Technologie elektrifikace: co dělá elektromobily složité a nákladné

O elektromobilech toho víme už spoustu a skoro bych si troufl tvrdit, že většina z nás už nějakým tím elektrifikovaným modelem někdy jela. Nenechte se zmást pojmy, elektrifikace je zde použita naprosto správně. Je jí míněno především zavádění nízkoemisních technologií do konvenčních automobilů, a to za pomoci elektrických komponent, jenž mají přímo či nepřímo, méně či více sloužit k pohonu vozidla. Začít bychom tak mohli klidně už u klasického start-stop systému, díky němuž je možné delší dobu stát v klidu bez nastartovaného motoru, mild-hybridy pak jen doplňují 48V systém, s nimž lze i delší dobu tzv. „plachtit“ (bez zapnutého motoru), klasické hybridy asi není potřeba popisovat, plug-in verze doplňují větší baterii a umožňují delší dojezd na elektrickou energii a jakýmsi vrcholem elektrifikace jsou elektromobily. „Fíha,“ máme to za sebou. Neděste se ale, byť dnes bude řeč především o technice, nesrozumitelně odborných textů se od nás ale nedočkáte. Proč jsem se ale hned v úvodu pustil do zdánlivě banálnímu vysvětlení pojmů? Jednoduše. Dost možná s velkým překvapením se totiž společně s námi dozvíte, že čistý elektromobil není tím nejsložitějším prvkem čisté mobility. Jasně, všichni víme, že jsou elektromobily drahé především pro nákladnost velkých akumulátorů. Čím více chceme takové moderní auto používat jako plnohodnotné (s co nejmenším omezením), tím větší má baterii, tím dražší je. Je to skoro jako začarovaný kruh, neboť společně s velikostí baterie jde ruku v ruce i hmotnost, jejíž přírůstek snižuje efektivitu a kolikrát i třeba vnitřní prostor. Zpět ale od předčasných závěrů. Dnes bude řeč především o dvou „nejvyšších“ stupních čisté mobility – plug-in hybridech a elektromobilech. Z technického workshopu nedávno vzniklé luxusní automobilky DS Automobiles si toho odnášíme mnoho, a právě to vám máme v plánu v tom nejlepším možném podání zprostředkovat. DS totiž v letošním roce uvádí několik převratných novinek. Úkolem ale v tuto chvíli není jejich kompletní představení, nýbrž rozbor technologie E-TENSE a jejich jednotlivých prvků. Laicky řečeno se podíváme do útrob plug-in hybridu DS 7 E-TENSE 4×4 a elektromobilu DS 3 E-TENSE, zjistíme, jak se snaží výrobce docílit co nejvyšší efektivity, jak sladil dohromady jednotlivé komponenty a odpovíme i na několik klíčových otázek, co se elektrifikace týče – třeba na to, proč si musíme za takovou technologii připlácet. Jdeme na to!

 

Začněme tím jednodušším: čistý elektromobil

Co se týče prvotních očekávání, předsudků či reálných charakteristik elektromobilu, bylo mnohé zmíněno už v úvodu. Elektromobily bych si dovolil z hlediska stavby (myšleno přizpůsobení pro zástavbu ekologického pohonu) rozdělit do tří kategorií: 1.) vozy od nuly vyvíjené jako elektrické (třeba Nissan Leaf či BMW i3), 2.) z druhého konce naopak konvenční automobily, do nichž byla dodatečně namontována elektrická pohonná jednotka (a další komponenty) – třeba VW e-Golf a konečně za 3.) auta vyráběna od začátku na platformě přizpůsobené spalovacím motorům i elektrickým verzím. Ptáte se, proč vám tohle všechno říkám, nevidíte rozdíl? Je tam, a to velký. Z hlediska efektivity koncového produktu by se dalo tvrdit, že nejvhodnější je kategorie první. Pak se ale z hlediska výrobce dostáváte do úskalí, kdy je vzhledem k počtu vyrobených kusů vývoj natolik nákladný, že prostě nejde taková auta vyrábět „levně“. Druhá kategorie pak trpí několika nedostatky – nižší efektivitou, nižším dojezdem (z důvodu nemožnosti zástavby větší baterie) a případně i omezeným vnitřním prostorem (způsobeným právě zástavbou technologie, s níž nebylo předem počítáno). No a konečně za třetí tu je ta skupina, která by měla být jakýmsi kompromisem mezi oba světy. Právě touto cestou jde i DS Automobiles. Prostor v kabině i objem zavazadlového prostoru jsou tak zcela stejné jako u verze se spalovacím motorem. Baterie o objemu 220 l jsou umístěny pod podlahou vozu. Více informací o DS 3 Crossback E-TENSE najdete v samostatném článku k jeho uvedení ZDE.

Akumulátory: alfa a omega elektromobilu

Nezdržujme a pojďme se konečně podívat na konkrétní prvky poháněcí soustavy a začněme hned tím nejdůležitějším – trakčním akumulátorem. Konkrétně lithium-iontová baterie v DS 3 E-TENSE se spoléhá na kapacitu 50 kWh, váží cca. 350 kg, má 18 modulů, 12 článků v jednom modulu. Teď jsem vás dost možná zahltil daty, jejichž většina vám k ničemu zřejmě nebude. Doplním tak několik zajímavých poznatků, v roce 2019 činila průměrná cena 1 kWh lithium-iontové baterie zhruba 156 USD (3.720 Kč ke dni vydání článku), výrobně tak samotná baterie v DS 3 E-TENSE vychází na obstojných 185.991 Kč. To rozhodně není málo. Po chvilce brouzdání po internetu ale dojdete k závěru, že mohlo být hůř. Od roku 2010 totiž spadla průměrná cena 1 kWh akumulátoru z 1.183 USD na oněch 156 USD. Neuvěřitelné? Alespoň je nám jasné, kde je jeden ze zádrhelů elektromobility. Po stránce technické je pak u takto velikého akumulátoru velmi důležité chlazení. To vím i já osobně na vlastní zkušenost – třeba s nejmenovanou elektrickou dodávkou mi zadělalo na problémy při vyšší zátěži (jízdě na dálnici) a následné nutnosti nabíjení na rychlonabíječce (postupně se rychlost snižovala až skoro na úplné minimum). DS řeší chlazení kapalinou vedenou vnějším potrubím pod karoserií (na boku spodní části akumulátoru). Tepelná regulace cirkulací kapaliny (s optimální teplotou 35 – 40 °C) spojená s chladicím okruhem kabiny umožňuje rychlé dobíjení (použití výkonu až 100 kW a s tím související dobití z 0 na 80 % za 30 minut), optimalizovaný dojezd a vyšší životnost baterie. Na baterii tak výrobce dává záruku 8 let nebo 160 000 km se zbývající kapacitou 70 %. Chladící okruhy má DS 3 E-TENSE hned tři – 1.) Okruh s vysokou teplotou (max 80°C) – výměník topení, ohřívač kapaliny, 2.) Okruh s nízkou teplotou (max 60/70°C) – palubní nabíječ, e-motor, chladič a Okruh s velmi nízkou teplotou (max 35/40°C) – trakční akumulátor, chiller.

 

Plug-in hybrid: tak trochu z obou světů (ze spalovací i elektrické tváře DS 7 CROSSBACK)

Ač se to z podstaty nižší míry elektrifikace nezdá, výše zmíněná plug-in hybridní technologie E-TENSE rozhodně není jednodušší, než plnohodnotný elektromobil. I vzhledem ke skutečnosti, že je vlajkový model značky DS dodáván, co se elektrifikace týče, výhradně ve verzi E-TENSE 4×4 (tedy s 300 koňmi systémového výkonu a pohonu všech čtyř kol), jde o velmi propracovaný systém, který má za cíl především efektivně kombinovat výhody obou světů – elektromobilního i konvenčního spalovacího. Často (a to kupodivu z řad fanoušků obou kategorií) bývají plug-in hybridy terčem kritiky v tom smyslu, že místo výhod naopak čerpají ty nevýhody (vyšší hmotnost a nižší dojezd elektromobilů a spotřeba spalovacího motoru). Z časti lze tato tvrzení považovat za pravdivá, ale to jen do té doby, než se podíváme hlouběji pod kapotu a vyzkoušíme vše na vlastní kůži. Ostatně právě této části (vlastní zkušenosti) se věnujeme v plnohodnotném redakčním testu. Poháněcí soustava DS 7 Crossback E-TENSE má své specifikum především v především v pohonu 4×4. Pokud má takový vůz tzv. „dostatečně nabito“, upřednostňuje jako hnanou především zadní nápravu. Ano, skutečně, DS překvapí, neb s nižší zátěží a dostatečným nabitím je zadokolkou. Od akumulátoru ale může jít energie na nápravy obě. Na tu přední se pak dostává k invertoru (e-motoru o výkonu 110 koní) a k převodovce. Směrem vpřed je pak z akumulátoru poháněn i kompresor klimatizace a ohřívač kapaliny s rezistory. Obdobně jde na přední nápravu výkon i ze spalovacího motoru, a to tentokrát s použitím spojky SSC. Technicky jde o základ z osvědčené benzín 1.6 PureTech, která je konkrétně pro tyto účely naladěna na 200 koní (resp. rozpětí 132 – 147 kW). Zajímavostí je pak použití „bezestupňového převodu“ v případě pohonu zadní nápravy. Ze zadního invertoru se totiž výkon na zadní kola přenáší pouze přes reduktor a poté zubovou spojku. Zadní elektromotor (opět s výkonem 110 koní) je díky tomu nastaven tak, aby otáčky rostly plynule se zvyšující se rychlostí a svého maxima dosáhly s maximální rychlostí elektrického pohonu (135 km/h). Při nejmenším tak jde o efektivní řešení, které na rozdíl od pohonu přední nápravy nenese téměř žádné ztráty. A o účinnosti elektromotoru (cca. 90 %) v porovnání s tím spalovacím se snad ani zmiňovat nemusím, že? Je totiž mnohonásobně vyšší.

I plug-in hybrid má akumulátory a technologie se svými specifiky

A není jich málo, musím na nadpis dalšího odstavce navázat. Stejně jako u plně elektrické verze E-TENSE má i tato (plug-in hybridní) technologicky zajímavý akumulátor, ten dosahuje 11,8 – 13,2 kWh kapacity. Opět je mu k dispozici taky vysokonapěťový ohřívač kapaliny s rezistory. Rozdíl oproti plnohodnotné elektrické verzi je pak mimo jiné v nabíjení, vzhledem k nižší kapacitě akumulátoru si DS 7 E-TENSE musí vystačit s AC nabíjením, které je na DC uložitelné do akumulátoru převáděné pomocí palubního nabíječe a měniče DC/DC, a to o výkonu cca 7 kW (nabití z 0 na 100 % za +- 2 hodiny).

Své zajímavosti a specifika skrývá i automatická převodovka. Už jsem to trochu nakousl v povídání o pohonu 4×4 – převodovky tu totiž máme dvě. A zatímco tu jednodušší, uloženou vzadu, sloužící pro náhon zadní nápravy s relativně omezeným výkonem pro případ zcela elektrického pohonu nebo potřeby náhonu na všechna čtyři kola, jsme si již představili, čas na tu složitější, modifikovanou verzi hydrodynamického měniče EAT8 používaného v běžných vozech PSA, přichází až nyní. Jde tedy o tzv. převodovku s elektrickým pohonem nazývanou E-EAT8. Z části je opravdu v podstatě zcela shodná s převodovkou EAT8 (ATN8). I tady platí, že k pohonu slouží hned 8 převodových stupňů. Ke zhruba 2/3 společným komponentům ale přibývá (přímo do vnitřní části) několik specifik k elektrickému pohonu – implementaci Invertoru s elektrickým pohonem olejového čerpadla, e-motoru, vysokonapěťového elektrického čerpadla oleje, tlumiče kmitů hřídele a spojky SSC. Laicky řečeno jde o přidání těch částí, které umožňují elektrický pohon i na přední nápravě. Ani tady nechybí dva okruhy chlazení – elektrické vysokonapěťové komponenty okruhu chlazení s nízkou teplotou a okruh chlazení motoru a topení s vysokou teplotou.

O pohonu zadních kol toho bylo řečeno už hodně. Asi nemá smysl podrobněji vysvětlovat, jak v jednotlivých případech plug-in hybridní DS funguje a ani, kdy a jak je používán pohon 4×4. I to se dočtete v samostatném představení DS 7 Crossback E-TENSE 4×4. Málem bych ale zapomněl ještě na jedno specifikum auta, u něhož se nepředpokládá vysoká spotřeba paliva a tak ani časté tankování. Pokud čekáte, že najednou vytáhnu „triumf“ v podobě extrémně malé palivové nádrže, musím předeslat, že tak tomu úplně nebude. Její objem sice činí „jen“ 43 litrů, to ale v dnešním automobilovém světě není nic vyloženě neobvyklého – počítejme, že jsme o zhruba 10 – 15 % níže, než by se u spalovacího auta dalo čekat. O tomto specifiku jsem ale nyní mluvit nechtěl – jde o rozdělení na dvě části a hlavně systém, který umí v nádrži utvořit přetlak. Ptáte se proč je všechno tohle nutné? U vozidla s hybridním pohonem je při jízdě v elektrickém režimu potřebné oddělit palivovou nádrž od palivového okruhu. Palivová nádrž pak má oddělovací ventil, díky němuž může relativní tlak dosáhnout až na hodnotu 300 milibarů. Z tohoto důvodu je potřebné řídit otevření uzávěru palivové nádrže – její otevření tak neprobíhá standardně (pouhým zmáčknutím víčka nádrže), nýbrž tlačítkem uvnitř vozu, na základě čehož dojde ke snížení tlaku a nádrž se otevře.

 

Technických inovací E-TENSE skýtá tolik, že ani celý článek nestačí…

A skutečně, hlavním zjištěním dnešního workshopu (pokud to nebylo zřejmé z předešlých řádků) je to, že elektrifikace není ničím jednoduchým. Mohlo by se zdát, že zasazení většího akumulátoru do útrob konvenčního vozu a přidání více či méně silného elektromotoru není nic složitého. To bychom se ale bavili možná tak o mild-hybridu. A ani dnes jsme nezmínili všechny inovace, které v sobě E-TENSE skrývá. Řeč nebyla například o rekuperaci brzdné energie, kterou už u elektrifikovaných modelů považujeme takřka za samozřejmost a vlastně už tak nějak všichni víme, oč tu běží. DS k tomu využívá systém nazvaný I-BOOSTER. Díky několika komponent zvládne většinu brzdných úkonů pomocí rekuperace a nezapojuje tak klasické kotoučové brzdy. Díky tomu kotouče více vydrží a efektivita provozu takového vozu jde především ve městě i o desítky procent nahoru. Závěrem bych z řad dalších novinek a technikálií, do nichž se ani z pozice redaktora nechci pouštět, zmínil systém FLEXRAY – komunikační informatický systém používající informační sběrnici. Její vznik je výsledkem iniciativy sdružení výrobců automobilů, výrobců automobilového příslušenství a společností specializovaných na problematiku polovodičů. Pro DS je tento systém klíčový v oblasti efektivního řízení všech technologií vozů označovaných jako E-TENSE. Mezi jeho hlavní charakteristiky patří: vysoká hrubá maximální rychlost: 10 Mb/s na dvou kanálech (A a B), tj. 20 Mb/s, datové pakety až 254 bytů dat, redundance kanálů pro zabezpečení aplikací a mechanismy tolerance vůči chybám. Teď už vás ale nebudu zatěžovat dalšími daty. O elektromobilech i plug-in hybridech 21. století toho bylo řečeno už hodně. Snad jen nezbývá dodat nic jiného než, že tahle budoucnost nevypadá vyloženě špatně a při určitém způsobu použití (use case) dává opravdu smysl. Je špatné tvrdit, že je ta či ona technologie pro každého (každá pro někoho jiného, s jinými potřebami), ale určitý smysl opravdu dává. A mě nezbývá, než jen doporučit tyhle novinky „okusit“ třeba tak, jak jsme to už učinili my.

 

Jan Novotný