Jaké.auto Informace o autech podle značky a modelu

Elektromobily: Proč se obejdou bez vícestupňové převodovky?

Tomáš Dusil
Diskuze (24)
Zatímco spalovací motor vyžaduje k efektivnímu fungování vícestupňovou převodovku, tak elektromotor se bez ní obyčejně obejde. Je důvodem pouze odlišná momentová charakteristika, nebo i něco jiného?

Aby mohl spalovací motor, ať už zážehový nebo vznětový, pracovat co možná nejefektivněji, potřebuje být spojen s vícestupňovou převodovkou. Důvodů pro to je více. Tím hlavním je průběh točivého momentu. Jeho vysoké hodnoty zajištující potřebou sílu, jsou k dispozici pouze v relativně úzkém pásmu otáček. Díky převodovce lze skloubit otáčky, v nichž motor dosahuje vysokého točivého momentu s velkým rozsahem rychlostí.

Pokud bychom spojili spalovací motor pouze s jedním převodem, museli bychom jej zvolit tak, aby s ním dokázal motor auto rozjet a zároveň aby vozidlo bylo schopné dosáhnout akceptovatelné rychlosti. Při použití velmi lehkého převodu by sice vozidlo velmi rychle akcelerovalo z klidu, ovšem záhy by motor dosáhl maximálních otáček, u běžných automobilových motorů spalujících benzin řekněme mezi 6000 a 7000 za minutu. U vznětového agregátu by byly maximální otáčky ještě o dost nižší, ovšem zásluhou vyššího točivého momentu, zpravidla dostupného v nižších otáčkách, bychom mohli použít těžší převod.

Sílu má hned k dispozici

Momentová charakteristika elektromotoru se od spalovacího motoru výrazně liší. Předně elektromotor poskytuje výrazně vyšší účinnost než spalovací motor. Ta může v extrému dosahovat 85 až 90 procent. Zpravidla ale bývá o něco nižší, přibližně 70 procent. I tak je to podstatně více, než kolik poskytuje spalovací motor. Zážehové motory totiž běžně dosahují celkové účinnosti přibližně 35 procent, diesely s přímým vstřikováním nafty jsou o přibližně 10 procent účinnější.

Další poměrně zásadní rozdíl, který se přímo pojí s použitím respektive nepoužitím vícestupňové převodovky, se týká rozsahu otáček. Ten je u elektromotoru o řád vyšší, takže elektromotory v elektromobilech točí až 20 000 otáček za minutu. Jde o strop, když elektrický VW e-Golf, respektive jeho elektromotor točí maximálně 12.000 otáček za minutu. I tak je to ale podstatně více, než jakých otáček dosahují automobilové spalovací motory.

Druhou zásadní odlišností je momentová charakteristika. Elektromotor poskytuje nejvyšší točivý moment již prakticky od nulových otáček. Příkladem budiž opět elektromotor e-Golfu, u něhož je vrchol točivého momentu 270 N.m k dispozici od nulových otáček do přibližně 3000 za minutu. Poté ovšem následuje poměrně prudký pokles, takže při maximálních dvanácti tisících otáčkách dosahuje hodnoty pouhých 75 N.m. Naproti tomu výkon je u elektromotoru e-Golfu maximální konstantní od 3000 otáček do maxima, tedy 12 000 /min-1.

Uvedené parametry mají za následek, že si elektromotory vystačí zpravidla pouze s jednostupňovým, takzvaným redukčním převodem a dále je tu samozřejmě stálý (koncový) převod diferenciálu hnané nápravy. Jeden redukční převod najdete například u Mitsubishi i-MiEV a jeho francouzských derivátů od PSA.

Budoucnost patří více převodům

Elektromotor v elektromobilu sice dokáže dobře fungovat pouze s redukcí, avšak do budoucna se počítá se zavedením vícestupňové převodovky i zde. Příkladem může být opět Volkswagen e-Golf, jehož převodovka nabízí hned dva převody. A sice 2,704:1 a 3,609:1. Použití více převodů ve spojení s elektromotorem přináší některé výhody a to i přesto, že výše zmíněná vysoká účinnost elektromotoru výrazně klesá při velmi nízkých otáčkách, klidně až k 60 procentům.

Co si tedy konstruktéři od spojení elektromotorů s převodovkou slibují? Už v roce 2011 uvedla britská specializovaná společnost Antonov PLC (neplést se známým ukrajinským výrobcem letadel) třístupňovou převodovku určenou primárně pro elektrická auta. Podle názoru konstruktérů z uvedené britské firmy dokáže vhodně konstruovaná vícestupňová převodovka zlepšit celkovou účinnost elektrického pohonu vozidla až o 15 procent. Alespoň tak to vyplynulo z testů, které Antonov s tímto pohonem uskutečnil.

Vícestupňová převodovka má ale i další výhody. Kupříkladu dokáže prodloužit reálný dojezd vozidla nebo naopak její použití může přinést zmenšení drahých a současně těžkých akumulátorů. Zavedení vícestupňové převodovky dále umožňuje snížit točivý moment elektromotoru, což ve výsledku znamená fakt, že jednotlivé části hnacího řetězce (hnací hřídele kol, diferenciál) nemusejí být tolik dimenzovány. O práci elektromotoru v příznivějších otáčkách nemluvě.

Vícestupňové skříně ale mají i nevýhody. Tou patrně největší bude cena elektromobilu. Už tak vysoká se zástavbou převodovky dále zvýší. Je pak otázkou, zda takový elektromobil bude vůbec ještě konkurenceschopný na trhu.

Tomáš Dusil
Diskuze (24)
Avatar - michal.t
19. 8. 2017 17:57
Re: Takže jak měl článek vypadat ?
Těch 15000 ot./min. bych bral víceméně jako takový rozumný strop… celkový převod na kola pak vychází cca 10:1 do pomala, což ještě jde bez zbytečného přidávání předlohových hřídelů v převodovkách či bez nutnosti používat méně efektivní planetové převodovky.
Jinak není zas takový problémy udělat motorek točící přes 100 tisíc RPM s účinností přes 90 %. Malý, lehký, výkonný a vysoce efektivní… avšak také obtížně zpřevodovatelný a vysoce choulostivý na přetížení momentem (uchladitelnost).

Zkrátka, kdybych si měl kupovat elektromobil, sáhl bych osobně spíš po něčem s elektromotrem, který má potenciál dosahovat většího krouťáku.
19. 8. 2017 17:51
Re: Takže jak měl článek vypadat ?
No fakt nerozumím jak můžou odborní redaktoři tak zoufale tápat v elementárních. znalostech. Ještě k tomu na nejlepší jízdě na webu ...
19. 8. 2017 17:31
Re: Takže jak měl článek vypadat ?
Tím jsem právě myslel, že jsou zvyklí, že povrchní srovnání jakž takž funguje (i když to dokáží zmotat a napsat nesmysly, protože kolikrát nechápou ani vztah momentu a výkonu), protože jsou si motory tak podobné. Když se to však snaží aplikovat na elektromotory, tak se jim to snadno rozsype. Elektromotory sice mají dost podobné charakteristiky, ale je tam ten faktor otáček. V osobním autě se ti nestane, že by jeden motor končil na tisíci a druhý na patnácti tisících. Jinak by (snad) byli zvyklí, že s točivými momenty musí být opatrní.

Tím správným nástrojem pro srovnávání je pilový graf. Kdyby je používali, tak by je elektromobil nezaskočil. Tam se dá krásně zachytit, co dělá motor, převodovka, odpory. Chybí mi snad jen prodleva.
19. 8. 2017 15:23
Re: Takže jak měl článek vypadat ?
Nevím co myslíš těmi extrémně vysokými otáčkami u trakčního elektromotoru s výkonem cca 100 - 200kW, podle mě točí do cca 15000 a tohle zpřevodovat není žádná hrůza. Nicméně doufám že jsi postřehl že neřeším konstrukční detaily ale obecné vztahy a souvislosti
Jinak co se týká té účinnosti nejsem elektromotorář ale co jsem hledal už dříve odborná pojednání na internetu tak bych řekl že to docela problém dělá.

A že se v článku nezaměřili na různá provedení elmotorů naopak vidím jako pozitivum, protože si zřetelně dovedu představit jak by to dopadlo.

Ale přece jen s tebou souhlasím alespoň s těmi kolejovými vozidly, i když tam je situace taky trochu jiná. Jsou napájena dráty takže nemusí energií šetřit tak úzkostlivě jako akumulátorová technika.
Avatar - michal.t
19. 8. 2017 14:37
Re: Takže jak měl článek vypadat ?
Že by prakticky nezáleželo na hodnotě momentu, to je řečeno opravdu hodně zjednodušeně – ono zpřevodovat malý moment při extrémně vysokých otáčkách na hodnoty otáček a momentu potřebných na kolech auta je mechanicky docela ztrátovou záležitostí – při extrémních převodových poměrech samozřejmě roste složitost i hmotnost převodovky, atd.
Pokud jde o využitelnost otáčkového spektra většiny typů elektromotorů, při vysokých otáčkách nebývá ani tak problémem pokles účinnosti samotného motoru, ale spíš omezení výkonu dané schopnostmi napájecího měniče, případně pokles účinnosti měniče v tomto provozním pásmu.
Jinak, škoda že se v článku víc nezaměřili na specifika jednotlivých typů elektromotorů a vůbec na to, ve kterých elektrovozidlech se jaký typ elektromotoru používá.
Každopádně, s vícestupňovými převodovkami to u elektromobilů moc růžově nevidím – kdyby byl jejich přínos nějak zásadní, už dávno by se používaly u kolejových elektrických vozidel.