אחרי יותר מ-100 שנות תלות בנפט כמקור הנעה לתחבורה עוברת תעשיית הרכב לחשמל כמקור אנרגיה. נכון, זה לא סוד והמהפכה כבר בעיצומה, אבל כמו שנהוג לומר במקרים כאלה - עוד לא ראיתם כלום. צמיחת נתח השוק של החשמליות עומדת להאיץ בשנים הבאות באופן שיהפוך את מכוניות הבנזין לזן נכחד באמת עד סוף העשור. בפשטות, מי שירכוש מכונית בנזין ב-2030 יהיה יוצא דופן - ויש מי שמעריך כי נקודה זו תגיע שנים ספורות קודם לכן.
- לא רוצים לפספס אף כתבה? הצטרפו לערוץ הטלגרם שלנו
על פניו מדובר הרי בסך הכול בהחלפת בלוק המנוע - הגדול, המורכב, הכבד, היקר והמסובך לאחזקה - ביחידה חשמלית, בנטרול מכל הדלק ובהצבת סוללות ברצפת המכונית. נשמע די פשוט. בפועל זה מורכב הרבה יותר. מנועי בנזין וחשמל פועלים בצורה שונה לחלוטין, ובהתאם עולם המונחים שלהם אינו חופף. זהו זמן מצוין להתעדכן ולהתכונן לקראת האירוע שאין ספק שיגיע בעתיד הלא רחוק - אתם תרכשו מכונית חשמלית.
דומה בעיקרון פעולתו למה שאתם מכירים מאין-ספור מכשירים ביתיים, החל ממברשת שיניים חשמלית ועד למאוורר תקרה. העיקרון: המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה מכאנית. מי שרוצה קצת יותר טכניקה, מוזמן להמשיך לקרוא. בניגוד למנוע בעירה פנימית המורכב מאינספור חלקים הפועלים בהרמוניה מושלמת (כשהמנוע תקין), במנוע חשמלי יש בעיקרון רוטור הנע בתנועה מעגלית שנוצרת על-ידי שדה מגנטי הנגרם בזמן הזרמת החשמל. זהו. פשוט בדיוק כפי שזה נשמע. שדה מגנטי ובתוכו רוטור. מובן שמנועי חשמל כיום הם פסגת הטכנולוגיה, אבל העיקרון עדיין פשוט הרבה יותר מזה של מנוע בעירה. ונכון, לכן הוא (כמעט) לא דורש תחזוקה.
הלאה. בשונה ממנוע בעירה פנימית, שמתוכנן להיות בשיא יכולתו כשהוא מגיע למהירות עבודה מסוימת, מנוע חשמלי מספק את מרב הכוח באופן מיידי. נכון, בדומה למתג חשמל - או שיש את כל החשמל או שאין כלום. ושוב דוגמה: המנוע החשמלי של ב.מ.וו i4 40e מספק את שיא הכוח בין רגע הלחיצה על הדוושה ועד ל-5,000 סיבובים לדקה (סל"ד). את שיא ההספק (340 כ"ס) הוא מייצר בין 8,000 ל-17,000 סל"ד. מנוע בנזין בדגם המקביל של אותה יצרנית מספק את שיא הכוח בין 1,900 ל-5,000 סל"ד, ואת שיא ההספק (374 כ"ס) בין 5,500 ל-6,500 סל"ד.
המשמעות היא שרצועת הכוח של מנוע חשמלי רחבה יותר מפי 3.5 מזו של מקבילו המוזן בבנזין. איך זה בא לידי ביטוי על הכביש? זמינות הכוח המלאה והמיידית מאפשרת האצה ראשונית חזקה הרבה יותר, ולכן בין היתר מסוגלות מכוניות חשמליות לנתוני זינוק פנטסטיים. מצד שני, נהיגה שגרתית היא חלקה וליניארית מכיוון שאספקת הכוח קבועה לאורך כל טווח הפעולה שלו.
בישראל ובמדינות רבות נוספות, ההספק של מנועי בעירה פנימית נמדד בכ"ס. הרמת משקולת של 75 ק"ג לגובה מטר בשנייה אחת היא כוח סוס אחד. 150 כ"ס הוא הנפה של אותה משקולת ל-150 מטר בשנייה. הבחירה בכ"ס לצורך אומדן תפוקת המנוע נובעת מסיבות היסטוריות, שכן בתחילת המאה ה-20, עם הפופולאריות ההולכת וגוברת של מכוניות, היה קל יותר להשוות לאמצעי תחבורה מוכר - כרכרה וסוס. אבל כבר לפני שנים רבות החלו לעבור לציון ההספק בקילו-וואט, גם לרכב עם מנוע בעירה פנימית. הספק של מנוע חשמלי נמדד רק בקילו-וואט (KW), כלומר אלף וואט. קילו-וואט אחד שווה ל-1.341 כ"ס.
למנוע חשמלי יש כאמור רצועת כוח רחבה משמעותית משל מנוע בעירה פנימית, והוא מספק את שיא המומנט החל מסל"ד אפס, ולכן הוא אינו נדרש לתיבת הילוכים עם כמה יחסי העברה הנדרשים למנועי בנזין ודיזל כדי להאיץ מעמידה למהירות שיוט. יש בכך יתרון של הפחתה נוספת ברכיבים נעים מחד, וחיסכון במשקל מאידך.
מערכת התמסורת ברכב חשמלי כן כוללת יחס העברה קבוע מראש שאינו ניתן לשינוי, ואת הדיפרנציאל המאפשר חלוקה משתנה של הכוח בין שני הגלגלים המניעים - ימני ושמאלי. במקרים מסוימים, למשל פורשה טייקן או אודי e-tron GT, כוללת מערכת התמסורת שני יחסי העברה למנוע החשמלי, המאפשרים לו לספק ביצועים טובים יותר על פני טווח מהירות רחב. הראשון ישמש לזינוק חזק מהמקום, ואילו השני ישיג צריכת חשמל נמוכה במהירות גבוהה.
מי מהיר יותר? טסלה מודל S מול בואינג 737
הסוללה ברכב חשמלי אוגרת בתוכה את האנרגיה ומעבירה אותה למנוע החשמלי. היא עשויה בטכנולוגיית ליתיום-יון הנפוצה גם במכשירים אלקטרוניים ניידים (סמארטפון או מחשבים ניידים), ובהשוואה לסוללות ברכבים היברידיים ותיקים (ניקל-מטאל) היא בעלת צפיפות אנרגטית גבוהה יותר. לכן היא יכולה לאגור יותר אנרגיה ליחידת משקל, ומסוגלת לפעול במתחים גדולים יותר. היא גם בעלת פריקה עצמית נמוכה יותר, ולכן שומרת על הקיבולת האנרגטית לאורך זמן ארוך יותר מסוללות הדור הקודם.
קיבולת הסוללה נמדדת בקילו-וואט שעה (קוט"ש או KWh), המשמש למדידת כמות האנרגיה הנצרכת בשעה. ניתן לדמות נתון זה למכל דלק - ככל שהוא גדול יותר, כך כמות האנרגיה שהוא מסוגל להכיל גדולה יותר, וכך גם טווח הנסיעה של הרכב ארוך יותר. חשוב לשים לב לפער בין שני נתונים, קיבולת מצבר כללית (Gross) וקיבולת המצבר שבה ניתן לעשות שימוש (Net), שכן מחשב ניהול הסוללה אינו מאפשר לעשות בה שימוש עד להתרוקנות מוחלטת שלה.
המנוע ברכב חשמלי מסוגל להפוך אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה מכאנית כשהרכב נדרש להאצה, אבל הוא מסוגל גם לתהליך הפוך - הפיכת אנרגיית תנועה מכאנית לאנרגיה חשמלית הטוענת את הסוללה. בזמן האטה הופך המנוע לגנרטור המפיק חשמל מכוח האינרציה חזרה לסוללה, ומסייע גם להפחית את השימוש בבלמי המכונית שכן הוא מאט אותה במידה ניכרת. מערכת כזו קיימת גם ברכב היברידי והיברידי-נטען, שכן בשניהם יש (גם) מנוע חשמלי כזכור.
רכבים חשמליים פשוטים מציעים לרוב אפשרות בחירה בין שתי רמות של עוצמת בלימה רגנרטיבית. דגמים מתקדמים יותר מאפשרים כמה רמות, עם שליטה ידנית באמצעות מנופים מאחורי ההגה. הפעולה מדמה הורדת הילוך לצורך בלימת מנוע ברכב בנזין או דיזל בירידה.
יש גם מערכות מתקדמות יותר עם מצב אוטומטי לרגנרציה, העושה שימוש בנתונים ממערכת הרדאר מלפנים וממערכת הניווט על מנת להתאים את עוצמה הבלימה, למשל כשמתקרבים לרכב שמלפנים או בהגעה לצומת או לכיכר. חשוב להדגיש שמצב זה פועל ללא קשר לבקרת השיוט האדפטיבית, וניתן להפעילו גם כשהנהיגה ברכב מתבצעת בצורה ידנית לחלוטין.
כבסיס לרכב חשמלי מהדור הקודם משמשים דגמי בנזין ודיזל שהוסבו והותאמו לאכלוס מנוע חשמלי ומצברים - למשל במקרה של דגמי קונצרן PSA הצרפתי, רנו או ב.מ.וו. היתרונות הם פיננסיים בעיקרם, ובמקרים מסוימים ישנו גם חיסכון בזמן הפיתוח. התכנון פשוט יותר והייצור זול יותר, אבל החסרונות הם היעדר היכולת לנצל את המערכת החשמלית לטובת יעילות הנדסית.
כלי רכב חשמליים מודרניים מבוססים על פלטפורמה שתוכננה לכך מראש, כמו במקרה של יונדאי (E-GMP) או פולקסווגן (MEB). כך ניתן לנצל באופן מיטבי את ההנעה החשמלית לטובת שיפור היכולת. למשל, מיקום נמוך וייעודי לסוללות מאפשר יכולת דינמית גבוהה הודות למרכז כובד נמוך.
מלבד היתרונות ההנדסיים הטמונים ברכב חשמלי ייעודי, יש גם יתרונות עיצוביים. העובדה כי העיצוב כמעט שאינו כפוף לרכיבים שנדרשים למיקום מסוים - למשל מנוע מלפנים או תיבת הילוכים - מאפשרת חירות עיצובית גדולה בהרבה, שמתבטאת בדרך כלל בחלל פנים מרווח הרבה יותר מבלי שהמידות החיצוניות יגדלו במידה ניכרת או בכלל.
מקדם הגרר הוא מידת ההתנגדות האווירודינמית של מרכב המכונית מול האוויר שדרכו הוא חולף. ככל שהנתון יהיה נמוך יותר, כך יקטנו ההתנגדות וצריכת החשמל (עוד על כך בהמשך) וטווח הנסיעה יגדל. לא מפתיע לגלות כי יצרניות הרכב משקיעות כיום משאבים אדירים בתכנון אווירודינמי יעיל, ומטפלות בהתאם בכל אבזר שאינו חלק מהמרכב. החישוקים מעוצבים במיוחד, ידיות הדלתות מוסלקות, הסבכה מלפנים אטומה ולעיתים מפנות מראות רגילות את מקומן לטובת מצלמות זעירות.
צריכת חשמל נמדדת בקילוואט-שעה ל-100 ק"מ, או בוואט-שעה לק"מ. נסביר. אם צריכת החשמל היא 15 קוט"ש ל-100 ק"מ וקיבולת המצבר היא 45 קוט"ש, טווח הנסיעה של הרכב יהיה 300 ק"מ. רק זכרו - כמו צריכת הדלק, גם צריכת החשמל תלויה באין-ספור גורמים: החל במזג האוויר ובתנאי הכביש, דרך סגנון הנהיגה, מספר הנוסעים ברכב ומקדם הגרר, וכלה בשימוש שנעשה במערכות היקפיות (מיזוג למשל) שצורכות אנרגיה.
גם כאן, רכב עם מנוע חשמלי חלש יהיה חסכוני יותר מאותו רכב עם מנוע חשמלי חזק יותר. רכב חשמלי עם מנוע אחד יצרוך פחות חשמל מאותו רכב עם שני מנועים. ליונדאי איוניק 5 עם שני מנועים טווח נסיעה צנוע בכ-20 ק"מ מזה של אחותה בעלת המנוע החשמלי הבודד.
השפעה נוספת על צריכת החשמל: הצמיגים. אם להשתמש פעם נוספת ביונדאי כדוגמה, לגרסה הבכירה גומי רחב וספורטיבי יותר, בעל מקדם חיכוך גבוה יותר, לטובת אחיזה מיטבית. גרסת הבסיס משתמשת בצמיגים צרים עם התנגדות נמוכה יותר לגלגול, ולכן טווח הנסיעה בה גדול ב-30 ק"מ.
במכונית רגילה תדלקתם בנזין? בחשמלית אתם טוענים מצברים, וניתן לעשות זאת בכמה דרכים. הראשונה היא טעינה איטית (בהספק של עד 22 קילו-וואט), ישירות מרשת החשמל הארצית, במה שמכונה "מוד 2" או באמצעות עמדה מנוהלת "מוד 3". שיטה אחרת היא טעינה מהירה יותר בהספק גבוה (50 קילו-וואט ויותר), שמאפשרת מילוי מהיר של המצברים. אם השיטה הראשונה מתאימה למי שנוהג בעיקר בעיר או לעיתים רחוקות, השנייה מתאימה למי שמשתמש ברכב באופן אינטנסיבי יותר, ולנסיעות ארוכות.
רגע. טעינה מהירה אינה קבועת-מהירות, ותלויה בהספק שלו מסוגלת עמדת הטעינה הייעודית, וגם במידת ההספק שהרכב החשמלי מסוגל לקבל. לרכב חשמלי מתקדם יש יכולת טעינה מהירה של בין 100 ל-200 קילו-וואט, מה שמאפשר מילוי סוללה מקובלת מ-10% ל-80% בתוך כחצי שעה. כלי רכב מתקדמים עוד יותר מצוידים במערכת חשמל במתח גבוה (800V), המאפשרת טעינה בהספק של עד 350 קילו-וואט. זמן המילוי מתקצר אז לפחות מ-20 דקות.
כיום רוב מקפידות יצרניות הרכב לפרסם נתון חדש, שגם בתחילת העידן החשמלי לא היה שגור: את מהירות הטעינה האפשרית היא מציינת בק"מ לשעה. רק שימו לב, לא מדובר במהירות נסיעה אלא במהירות צבירת הקילומטרים. המשמעות היא שמכונית שניתנת לטעינה במהירות של 600 קמ"ש מסוגלת לאגור חשמל שיספיק ל-300 ק"מ בחצי שעה, או 150 ק"מ ב-15 דקות. אתם מבינים את הנוסחה.
מכוניות חשמליות רגישות הרבה יותר ממנועי בעירה פנימית לטמפרטורה, והסיבה לכך היא התהליך הכימי בסוללה, שמושפע מתנאי חום או קור קיצוניים. בתנאים אלה יכולת הסוללה פחותה בהרבה, הן באספקת אנרגיה למנוע והן ביכולת להיטען במהירות בעמדה. לכן מצוידות מרבית החשמליות במחשב ניהול תרמי לסוללה, המסוגל לקרר או לחמם אותה בהתאם לצורך ובכך מאפשר יעילות טובה יותר בתנאי אקלים מגוונים.
אגב, בשונה מקירור נוזל שמקובל בחשמליות מודרניות, ניסאן ליף הוותיקה משתמשת בקירור אוויר למצברים, ולכן בתנאי אקלים קיציים טווח הנסיעה צנוע בהרבה מהבטחות היצרנית, וכך גם הטעינה המהירה היא בהספק נמוך במידה ניכרת מההצהרות.
