ALAPÖTLET
Ahogy azt már több felmérésből is tudhatjuk, az átlag autó felhasználó napi 50 – 100 kilométert vezet és csak igen ritkán megy hosszabb utakra. Egy minden célra alkalmas EV készítése ezért ellentmondásos. Ha nagy kapacitású (azaz a hosszú utakra is elég energiát tárolni képes) akut tesznek az autóba, az drága, nehéz, és a felhasználás jelentős részében feleslegesen terheli a futóműveket, gumikat, motorokat. Kis akkumulátor beépítése esetén viszont a hosszú autópályás utazásoknál (például nyaralásnál) a kényelmesnél gyakrabban kell megállni tölteni a járművet. A probléma régóta ismert EV körökben. Például a Tesla a Cyber-Truck-nál, egy a platóra rakható, nagy és nehéz (kb. ~50 kWh kapacitású) extra akkumulátor ládával (Range-Extender) próbál javítani az autópályás hatótávon.
Azt gondolhatnánk, hogy ez a dilemma automatikus megoldódik, amikor majd (sokak elvárása szerint a közel jövőben) nagyobb energia sűrűségű és mindazonáltal olcsóbb, könnyebb, biztonságosabb akkumulátorkémiát sikerül kifejleszteni. Számos hírcsatorna szent Grálként tekint a szilárdtest akkumulátorokra. Akik viszont mélyebben beleássák magukat az akkumulátor kutatásokkal foglalkozó tudományos dokumentációkba, álltalában azon a véleményen vannak, hogy az akkumulátorok javítandó paraméterei egymással ellentétes irányban mozognak. Tehát ha javítjuk egy akkumulátor energiasűrűségét, akkor gyakran romlik a töltési teljesítmény vagy az élettartama, miközben jelentősen a nehézkesebbé (drágábbá) válik a gyárthatósága. Ha például sikerül csökkenteni egy akkumulátor költségét, akkor álltalában romlik az energiasűrűsége és a töltési teljesítménye. Évek óta figyelemmel kísérem ezt a területet és annak ellenére, hogy szinte hetente jelenik meg cikk a „nagy áttörést” sejtető címmel valójában meglehetősen apró gyakorlati változásokat lehet látni. A már legalább 10 éve ismert NCM kémia jelenleg is a legnagyobb energiasűrűséggel rendelkezik, a 3 éve nagy áttörésként beharangozott LFP kémia igazából csak olcsóbb, de kisebb energiasűrűségű. A legújabban hangoztatott Nátrium (só) alapú akkumulátorok még olcsóbb és még kisebb energia sűrűségűek lesznek. A Szilícium nano-strukturás kísérleti akkumulátorok energia sűrűségé jelentős növekedést mutat, de rendkívül drágán lehet őket előállítani és az élettartamuk meglehetősen korlátozott. Ezért azt gondolom, hogy a bevezetőben vázolt probléma a jövőben is fenn fog állni és érdemes elgondolkozni egy hosszútávú megoldáson.
Az itt vázolt ötlet ezt az nagy ill. kis akku dilemma által kialakult problémára kínál megoldást.
[1] NACS
[2] Hattyúnyak
[3] oldal kamera
[4] hátsó lámpák
[5] E-Motor-generátor
[6] kerék
A HATÓTÁVNÖVELŐ AKKUMULÁTOR MEGVALÓSÍTÁSA UTÁNFUTÓKÉNT
A Range-Extender akku önálló utánfutóként is megvalósítható. Egy közepes méretű utánfutó aljában jelentős kapacitású akkumulátor fér el. A tetején extra pakolóhely alakítható ki. A jó légellenállás miatt célszerű, hogy a plató pakoló felülete egy a síboxokhoz hasonló áramvonalas, nyitható/zárható fedéllel legyen ellátva. Ez az utánfutó a nagyobb töltőállomásokon lenne bérelhető, cserélhető, illetve vissza adható. De (ha valaki gyakran utazik hosszútávra) természetesen saját hatótáv növelő akkumulátor-utánfutót (RET-et) is vásárolhatna. A RET előre történő lefoglalása, a bérletidíj és felhasznált áram díjának fizetése természetesen a már bejáratott applikációkon keresztül történhetne.
Mivel a cél az autópályás hatótáv megnövelése, a RET saját elektromos motorokkal rendelkezne, így nem terhelné a vontató járművet, sőt saját akkumulátorából táplálni tudná a vontató EV-t. Az utánfutó nem a szabványos módon, hanem egy (újonnan fejlesztendő) „hattyúnyak” segítségével fix módon csatlakozna a vontató járműhöz. Az energia és a szükséges kommunikáció átvitelére a Tesla saját csatlakozó szabványa (az NACS) látszik célszerűnek. Ez az utánfutó (az akkumulátorok súlya miatt) nehéz lenne, ezért jó futóművel és megfelelően programozott vezérlő elektronikával biztosítható, hogy nagy (akár 130km/h) sebességnél is stabilan, belengés, ugrálás és rezonanciamentesen tudja követni a vontatót. Az aktívan hajtott és fékezett kerekek miatt a vontatmányoknál néha előforduló bicskázás jelensége is megszüntethető. Az ötlet használhatóságát jelentősen befolyásolja, hogy a hatóságok is ellenőrizzék es elfogadják, ezen vontatmány magasabb engedélyezett sebességhatárát.
Az utánfutó, hátsó és oldal kamerákkal is fel lenne szerelve, így vontatáskor a vezető ezen kamerákon keresztül látná, mi van a vontatmány mögött, illetve mellette. A vontatmány két kereke két külön motort kapna, így tolatáskor tetszőleges (pontosabban a vontató kormány állásának megfelelő) irányba lehet vele kanyarodni. (pl. az egyik kereket előre, a másikat hátra hajtja a motor.) Ez nagyon megkönnyíti az ilyen vontatmánnyal történő tolatást, mivel nem a vontató és a vontatmány egymáshoz viszonyított helyzete határozza meg a kanyarodás irányát és szögét.
Ez az utánfutó egyébként remek alap lenne egyéb aktív (a vontatót minimálisan terhelő) lakókocsi készítéséhez. Egy lakókocsi nagy belső akkumulátorral, nemcsak a vontatáskor lenne előnyösebb, hanem az útszéli (boondocking) parkoláskor is tudná biztosítani az áramot diesel generátorok használata nélkül. Ha a lakókocsi nagyobb felületei napelemmel borítottak, akkor az akkumulátorok újra töltése is megoldható.
ÜZLETI MODELL
A jelenlegi nagy forgalmi útvonalakra eső töltőállomások mellett lehetne üzemeltetni a RET (Range Extender Trailer) állomást is. Itt lehetne bérelni és használat után leadni is őket. Amíg a RET-ek várakoznak a következő bérlőre, napelemekkel (vagy a töltőknél egyébként is jelen levő elektromos hálózatról) lehetne őket tölteni. Mivel ezek a RET-ek jelentős akku kapacitással bírnak, a normál töltőkhöz szükség esetén extra áramot is tudnának biztosítani. Tehát az töltőpark üzemeltetőnek az áram szolgáltató felé történő terhelését is tudják kiegyenlíteni, ami kisebb lekötendő kapacitást (tehát költségcsökkentést) jelent.
Például 150 kWh LFP akkumulátor piaci ára kb. 4 MFt. Egy szimpla utánfutó 0.5 MFt. Egy ilyen aktív, 2 motoros érzékelőkkel felszerelt RET nyilván drágább lenne. (pl. 2 MFt). A gumik ára 200 000 km-re ~400 eFt. Így a bérbeadó teljes üzemeltetési költsége 200 000 kilométeren kb. 8 MFt.
Ha az a szolgáltató elvárása, hogy a bérleti díj hozza vissza a RET teljes árát a fenti távolságon, akkor kb. 5000 Ft / 100 km bérleti díjjal lehet számolni. A hordozott 150 kWh áram árát például 200 Ft / kWh áron a felhasználó számára értékesítve egy teljes töltés áram díja 30 eFt lenne. (Az áram vételi és eladási ára közötti különbség jelentős, ami jelentősen javítja a megtérülési időt.)
PÉLDA FELHASZNÁLÁS
Tegyük fel, hogy a RET bérlésre már legalább olyan kiépítettségű infrastruktúra áll rendelkezésre, mint nyugat Európában az elektromos autók töltésére. Ebben a jövőbeli környezetben egy család egy hetes nyaralást tervez nagyobb (1300 km) távolságra Tesla Model-Y járművével. A jármű 75 kWh-ás aksija korlátozza az autópályás etapok hosszát. Legjobb esetben is (25 kWh / 100 km fogyasztással számolva) 250 – 270 kilométeres etapokkal lehet számítani, így 4-5 töltésre adódik.
A vezető indulás előtt online lefoglal egy 150 kWh-ás RET-et, az útba eső (<20 kilométer lévő) töltőállomásnál történő átvétellel. Az indulás napján a házától (a foglaláskor visszaigazolt) töltőállomásnál felcsatolja a RET-et, (ha szükséges még feltölti 100%-ra a járművét,) majd megkezdik az utazást. Az utánfutó lapos és áramvonalas, de valamelyest még így is megnöveli az összfogyasztást, ezért 30 kWh / 100km autópályás fogyasztással számolunk. A teljes 75kWh +1 50kWh kapacitással így 700 – 750 km hatótáv adódik. (Remélhetőleg a család jól bírja a nagy távolságú pisilési szüneteket 😊).
Egy hosszabb megállóra van szükség, amikor az autót tölteni és a RET-et cserélni (esetleg tölteni) kell. A jelenlegi technológiánál ez ~40 perc, ami alatt megebédelhetnek. (Az idő nem sok, ezért célszerű, hogy az ebédet is online, rendeljék meg még a töltőpontra történő megérkezés előtt.) Az EV, a RET és az utasok is feltankoltak, lehet folytatni az utazást.
A célhoz (és a RET leadási pontjához) közeledve (még útközben) a vezető áttölti a RET maradék energiáját a járműbe. Így a RET leadása csak egy rövid adminisztratív folyamat.
Olyan helyen nyaralnak, ahol van célállomástöltő, így a nyaralás alatti kisebb nagyobb utakat is a saját jól megszokott járművükkel tudják bejárni. Hazafelé az út hasonlóan egy RET bérlésével és felcsatolásával kezdődik.
Az oda út teljes költség 1200 km-re 125 eFT. Ez kb. ~ 16 L/100km benzinfogyasztás árának megfelelő. Ez duplája egy korszerű benzines jármű autópályás fogyasztásának. Egy benzines jármű fenntartása viszont a normál napi használatban jár jelentősen több költséggel, mint egy otthon töltött elektromos járműé.
A család részére alternatív megoldás lehet, hogy ehhez a hosszú úthoz bérelnek egy benzines járművet. Tegyük fel, hogy ennek a napi bérleti díja kb. 20 eFT és kb. 8 L/100km a fogyasztása. A helyi utakat nem számítva, a teljes nyaralásra 295 eFt (135eFt üzemanyag + 160 eFt bérleti díj) költség adódik, ami még mindig több, mint a EV+RET 250 eFT-os teljes költsége.
HATTYÚNYAK
[7] 800V-os aktív hűtéses kábel
[8] gumírozott külső burkolat
[9] hattyúnyak csigolya elemek
[10] rögzítő csap
A hattyúnyak egy olyan flexibilis rúd, ami a vontatmány elejébe épített és mereven (de oldhatóan) csatlakozik a vontatóhoz. Egy a gerincoszlophoz hasonló mechanikus megoldás, védi a közepében futó nagy feszültségű kábelt. A hattyúnyak csigolyaszerű fém elemekből áll, és egy rugalmas külső burkolat védi a szennyeződéstől.
Nem csak az energia áramlását (max. 40kW teljesítménnyel), de az információk oda-vissza áramlását is biztosítani tudja. A vontató felé át tudja küldeni a vontatmány kameráinak videó jeleit, illetve a RET állapotát. Parancsokat tud fogadni a vontatótól az egyes kerekek hajtására / fékezésére vonatkozóan. illetve a hátsó lámpákra vonatkozóan.
A hattyúnak 3 szabadságfokú elmozdulásokat tesz lehetővé.:
függőlegesen kb. +/- 40 fokos elmozdulást
vízszintesen kb. +/- 70 fokos elmozdulást, illetve
+/- 50 fokos csavarodást tesz lehetővé.
A hattyúnak eleje egy az EV hátulján található, oldható csatlakozóhoz kapcsolódik.
Mechanikai szempontból: A vontató és a hattyúnyak csatlakozása merev. (A hagyományos vontatóhorog gömbcsuklójával ellentétben, nem ad lehetőséget elmozdulásra)
Elektronikai szempontból: A vontató a NACS szabványhoz nagyon hasonló aljzattal kell rendelkezzen.
[11] flexibilis gumi harang
[12] MBS + vezérlő elektronika
[13] „síbox” tető
[14] 100 – 150 kWh akku
[15] hátsó lámpa
[16] töltőfedél
[17] hűtőborda
RET FELÉPÍTÉSE:
A zölddel jelölt terület, az akkumulátor helye
A halvány kékkel jelölt (a nyitható/zárható síbox tető alatti) rész pakolási terület, ahova a bérlő / tulajdonos szabadon pakolhat.
Aktív akkumulátort menedzsmenttel és vezérlő elektronikával rendelkezik, ami a vontató elektronikájával összekapcsolódva biztosítja a stabil futást és a kormányzást
alul (türkizkékkel jelölve) hűtőbordák vannak, amik a belső folyadék hűtésű rendszer hőstabilitásához szükségesek. Ezen felülettel tud a vontatmány hőt leadni vagy a környezetéből felvenni.
A RET két aktív (hajtásra és fékezésre is képes) lengőkarokkal, csillapítással ellátott kerékkel rendelkezik.
A töltőfedél kinyitásakor hozzáférhetővé válnak a töltési csatlakozók. (Európában CCS az USA-ban NACS). Célszerű lehet olyan RET verziót is gyártani, ami 2 irányú töltést tesz lehetővé. Azaz egy ilyen utánfutó egy háztartást akár egy hétig is képes lenne ellátni energiával. Így az elektromos hálózatra nem bekötött épületek energia ellátása is megoldható lenne.