Primena višebrzinske transmisije na električnim BEV vozilima

Da li je menjač na električnim BEV vozilima neophodan? Zaista, može li višebrzinski menjač učiniti nešto za performanse BEV električnog vozila, ubrzanje, brzinu, efikasnost ili na neki drugi način povećati performanse?

Posle decenija vožnje konvencionalnim vozilima, čovek se navikne na ideju o menjanju brzina, višebrzinskim menjačima koji su apsolutno neophodni u kombinaciji sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem. Medijski se došlo do zaključka da je u električnom vozilu višebrzinski menjač nepotreban. Međutim, da li bi upotreba višebrzinske transmisije električnih vozila, poboljšale performanse?

Obrtni moment ili efikasnost kod BEV vozila, šta je bitnije pri izboru transmisije?

Zanimljivo je da elektromotorni generatori (MG) generišu 100% svog obrtnog momenta pri veoma malim brzinama. Motor-generator jednosmerne struje DC MG-ovi, daju najveći obrtni moment blizu zastoja (nula o/min), a AC MG-i na oko 1000 o/min. Kako se broj obrtaja povećava, obrtni moment opada po hiperboličkoj zavisnosti, koja je veoma bliska idealnoj hiperboli vuče, a da u isto vreme ta snaga i dalje raste.  Na primer, ako MG generiše do 300 Nm obrtnog momenta na oko 1.500 obrtaja u minuti,  se smanjuje na oko 50 Nm pri 6.000 obrtaja u minuti.

Poznato je da elektromotor ima veliku efikasnost, i smatra se da su gubici minimalni. Međutim, ta efikasnost zavisi od više parametara, a najviše od režima  – broja obrtaja motora i mobilisanog obrtnog momenta, to jeste od struje koju motor povuče i naravno od karakteristika samog sistema. Efikasnost elektomotora u BEVu zavisnosti od konstrukcije, njegovog menadžmenta i uslova rada, kreće se od 75 – 95%, što se mora priznati i jeste široko polje vrednosti i da ima mesta za uštedu.  Recimo, kod određenih – jednostavnijih BEV vozila najboljoj efikasnosti od 93%, MG daje pri 2.250 o/min.

U svakom slučaju, višebrzinski prenos električnog vozila nije neophodan jer je čak i 100 Nm dosta obrtnog momenta pri konstantnoj vožnji pri većim brzinama. Međutim, šta se dobija sa višebrzinskim menjačima?

Opet, performanse BEV vozila, značajno zavise od prenosnog odnosa transmisije. Performanse na ubrzanjima su direktno zavisne od prenosnog odnosa BEV. Upravo, BEV vozila su primer eksplozivnih ubrzanja. Možda običan čovek ne razmišlja da BEV ima finalni prenosni odnos, koji je fiksan (osim kod par skupih vozila). To bi izgledalo, kao da običan automobil vozimo recimo u II stepenu prenosa. Čisto da ponovimo, kod klasičnih automobila sa SUS motorima, finalni prenosni odnos zavisi od 2 para zupčanika. Prvi par je zupčanika je na stepenu prenosa menjača, koji se koristi i drugi par zupčanika je na glavnom prenosniku (koji je u sklopu diferencijala), pri čemu se redukcije ova dva para zupčanika međusobno množe, i dobijena vrednost je finalni prenos. Navedeni finalni prenos se menja u zavisnosti od korišćenog stepena prenosa. Vrednosti redukcije finalnog stepena prenosa, u zavisnosti od korišćenog stepena prenosa (uzevši u obzir razna vozila sa SUS motorima), kreću se od 16:1 do 2,5:1.

Kako je kod BEV vozila izgleda taj finalni prenosni odnos, i kako je konstruisan?

I koji je to prenosni odnos i kako se bira?? Kod BEV vozila finalni stepen prenosa se kreće od 10:1 do 7:1. Za primer, posmatraćemo BEV Tesla Model S je, koji je opremljen jednobrzinskim finalnim prenosom 9,73:1.  Recimo, kod Tesla Roadstera ( o ovom modelu biće reći u nastavku teksta), najnovije specifikacije, finalni prenos je 8,2752:1.

Da bi se ostvario stepen redukcije prenosa od 9,73, nije dovoljan jedan par zupčanika. Na gornjoj fotografiji, videćete da Tesla (kao i veliki broj BEV vozila) poseduje klasični diferencijal, u sklopu sa glavnim prenosnikom, to jeste veliki „tanjirasti“ zupčanik, koji je spregnut na kućište diferencijala i „mali zupčanik“, na pomoćnoj osovini. Između tog malog zupčanika, i elektromotora – generatora, postoji još jedan par zupčanika, koji ima svoju redukciju. Zašto postoji i ovaj dodatni par zupčanika? Direktna redukcija sa jednim parom zupčanika od 9,73, sa tako velikim obrtnim momentom bila bi konstruktivno skoro nemoguća i stvara bi velike otpore i buku. Sile koje bi se pojavljivale na zupčanicima prenosa bile ni bez malo nesavladive.

Pa zašto Tesla nema višebrzinski menjač?

Prvo, postoji veoma mali broj transmisija koji mogu da podnesu obrtni moment od 600 Nm, a da nisu preskupe i da su pouzdane. Drugo, ne možete lako menjati stepene prenosa na 10.000 obrtaja u minuti, a da nema negativnih sporednih efekata, kao što su trzaji. Tesla je na modelu Roadster imao pokušaj sa dvobrzinskim menjačem, pre desetak godina, koji je prošao neuspešno. Prvo, vozilo je bilo nepouzdano jer je dolazilo do lomova transmisije, a sama upotreba menjača je uključivala i veliki broj delova, kao hidro pumpa, a samo korišćenje je dovodilo do neudobnosti u vožnji. Povećana težina i otpori su smanjili dobitke na performansama i potrošnji energije. Većini korisnika, Tesla je zamenila prenos sa klasičnim jednobrzinskim, zbog havarija i nepouzdanosti. Očigledno, da Tesla nije uspela tehnološki da reši ovaj zadatak.

Porshe Taycan je mehanički gledano ispred svih

Međutim, Porshe Taycan je uspeo u konstrukciji dvobrzinskog menjača za razliku od Tesle. O ovom poduhvatu se malo objavljuje u medijima. Porshe je uspeo u nečemu u čemu Tesla nije. A opet, Porshe, nema nivo dostignuća u elektromotorima i upravljačkim jedinicama, kao Tesla, o čemu ćemo kasnije.

Da bi se postiglo vreme od 0 do 100 km/h ispod tri sekunde, 750 konjskih snaga i mogućnost da se baterija dopuni za nešto više od 20 minuta, inženjeri u Porsche-u su svom potpuno novom, potpuno električnom Taycan- u primenili dvobrzinski menjač na zadnjoj osovini. I dok je malo verovatno da će ta karakteristika krasiti bilo koji naslov u medijima, ona predstavlja potencijalno veliki pomak na tržištu električnih automobila.

Osim Taycana, svaki proizvodni EV koristi menjač sa jednom brzinom.  Za korišćenje jednobrzinskog menjača je potreban kompromis, pa proizvođači električnih vozila favorizuju niže ubrzanje u odnosu na najveće brzine koje su vredne autoputa. Tamo gde većina BEV vozila dostiže brzinu od oko 200 km/h (Tesla ograničava svoje automobile 250-260 km/h), Taycan će lako dostići i krstariti  brzinom od 260 km/h.

Taycanov menjač je jedinstveno rešenje i izgleda kao da ste višebrzinski menjač trkačkog automobila Formule E, ubacili u običan BEV automobil. Na prednjoj osovini, snaga elektromotora se prenosi na prednje točkove preko kompaktnog jednobrzinskog sklopa zupčanika sa ukupnim odnosom od  8:1. Dvobrzinski menjač instaliran na zadnjoj osovini u Taycan-u je inovacija koju je razvio Porsche. Prvi stepen prenosa daje Taycanu još veće ubrzanje od starta, dok duga druga brzina obezbeđuje visoku efikasnost i rezervu snage čak i pri veoma velikim brzinama.

Dvostepeni menjač je zasnovan na tri nezavisne osovine. Pored glavnog prenosa, koji je integrisan sa diferencijalom, koristi se i promenljivi sklop zupčanika, koji omogućava odgovarajuću promenu redukcije za veoma kratak prvi stepen prenosa. Otprilike 15 obrtaja motora predstavlja jedan obrt točka, što je bez malo dupla redukcija. Ovo rezultira veoma visokim obrtnim momentom točkova od skoro 12.000 Nm, što omogućava ubrzanje od kojeg zastaje dah od samog starta. Prva brzina se uglavnom koristi u režimima vožnje Sport ili Sport Plus. Kontrola pokretanja je takođe dostupna u ovim režimima. Menjač ostaje u prvoj brzini relativno dugo, a zatim prelazi u drugu brzinu. Druga brzina ima odnos oko 8:1 kao i fiksna transmisija na prednjoj osovini. Osam obrtaja elektromotora tako predstavlja jedan obrt točka. Ovo omogućava maksimalnu brzinu od 260 km/h tipično za sportski automobil i dobre rezerve ubrzanja pri velikim brzinama, i ekonomičniju vožnju. Zadnja osovina ima kontrolu blokade diferencijala. Nekim procenama, smatra se da Porshe Taycon ima oko 15% povećan domet samo upotrebom navedene transmisije, u odnosu na recimo Tesline modele.

 Teslin odgovor na drugi način       

Tesla na modelu Roadster, posle neuspeha sa dvobrzinskim menjačem, pokušala je da nadoknadi izgubljeno u performansama i smanjenom dometu vozila, revizijom, ili kako oni nazivaju „Upadate Powertrain“ sa 1,0 na 1,5.

Pogonski sklop 1.5 je poboljšani motor, inverter i glavni prenos, kao način da zameni propali pokušaj dvobrzinskog menjača, koji je imao mnogo izazova u pogledu izdržljivosti, efikasnosti i troškova.

Obrtni moment motora je poboljšan za nešto više od 30% iznad, onoga što je već bilo odlično, a vreme od ¼ milje za automobil je sada u opsegu od 12,9 sekundi. Maksimalna brzina vozila ostaje preko 200 km/h.

Evo kratkog opisa pogona Update-a 1.5:

-Poboljšani inverter (PEM) za isporuku veće struje motora

-Poboljšan motor za veću struju i obrtni moment

-Novi jednobrzinski menjač

-Nova spojnica između motora i menjača i poboljšani napojni kabl motora

-Nadograđen firmver vozila

-BEZ promena na bateriji

-Ažuriranje modula energetske elektronike (PEM)

Ove promene poboljšavaju i efikasnost i sposobnost kontrolisanja snage, pri čemu je povećana izlazna struja za oko 33% sa 640A na 850A.

Povećana je ukupna efikasnost i blago poboljšan domet vozila. U većini radnog opsega povećana je efikasnost. (95-98%)

Novi menjač je najznačajnija promena sa pogonskog sklopa 1.0 na 1.5. Značajno je smanjena složenost ovog menjača, tako da je potreba za menjanjem ili usklađivanjem brzine između dva stepena prenosa, značajno smanjena. Postoji samo jedan set zupčanika koji je uvek uvek ima redukciju sa odnosom (8,2752:1). Nema dodatnih delova menjača, koji su smanjivali pouzdanost. Sva ova pojednostavljenja su uštedela veliku masu, i novi menjač je dosta lakši, oko 45 kg umesto 53 kg za stari dizajn sa dve brzine.

Jedna od karakteristika ovog novog menjača (iz perspektive BEV) je da ima izuzetno mali otpor pri okretanju (manje od 0,1 Nm obrtnog momenta otpora na prazno). Dve slike ispod prikazuju novu jednobrzinsku a druga staru dvobrzinsku pomoćnu osovinu menjača.

Prikaz svih zupčanici i vratila sastavljeni u jednoj polovini kućišta.

Posle svega ostaje pitanje, koliko je potreban menjač u potentnim elektromobilima BEV?

Sad je jasno da bi dvobrzinska transmisija bila poželjna, posebno na jačim, sportskim modelima. Problem je njihova cena i pouzdanost. Vidimo, da ono što Porshe na Taycanu nije uspeo elektronikom i elektromotorima, jeste uspeo (čak i više) upotrebnom dvobrzinskog menjača. Idealan sklop, bili bi elektronika i elektromotori u kvalitetu Tesle i kvalitetna višebrzinska transmisija, kao što je poseduje Porsche.

U toku je pokušaj velikih kompanija kao ZF, da tržištu masovno ponude transmisiju sa više brzina, za BEV vozila. Da li će to postati praksa, u narednom periodu, videćemo.

Dušan Kuljanin

(1270)