Ηλεκτρικά αυτοκίνητα: Πώς η ασύρματη φόρτιση αλλάζει τα δεδομένα

Συνδεθείτε στο ασύρματο μέλλον. Η ασύρματη επανάσταση, εκτός από τα πρωτόκολλα επικοινωνίας Wi-Fi, Bluetooth, NFC, επεκτείνεται και στα συστήματα φόρτισης.

Ξεκινώντας από τα smartphones μας, αυτό θα φτάσει και σε οχήματα εξοπλισμένα με μπαταρίες, για να μπορούν να ανεφοδιάζονται χωρίς τη χρήση καλωδίων. Η φυσική αρχή είναι η ίδια, αυτή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, η οποία επιτρέπει τη μετάδοση ρεύματος χωρίς καλώδια.

Απαιτείται ένα σύστημα εκπομπών, τοποθετημένο στο έδαφος ή ενσωματωμένο κάτω από την επιφάνεια, και ένα αντίστοιχο υποδοχής, που εφαρμόζεται στο κάτω μέρος του οχήματος.  Είναι θεωρητικά η ιδανική λύση για τα μέσα μαζικής μεταφοράς, για την κοινή χρήση αυτοκινήτων, ταξί και φορτηγών, αλλά και για τα αυτοκίνητα ασφαλείας.

Δεν είναι τυχαίο ότι η BMW το δοκίμασε για το i8 που οδηγούσε ο διευθυντής αγώνων στη Formula E E-Prix και για σύντομο χρονικό διάστημα, το πρόσφερε και στη Γερμανία ως εγχώριο αξεσουάρ για τα plug-in υβριδικά της.

Αυτή τη στιγμή, οι επιτεύξιμες ισχύς είναι 60-80 kW, με απόδοση γύρω στο 65%, αλλά ο στόχος είναι με τα χρονοδιαγράμματα ακόμα ασαφή, για 350 kW και αποδόσεις πάνω από 90%. Σύμφωνα με τη McLaren, το 2050 η Formula 1 θα είναι ηλεκτρική και τα μονοθέσια θα επαναφορτίζονται ασύρματα ενώ σταματούν στα πιτ ή οδηγούν κατά μήκος του pit lane.

Δυναμική ασύρματη φόρτιση αυτοκινήτων: Πώς λειτουργεί και ποια είναι τα πλεονεκτήματά της

Αυτή η τεχνολογία ονομάζεται δυναμική ασύρματη φόρτιση, αρκετοί κατασκευαστές εργάζονται σε αυτήν, συμπεριλαμβανομένων των ομίλων Hyundai και Stellantis και οι δοκιμές της έχουν ήδη ξεκινήσει στη Σουηδία και κυρίως, στην Ιταλία, χάρη στο έργο «Arena of the Future», το οποίο είναι αποτέλεσμα των εργασιών μιας μεγάλης και εξειδικευμένης κοινοπραξίας που κατασκεύασε το πρώτο πιλοτικό εργοστάσιο κοντά στην έξοδο Chiari Ovest της Μπρέσια του αυτοκινητόδρομου A35 Brebemi.

Είναι ένας δακτύλιος μήκους 1.050 μέτρων, με πηνία βυθισμένα δώδεκα εκατοστά κάτω από την επιφάνεια, ικανός να επαναφορτίσει ένα Fiat Nuova 500 έως και 30 kW και ένα λεωφορείο Iveco στα 90 kW, κατάλληλα τροποποιημένο, αλλά η ισχύς και η ταχύτητα προορίζονται να αυξηθούν στη πορεία. Η δομή 1 MW ελέγχεται μέσω οπτικών ινών και δικτύου 5G, για να προσφέρει μέγιστη ασφάλεια και ολοκληρώνεται από δύο στατικές ασύρματες θέσεις ισχύος έως 75 kW.

Μελετάται και η εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος. Η απόδοση φόρτισης είναι 87% και το αναμενόμενο κόστος για τη δημιουργία κάθε χιλιομέτρου αυτοκινητόδρομου είναι 1,5-2 εκατ. ευρώ.

Χάρη στα δυναμικά δίκτυα φόρτισης, τα αυτοκίνητα και τα εμπορικά και βαρέα οχήματα θα μπορούσαν να αντιμετωπίσουν μακρινά ταξίδια χωρίς στάση και ως εκ τούτου να αντέξουν οικονομικά, ώστε να έχουν μικρότερες, ελαφρύτερες και λιγότερο ακριβές μπαταρίες. Το μέλλον των ενεργειακών δικτύων, είναι να γίνουν σαν δίκτυα δεδομένων, επομένως πολλαπλών κατευθύνσεων και ικανών να βελτιστοποιούν την παραγωγή, τις ροές και την αποθήκευση.

Σύμφωνα με αυτή την έννοια, οποιοσδήποτε μπορεί να είναι παραγωγός, συντηρητής και χρήστης ενέργειας. Συμβαίνει ήδη με φωτοβολταϊκά συστήματα εξοπλισμένα με αποθήκευση, τα οποία αυξάνουν την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας και εξισορροπούν το δίκτυο χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν λιγότερο, καθιστώντας το πιο αποδοτικό και προστατεύοντάς το από αιχμές της ζήτησης.

Μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων: Πώς θα αλλάξουν στο μέλλον

Στο μέλλον, τα ηλεκτρικά οχήματα θα συμμετέχουν επίσης σε αυτό το μεγάλο διαδραστικό, έξυπνο και ανιχνεύσιμο ενεργειακό δίκτυο μέσω V2X, ή «όχημα με οτιδήποτε», το οποίο μπορεί να χωριστεί σε V2G, V2B, V2H και V2L. Το V2G (όχημα προς δίκτυο), λειτουργεί μέσω αμφίδρομων στηλών, ικανών όχι μόνο να διοχετεύουν ενέργεια στο όχημα, αλλά και να το διαθέτουν, πληρώνοντας στον ιδιοκτήτη του ένα τέλος.

Με αυτόν τον τρόπο μεγιστοποιείται τόσο η χρήση του οχήματος, όταν είναι ακίνητο, όσο και η ενέργεια. Η ιδέα, που γεννήθηκε τη δεκαετία του ’90 στην Καλιφόρνια, επανακυκλοφόρησε στην Ιαπωνία με στόχο να μετατρέψει τα BEV και τις κυψέλες καυσίμου υδρογόνου σε γεννήτριες, σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης και καταστροφών. Πολλές ενεργειακές εταιρείες κάνουν πειράματα, όπως αυτό που υλοποίησε η Stellantis, με την Engie και την Terna στο Μιραφιόρι.

Το V2B (από όχημα σε κτίριο) και το V2H (από όχημα σε σπίτι), από την άλλη πλευρά, περιλαμβάνουν ανταλλαγή ενέργειας απευθείας με ένα γενικό κτίριο, όπως χώρος εργασίας, εμπορικό κέντρο, εστιατόριο κ.λπ. και με το σπίτι, χωρίς διέλευση το δίκτυο. Το V2L, που είναι ήδη σε λειτουργία, επιτρέπει να χρησιμοποιήσετε την μπαταρία του οχήματος για να επαναφορτίσετε άλλες ή να τροφοδοτήσετε εξωτερικές συσκευές.

Η μπαταρία είναι ο πραγματικός «κινητήρας» του ηλεκτρικού αυτοκινήτου, επομένως, το μέλλον της κινητικότητας με μηδενικές εκπομπές ρύπων, εξαρτάται από τις εξελίξεις του. Πρέπει να το κάνουμε πιο ελαφρύ, πιο συμπαγές, πιο ασφαλές, πιο γρήγορο στην επαναφόρτιση, οικονομικό και βιώσιμο, επεμβαίνοντας στα υλικά, τη δομή, τα συστήματα διαχείρισης, τις διαδικασίες κατασκευής αλλά και προμηθειών.

Η τρέχουσα χημεία βασίζεται βασικά στο λίθιο για τον ηλεκτρολύτη, στο γραφίτη για την άνοδο και στο νικέλιο, στο μαγγάνιο και στο κοβάλτιο για την κάθοδο. Για την άνοδο δημιουργείται χώρος πυριτίου, το οποίο είναι πολύ πιο διαθέσιμο και «κυκλικό», ενώ για την κάθοδο ο κύριος στόχος είναι η μείωση του κοβαλτίου, το πιο ακριβό και «πολιτικά» κρίσιμο στοιχείο από αυτά που χρειάζονται σήμερα μέχρι να εξαλειφθεί.

Οι μπαταρίες Lfp (λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού) ή Lfmp λειτουργούν χωρίς αυτές εντελώς να έχουν μαγγάνιο. Τα LFP είναι φθηνότερα και λιγότερο αποδοτικά, αλλά διαρκούν τουλάχιστον δύο φορές περισσότερο πάνω από 3 χιλιάδες κύκλους φόρτισης, δέχονται υψηλές δυνάμεις φόρτισης και είναι άνοσα σε προβλήματα ευφλεκτότητας. 

Το λίθιο παραμένει προς το παρόν ο βασικός άξονας για τον ηλεκτρολύτη, αλλά ένας από τους εφευρέτες των μπαταριών λιθίου, ο νικητής του βραβείου Νόμπελ John B. Goodenough, έχει επισημάνει το γυαλί ως αντικατάστασή του για το μέλλον, ειδικά για τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης, που ονομάζονται έτσι, επειδή χρησιμοποιούν στερεό ηλεκτρολύτη αντί για υγρό. Γι’ αυτό είναι πιο συμπαγείς, ανθεκτικές στη θερμότητα και ικανές να επαναφορτίζονται σε υψηλότερες τιμές ισχύος, μειώνοντας στο μισό τους χρόνους ανεφοδιασμού.

Άλλα πολλά υποσχόμενα χημικά στοιχεία, είναι το νάτριο και το φθόριο. Αναμένεται επίσης αύξηση στις τάσεις λειτουργίας, από τα 400 βολτ, ήδη περνάμε στα 800 και στοχεύουμε στα 900, ιδίως στη μείωση του τμήματος καλωδίωσης και της ποσότητας του χαλκού.

Η απλοποίηση της καλωδίωσης θα επηρεάσει επίσης τον έλεγχο των μεμονωμένων κυψελών μέσω ασύρματης τεχνολογίας. Εάν σήμερα οι μπαταρίες έχουν πάχος που κυμαίνεται από έντεκα έως δεκαπέντε εκατοστά, αύριο θα φτάσουν τα οκτώ, καθιστώντας το όχημα συνολικά πιο αποτελεσματικό, τόσο από άποψη απόδοσης και χωροταξίας όσο και αεροδυναμικής.

Η εσωτερική δομή θα γίνεται ολοένα και πιο απλή, χωρίς ενότητες cell-to pack και υιοθετώντας νέους τύπους κυψελών, συμπεριλαμβανομένων των κυψελών τύπου blade, που επιτρέπουν επίσης την ενσωμάτωση του συστήματος, στο σώμα του ίδιου του αυτοκινήτου, το οποίο μπορεί επίσης να επιτυγχάνεται με την εισαγωγή των κυλινδρικών κυψελών μέσα σε μια κυψελοειδή δομή τύπου σάντουιτς, γεμάτη με ειδικό αφρό.

Με αυτόν τον τρόπο η μπαταρία γίνεται ένα φέρον δομικό στοιχείο. Εξίσου σημαντική, είναι η θερμική διαχείριση, η οποία πραγματοποιείται μέσω ολοένα και πιο λεπτών και πιο τριχοειδών επιφανειών ακτινοβολίας, ή με «πνιγμό» των ίδιων των κυττάρων σε ένα ειδικό διηλεκτρικό υγρό. Το άυλο στοιχείο των συσσωρευτών θα είναι θεμελιώδες, δηλαδή αυτό που συνδέεται με το λογισμικό διαχείρισης, το οποίο προορίζεται να κάνει ολοένα και πιο μαζική χρήση της τεχνητής νοημοσύνης, για να μεγιστοποιήσει τη χρήση και τη διάρκειά τους με την πάροδο του χρόνου.

Μικρό πρόβλημα το ότι η μπαταρία λειτουργεί με συνεχές ρεύμα, ενώ η ηλεκτροκινητήριος γεννήτρια λειτουργεί με εναλλασσόμενο ρεύμα. Ο μετατροπέας, μια συσκευή που βασίζεται σε ένα τρανζίστορ ισχύος μεταγωγής, λειτουργεί ως διαμεσολαβητής. Η ποσότητα ενέργειας που περιέχεται στην μπαταρία που μπορεί να μετατραπεί σε κίνηση, εξαρτάται από την απόδοσή της και, στις φάσεις ανάκτησης, από την κινητική ενέργεια που προέρχεται κατά την επιβράδυνση και το φρενάρισμα, μετατρέποντας σε χρήσιμη «ρεζέρβα» για τον ίδιο τον συσσωρευτή.

Ο πιο συνηθισμένος τύπος μετατροπέα χρησιμοποιεί ένα οξείδιο μετάλλου ως υλικό ημιαγωγών, αλλά στους διαγωνισμούς και στα πιο ακριβά BEV χρησιμοποιείται ήδη καρβίδιο του πυριτίου, το οποίο επιτρέπει δέκα φορές υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής, έχοντας τη δυνατότητα να διαχειριστεί σημαντικά τις ισχύς και τις τάσεις. Με λίγα λόγια, περισσότερη απόδοση, λιγότερη θερμότητα και μικρότερες διαστάσεις. Συνήθως, ο μετατροπέας είναι ενσωματωμένος στο σύστημα μετάδοσης κίνησης για να ελαχιστοποιηθεί το μήκος του καλωδίου.

Ηλεκτροκινητήρες: Το μέλλον της τεχνολογίας

Το επόμενο όριο είναι το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), το οποίο έχει ανώτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, αλλά θέτει βιομηχανικές και παραγωγικές προκλήσεις που δεν έχουν ακόμη επιλυθεί. Στην ηλεκτρική κινητικότητα, το εξάρτημα που έχει κάνει το μεγαλύτερο εννοιολογικό άλμα είναι σίγουρα ο κινητήρας. Για να δημιουργηθεί η περιστροφική κίνηση που θα μεταδοθεί στους τροχούς δεν χρειάζεται πλέον η γραμμική κίνηση των εμβόλων. 

Επομένως, ο κινητήρας είναι δομικά πολύ πιο απλός, έχει ασυναγώνιστη απόδοση 95% και περισσότερο σε σύγκριση με το 35-42% ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης και απαράμιλλη αναλογία ισχύος, μεγέθους και μάζας, για να μην αναφέρουμε ότι η ροπή είναι τόσο έτοιμη και σταθερή από την αρχή, όπως και ότι δεν υπάρχει ανάγκη για συμπλέκτη ή κιβώτιο ταχυτήτων.

Ωστόσο, οι τομείς προς βελτίωση είναι αξιοσημείωτοι, ιδίως όσον αφορά τη μείωση του κόστους και τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Για να επιτευχθεί αυτό, στόχος είναι, πρώτα απ’ όλα, να μειωθεί η χρήση χαλκού για περιελίξεις και ακόμη περισσότερο αυτή των σπάνιων γαιών (βασικά, αντικατάσταση του νεοδύμιου με σίδηρο και του σαμάριου με κοβάλτιο), για τους μαγνήτες των σύγχρονων κινητήρων.

Οι άλλοι, οι ασύγχρονοι προωθητές, επιτρέπουν την εξάλειψη των μαγνητών, αλλά όχι του χαλκού, και είναι λιγότερο αποδοτικοί. Περαιτέρω πρόοδος είναι δυνατή με την ενσωμάτωση του μαγνητικού τμήματος στον κύλινδρο του στάτορα και τη βελτιστοποίηση των περιελίξεων του ρότορα με τμήματα και γεωμετρίες που επιτρέπουν τη λήψη υψηλότερης πυκνότητας χαλκού. 

Σήμερα υπάρχουν ηλεκτρικοί κινητήρες ακτινικής ροής για πρόσφυση, ικανοί να αποδίδουν πάνω από 30 kW και ροπές 70 Nm για κάθε κιλό βάρους, περισσότερες από έναν κινητήρα F.1, με ταχύτητες περιστροφής που ξεπερνούν εύκολα τις 20.000 σ.α.λ. Οι μονάδες αξονικής ροής περιστρέφονται πολύ χαμηλότερα 3-4.000 σ.α.λ και επομένως χρειάζονται λιγότερες ταχύτητες μείωσης, είναι σημαντικά πιο λεπτές και προσφέρουν έως και τρεις φορές υψηλότερη πυκνότητα ροπής.

Θα βρουν λοιπόν το έδαφος που προτιμούν στα σπορ αυτοκίνητα, ή σε αυτά που χρησιμοποιούν κινητήρα ανά τροχό, μια λύση που στο μέλλον θα μπορούσε να εξελιχθεί με την εισαγωγή του κινητήρα μέσα στον ίδιο τον τροχό, αλλά και με τη λειτουργία ενός συστήματος πέδησης.

Μια άλλη θεμελιώδης πτυχή, είναι η ενοποίηση μεταξύ του κινητήρα, του κιβωτίου ταχυτήτων και των ηλεκτρονικών ισχύος, σε μια ενιαία δομική μονάδα, σε σημείο που η ψύξη θα ανατεθεί σε ένα μόνο διηλεκτρικό λάδι, που θα λιπαίνει τον ρότορα του ίδιου του κινητήρα και θα χρησιμεύει επίσης για τον έλεγχο του μετατροπέα και της μπαταρίας.