ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ

V PRAZE

FAKULTA DOPRAVNÍ

BAKALÁ ŘSKÁ PRÁCE

ALTERNATIVNÍ POHONY VOZIDEL

2009 LUKÁŠ NOVOTNÝ

CESKE VYSOKE UCENi TECHNICKE

FAKlJLTA DOPRAVNI

Ustav: K616 Akademicky rok:.?9.9.~(~9.9.7......

, , , .., , , ZADAN'I BAKALARSKE PRACE

( PROJEKTU, UMELECKEHO DILA, UMELECKEHO VYKONU )

pro Lukase Novotneho

obor .1.>.<>. P.r.~Y.J:l.i. .s.y~ ~~ll:l.Y ..3. ..~~.c.J.1l1ik.:~ .

Nazev tematu: AI~~r..I1.~.ti.v.I1.i..p~J.1.()I1:Y'y()~i~~1

Zasady pro vypracovani:

1. Pfehled stavu techniky, zejmena vozidel s nekonvencnimi pohony 2. Analyza dynamiky vozidla s motory v kolech

. 3. MOZnosti fizeni trakce a smeroveho chovani 4. Predikce budouciho vyvoje

Rozsah grafickych praci: 10 stran

Rozsah pruvodni zpnivy: 40 - 50 stran

Seznam odborne literatury: y'lk.f::YY~r.ClI1¢.P\l~Jik'l.~e."'d' . d"""""""""" .

Kqy.a.I.1~'l.1.R.~?1? .S.()c,h.a.:. K()P.s.t!ll1<.c.~. a.\lt().l1:1qP.i.l.~.l ..¢..YYT...1.9..9..9. .

S. Uberti, D. Cambiaghi, V. Villa: Electric Traction Set for a .I.Agh~..G.Cl!?A.c,~'l.R()I~~c.~ic..a.I .. ~QQ~... . d.. dd .

Vedouci diplomove prace: ..............R~() f.. .IIlg..!a.IlI5:()y. <J.I1cla.,.c=.s..c, ..

Datum zadani diplomove prace: 12.2.2007

Datum odevzdani diplomove pnice: 15.2.2008

L.S.

~~ ... /L~~.~ .. / ...d.. d....d.. . ~i(i:"~.:J . Vedouci ustavu Dekan

V Praze dne 12.2.2007 .. .... ... . .................... .

- 1 -

Poděkování

Rád bych tímto poděkoval všem, kteří mi byli po celou dobu studia a při zpracování

diplomové práce nápomocni, ať už radou, podklady či duševní podporou.

Zvláštní dík pak patří zejména mým rodičům, kteří mě po celou dobu mého studia

podporovali a vytvořili mi ideální studijní podmínky. Jejich důvěry, trpělivosti a pomoci si velmi

vážím. Děkuji také vedoucímu svého projektu a bakalářské práce Prof. Ing. Janu Kovandovi,

CSc. za odborné vedení a rady po celou dobu studia. Děkuji také všem ostatním členům

ústavu dopravní techniky K616 za cenné rady a pomoc při studiu i při psaní této práce.

V neposlední řadě pak patří mé poděkování mým přátelům a blízkým za morální

podporu a pochopení.

Prohlášení

Předkládám tímto k posouzení a obhajobě diplomovou práci, zpracovanou na závěr

studia na ČVUT v Praze, Fakultě dopravní.

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze

podklady uvedené v přiloženém seznamu.

Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona

č. 121/2000 Sb. o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně

některých zákonů (autorský zákon).

……………………………………… V Praze dne 28. srpna 2009

podpis

- 2 -

České vysoké u čení technické v Praze

Fakulta dopravní

Alternativní pohony vozidel – elektromotory

v nábojích kol

Bakalá řská práce

Srpen 2009

Lukáš Novotný

Abstrakt

Předmětem této bakalá řské práce na téma „Alternativní pohony vozidel –

elektromotory v nábojích kol“ je analýza problemat iky elektromobil ů z hlediska jízdní

dynamiky, možnosti řízení trakce a sm ěrového chování. Tato práce pojednává o

dopadech takovéhoto řešení nejen na posádku vozidla a řidiče, ale i na životní prost ředí

a automobilový pr ůmysl obecn ě. Jsou zde popsány jednotlivá konstruk ční řešení, jejich

hlavní výhody a nevýhody. Sou částí bakalá řské práce pak je i predikce budoucího

vývoje, možnosti využití nových technologií a p řehled sou časných nejnad ějnějších již

rozpracovaných koncept ů.

- 3 -

Czech Technical University in Prague

Faculty of Transportation Sciences

Alternative wheel drive – wheel hub

electromotor

Graduation theses

August 2009

Lukáš Novotný

Abstract

The object of the bachelor’s degree graduation „Alt ernative wheel drive – wheel hub

electromotor“ is complete analysis of electric cars especially with a view to riding

characteristics, traction and direction regulation. This study deal with impacts on driver

and crew, but also generally on environment and aut omobile industry. It try to find

design solution and main advantages and disadvantag es. A part of this work is also an

prediction of progression, future development and d isquisition about opportunity usage

brand-new technologies. In fine it discuss today’s under development promising design.

- 4 -

OBSAH:

1. ÚVOD............................................................................................................................ 6

2. KONCEPCE .....................................................................................................................11

2.1 POHON ........................................................................................................................15

2.1.1 Stejnosměrné elektromotory ................................................................................16

2.1.2 Střídavé elektromotory.........................................................................................17

2.2 ZÁSOBNÍKY ENERGIE.....................................................................................................17

2.2.1 Akumulátory.........................................................................................................18

2.2.2 Superkondezátory................................................................................................19

2.2.3 Setrvačník............................................................................................................20

2.3. KONCEPCE POHONU S ELEKTROMOTORY V KOLECH .......................................................22

3. ANALÝZA DYNAMIKY VOZIDLA S MOTORY V KOLECH...... .......................................25

3.1 PODÉLNÁ DYNAMIKA .....................................................................................................25

3.1.1 Jízdní odpory .......................................................................................................25

3.1.2 Brzdění ................................................................................................................26

3.2 SVISLÁ DYNAMIKA – VLIV NEODPRUŽENÝCH HMOT...........................................................27

3.3 SMĚROVÁ DYNAMIKA.....................................................................................................32

3.3.1 Řiditelnost............................................................................................................33

3.3.2 Naklápění ............................................................................................................34

3.4 MOŽNOSTI ELIMINACE NEODPRUŽENÝCH HMOT A SNÍŽENÍ JEJICH VLIVU NA VOZIDLO ..........34

4. KONSTRUKČNĚ - TECHNICKÉ ŘEŠENÍ........................................................................38

4.1 VAR.I KLASICKÝ ELEKTROMOTOR V NÁBOJI KOLA ...........................................................38

4.2 VAR. II ELEKTROMOTOR S VNĚJŠÍM ROTOREM V NÁBOJI KOLA ........................................39

4.3 VAR III. ELEKTROMOTOR V JEDNOM CELKU S OSTATNÍMI KOMPONENTY - ALL-IN ONE ........40

5. MOŽNOSTI ŘÍZENÍ TRAKCE A SMĚROVÉHO CHOVÁNÍ VOZIDLA............................. 41

5.1 AKTIVNÍ ŘÍZENÍ ZADNÍCH KOL, 4WS................................................................................42

5.2 AKTIVNÍ NATÁČENÍ VŠECH KOL PŘI POHYBU VE MĚSTĚ .....................................................44

5.3 POHON VŠECH KOL .......................................................................................................46

5.4 X-BY-WIRE ...................................................................................................................48

5.4.1 Drive-by-Wire.......................................................................................................49

5.4.2 Brake-by-Wire......................................................................................................49

5.4.3 Steer-by-Wire.......................................................................................................51

5.5 ELEKTRONICKÉ SYSTÉMY JÍZDNÍ STABILITY .....................................................................51

- 5 -

7. LEGISLATIVA, SPOLEHLIVOST, BEZPE ČNOST ..........................................................52

8. AKTUÁLNÍ PROJEKTY A PREDIKCE BUDOUCÍHO VÝVOJE ... ...................................54

8.1 MITSUBISHI MIEV.........................................................................................................54

8.2 SIEMENS ECORNER ......................................................................................................55

8.3 MICHELIN ACTIVE WHEEL..............................................................................................56

8.4 VOLVO C30 RECHARGE................................................................................................58

8.5 LIGHTNING GT..............................................................................................................59

9. ZÁVĚR.............................................................................................................................60

10. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ...................... ..........................................................62

11. SEZNAM PŘÍLOH..........................................................................................................62

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK:

4WS four wheel steering řízení všech čtyř kol

ABS anti-lock brake system protiblokovací brzdov ý systém

ASR anti-skid regulation systém regulace proklu zu

CNG compressed natural gas stla čený zemní plyn

EBD electronic brake distribution elektro. rozd ělování brzdných sil

ESP electronic stability program elektro. stabil izační systém

EWB electronic wedge brake elektro. klínová brzd a

Li-on lithium-ion batteries lithiové baterie

Li-pol lithium polymer batteries lithiovo-polyme rová baterie

LPG liquefied petroleum gas zkapaln ěný propan-butan

PZEV partly zero emission vehicle částečně bezemisní vozidlo

ZEBRA zero emission battery bezemisní baterie

ZEV zero emission vehicle bezemisní vozidlo

- 6 -

1. Úvod

Na počátku 21. století můžeme konstatovat, že nutnost vývoje ekologických

technologií umožňujících výrobu energie co nejšetrněji k životnímu prostředí enormně stoupá

s rozvíjením průmyslu po celém světě. Tento trend lze pozorovat i v oboru dopravy, která se

na celkových světových emisích podílí nezanedbatelnými dvanácti procenty a např. v Evropě

spotřebují dopravní prostředky jednu čtvrtinu celkové spotřeby energie. A přitom produkty

spalování z konvenčních motorů nejen silničních dopravních prostředků neovlivňují životní

prostředí jen místně. Účinek jejich provozu široce přesahuje okolí svého zdroje a má

nesporný globální význam. Ničení lesů, okyselování půdy a vody, negativní vliv na zdraví,

množení řas a v neposlední řadě i globální oteplování skleníkovým efektem jsou toho

nejlepším důkazem. Velkým problémem do budoucnosti jsou nepochybně i omezené zdroje

fosilních paliv, které se stávají nástrojem mezinárodní politiky a spolu s rostoucí poptávkou

po energii, a stoupajícím trendem počtu obyvatel, zvyšují ceny na světových trzích (v roce

1996 20$ za barel, v roce 2008 téměř 150$ za barel. Stejně tak stoupá spotřeba: 71mil.

barelů denně v roce 1994 a 86mil. barelů v roce 2008).

Celosvětový počet vozidel se dnes blíží k jedné miliardě a prognózy předpovídají na

dalších třicet let růst až na 1,6 mld. Velký potenciál růstu mají především nové, rychle se

rozvíjející ekonomiky Asie (Čína, Indie), kde se čeká spolu s rostoucím bohatstvím obyvatel

a jejich většímu přístupu k modernímu životnímu stylu obrovská poptávka po moderních

dopravních prostředcích. Zvlášť pokud jejich cena bude klesat a produkce tak bude

nabídnuta ještě většímu počtu zákazníků. Přesným příkladem ze současnosti je levný a

jednoduchý automobil Tata indické společnosti Tatamobil. Poptávka po takovémto vozidle je

obrovská. Bohužel však technologie těchto nově nabízených vozidel, spolu s faktem, že

rozvíjející se ekonomiky se stávají „vrakovištěm“ technologicky rozvinutých států světa, jsou

ve srovnání se současnými značně zastaralé. Tento často opomíjený faktor pak ještě nadále

zvyšuje již tak obrovskou spotřebu fosilních paliv k dopravě. K dosažení i jen konstantní

roční spotřeby energie v dopravě (za předpokladu růstu vozidel) by musela roční spotřeba

energie na vozidlo klesnout o 40%. Je jen otázka, zda lze tohoto dosáhnout snížením

ročního kilometrového výkonu, nebo uspořit energii potřebnou pro pohon vozidla.

Konstruktéři po celém světě proto vyvíjejí snahu o rychlý, efektivní (i efektivní co se

týče designu) a pohodlný dopravní prostředek (individuální i hromadné dopravy) s co

nejmenší spotřebou energie a nízkými hodnotami emisí. Tyto požadavky mohou být na první

pohled v rozporu. Posun v celospolečenském názoru na ekologii životní prostředí si však již

všimli marketingoví specialisté všech významných světových automobilek a konstrukčních

- 7 -

kanceláří. Stále více peněz je proto vynakládáno na vývoj takových technologií, které co

nejméně zatěžují své okolí z lokálního (hluk, oxidy dusíku, uhlovodíky, saze atd.) i globálního

hlediska (převážně emise CO2 a ostatních skleníkových plynů), a zároveň potřebují ke

svému provozu co nejméně energie. Ekologie a ohleduplnost k životnímu prostředí se stává

módní záležitostí, což v konečném důsledku spolu s zatím nesmělou podporou alternativních

technologií politickými rozhodnutími, žene vývoj rychle kupředu. Nemalou úlohu zde hraje

trend zavádění alternativních paliv a pohonů, kde cesta v horizontu delším než 20 let zdá se,

nahrává elektromotorům.

Zatímco v 90. letech před rokem 1996 byly ve světě představeny jen tři

provozuschopné studie osobních automobilů s alternativními pohony (hybridní, palivové

články, baterie), do roku 2000 jich přibylo 28 a do roku 2009 jich známe dohromady již

stovky. V oblasti autobusů je trend velmi podobný – tam je společenská poptávka vzhledem

k provozu ve městě ještě o to větší. Dalším ukazatelem je rozhodně stoupající počet

čerpacích stanic na vodík a dobíjecích stanovišť pro elektromobily (v dubnu 2007 byla

otevřena i první dobíjecí stanice pro elektromobily v ČR – Desná v severních Čechách) a

prodejnost elektromobilů resp. hybridních vozidel (v roce 2001 se v USA prodalo přes 10 000

hybridních vozidel, zatímco v roce 2006 jich bylo již přes 260 000 a křivka prodejnosti velmi

prudce stoupá). Podle studie [35] z roku 2007 by v roce 2010 mělo na světě být 1,6mil.

vozidel s hybridním pohonem, v roce 2015 4,3mil. a dvojnásobek tohoto počtu v roce 2020.

Finanční společnost JP Morgan pak předpovídá, že v roce 2020 se bude ročně prodávat

11,28mil hybridů a elektromobilů. To by mělo představovat již slušných 13%z celosvětových

prodejů. V USA pak má být až pětina automobilů hybridní pohon a další významná část by

měla tvořit čisté elektromobily. Je otázkou zda tyto prognózy budou odpovídat realitě

vzhledem k značně pokřivenému trhu s automobily celosvětovou finanční a hospodářskou

krizí. A automobilový průmysl je jednou z nejvíce zasaženou oblastí průmyslu. Možná se

proto dočkáme téměř skokového pokroku v zavádění sofistikovaných technologií pohonu

dopravních prostředků. Například automobilka Toyota musela kvůli stále stoupající poptávce

navýšit výrobu nového modelu Prius až na plánovaných 400tis ročně (oproti předchozímu

plánu 300tis. vozidel za rok). Napovídají tomu i zrychlené investice do automobilů zítřka a

globální uzavírané aliance mezi automobilkami jako podpora rychlejšího vývoje. (např.

Peugot – Mitsubishi, VW-BYD nebo Renault-Nissan). Nezanedbatelnou záležitostí jsou také

státní dotace na podporu high-tech průmyslu či přímo zákazníkům na nákup ekologicky

šetrného a provozně výhodného dopravního prostředku. Velmi podstatnou skutečností pak

je, pak stoupající poptávka a výroba vozidel nové generace, a drasticky se snižující výrobní

ceny a vůbec ceny za technologie. Celková snížená cena výrobků pak samozřejmě povede

k dalšímu podstatnému nárůstu podílu elektrických vozidel na trhu. Všechny výše uvedené

- 8 -

faktory pak přispívají v současné době k obrovským investicím a rozvoji v uvedené oblasti.

Ono také jiné cesty ani není. Zdá se tak, že žijeme zrovna v revoluční době a svět

automobilismu už nikdy nebude jako dříve.

Hezkým příkladem může posloužit srovnání dvou čistě elektrických vozidel. Zatímco

v roce 1993 vozidlo Golf City Stromer s výkonem 25kW a točivým momentem 75Nm vážilo i

s baterií 1514kg a jeho energetická hustota byla jen 22Wh/kg, v roce 2003 již bylo postaveno

vozidlo s výkonem 85kW, točivým momentem 200Nm, hmotností 1125kg a energetickou

hustotou 200Wh/kg. Výkonová hmotnost tohoto vozidla je 400W/kg. A dnes je vývoj ještě

dál. Mitsubishi představilo svůj projekt MiEV (Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle), ve

kterém nejdříve přestavil několik již existujících vozidel na testovací (Mitsubishi Colt EV a

Lancer EV), na kterých si ověřil teoretické předpoklady elektrického pohonu a poté představil

městský vůz iMiEV. Ten poté uvedl do výroby a v současné době lze toto vozidlo v japonsku

zakoupit. Na evropský trh se dostane v průběhu listopadu 2009. Zmíněný vůz Colt EV

pohánějí dva synchronní elektromotory v zadních kolech o výkonu 47kW a točivém momentu

600Nm při hmotnosti 1150kg. V roce 2011 pak na trh má přijít i sportovní verze daného

automobilu s jinou karoserií a výkonovými parametry 60kW a hmotností jen 940kg. Velmi

nadějným a pozoruhodným vozem právě uvedeným do provozu je pak i Pininfarina B0 („B

zero“) přejmenovaný na BlueCar. Pokud odhlédneme od fascinujícího designu, jedná se o

městský dopravní prostředek na vysoké technologické úrovni. Skrytou zbraní toho malého-

velkého vozidla jsou například solární panely umístěné na střeše sloužící k obsluze

palubních přístrojů ale hlavně Li-on baterie a superkondenzátory zapojené do pohonu

vozidla. To jsou technologie, ještě před pár lety pro použití v dopravních prostředcích

nemyslitelné. Je pozoruhodné, že se snahy konstruktérů nezaměřují na městské automobily,

jak by na první pohled logika napovídala. Jako extrémní důkaz snahy vývojářů přesvědčit

odbornou veřejnost o atraktivitě elektromobilů lze uvést vozidlo Tesla roadster, který

se pomocí třífázového 185kW motoru pohánějící přes dvoustupňovou převodovku zadní

kola, může pochlubit fascinujícími dynamickými parametry. O hybridní modely již usilují tak

tradiční značky jako Ferrari, Lamborghini či britský Aston Martin. Věc donedávna

nemyslitelná. Jako fascinující se jeví i vyvíjející se technologie na bezdrátové dobíjení.

Jednotlivé útržkovité informace od společnosti Nissan sice naznačují jistý pokrok, ale

střízlivým pohledem je to ještě stále hudba budoucnosti. O to však více lákavá. Je jen otázka

trhu a času, která z uvedených koncepcí se výrazněji prosadí. Možná to bude kombinace

všech.

Uvedená fakta názorně dokládají rychlý vývoj v této oblasti, ale hlavně změnu ve

filozofii myšlení současných a hlavně budoucích zákazníků. Státní pobídky, dotace nebo

- 9 -

investice do výzkumu a vzdělání jsou jen jednou stranou mince. Tou druhou a podstatnější

stranou jsou kupci, pro které se stávají koncepty šetrných a ohleduplných dopravních

prostředků životním stylem. Velké státní objednávky na nákup vozidel pro městskou ale i

dálkovou hromadnou dopravu osob, policii nebo jako administrativní vozidla však může

bezesporu trh s elektrickými dopravními prostředky rychle rozhýbat a nastartovat. A díky

tomu světlo světa spatřují projekty stále více splňující velmi vysoké nároky zákazníků (na

pohodlí, image nebo výkon). V blízké budoucnosti se tak dočkáme automobilů

překonávajících ty současné – konvenční nejen ekologií jízdy a finanční šetrností, ale i

v nárocích prostorových, výkonnostních a designových. Nových konceptů a dokonce již do

provozu uvedených modelů jsou v současné době na světě stovky od nejrůznějších

renomovaných i neznámých firem. V podstatě každá významná společnost působící v

automobilovém nebo obecně v dopravním průmyslu, dnes vyvíjí, hnána vidinou nových trhů

a zisků, nějaké nové technologie označované dnes za zelené. Není však tématem této

práce nějak obšírněji zmapovat současnou situaci na trhu. Přesto si však v závěrečné

kapitole dovolím některé nejzajímavější popsat a předikovat možný vývoj.

Velkým deficitem do budoucna, alespoň z hlediska městských elektromobilů (které

jsou koncipovány na relativně krátký dojezd), je potřebná infrastruktura. Ať už jsou to dobíjecí

stanice pro elektromobily nebo plug-in hybridy nebo vodíkové čerpací stanice, ale i

specializované opravny na tento typ vozidel, nebo například servisy umožňující výměnu

baterií apod. Je nutno podotknout, že situace v této oblasti se každým měsícem velmi rychle

mění, zlepšuje. Ve Velké Británii se tak již vážně uvažuje nejen o přímé podpoře nákupu

těchto vozidel (známé jako „šrotovné“), ale i o výstavbě dobíjecích stanic napojených přímo

na obnovitelné zdroje energie (v případě Velké Británie tedy energie převážně z větrných

elektráren). Zajímavým elektrifikačním projektem na vybudování infrastruktury lze nalézt

například i v kanadském Ontariu, kde se na dané problematice podílí hlavně soukromý

sektor za podpory státu. Samostatným řešením je pak také baterie jen pronajímat a zákazník

by platil jen za ujeté kilometry (paušál jako např. u platby za telefon) nebo místo dobíjecích

stanic vybudovat síť stanic výměnných, kde by zákazník odevzdal baterii vybitou a nechal si

během pár minut namontovat novou.

Míra podpory alternativních pohonů a vůbec ekologické dopravy nejen ve městech se

v různých částech světa značně liší. Tak jako v rychle ekonomicky se rozvíjejících státech se

spíše očekává masivní nárůst automobilismu klasického typu (ale například i Čína se snaží

podporovat rozvoj nových technologií v dopravě), i mezi vyspělými státy euroatlantického

prostoru jsou dnes značné rozdíly způsobení například geografickou polohou. Míra

energetické spotřeby severských států Skandinávie v zimě je oproti státům blíže k rovníku

- 10 -

neporovnatelná, tudíž jejich motivace k celkovému snížení spotřeby energie je jistě vyšší než

jinde. Přesto však záleží spíše na vládnoucím „govermentu“ v dané lokalitě. Španělsko

například už nedávno přišlo se zprávou, že chce mít na silnicích 1 milion elektromobilů do

roku 2014. Madridská radnice nyní tento plán pomalu ale jistě začíná plnit. Na městských

parkovištích začne s instalací dobíjecích stanic pro elektromobily. Majitelé elektrických vozů

si je tam budou moct dobíjet zcela zdarma. Navíc každé nově postavené parkoviště bude

vybaveno dobíječkou, plus se tato infrastruktura objeví i na dalších veřejných místech.

Radnice se zároveň brzy chystá uzavřít smlouvu s Ministerstvem průmyslu o propagaci

elektromobilismu .[24]

I v České republice lze v současné době sledovat některé zajímavě se vyvíjející

projekty. Za všechny mohu jmenovat například plán energetické společnosti ČEZ na podporu

vývoje elektromobilů. Samozřejmě, že za tímto návrhem nestojí nějaká solidární snaha

změnit automobilový průmysl, nebo podpořit vývoj ekologických technologií. Nejen pro český

ČEZ, ale i pro všechny energetické společnosti na světě jsou budoucí vozidla dobíjené

z veřejné sítě dalším zdrojem příjmů a zvětšuje jim jejich portfolio zákazníků. Nicméně i tato

racionální úvaha tržního prostředí samozřejmě vede k cíli. A to možná efektivněji, než

nějakými nařízeními, omezeními nebo podporou vybraného odvětví nějakými státními nebo

nadnárodními administrativními nástroji.

Podle generálního ředitele společnosti ČEZ Martina Romana je rozvoj elektromobilů

zajímavý ze dvou důvodů: elektrická auta jsou šetrná k životnímu prostředí a projekt je

"ekonomicky smysluplný". Noční nabíjení elektromobilů totiž přispěje k vyrovnání distribuční

sítě a bude částečně řešit problém skladování elektřiny. Podle Martina Cmírala z firmy ČEZ

budou například moci zákazníci čerpat levnější noční elektřinu uskladněnou v autě na jiné

potřeby, pokud automobil nebudou potřebovat.

Cílem pilotních projektů v Praze a Ostravě je podle Romana příprava infrastruktury nezbytné

k masivnímu rozšíření elektromobilů. Cmíral odhaduje, že pokud bude v České republice v

provozu jeden milion automobilů poháněných elektřinou, které ujedou průměrně 200.000 km

za rok, zvýší se spotřeba elektřiny přibližně o 13 TWh. [25]

Je evidentní, že žijeme v prudce se rozvíjející době na poli elektromobilismu, ale i

alternativních energií a technologií obecně. V následujících letech můžeme očekávat

opravdovou revoluci v dopravě a obzvláště v individuální přepravě osob – převážně tedy

v automobilovém průmyslu.

- 11 -

2. Koncepce

Z hlediska koncepce alternativních pohonů, lze rozdělit danou problematiku do

několika skupin (viz obrázek 1.1):

Obr. 1.1 Rozd ělení alternativních pohon ů a jejich paliv

Základní koncepci alternativních pohonů lze rozdělit na tři, více či méně oddělené

skupiny. První skupinou jsou pohony využívající stávajících, nebo mírně upravených

spalovacích pístových motorů. Druhem kapalného nebo plynného paliva pak může být

obnovitelný zdroj biomasy, nebo z fosilních zdrojů chemicky upravené suroviny jako zemní

plyn (CNG – Compressed Natural Gas) nebo zkapalněný ropný plyn (LPG – Liquefied

Petroleum Gas). Velký rozvoj použití zejména ve Skandinávii a zemích Jižní Ameriky zažívá

Ethanol, vyrobený synteticky nebo alkoholovým kvašením z biomasy. Jeho nevýhodou jsou

však silné korozní vlastnosti (proto musí být palivová soustava vozidla vhodně upravena) a

dnes také jisté morální nedostatky využívání biomasy vyrobené z rostlin, sloužících primárně

k produkci potravin. Velkým příslibem do budoucna je získávání energie z palivových článků.

Existuje mnoho rozličných způsobů elektrolytických reakcí, přesnější a podrobnější popis

však přesahuje rámec této práce. Z uvedeného grafu jednoznačně vyplývá, že budoucnost

patří elektromotorům. Výjimku tvoří velmi nekonvenční pohony na stlačený vzduch, parní

- 12 -

motor či rekuperační setrvačník. Tyto koncepce zřejmě také najdou své místo např. v

hromadné dopravě, ale jejich podíl na světovém trhu zcela jistě nepřekročí řád jednotek

procent.

Výhody elektromotorů jsou nesporné a jejich použití bude nadále rapidně stoupat.

Vzhledem k energetickému výrobnímu řetězci ve spotřebě primární energie však u koncepce

dobíjení akumulátorů z veřejné sítě či na stanicích, k tomuto účelů vytvořených, nelze ve

srovnání s moderním vznětovým motorem při podrobnějším pohledu na věc nalézt nějaké

zásadní výhody. Vzhledem k vysoké účinnosti elektromotoru, je nutno zohlednit účinnost

celého externě bateriově dobíjeného vozidla. Moderní atomové elektrárny mají účinnost asi

50%, elektrárny na uhlí asi 40%, do zástrčky by tedy se všemi ztrátami ve veřejné síti, měla

být dodávána elektrická energie s účinností asi 35%. Celé elektrické vozidlo od motoru na

kola by mohlo mít účinnost asi 25%. [2] Tato hodnota se už rapidně přibližuje schopnostem

současných spalovacích motorů. Nízká hlučnost a nulové lokální emise však přesto mohou

přilákat určité množství zákazníků. Musíme do budoucna také počítat se zvýšením účinnosti

primárních zdrojů elektrické energie i veřejné rozvodné sítě. Další možností je pak napojit

napájecí stanice přímo na ekologické zdroje energie. Vzhledem k vývoji směrem k nabíjení

elektromobilů i přímo ze zásuvky u uživatele doma či v práci, však tento argument selhává. I

přes řadu dílčích současných nevýhod, jako nízký dojezd, dlouhá doba nabíjení a velmi

nedostatečná infrastruktura se elektromotor po více než sto letech opět vrací na výsluní

nejrozšířenější technologie pro světový automobilismus. Elektromotor totiž také dokáže při

brzdění měnit kinetickou energii v elektrickou a po uložení do baterie či kondensátoru ve

formě energie chemické opět v případě potřeby použít. Jsou téměř bezhlučné, nepotřebují

chlazení a ke stání nespotřebovávají žádnou energii. Vysoká účinnost v širokém intervalu

otáček je nespornou výhodou oproti ostatním druhům pohonu (v případě

nejsofistikovanějších technologii v tomto motoru je účinnost některých moderních

elektromotorů i přes 90%, což je oproti maximálně 30% účinnosti toho nejsofistikovanějšího

spalovacího pístového motoru ohromující). Je to proto velmi úsporná a v co největší míře

bezztrátová možnost, jak nakládat s energií.

Spalovací motor sice účinností elektromotoru nemůže konkurovat, nicméně

energetická hustota paliva je mnohonásobně vyšší než u baterie. 60l nafty (tj. běžný objem

nádrže silničního vozidla) má hmotnost asi 50kg a odpovídá 500kWh energie. Pokud

bychom chtěli shromáždit stejnou energii do olověného akumulátoru, museli bychom zvýšit

400x hmotnost. To znamená, že při průměrné hmotnosti olověného startovacího

akumulátoru, by fiktivní baterie vážila těžko uvěřitelných 20t. Situace se samozřejmě obrací

s nástupem nových baterií např. typu Li-on. Například jihokorejská společnost Nanoexa

- 13 -

uvedla na trh Li-on baterie s hustotu energie 3kW/kg. To znamená, že vozidlo o hmotnosti

100 kg může být osazeno motorem o jmenovitém výkonu 300kW a plně se využije výhod

elektropohonu.

Elektromotor se dá, narozdíl od motoru na spalovacího opakovaně, a i více než 3x

přetížit. To jsou opravdu nesporné výhody. Spalovací motor však ještě, zdá se, neřekl své

poslední slovo. Například šéf americké pobočky VW prohlásil, že jen dotažením

rozpracovaných technologií jako jsou STOP&START, vypínání nepotřebných válců během

klidné jízdy nebo použití výrazně odlehčených materiálů, lze dosáhnout až 50% snížení

spotřeby paliva. Nicméně na druhou stranu spalovací motor i přes všechen vývoj nemůže

plnit do budoucna stále se zpřísňující legislativní nároky, kladené národními i globálními

institucemi. Samozřejmě jako nejvýhodnější se jeví spojit více technologií a využít jejich

předností. Možné řešení nabízí kombinace spalovací motor – elektromotor, neboli hybridní

technologie. A to alespoň do příchodu masového rozšíření palivových článků či dobíjení

z rozvodné sítě, které umožní kontinuální dobíjení baterií a tím i bezemisní provoz za všech

jízdních režimů.

Důležitým hlediskem posouzení výhodnosti elektromobilů je jejich ekonomika

provozu. Vzhledem k odlišnosti celé koncepce elektrických vozidel musíme při posouzení

využít trochu jiná kritéria než u běžných vozidel se spalovacím motorem. Energii automobilu

dodává elektřina, tudíž se při provozu elektromobilu bude vycházet z ceny energie 1kWh. Ta

je samozřejmě ještě závislá na druhu tarifu. Ve vysokém tarifu je cena jedné kWh asi 4,50kč,

v nízkém tarifu (např. noc) je cen a zhruba 1,50kč/kWh. Nicméně elektřina tvoří pouze 1/5 až

1/9 (v případě olověných baterií a odběru elektřiny v nízkém tarifu), druhou a mnohem

nákladnější položkou elektromobilu jsou baterie, které mají omezenou životnost (počet

nabíjecích cyklů), různou kapacitu i cenu. Ve skutečnosti je to právě baterie, která je palivem

pro vozidlo. [3] Ekonomické srovnání bateriově poháněného elektromobilu s běžným

vozidlem se spalovacím motorem přináší tabulka 1.1

- 14 -

Tabulka 16

Ekonomické posouzení elektrického pohonu na baterii

Baterie nové generace olova na bázi uhlíkového kolektoru

Cena baterie 4,24 Kč/Wh

Velikost bateriového paku 14,4 kWh

Dojezd 137 km

Počet cyklů při 80 % DOD (stav vybití) 700

Typická spotřeba elektromobilu 0,1 – 0,23 kWh/km

spotřeba 0,1 kWh/km 700 x 11520 Wh / 100 Wh/km = 80640 km Celková ujetá vzdálenost s jednou baterií spotřeba 0,23 kWh/km 700 x 11520 Wh / 230 Wh/km = 35061 km

spotřeba 0,1 kWh/km 4,24 x 14400 / 80640 = 0,76 Kč/km Cena baterie na 1km

spotřeba 0,23 kWh/km 4,24 x 14400 / 35061 = 1,74 Kč/km

nízké pásmo 1,50 Kč Cena elektřiny za 1 kWh (nízké pásmo) vysoké pásmo 4,50 Kč

nízké pásmo+ spotřeba 0,1 kWh/km

0,91 Kč/km

nízké pásmo+ spotřeba 0,23 kWh/km

2,09 Kč/km

vysoké pásmo+ spotřeba 0,1 kWh/km

1,21 Kč/km

erační provozní náklady (baterie+proud)

vysoké pásmo+ spotřeba 0,23 kWh/km

2,78 Kč/km

Náklady na provoz benzínového motoru (spotřeba 8l/100km)

2,46 Kč/km

Tabulka 1.1 Ekonomické posouzení elektrického pohonu na baterii ( tabulka p řevzata z [3] )

Rozličné aplikace ať už v prostředcích městské hromadné dopravy nebo

v individuální automobilové dopravě můžeme najít již dnes. Města jsou hlučná (okolí hlavních

komunikací často nesplňuje hygienické normy), přetížená emisemi a smogem a v neposlední

řadě stoupají náklady na provoz. Proto poptávka po tichých, bezemisních (např. kalifornský

program ZEV – Zero Emission Vehicle a PZEC - Partly Zero Emission Vehicle jistého

úspěchu dosáhl) a ekonomicky výhodných vozidlech stále stoupá. Jisté pobídky poptávky

vyspělé země dosahují ekologickými daněmi a zvýhodněním provozu těchto vozidel. Šance

vozidel poháněných elektromotorem u koncových zákazníků jsou však hlavně určeny jejich

provozními parametry.

Dojezd je v dnešní mobilní době velmi důležitým kritériem. Podle některých pramenů

80% řidičů neujede více jak 60km denně, což je hluboko pod hranicí schopností dnešních i

připravovaných elektromobilů a ostatních elektromotorových vozidel. Také hustší síť

dobíjecích stanic či stanovišť pro čerpání paliva pro články by mohla do budoucna překonat

nedůvěru potencionálních zákazníků. Je nepochybné, že vývoj půjde nejdříve přes menší

vozidla městského typu (u hybridních vozidel toto však neplatí, tam lze již dnes najít celou

řadu uplatnění napříč nabídkou) – zde jsou výhody nejzřetelnější a navíc vozidla nemusejí

splňovat stále vyšší výkonnostní nároky zákazníků. Vysoká hodnota zrychlení a maximální

rychlosti vozidla dnes patří mezi hlavní nástroje obchodní politiky výrobců. Ale ukazuje se, že

- 15 -

i tyto nároky vhodně dimenzovaná elektrická jednotka může splnit. Obzvláště ve spolupráci

se spalovacím motorem. Pak je vozidlo vhodné pro rychlé dálniční přesuny i občasný

městský provoz, za podmínek daných rozměry vozidla. Také prostředky hromadné dopravy

v oblastech intravilánu se stále více jeví jako výhodné pro využití elektromotorů. Režim jízdy

s častými rozjezdy, provoz relativně nízkými rychlostmi a časté brzdění jsou ideálními

předpoklady pro použití hybridní nebo čistě elektrické koncepce s možností rekuperace

energie do akumulátorů a superkondenzátorů. Právě rekuperace do vysoce kapacitních

baterií významně šetří provozní náklady a zefektivňuje provoz.

Jak uvádí spotřebitelská studie JD power: “The True success of the EV should be

based on its performance as a vehicle, not as an environmental solution.“ [38] (Opravdový

úspěch elektromobilů by měl být postaven na jízdních výkonech, ne na ochraně životního

prostředí).

2.1 Pohon

Mezi základní konvenční koncepci můžeme považovat elektromotor/y přeměňující

elektrickou energii na mechanickou a vhodný akumulátor sloužící k uskladnění elektrické

energie do chemické a následné zpětné využití pro pohon. Ostatně již v roce 1899 (1900)

slavný konstruktér Ferdinand Porsche za svých mladých let pochopil možnosti

elektromotorů. Vypracoval se svým pracovním kolegou Jakobem Lohnerem pojízdný

prototyp vozidla poháněného dvěma elektromotory umístěnými v předních kolech. Po

úspěchu Pařížské výstavy Expo pak sestavil po objednávce z Anglie produkční verzi.

Obr. 1.1 Lohner-porsche elektromobil - první elekt romobil s motory v kolech [15]

Ta se však značně lišila od prototypu. Měla elektromotory již ve všech čtyřech kolech

o výkonu 4 x 3kW a byla doplněna spalovacím motorem. Jednalo se tak o první vyrobené

hybridní vozidlo na světě s koncepcí podobné té co známe dnes. Po dodání zákazníkovi

- 16 -

však následovalo značné rozčarování, protože vozidlo bylo naprosto rozdílné, než to, které

se objednal zákazník. Vůz byl oproti současníkům značně neohrabaný a vážil díky

čtyřiačtyřiceti olověným bateriovým článkům těžko uvěřitelných 1800kg. Podobný koncept

využil ještě dříve i známý český konstruktér Ing. František Křižík, který pro svůj elektrický

kočár zvolil pohon dva elektromotory umístěné v nábojích předních kol. Na uvedených

příkladech lze vidět, že koncepce, kterou se zabývá tato práce je, jak už to tak bývá, známá

značnou dobu od začátků automobilismu jako takového.

Obr. 1.2 Lohner-Porsche elektromobil – Hybrid 1901 [15]

V současné době se vývoj nových typů elektromotorů opět dostává na přední místa

vývojových center. Parametry, které by měly splňovat i ty nově vyvinuté lze shrnout takto:

Elektromotory pro vozidla musí být spolehlivé a ve velkém rozsahu otáček musí mít

k dispozici dostatečný výkon. Důležitá je kompaktní stavba, vysoká účinnost při malé

hmotnosti, krátkodobá přetížitelnost, nízká hladina hluku, nízké udržovací náklady a výhodná

cena. Stejně tak trakční baterie pro elektrovozidla musí být bezúdržbové, s životností

nejméně 5 let, energetické hustoty alespoň 100Wh/kg a jejich cena musí být pod 150

Euro/Wh. [2] Nejzákladněji můžeme rozdělit elektromotory vhodné pro využití k pohonu

vozidel na motory stejnosměrné a střídavé.

2.1.1 Stejnosm ěrné elektromotory Magnetický tok je vybuzen vinutím ve statoru. Proud vinutí otáčejícího se rotoru je

přiveden přes kartáče a komutátor, který zajišťuje periodickou změnu proudu do cívky kotvy,

takže kotva rotuje ve vnějším magnetickém poli. Tento druh motorů vykazuje velmi výhodné

tahové charakteristiky a spolu s jednoduchou regulací otáček v širokém rozsahu a

kontinuálnímu přechodu z jízdy do brzdění jsou často využívané. Stejnosměrné motory jsou

- 17 -

krátkodobě až 100% přetížitelné. Hnací otáčky jsou však omezeny asi na 7000min-1 – je tedy

potřeba vícestupňové převodovky. Z pohledu zapojení rozeznáváme motory sériové a

paralelní.

2.1.2 Střídavé elektromotory U střídavých motorů odpadá vinutí kotvy a kolektor. Statorové vinutí je složeno

nejméně ze tří svazků, pootočených vzájemně o 120°, napájeno je t řífázový střídavým

proudem (proto je nutno přeměnit stejnosměrný proud z akumulátoru/baterie na střídavý).

Oproti stejnosměrným motorům jsou střídavé lehčí a menší (při stejném výkonu), jsou

jednodušší konstrukce, bezúdržbové a silně přetížitelné. Z uvedených důvodů jsou tyto

motory mimořádně vhodné pro použití v dopravě. Střídavé elektromotory se dále dělí na

synchronní a asynchronní podle toho zda se magnetické pole otáčí synchronně resp.

asynchronně se skutečnými otáčkami motoru.

Koncepce dvou naproti sobě řazených identických elektromotorů spojených

integrovaným planetovým převodem se běžně nazývá tandemový elektromotor. V dnešní

době je využita například u hybridního vozidla Toyota Prius. Jedna polovina je běžně použita

jako generátor rekuperující energii při brzdění, druhý spolu se spalovacím motorem

produkuje točivý moment a působí zároveň jako startér.

Na závěr k tomuto tématu lze poznamenat, že i v současné rychle se rozvíjející se

době na poli elektromobilů ještě není stanovena jedna technologie typu elektromotorů jako

primární. Tato značná roztříštěnost a neuspořádanost na trhu, ale i v technických normách,

pak vede k jisté nepřehlednosti v dané problematice. Legislativa, a to ať už národní nebo

např. evropská, tuto oblast v podstatě nepostihuje. To je zároveň i brzdou dalšího rozvoje.

Do budoucna však lze očekávat v této oblasti průlom a dominanci dvou, maximálně tří

koncepcí vnitřního uspořádání elektromotorů a tím i nastartování rychlejšího rozvoje.

V současné době, až na pár sporadických asijských výjimek, neexistuje jediný výrobce

specializovaný na výrobu elektromotorů vhodných pro zástavbu uvnitř kola. Donedávna byli

ještě prostorové, výkonové a hmotnostní nároky technickým oříškem. Nicméně se

současným prudkým nástupem nových koncepcí v automobilismu lze očekávat nějakou

razantní změnu ve stavu věcí.

2.2 Zásobníky energie

Jako zásobníky energie mohou vedle benzínového nebo naftového paliva v nádrži

sloužit především akumulátory, vysokovýkonné kondenzátory a setrvačníky. Rozhodnutí,

- 18 -

který z typů použít závisí především na dvou rozhodujících parametrech. Na energetické

hustotě [Wh/kg], tedy obsah energie na jednotku hmotnosti a výkonové hustotě [W/kg] tj.

odnímatelný elektrický výkon na jednotku hmotnosti určující konečné zrychlení a maximální

rychlost vozidla.

2.2.1 Akumulátory

Baterie s možností neomezeného a nepřetržitého dobíjení jsou jedním ze základních

komponentů všech vozidel, kde je potřeba ukládat energii, a kde jsou zároveň použity

elektromotory. Měli by umožňovat rychlé nabíjení, být bezúdržbové s životností alespoň 5 let

a jízdním výkonem více než 50 000km. Zároveň jejich energetická hustota by měla

dosahovat 200Wh/kg s hustotou výkonu asi 100W/kg. [2] Zároveň se od těchto součástí

požaduje co nejnižší cena, předpokládá se asi 150 Euro/kWh. V současnosti je na trhu

několik typů více či méně vhodných typů akumulátorů pro využití v oblastech pohonů

v dopravě. Nejrozšířenější druh jsou olov ěné akumulátory , používané především jako

startovací baterie, které svými parametry nejsou příliš vhodné pro budoucí použití v

pohonech. Limitem jsou hlavně nízká energetická i výkonová hustota a úzký rozsah

provozních teplot (-15 až +45°C). Nikl-Cadmium baterie umožňují vozidlu asi o 50% větší

dojezd než v případě olověných. Jejich masivnějšímu rozšíření brání však jedovatý těžký kov

Kadmium a fakt, že tyto akumulátory potřebují cyklické vybíjení a nabíjení. V moderních

vozidlech je převážně používána baterie Nikl-Metalhydrid . Její anoda je na bázi niklu,

katoda pak ze slitiny pohlcující vodík. Elektrolytem je zředěný roztok hydroxidu. Baterie

Lithium iontová (Li-on) je známá především z použití ve spotřební elektronice, nemají sice

paměťový efekt, ale jejich kapacita silně závisí na optimálním rozsahu teplot (5-30°C).

Příslibem do budoucnosti jsou baterie vysokoteplotní neboli vysokoenergetické . Ty

potřebují pracovní teplotu 250- 330°C. Jsou to nap říklad baterie sodík-síra a sodík-

niklchlorid. Právě druhá zmiňovaná je nazývána jako ZEBRA baterie (Zero-emission

battery). Katoda není pevná deska, ale tekutý sodík. Tyto baterie mohou vytvořit až třikrát

větší zásobu energie než běžné olověné baterie. Bohužel však zatím vykazují relativně

malou životnost. Je třeba na tomto místě konstatovat, že tzv. rekuperace může zvýšit dojezd

vozidla až o 50% při extrémních dopravních podmínkách, kde nedochází k úplnému

zastavení. Jinak se běžně dojezd zvyšuje o 10 až 15% v městském provozu a jen nepatrně

při jízdě na dálnici, s ohledem na její terén. [3] Přehled nejdůležitějších typů baterií a jejich

základních parametrů uvádí tabulka 1.2.

- 19 -

Typ baterie Hustota energie Výkonová hustota Životnost

Wh/kg W/kg cyklů let

Olovo 30-50 150-400 50-1000 3-5

Nikl-Cadmium 40-60 80-175 >2000 3-10

Nikl-Metalhydrid 60-80 200-200 500-1000 5-10

Sodík-Niklchlorid 85-100 155 800-100 5-10

Lithium-Ion 90-120 300 1000 5-10

Lithium-Polymer 150 300 1000 -

Zinek-vzduch 100-220 100 - -

Cílové hodnoty 80-200 75-200 600-1000 5-10

Tab. 1.2 Přehled parametr ů jednotlivých typ ů baterií [2]

Z hlediska nabíjení musejí baterie umožňovat pravidelné nabíjení z různých zdrojů a

různými rychlostmi. Elektromobily nejběžnější využívají nabíjení z elektrické sítě (v

domácnosti nebo na dobíjecích stanovištích), kam je elektřina dodávána z nejrůznějších

primárních zdrojů jako je uhlí, hydroelektřina nebo jaderná energetika. Taktéž může být

použit domácí zdroj energie, jako jsou střešní solární panely nebo větrná elektrárna, které

jsou mnohem výhodnější i vzhledem k bezemisní výrobě elektřiny. [3] Nabíjecí časy tak

primárně závisí na dostupné kapacitě elektrické sítě. V domácnostech v prostředí střední

Evropy je kapacita zásuvek přibližně 3kW, což odpovídá nabíjecímu času průměrné baterie

v řádu jednotek hodin. Tato hodnota samozřejmě nemůže konkurovat nabíjecím stanicím,

které by měly být schopny nabít baterii za řádově minuty tak, aby vozidlo z hlediska čerpání

energie bylo konkurence schopné oproti klasickým spalovacím motorům. Domácí nabíjení

tak může být při použití inteligentního plánovače nabíjení přitažlivé především pro využití

například levného nočního proudu. To by mohlo částečně při masovém použití řešit i

problém nevyužité kapacity elektrické sítě v nočních hodinách. Stejně tak připojené vozidlo

v domácnosti během jeho nevyužívání může poskytovat energie načerpanou během nočních

hodin (s levným tarifem) pro běžný denní provoz domácnosti. Nicméně problémem se zdá

být využití těchto sofistikovaných inteligentních systémů plánování nabíjení a spotřeby u

bytových jednotek ve městě.

2.2.2 Superkondezátory

Vysokoenergetické kondenzátory jsou určeny pro opakované použití. Základním

parametrem musí být vysoká životnost. Ta je výrobci udávána až k 106 cyklů. Dodávají další

- 20 -

potřenou energii během výkonových špiček při akceleraci. Energii uchovávají ve formě

elektrostatické energie. Tyto superkondenzátory dosahují kapacity až 104 F a velkou jejich

výhodou je, že během jednoho cyklu ztratí méně než 20% energie.

2.2.3 Setrvačník

Tento mechanický akumulátor energie je do budoucna velkým příslibem. Může

uchovávat energii aniž by potřeboval jakýkoli chemický proces. Jedná se o rotující těleso

deskového tvaru (kompozit, vysocelegovaná ocel titanem), jež je umístěno někde ve vozidle.

Množství uložené energie resp. zásobní kapacita závisí na otáčkách (i 20tis/min) a rozdělení

hmotnosti. Velkým problémem jsou zatím gyroskopické efekty vznikající při rotaci

setrvačníku uvnitř vozidla a jejich vliv na směrovou dynamiku vozidla při jízdě. Tento

nedostatek lze s úspěchem odstranit vhodnou polohou setrvačníku ve vozidle, nebo montáží

dvou protiběžných setrvačníků tak, aby se zmíněné negativní jevy navzájem eliminovaly.

Mechanický akumulátor se jeví jako obzvláště vhodný pro ukládání přebytečné energie

v prostředcích městské hromadné dopravy (autobusy, trolejbusy), ale i použití v osobních

vozidlech není nemožné. Zástavba přichází v úvahu přímo na klikovou hřídel, nebo přes

převody na hnací nápravu. Výhodou je možnost okamžitého uložení nebo odběru energie

bez jakékoliv prodlevy, vysoká životnost a šetrnost k životnímu prostředí (bez chemických

látek). Určitou nevýhodou je potřeba vysoce odolných a lehkých materiálů a náročných a

sofistikovaných strojních součástí (nízkoztrátová ložiska). Obrázek 1.3 porovnává jednotlivé

energetické hodnoty různých zásobníků energie.

Obr. 1.3 Porovnání energetických parametr ů jednotlivých druh ů zásobník ů energie

- 21 -

Tabulka 1.3 pak srovnává akční rádius jednotlivých zdrojů energie se stejnou

hmotností. Z uvedeného je pak zcela patrné, kterým směrem by měl směřovat budoucí vývoj

v dané problematice.

Prvotní nosi č energie Hmotnost Dojezd

kg km

Elektrická baterie 20 17

Benzín 20 340

Palivový článek H2 20 540

Palivový článek methanol 20 1020

Tab. 1.3 Srovnání dojezdu r ůzných nosi čů energie [38]

Z hlediska výběru vhodné baterie je třeba také rozlišovat do jak řazeného pohonu baterii

umístíme. Energetická potřeba v čase je jiná u hybridních motorů, kde část objemu práce

přebírá paralelně nebo sériově umístění spalovací motor (hlavně v případě, kdy je spalovací

motor využit jen k samotnému dobíjení akumulátorů) a jiná je u čistých elektromobilů.

Obr. 1.4 Prostor pro využití r ůzných typ ů baterií a superkondenzátor ů [12]

Jak uvádí obrázek 1.4, v případě hybridních vozidel požadujeme spíše větší výstupní výkon

resp. vyšší výkonovou hustotu baterie. Naopak u plně elektrických dopravních prostředků

upřednostňujeme spíše větší kapacitu (tedy dojezd) neboli vyšší energetickou hustotu.

Z obrázku je také patrné, že kondenzátory poskytují velmi vysoký výkon ale naopak nízkou

- 22 -

kapacitu v čase. Jejich rychlé nabití a vybití tak lze využít při potřebě náhlé akcelerace.

Nicméně je jasné, že budoucnost je přisuzována právě kombinaci li-on baterií a

superkondenzátory.

2.3. Koncepce pohonu s elektromotory v kolech

Prvotní otázkou konstrukce nového nekonvenčního vozidla je po rozhodnutí přesného

typu pohonu, jistě počet a rozmístění elektromotorů ve vozidle. Zapojení hnacích

komponentů poté určí výchozí parametry vozidla a jeho zřejmé nedostatky. Základní

konfiguraci můžeme navrhnout tak, jak je na obrázku 3.1. Elektromotor je řazen někde

v přední části vozidla, baterie s největší pravděpodobností v ose zadní nápravy. Modře je

naznačen přenos energie elektrickou cestou, červeně pak přímé mechanické spojení a

transfer točivého momentu přes diferenciál na obě přední hnací kola. Výhodou je relativní

konvenčnost. Není potřeba vyvíjet netradiční komponenty, celá konstrukce pohonného

ústrojí nápadně připomíná běžné automobily se spalovacím motorem. Elektromotor může být

neomezeného typu, ani použití vícestupňové převodovky by v tomto případě nebyl výrazný

problém. Toto pojetí tvoří základ pro všechny ostatní a vychází z ní i současná hybridní

vozidla (se sériovým i paralelním řazením dvojice elektromotor – spalovací motor).

V současné době je možno najít ve světě několik vozidel s touto koncepcí pohonu. Lze však

konstatovat, že do budoucna se vývoj bude orientovat směrem k některému z níže

uvedených příkladů. Konstrukční pojetí podle schématu na obrázku 3.2 představuje spojení

mezi prvním a posledním zde uvedeným konceptem. Baterie může být stále umístěna vzadu

před zadní nápravou. Centrální hnací elektromotor však nahradili dva menší. Tím odpadla i

potřeba nápravového diferenciálu. Rozdílnou dráhu hnacích kol lze snadno vyrovnávat

řízením rychlosti otáčení pravého respektive levého elektromotoru. Snadná regulace a

rozdělování točivého momentu mezi koly tak zajistí výborné trakční schopnosti za snížených

adhezních podmínek, zvýšení schopnosti rozjezdu v kopci a nepochybně jistější jízdní

vlastnosti při zatáčení.

- 23 -

Obr. 3.1 Obr. 3.2 Obr. 3.3

Třetí z možných způsobů pohonu vozidla charakterizuje schéma na obrázku 3.3.

Mechanický přenos točivého momentu byl minimalizován a k přenosu energie slouží jen

modře zbarvené elektrické vedení od baterie umístěné vhodně vzhledem k co nejlepšímu

rozložení hmotnosti ve vozidle. Elektromotory jsou instalovány do nábojů všech čtyř kol. To

sebou přináší řadu výhod. Jednoduchost konstrukce, snadná kontrola prokluzu a trakce

všech čtyř kol, rychlá a jednoduchá spolupráce se systémy jízdní stability, nebo zvětšený

prostor pro posádku vozidla jsou jen některé z nich. Odpadají také všechny, v konvenčním

vozidle značně rotací a ohybem namáhané, díly jako diferenciály (u pohonu 4x4 i tři), při

použití vhodných elektromotorů převodovka a ostatní točivým momentem namáhané části

(hřídele, kardanové klouby).

Ačkoliv je v současné době v případě konvenčního řazení pohonného ústrojí účinnost

klasické převodovky relativně vysoká (u nejlepších převodovek až 93%), je přesto v případě

jejího vynechání úspora zmařené energie nezanedbatelná. Účinnost jednotlivých

převodových komponentů je běžně uváděný parametr v katalozích výrobců převodovek a

ostatních komponent. Bývá udávána buď ve formě čísla, nebo jako soustava křivek, kde je

vynesena účinnost v závislosti na rychlosti, případně momentu. Proto je relativně snadné

zjistit, kolik energie je ztraceno. Pro ztráty v přenosu výkonu od hnacího členu (motoru) na

hnaný člen (zařízení) platí, že se všechny účinnosti převodů a ložisek kol násobí. Výsledná

ztráta může být velmi překvapivá, čísla okolo 85% nejsou vůbec vzácná, spíše běžná. [16].

Slabým článkem obzvláště u starších nebo často využívaných vozidel je samozřejmě

- 24 -

spojkové ústrojí, které trpí velkým opotřebením a ztrátou součinitele tření přítlačných

kotoučů. Pro celkový výpočet účinnosti platí následující vztah:

kde,

η je účinnost převodovky v procentech

P2, (P1) je výstupní (vstupní) výkon

M2, (M1) je výstupní (vstupní) moment

ω2, (ω1) jsou výstupní (vstupní) otáčky

Pokud lze vynecháním těchto komponentů a umístění pohonné jednotky

(elektromotoru) integrovat přímo do náboje kola ušetřit min. 10% energie, jeví se tato cesta

jako nanejvýš slibná. Samozřejmě je třeba počítat energetické ztráty způsobené přenosem

elektrické energie kabelovými svazky z akumulátorů do samotných elektromotorů, nicméně

tyto ztráty budou maximálně v řádu jednotek procent. I v případě započítání dalších ztrát ve

způsobu předávání energie samotným akumulátorem a přenosu mechanické energie na

ráfek kola dostáváme neúměrně úspornější systém, než jsou dnes klasicky koncipované.

Velkým příslibem do budoucna je také možnost integrovat několik dříve

neslučitelných systémů v jeden spolu s elektromotorem. Pohon, řízení, brzdy i systém

odpružení vozidla by mohl zastat jeden celek sloučený do kompaktních rozměrů v nábojích

kol.

Uvedené samozřejmě platí i pro hybridní způsob pohonu vozidel. Všechny tři

zmiňované koncepce se jeví jako vhodné pro instalaci spalovacího motoru. Ten by měl ve

vozidle působit jako generátor energie pro dobíjení baterie v případě vyčerpání standardních

způsobů nabíjení (rekuperace či jiné vnější dobíjení například solárními články). Elektromotor

odstraní nedostatek spalovacího motoru, který potřebuje jen k pokrytí vlastní potřeby chodu

asi 1kg/h paliva (bez vnějšího odvádění výkonu) a v městském provozu jeho účinnost klesá

až pod 10%. Za nízké rychlosti a přerušované jízdy v režimu častého brzdění, stání a

rozjíždění jsou všechna standardní opatření ke snížení spotřeby a exhalací (snížení valivého

odporu, součinitele odporu vzduchu, zvýšení účinnosti spalovacího motoru, snížení

hmotnosti atd.) marná. V případě režimů s takto malou účinností vystává otázka jak využít a

naložit se zbývajícími 90% energie, které se z velké části přemění v teplo a výfukovým

- 25 -

ústrojím spolu se zdraví škodlivými emisemi odchází do ovzduší. Elektromotor v kombinaci

s vhodným zásobníkem energie se pak nabízí jako alespoň částečné řešení.

3. Analýza dynamiky vozidla s motory v kolech

Pohon vozidla s elektromotory v kolech přináší, jak bylo již uvedeno v úvodu, řadu

výhod. Na obr. 1.5 je uvedeno základní schéma. V tomto oddíle podrobně rozeberu

jednotlivé dynamické aspekty pohybu vozidla se zabudovanými elektromotory v nábojích kol,

které se liší od konvenčních vozidel.

3.1 Podélná dynamika

Tato část zahrnuje dynamiku jízdy v podélném směru, tedy pohyb ve směru osy x

(pokud uvažujeme standardní třírozměrnou referenční soustavu). Výchozími parametry jsou

v tomto případě celková hmotnost vozidla a podélná poloha těžiště, výkonové parametry

pohonné jednotky a brzdového ústrojí, konstrukce podvozkových částí a druh pohonu (4x4).

3.1.1 Jízdní odpory

Elektromotory v nábojích kol nemají na jízdní odpory výrazný vliv. Valivý odpor a

odpor stoupání se teoreticky sníží s poklesem celkové hmotnosti vozidla. Ten lze však do

budoucnosti připsat spíše možnosti použití sofistikovanějších materiálů, než zástavbou dvou,

či čtyř elektromotorů oproti jednomu konvenčnímu spalovacímu. K elektrickým agregátům je

ještě potřeba připočíst podstatnou hmotnost použitého akumulátoru energie, elektrorozvodů,

palivových článků atd. Aerodynamický odpor vozidla lze však na druhou stranu díky menší

prostorové náročnosti elektromotorů s úspěchem vhodným návrhem karoserie snížit.

Limitem by v tomto případě nemusel být objemný motorový prostor v přední části vozidla

v případě použití spalovacího motoru. V důsledku tohoto opatření by mohlo dojít ke snížení

součinitele odporu vzduchu, obzvláště ve vysokých rychlostech, někam k hodnotám rapidně

šetřícím potřebnou energii k pohonu. To by v konečném důsledku snížilo celkové výkonové

nároky na soustavu pohonných jednotek. Ke snížení by došlo i v případě odporu zrychlení

a odporu t ření rotujících částí . V prvním případě v důsledku již zmiňované nižší hmotnosti

a absenci všech významných rotujících částí (převodovka, stálý převod, ozubená kola

diferenciálu). Na odporu zrychlení se proto bude podílet odpor zrychlení posuvných částí

vozidla a mnohem menší měrou odpor rotujících částí, ke kterému můžeme počítat jen odpor

rotujících kol, závisející na jejich momentu setrvačnosti a kvadrátu dynamického poloměru

kola, jak ukazuje vztah 3.1. K odporu tření lze započítat jen ztráty třením ve valivých

ložiscích v uložení kol a ztráty uvnitř samotných elektromotorů.

- 26 -

[1.1]

Celková jízdní dynamika bude proto odpovídat klasickému charakteru elektromobilů

s drobnými rozdíly oproti koncepci umístění elektromotoru do odpružené části vozidla. Lze

počítat s ušetřením hmotnosti převodového ústrojí, které v případě použití vhodného

nízkootáčkového střídavého motoru např. s permanentními magnety umožní, integrovat

elektromotory do kol. Z hlediska podélné jízdní dynamiky samozřejmě nelze zanedbat vliv

zástavby akumulátorů (cca 300kg) – tím se smazává absence spalovacího motoru, nicméně

dostatek točivého momentu, vyplývající z vlastní charakteristiky elektromotorů, a prakticky

konstantní výkon v celém spektru otáček, lze tento nedostatek z prakticko-uživatelského

hlediska jízdních výkonů v přímém směru zanedbat. Bezpřevodová jízdní charakteristika

naopak klasickým uživatelům obzvláště městských typů vozidel bude značně vyhovovat a

zcela jistě podstatně zvýší jejich spokojenost s vnímáním pohodlné jízdy.

3.1.2 Brzdění

Během brzdění nabývá zrychlení vozidla záporné hodnoty. Dochází ke zpomalování

hmoty celého vozidla díky brzdným momentům, které jsou rozdělovány na jednotlivá kola. Je

třeba konstatovat, že při zástavbě elektromotorů dojde k určitým změnám. Celkové

hmotnostní těžiště změní svoji polohu blíže k rovině vozovky. Podle schématu na obrázku

2.1 se sníží vertikální poloha těžiště h. Rovnice [3.2],[3.3] pak vyjadřují momentové

podmínky rovnováhy respektive největší přenositelné brzdné síly.

Obr. 2.1 Síly p ůsobící na vozidlo b ěhem brzd ění

ar

JMF

d

ks

+= ∑

2

- 27 -

h

lma

l

GlR z

p += ; h

lma

l

GlR p

z −= [3.2]

pvbp RF µ=(max) ; zvbz RF µ=(max) [3.3]

Jak je z uvedených rovnic patrno, vertikální poloha těžiště má na síly vznikající při

brzdění vliv. Reakce kol na vozovku jsou zatíženy statickou složkou, ke které musíme

přičíst/odečíst dynamické zatížení, vznikající posunem těžiště. To pak nepřímo úměrně

závisí na parametru h. Čím bude těžiště níže, tím menší bude dynamická složka přesunu

váhy a tím méně bude přední/zadní náprava zatěžována respektive odlehčována. Proto při

maximálních brzdných zpomaleních ( ga =& ) nedochází k takovým náklonům karoserie,

odlehčení, respektive zatížení kol i bez změny tuhosti pružení/tlumení a úpravy kinematiky

zavěšení. Stabilita vozidla se proto při brzdění v podélném směru zvýší. Regulace brzdných

sil by, vzhledem k dané koncepci, měla být jednoduší. Předpokládá se použití plně

elektronických brzdných systémů tak, že řídící jednotka bude vyhodnocovat jízdní podmínky,

aby nedocházelo k blokování jednotlivých kol a tím k nežádoucímu stáčení vozidla.

3.2 Svislá dynamika – vliv neodpružených hmot

Svislou dynamikou rozumíme všechny pohyby vozidla ve svislém směru například při

přejíždění nerovností na vozovce. Podle obrázku 2.2 můžeme jednoduše rozdělit vertikální

dynamiku na pohyby odpružené a neodpružené hmoty. V konvenčních vozidlech je hmotnost

odpérovaných hmot cca 5-8x větší než neodpérovaných. V případě zabudování pohonných

jednotek do nábojů kol však vzroste hmotnost neodpružených hmot m. To znamená pro jízdu

vozidla několik odlišností.

- 28 -

Obr. 2.2 dvouhmotový systém

[3.4]

M

C=Ω ; m

CC p+=ω

[3.5]

Rovnice [3.4] vyjadřují právě pohyb odpružených resp. neodpružených hmot při

zanedbání tlumení. Uvedená soustava má právě dva stupně volnosti (v našem případě lze

snadno zanedbat kmity spalovacího agregátu). Veličiny Ω a ω jsou vlastní úhlové frekvence

odpérované a neodpérované hmoty [3.5]. Dosazením a řešením této soustavy

diferenciálních rovnic jsou pak po jistých matematických úpravách dva kořeny vyjadřující

0)( =−+ κxCxM &&

)( ξ−+−− xCκ)C(xκm p&&

- 29 -

výsledný pohyb obou hmot [3.6]. Proto se pohyb uvedené soustavy skládá po počátečním

vybuzení ze dvou složek s vlastní frekvencí 1Ω a 2Ω

[3.6]

Z uvedeného plyne, že soustava má dvě rezonance, při níž amplitudy pohybu hmot

nekonečně rostou. Ta nastává vždy, pokud se budící frekvence přejížděné nerovnosti rovná

jedné z vlastní frekvence pohybu, tedy 1Ω resp. 2Ω . Úhlová frekvence nerovnosti (budící

frekvence) je závislá na rychlosti přejezdu nerovnosti a délce vlny nerovnosti (v případě čistě

teoretické harmonické nerovnosti, tedy při konstantní vlnové délce nerovnosti).

Celková charakteristika vozidla z hlediska svislé dynamiky se posuzuje podle dvou

navzájem se vylučujících měřítek. Z hlediska jízdního pohodlí je důležité vnímání a působení

vertikálního zrychlení na řidiče a posádku vozidla, z pohledu jízdní stability a vlastností

vozidla (tedy především z pohledu aktivní bezpečnosti) je nutné posuzovat dynamickou sílu

mezi kolem a vozovkou. U těžkých nákladních automobilů je pak neméně důležitým

aspektem svislé namáhání vozovky od projíždějících vozidel. Proto musí být celkové

nalaďění vozidla vždy jen kompromisem mezi pohodlím a bezpečností jízdy.

Podle vzorce [3.5] lze tohoto dosáhnout snížením tuhosti pneumatiky Cp (tzn. snížení tlaku

v pneumatice), snížením tuhosti odpružení vozidla, nebo zvětšením neodpružených hmot.

V případě zabudování elektromotorů do nábojů kol tak dochází k rapidnímu zvýšení

neodpružené hmoty v soustavě, ke zmenšení absolutních zrychlení odpružené hmoty, a tím

k zvýšení vnímaného pohodlí posádky vozidla. Zároveň však zvětšení neodpérovaných hmot

znamená z hlediska jízdní bezpečnosti nebezpečné odskakování pneumatiky od vozovky. To

lze chápat jako zhoršení adhezních schopností vozidla v případě přejezdu nerovností na

vozovce a snížení aktivní bezpečnosti.

Uvedené se proto nachází v rozporu se snahou konstruktérů o co nejmenší

neodpružené hmoty. Proto zvýšení neodpérovaných hmot vlivem zástavby pohonných

jednotek do nábojů kol lze chápat jako problém, který sice přináší jistý pozitivní vliv na

pohodlí, avšak za cenu výraznějšího zhoršení adhezních vlastností ve styku pneumatika –

21 sinsin Ω+Ω= BtAx

21 sinsin Ω+Ω= βακ t

- 30 -

vozovka. Podle typu velikosti a výkonu elektromotoru lze předpokládat, že hmotnost se bude

značně lišit. Přesto však je důležité používat co nejlehčí jednotky tak, aby poměr mezi

odpérovanými a neodpérovanými hmotami byl co nejvyšší ( > 5). Je jen otázkou vývoje, zda

se bude v těchto parametrech dosahovat stále lepších výsledků.

Doposud jsme uvažovali dvouhmotovou soustavu netlumenou. Ale jak uvádí obrázek

2.2, musí se do dynamického modelu zahrnout i tlumení. A to jak tlumení odpružené části

vozidla, tak i tlumení pneumatiky. Pro popis je nutno zavést tzv. součinitel aperiodicity

(poměrný útlum), který popisuje intenzitu tlumení jako poměr mezi součinitelem útlumu b

tlumiče k součiniteli útlumu, který by soustava musela mít, aby docházelo k aperiodickému

tlumení [3.7]. Zjednodušeně lze říci, že čím nižší je součinitel aperiodicity, tím horší jsou

adhezní vlastnosti vozidla (odskok kola od vozovky nastává již při nízké výšce nerovnosti) a

naopak příznivější jsou vlivy vnímající posádkou jako pohodlí. První ze vztahů uvádí

součinitel aperiodicity pro odpruženou hmotu, druhý pak pro neodpruženou v soustavě podle

obr. 2.2.

CM

bM

2=ψ ,

mCC

bb

p

pm

)(2 ++

=ψ [3.7]

Je jasné, že tlumení potlačuje rezonanci (při nízkých budících frekvencích) a obecnou

snahou je, aby vozidlo najíždělo na nerovnosti v rovnovážném stavu. Toho lze dosáhnout,

pokud je součinitel aperiodicity (obou hmot v uvedené soustavě) menší než 0,4. Je proto

třeba parametry vstupující do této problematiky vhodně nastavit tak, aby ve výsledku celá

soustava splňovala adhezní i bezpečnostní nároky kladené na vozidlo. Přítomnost tlumení

výrazně snižuje amplitudu pohybu v první rezonanční oblasti (budící frekvence se přibližně

rovná nižší frekvenci vlastních kmitů soustavy, neboli v = Ω1), ale v oblasti vyšší (v = Ω2) je

jeho vliv spíše negativní. Proto je charakteristika tlumiče navrhnuta jako lomená. Sklon křivky

(obr. 2.3) je pak nad zlomem ovlivněn především neodpruženou hmotou, tedy hmotností

zabudovaného elektrického agregátu. Zlom v charakteristice tlumiče, tzn. snížení periodicity

má jak již bylo uvedeno vliv na adhezní vlastnosti. Podle vztahu [3.7], lze proto při zachování

nižšího součinitele tlumení zachovat stejný součinitel aperiodicity snížením neodpružených

hmot tzn. snížením hmotnosti pohonné jednotky v nábojích kol.

- 31 -

Obrázek 2.3 Charakteristika tlumení xbFT &.=

Závěrem se dá říci, že vliv elektromotorů v nábojích kol na svislou dynamiku je

nezanedbatelný. Obecnou snahou by mělo být minimalizace jejich hmotností. To by

v důsledku znamenalo větší možnosti v nastavení podvozkových komponentů. Pokud by

však poměr odpružené a neodpružené hmoty byl znatelně nižší a adhezní (jízdní) vlastnosti

horší než je dnes běžný standard u silničních vozidel, je tu možnost podle vztahu [3.7] zvýšit

tuhost tlumičů za cenu zvýšení maximálních výchylek vertikálního zrychlení odpružené části

vozidla a snížení pohodlí jeho pasažérů. Základní otázkou by tak mělo být i využití vozidla.

Budící frekvence je lineárně závislá na rychlosti jízdy [3.8].

L

vv vπ2=

[3.8]

vv …rychlost jízdy vozidla

L …délka přejížděné nerovnosti

Tedy pro městská vozidla s nízkou maximální provozní rychlostí jsou zvýšené

neodpružené hmoty řešitelným problémem i bez snížení pohodlí osádky. Také relativně

robustní stavba nosných částí např. městského autobusu s výkonnými elektromotory

v kolech by nemusela z hlediska poměru odpružených a neodpružených hmot znamenat

výrazný nedostatek z hlediska pohodlí a bezpečnosti. Příslibem by mohlo být i aktivní

tlumení, pracující přesně podle aktuální situace a eliminující tak výše uvedené nedostatky.

- 32 -

Jestliže v případě konvenčního uspořádání pohonu se spalovacím motorem,

převodovým ústrojím a hnacími hřídeli je u osobního vozidla střední třídy o celkové

hmotnosti cca. 1300kg, je hmotnost samotného agregátu přibližně 350kg. Z celkové

hmotnosti se jedná o 27%. V případě absence se tedy těchto 27% hmotnosti v odpružené

části hmotového systému vozidla ušetří. Nicméně, je třeba počítat s nárůstem o hmotnost

nezbytných akumulátorů (cca 300kg) a rapidním nárůstem neodpružených hmot se všemi

jejími negativními důsledky na jízdní pohodlí a stabilitu popsanými výše. Umístění

akumulátorů bude sice, co se týče jízdní dynamiky, však na vhodnějším místě ve vozidle (co

nejníže a co neblíže středu vozidla) než spalovací motor. Nejnovější elektromotory, které

byly na fungujících konceptech odzkoušeny, však mají hmotnost jen lehce přesahující 7kg a

výkon přibližně 15kW. Na první pohled se zdá, že to už stojí za pozornost. Celková hmotnost

klasického zástupce malých městských vozidel Renault Clio s nejběžnějším malým motorem

je 950kg a neodpružené hmoty na přední nápravě jsou 38kg. Kdybychom tomuto

modelovému vozidlu přidaly dva elektromotory do každého kola k neodpruženým hmotám,

dělá to nárůst neodpružené hmoty o 36% na přední nápravě. Což je z hlediska jízdní

dynamiky i při tak nízké hmotnosti elektromotorů nezanedbatelné.

Můžeme tedy počítat, co se týče neodpružené hmotnosti, se spíše zhoršenými

vlastnostmi v případě použití zmíněné koncepce. Je jen otázka, nakolik se projeví (či spíše

zákazník dokáže ocenit) ty pozitivní, a nakolik například materiálové inženýrství do budoucna

dokáže zvrátit tento hmotnostně nepříznivý poměr ve prospěch integrování elektromotoru do

náboje kola. Jistou naději v tomto případě dávají pomalu se objevující se technologie

implementování tzv. all-in one. Neboli kromě brzdících elementů a pohonu, umístit do kola i

odpružení a tlumení vozidla tak, aby došlo k rapidní minimalizaci neodpružených hmot.

Tomuto tématu se věnuje kapitola 2.4

3.3 Směrová dynamika

Problematiku směrové dynamiky lze rozdělit do dvou kategorii. První můžeme chápat

jako řiditelnost. Při vyloučení ovládání vozidla řidičem hovoříme o tzv. objektivní řiditelnosti

neboli reakcemi vozidla na předem přesně definované řídící vstupy. Za druhou kategorii

směrové dynamiky jízdy vozidla můžeme považovat směrovou stabilitu, neboli dodržování

směru. Je to schopnost vozidla udržovat směr pohybu i při působení vnějších sil a momentů

(dynamicky se měnící odstředivá síla při průjezdu zatáčkou na povrchu se sníženou adhezí,

propružení a změna geometrie náprav při přejezdu nerovností, změny směru jízdy, ale i

aerodynamický odpor zvyšující se kvadraticky s rychlostí, nebo vliv bočního větru). Pro účel

vyšetření směrové dynamiky vozidla s pohonnými jednotkami v nábojích kol není nutné

uvažovat vlastnosti pneumatik.

- 33 -

3.3.1 Řiditelnost

Pojem řiditelnost můžeme rozdělit na řiditelnost statickou (určuje vlastnosti vozidla

jako odezvy na natáčení volantu při ustálené jízdě) a na řiditelnost dynamickou (závislost

mezi buzením na volantu a neustálenými dynamickými odezvami pohybu vozidla).

Řiditelnost vozidla je v podstatě odezva vozidla na natáčení volantu při stálé rychlosti jízdy.

Určitému natočení volantu odpovídá například určitá hodnota úhlové rychlosti kolem svislé

osy (tzv. stáčivá rychlost), která je odezvou vozidlového systému. [5] Pro teoretický popis

řiditelnosti vozidla s elektromotory v kolech vytvořme modelovou situaci. Vozidlo se pohybuje

po kruhové dráze, těžiště je umístěno v rovině vozovky a působí na něj odstředivá síla,

závislá přímo úměrně na čtverci rychlosti a celkové hmotnosti vozidla a nepřímo na poloměru

zakřivení, jak dokládá vztah [3.9].

R

vmF

2

= [3.9]

Vybočování vozidla z požadovaného směru určeného řídícím vstupem pak závisí na

veličinách α ,α& (úhel směrové úchylky těžiště resp. úhlová rychlost směrové úchylky těžiště)

a rychlost stáčení na ε ,ε& (úhel stáčení vozidla, resp. úhlová rychlost stáčení vozidla). Úhel

natočení přední/zadních kol pak označíme veličinou β. Z lineárního jednostopého modelu

vozidla pak můžeme konstatovat:

zz

z

pp

p

v

lv

l

βεαα

βεαα

+−−=

+−−=

&

&

[3.10]

Z uvedeného [3.10] vyplývá, že vliv zástavby elektrických pohonných jednotek do

nábojů kol na řiditelnost vozidla (statickou i dynamickou) je nulový. Jediným vlivem je

podélné rozložení hmotnosti, na kterém se jistě nemalou měrou budou podílet i

elektromotory a jejich příslušenství (při pohonu 4x4 by pak rozložení hmotnosti ve vozidle

mohlo být relativně rovnoměrné, otázkou však zůstává poloha dalších zařízení ve vozidle).

Odpadá tedy problém s jednostranným zatížením vozidla spalovacím motorem a

převodovkou jako u konvenčních vozidel. Možnosti aktivního řízení všech kol podle situace

se věnuje jeden z následujících odstavců.

- 34 -

3.3.2 Naklápění

V předcházejících odstavcích jsme uvažovali umístění těžiště v rovině vozovky.

V případě vyšetření naklápění karoserie vozidla již musíme zahrnout výšku těžiště

odpružené části h´, tuhost odpružení c a hmotnost odpružené části M. Při ustálené jízdě po

kruhové dráze se vlivem klopného momentu [3.11] mění svislé zatížení kol vozidla. Moment,

který působí proti naklápění, se nazývá vratný moment nápravy. [3.12]

hR

vMM k

2

= [3.11]

ψCM V = [3.12]

Veličina ψ je v tomto případě úhel naklopení nápravy a C je tzv. klopná tuhost

nápravy. Právě klopná tuhost je velmi důležitou hodnotou pro určení úhlu naklopení

karoserie vozidla. Pro každý typ zavěšení kol se C určuje jinak, základem je sestrojit střed

klopení a z rovnic rovnováhy pak zjistit hodnotu klopné tuhosti nápravy. Úhel naklopení

nástavby vozidla za předpokladu stejných typů zavěšení pro přední i zadní nápravu je

uveden níže. [3.13]

( )RhMgC

vhM′−

′=

2

2

ψ [3.13]

Z uvedeného můžeme konstatovat, že díky absenci pohonné jednotky a ostatních

konvenčních komponentů v množině odpružených částí, se M podstatně zmenší. Tím bude

docházet k menším náklonům karoserie v zatáčkách. Důsledkem pak budou zlepšené jízdní

vlastnosti například v případě potřeby náhlé změny směru. Důležitým parametrem je pak

hodnota klopné tuhosti C. Tu můžeme ovlivnit jednak vhodnou tuhostí pružin, správně

nastavenou geometrií kol a vhodným typem zavěšení a jeho kinematikou. Další možností jak

ovlivnit naklápění je přítomnost účelově nastavených stabilizátorů náprav, které zvýší

klopnou tuhost nápravy. Závěrem tohoto odstavce shledáváme z hlediska klopení karoserie

přítomnost elektrických jednotek v kolech pro jízdní vlastnosti a aktivní bezpečnost vozidla

jako prospěšný.

3.4 Možnosti eliminace neodpružených hmot a snížení jejich vlivu na vozidlo Z předcházejících odstavců můžeme vyvodit, že z hlediska dynamiky vozidla a vlivu

na jízdu, je zabudování elektromotorů do nábojů kol a tím zvýšení neodpérovaných hmot

- 35 -

určitým problémem. Nedostatky se projevují zejména v oblasti pérování vozidel. Vliv na

kontakt pneumatiky s vozovkou a pohodlí osádky je zvláště ve vysokých rychlostech značný.

Rozhodující, jak bylo uvedeno, je poměr mezi odpérovanou a neodpérovanou hmotou. Ten

by u těžkých nákladních vozidel nebo autobusů mohl být, i při zástavbě pohonu do kol, ještě

příznivý. V případě lehkých osobních vozidel, nebo dokonce malých městských dopravních

prostředků je však tento problém obtížně řešitelný. Více by napověděly simulace s přesně

zadanými jednotlivými veličinami.

Jako nejjednodušší cesta k eliminaci uvedených problémů je snížení hmotnosti

elektrických agregátů. Ty dosahují velmi rozdílných hodnot v závislosti na nominálním

výkonu pohonné jednotky. Nejlehčí motory o výkonu 20kW dnes mají hmotnost přibližně 7kg.

Ty největší motory vhodné pro zástavbu například do městských autobusů nebo nákladních

vozidel i více než desetkrát tolik. Nicméně tomu pak odpovídá i jejich výkon. Další možností

je snížit hmotnosti ostatních neodpružených komponentů. A to buď jejich nahrazením

sofistikovanějšími systémy, nebo použitím lehčích materiálů (např. u ramen zavěšení, nebo

použití loukoťových kol). Tím by se mohlo dosáhnout stejné hodnoty neodpružených hmot

jako u kola bez elektrického agregátu v náboji. Dobrou šancí jak vyřešit daný problém je i

možnost využít aktivně nastavitelných tlumičů. Ty by se svou charakteristikou přizpůsobovaly

danému jízdnímu režimu. V nízkých rychlostech, kde je vliv neodpružených hmot nižší, by

podle pokynů řídící jednotky sníženou tuhostí zajišťovaly osádce maximální pohodlí, a při

zvýšené cestovní rychlosti by naopak svojí tuhost zvýšily a na úkor pohodlí by zajišťovaly co

největší aktivní bezpečnost a co nejlepší jízdní vlastnosti. V případě vzdálenější budoucnosti

můžeme uvažovat i o podobném aktivním chování tuhosti pneumatik. Možností je i využití

aktivních tlumičů typu Sky-hook. Ve zlomcích sekund vyhodnocovat jízdní stavy a opět tak

přizpůsobovat charakteristiku tlumičů. Tím tak eliminovat nepříznivé vlivy neodpružených

hmot i bez snížení pohodlí osádky vozidla nebo zhoršení adhezních vlastností.

Jako nejsofistikovanější a zároveň nejslibnější cestou se v posledních pár letech

vývoje zdá řešení, které představilo nezávisle na sobě několik světových designérských

firem. Konstrukční řešení spočívá v dosažení minima neodpérovaných komponentů a co

největší snížení hmotnosti všech neodpérovaných komponentů. Jak již bylo výše naznačeno,

cesta vede k sdružovaní jinak nezávislých zařízení do jednoho celku, v našem případě

umístěného v nábojích kol. Do jednoho konstrukčního bloku se tak dostává nejen

elektromotor a brzdy (uvedené v předcházejícím řešení), ale i tlumení a odpružení vozidla.

Samozřejmě největším problémem se hned na první pohled zdají prostorové nároky

takovéhoto řešení. Již samotné umístění elektromotoru a integrovaných brzd představuje

- 36 -

prostorový problém. Pružiny, sloužící k pérování vozidla a zachycující rázy od kol, svou

délkou a průměrem ještě do vnitřního prostoru kola zakomponovat lze. Velký problém však

představují tlumiče. Z hlediska zdvihu jsou na vertikální prostor klasické vozidlové plyno-

kapalinové tlumiče značně náročné, proto je jejich použití hned zpočátku nemyslitelné.

Tlumení vozidla se tedy, zdá se, musí vyřešit jiným způsobem. Jako řešení se nabízí využití

dalšího elektromotoru a aktivních tlumičů jako náhrada plyno-kapalinových tlumičů. Celý

systém tak zajišťuje aktivní tlumení vozidla proměňující své parametry tlumičů podle aktuální

podmínek na vozovce (s rychlostí reakce v řádu tisícin sekundy). Přesto s minimálními

prostorovými nároky, které tak splňují podmínky dané vnitřním prostorem kolového disku.

Elektronická řídící jednotka by pak mohla měnit charakteristiku tlumičů v závislosti na

rychlosti jízdy, rychlosti natáčení předních kol, na výšce zádě karosérie nad vozovkou,

rychlení v podélném a příčném směru a na výšce přídě. Řidič by všechny vyhodnocené

situace dostával na displej palubní desky a mohl by tak neustále kontrolovat okamžitou

činnost zařízení. Tlumící jednotka každého z kol by měla být řízena samostatně, avšak

vzájemně koordinovaně, podle aktuálně vyhodnocené situace stavu jízdy a prostředí okolo

vozidla. Tak by se celá soustava optimálně přizpůsobovala okamžitým provozním

podmínkám.

Zmenšení naklánění vozu v zatáčce, potlačení předklánění při brzdění, nežádoucí

zaklánění při akceleraci a například omezení nežádoucích pohybů vozu na špatné nebo

nerovné vozovce (případně i v mírném terénu) by mělo zlepšit jízdní vlastnosti vozidla a

zvýšit jeho aktivní bezpečnost při jízdě za každé situace. Například tedy při jízdě v zatáčce

by soustava snižovala tuhost tlumení vnitřních kol a naopak by zvyšovala tuhost tlumičů na

straně vnější. Podobně by aktivní tlumiče, resp. řídící jednotka vyhodnocovala situaci při

brzdění či prudké akceleraci.

Regulace výšky vozu v závislosti na rychlosti jízdy (větší tuhost při vyšších

rychlostech) a signálech výšky přídě a zádě (zatížení vozidla) by byla další činností soustavy

aktivních tlumičů uvnitř samotných kol. Možnost výběru režimu by samozřejmě měla být

dána i řidiči. Ten by si volil např. celkovou světlou výšku vozidla (dle preference pohodlí nebo

lepších jízdních vlastností, nebo například pokud by se chystal do lehčího terénu). Nízká

výška vozu při vysokých rychlostech snižuje aerodynamický odpor (zmenšuje čelní plochu),

a zvyšuje stabilitu (zlepšené obtékání vozidla vzduchem).

Uvedené řešení pak zajišťuje zvýšení pohodlí a zlepšení jízdních vlastností nejen

úbytkem hmotnosti neodpružených částí, ale i použitím aktivního elementu tlumení, se

kterým se dnešní konvenční tlumící systémy (a to i ty nejlepší, fungující na principu

- 37 -

elektromagnetického ovlivňování hustoty kapaliny v tlumiči) nemohou srovnávat. Všechny

kolébavé a klonivé pohyby způsobené povrchem a stavem vozovky nebo samotnou jízdou,

jsou tak automaticky korigovány. Systémem aktivních tlumičů zcela jistě do budoucna

nastaví nové standardy v oblasti pohodlí, ale i jízdních výkonů – a tedy i aktivní bezpečnosti

vozidla.

V případě využití koncepce „all-in one“, tedy umístění všech důležitých částí do

středu samotného vozidlového kola, tak dojde nejen k mírné eliminaci neduhů, vlivů

neodpružených součástí (například absencí kulových čepů řízení a ostatních zařízení

sloužících k směrovému natáčení kol), ale i k podstatnému snížení celkové hmotnosti

vozidla. Zmíněným lze ušetřit nejen klasický spalovací motor (cca 300kg) jako u každého

konvenčního elektromobilu, ale i absencí diferenciálu a převodovky (cca 40kg) a spojky (cca

7kg) a kloubové hřídele (cca 3kg). Pokud bychom srovnávali s vozidlem 4x4, bude úspora

ještě větší díky nepřítomnosti nápravového diferenciálu, kloubových hřídelů, zadního

diferenciálu atd.

Slibnou technologií se jeví i elektronická klínová brzda, vyvinutá divizí VDO německé

firmy siemens. Jedná se o brzdu pracující na principu klínu. Tedy brzdové čelisti se díky

krokovému motoru přitlačují k brzdnému kotouči silou ekvivalentní sklonu roviny klínu, který

je posouván krokovými elektromotory. Toto řešení s sebou přináší další úsporu hmotnosti,

protože například všechny hydraulické části brzdové soustavy zde nejsou potřeba. Řidič

ovládá brzdu pomocí snímače v brzdovém pedálu, který následně vyšle elektrický impuls do

krokových motorů na brzdovém kotouči. Reakce na pohyb brzdového pedálu je tak značně

urychlena a samozřejmě vyvinutá brzdná síla mnohem větší. Blíže se tomuto systému budu

věnovat v další kapitole, protože firma Siemens v posledních třech letech použila koncepci

klínové brzdy i jakou součást konceptu eCorner, kde si vyzkoušela technologii zabudování

pohonného ústrojí do náboje kola.

Uvedené sice neskrývá nějaké fyzikální nebo faktické nedostatky (pokud počítáme

problém plyno-kapalinových tlumičů za vyřešený použitím aktivních elektronických tlumících

prvků), nicméně jisté problémy lze pozorovat. Jsou to samozřejmě již zmíněné prostorové

nároky celého řešení, které vyžaduje rapidní zmenšování všech součástek při zachování

jejich výkonu. Velkým problémem se jeví však především přenos výkonu pohonné jednotky,

která je teď v množině odpružených částí, na kolo, které je však neodpružené, a svými

pohyby reaguje na aktuální stav jízdy. Problém lze řešit převodem s ozubením na vnitřní

straně kola nebo planetovým ozubením. Lepším řešením je však použití elektromotorů

- 38 -

s vnějším rotorem. Podrobnému konstrukčnímu řešení se pak budu věnovat v další části této

práce.

Také na pružiny jsou kladeny značné prostorové nároky. Pro správnou funkci

vozidlových pružin, je potřeba vhodně zvolit především jejich tuhost. Ta se však ovlivňuje

jednak průměrem materiálu a především počtem otáček a celkovou výškou. Dokonce i

nelineární tuhost pružení dosažené nekonstantním stoupání pružiny je z dnešního přísného

pohledu na pohodlí jízdy důležité. To však klade relativně nepřiměřené prostorové nároky

vzhledem k volnému prostoru, které lze využít uprostřed kola k zastavění jednotlivými

konstrukčními prvky. Běžná celková výška pružiny je přibližně 370mm. Vnitřní průměr 15“

disku je 380mm. Je jasné, že běžná tradiční pružina by se v tomto případě nedala použít.

Řešením by pak mohlo být například použití dvou axiálně symetrických pružin o různých

tuhostech nebo jiné sofistikovanější řešení.

4. Konstruk čně - technické řešení

Zástavbu pohonné elektrické jednotky do náboje kola lze provést samozřejmě

několika způsoby. Každé dané řešení s sebou přináší řadu výhod i nevýhod. Záleží

především na technologických možnostech. Ty nejlepší řešení totiž bývají technologicky a

v neposlední řadě také finančně velmi náročné. Jako prvním bych začal tedy řešením

nejjednodušším, podstatou se nelišícím od v úvodu zmiňovaném prvního elektromobilu

německého konstruktéra českého původu Ferdinanda Porsche.

4.1 VAR.I Klasický elektromotor v náboji kola

Toto řešení spočívá v použití klasického elektromotoru jakéhokoli vhodného typu

kompaktní zástavby s výstupní pohonnou hřídelí. Na tuto hřídel je pak nasazena kotoučová

brzda a přírubové kolo se závitovými otvory pro nasazení disku kola a upevnění obvyklými

kolovými šrouby. Schéma na obrázku 3.1 popisuje konstrukční uspořádání. Elektromotor (1)

je zavěšen konvenčními závěsy na karoserii i s osou řízení (2). Na Výstupní hřídel je pomocí

přírubového kola (6) umístěn disk (3) a brzdový kotouč (5) i s brzdovými třmenem (4).

Výhodou je určitě relativní jednoduchost a využití konvenčních součástí a běžných zařízení

pro zavěšení kola na karoserii, řízení, pružení i tlumení. Uvedené lze však vidět v opačném

smyslu jako největší nevýhody. Kromě prostorové náročnosti a velké neodpružené hmotnosti

je velkou výhodou robustnost takového konstrukčního celku. Obecně se takto zastavěný

elektromotor využíval dříve, protože toto řešení umožňuje využít již sériově vyráběného

prakticky jakéhokoli elektromotoru. Proto se tohoto typu pohonu často využívá u různých

přestaveb vozidel na elektromobily apod. Nezanedbatelné je také například použití v zadních

- 39 -

nábojích elektrobicyklů a elektroskútrů. Nicméně je třeba poznamenat, že nově navrhované

a představené automobily s elektrickým pohonem využívají z větší části především technická

řešení uvedené v dalších dvou kapitolách.

Obr. 3.1 Schéma – Var. I

4.2 VAR. II Elektromotor s vn ějším rotorem v náboji kola

Další možný způsob umístění elektromotoru do kola ukazuje kinematické schéma na

obrázku 3.2. Základem je použití elektromotoru s tzv. vnějším rotorem. To nechává dostatek

prostoru uvnitř kola pro případné umístění dalších částí. Náboj kola s ložisky (10) je umístěn

na pevně uložené hřídeli (3) a brzdový kotouč i s třmenem (7,8) jsou spolu s diskem kola (6)

běžným způsobem pomocí kolových šroubů spojeny. Stator elektromotoru (2) je pak

podepřen pomocí podpěry (4) umístěné na pevné části zavěšení kola i s řízením (5). Rotor

(1) pak roztáčí disk pomocí podpěry (9) a všechny ostatní otáčené součásti.

- 40 -

Obr. 3.2 Schéma – Var. II Obr. 3.2 Schéma toku točivého momentu

4.3 VAR III. Elektromotor v jednom celku s ostatním i komponenty - all-in one

Poslední variantou konstrukčního uspořádání můžeme chápat jistou evoluci varianty

předchozí. Princip zůstává stejný, jen pružení, tlumení a řízení vozidla se spolu s pohonnou

jednotkou také přesunou do středu kola. V tomto případě se tedy opět náboj kola (12) otáčí

kolem pevné osy (6). Ta je pevně uložena na podpěru statoru (7) a závěsem spojena

s tlumením (3), pružením (4) a řízením (5). Točivý moment je vyvíjen mezi statorem (2) a

rotorem (1), který přes podpěru rotoru (11) roztáčí disk kola (8) a brzdový disk (10).

- 41 -

Obr. 3.2 Schéma – Var. III

Schéma toku kroutícího momentu v jednotlivých variantách a podrobnější výkresové

dokumenty najdeme v obrazové příloze této práce.

5. Možnosti řízení trakce a sm ěrového chování vozidla

Absence obvyklých pohonných mechanických prvků známých z tradičních vozidel

dneška s sebou přináší kromě výhod zmíněných výše i další přednosti. Díky uvolněnému

prostoru lze například všechna kola nezávisle na sobě a závisle na jízdním režimu a jízdních

podmínkách na vozovce jakkoli řídit. Libovolně na každém kole lze tak ovládat výkon

přenášený na vozovku proměnný v čase dle potřeby a zvýšit tak přínos pohonu všech kol pro

aktivní bezpečnost vozidla a tedy například i řidičův požitek z jízdy. Nezávislé natočení kol v

případě zásahu systémů jízdní stability, při parkování nebo při sportovní jízdě na přání řidiče

se zdá z pohledu vývoje jako možné. V případě využití elektricky ovládaných brzd (například

u výše popsaného jednoho konstrukčního celku více funkcí ve středu disku), a tedy absenci

hydraulického ovládání, se samozřejmě také usnadňuje ovládání všech digitálně řízených

stabilizačních systémů a úměrně k tomu zrychluje jejich rychlost reakce a zpětné odezvy. I

poslední mechanický prvek – řízení – lze s úspěchem vynechat a nahradit ho

elektromechanicky řízeným systémem, tak jak to známe například z leteckého průmyslu.

Všem těmto novým koncepcím, a jak je ovlivní zabudování elektromotorů do nábojů kol, se

věnuje tato kapitola.

- 42 -

5.1 Aktivní řízení zadních kol, 4WS Role zadní nápravy v celkové stabilitě vozidla je již notoricky známá. Obzvláště

protichůdné požadavky na obratnost při nízké rychlosti a naopak jízdní stabilitu a tedy aktivní

bezpečnost v rychlostech vysokých jsou značně problematické. Proto již v osmdesátých

letech dvacátého století řada firem z automobilového průmyslu začala pracovat na možnosti

řídit zadní kola tak, aby to co nejvíce vyhovovalo aktuálním podmínkám, ve kterých se

vozidlo nachází. Snahou tedy bylo navrhnout konstrukční řešení zadní nápravy tak, aby

došlo k zmenšení průměru otáčení a zvýšení obratnosti při pohybu vozidla nízkými

rychlostmi (město, parkování) a zároveň k nárůstu stability při jízdě vyššími rychlostmi,

odpovídající běžným limitům (například dálnice). Z hlediska jízdní dynamiky lze tyto

podmínky splnit natáčením zadní nápravy, což plyne z geometrických poměrů mezi koly a

nástavbou vozidla. Důkazem by mohl být obrázek 4.1 a následující úvaha: Posuzuje-li se

nárůst bočních sil na předních, popř. zadních kolech bezprostředně po skokovém natočení

volantu, ukazuje se, že u konvenčního řízení předními koly se zpočátku zadní náprava

nepodílí na pohybovém ději. Při současném natočení předních i zadních kol v opačném

smyslu se okamžitě zvyšuje stáčivý moment a tím i otáčení vozidla kolem svislé osy (stáčivý

pohyb) a v případě souhlasného řízení (zadní kola jsou natáčena ve stejném smyslu jako

přední) se stáčivý moment snižuje a bezprostředně dochází k bočnímu pohybu celého

vozidla. [8]

Obrázek 4.1 Bo ční síly p ři náhlém nato čení volantu [8]

Na prvním obrázku můžeme schématicky pozorovat právě zvětšení otáčivého

momentu v případě opačného smyslu natočení kol přední a zadní nápravy. Prostřední

obrázek pak představuje konvenční systém – zadní náprava se na směrovém pohybu

dynamicky nepodílí. Poslední variantou je pak podle třetího obrázku zcela vpravo souhlasný

smysl natáčení, kdy dochází ke zmenšení otáčivého momentu.

- 43 -

Pro současné zlepšení obratnosti a zároveň zvýšení aktivní bezpečnosti při jízdě je

tedy nutné využít nějaké technické řešení nabízející změnu natočení zadních kol (podle

režimu v souhlasném nebo nesouhlasném směru). Lze namítnout, že moderní víceprvkové

zadní nápravy umožňují vlivem elastokinematického uložení jisté změny natočení. Nicméně

tyto pohyby kola kolem vertikální osy jsou velmi malé, nezávislé na vůli řidiče nebo řídící

jednotky vyhodnocující potřebu dle aktuální situace, a navíc tento pasivní systém působí i při

jízdě v přímém směru. Při najetí vozidla jedním kolem na nerovnost se totiž zhoršuje

směrová stabilita. Toto řešení je tedy z hlediska budoucích přísných nároků na jízdní

bezpečnost a uživatelskou přívětivost nepříliš vhodné.

Je nutné tedy využít aktivního řízení zadních kol. Které při pomalém zatáčení dokáže

natočit kola souhlasně a při vyšších rychlostech nesouhlasně. Konvenční aktivní natáčení kol

(4WS – 4 Wheels Steering), však je s klasickou koncepcí nejen technicky náročné, ale i

značně nákladné. Z dosavadního vývoje se proto technologie v masové automobilové

technice příliš neprosadila. Nepříliš elegantní a jednoduché natáčení zadní nápravy

mechanickým způsobem (kloubovým hřídelem) nebo elektronicky řízeným hydraulickým

způsobem by se tedy v případě uvolnění tradičních mechanických vazeb řízení a pohonu

mezi kolem a nástavbou (tedy v případě použití řešení s elektromotory v nábojích kol) dalo

nahradit sofistikovanějším. Absence složitých kinematických nebo hydraulických zařízení by

tak mohla znamenat větší volnost a vhodnější reakce.

Řízení zadních kol by mělo být samozřejmě regulováno podle rychlosti jízdy, stavu

vozovky a jízdním režimu (město, sportovní, zhoršené adhezní podmínky). Úhel a směr

samotného natočení by pak nastavovala řídící jednotka rozhodující se na základně informací

z různých typů snímačů (rychlost jízdy, úhel natočení volantu, boční zrychlení atd.).

Naměřená data z čidel by pak mohla být porovnávány z „ideálními“ hodnotami a z rozdílu by

řídící jednotka rozhodla o úhlu a směru natočení zadní nápravy. Pro snadnou

manévrovatelnost by se zadní kola do rychlosti cca 40km/h měla natáčet nesouhlasně (tzn.

proti smyslu řízení předních kol). Jízda vysokými rychlostmi například na rychlostních

komunikacích však vyžaduje pro zlepšení stability řízení souhlasné. Zadní kola jsou však

přirozeně už vychylována mnohem méně.

Elektricky poháněné aktivní natáčení kol zadní nápravy by tak mělo být velkým

příslibem do budoucna z hlediska jak jízdní dynamiky, tak mrštnosti v intravilánu. Využití

pohonných jednotek v samotných kolech by samotnou problematiku značně zjednodušilo a

toto technické řešení zpřístupnilo i malým městským vozidlům (viz odstavec např. odstavec

3.3). Cílem toho řešení je především: lepší stabilita při předjíždění, zmenšení kmitání vozidla

- 44 -

kolem svislé osy, menší citlivost na boční vítr, neutrální chování při zatáčení – tedy zvýšení

aktivní bezpečnosti. [10] Menší spotřeba energie a úspora hmotnosti při absenci

hydraulického vedení jsou také velmi podstatné vlastnosti tohoto systému.

5.2 Aktivní natá čení všech kol p ři pohybu ve m ěstě

Jak již bylo uvedeno v předcházejícím odstavci, vedlejším, ale z dnešního přísného

pohledu, velmi podstatným efektem natáčení všech kol je schopnost velmi snadného

parkování a manipulace s vozidlem ve stísněných podmínkách měst. U malých vozidel

určených pro provoz převážně v městské zástavbě, je naopak tato vlastnost velmi žádaná.

Nutno podotknout, že umístění pohonné jednotky do středu kola a aktivní natáčení kol dle

řidičovy potřeby při manévrování by měly být v budoucnu neoddělitelné a stěžejní

technologie pro městská vozidla.

Oproti požadavku na zvýšenou stabilitu ve vyšších rychlostech vyžaduje pohyb

v intravilánu nesouhlasné řízení zadních kol. Z geometrických poměrů při zatáčení pak

vyplývá, že dojde ke zmenšení poloměru zatáčení a k zvýšení otáčivého momentu (což však

v malých rychlostech nepředstavuje snížení bezpečnosti vozidla). Předpokladem pro

úspěšné rozšíření tohoto systému je samozřejmě nutnost použít jako zdroj energie elektrický

pohon. To rapidně zjednoduší celou konstrukci řízení a díky nepřítomnosti hydraulických a

mechanických členů i k mnohem větší svobodě v navrhování. Aktivní kinematika všech kol

by se tak mohla stát součástí každého vozidla. Každé kolo by mohlo být poháněno vlastním

elektromotorem (lze využít i ten sloužící k pohonu vozidla) a natáčet tak všechny kola

nezávisle na sobě. Jakou by to přineslo možnou volnost pohybu je jasné. Vozidlo by bylo

schopno parkovacích manévrů, které jsou z dnešního pohledu konvenčních dopravních

prostředků nemyslitelné. Samostatné natočení každého kola by tak bylo ovládáno řídící

jednotkou, aby bylo dosaženo co nejlepšího efektu. Vozidlo by tak mohlo být například

v automatickém režimu, kdy by počítač vyhodnocoval situaci a podle toho upravoval

natočení kol (podle úhlu natočení kol, v závislosti na úhlu a rychlosti natočení volantu, na

rychlosti jízdy, úhlové rychlosti stáčení vozu kolem svislé osy, na příčném zrychlení), nebo

v určitých režimech, které by si vybral sám řidič. K jinému chování by tak docházelo při

parkování, pomalé jízdě, couvání a podobně. V případě instalace pohonných elektrických

jednotek do samotných kol by řídící jednotka zajišťující aktivní kinematiku kol mohla převzít

kontrolu i nad samotnou regulací výkonu jednotlivých kol a upravovat je tak podle potřeby

parkování. To by umožnilo pohodlné parkování například při nepříznivých adhezních

podmínkách nebo na nerovném úseku vozovky (terénu).

Samotné řešení ale skýtá i jisté nevýhody převážně na straně lidského elementu.

Chování vozidla vybaveného takovouto technologií je značně odlišné od současných

- 45 -

tradičních s řízenou jednou nápravou. Praktické zkoušky totiž prokázaly, že tato vozidla

kladou značné požadavky na přivyknutí řidiče. Důvod pro to je spojen s podstatou problému,

neboť při nesouhlasně řízených zadních kolech neleží pól otáčení vozidla na prodloužené

ose zadní nápravy, nýbrž se přemisťuje směrem dopředu. Tímto vybočuje záď vozidla při

velkých úhlech natočení volantu silněji do strany než u konvenčních vozidel. Vzniká pak

reálné nebezpečí, že záď vozidla koliduje s dalšími vozidly nebo předměty.[8] Jednou

z možností řešení tohoto problému by mohla být instalace automatického parkovacího

systému či asistenta. Některá klasická vozidla jsou toto technologií vybavena již dnes (např.

Škoda Superb druhé generace). Nutný je samozřejmě velmi rozsáhlá soustava detekčních

senzorů, které by dokonale prohlíželi prostor okolo vozidla (v současné době již také běžná

technologie). Systém by tak například mohl vyhodnocovat při projíždění kolem řady vozidel

mezery a v případě pozitivního výsledku upozornit řidiče. Poté by již řidič ovládal jen rychlost

a vozidlo by automaticky podle předem vypočítané trajektorie za využití aktivního

nezávislého natáčení kol samo zaparkovalo. Stejně by se pak vozidlo chovalo při vyjíždění.

Rozsah natočení jednotlivých kol by záležel na konstrukčních zpracování, nicméně

lze předpokládat, že by mohl dosahovat až k hodnotám blížícím se 90°. To by umož ňovalo

parkovací manévry, které daleko převyšují možnosti současných dopravních prostředků.

Příklad několika možných způsobů parkování uvádí obr. 2.2

Obrázek 4.2 Zp ůsoby parkování p ři aktivní kinematice všech kol [8]

- 46 -

5.3 Pohon všech kol Potřebnost neustálé stability vozidla nejen při zhoršených povětrnostních podmínkách

(déšť, sníh), ale i například při necitlivém zacházení s vozidlem či sportovní jízdě, spolu se

zvyšujícími požadavky na bezpečnost stále více pohání kupředu vývoj vozidel s pohonem

všech čtyř kol (4x4). Nicméně z fyzikální podstaty je přenos sil mezi spalovacím motorem a

jednotlivými nápravami (tedy nutnost využít složitých mechanismů – převodovky,

diferenciály, spojky) stále poměrně komplikovaný (vysoké prostorové nároky a stále ještě

finanční náročnost) a brání širokému využití tohoto nanejvýš přínosného systému napříč

všemi třídami automobilů.

Přitom výhody takovéhoto pohonu jsou nesporné. Na vozovce pokryté sněhem nebo

ledem, kde součinitel adheze dosahuje hodnoty mezi µ = (0,1 ; 0,3), jdou nedostatky

pohodnu pouze jedné nápravy patrné i u vozidel s nevýkonnými motory. To lze odstranit jen

vysokým statickým zatížením hnací nápravy nebo pohonem druhé nápravy. [5] Tento

nedostatek se pak projevuje i u velmi výkonných vozidel i na suchém povrchu s relativně

vysokým součinitelem adheze. Kromě zajištění dobré trakce při rozjezdu vozidla však

neméně důležitou oblastí, kde pohon všech kol přináší řešení, je stabilita vozidla v zatáčce.

Přínos plynulého přenosu točivého momentu mezi jednotlivými nápravami (u některých

druhů pohonu i mezi jednotlivými koly) je pak samozřejmě i například při sportovní jízdě

v zatáčce, nebo při rozdílných adhezních podmínkách v různých částech vozovky (námraza,

sníh, spadané listí, výmoly). Pouze pohon všech kol může zajistit maximální trakci, stabilitu a

neutrální, případně mírně nedotáčivé (přetáčivé) chování za většiny jízdních stavů. Tento

systém v sobě spojuje výhody obou předchozích (zadního a předního pohonu – pozn.

autora). Vysokou stabilitu a trakci, při zachování dostatečné agility, kdy přední kola nejsou

tolik ovlivněna hnacími silami. [5] Jasnou výhodu pohonu všech čtyř kol v průjezdu zatáčkou

dokládá následující obrázek 4.3.

Obrázek 4.3 Jízdní stopa r ůzných druh ů pohonu [27]

- 47 -

Zmíněné lze doplnit již jen konstatováním, že pohon všech kol významně přispívá

k jízdní bezpečnosti (aktivní bezpečnosti) vozidla a to i bez zásahů elektronických řídících

systémů (ESP). V případě požadavku využití pohonu všech kol především pro zvětšení

stability vozidla (a ne pro zvýšení trakce, tedy například průjezdnosti terénem u Off-road

vozidel či vozidel nákladních) však je potřeba využít plně proměnlivého a plynulého

rozdělování točivého momentu. Na základě vypočítaných pokynů řídící jednotky

stabilizačního systému na změnu přenosu kroutícího momentu (činnost blíže popsána

v kapitole 5.5 i s ohledem na problematiku elektromobilů) se nám do rukou dostává silný

nástroj, jak regulovat aktuálně nebezpečný jízdní stav vozidla, či jen upravit jeho

charakteristiku průjezdu zatáčkou. Nicméně právě této regulace lze dosáhnou u konvenčních

systémů pohonů všech čtyř kol jen složitými převodovými mechanismy s využitím viskózních

či elektromagnetických prvků pro zvýšení svornosti apod. nebo ustoupit a použít některý

z méně sofistikovaných systémů za cenu nedokonalého řízení přenosů točivých momentů.

Tento problém jednoduchou cestou samozřejmě řeší využití zástavby elektromotorů

do nábojů kol. Protože výkon pohonných jednotek není přenášen na kola mechanickou (či

hydraulickou) cestou a řídící povely do elektromotoru jsou dodávány čistě elektrickým

přenosem energie, lze vypustit klasické součásti jako je nápravový a složitý mezinápravový

diferenciál, spojovací hřídele, hnací hřídele a mnoho dalších dílů (viskózní či

elektromagnetické spojky, uzávěrky diferenciálů apod.). Ze snímačů úhlu natočení volantu,

otáček jednotlivých kol, aktuální stáčivé rychlosti, bočního zrychlení a rychlosti jízdy tak

může jednoduše bez složitých mechanických dílů řídící jednotka ovlivňovat přenos točivého

momentu na jednotlivá kola nezávisle na sobě a regulovat tak jejich prokluz a otáčky.

Typicky tak může simulovat uzávěrky diferenciálů (mezinápravového i nápravových) při

aktuální jízdní situaci zvyšováním či snižováním výkonu jednotlivých elektromotorů. Chování

a možnost stabilizace takového vozidla tak předčí i současné nejvyspělejší aktivně

regulované pohony všech kol. A to bez strojírensky a finančně velmi náročných dílů, téměř

bez jakýchkoliv kompromisů. Točivý moment tak může být přerozdělován nejen na základě

aktuální přilnavosti pod koly jak je to u běžný systémů 4x4 ale i na základě rozhodnutí řídící

jednotky podle aktuálně prováděného manévru. (například průjezd zatáčkou).

Z uvedeného je patrné, že v případě rozšíření elektromobilních vozidel s pohonnými

jednotkami v nábojích kol by se uživateli běžných vozidel mohlo dostat luxusu vysoké aktivní

bezpečnosti dnešních nejsofistikovanějších vozidel s aktivními diferenciály. Tato koncepce je

samozřejmě lákavá i pro ostatní kategorie aut. Například pro terénní či nákladní vozy.

Schopnost rychle regulovat točivý moment na kolech podle aktuální situace pod koly by se

mohla stát velkou výhodou při průjezdu obtížným terénem. V další části však uvidíme, že

- 48 -

špičkově regulovatelný pohon všech čtyř kol není jediným přínosem ke komfortu ale i

bezpečnosti osádky vozidla v případě zástavy pohonných jednotek v kolech.

5.4 X-by-wire

Koncepce vozidla s absencí konvenčních motorových a podvozkových prvků

samozřejmě dává také nové možnosti co se týče samotného ovládání vozidla. Při použití

sofistikovaných systémů řešených v této práci můžeme vyřadit ze zástavby ve vozidle

mechanické a hydraulické systémy, které v dnešních vozech ovládají například řízení,

brzdění, akceleraci a regulaci podvozku. Nahradit je můžeme totiž velmi důmyslnými

elektronickými systémy. V inteligentním automobilu elektronické signály informují systém o

úmyslu řidiče zatočit, zrychlit, zabrzdit, zastavit atd. Je to podobné jako u technických

vynálezů leteckého inženýrství, díky nimž mohla být letadla zbavena těžkých mechanických

dílů, které ovládaly jejich manévrovací schopnost a představovaly pro pilota obtížnou práci.

Namísto nich nastoupili důmyslné elektronické ovládací systémy typu Fly-By-Wire. [11]

Z uvedené citace vyplývá, kudy se bude následující vývoj ovládání a komfortu vozidla ubírat.

Primárním nedostatkem se zdá být otázka bezpečnosti a spolehlivosti systému. Nicméně

právě letecký průmysl dokazuje, že tento problém se dá řešit například několikanásobným

zálohováním systému a tím dosáhnout nadprůměrné spolehlivosti.

Obrázek 4.1 Schéma podsystém ů X-by-Wire

Systémy elektronického řízení lze rozdělit do několika kategorií. Nahrazují zásadní

celky konstrukce automobilu. Jsou to především Drive-by-Wire (elektronický pedál plynu),

- 49 -

Brake-by-Wire (elektronický systém brzd) a Steer-by-Wire (elektronické ovládání řízení).

Všechny tyto systémy by měly umět pracovat na sobě nezávisle, ale zároveň jejich činnost

v případě nutnosti koordinovat tak, jak to bude výhodné pro daný stav jízdy.

5.4.1 Drive-by-Wire

V současné době již tento systém je u osobních automobilů běžným jevem.

Elektronický pedál je však v případě využití elektrického pohonu vozidla jak vyplývá

z principu nezbytný.

5.4.2 Brake-by-Wire

Koncepcí elektronického (elektro-hydraulického nebo elektro-mechanického) ovládání

brzdění vozidla chápeme především nahrazení klasického mechanicko-hydraulického

spojení brzdového pedálu a samotných brzdičů za spojení čistě elektrickou cestou.

Principielně dochází ke snímání povelů vydaných řidičem (brzdovým pedálem) a přenesení

těchto signálů elektronickým rozhraním do řídící jednotky. Ta prostřednictvím příslušných

akčních členů zajistí potřebný brzdící účinek na kolech. Signál od řidiče je vyhodnocen a na

základě aktuálních podmínek pak může být upraven, aby docházelo k co nejefektivnějšímu

rozdělení brzdné síly. Po sešlápnutí pedálu brzdy nebo při stabilizačním zásahu ESP řídící

jednotka na základě programového algoritmu vypočítá požadovanou hodnotu brzdného tlaku

pro každé kolo. Protože se tato tlaková hodnota vypočítává a měří pro každé kolo zvlášť, je

možno,..., řídit brzdný tlak jednotlivě pro každé kolo. [11] Aby řidič mohl dobře dávkovat

brzdný účinek, a vozidlo se mu dobře při brzdění ovládalo, měl by být ve vozidle umístěn tzv.

simulátor pedálové dráhy. Ten vytváří umělý odpor dráze brzdového pedálu a nastavuje tak

uživatelsky příjemnou charakteristiku brzdění. To umožňuje řidiči snadno citlivě dávkovat

brzdnou sílu v normálním provozu a v případě kritického brzdění naopak snadno a rychle

sešlápnout brzdový pedál v maximální možné míře aniž by došlo ke kolísání brzdného

účinku tak jak je tou klasických hydraulických brzd.

Zajímavou funkcí, kterou lze do systému Brake-by-Wire implementovat je tzv. funkce

suché brzdy, která při jízdě na mokrém povrchu aktivuje pro řidiče nepostřehnutelné

pravidelné, rychlé a slabé brzdící impulzy, které odstraňuje vodní film na povrchu brzdových

kotoučů, aby byl neustále zajištěn nesnížený a okamžitý brzdící účinek. Tato funkce se

aktivuje se zapnutím stěračů. [11]

Možností, které nekonvenční brzdové systémy u elektromobilů umožňují, je opravdu

hodně. Jedním z dalších příkladů, velmi se hodícím k tématu elektromotorů v nábojích kol.

resp. v zabudování jednoho funkčního celku zahrnující několik odlišných částí vozidla do

- 50 -

jednoho, je elektronická klínová brzda EWB vyvíjená firmou

Siemens VDO. Ta se svým principem obzvláště hodí k využití

u nového systému pohonu vozidla především díky absenci

hydraulického ovládání, rychlostí reakce, snadnou regulací a

především kompaktními rozměry celého systému. Základem je

samozřejmě běžný brzdový kotouč a brzdový třmen. Mezi ně

je však vtlačován klín, který má díky svému tvaru tendenci

přitlačovat třecí segment k brzdovému kotouči ekvivalentní

silou k točivému momentu na kolech. Klín tak využívá kinetickou energii vozidla a mění ji na

mechanickou energii potřebnou k brzdění vozidla. Otáčením samotného brzdového kotouče

je tak brzdný účinek samočinně zesilován. Tím je možno dosáhnout nízkou z vnějšku

dodávanou energii velkého brzdného účinku. Míra přítlaku třecího segmentu ke kotouči přes

klín je ovládána dvěma malými krokovými elektromotory. Ty řídí elektronická jednotka

vyhodnocující povely od řidiče a aktuální silové poměry panující na brzdách. Podle

změřených hodnot a přicházejícího brzdového signálu pohybují elektromotory brzdový klín

do potřebné polohy. Tento pohyb je realizován z víceválečkového klínového ložiska. Takto

aktivovaný třecí segment je přitlačován na brzdový kotouč. Regulace pak zajišťuje, aby se

klín neblokoval. Odpadají konstrukční díly konvenční brzdy jako hydraulické vedení a

brzdové válce, nádržka brzdové kapaliny (asi 22 litrů brzdové kapaliny), posilovače brzd a

řídící jednotka ABS. [11] Výhody plynoucí z takovéhoto konceptu brzd jsou jasné. Mimo

úsporu hmotnosti a místa je to především rychlost reakce (řádově rychlejší než u

hydraulických brzd), snadná regulace brzdové síly a její řízení v čase (ABS) a z toho

vyplývající zkrácení brzdné dráhy.

Obrázek 4.1 Schéma EWB (1 – brzdový kotou č, 2 – brzdová desti čka, 3,4 – elektromotory, 5 – klínové

tyčinky, 6 – pevná op ěrná deska [29]

- 51 -

Jako další výhoda zmíněného systému elektronické klínové brzdy je pak zmiňována

možnost absence klasické ruční parkovací brzdy, protože nová klínová brzda dokáže zastat i

tuto důležitou funkci vozidla.

5.4.3 Steer-by-Wire

Řízení vozidla bez klasických hydraulicko-mechanických vazeb je jednou z dalších

výhod, které lze využít v případě zástavby elektromotorů do nábojů kol. Elektromotory

primárně sloužící k pohonu vozidla by mohly sloužit i jako zdroj energie k natáčení kol a

řízení vozidla. Elektronický přenos energie by tedy nahradil hřídel volantu, převodku řízení,

posilovač řízení a všechny klasické mechanické vazby mezi řízením a řízením v závěsech

kola. Jedna z výhod by mohla být i nastavitelná charakteristika řízení (tužší při sportovní

jízdě, lehčí při parkování) dle požadavků řidiče nebo automaticky, ale největší výhodou se

v současné době zdá možnost využití regulace natočení kol systémem jízdní stability ESP.

Řízení po drátě Steer-by-Wire by dokázalo přesnější a přinejmenším stejně rychlé korektury

řízení za účelem zajištění stability jízdy. V případě elektrického řízení vozidla by bylo možno

kompenzovat popsaný nežádoucí efekt tak, že by po rychlé, náběhu brzdného tlaku

následovala elektronická korekce řízení působící proti směru vznikajícího smyku. Stejně

dobře by mohlo elektronické řízení zasáhnout při směrové odchylce v důsledku silného

bočního větru nebo při vybočování přívěsu apod. [11] Především přetáčivý smyk je pro

běžné uživatele velmi zákeřný a právě rychlá korekce natočení kol proti směru vybočení

zádě je velmi účinným řešením.

Problémem který zatím brání tomuto přístupu je však především bezpečnost, která se

však dá spolehlivě řešit vícenásobným zálohováním (i například záložním zdrojem energie –

akumulátorem) a možná i jistá nedůvěra zákazníků.

5.5 Elektronické systémy jízdní stability

Jak již bylo uvedeno, umístění elektromotorů do všech čtyř kol a jejich nezávislá

regulace vytváří nové možnosti pro udržení stability vozidla i za extrémních podmínek.

Jednodušším řízení všech důležitých časově proměnných veličin lze rozhodně dosáhnout

velmi uspokojivých výsledků.

Ovladatelnost vozidla je zcela nepopiratelně limitována především velikostí sil, které

lze přenést mezi koly a vozovkou ať už při brzdění, nebo při akceleraci. Čím větší je skluz,

tím menší je schopnost kola přenášet boční síly, které jsou nutné ke změně směru jízdy.

K účelu omezení skluzu kola jsou již řadu let u motorových vozidel využívány systémy jízdní

stability (ABS, ASR, ESP, EBD, EDS apod.). Při velkém skluzu se snižuje hnací síla a rovněž

- 52 -

dochází k silnému poklesu boční síly mezi pneumatikou a vozovkou a tím ke ztrátě stability

vozidla. Zjistí-li elektronická řídící jednotka, že některé z nich začíná prokluzovat, zasahuje

regulace. [11] Přínos těchto systémů je nesporný, přesto však s nástupem technologií o

kterých pojednává například tato práce, lze jejich funkci posunout ještě dále. Rozhodující

veličinou je v této problematice čas. Rychlost reakcí je základním předpokladem k včasnému

zásahu řídící jednotky do jízdy vozidla při náhle vzniklé kritické situaci. A právě tato rychlost

by se, při absenci konvenčních pohonných, řídících a brzdových částí zastavěných v různých

částech vozidla a integrací do jednoho celku v kole, mohla rasantně zvýšit. V současnosti

běžně používané systémy jízdní stability využívají několik způsobů regulace, případně jejich

kombinace [10] :

- motorová regulace (snížení hnacího momentu)

- brzdová regulace (přibrzďování hnacích kol)

- regulace uzavírání diferenciálu

- zásah do spojení motoru s hnacími koly

To s sebou samozřejmě přináší řadu komplikací a zřetelných nevýhod. U zážehových

motorů musí být regulováno vstřikování paliva, zapalování a poloha škrtící klapky. To

z hlediska pohodlí, zatížení motoru a složení výfukových plynů není ideální a reakční doba je

vcelku nepříznivá (i při použití přídavného zásahu do vstřikování a zapalování). Regulovat

uzavírání diferenciálu, či nějaké jeho náhrady (Viskózní spojka nebo systém Haldex) je

komplikované a i tak docílíme maximálně nezávislého řízení přední a zadní nápravy.

Nejnovější systémy pohonu 4x4 umí regulovat přesun výkonu i mezi jednotlivými koly

pomocí elektromagnetických spojek, nicméně jejich konstrukce stále nenabízí potřebnou

jednoduchost a nenáročnost, aby mohlo dojít k masovému rozšíření do vozidel napříč

třídami.

V případě umístění elektromotoru přímo do kola se tak zdá být problém vyřešen.

Možnosti regulace točivého momentu na jednotlivých kolech jsou jasné. V případě náhlé

krizové situace by se mohl upravovat točivý moment na jednotlivých kolech podle pokynů

z centrální řídící jednotky stabilizačního systému rozhodující se na základě údajů z několika

senzorů. Toto řešení proto dává netušené možnosti. Stejně tak by v případě použití

elektronického řízení mohla jednotka nastavovat úhel natočení jednotlivých kol nezávisle na

sobě a vůli řidiče k eliminaci přetáčivého/nedotáčivého smyku.

7. Legislativa

Legislativa zohledňující elektrické pohony v osobních vozidlech je obecně značně

roztříštěná, přesto se však k této problematice několik předpisů a norem vyjadřuje. Vzhledem

- 53 -

k finanční náročnosti pořízení těchto dokumentů, nemůže být součástí této práce

podrobnější popsání samotného obsahu. V mých možnostech proto je pouze vypsat několik

základních dokumentů, které se problematikou zabývají. Legislativní stránkou elektromobilů

by se pak mohla například zabývat budoucí práce mých spolužáků. Následuje tedy přehled

legislativních dokumentů zabývajících se oblastí elektromobilů.

o ISO 6469-2:2001 Electric road vehicles - Safety specifications - Part 2: Functional

safety means and protection against failures

o ISO 6469-3:2001 Electric road vehicles - Safety specifications - Part 3: Protection

of persons against electric hazards

o ISO 8715:2001 Electric road vehicles -- Road operating characteristics

o EHK 100 Homologace bateriových elektrických vozidel z hlediska specifických

požadavků na konstrukci a na funkční bezpečnost

o ČSN EN 13447 Elektricky poháněná silniční vozidla – Terminologie

o ČSN EN 1821-1 Elektricky poháněná silniční vozidla - Silniční výkony - Měření

schopnosti provozu na silnici - Část 1: Elektrická vozidla

o ČSN EN 1821-2 Elektricky poháněná silniční vozidla - Měření schopnosti provozu

na silnici - Část 2: Hybridní tepelně elektrická vozidla

o ČSN EN 1986-1 Elektricky poháněná silniční vozidla - Měření energetických

vlastností - Část 1: Výhradně elektrická vozidla¨

o ČSN EN 1986-2 Elektricky poháněná silniční vozidla - Měření energetických

vlastností - Část 2: Hybridní elektrická vozidla s tepelným motorem

o ČSN EN 1987-1 Elektricky poháněná silniční vozidla - Zvláštní požadavky na

bezpečnost - Část 1: Skladování energie na vozidle

o ČSN EN 1987-2 Elektricky poháněná silniční vozidla - Zvláštní požadavky na

bezpečnost - Část 2: Prostředky funkční bezpečnosti a ochrana před poruchami

o ČSN EN 1987-3 Elektricky poháněná silniční vozidla - Zvláštní požadavky na

bezpečnost - Část 3: Ochrana uživatelů před elektrickými riziky

o ČSN EN 13444-1 Elektricky poháněná silniční vozidla - Měření emisí hybridních

vozidel - Část 1: Hybridní elektrická vozidla s tepelným motorem

o ČSN EN 12736 Elektricky poháněná silniční vozidla - Vnitřní hluk vozidla při

nabíjení vestavěným nabíječem - Stanovení hladiny akustického výkonu

o ČSN EN 15194 Jízdní kola - Jízdní kola s pomocným elektrickým pohonem -

Jízdní kola EPAC

o ČSN EN 50374 Montážní vozíky zavěšené na vodičích

o ČSN EN 61851-1 Systém nabíjení elektrických vozidel vodivým propojením - Část

1: Všeobecné požadavky

- 54 -

o ČSN EN 61851-21 Systém nabíjení elektrických vozidel vodivým propojením -

Část 21: Požadavky na elektrická vozidla pro vodivé připojení k AC/DC napájení

o ČSN EN 61851-22 Systém nabíjení elektrických vozidel vodivým propojením -

Část 22: AC nabíjecí stanice elektrického vozidla

8. Aktuální projekty a predikce budoucího vývoje

V této části bych rád popsal některé uskutečněné projekty a technologie, které se

danou problematikou zabývají a dovedly řešení až k praktické aplikaci. Situace ještě v roce

2005 se dala považovat za tristní, nicméně od té doby a obzvláště v posledním roce se

situace v dané problematice značně posunula kupředu. Proto vybírám několik

nejdotaženějších a nejslibnějších projektů za všechny.

8.1 Mitsubishi MiEV

Japonská firma Mitsubishi začala vyvíjet

nové technologie pro budoucí elektromobily jako

reakci na krizi na trhu s ropnými palivy a stále se

zpřísňující emisní nároky. Technologie MIEV

(Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle)

neboli technologie elektromotoru v nábojích kol

byla vybrána jako správná cesta jak zatraktivnit

vozidla poháněná elektromotory pro širokou

veřejnost. In wheel motor technologie si japonská firma vyzkoušela již na konceptu Colt EV.

Tento první koncept má v zadních kolech umístěny motory o celkovém výkonu 20 kW a

točivém momentu 600 Nm, které dokážou 1150 kg těžký automobil rozjet až k maximální

rychlosti 150 km/h. Lithium-iontová baterie o rozměrech 194 mm x 175 mm x 116 mm (d/š/v)

obsahuje 22 modulů, má celkovou kapacitu 40 Ah, napětí 14,8 V a umožňuje Coltu EV

dojezd 150 km. [37] Na obrázku 6.1 je schematicky popsána koncepce tohoto vozidla. Úplně

vlevo je vyfocen nový zavazadlový prostor pod přední kapotou, který vzniknul po absenci

spalovacího motoru.

- 55 -

Obrázek 6.1 Technologie Mitsubishi MIEV [13]

Mitsubishi však trochu nepochopitelně zatím technologii MIEV nevyužil, a tak na

podzim roku 2009 se v Japonsku a později v Evropě a USA, začne prodávat zbrusu nový

elektromobil pojmenovaný Mitsubishi MiEV. Bude se prodávat ve dvou verzích. Jako

městské vozidlo a lehce sportovní automobil pro volný čas. O pohon se však bude

paradoxně starat jen jeden elektromotor pohánějící přes převodovku zadní kola.

8.2 Siemens eCorner

Německá firma siemens se kromě nového typu klínové brzdy EWB zabývá také

vývojem nových možností pohonů silničních dopravních prostředků. Projekt nazvaný

eCorner nabízí všechna řešení, které jsem popsal v předchozích částech. Princip popisuje

schéma na obrázku 6.2. Pod číslem 1 se skrývá klasický automobilový disk kola. Číslo dvě

pak označuje elektromotor s vnějším rotorem (princip popsán v předchozích kapitolách),

číslo tři je právě elektronická klínová brzda EWB, čtyři je tlumící a pružící jednotka a číslo pět

pak drive-by-wire řízení.

- 56 -

Obrázek 6.2 Siemens eCorner [29]

Bohužel se však v poslední době zdá, že firma siemens zatím další vývoj, natož

nějakou aplikaci této technologie do praxe, odložila, či úplně zrušila. Poslední zmínky o

tomto projektu, stejně tak o klínové brzdě EWB jsou více než dva roky staré. Je otázkou, zda

je za tím jen co nejvíce tajný vývoj nebo spíše úplné zastavení projektu z obavy o

rentabilnost vzhledem k celosvětové recesi na poli automobilových technologií. Necháme se

překvapit.

8.3 Michelin Active Wheel

Asi nejsofistikovanějším systémem

současnosti, který je ve fázi alespoň

fungujícího prototypu je prozatím jistě projekt

francouzské firmy Michelin. Jedná se o

„aktivní“ kolo, které ve svém středu integruje

všechny důležité soustavy klasického

vozidla, jako jsou pohonná jednotka, tlumící

a pružící elementy, řízení a brzdy. Vše tak,

jak bylo teoreticky popsáno v jedné z

předchozích kapitol. Výhodou nového řešení

od Michelinu je samozřejmě skutečnost, že se nesmírně šetří místem – elektromobil

nepotřebuje žádné místo pro motor, převodovku, diferenciál, odpružení, prostě nic, co známe

- 57 -

z běžného auta. Opět se tedy posunuje paradigma automobilu zcela novým směrem. Zbývá

mnohem více místa pro baterie, pasažéry, zavazadla. Auta mohou mít zcela neobvyklé tvary

a opět kufr vpředu i vzadu. [40] Tuto technologii Michaelin implementoval do přepracovaného

Opela Agila a v praxi předvedl jednoduchost aplikace. Na obrázku 6.3 můžeme vidět

konstrukční uspořádání. Příliš se neliší od předchozího projektu od firmy Siemens. Nedošlo

však k použití elektromotoru s vnějším rotorem, ale k zástavbě klasického elektromotoru,

který přenáší točivý moment na disk kola přes vnější převod. Je otázkou, nakolik se firmě

Michelin podaří tento nanejvýš slibný návrh prosadit do praxe. Spojení s firmou Valeo, lídrem

na poli nových ekologických technologií, však nasvědčuje, že by se to mohlo podařit.

Obrázek 6.3 Michelin active wheel [12]

Obrázek 6.4 Michelin active wheel – detail [12]

- 58 -

Více rozsáhlé obrazové dokumentace k tomuto velmi slibnému projektu lze nalézt na [42].

8.4 Volvo C30 ReCharge

To, že švédská

automobilka Volvo se aktivně

zapojuje do vývoje

nejsofistikovanějších

elektromobilních technologií asi

nikoho nepřekvapí. Švédsko je

známé svým vstřícným přístupem

k „zeleným“ ekologickým technologiím. Koncept C30 ReCharge je prototyp postaven na

podvozku konvenčního automobilu Volvo C30 využívající elektromotory ve všech kolech a

další nejnovější systémy. Jedná se o hybrid Využívající spalovací motor jen k dobíjení

baterií. Vozidlo tak kombinuje motor s objemem 1,6 se schopností spalovat směs benzinu a

bioetanolu (E85) a sadu elektromotorů umístěných přímo v kolech. Výsledek? Auto ujede

150 kilometrů na méně než dva litry benzinu.Po plném dobití je schopné „zelené Volvo“ ujet

100 kilometrů, a to jen s pomocí elektromotorů. Nabíjení má trvat tři hodiny. Zdrojem je

elektrická energie z běžné zásuvky. Volvo udává, že i rychlé zhruba hodinové nabití stačí na

ujetí přibližně padesáti kilometrů. Baterie typu Li-Pol se přitom v autě dobíjí i přímo za

provozu (ukládá se do ní například energie z brzdění). [36]

Schéma celého systému popisuje obrázek 6.5. V popisu od spodu zde najdeme:

Pneumatiky, permanentní magnety (součásti rotoru), rotor, elektromagnety (součást statoru),

přírubový disk (přichycení k zavěšení kola, nepohyblivá část), alternátor, baterie a spalovací

motor).

- 59 -

Obrázek 6.5 Koncept Volvo C30 ReCharge [36]

8.5 Lightning GT

Malá britská společnost představila

originální sportovní kupé, které svými výkony

fascinuje. Kupé je sice zatím ve fázi prototypu, ale i

tak je z hlediska techniky velmi zajímavé. Tento vůz

využívá stejných motorů ve všech čtyřech kolech

jako Volvo C30 Recharge. Vůz nemá žádné

konvenční brzdy a elektromotory využívá i k samotnému brzdění vozidla. To s sebou přináší

další úsporu hmotnosti. Lightning údajně na jedno nabití ujede až 300km, což spolu

s opravdu velmi nízkými provozními náklady dělá ve srovnání s konvenčními sportovními

vozy toto coupé velmi atraktivní. Použitá technologie i koncepce umožnila vznik velmi

zajímavému automobilu. Motory v kolech totiž nahrazují nejen brzdovou soustavu, ale

nevyžadují také žádné hnací hřídele, či převodovku. Automobil se ovládá pouze dvojicí

pedálů s nápisy plus (plyn) a minus (brzda). Ve srovnání se sportovnímu vozy dnešní doby

lze očekávat také mnohem menší provozní náklady. Použitá koncepce je současně plně

variabilním pohonem všech čtyř kol. Řídicí elektronika totiž může velmi přesně regulovat

velikost točivého momentu pro jednotlivá kola. Díky tomu by měla být zajištěna nejen

vynikající trakce, ale současně také neutrální chování v zatáčkách.

Kupé Lightning GT je zajímavou ukázkou možného budoucího vývoje elektricky poháněných

automobilů. Z představených technických specifikací se bezpochyby jedná o nesmírně

pokrokový vůz, otázkou však zůstává, jaká bude jeho opravdová funkčnost a použitelnost

v každodenním životě. [41]

Obrázek 6.6 Lightning GT – Autosalon Ženeva 2009

- 60 -

9. Závěr

Na konec této práce lze dodat, že systémy pohonu vozidel s elektromotory v nábojích

kol jsou v současné době jednou z prvních priorit vývojových oddělení všech světových firem

zabývající se elektromobily nebo ekologickými technologiemi obecně.

Celý systém přináší řadu výhod. Jsou to výhody pro konstruktéry – úspora místa či

hmotnosti, výhody pro firmy – zatraktivnění produkce, a zcela jistě postupně i finanční

úspory, ale především z této koncepce plynou samozřejmě výhody samotným uživatelům

vozidel. Automobil vybaven pohonem všech čtyř kol, pomocí elektromotorů integrovaných ve

středu kola spolu s dalšími systémy jako jsou řízení, brzdy, tlumení a pružení, je velmi

atraktivní pro každého uživatele. Jistější jízdní vlastnosti, nové možnosti designu exteriéru a

interiéru, více místa pro zavazadla i posádku, větší pasivní bezpečnost z důvodu integrace

rozsáhlejších deformačních zón.

Pohon všech kol by se mohl stát do budoucna standardním prvkem všech rodinných

vozů se všemi jeho výhodami. Stejně tak nové technologie brzd a odpružení vozidla přinesou

zcela jistě netradiční pohledy na konstrukci osobních vozidel. Například X-by-wire přinese

jistě velkou měrou značné zlepšení do oblasti aktivní bezpečnosti vozidel a také zajistí

maximální pohodlí pro posádku v ovládání vozidla. Městské parkování a manévrování

v úzkých prostorech měst nebo složitějším terénem by pro budoucí vozidla nemělo být

problémem. V případě elektronizace celého vozidla, kterou dozajista integrální celky v kolech

vozidla přinesou spolu se snahou omezit konvenční mechanické části, by komfort posádky

mohl dosáhnout vysokých hodnot.

Koncepce elektromobilu, o které pojednává tato práce, má samozřejmě několik

nevýhod. Tou největší je z hlediska dynamiky zhoršený komfort posádky a do jisté míry i

zhoršené jízdní vlastnosti vozidla a tedy aktivní bezpečnosti. Absencí konvenčních součástí

pohonu je úbytek hmotnosti značný, nicméně nárůst hodnot v množině neodpružených hmot

je zcela jistě nezanedbatelný. Tento problém však není zásadní a z příchodem lehkých

materiálů a vývojem nových elektromotorů se zčásti bude stírat. Za nevýhodu lze zcela jistě

v současné době považovat otázku legislativní a především otázku bezpečnosti. Nicméně je

tento problém spíše založen na nedůvěře zákazníků a jisté konvenčnosti současných

designérů a konstruktérů velkých automobilek. Několikanásobně zálohované elektronické

systémy řízení a letové stability například v letectví již fungují mnoho let bez nejmenších

- 61 -

problémů. To by mohlo být zárukou jisté spolehlivosti, vždyť v jakém odvětví se více dbá na

bezpečnost než právě v leteckém průmyslu?

Natáčení všech kol, aktivní pohon 4x4, nové typy elektronických brzd, sofistikované

stabilizační systémy či elektronické řízení zcela jistě změní pohled konstruktérů i uživatelů na

automobilovou techniku, a způsob osobní přepravy vůbec. Je jen otázkou, jak rychle se

vozidla s elektromotory v kolech dokáží uvést do sériové výroby a zda se prosadí díky svým

vlastnostem na vysoce-konkurenčním trhu s automobily. Úspěch by totiž značně pomohl

dalšímu vývoji a přinesl nové finanční prostředky a energii k rozšíření této technologie.

- 62 -

10. Seznam použité literatury

[1] Apetaur, M.: Automobilismus v 21. století. Vlastním nákladem., Ústí nad Labem 2001

[2] Kameš, J.: Alternativní pohon automobilů. BEN - technická literatura, Praha 2004

[3] Korbela, D.: Studie alternativních pohonů dopravních prostředku a jejich užití v praxi.

DP ČVUT FD, Praha 2007

[4] Kovanda, Resl, Socha: Konstrukce automobilů: Pérování vozidel. České vysoké

učení technické, Praha 1997

[5] Přikryl, J.: Pohon všech kol motorových vozidel a jeho vliv na jízdní vlastnosti. DP

ČVUT FD, Praha 2006

[6] VDI, Verlag: Batterie-, Brennstoffzellen-, und Hybrid-Fahrzeuge, Düsseldorf 1998

[7] Vlk, F.: Alternativní pohony motorových vozidel. Vlastním nákladem, Brno 2004

[8] Vlk, F.: Koncepce motorových vozidel :koncepce vozidel, alternativní pohony,

komfortní systémy, řízení dynamiky, informační systémy. Vlastním nákladem, Brno

2000

[9] Vlk, F.: Úlohy z dynamiky motorových vozidel . Vlastním nákladem, Brno 2001

[10] Vlk, F.: Automobilové technická příručka. Vlastním nákladem, Brno 2003

[11] Vlk, F.: Systémy řízení podvozku a komfortní systémy. Vlastním nákladem, Brno 2006

[12] Michelin active wheel, tiskový balíček – Motorshow, Paříž 2008

Internetové odkazy:

[13] http://www.mitsubishi-motors.com/corporate/about_us/technology/environment/e/miev.html

[14] http://www.jpmorgan.com/cm/Satellite?blobcol=urldata&blobheader=application%2Fpdf&blobk

ey=id&blobtable=MungoBlobs&blobwhere=1158469487609&ssbinary=true&blobheadername

1=Content-

disposition&blobheadervalue1=attachment;filename=Tackling_Greener_Auto_Regulations:_O

EMs_Use_Multi-Pronged_Approach_.pdf

[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Lohner-Porsche

[16] http://home.zcu.cz/~formanek/mmvyuka/Data/mereni_rychlosti/prevodovka.htm

[17] http://www.hubmotors.com/

- 63 -

[18] http://www.autoblog.com/tag/electric+wheel+hub+motor/

[19] http://www.autoblog.com/2008/12/01/michelin-partners-with-chinese-firm-to-create-active-

wheel-syste/1#comments

[20] http://www.treehugger.com/files/2008/11/active-wheel-affordable-electric-car.php

[21] http://www.sadac.cz/sadev-prevodovka/

[22] http://www.ml-tuning.cz/download/katalog_ML-Tuning.pdf

[23] http://www.datis.cdrail.cz/edice/Zivpro/DZP7_07/solaris.pdf

[24] http://www.hybrid.cz/novinky/madrid-da-na-parkoviste-dobijecky-pro-elektromobily

[25] http://ekonomika.ihned.cz/c1-37541780-cez-planuje-zprovoznit-do-roku-2012-az-sto-

elektromobilu

[26] http://en.wikipedia.org/wiki/Drive_by_wire

[27] http://www.subaruplzen.cz/obrazy/technika/subaru_prilnavost.jpg

[28] http://www.motorauthority.com/michelins-active-wheel-technology-in-detail.html

[29] https://mall.automation.siemens.com/DE/guest/configurators/sd/sdFrameset.asp?urlParams=

PROD_ID=5Y&MLFB=&proxy=mall.automation.siemens.com&retURL=/DE/guest/index.asp?a

ktTab=5&lang=en&nodeID=1000000

[30] http://www.e-traction.com/index.htm

[31] http://electroauto.sweb.cz/

[32] http://www.euroekonom.cz/grafy-energie.html

[33] http://www.hybrid.cz

[34] http://elektromobily.wz.cz

[35] http://www.freedoniagroup.com/pdf/2108smwe.pdf

[36] http://news.auto.cz/frankfurt-2007/volvo-c30-recharge-nevhazujte-do-ohne.html

[37] http://www.tipcar.cz/mitsubishi-colt-ev-elektrina-budoucnosti-643.html

[38] http://www.jdpower.com/autos/]

[39] http://www.inovace-dmt.fs.cvut.cz/index.php?id=studijni_materialy

[40] (http://www.hybrid.cz/tagy/michelin-active-wheel

[41] http://www.automotorevue.cz/auto/predstavujeme/lightning-gt-elektricky-blesk.html

[42] ftp://81.255.116.206/Presse/MONDIAL%20DE%20L%27AUTO%202008/MICHELIN%20Activ

e%20Wheel/ Přihlašovací jméno: michelin , heslo: presse

[43] http://www.elektromobily.org/wiki/Legislativa_k_elektromobil%C5%AFm

[44] http://www.unece.org/trans/main/wp29/wp29regs/r100a1e.pdf - směrnice EHK 100 v angličtině

- 64 -

11. Seznam p říloh

11.1 Výkresová dokumentace

A. Schéma uložení elektromotoru VAR.I

B. Schéma rozložení sestavy VAR.I

C. Schéma uložení elektromotoru VAR.II

D. Schéma rozložení sestavy VAR.II

E. Schéma uložení elektromotoru VAR.III

F. Schéma rozložení sestavy VAR.III

G. Kinematická schémata jednotlivých konstruk čních variant

11.2 CD Médium