeżdżącą za 10 000 zl, ale po co taka kupować ? Trzeba tą micre, ale bez silnika spalinowego albo z rozwalonym silnikiem spalinowym i wtedy zapłacimy ok 4-5 tys zł, a zatem mamy tu 5-6 tys dane na przeróbkę na elektryczny i dla tego pisze ze przeróbka wyniesie 0 zł. Aby mieć jeżdżący samochód tak czy siak musimy wydąć 10 000 zł. Inny przykład to zakup samochodu spalinowego działającego za 15 000 zl ale po co ? lepiej kupić auto trochę gorsze ale za 8 000 – 9 000 zl i dalej nam wychodzi ze przeróbka będzie 0 zł. Tak że liczenie kosztów przeróbki w takich przypadkach jest niedorzeczne i nie logiczne wg mnie. Jeżeli mamy juz samochód jakiś i myślimy o zmianie na inny bo ten nam się psuje (głownie silnik), albo silnik wymaga kosztownego remontu liczonego w tysiącach zł to nie kupujmy nowego za 20 tys zl ale przeróbmy go na elektryczny i jeździmy kolejne kilka ładnych lat i w takim przypadku nie można mówić, że są jakieś koszty przeróbki. Tak samo jak mamy jakieś auto i ciągle nam się psuje, ale nie zamierzamy sprzedawać tylko non stop inwestujemy pieniądze w naprawy. Zamiast ciągle go naprawiać to lepiej przerobić na prąd i nigdy więcej nie naprawiać układu napędowego, przynajmniej przez kilka kolejnych lat, a jak wiemy koszty remontów silnika spalinowego są spore zazwyczaj. A kiedy zatem takie koszty istnieją idąc tym tokiem rozumowania ? Wg mnie prawie nigdy, bo nawet jak kupimy nowe auto w salonie i zdecydujemy się na przeróbkę na elektryczny to możemy sprzedać nowy silnik spalinowy i cały koszt przeróbki nam się zwróci od razu. W szczególnych przypadkach taki koszt może istnieć, np jak wygramy samochód na loterii, albo kupimy pojazd za 1/6 wartości, jeżdżący. Takie okazje trafiają się niezwykle rzadko wiec nie biorę ich pod uwagę lub jak w punkcie 2 niżej.

4000 – 7000 zł, takie koszty istnieją gdy chcemy przerabiać samochód o niskiej wartości, np pojazd 4 kołowy zwany Fiat 126p, albo cos bardziej przypominającego samochód, czyli, np.: ZAZ Tawria albo Polonez czy tez Łada 20 letnia. Koszt pojazdu tutaj to ok 200 – 500 zl. I to w niezłym stanie, w takim przypadku musimy wyłożyć do 7000 zł na przeróbkę, myślę, że to mało opłacalne, lepiej skorzystać z punktu 1.

15000 – 50000 zł, o tak wielkich kosztach możemy mówić w przypadku przeróbki bardzo profesjonalnej, czyli droższy fabryczny napęd falownikowy z silnikiem 3-fazowym prądu przemiennego lub stalego plus bateria złożona z akumulatorów litowych np ThunderSky Cr-F-Li Bateria o wadze 240 kg daje zasięg 350 km czyli ponad 3 x więcej niż akumulatory kwasowe, a przy tym zajmowana powierzchnia jest mniejsza. Cena tych akumulatorów jest niewiele większa od ceny akumulatorów żelowych, dla tego znalazły one zastosowanie w dużych systemach awaryjnego zasilania. Trzeba też nadmienić, że czas życia tych akumulatorów wynosi 300 – 1000 cykli zależnie od prądów i poziomów wyładowania, a nie maksimum 300 cykli jak akumulatory kwasowe. Mając tak duże zasoby finansowe można też pokusić się o zakup bezpośrednio u producenta np w Chinach zwykłych akumulatorów litowo-jonowych klasy A w wersji HD czyli o zawyżonych maksymalnych prądach wyładowania. Typowa cylindryczna cela litowo jonowa np taka jak używa się w laptopach (chodzi mi o wygląd) ma prąd wyładowania równy 2C, czyli maksymalny prąd wyładowania ma wartość pojemności akumulatora razy 2, czyli jak akumulatorek ma 2400 mAh to maksymalny prąd wyładowania wyniesie 4800 mA. Ogniwa HD maja zwykle 4 do 8C. Wtedy nasze auto przy baterii o wadze ok 100 kg będzie mieć zasięg ok 500 km i do tego sportowy charakter. Czas ładowania takich ogniw ok 2 h, a przy tym ilość cykli ok 1000.
Eksploatacja: Tu sprawa nie wygląda juz tak różowo jak wyżej. Trzeba mieć na uwadze że, elementy nie związane bezpośrednio z układem napędowym, czyli opony, hamulce, elektryka pojazdowa, łożyska w kolach, blacharka, jakieś drobne rzeczy jak kołpaki, nadkola, żarówki, wycieraczki, amortyzatory etc… trzeba będzie tak samo konserwować i remontować jak w samochodzie spalinowym, za to odchodzą w niepamięć remonty takie jak remont silnika (to chyba najgorszy i najbardziej znienawidzony remont w całym samochodzie), zakup oleju silnikowego, zakup płynu chłodniczego i kilka innych rzeczy. W wielu autach odpadnie tez remont skrzyni biegów i np.: tylnego lub przedniego dyferencjału, ze względu na to ze silnik elektryczny będzie miał zazwyczaj mniejsza moc nominalną w porównaniu z oryginalnym spalinowym, a to mniejsze osiągi, a co za tym idzie naprężenia działające na układy, będą mniejsze. Jeżeli chodzi o sam układ napędowy elektryczny to tu kosztów brak, układ taki charakteryzuje się bardzo wysoką niezawodnością ze względu na prostotę budowy i działania w porównaniu z układem spalinowym. Jedyny koszt to koszt akumulatorów, które trzeba wymieniać co ok 50 000 km, jeżeli mówimy o najtańszych akumulatorach czyli kwasowych samochodowych lub żelowych. W zależności od wielkości baterii zasilającej oraz wielkości i osiągów samochodu jest to koszt 2000 do 6000 zł co 5 -7 lat czyli trzeba liczyć ok 700 zł na rok najwyżej. Jak ktoś jeździ dużo to będzie zmieniał akumulatory i co 2 lata. Kolejna sprawa to OC, każda firma inaczej może patrzeć na auto elektryczne, ponieważ polskie prawo pod tym względem jest zacofane i to mocno np.: jedna firma podciągnie to pod kategorie o najniższej pojemności wg tabeli np.: auta do 700 ccm i będziemy płacić za naszego elektryka jak na 700-setke, bo elektryk ma pojemność 0 ccm. PZU podciąga to pod tzw “pojazdy specjalne” cos ok 600 zl za rok licząc bez zniżek (dane z 2005 roku). Inna firma zarejestruje pojazd wg pojemności jaka miał silnik spalinowy w oryginale, czyli np.: rejestrujemy auto Opel Corsa 1.4 i mimo, że elektryk ma 0 ccm to płacimy jak za 1.4. Kolejna sprawa to opłaty za “paliwo” czyli za prąd, jeżeli nie posiadamy własnej elektrowni słonecznej czy tez wiatrowej lub innej to jesteśmy skazani na ładowanie akumulatorów z sieci publicznej. Dziś prąd kosztuje średnio ok 40 gr za kWh (lipiec 2008). Jeżeli mamy silnik 20 kW w naszym samochodzie to na godzinę jazdy nim teoretycznie zużyjemy jakieś 6 zł jeżeli będziemy jechać z pełna prędkością i na pełnej mocy, ale nawet przy pełnej prędkości raczej silnik nie będzie chodził na pełnej mocy jeżeli to prosta droga. Więc można liczyć, że nasze auto spali jakieś 3-5 zł na 100 km. Oczywiście możemy ładować auto z tzw taryfy nocnej czy też weekendowej gdzie prąd jest po ok 0,25 zl za kWh (lipiec 2008) co w efekcie da nam jakieś 2 – 4 zł na 100 km. Ale liczmy wszystko wg średniej ceny prądu. Do tej sumy należy dodać jeszcze cenę akumulatorów, czyli ok 700 zł rocznie. Porównajmy teraz to do benzyny, która jest po 4,8 zł za litr (lipiec 2008). Przeciętny Kowalski w ciągu roku robi ok 10000 km swoim samochodem wiec spali ok 700 litrów czyli 3360 zł plus remonty silnika. Na gazie LPG spali ok 1700 zł plus remonty i szybsza śmierć silnika. Na prądzie “spali” ok 600 zł, koszty akumulatorów należy doliczać dopiero po ich 1 wymianie, czyli po 5-7 latach użytkowania samochodu. No ale bardzo często robimy rocznie grubo ponad 10 000 km. Dla ludzi z autami elektrycznymi bardzo korzystnie jest gdy mają własną elektrownie wiatrowa jakąś prosta za 2000 – 3000 zł lub ewentualnie elektrownie słoneczną za podobna sumę.

Podsumowanie:
Plusy

Przeróbka na elektryczny – 0 zł do 7000 zł w zależności od toku rozumowania.
OC – ok 600 zl nie licząc zniżek bez względu na moc silnika, możliwe są jeszcze niższe OC za tzw. pojazd ekologiczny.
Koszt przejechania 100 km – ok 2-7 zł, w zależności od mocy silnika i taryfy prądu.
Koszt akumulatorów po zużyciu 1 partii – ok 700 zl/rok (2006r).
Aspekt ekologiczny.
Możliwość dofinansowania przeróbki przez jednostki rządowe lub fundacje, w praktyce jest to tak że jednostki rządowe są poniekąd skore do pomocy, ale fundacje są nastawione tylko na branie pieniędzy i tam pomocy się nie znajdzie jeżeli chodzi o takie sprawy jak ekologia niskobudrzetowa.
Samochód nie pobiera energii jak stoi, np w korku, spaliniak pracuje non stop.
Minusy

Mały zasięg do ok 200 km dla auta z odzyskiem energii hamowania i akumulatorami kwasowymi, jeżeli nasz samochód jest obklejony ogniwami słonecznymi i często stajemy na parkingach to zasięg może się wydłużyć i do ponad 1000 km.
Mała ilość miejsc, w których można naładować samochód.
Koniec minusów.
Zaznaczam też że ciężko jest w Polsce zarejestrować samochód o napięciu zasilania większym niż 80 V, jeżeli chcemy zarejestrować takie auto np.: na 350 V co daje realne korzyści, to musimy się trochę pomęczyć.
UWAGA: Najpierw trzeba sobie zadać pytanie jakie parametry ma mieć nasz samochód i jaką wagę. Prześledźmy budowę na przykładzie Fiata Cinquecento jako małego 2 osobowego pojazdu elektrycznego o charakterze miejskim. Czyli praca, dom, zakupy, urzędy, wypad na miasto lub blisko za miasto. Opis tego pojazdu znajduje się tutaj http://en.wikipedia.org/wiki/Fiat_Cinquecento Wybór umotywowany jest tym, że to tani samochód, bardzo lekki i idealnie nadaje się na nasze ciasne miasta. Koszt przeróbki jest stosunkowo niski tu, a efekt stosunkowo dobry. Jak większość ludzi wie samochód ten ma fatalny silnik spalinowy, 3 cylindrowa jednostka z gaźnikiem o żenująco niskiej żywotności. Nam na szczęście silnik nie będzie potrzebny. Największą zaletą tego pojazdu jest to, że jest mały lekki i wygląda dobrze. Oczywiście lepiej byłoby użyć japończyka ale ciężko znaleźć tani mały i lekki pojazd z w miarę normalnym wyglądem. Z cinquecento należy usunąć wszelkie zbędne rzeczy w celu odciążenia pojazdu, tj; na pewno silnik, układ wydechowy, bak, tylne siedzenie, tylna atrapę, chłodnice, zbędne zbiorniczki zbędnych płynów. Baterie powinny być rozłożone równomiernie, aby nacisk na osie był odpowiedni. Odciążone auto powinno ważyć ok 550 kg. Jeżeli okaże się że waga pojazdu jest zbyt wielka trzeba będzie użyć mocniejszych sprężyn np z cinquecento sporting. Zamierzone osiągi:

- Waga pojazdu gotowego do jazdy ok 800 kg.
- Prędkość maksymalna ok 80 km/h na 4 biegu (pojazd miejski).
- Ładowność: 2 ludzi i 100 kg bagażu.
- Zasięg ciągły na prostej drodze: ok 70 – 100 km.
- System odzysku energii hamowania.
- Dach pokryty panelami fotowoltaicznymi.
- Silnik 8kW.
Dobór i użytkowanie akumulatorów:

Jest to bardzo ważna sprawa i w zasadzie akumulatory to najdroższa cześć pojazdu elektrycznego. Ja osobiście polecam akumulatory amerykańskiej firmy Trojan, do kupienia np www.electrocar.pl . Baterie te maja rewelacyjny stosunek jakości do ceny, np bateria T-105 6V 225 Ah to koszt ok 400 zl/szt (2006r) przy ilości kilku sztuk do samochodu elektrycznego. Duża żywotność tych baterii to ich główna zaleta. Bateria ta wytrzymuje ok 300 - 400 cykli przy dużych wyładowaniach na poziom 0-20%, oczywiście producent przestrzega przed niechybna śmiercią akumulatora przy wyładowaniach na zerowy i nieco większy procent poniżej 20. Tak, że lepiej tych 20% nie przekraczać w normalnym użytkowaniu. T-105 to akumulatory obsługowe więc co kilka miesięcy trzeba do nich zajrzeć i sprawdzić stan elektrolitu, w razie odchyłów parametrów należy postąpić zgodnie z instrukcja obsługi akumulatora i przywrócić elektrolitowi jego parametry zalecane. Polecam też zakup ksiązki za 20 zł o eksploatacji i użytkowaniu akumulatorów kwasowych. Te proste czynności realnie przyczynią się do wydłużenia życia naszej baterii. Na uwadze musimy mieć też mieć różnice temperatur miedzy latem, a zimą. Pojemność akumulatorów spada o ok 15% przy temp 0 st C, 25% przy minus 10 st C i az 45% przy minus 20 st C. Myślę, że wydłużanie żywotności akumulatora ma realny sens i jest to rzecz na której trzeba się skupić szczególnie. Mój zamysł był taki, aby użyć baterii o wadze 240 kg, 8 akumulatorów 6V 225Ah daje nie całe 11kWh energii. Koszt baterii 3200 zł. Samochód przy prędkości ok 50 km/h i wadze ok 800 kg powinien zużywać moc ok 3 kW nawet nie całe 3 kW (wynik obserwacji innych aut elektrycznych). Pozwoliłoby mu to na przejechanie ok 140 km z systemem odzysku hamowania ok 180 nawet. Ale nas interesuje zasięg do 80 – 100 km maksimum w lecie do 60 km w ostrej zimie. Ograniczenie zasięgu ma istotny wpływ na długość życia akumulatorów i na ten przykład, wyładowanie do poziomu 20% (akumulatory Trojan prawie pusty) zapewnia ok 300 – 400 cykli życia baterii, ale przy wyładowaniu do poziomu 50% ilość cykli rośnie do 800 – 900, a przy wyładowaniu do poziomu 60% ilość cykli może wynosić juz ok 1300. Poziom 60% (zużywamy tylko 40% energii z akumulatora) powinien zapewnić zasięg ok 60 – 70 km, dla pojazdu czysto miejskiego, jest to akceptowany wynik. Taka zasada działania ma sens ponieważ stosunek ilości cykli ładowania do poziomu wyładowania akumulatora nie jest liniowy a jest hiperboliczny. Gdyby był liniowy czyli wyładowujemy normalnie to 300 cykli, wyładujemy do polowy to 600 cykli, wyładujemy do 1/4 to 1200 cykli to takie oszczędzanie energii akumulatora nie miałoby sensu, a że te wartości zmieniają się nie liniowo to takie użytkowanie ma sens. Przy obniżeniu zużycia energii do poziomu 60% (40% zużyte) wydłużamy życie baterii o niemal 4x więc gra jest warta zachodu. Myślę że przy takim układzie osiągnięcie 100 000 km na jednym wkładzie baterii jest możliwe, przy normalnym poziomie wyładowywania dałoby się osiągnąć najwyżej 50 000 km. Reasumując, im częściej doładowujemy tym dłużej nasza bateria żyje. Znaczenie ma też 100 watowy panel fotowoltaiczny na dachu pojazdu, po 8 h stania na słońcu na parkingu panel jest w stanie dostarczyć energie na przejechanie kilku km do domu np z pracy. Takie doładowywanie na pewno pozytywnie wpływa na żywotność akumulatorów. Kolejna sprawa to prądy wyładowania, bateria j.w. to 48V i 225 Ah pojemności, zatem silnik gdy pobiera akurat 8kW, czyli swoją moc nominalną zasysa z baterii aż 166 Amper, to dużo, dobrze jest gdy silnik nie pobiera więcej niż 30% pojemności akumulatora czyli ok 70A. Taki też prąd, a nawet mniejszy pobierać będzie głównie i przede wszystkim pojazd podczas jazdy po mieście. Kolejna sprawa to odzysk energii hamowania, tutaj nie ma co się spodziewać więcej jak 50 % odzyskanej energii. Wynika to z sprawności generatora (silnika pracującego jako generator) pomnożonej przez sprawność ładowania baterii kwasowej. Zatem realnie nie da się zyskać więcej niż 65% odzysku energii przy hamowaniu. Wyższe współczynniki są możliwe ale przy zastosowaniu zaawansowanych układów z silnikami synchronicznymi, cyfrowymi układami ładowania i bateria superkondensatorów, ale i tak nie będzie to więcej jak 75 %. Dla porównania Toyota Prius ma odzysk na poziomie 56 %. Myślę, że przy domowej konstrukcji jest możliwy odzysk na poziomie 30-40%, prąd ładowania przy hamowaniu może nie jednokrotnie sięgać 100A, ale zazwyczaj powinno to być ok 50 A, nie więcej. Przy przekroczeniu prądu ładowania 50 A dla baterii 225 Ah rozsądnie byłoby zastosować baterię superkondensatorów która skumuluje energie i odda ją do akumulatorów utrzymując poziom np 30 A. Zapewni to ochronę baterii przez zbyt dużym prądem ładowania. Niestety nie da się tego zrobić w 2 stronę czyli dla dużych prądów wyładowania podczas jazdy niszcząco działających na akumulatory. Poniższe rozważania będą prowadzone na bazie wyżej opisanego Fiata Cinquecento.

Sposób 1

Sposób ten coraz częściej jest wykorzystywany w tramwajach, trolejbusach i seryjnych samochodach elektrycznych, z tego względu, że są na nim niskie straty energii podczas sterowania obrotami silnika, sam silnik nie ma komutatora i jest prostszy konstrukcyjnie od silników prądu stałego. Użycie falownika pozwala też na regulacje momentu obrotowego i utrzymanie jednakowego wymaganego najwyższego momentu obrotowego w całym zakresie obrotów silnika. Niektóre falowniki maja funkcje boost pozwalająca zwiększyć moc silnika chwilowo nawet o 5 x. Podsumowując napęd falownikowy ma sporo opcji kontroli silnika, których nigdy nie będzie posiadać napęd stałoprądowy.

Potrzebny jest 3-fazowy silnik klatkowy (zwykły asynchroniczny na tzw. “siłę”) na prąd przemienny na napięcie 400/230V o mocy 8kW. Typowo produkuje się 7,5 kW. Waga ok 50 kg. Niestety jest to dużo, jak ktoś ma możliwość zakupu silnika w wersji progresywnej czyli odciążonej w aluminiowej obudowie to taki silnik powinien zakupić, jego waga wyniesie ok 30 kg. Ten 50 kg jest to łatwo dostępny silnik seryjnie produkowany, cena używanego to ok 200-500 zł. Sprawność ok 88 %. Silnik ma prawie 3000 obr/min, niżej obrotowego nie należy kupować. Możemy go podłączyć do kol pojazdu za pośrednictwem skrzyni biegów tego właśnie pojazdu.  Rys.1
Rysunek 1 pokazuje taki ogólny schemat pojazdu elektrycznego, napięcie źródła DC zależy od napięcia zasilania silnika, dla silników 400/230 V źródło DC powinno mieć 350 do 500V. Najlepsze byłyby silniki z USA zasilane napięciami ok 110 V. Jeżeli ktoś ma możliwość przewinięcia lub przełączenia zezwojów silnika silnika na niższe napięcie np dla baterii 48V lub 80V to powinien to zrobić. Można będzie wtedy wykorzystać akumulatory marki Trojan. Jeżeli pozostaniemy przy napięciu 400VDC koszt baterii będzie 2x wyższy, po prostu trzeba będzie kupić dużo mniejszych akumulatorów i połączyć je w szereg, jeżeli chodzi o tanie akumulatory żelowe to polecam Haze lub Sunaway inne tanie firmy nie są przeze mnie zbadane lub są ale z marnym skutkiem. Jeżeli komuś bardziej zależy na jakości polecam żelówki Panasonic, Yuasa, CSB, jeżeli uda się tanio dostać takie baterie to dobrze jest wybierać modele o wydłużonym czasie działania np zielone Yuasy z serii NPL. Aby sprawnie sterować obrotami 3-fazowego silnika prądu przemiennego, potrzebne jest urządzenie o nazwie falownik. Falownik zamienia prąd stały DC 1-fazowy na prąd przemienny 1 lub wielofazowy o przebiegu pokazanym na Rys.2 w zależności od ceny i jakości falownika przebiegi prądu wyjściowego są następujące:
Nie polecam żadnych sposobów napięciowych czy prądowych do regulacji obrotów, ponieważ dadzą one mizerne rezultaty, spadnie tylko moc i sprawność silnika, a sam zakres regulacji obrotów będzie bardzo mały. Falownik  jest urządzeniem bardzo drogim, cena odpowiedniego falownika wektorowego dla naszego silnika 8kW wynosi ok 2 do 4 tys. zl, samo urządzenie jest dość małe ok 25×15x15 cm dla silnika 8kW. Dobrze by było jakby falownik miał funkcje BOST. W związku z tak wysoką ceną pomyślałem sobie, że lepiej samemu wykonać taki falownik za ok 700 zl dla silnika 8kW bo w gruncie rzeczy to niezbyt skomplikowane urządzenie elektroniczne. Jedyna trudność tam to napisanie odpowiedniego programu do procesora falownika. Posiadam też trochę danych potrzebnych do budowy takiego falownika. Schematy są dostępne w dziale Download.  Teraz kilka prostych slow o tym jak działa falownik i jak jest zbudowany. Rys.3 pokazuje z grubsza budowę falownika 3-fazowego:

Na rysunku widać moduł złożony z 6 tranzystorów IGBT. Są to tranzystory, których prąd DS wynosi od ok 20 A dla najsłabszych tranzystorów do 400 A i więcej dla najsilniejszych. Napięcie DS wynosi od 600V do kilku tysięcy. Nas interesują modele o napięciu 600V i prądzie ok 60A, oraz niskiej rezystancji kanału i niskiej pojemności bramki, tr taki kosztuje ok od 20 – 100 zl za sztukę, a potrzeba sztuk 6. Często są też produkowane moduły juz 6 tranzystorów w 1 obudowie. Tr powinny być przytwierdzone do aluminiowego radiatora z wentylatorem, należy dbać o to, aby ich temperatura nie była wysoka, gdyż to powoduje spadek ich sprawności, która w warunkach normalnych wynosi do 96%. Wszystkie kable powinny mieć odpowiednią grubość, ponieważ będzie przez nie płyną prąd o dużym natężeniu zależnym od mocy falownika, kable też nie mogą się grzać bo to spowoduje straty energii. Na rysunku przewody, którymi będzie płyną duży prąd oznaczone są kolorem czerwonym. Kable te powinny też posiadać dobrą izolacje elektryczna, natomiast w kablach niebieskich napięcie będzie wynosić max +-15 V, są to przewody za pomocą, których kontroler steruje tr IGBT. Sygnał w niebieskich kablach ma postać prostokątną tak jak na rys.2a (oczywiście wykres 2a odnosi się do prądu wyjściowego falownika, a ja odwołuję się do niego ponieważ prąd w niebieskich kablach na taki sam kształt ale inne napięcie i częstotliwość). Dalej mamy juz kontroler IGBT, jest to urządzenie elektroniczne i niezbyt skomplikowane w konstrukcji generujące sygnały, które jak już wspomniałem sterują bramkami tranzystorów, czyli odpowiednio w ściśle ustalonej sekwencji włączają i wyłączają poszczególne tranzystory. Składa się to z zasilacza falownika, procesora, driverów IGBT (zwykle są to układy z serii IR21XX), układów zabezpieczających mostek IGBT i kilku układów bramek – mówiąc z grubsza. Koszt wykonania takiego kontrolera szacuje na jakieś 200  zl, ponieważ sam układ scalony 3-fazowego drivera IR2130 kosztuje 25 zl a procesor DSP ok 70 – 100 zl. Schematy elektroniczne kontrolerów są dostępne w dziale Download. Mimo wszystko największy problem to program do falownika, który nim steruje, program jest wgrany w Atmelu lub procesorze DSP czy tez innym, program jest pisany zwykle w asemblerze lub C, najlepiej zlecić napisanie programu jakiemuś znawcy (koszt kilkaset lub ponad 1000 zl).  Na końcu rysunku widzimy potencjometr lub regulator napięcia za pomocą, którego regulujemy częstotliwość i napięcie sygnału jaki daje falownik na wyjściu. Sam ten potencjometr sprzężony jest z  specjalnym zaprogramowanym układem logicznym. Częstotliwość się płynnie liniowo w zakresie (w zależności od rodzaju kontrolera) od ok 3 Hz do ok 150 Hz. Nam spokojnie wystarczy prąd o częstotliwości do 60Hz. Zmianie częstotliwości towarzyszy też zmiana napięcia zasilającego i jeżeli to bardziej zaawansowany falownik to zmiana też innych parametrów sygnału zasilającego. Wbudowanie potencjometru w pedał gazu w samochodzie nie będzie przeze mnie omawiane, ponieważ jest to prosta i szybka czynność, którą można na wiele sposobów wykonać, ale pamiętać trzeba o odpowiednim zaizolowaniu przewodów i zabezpieczeniu konstrukcji przed warunkami atmosferycznymi. Kształt napięcia wyjściowego, czyli to czy będzie to prostokąt, trapez czy sinusoida zależy od typu kontrolera. Do zasilania silników AC najlepszy jest falownik sinusoidalny innych przebiegów nie zalecam bo silnik będzie się strasznie grzał. Jeżeli zastosujemy falownik zwykły typu U/f to nie będzie to błąd, ale zalecam używanie falowników wektorowych z autotuningiem silnika. Na temat falownika to na razie by było tyle, schematy i rozprawy specjalistów na temat falowników dostępne są w dziale Download.
Istnieje też jeszcze jedna ciekawa możliwość jaką daje napęd falownikowy, a mianowicie możliwość zwiększenia mocy silnika za pomocą zwiększenia częstotliwości i napięcia. Silnik powiedzmy 4 kW, 30kg, ~3000 obr/min przy 50 Hz i napięciu fazowym 230V ma właśnie to 4 kW i teraz możemy dać powiedzmy 100 Hz i 460V (uznajmy to na górną granice powyżej, której nie będziemy juz zwiększać, ze względu na właściwości magnetyczne i izolacyjne materiałów z jakich jest silnik i co za tym idzie spadki sprawności) czyli silnik uzyska ok 8 kW i obroty prawie 6000 obr/min. Rozwiązanie takie sprawi, że silnik będzie dość mały, np 4 kW który podrasujemy częstotliwością i napięciem będzie miał to ok 8 kW i tylko ok 30 kg wagi przy założeniu, a że mamy silnik w wersji progresywnej to nawet 20 kg, znalezienie tak lekkiego silnika DC o tej mocy jest trudne, a na pewno wiąże się z wielkimi kosztami. Tutaj najlepsze są silniki importowane z USA, tam faza ma ok 110V czyli przy 100Hz będzie 220 V, jeżeli nie ma możliwości importu trzeba samemu lub zlecić fachowcowi przełączenie zezwojów silnika lub jego przewinięcie. Łączenie zezwojów może dać nam napięcie fazowe 115 lub 57 V przy 50 Hz, nie ma drogiej konieczności przewijania silnika jeżeli silnik ma możliwość przełączania zezwojów. Należy też pamiętać ze przy 6000 obr silnik nada pojazdowi spore prędkości, wypadałoby zastosować lekka przekładnie 1:2 miedzy silnikiem, a skrzynia biegów.
Pozostaje jeszcze sprawa odzysku energii z hamowania, aby tego dokonać należy zasilić silnik napięciem podsynchronicznym dla określonej prędkości pojazdu, czyli jak np w danej chwili silnik ma 2000 obr i jakąś tam wartość Hz i prędkość samochodu 40 km/h, jeżeli teraz zasilimy silnik napięciem o odpowiedniej wartości proporcjonalnym do herców, ale wszystko ma wartość trochę niższą aniżeli wynikałoby to z prędkości pojazdu, to taki silnik asynchroniczny zacznie nam działać jak prądnica ładując akumulatory, zasada ta jest wykorzystywana w elektrowniach wodnych, gdzie prądnicami są zwykłe silniki asynchroniczne 3 fazowe. Po prostu podaje się na nie 400V i 50Hz, a potem nadaje obroty ponad 3000 za pomocą turbin. Do odzysku energii hamowania w ten sposób wymagany jest falownik z funkcja odzysku, sporo falowników ma tę funkcję. Sposób 2

Do napędu wyżej opisanego samochodu można też wykorzystać silnik prądu stałego, ma to swoje wady i zalety. Zalety są następujące:

- układ sterujący obrotami silnika jest o wiele tańszy i prostszy w wykonaniu w porównaniu z falownikiem,
- do wykonania sterownika silnika DC nie trzeba “geniusza” jak to ma miejsce przy falowniku,
- nie ma konieczności przetwarzania napięć przemiennych
- silniki czesto są dostępne na niższe napięcia 48-120V

Wady:

- trudno dostać odpowiedni silnik elektryczny o mocy potrzebnej do samochodu,
- nowe silniki są kosmicznie drogie, np Lemco jest mały i lekki ale kosztuje kilka ładnych tysięcy zł.
- nowy silnik do MELEXa na napięcie 48V i moc 2100 W kosztuje ok 1200 zl bez przekładni.
- występowanie komutatora, a co za tym idzie i szczotek, które się zużywają po ok 3000 godzinach pracy (nie dotyczy silników hallotronowych, w których nie ma szczotek ani komutatora).

Silnik najlepiej nabyć od kogoś prywatnie albo ze złomu, można też kupić od producenta z demobilu lub jakiś uszkodzony i przewinąć. Najlepiej użyć silników z np.: wózków akumulatorowych takich jak jeżdżą po peronach PKP, wersje jednosilnikowe maja moc 5,3 kW i napięcie zasilania do 80 V. Niestety nie wiem jakie obroty ma ten silnik. Należałoby też dorobić przedni panel z łożyskiem do tego silnika ponieważ jest od fabrycznie sprzężony z przekładnią ślimakową, czyli trzeba odkręcić przekładnię i dorobić przednią ścianę silnika. Inną możliwością uzyskania silnika jest zakup używanych silników z autka typu MELEX, wymagałoby to sprzężenia równoległego 4 silników po 2100 W każdy. Jest tez inny sposób bardzo ciekawy moim zdaniem, a mianowicie wykorzystanie silnika od tramwaju 40 kW i napięcie zasilania 700V, napięcie to można obniżyć do ok 350 V, mniej więcej liniowo obniży się moc tego silnika i jego obroty (to tak dla większych samochodów). Można też spróbować przewinąć ten silnik. Jest też inna ciekawa metoda wymyślona przeze mnie, a mianowicie zastosowanie silników od tanich szlifierek kątowych silniki te maja w zależności od szlifierki od 500 W do 2100 W. Szlifierki kątowe są dość głośne, winowajcą tego hałasu jest ich przekładnia kątowa o przełożeniu mniej więcej 2:1 lub 3:1, dająca na wyjściu obroty 11000 na minutę dla mniejszych szlifierek do 6000 obr/min dla większych szlifierek. Sam silnik ma ok 30000 obr/min, jego wada jest to, że szybko siadają w nim szczotki, zazwyczaj jest to silnik taki sam jak w wiertarkach, czyli sterowany bocznikiem za pomocą układu elektronicznego wbudowanego w rękojeść wiertarki, wystarczy tylko taki układ lekko przerobić, aby obsługiwał większe moce ok 20 kW. Rozważałem równoległe połączenie 4 sztuk 2100 Watowych silników, potem to wszystko podłączyć do cichej przekładni z ukośnymi zębami zanurzonej w oleju lub do przekładni zbudowanej na paskach klinowych zębatych tak, aby ostateczne obroty wyjściowe wynosiły ok 3000 na minutę. Potem cały ten moduł możemy podłączyć do skrzyni biegów. Koszt całego silnika z regulatorem wyniósłby ok 500 zl. Jest 1 minus tylko, szczotki w tych 4 silnikach trzeba by było wymieniać co ok kilka tysięcy kilometrów. Tak zwane prasy ślimakowe (maszyna do tłoczenia kształtów w metalu) produkowane w latach 80, posiadają silniki DC o mocach od ok kilku do kilkudziesięciu kW. Pan Zbyszek Kopeć z Gdanska, który zbudował kilka samochodów elektrycznych na silnikach DC od wózków widłowych, silniki 80V 10 – 14 kW mocy do 2800 obr/min. Odkupił te silniki od zakładów, w których reperuje się wózki widłowe za 200 – 800 zl, były to silniki używane (nowy ok 3000 zl) i do dziś dnia bardzo dobrze sprawują swoja funkcje. Moim zdaniem jest to najlepsze rozwiązanie i najtańsze jeżeli chodzi o silniki DC.
Co do napędów niskonapięciowych (80 V) to niestety, ale maja one jedna wielka wadę jaka są straty mocy w kablach równe I^2*R, gdzie I to prąd pobierany przez silnik, a R to opór szczotek i kabli doprowadzających prąd, przykładowo jak mamy silnik 20 kW na 80 VDC to pobiera on ok 250 A, kable doprowadzające i szczotki maja ok 0,12 ohm oporu czyli mamy jakieś 7500 W strat w kablach, dla tego to napięcie stosuje się max dla silników kilka kW, np w tym wózku platformowym mamy silnik 5,3 kW straty w nim są małe ok 500 W. Ale jednak jak chcemy mieć bezpieczny samochód (bezpieczne napięcie) to niestety ale trzeba jakoś te straty przetrzymać. Kolejna sprawa to rejestracja, auto na 80 V zarejestrujemy bez problemu, a takie na 200 – 300 V no to juz niestety, ale w Polsce musimy się pomęczyć. Sposób 3

Obroty silnika napędowego można też regulować za pomocą opornicy  niestety. Opornica to chyba najstarszy na świecie sposób regulacji obrotów silnika DC, charakteryzuje się tym, że jest prosta i tania w wykonaniu oraz tym, że są na niej olbrzymie starty energii, ponieważ opornica się mocno grzeje podczas jej użytkowania, ale za to zapewnia dużą liniowość i płynność jazdy oraz ogrzewanie samochodu w zimie (co jest dużym plusem). Rysunek 6 przedstawia takie opornice. Rysunek 6a opornice biegowa często stosowaną w lokomotywach PKP, w lecie wytracają się na niej całe MW energii za które firma musi zapłacić i rysunek 6b opornice o płynnej regulacji oporu. Działa też jako ogranicznik momentu obrotowego przy starcie pojazdu.

Nie mniej jak mamy np.: samochód zasilany energią atomową co się zdarzało w historii motoryzacji to możemy użyć opornicy, zapewni ona nam to, że układ sterowania będzie prawie niezniszczalny, spalić falownik czy inny elektroniczny sterownik silnika jest wielokrotnie łatwiej niż opornice, aby ją spalić to już trzeba mieć na prawdę zdolności niezłe, tak, że opornica jest na pewno idiotoodporna, tania oraz prosta.
Sposób 4

O skrzyni biegów juz napisałem wyżej.
Sposób 5

Nie ma obowiązku zmieniania prędkości obrotowej silnika można zmieniać przełożenie. Takie rozwiązanie jest bardzo dobre ponieważ czym niższa prędkość tym większy moment obrotowy mamy, falownik do takiego napędu byłoby łatwiej wykonać, co do silników DC to podłączałoby się je bezpośrednio do źródła zasilania, bez żadnych regulatorów. Rozwiązanie takie wymaga użycia specjalnej skrzyni biegów o ok 25 przełożeniach lub przekładni o płynnej regulacji przełożenia tzw. wariatora, rysunek 7a i 7b przedstawia moja nie kompletna wizje rozwiązania tego problemu. W rysunku 7a ramie zawieszone na przegubie pod katem na osi biegnącej od  sprzęgła przesuwa się w gore i dół, zmieniając biegi. Można też zastosować połałtomatyczne skrzynie biegów z samochodów ciężarowych, problem jest tylko taki że są dość duże gabarytowo i drogie, bardzo drogie.

Oś ma specjalnie wyżłobione rowki wzdłuż całej swojej długości, po tych rowkach właśnie przesuwa się ramie z małym kółkiem napędzającym, przesuwając się w górę lub w dół trafia na przekładkę wycięta poprzecznie ze stożka o gładkiej ścianie i po tej przekładce przesuwa się dalej do góry lub dołu do następnej coraz większej lub mniejszej zębatki z ukośnymi zębami. Na rysunku 7b nie ma co w sumie tłumaczyć, przełożenie zmieniamy za pomocą przesuwania paska klinowego (transmisyjnego) w gore lub dol. Zasadniczo jest to najlepsze rozwiązanie (7b) z 5 przedstawionych przeze mnie, ale żeby ono sprawnie pracowało w  samochodzie potrzebne są szersze badania tego układu, wiec póki co najbardziej sensownym rozwiązaniem napędu będzie sposób 1 i 2, czyli silnik 3-fazowy plus falownik (własnej konstrukcji) i skrzynia biegów lub silnik DC od widłaków. Ostatnio od Marcina dostałem parę bardzo ważnych informacji na temat przekładni o płynnych regulacjach przełożenia, takich jak na rys. 7b. Foto poniżej pokazuje pewne rozwiązanie problemu. Widać 2 stożki pomiędzy, którymi jest umieszczony stalowy pierścień. Jest on bardzo mocno  dociśnięty do stożków. Do jego przesuwania potrzebny jest specjalny mechanizm. Inne rozwiązanie pokazuje foto po prawej. Chyba nie trzeba nic tłumaczyć bo widać jak działa. Pas przenoszący napęd jest ze stali. Takie rozwiązanie wydaje się być mniejsze gabarytowo. Okazało się, że wiele firm produkuje samochody spalinowe z takimi skrzyniami biegów, miedzy innymi mało udane konstrukcje fiata i bardzo udane konstrukcje nissana. Wszystkie prawie skutery dziś maja właśnie taki rodzaj skrzyni biegów. Istnieją też inne jeszcze rozwiązania, pokazują je poniższe rys.
Na rysunkach widać, że po stożkach, stożkach hiperbolicznych i walcach przesuwa się małe kółko wykonane z metalu lub twardej gumy. Były też pomysły na wykonanie takiej przekładni z użyciem elektromagnesów. Dodam jeszcze, że angielskie nazwy tych urządzeń to CVT Transmission, CVT Drive albo Multitronic gearbox. Poniższy film pokazuje taki CVT lub po polsku wariator w akcji. Plik WMV (Windows Media Player), rozmiar ok 740 kB.
Polecam też ciekawe skany z książki o wariatorach, które nadesłał jeden z czytelników. Ściągnij plik ZIP. Warto również obejrzeć plik PDF z opisami wariatorów fabrycznych.

Poniżej polskie wariatory – obraz przesłany mi na meila przez jednego z czytelników strony, wielki dzięki za to.