Του Λουκά Μπαφατάκη, Μηχανολόγου-Μηχανικού – ΕΜΠ (MSc)
Η συντριπτική πλειοψηφία των σύγχρονων ηλεκτρικών αυτοκινήτων δεν διαθέτει σασμάν, ή ορθότερα, κιβώτιο ταχυτήτων. Υπάρχουν 3 κύριοι λόγοι γι’αυτό, αλλά πρώτα ας εξηγήσουμε τι είναι το κιβώτιο ταχυτήτων και τι κάνει σε ένα κλασικό, θερμικό όχημα. Έτσι θα αντιληφθείτε πιο εύκολα γιατί το κιβώτιο δεν απαιτείται στα ηλεκτρικά οχήματα. Επίσης θα επιχειρήσουμε να εξηγήσουμε σε ποιες περιπτώσεις είναι χρήσιμο σε ένα EV και ποια τα πλεονεκτήματά του.
Τι είναι το κιβώτιο ταχυτήτων και ποιος ο ρόλος του
Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, σε αντίθεση με τους ηλεκτροκινητήρες, δεν παράγουν αρκετή ροπή κοντά στο ρελαντί ή σε χαμηλό ρυθμό περιστροφής γενικότερα. Έτσι, δεν μπορούν να θέσουν το όχημα σε κίνηση, αφού πρέπει να αυξηθούν οι RPM τους (στροφές ανά λεπτό) για να παράξουν αρκετή ροπή. Ωστόσο, το διαθέσιμο, ωφέλιμο εύρος RPM είναι περιορισμένο (π.χ. από τις 1.000 έως τις 6.000 RPM). Αυτό σημαίνει οτι μια “μικρή” σχέση μετάδοσης μπορεί να κινήσει το όχημα από στάση, αλλά δεν μπορεί να του προσφέρει μεγάλη τελική ταχύτητα. Γι’αυτό χρησιμοποιούμε τα κιβώτια ταχυτήτων. Συνοπτικά, ένα κιβώτιο ταχυτήτων συνδυάζεται με την τελική σχέση μετάδοσης για να πολλαπλασιάσει τη ροπή του κινητήρα που φθάνει στους τροχούς.
Ας ξεκινήσουμε με το τι είναι οι σχέσεις μετάδοσης. Υποθέτουμε οτι έχετε επιλέξει την 1η σχέση στο όχημά σας. Επίσης υποθέτουμε οτι το γρανάζι της προσφέρει σχέση μετάδοσης 3:1. Αυτό σημαίνει οτι η ροπή που παράγει ο κινητήρας ανά πάσα στιγμή πολλαπλασιάζεται με το 3. Για να μάθουμε την τελική ροπή στον τροχό, όμως, λαμβάνουμε υπ’όψιν και την τελική σχέση μετάδοσης (FGR). Αν είναι επίσης 3:1, τότε η ροπή στον τροχό είναι 3×3=9 φορές μεγαλύτερη της ροπής του κινητήρα. Για παράδειγμα, αν ο κινητήρας σας παράγει 200 Nm ροπής σε δεδομένες RPM, τότε με 1η σχέση στο κιβώτιο η ροπή που “στρίβει” τους τροχούς είναι 200×9=1.800 Nm.
Χωρίς την “κοντή” 1η σχέση, λοιπόν, θα μας ήταν πολύ δύσκολο να εκκινήσουμε το όχημα από στάση. Το κιβώτιο ενός αυτοκινήτου είναι σχεδιασμένο ειδικά για τον κινητήρα του. Έτσι συνδυάζει ιδανικά την ισχύ και τη ροπή του όπως και τον τρόπο που αποδίδει τα μεγέθη αυτά. Αποτέλεσμα, ο ιδανικός συνδυασμός επιτάχυνσης, τελικής ταχύτητας και φυσικά, οικονομίας καυσίμου.
Παρά την αλματώδη εξέλιξη των λύσεων αυτών, τα κιβώτια παραμένουν ένα “αναγκαίο κακό”. Έχουν αδυναμίες που επηρεάζουν πολλά μηχανικά μέρη του οχήματος, αυξάνουν την κατανάλωση και τις απώλειες ενέργειας (λόγω εσωτερικών τριβών).
Τι γίνεται με τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα;
Οι ηλεκτροκινητήρες και τα EVs έχουν 3 εγγενείς ιδιότητες που λύνουν τα προβλήματα με το κιβώτιο ταχυτήτων και σε πολλές περιπτώσεις τα καθιστούν αχρείαστα. Αυτές οι ιδιότητες είναι οι εξής:
- Υψηλή ροπή από σχεδόν μηδενικές RPM
- Μεγάλο εύρος RPM
- Ηλεκτρονικά περιορισμένη τελική ταχύτητα
Ας τις δούμε μια προς μια. Η υψηλή ροπή από μηδενικές RPM έχει προφανές όφελος. Αν έχουμε υψηλή ροπή από μηδενικές RPM, δεν χρειάζεται να την “πολλαπλασιάσουμε” για να κινηθεί το όχημα από στάση και με μικρές ταχύτητες. Άρα, δεν χρειαζόμαστε κιβώτιο ταχυτήτων.
Η 2η ιδιότητα είναι ίσως και η σημαντικότερη, όμως. Καθώς ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να περιστραφεί έως και τις 20.000 RPM, πρακτικά το ωφέλιμο εύρος του είναι… 20.000 RPM! Έτσι, μπορεί με μια, σταθερή σχέση μετάδοσης, να κινήσει το όχημα από τα 0 Km/h έως και την τελική του ταχύτητα, συνήθως. Εδώ διαδραματίζει το ρόλο της και η 3η ιδιότητα, αυτή της περιορισμένης τελικής ταχύτητας. Η οποία, βέβαια, δεν υφίσταται μόνο για να μας αρκεί μια σχέση μετάδοσης, αλλά και λόγω του σχετικά μικρού ενεργειακού περιεχομένου μιας μπαταρίας σε σύγκριση με των ορυκτών καυσίμων.
Ας δούμε την BMW i4 eDrive 40 ως παράδειγμα. Έχει μέγιστη ροπή 430 Nm από τις 0 έως τις 5.000 RPM και σχέση μετάδοσης 11,115:1. Αυτό μεταφράζεται σε ροπή στους τροχούς 430×11,115=4.780 Nm! Τώρα καταλαβαίνετε γιατί τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, εν γένει, είναι ο “βασιλιάς των φαναριών”.
Ας υποθέσουμε οτι η τελική ταχύτητα του αυτοκινήτου είναι 190 Km/h. Κοντά σε αυτήν, ο ηλεκτροκινητήρας περιστρέφεται στις 16.500 RPM. Με τυπική ταχύτητα κίνησης σε αυτοκινητόδρομο (130 Km/h), περιστρέφεται στις 11.300 RPM. Όπως αντιλαμβάνεστε, το εύρος RPM του ηλεκτροκινητήρα είναι αρκετό για να “εξυπηρετήσει” ένα μεγάλο εύρος ταχυτήτων. Έτσι, δεν απαιτείται κιβώτιο ταχυτήτων.
Το παράδειγμα των Porsche και Audi
Η Porsche Taycan και το Audi e-Tron GT χρησιμοποιούν κιβώτιο ταχυτήτων 2 σχέσεων στον πίσω ηλεκτροκινητήρα. Γιατί συμβαίνει αυτό; Ιδανικά θα θέλαμε σε ένα performance EV, μια “κοντή” σχέση μετάδοσης για μικρές και μέσες ταχύτητες, για μέγιστη επιτάχυνση και μια “μακριά” σχέση σε μεγαλύτερες ταχύτητες, ώστε να επιτυγχάνεται υψηλότερη τελική ταχύτητα διατηρώντας χαμηλά τις RPM του ηλεκτροκινητήρα.
Διατηρώντας τις RPM χαμηλά πρώτον βελτιώνουμε την αποδοτικότητα του ηλεκτροκινητήρα, η οποία μειώνεται πάνω από ένα ρυθμό περιστροφής (εξ’αιτίας δυνάμεων back-EMF ή Counter-electromotive force αλλά και των ρευμάτων Eddy, για περισσότερες πληροφορίες, google search!). Έτσι μειώνονται οι απώλειες, άρα και η κατανάλωση ενέργειας, ενώ αυξάνεται η αυτονομία. Επίσης, προφανώς, δεν περιστρέφουμε τον ηλεκτροκινητήρα πάνω από τα όριά του, κάτι που θα τον καταπονούσε.
Το πρόβλημα με την υιοθέτηση των κιβωτίων 2 σχέσεων στα EVs είναι το ότι δύσκολα μπορούν να αντέξουν την τεράστια ροπή που παράγεται, σε σύγκριση με ένα “μονοτάχυτο”, fixed κιβώτιο. Ωστόσο, ορισμένοι κατασκευαστές αναπτύσσουν τέτοια κιβώτια για EVs, για τους λόγους που προαναφέραμε. Αν πετύχουν την ευρεία παραγωγή τους διατηρώντας την αξιοπιστία και ένα λογικό κόστος, ίσως δούμε περισσότερα “απλά” EVs να διατίθονται με κιβώτια 2 σχέσεων. Προς το παρόν, όμως, η πολυπλοκότητα και το αυξημένο κόστος δεν αντισταθμίζονται από τα πλεονεκτήματά τους, σε ένα mainstream μοντέλο.
Το πρωτότυπο άρθρο δημοσιεύθηκε στο ArenaEV.com και με την άδεια του αναδημοσιεύθηκε στο Μέσο μας.
Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Ακολουθήστε μας στο Google News, στο YouTube, στο Facebook και στο Instagram!
Δείτε επίσης:
NCM, NCA, LFP, solid-state: Ποια είναι η “καλύτερη” μπαταρία EV;
