Nemyslíte na své pneumatiky, dokud neprasknou. To je férový bod. Pokud se kutálejí, válíte i vy. Kontrolujete si krevní tlak. Možná kontrolujete hloubku dezénu. Zde obvykle vaše interakce s nimi končí. Cena a trvanlivost jsou jediné věci, na kterých záleží, když stojíte v uličce obchodu.
Již více než deset let se však inženýři a giganti v oblasti pneumatik snaží tento stereotyp narušit. Nezlepšují jen pneumatiky. Pohybují „mozkem“ a „svaly“.
Na scénu přicházejí elektromotory umístěné přímo v kolech.
Teoreticky se nejedná o nový koncept. Bylo to jen těžko realizovatelné v praxi. Společnosti jako Michelin vidí budoucnost, ve které kolo udělá více práce než kdy předtím. Přímo do pohonu chtějí integrovat celé hnací ústrojí vozu.
Anatomie elektromotoru v kole
Logika je zde velmi jednoduchá. Demontujte spalovací motor. Je těžký, neefektivní a zabírá hodně místa. Nahraďte jej alespoň dvěma elektromotory. Jeden pro každé zadní kolo. Možná dokonce čtyři.
Nejsou to jen hnací hřídele. Jedná se o samostatné jednotky.
Brzdový systém je umístěn uvnitř náboje. Poskytuje přenos síly. Nahrazuje převodovku. Spojka. Závěsná ramena. Dokonce i některé prvky geometrie řízení. To vše se pohybuje uvnitř. Do kola.
Tím se zvyšuje neodpružená hmota. Noční můra pro inženýry. Poskytuje však výhody, které tradiční rozvržení poskytnout nemohou.
Proč jsou elektromotory v kolech důležité
Možná se divíte, proč tuto technologii ještě nevidíme všude. Odpověď spočívá v tepelném managementu a odolnosti.
Elektromotor vytváří teplo. Hodně tepla. Pokud umístíte motor do kola obklopeného pneumatikou, která se také zahřívá, přehřívání se stává problémem.
Tradiční motory jsou umístěny v motorovém prostoru nebo pod podlahou vozu. Mají chladicí systémy určené pro takové podmínky. Kolo se otáčí rychlostí 1000 ot./min. Proud vzduchu není konstantní. Vnikání nečistot. Vnikání vody.
Výzvou tedy není jen postavit motor. Je nutné vytvořit motor, který dokáže přežít v agresivních podmínkách prostředí při zachování schopnosti přenosu točivého momentu.
“Základní princip auta vybaveného elektromotory v kolech je jednoduchý. Spalovací motor… prostě není potřeba.”
Tento posun mění způsob, jakým přemýšlíme o dynamice vozidla. Bez středového diferenciálu je vektorování točivého momentu okamžité. Každé kolo dostává přesně takové množství energie, jaké potřebuje ve správný čas. Žádné mechanické zpoždění. Žádná ztráta tekutin.
Ale zlepšuje to jízdní komfort? To je otázka milionů dolarů.
Kompromisy
Neodpružená hmotnost je nepřítelem manipulace. Když do kola umístíte těžké komponenty, musí odpružení pracovat tvrději. To ovlivňuje kvalitu jízdy. To ovlivňuje opotřebení pneumatik.
Výrobci upravují konstrukce, aby tyto vlivy zmírnily. Používají se lehčí materiály. Vylepšená ložiska. Utěsněné bloky, aby se dovnitř nedostaly nečistoty.
Míry účinnosti se stále testují. Účinnost? To se liší. Některé prototypy vykazují zisky. Jiné vykazují ztráty kvůli systémům chladiče spotřebovávajícím energii.
Jsme svědky technologie, která slibuje revoluci. Ale revoluce jsou vždy chaotické.
Stojí ten kompromis za to? Konečný verdikt zatím nepadl.
Účinnost elektromotoru v kole
Instalace elektromotorů do podběhů není DIY projekt. Je to inženýrská noční můra, která vyžaduje revize geometrie zavěšení, systémů řízení teploty a neodpružené hmoty. V8 jen tak nevytrhnete a nenastrčíte tam motor. Cílem je nejen zajistit trakci, ale také integrovat všechny komponenty.
Protean Electric tomu rozumí. V roce 2008 na SEMA představili Ford F-150, který ztratil své „srdce“ a získal čtyři nové. Standardní motor V8 je pryč. Místo toho: čtyři elektromotory v kolech. Každá jednotka vyvinula více než 100 hp. Čtyři z těchto motorů? Toto je 400 koní. úhrnem. O takovém výkonu točivého momentu by sériový vůz nemohl ani snít.
Hardware se ukázal jako překvapivě lehký. Každý motor vážil pouze 68 liber (31 kilogramů). Na takovou sílu docela dost. Spotřebovávaly energii z 42 kWh lithium-iontové baterie. Skutečný rozsah? Asi 100 mil (161 kilometrů), než je potřeba dobít.
Proč se neomezit na čtyři? Nemusíš. Architektura je škálovatelná. Většina osobních automobilů potřebuje pouze dva motory. Pohon zadních kol, pohon předních kol – na tom nezáleží. Pokud ale stavíte SUV nebo dráhové auto, potřebujete trakci. Aby systém pohonu všech kol (AWD) fungoval efektivně, potřebujete elektromotory v kolech ve všech čtyřech rozích.
Michelin tento koncept posunul dále se systémem Active Wheel. Není to jen o otáčení volantem. Jde o ovládání.
Jak vlastně fungují aktivní kola
Aktivní kolo Michelin není motor přišroubovaný k náboji. Toto je rozbočovač. Elektromotor je zabudován přímo do středu sestavy kola. Tím odpadá potřeba hřídelí náprav, diferenciálů a hnacích hřídelí. Jedná se o snížení hmotnosti neodpružených prvků. Je to manipulace, při které nemáte pocit, že za sebou táhnete řetěz.
Systém využívá synchronní motor s permanentními magnety. Je kompaktní. Je to účinné. A umožňuje nezávislé vektorování točivého momentu. Každé kolo se může otáčet různými rychlostmi, aplikovat různé množství točivého momentu a dokonce nezávisle rekuperovat energii.
Tady je nakopávačka: Michelin integroval brzdový třmen do stejné jednotky. Elektromotor zajišťuje akceleraci a rekuperační brzdění. Fyzické brzdové destičky poskytují brzdnou sílu, když zpomalíte při nízkých rychlostech nebo když regenerace dosáhne maxima. Jedná se o jednotný brzdný a trakční systém.
Kompromisy
Není to magie. Existují náklady.
Za prvé, hmotnost neodpružených prvků. I když je motor lehký, je stále připojen ke kolu. To zhoršuje kvalitu jízdy. Odpružení musí pracovat tvrději, aby udrželo pneumatiku na silnici při přejíždění nerovností. Michelin tento problém vyřešil pokročilými tlumícími algoritmy, ale fyzika je fyzika.
Za druhé, je teplo. Motory se zahřívají. Kola se rychle točí. Odstranění tepla z kontaktní plochy pneumatiky bez roztavení pryže je obtížný úkol. Michelin používá kapalinové chladicí kanály zabudované přímo do sestavy kola. Je to složité. Je to drahé. Ale funguje to.
Za třetí, udržovatelnost. Pokud vám praskne pneumatika, nemůžete ji jen tak vyměnit. Máte co do činění s vysokonapěťovými spoji, chladícími vedeními a konstrukčním upevněním. Píchlá pneumatika se pro servisní středisko stává událostí.
Proč na tom teď záleží
Tuto technologii vidíme
Většina výrobců organizuje tyto systémy pod kapotou odlišně, ale jejich základní anatomie zůstává stejná. Jako výchozí bod vezměte jako příklad Active Wheel od Michelinu. Na první pohled je to jen kolo. Nepoznali byste, že uvnitř je ukrytý elektromotor, pokud byste se nepodívali blíže.
Odstraňte kolo. Najednou se vše změní.
V tomto kompaktním prostoru jsou umístěny brzdy, aktivní odpružení a samotný pohon. Odpružení není pasivní. Reaguje za 0,003 sekundy. Naklánění a sklon těla jsou korigovány dříve, než je vůbec ucítíte. Toto je elektrický systém. Je rychlá. Je přesná.
Jak motory nábojů šetří energii
Rekuperační brzdění je u některých provedení standardem. Systém zachycuje kinetickou energii při zpomalování a vrací ji zpět do baterie. Tato technologie není nová. Používá se v Toyotě Prius. Byla v Tesle Roadster. Cíl je jednoduchý: zvýšit dosah.
Ale skutečný příběh je o účinnosti.
Energie se přenáší přímo z motoru na kolo. Žádný přenos. Žádné nápravové hřídele. Žádné diferenciály. Vzdálenost, kterou energie urazí, se sníží téměř na nulu. Účinnost se dramaticky zvyšuje.
Porovnejte to s jízdou ve městě v autě se spalovacím motorem. Získáte asi 20procentní účinnost. Většina energie paliva se rozptýlí jako teplo nebo mechanické tření. Elektromotor náboje dosahuje asi 90procentní účinnosti za stejných podmínek prokluzu a zastavení.
Je to obrovský rozdíl.
Jak si tedy udržuje výkon i přes takové zvýšení účinnosti? Odpověď spočívá ve snížení mechanických ztrát. Každá součást mezi zdrojem energie a vozovkou spotřebovává určitou energii. Odstraněním tohoto řetězce se na povrch vozovky dostane více energie.
“Uvádí se, že motor v náboji pracuje s účinností přibližně 90 procent ve stejném prostředí.”
Nejde jen o úsporu paliva. Jde o znovuzískání ztraceného potenciálu. Motor neotáčí jen kolem. Spravuje celé rozhraní mezi autem a silnicí.
Odpružení přebírá vertikální zatížení. Motor řídí točivý moment. Brzdy zajišťují brzdnou sílu. Vše v jednom kompaktním celku.
Na papíře to zní perfektně. Ale existují kompromisy. Neodpružená hmotnost se zvyšuje. Kolo je nuceno pracovat tvrději. Problémem se stává rozptyl tepla. O těchto otázkách budeme diskutovat dále.
Jak motory uvnitř kola poskytují okamžitý točivý moment bez mechanického zpoždění
Možná vás znepokojuje, že přesunutí těžkých mechanických funkcí na náboj kola oloupí vůz o něco zásadního: o chování pružiny, které očekáváte, když sešlápnete plynový pedál. Elektromotory však dělají více než jen dodávání energie. Poskytují točivý moment. A udělají to okamžitě.
V tradiční převodovce se energie ztrácí v převodech, diferenciálech a nápravách. Motory kol tyto ztráty obcházejí. Síla je přenášena přímo ze statoru na ráfek kola. Neexistuje žádný mezipřenos. Každé kolo má také svou vlastní řadu senzorů. Tyto senzory čtou v reálném čase data o trakci a zatížení. Říkají motoru přesně, kolik točivého momentu je potřeba v konkrétní milisekundě.
Doba odezvy je rychlejší než u jakéhokoli současného sériového elektrického vozidla. Proč? Protože současné systémy spoléhají na složité elektrické komunikační cesty a mechanické spoje, které zvyšují latenci. Konstrukce motorového kola eliminuje prostředník.
Technologie „By-wire“ a smrt přenosu
Když jsou motor, brzdy a převody řízení umístěny uvnitř kola, střed vozu se stane prázdným prostorem. Zde se odehrává designové kouzlo. Motor zmizí. Převodovka zmizí. Zmizí spojka? Ano taky. I části odpružení lze integrovat do aktivního tlumení samotného kola.
Inženýři nazývají tento přechod od mechanického k elektrickému ovládání technologie by-wire. Drive-by-wire. Brake-by-wire. Steer-by-wire.
Odstranění spalovacího motoru a souvisejícího vybavení umožňuje realizovat radikální konstrukční vylepšení. Díly neposouváte jen tak. Přemýšlíte o celé architektuře podvozku. Koncepční vůz Venturi Volage tento přístup testoval. Automobilka se sídlem v Monaku použila motory v kolech k vytvoření platformy, která nevyžadovala centrální tunel pohonné jednotky. Byla čistší. Jednodušší. Flexibilnější.
Problém spolehlivosti v systémech s motorovými koly
S tímto konceptem experimentovalo několik automobilek. Michelin aktivně propaguje svůj program Active Wheel. Hi-Pa Drive se zaměřuje na vysoce výkonné aplikace. Ale je tu nuance.
Stále nemáme rozsáhlé provozní údaje. Otázky trvanlivosti zůstávají. Co se stane, když je motor uvnitř kola vystaven vodě, soli a znečištění vozovky po dobu deseti let? Bude schopen odolat teplu vznikajícímu při dlouhodobé vysoké zátěži? Vydrží náraz do díry, který by zničil tradiční nápravu?
Bezpečnost je další překážkou. Pokud selže mechanická brzda, máte redundanci. Pokud selže elektronická řídicí jednotka motoru kola, spoléháte se výhradně na redundanci softwaru a záložní napájecí systémy. To nebylo v měřítku prokázáno. Dokud tyto systémy neuvidíme ve vozovém parku nebo každodenních autech s tisíci hodin provozu, zůstává řeč o spolehlivosti pouze teoretická.
Odolnost komponent umístěných přímo v podběhu je stále diskutabilní.
Prozatím je tato technologie na papíře působivá. Přenos točivého momentu je okamžitý. Balení komponent je efektivní. Ale ještě není připraven na každý stav vozovky, každé klima nebo komfortní zónu řidiče. Technické překážky jsou značné. Výhody jsou lákavé.
Musíme jen sledovat testery. Počkejte na první zprávy o skutečných selháních. Nebo první velký úspěch. Cokoli se stane dříve, kolo se změní.
