Najważniejszym słowem w kontekście samochodów z napędem elektrycznym jest oczywiście akumulator. W mediach cały czas mówi się o urządzeniach pozwalających na magazynowanie energii. Jednak energia to nie wszystko – potrzebujemy bowiem mechanizmu, który przetworzy ją na użyteczną dla silnika moc. W tym artykule omówimy pokrótce, czym jest to urządzenie i dlaczego jest tak potrzebne?

AC/DC, czyli ile jest rodzajów prądu?

Choć istnieją wcześniejsze wzmianki, to obecnie uważa się, że pierwsze eksperymenty z wyładowaniami elektrycznymi prowadził amerykański uczony i polityk Benjamin Franklin w XVIII wieku.

Luigi Galvani odkrył, że w ciele zwierząt i ludzi istnieje siła, która ma istotne znaczenie dla funkcjonowania żywego organizmu. Alessandro Volta odkrył, że prąd może być wytwarzany przez metale, więc nie jest on zjawiskiem o charakterze biologicznym.

Na początku XIX wieku Michael Faraday w ramach szeroko zakrojonych badań odkrył indukcję elektromagnetyczną, która utorowała drogę do rozwoju elektrotechniki. André-Marie Ampère opisał zależność między prądem elektrycznym a polem magnetycznym, formułując prawo fizyki, które później nazwano jego nazwiskiem. Teorie te zostały wykorzystane przez Ányosa Jedlika do stworzenia pierwszego silnika elektrycznego na prąd stały, a następnie prądnicy, którą ostatecznie opatentował niezależnie Ernst Werner von Siemens.

Triumf prądu zmiennego jest zasługą Nikoli Tesli. W przypadku prądu stałego elektrony płyną w jednym kierunku i nie ma możliwości zmiany napięcia. W sieciach elektrycznych zasilanych prądem stałym napięcie wytwarzane w elektrowni jest takie samo jak w przewodach prowadzących do odbiorców. Z tego powodu prąd stały nie może być przenoszony na duże odległości, ponieważ wiązałoby się to z dużymi stratami i koniecznością stosowania bardzo grubych kabli. W przypadku prądu zmiennego kierunek przepływu elektronów zmienia się okresowo, a napięcie wytwarzane w elektrowniach można modyfikować dzięki transformatorom, a samą energię transportować na większe odległości (transformator wynaleźli Miksa Déri, Titusz Bláthy Ottó i Károly Zipernowsky).

Nasz problem sprowadza się do tego, że z akumulatora pobieramy prąd stały, a w zdecydowanej większości przypadków do zasilania naszego samochodu potrzebujemy prądu zmiennego.

Tę barierę techniczną pokonuje urządzenie, o którym dzisiaj będziemy mówić: falownik.

Jak działa falownik?

Jak wyjaśniono powyżej, falownik jest urządzeniem elektrycznym, które przekształca prąd stały w prąd zmienny.

Oczywiście urządzenie to nie jest stosowane tylko w samochodach. W ładowarkach do telefonów komórkowych i systemach paneli słonecznych falownik jest kluczowym elementem, który przekształca prąd stały w prąd zmienny o odpowiednim napięciu i częstotliwości lub odwrotnie.

Najnowocześniejsze falowniki mogą wykonywać jeszcze więcej zadań, takich jak optymalizacja wytwarzania energii, zabezpieczenie przed porażeniem, a nawet gromadzenie danych i zdalne monitorowanie.

Znaczącym przykładem są tutaj spawarki typu BKI: dawniejsze falowniki spawarek były co najmniej o rząd wielkości większe i cięższe niż przeciętny człowiek mógł udźwignąć, zaś wersje dzisiejsze można nosić w torebce.

W pojazdach falownik działa na zasadzie oscylatora, czyli generatora oscylacji, który konwertuje prąd stały na prąd zmienny o stabilnej częstotliwości z prądu stałego.

Problem jest właśnie z tą stabilną częstotliwością. Dopóki wartość ta pozostaje stała, prędkość silnika elektrycznego będzie jednostajna. Nie jest to oczywiście zaleta zważywszy na mnogość sytuacji drogowych, z którymi samochód musi się zmierzyć.

W związku z tym w napędach elektrycznych nie stosuje się wspomnianych wcześniej prostych wersji falowników, ale takie, które mogą również modulować częstotliwość prądu zmiennego. Z punktu widzenia użytkownika oznacza to w praktyce, że po naciśnięciu pedału gazu falownik zastosuje przyspieszenie zgodnie z instrukcjami jednostki sterującej silnika (ECU). W praktyce, ze względu na ścisłe powiązanie techniczne, falownik często znajduje się w obudowie ECU.

Nieznany bohater: rekuperacja

Większość użytkowników zdaje sobie sprawę, że samochód elektryczny potrafi odzyskać część energii z hamowania – niewielu jednak wie, że to także zasługa falownika.

Po zdjęciu nogi z pedału przyśpieszenia, przy odpowiednim ustawieniu, silnik przechodzi w tryb generatorowy, co oznacza, że koła są hamowane w sposób podobny do hamulców silnikowych w klasycznym silniku spalinowym. Różnica polega na tym, że tutaj źródłem energii staje się generator który przesyła ładunek do akumulatorów. Ma to oczywiście na celu zwiększenie zasięgu pojazdu – z dodatkową korzyścią w postaci wydłużenia żywotności elementów układu hamulcowego.

Zatem, gdy silnik pracuje jako generator, wytwarza trójfazowy prąd przemienny o przebiegu sinusoidalnym. Falownik musi go przetworzyć na prąd stały o wyższym napięciu niż akumulator, aby umożliwić ładowanie.

Podsumowanie

Łatwo zauważyć, że falownik jest niezbędnym elementem elektrycznego układu napędowego, mimo że ogólnie rzadko się o nim wspomina.

Falownik jest wykorzystywany w milionach różnych urządzeń, a my pokazaliśmy tylko ułamek jego zastosowań w motoryzacji.

Producenci tego urządzenia są świadomi jego znaczenia dla przemysłu. Oto lista 12 największych firm zajmujących się wytwarzaniem falowników:

• Hyundai Mobis Co., Ltd.
• Marelli Corporation (dawniej Calsonic Kansei Corporation)
• Aptiv PLC (dawniej Delphi Automotive PLC)
• Hitachi Automotive Systems, Ltd.
• Bosch [Robert Bosch GmbH]
• China Auto Electronics Group Limited (Grupa THB)
• Continental AG
• Denso Corporation
• Eaton Corporation
• Grupa Danfoss
• Cree Inc.
• Toyota Industries Corporation