BEV, PHEV czy HEV: różnice wpływające na architekturę

Obecne wysiłki na rzecz upowszechnienia elektromobilności sprawiają, że zarówno więksi, jak i mniejsi producenci OEM dostosowują swoje pojazdy do napędu elektrycznego. Wprowadza to jednak pewien chaos pojęciowy.

Jaka jest różnica między poszczególnymi typami pojazdów? Jak są ładowane i ile kilometrów mogą przejechać do następnego ładowania? Jak ich typ wpływa na kształt architektury? Poznajmy odpowiedzi na te pytania.

Typy pojazdów

Chociaż rynek pojazdów elektrycznych (EV) stanowi na razie niewielki wycinek światowego sektora motoryzacyjnego, to analitycy wieszczą mu błyskawiczny rozwój. Jak wynika z danych Boston Consulting Group, o ile w 2019 r. na pojazdy elektryczne przypadało 8% globalnego rynku, to w 2020 r. udział ten wzrósł do 12%, a prognozy mówią, że do 2026 r. ponad połowa wszystkich sprzedawanych samochodów osobowych będzie miała napęd elektryczny.

Pojazd elektryczny jest terminem dość ogólnym. W rzeczywistości są różne typy pojazdów elektrycznych. W działaniu każdego z nich zasilanie elektryczne odgrywa pewną rolę, ale na tym podobieństwa praktycznie się kończą. Wyróżniamy cztery główne typy:

• Pojazd elektryczny z miękkim układem hybrydowym (mild hybrid electric vehicle, MHEV). W pojazdach MHEV mały akumulator 48 V i silnik elektryczny służą do wspomagania działania silnika spalinowego, aby zmniejszyć zużycie paliwa. W odróżnieniu od pojazdów z pełnym napędem hybrydowym MHEV nie są w stanie jechać wyłącznie dzięki energii elektrycznej, ale silnik spalinowy może być odłączany podczas hamowania, żeglowania i zatrzymywania. Ponadto, nawet gdy silnik spalinowy jest wyłączony, niezwiązane bezpośrednio z jazdą funkcje, takie jak klimatyzacja lub podgrzewanie foteli, mogą być zasilane silnikiem elektrycznym.
  

• Pojazd elektryczny z pełnym napędem hybrydowym (hybrid electric vehicle, HEV): HEV to najbardziej rozpowszechnione i mające najdłuższą historię produkcji pojazdy hybrydowe. Mają dwa napędy: silnik spalinowy i silnik elektryczny z dużym akumulatorem. Gdy samochód rusza, porusza się najpierw za sprawą napędu elektrycznego. Następnie, w miarę nabierania prędkości, uruchamia się silnik spalinowy. Sygnał przełączenia między silnikiem elektrycznym a spalinowym pochodzi z pokładowego systemu komputerowego. Pojazdów HEV nie ładuje się z sieci elektrycznej. W procesie zwanym hamowaniem rekuperacyjnym akumulator samochodu jest doładowywany za każdym razem, gdy kierowca dotknie hamulca. Najbardziej znanym HEV jest Toyota Prius.

• Pojazd elektryczny z napędem hybrydowym i ładowaniem z sieci elektrycznej (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV): PHEV stanowią skrzyżowanie pojazdów z napędem czysto elektrycznym (BEV, patrz poniżej) i hybrydowych (HEV). W pojazdach PHEV, podobnie jak w BEV, znajduje się silnik elektryczny, który można ładować z sieci elektrycznej. Z kolei podobieństwo do hybryd polega na tym, że posiadają się one również silnik spalinowy. PHEV różnią się jednak od hybryd tym, że mogą pokonać dość spory dystans — od 30 do 50 km — tylko na zasilaniu elektrycznym ze względu na większy akumulator i możliwość ładowania go z sieci elektrycznej. Warianty PHEV dostępne są dla takich modeli jak Toyota Corolla i RAV4, Volvo XC40 i BMW serii 3.
  
  
• Pojazd z napędem wyłącznie elektrycznym (battery electric vehicle, BEV): Pojazdy BEV są zasilane tylko prądem, co oznacza, że nie mają silnika spalinowego, zbiornika paliwa ani rury wydechowej. Zamiast tego są wyposażone w co najmniej jeden silnik elektryczny i duży wbudowany akumulator. Akumulatory ładowane są z gniazdka sieciowego. Czysto elektryczne mogą być nie tylko samochody, ale także autobusy, motocykle i hulajnogi, a nawet łodzie.
  

Istnieje jeszcze piąta kategoria, ale na razie w dużej mierze jeszcze na etapie dopracowywania: pojazdy z wodorowymi ogniwami paliwowymi (fuel-cell electric vehicles, FCEV). Pojazd FCEV także jest napędzany silnikiem elektrycznym zasilanym z akumulatora z tą różnicą, że prąd generowany jest przez wodorowe ogniwa paliwowe.

Jak zmienia się architektura

Przejście między poszczególnymi typami pojazdów elektrycznych wiąże się ze sporymi zmianami architektonicznymi.

Rzeczą najbardziej oczywistą jest pojemność akumulatora, która jest mierzona w kilowatogodzinach (kWh). Ponieważ silnik elektryczny w MHEV tylko wspomaga silnik spalinowy, wystarczy mu akumulator o pojemności 1 kWh lub nawet mniej. W pojeździe w pełni hybrydowym akumulator musi być już znacznie większy, na poziomie 8 kWh, aby był w stanie chwilowo przejąć zasilanie napędu pojazdu. Jeszcze większego akumulatora, około 15 kWh, potrzebuje pojazd PHEV, który ma większy zasięg na samym zasilaniu elektrycznym.

W pojeździe czysto elektrycznym (BEV) wszystkie funkcje zasilane są dzięki akumulatorowi, więc jego pojemność wynosi od 40 do 80 kWh, chociaż pojawiają się modele z akumulatorami o pojemności nawet 200 kWh.

Największa zmiana architektoniczna występuje na etapie przejścia z HEV do PHEV. W tym momencie w pojeździe pojawia się zasilanie zewnętrzne — z sieci, zazwyczaj z gniazdka w domu właściciela. Otrzymywanie prądu przemiennego z gniazdka oznacza, że w pojeździe musi być złącze wejściowe prowadzące do pokładowej ładowarki, która zamienia moc na prąd stały (DC) do ładowania akumulatora. Ponieważ urządzenia w pojeździe zasilane są z akumulatora, prąd może być nadal stały, ale wymagany jest falownik, który zamieni go na prąd przemienny do zasilania silników elektrycznych.

W pojazdach PHEV znajduje się zawsze dodatkowe zasilanie w postaci silnika spalinowego oraz mniejszy akumulator, który można naładować w krótkim czasie. Ładowanie pojazdu PHEV w przypadku użycia przewodu ładowania Mode 2, czyli takiego, który może być podłączony do standardowego gniazdka w domu, trwa zazwyczaj kilka godzin.  

Ładowanie pojazdu czysto elektrycznego (BEV) tą metodą może potrwać nawet ponad dobę ze względu na znacznie bardziej pojemne akumulatory. Dlatego właściciele pojazdów BEV decydują się często na montaż specjalnej ładowarki naściennej w domu albo korzystają z publicznych stacji z funkcją przyspieszonego ładowania, która jest w stanie skrócić czas ładowania BEV do niespełna godziny.

Istotnym czynnikiem wpływającym na decyzje w sprawie architektury na etapie przejścia z PHEV do BEV staje się zatem prędkość ładowania. Pojazd czysto elektryczny jest z jednej strony prostszy ze względu na całkowity brak silnika spalinowego, ale z drugiej musi dysponować możliwością ładowania prądem stałym, aby przyspieszyć ładowanie.

Wysoka prędkość ładowania oznacza wyższą moc. O ile w pojazdach z silnikiem spalinowym wystarcza napięcie akumulatorów 12 V, to w pojazdach czysto elektrycznych napięcie akumulatorów wynosi często 350 V, chociaż są producenci, którzy decydują się nawet na 800 V. Wyższa moc to z kolei większe i grubsze przewody oraz złącza, które są w stanie wytrzymać szybsze ładowanie.

Ponadto istnieją różne podzespoły wymagające obniżenia napięcia — zwłaszcza elektronika, która jest zasilana napięciem 12 V lub mniejszym, ale metoda ta najczęściej sprzyja oszczędnościom energii. Producenci OEM stwierdzają, że nawet w pojazdach z miękkim układem hybrydowym zasilanie elementów o większym poborze mocy, jak klimatyzacja i aktywne układy zawieszenia, zasilanie napięciem 48 V może przynieść oszczędności. Napięcie jest wówczas obniżane na potrzeby zasilania elektroniki. Korzystanie z napięcia 48 V usprawnia także włączanie i wyłączanie silnika podczas działania funkcji start-stop.

Wszystkie te elementy — akumulatory, przetworniki, falowniki, przewody i złącza — podnoszą masę i poziom złożoności, ale producenci OEM mogą sobie z tym poradzić, przyjmując przemyślane podejście uwzględniające pełną architekturę elektryczną i elektroniczną, jak oferowana przez Aptiv Smart Vehicle Architecture™.

Wybór i zakup pojazdu elektrycznego wiąże się z podjęciem decyzji, a także kompromisami, które jednak mogą przynieść znaczne korzyści przekładające się na bardziej ekologiczną mobilność. To samo dotyczy projektowania i budowania tych pojazdów.