Máte pocit že elektromobily sú príliš drahé? Máte starú Octaviu a nechcete sa jej za žiadnych okolností zbaviť, aj keď už pomaly nesmie vojsť do žiadneho mesta v západnej Európe? Prerobte si ju na elektromobil!

History time!

Neoficiálne poznáme tri vlny rozmachu elektromobilov. Neoficiálne preto, lebo som si to práve teraz vymyslel. Nebudem počítať nultú vlnu, ktorá existovala keď autá celkovo vznikali – vtedy to bola hračka pre elity a nie pracovný nástroj obyčajného človeka. Ale odložím červenú farbu nabok a dodám, že benzín bol čoraz lacnejší a tým pádom nedávala prevádzka elektromobilu zmysel.

Prvá vlna prišla po roku 1973 v USA, najmä ako reakcia na takú menšiu ropnú krízu. Vtedy prišli na trh malé elektromobily s mimoriadne jednoduchou konštrukciou. Predalo sa ich len niekoľko tisíc, no a jedným z nich bol tento kus syra. Nemal ani poriadne riadenie motorov – plynový pedál bol v podstate štvorpolohový spínač. A áno, jednou z tých polôh je nula.

Druhá vlna prišla na prelome tretieho milénia ako reakcia na zákony o emisiách v Kalifornii. V skratke: Kalifornské predpisy nastavili podmienky pre najväčších výrobcov áut. Ak chceli v Kalifornii predávať svoje výrobky, museli mať v ponuke modely, ktoré neprodukovali žiadne emisie. Najznámejšie EV z tejto doby je General Motors EV1 vďaka jeho futuristickému dizajnu. A neslávne známe je aj preto, lebo keď Kalifornia upravila svoje zákony a upustila od svojich podmienok bez emisií, tak boli všetky EV1 zozbierané a zničené. Niektoré exempláre prežili, ale boli kompletne znefunkčnené. Tento osud stihol aj ďalšie elektromobily od iných značiek, následné zníženie nárokov na fleetové emisie darovali svetu Toyotu Prius a v menších číslach Hondu Insight.

Tretia vlna je tu už niekoľko rokov a vo veľkom začala keď prišiel na trh Nissan Leaf. Ale spolu s ním prišli na rôzne trhy aj trochu divné elektromobily, väčšinou sa jednalo o autá z Číny, ktorým boli odstránené spaľovacie motory a prevodovky, a do týchto plastových tiel boli surovo vrazené batérie. Pretože ak chcete začať vlastnú automobilku, ktorá sa bude zaoberať iba elektromobilmi, tak najlepšie je vziať už homologované auto a spraviť retrofit. A to isté spravíte aj vy!

Aké auto by som mal prestavať?

Akékoľvek, záleží už len na tom, ako veľmi sa chcete hrať s elektronikou na palube. Čím novšie auto, o to náročnejšie to bude, takže myslite na to. Taktiež myslite aj na vnútorný priestor – nielen na jeho objem, ale aj na fyzické rozmery. Koľko miesta budete mať k dispozícii po vybratí motora a palivovej nádrže? Koľko miesta v kufri vám zaberú batérie? Je priestor nepravidelného tvaru? Pokúsite sa rozložiť váhu tak, aby sa príliš nezmenila dynamika auta? Toľko otázok a tak málo odpovedí. Univerzálna odpoveď? Záleží na tom, čo vlastne chcete.

Priestor vie byť mimoriadne problematický. Moderný elektromobil sa snaží vložiť všetky batérie pod podlahu auta z niekoľkých dôvodov, najmä pre zníženie ťažiska a pre jednoduché vyťahovanie batérií z auta. Taktiež je ľahšie navrhnúť a batériu zapojiť ak je na jednom mieste a v priestore, ktorý tvarom nevyzerá ako veža z Lega, ktorú postavilo batoľa.

Čo všetko potrebujem do auta vložiť, aby z neho bol elektromobil?

V prvom rade potrebujete správny elektromotor. Drvivá väčšina elektromobilov využíva trojfázové striedavé motory, preto nemá zmysel sa rozhliadať po iných motoroch. Dáte tam jeden? Dva? Chcete dokonca štyri? Vašim limitom je len peňaženka – vo všeobecnosti je najjednoduchšie použiť len jeden motor a ten napojiť na už prítomnú prevodovku. Tu potrebujete navrhnúť len adaptér medzi motor a prevodovku. Ďalšia možnosť je navrhnúť si vlastnú prevodovku, čo vám umožní lepšie umiestniť celé ústrojenstvo a mať potenciálne kompaktnejšie rozmery pohonu. A ak chcete úplne meniť odpruženie a navrhnúť si vlastné kolesové prevodovky, tak môžete použiť jeden elektromotor na každé koleso, resp. len na hnanej náprave. V tomto je to kúzlo elektromotorov – máte široké množstvo potenciálnych riešení.

Ak chcete tieto elektromotory poháňať, tak potrebujete invertor. Táto súčiastka zabezpečuje zmenu napätia z batérií – prechádzame z jednosmerného na striedavé. Dôležité je si vybrať veľmi kvalitný invertor, pretože akékoľvek výkonové straty pri konverzii napätia sa premenia na teplo. A ak máte straty v jednotkách kW, tak začínajú obrovské problémy s chladením celej sústavy, nehovoriac o hladkosti chodu a lepšom riadení. Čím viac motorov, tým je invertor komplikovanejší, a čím väčší výkon, tým viac chladenia potrebujete.

Celý systém napájate batériami. Akými? V akej konfigurácii? Akú chcete kapacitu? Prečo toľko otázok? Som rád že sa pýtate! Všetko ide ruka v ruke. Bateriek potrebujete veľmi veľa aby ste vytvorili pack s dostatočne vysokým napätím a kapacitou. To sa síce ľahko povie, ale realita takého návrhu je oveľa zložitejšia.

Lego pre veľké deti

Batérie sú drahé a majú tendenciu sa zohrievať pri vysokej záťaži. Taktiež vedia byť extrémne nebezpečné ak sa s nimi narába nesprávne. Na manipuláciu s battery packom potrebujete izolované náradie a silno sa odporúča, aby ste pri práci na tak nebezpečnom zariadení neboli osamote. A nie je to len o tom, že pozvárate pár bateriek a pripojíte káble – k battery packu patrí aj veľa vysokonapäťovej a nízkonapäťovej elektroniky.

V prvom rade ten pack potrebujete postaviť. A aby ste ho mohli postaviť, tak si najprv potrebujete spraviť návrh tohto packu nielen po elektrickej stránke, ale aj po mechanickej. Potrebujete si spraviť presný model kontajnera a celej konštrukcie packu tak, aby sa batérie mohli bezpečne uchytiť, aby nedošlo ku skratu, aby boli batérie chránené pred nárazom, aby boli vhodne chladené, aby bolo možné sa do packu dobre dostať pre servisné účely, aby bolo kam umiestniť riadiacu a ďalšiu elektroniku, a v neposlednom rade aby boli v packu implementované všetky možné bezpečnostné prvky aj pre prípad zrážky, aj pre prípad chyby, aj pre servisné úkony.

Potrebujete vyriešiť samoúdržbu batérie pomocou battery management systému (BMS). BMS modul má za úlohu merať napätie na jednotlivých moduloch až samotných batériách (záleží od vašej konfigurácie), vyrovnávať napätie medzi jednotlivými modulmi a sledovať ich teplotu. Sleduje anomálie a ak deteguje chybu, tak vypne celý systém a odpojí batériu, poprípade sám zabraňuje aktivácii systému ak nie je všetko v poriadku. Ale aj to je variabilné – záleží na tom, koľko autonómie chcete dať BMS systému. Má sledovať viac vecí a byť riadiacou jednotkou, alebo má robiť vlastnú úlohu a nejakému centrálnemu procesoru posielať informácie, na základe ktorých bude konať?

Potrebujete aj nízkonapäťový systém práve na prevádzku BMS modulov a ďalších komponentov auta. To zahŕňa aj DC/DC menič pre dobíjanie 12V batérie, ale aj systém pre chladenie batérií. Tie vieme chladiť náporovo, pomocou ventilátorov, alebo aj chladiacou kvapalinou.

Potrebujete vyriešiť aj precharge circuit pred prvým spustením systému. Tento obvod rieši „predpätie systému“ – ak by sme aktivovali systém a nič neregulovali, môže sa stať, že v najlepšom prípade vybijeme poistky, v horšom prípade sa pri obrovskej vlne prúdu doslova zvaria relé a nebude možné ich rozpojiť. A to nie je dobré. Tento systém reguluje prúd a eliminuje tento veľký skok prúdu, čím výrazne prispieva k bezpečnosti a životnosti batérie.

A v neposlednom rade potrebujete vyriešiť aj nabíjanie batérie. Na to slúži on-board charger – táto krabička reguluje napätie a prúd, ktorý prúdi do batérií. Je priamo v spojení s nabíjacím konektorom, ktorý musíte bezpečne namontovať do auta.

Nakoniec všetku túto zbierku komponentov treba správne pozapájať a naprogramovať.

Maličkosti

V neposlednom rade potrebujete zabezpečiť, že nielen auto potrebuje vedieť o tom čo sa deje – aj vy to potrebujete vedieť. A tak celkovo sa potrebujete postarať o svoj komfort. Sem už vstupuje aj premenná jednoduchosti/zložitosti auta, ktoré sa musí prestavať, ale aj kreativita jednotlivca ako implementuje zmenu na elektromobil.

Čím je auto novšie, o to komplexnejšie informácie poskytuje vodičovi. Preto môžete v podstate zabudnúť na to, že ten palubný počítač s rôznymi počítadlami bude fungovať. Vytvorte si vlastný! A ak ste všetko navrhli správne, a všetky systémy ste pripojili na CAN zbernicu, tak viete relatívne jednoducho (ha!) ťahať informácie z tejto zbernice do vlastného palubného počítača. Sledujte si dojazd (po komplikovaných prepočtoch), energetické toky, teploty, jednoducho všetko čo potrebujete. Prestavajte si otáčkomer na analógový ukazovateľ výkonu/rekuperácie, ukazovateľ stavu nádrže na stav nabitia batérie, teplomer na... teplomer.

Zabezpečte aby vám fungoval posilňovač bŕzd a riadenia. Zabezpečte aby vám fungovala klimatizácia. Klimatizáciu budete musieť vyriešiť samostatným menším elektromotorom (napríklad), posilňovače vymeniť za elektrické náhrady. Ubezpečte sa že funguje systém ABS a že viete elektromotorom povedať, že ak sa zopne ABS, tak sa musí vypnúť rekuperácia energie. Naprogramujte si do riadenia elektromotorov kontrolu trakcie, najmä v zime nie je žiadny problém pretočiť kolesá pri sebamenšom dýchnutí na plynový pedál.

Dbajte na to, aby boli všetky káble spájajúce časti pod vysokým napätím oranžovej farby a správne izolované. Zabezpečte aby bolo v prípade nehody možné úplne vypnúť všetku elektroniku – namontujte si inertia switch. Zabezpečte aby boli všetky ochrany systému zapojené tak, že ak jeden z prvkov je v chybovom stave a nezopne sa, tak sa nezapne celý systém. Postarajte sa o to, aby v prípade nehody bolo možné fyzicky odpojiť batériu od zbytku vozidla, napríklad prerezaním určitých káblov či vytiahnutím špeciálnej zásuvky. Dbajte na to aby toto miesto bolo ľahko prístupné a aby ho našiel aj človek, ktorý vaše auto vidí prvýkrát v živote.

A hlavne, prosím vás pekne, dbajte na to, aby auto neustále kontrolovalo izoláciu medzi battery packom a karosériou auta. To posledné čo chcete je, aby sa karoséria stala živou časťou obvodu. Zabezpečte okamžité vypnutie auta ak k tejto situácii dôjde. Úraz elektrickým prúdom nie je sranda.

Alebo tam dajte motor LS

Áno, spravte radšej toto.

Nie! Ja chcem elektromobil!

V poriadku. V priebehu nasledujúcich mesiacov budem pracovať na menšom návrhu prestavby auta, nech si spravíme aj názorný príklad toho, ako by sa to dalo spraviť a čo presne treba urobiť. Možno z toho bude séria, možno to bude iba sumárny článok. Uvidíme podľa toho, ako rozsiahly bude finálny návrh. Návrh by mal byť hotový koncom roka.