Miért fogyaszt olyan sokat az autópályán az elektromos autó?

Miért nő meg minden elektromos autó fogyasztása olyan drasztikusan az autópályán? És egy benzines vagy dízel autóban miért nem érezzük ugyanezt? Sőt, a dugattyús motorral szerelt autókban sokszor még alacsonyabb értékek jönnek ki nagy sebességnél, mint városban. Akkor az elektromos miért működik fordítva?

Sajnos a probléma megértéséhez egy kicsit mélyebbre kell ásnunk műszaki témákban, ezért azokat a megállapításokat, amik nagyon technikai jellegűek, szürke dobozokban foglalom össze, viszont ezeket a részeket kihagyva is megérthető a probléma.

A jelenség

Amikor elektromos autókról beszélgetünk, mindig, mindenkit az érdekel, mennyi a hatótáv, hány kilométert mehetünk mielőtt az autó akkumulátora lemerülne. Itt az oldalon ez már egy lerágott csont, ezer meg ezer teszt bizonyítja, hogy a használat körülményei alapvetően meghatározzák egy elektromos autó hatótávját. Aztán folytatódik a beszélgetés és eljutunk oda, hogy mennyit megy el városban, mennyit megy országúton és mennyit autópályán. Tovább boncolgatva az is kiderül, hogy nagyon nem mindegy, 110 km/h-val vagy 130-cal haladunk. Általában ekkor jön a felismerés, hogy mennyire más a villanyautózás, mint a hagyományos. Tudniillik egy villanyautó városban és országúton körülbelül egyformán alacsony fogyasztást produkál, az autópályán viszont a megengedett sebességet enyhén túllépve akár duplájára is nőhet a kWh/100 km előtt megjelenő számadat. Ezzel szemben a belsőégésű motorral hajtott járművek esetén az autópályás és az országúti fogyasztás az alacsonyabb, a városi pedig a magasabb. A 110 km/h és a 140 km/h között pedig alig van 10% fogyasztáskülönbség. Régi típusú automata váltóval szerelt benzinesekben még drámaibb a különbség, ott majdnem duplázódik a városi mérés adata az országútihoz képest.

Na de miért???

A válasz a két motortípus hatásfokában keresendő. Legyen szó akár villanymotorokról, akár robbanómotorokról, nem 100%-os hatékonysággal alakítják át a bevitt energiát mozgási energiává. Sokan hallottuk már, hogy a benzinmotor 30%-os, a dízel motor 40%-os a villanymotor pedig 90%-os hatásfokkal dolgozik. Mielőtt bárki kijavítana, el szeretném mondani, hogy ezek csak körülbelüli maximum értékek. Egyes típusok ennél jobbak, mások kicsit rosszabbak, de az átlag valahol itt van. Sokkal fontosabb ezeknél a konkrét számoknál, hogy egyáltalán nem vonatkoznak minden fordulatszámra és minden üzemállapotra. Vannak olyan körülmények, amikor ennél sokkal rosszabbul teljesítenek, különösen a belsőégésű motorok és ez a legfontosabb az egész történetben.

Belsőégésű motorok hatásfoka

A belsőégésű motorok borzasztóan összetett szerkezetek és nagyon sokfélék is. Ha csak a fő paramétereket nézzük, építenek személyautókba dízel-, benzin-, gázüzemű, 2-16 hengeres, 600-10000 cm3-es, szívó és feltöltött motorokat. Ezek mind más és más, jó és rossz tulajdonságokkal rendelkeznek, a hatásfokról már nem is beszélve. Manapság azonban a legelterjedtebbek a négyhengeres, ~1400 köbcentiméteres, szívóbenzines és turbódízel motorok. Róluk már könnyebb általánosságokat mondani. Kijelenthetjük például, hogy a fordulatszám tartományuk 1000 rpm (fordulat per perc) és 7000 rpm közé esik, hatásfokuk pedig erősen függ a terheléstől és az aktuális fordulatszámtól.

Az ábrán egy átlagos belsőégésű motor hatásfokát (Efficiency) láthatjuk a fordulatszám (rpm) függvényében. A különböző görbék különböző motorterheléseket (load) jelentenek. A hatásfoknál a 0,3 jelenti a 30%-ot.

Minden motornak van egy optimális terhelés-fordulatszám kombinációja, ahol a legjobb a hatásfoka. Általában a maximális terhelés közelében és a maximális fordulatszám kétharmadánál található ez a pont. Ha ebben a tartományban üzemeltetjük a motort, fajlagosan sokkal kevesebbet fog fogyasztani. Városi közlekedésben, a sok elindulás miatt alacsony fordulatszámon és gyorsan változó vagy alacsony terheléssel járatjuk a motort. Csúsztatjuk a kuplungot, vagy az automata váltó nyomatékátalakítója dolgozik, ezzel jelentős energiaveszteséget okozva. Plusz a gyorsításkor megszerzett mozgási energia fékezéskor azonnal elvész. Az alapjárat fenntartására fordított energia már csak hab a tortán. A start-stop rendszerek alkalmazásával az alapjárati veszteség csökkenthető vagy meg is szüntethető, mivel azonban nem ez a jelentős tétel, inkább csak a lelkünknek tesz jót. A városi körülmények láthatóan nem ideálisak a belsőégésű motor számára. Ezért zseniális dolog városi használatra a Toyota (vagy más gyártók) hibrid hajtásrendszere, mert egy kiegészítő villanymotorral igyekszik a benzinmotor fordulatszámát és terheltségét abban a tartományban tartani, ahol még nem ugrik meg drasztikusan a fogyasztás. Plusz fékezéskor a mozgási energia egy részét eltárolja a következő gyorsításhoz, nem hagyja az egészet kárba menni.

Kiérve az egyenes országútra, felvesszük a kilencvenes tempót, legmagasabb sebességi fokozatba kapcsolunk (az automata is) és egy teljesen más üzemállapot veszi kezdetét. Ilyenkor jellemzően a maximális fordulatszám egyharmadával pörög a BÉM és erejének 30-40%-át használjuk ki. A terhelés és a fordulat is egyenletessé válik. Ez az üzemállapot is messze áll attól a bizonyos fogyasztásoptimumtól de sokkal kedvezőbb, mint a városi elindulások. Az autó légellenállása, a közepes sebesség miatt még nem jelent olyan nagy leküzdendő akadályt a hajtásnak, ezért ebben a tartományban haladva jelentősen visszaesik a tüzelőanyag étvágya a városihoz képest.

Az autópályára érve, 120 km/h fölött már jelentősen megnő a légellenállás. A motor maximális nyomatékának itt már 70-80%-át is ki tudjuk használni a fordulatszám pedig elérheti a tiltáshatár kétharmadát is. Ez a használat az, ami a leginkább megközelíti az optimumot de mivel a légellenállás megnőtt, többlet energiát kell bevinni a haladáshoz. Tehát amennyit nyertünk a hatásfokon, azt elveszítjük a légellenálláson (nagyobb sebességnél még többet veszítünk). Ezért van az, hogy nincs jelentős, akár 50% fogyasztásnövekedés az országúti használathoz képest, mint a villanyautóknál.

Elektromos motorok hatásfoka

Az elektromos motor hatásfoka álló helyzetből alacsonyról indul de néhány fordulat után gyorsan eléri a 95%-ot is. A teljes terhelési tartomány a Rated operating point-ig tart, ahol látható, hogy csak egészen minimális terheléseknél, – például amikor tolatunk be óvatosan a garázsba – rossz a hatásfok. A gyártók igyekeznek úgy méretezni kocsiba épített motort, hogy a lehető legtöbb használati módban jó hatásfokkal dolgozzon.

A képen egy átlagos villanymotor néhány jellemző görbéje látható. A vízszintes tengelyen a terhelés (Tourque load) látható. A zöld színnel rajzolt görbe mutatja a hatásfokot. A valós használati tartományt egy függőleges vonal határolja (Rated operating point).

Nézzük mi történik amikor egy villanyautóval a városban haladunk. Alacsony fordulatszámról indulunk de viszonylag nagy terheléssel. A hatásfok néhány méter után már 90% felett jár. A légellenállás még nem tesz ki jelentős részt, a legtöbb áram mozgási energiává alakul. Fékezéskor aztán ennek a mozgási energiának egy része a generátorként üzemelő motoron keresztül visszavándorol az akkuba. Nincs alapjárat, tehát ha egy lámpánál várakozunk, az autó motorja nem fogyaszt semmit, csak a kényelmi berendezések egy picit.

Szóval vissza a villanymotor hatásfokára. Már nulla fordulattól rendelkezésre áll a teljes nyomaték és a hatásfok is nagyon hamar eléri a 80%-ot. Amikor a városi körülmények között hajtjuk elektromos autónkat, a gyorsítások sok energiát emésztenek fel, viszont a fékezéskor, a mozgási energia nagy része visszajön. Fontos viszont, hogy nem a teljes lámpától lámpáig tartó út energiája rekuperálható, csak az, amit a gyorsításhoz használtunk. Azok az elektronok, amik az egyenletes haladás megtartásához járultak hozzá, nem visszanyerhetők, mert ők a menetellenállás leküzdésében szorgoskodtak. Ezzel együtt a városi fékezés, gyorsítás, fékezés sokkal ideálisabb körülmény a villanymotor számára, mint belsőégésű motornak.

Mi a helyzet az országúttal? Egyenletes, közepes sebességű haladás esetén a légellenállás még kicsi a motor pedig szinte fogyasztásoptimumon dolgozik. Ezért van az, hogy az elektromos autóknak 60-80 km/h-ás sebességtartományban a legkedvezőbbek az utazási feltételei. Ahogy növeljük a sebességet, a légellenállás és a gördülési ellenállás is egyre számottevőbb és a motor fordulatszámának emelkedésével egy hangyányit csökken a hatásfok is. Ez a három tényező együttesen okozza az exponenciálisan növekvő elektronétvágyat. 140-150 km/h-ánál (már amelyik villanyautó nincs ennél is alacsonyabb sebességre korlátozva) akár duplájára emelkedhet. A légellenállás ráadásul nem lineárisan, a sebességgel arányos módon, hanem négyzetesen nő. Tehát ha kétszeresére nő a sebesség, a légellenállás miatti veszteség megnégyszereződik!

A villanyautósok tapasztalatai alapján a valós – GPS-el mért – 110 km/h egy olyan sebesség, amivel még nem képezünk útakadályt az autópályán és elfogadhatóan alacsonyan tartható a fogyasztás, azaz elfogadhatóan nagy lesz a hatótáv.

A fő különbség

A két hajtásmód között az a legfőbb különbség, hogy amíg a belsőégésű motorral szerelt járművek a városban nagyon rossz hatásfokkal dolgoznak, a várost elhagyva annyit javul a hatásfok, hogy az képes kompenzálni a megnövekedett menetellenállást. Ezzel szemben a villanymotor hatásfoka mindenhol majdnem ugyanolyan magas ezért a menetellenállás növekedésével együtt nő a fogyasztás is. Plusz a városban a visszatöltéses fékezésnek köszönhetően még több energiát képes megtakarítani.

Tehát nem a villanyautó fogyasztása túl magas az autópályán, hanem a hagyományos autók fogyasztása borzasztóan nagy a városban!

Magyar Péter

Villamosmérnökként szakmai csodálattal tekintek minden elektromos járműre, ugyanakkor azt látom, hogy sok az ismerethiányból adódó ellenérzés irántuk. Írásaimmal ezen szeretnék pozitív irányban változtatni!