Kereskedelmi elektromos járművek – kihívások és lehetséges megoldások
Mi zajlik a kereskedelmi elektromos járművek körül, és hogy segítheti a technológia az iparág forradalmát?
Mindent egybevetve az autóipar figyelemre méltó sebességgel halad az iparág villamosításában. Habár ez egy régóta tartó, hosszú folyamat, a fejlődést akadályozó tényezők – mint a meglehetősen hosszadalmas kutatás-fejlesztési ciklusok – ellenére is, az autógyártók világszerte igen gyorsan képesek voltak az elektromos autók teljes modellválasztékával előállni. A világon elsőként valóban tömeggyártásba került Nissan Leaf 2011-es indulását követően 2021-re a teljes elektromos hajtással rendelkező modellek száma meghaladta a 450-et. A 2015 és 2021 közötti időszakban az új modellek összesített éves növekedési rátája lenyűgöző, 34%-os értéket ért el.
Összességében és különösen a globális piacok jelentette kihívások fényében az elektromos személyautók nagy piaci sikert arattak. Az elektromos személyautók jelentős sikere ellenére azonban a kereskedelmi szektor (azon belül a nagy méretű és nehéz áruszállító járművek) fejlődése messze nem volt ennyire gyors.
Kutatások szerint a közepes és nehézgépjárművek csupán a teljes gépjárműállomány 4%-át teszik ki, miközben a közúti közlekedés károsanyag-kibocsátásának 40%-áért felelősek. A számok jól rámutatnak a szektor fontosságára és arra, milyen fontos a terület fejlesztését prioritásként kezelni, és a fenntartható jövő érdekében sikeresen integrálni a kereskedelmi haszongépjárműveket.
A kereskedelmi célú elektromos gépjárművek előtt álló kihívások
Míg 2022-ben az elektromos személygépjárművek az új értékesítések 14%-át tették ki, az elektromos tehergépjárművek mindössze 1,2%-os arányt értek el az értékesítésben. Ennek az eltérésnek egyik vitathatatlan forrása a személyszállító és a kereskedelmi elektromos gépjárművek komplexitása közötti különbség.
A kereskedelmi szállítmányozás nagy részét a tehergépjárművek teszik ki. Ebbe a kategóriába a 3,5 tonna össztömeget meghaladó áruszállító járművek széles skálája tartozik, beleértve a nyerges vontatókat, tartálykocsikat és olyan speciális járműveket, mint a fakitermelő és betonkeverő gépjárművek. Ezek a járművek általában kettő és hat közötti tengelyszámmal rendelkeznek, és miközben évente több százezer kilométert tesznek meg, nem egyszer olyan komolyabb berendezésekkel kell együttműködjenek, mint a rakodórendszerek vagy pótkocsik. A nagy méretű tehergépjárművek mellett a szektorban kisebb furgonok és céleszközök is jelen vannak (mint például a helyi elosztójárművek), amelyek mind létfontosságú szerepet játszanak a modern logisztikai és fuvarozási hálózatok működésében. (1. ábra).
1. ábra Néhány példa a rendelkezésre álló haszongépjármű-típusokra
Ezek a járművek személyszállító társaikhoz képest nagyobb méretű és teljesítményű akkumulátorokat igényelnek a jelentős teher mozgatásához, ami nem csupán a költségeket növeli meg, de komoly tervezési kihívásokat is jelent. Emellett a jelenlegi akkumulátortechnológia korlátjai jelentős kihatással vannak a haszongépjárművek szállítási kapacitására, mivel az akkumulátorok súlya befolyásolja a járművek önsúlyát, és ezáltal az árukapacitását.
Az elektromos tehergépjárműveket kiszolgálni képes töltőhálózatok kiépítése lényegesen bonyolultabb és költségesebb, mint az elektromos személyszállító járműveké. A tehergépjárműveket kiszolgáló töltőállomások nagyobb teljesítményével szembeni elvárások számos biztonsági és teljesítménybeli akadályt jelentenek ezek tervezésekor.
Az Alternatív Üzemanyagok Európai Megfigyelőközpontja (European Alternative Fuels Observatory – EAFO) szerint 2023-ban Európa-szerte több mint 550 000 nyilvános töltőállomás állt rendelkezésre. Az Európai Autógyártók Szövetsége (European Automobile Manufacturers’ Association – ACEA) előrejelzése szerint azonban 2025 végéig csupán 40 000 töltőállomás áll majd rendelkezésre a közepes és nehéz tehergépjárművek számára. Ennek a számnak 2030-ra 270 000-re kellene növekednie az elektromos teherautó-hálózat növekedésének megfelelő támogatásához.
A technikai akadályok legyőzése
Akárcsak a korai elektromos személygépjárművek, az elektromos tehergépjárművek számára is komoly hátrányt jelent az elsősorban az eltérő energiasűrűségből eredő korlátozott hatótávolság. Míg a dízelüzemanyag megközelítőleg 12 500 Wh/kg energiasűrűséggel bír, egy átlagos Li-ion cella energiasűrűsége csupán mintegy 300 Wh/kg. Bár az elektromos járművek hajtáslánca lényegesen hatékonyabb a belső égésű dízelmotorokénál – amelyek jellemzően 40% körüli termikus hatásfokkal rendelkeznek –, önmagában ez nem képes kompenzálni az azonos kimeneti teljesítményhez szükséges súlytöbbletet. Ráadásul ez az extra súly negatívan befolyásolja a jármű hatótávolságát, és fokozott kihívások elé állítja a mérnököket a felfüggesztés és a gumiabroncsok tekintetében.
Szilárdtest-akkumulátorok
Az egyik lehetőség, ami forradalmasíthatná az elektromos tehergépjárműveket, a szilárdtest-akkumulátorok használata. Egy szabványos Li-ion cella két szilárd elektródát (egy anódot és egy katódot), egy mechanikai gátként szolgáló középső elválasztó elemet, valamint folyékony Li-ion elektrolitot tartalmaz. (Lásd a 2. ábrán a tipikus, elektromos járművekben használt akkumulátorcsomagot.)
2. ábra Egy Li-ion akkumulátorcsomag gyártás közben
Ezzel ellentétben egy szilárdtest-akkumulátor a szeparátort és az elektrolitot egy szilárd kerámia- vagy polimerszubsztrátumra cseréli. Ez a szilárd szubsztrátum elválasztja egymástól az általában tiszta lítiumból álló anódot és katódot. Az eltérő szerkezeti felépítés és a tiszta lítium használata jelentős energiasűrűség-növekedést eredményez egészen akár az elméleti 11 kWh/Kg-ig; de a realitás talaján maradva belátható időn belül ez a növekedés 1 kWh/Kg-ig várható. A jelenleg használt cellák képességeit felülmúlva ez akár 30%-os súlycsökkenést is jelenthet azonos kapacitás mellett.
Az akkumulátorcsomagok energiasűrűségének növelésével a tervezők kisebb fizikai méretű akkumulátorokat használhatnak, és ezáltal növelhetik a szállítási kapacitást, vagy megnövelhetik a járművek hatótávolságát. Ez a teljesítménynövekedés számos költség- vagy teljesítménykorlátozott alkalmazás esetében lehetővé teheti az elektromos járművekre való átállást.
Az elmúlt néhány évben a piacon elérhetővé váltak az olyan kis méretű szilárdtest-akkumulátorok, mint például a TDK CeraCharge™ újratölthető szilárdtest- SMD akkumulátora. Számos autóipari elemző úgy véli, hogy 2025-től kezdődően a szilárdtest-akkumulátorok megjelenhetnek az autóipari szektorban is. A Toyota a közelmúltban jelentette be, hogy a tervei között szerepel a szilárdtest-akkumulátorra épülő járművek gyártásba állítása 2025-től. Ezek a járművek várhatóan 700 km-es hatótávolság mellett csupán 10–15 perces töltési idővel rendelkeznek majd.
Gyorstöltő-hálózatok
A hosszú megállási idők jelentette problémák egy lehetséges megoldása a Megawatt töltőrendszer (Megawatt Charging System – MCS). A nemzetközileg elismert MCS szabványt a világ elismert autóipari hatóságai által létrehozott CharIN konzorcium irányítja. Az MCS egy olyan átfogó kezdeményezés, amely szabványosított, biztonságos és nagy teljesítményű töltők kifejlesztését és gyártását célozza. A szabvány által leírt elemek közé tartozik például egy akár 1250 VDC feszültséget és 3000 A áramerősséget kezelni képes egyszerű csatlakozó, vehicle-to-everything (V2X) Ethernet kommunikáció, illetve a töltőcsatlakozók egységes elhelyezése a járműveken.
A tehergépjárművek gyártásával foglalkozó MAN becslése szerint az MCS-en keresztüli töltés időszükséglete akár 10 percre is csökkenthető, ami jelentős javulás a jelenleg elterjedt technológiához képest. Bár az MCS elsősorban a haszongépjárművekre fókuszál, adaptálható buszokhoz, repülőgépekhez és egyéb nagy méretű elektromos járművekhez is, amelyek képesek az 1 MW feletti töltési értékeket kezelni.
A gyorsabb töltési sebesség csökkentheti a nagy leterheltségű szállítási elosztóközpontokban telepítendő töltőállomások számát, és a tehergépjárművek kevesebb időt pazarolva a töltésre, több időt tölthetnek az utakon. Az MCS egyelőre még korai fázisában tart, és biztonságos működéséhez nagy teljesítményű komponensek szükségesek, azonban az Egyesült Királyságban és az európai kontinensen már ebben az évben nyílnak meg töltőállomások.
Akkumulátorcsere
Kína továbbra is vezető szerepet tölt be az elektromos teherautók gyártásában és forgalmazásában. Kínában 2022-ben mintegy 52 000 elektromos közepes és nehézgépjárművet értékesítettek, ami a globális eladások 85%-át teszi ki. Az elektromos tehergépjárművek elterjedtségének növekedését a kiszolgáló infrastruktúra bővülése kíséri, kiváló betekintést engedve a más régiók esetében potenciálisan alkalmazható kivitelezési stratégiákba.
Jó példa erre a Kínában egyre nagyobb teret nyerő akkumulátorcsere. Ez a teljesen automatizált eljárás mindössze 3–5 percet vesz igénybe. Robotkarok oldják le és veszik ki a vezetőfülkéből az akkumulátorcsomagot, és cserélik le azokat frissen töltöttekkel. A lemerült akkumulátorcsomagot ezt követően gyorstöltővel újratöltik. Ez a fejlesztés nagyban megnöveli az akkumulátortöltés hatékonyságát, sebességével még a leggyorsabb teherautó-töltő állomások sem vehetik fel a versenyt.
A Nemzetközi Tiszta Közlekedési Tanács (International Council on Clean Transportation – ICCT) szerint az első kiértékelések alapján az infrastruktúra sikeres, azonban elsősorban a kikötőkben, bányászati helyszíneken és a városi logisztikában, rövid távokra használt elektromos tehergépjárművek kiszolgálására fókuszál. Ezek a járművek általában egy 141 kWh vagy 282 kWh kapacitású lítiumvas-foszfát (lithium iron phosphate – LFP) akkumulátorral és átlagosan kevesebb mint 100 km-es hatótávval rendelkeznek. Az akkumulátorcsere széles körű elterjedése előtt azonban tornyosul néhány akadály. Ilyenek például az egységesített akkumulátorcsomagok hiánya, illetve a csereállomások telepítésének jelentős költségei, amik az ICCT becslései szerint állomásonként mintegy egymillió dollárt tesznek ki Kínában.
Összefoglalás
Az autóipar figyelemre méltó előrelépést mutat az elektromos hajtásra történő gyors átállásban, különösen az elektromos személygépjárművek piacán. Az elektromos haszongépjárművek lényegesen lassabb elterjedése ugyanakkor rámutat, hogy a technikai akadályok leküzdéséhez és a két szektor közötti szakadék áthidalásához széles körű és közös fellépésre van szükség. Ezen a területen az elektronikai ipar kiemelt szerepet fog játszani.
A nagy teljesítményű és szabványosított elektronikai megoldások alkalmazása egyaránt szükségszerű a technológia szilárdtest-akkumulátorok felé történő fejlődésétől az MCS-hez hasonló gyorstöltő-hálózatok fejlesztésén keresztül az akkumulátorcseréhez hasonló alternatív megoldásokig. Az autógyártók, az elektronikai mérnökök, a politikai döntéshozók és az érintettek közötti együttműködés elengedhetetlen feltétele az elektromos haszongépjárművek fejlesztésének és elterjedésének gyorsításához. Előtérbe helyezve a kutatást, a beruházásokat és az együttműködést, az autóipar olyan fenntartható jövő felé fejlődhet, amelyben az elektromos haszongépjárművek jelentős szerepet kapnak a károsanyag-kibocsátás csökkentésében a mai dízelüzemű járművekhez képest.
Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics
EMEA-területének műszaki tartalmakért felelős igazgatója
Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen minket az X-en
