Audi e-tron: koncepcje ładowania i technika akumulatorów
Audi e-tron wprowadza cztery pierścienie w zupełnie nową erę. Koncern, z klasycznego producenta samochodów przeobraża się w dostawcę rozwiązań systemowych w zakresie mobilności. Kompleksowa oferta ładowania przy pomocy inteligentnych rozwiązań nadających się do użytkowania w domu i w podróży, pozwala klientom na przemieszczanie się z wykorzystaniem wyłącznie elektrycznego napędu, bez konieczności zawierania jakichkolwiek kompromisów. Duży litowo-jonowy akumulator Audi e-tron zapewnia zasięg ponad 400 km wg założeń cyklu jazdy WLTP. Jeśli ten elektryczny SUV jest ładowany na stacji szybkiego ładowania z mocą do 150 kW, to do dalszej, długiej podróży jest w pełni gotów w czasie krótszym niż pół godziny.
W domu: ładowanie prądem zmiennym
Zasadniczo ładowanie Audi e-tron będzie się odbywało przede wszystkim w domu. Przygotowanie do pojedynczego cyklu ładowania zajmie posiadaczowi samochodu tylko kilka sekund – czas, w którym będzie podłączał i odłączał kabel. W większości przypadków, elektryczny SUV będzie ładowany nocą. Następnego ranka będzie mógł swobodnie ruszyć z pełnym akumulatorem i z zasięgiem ponad 400 km (wg założeń cyklu jazdy WLTP).
Dla potrzeb ładowania w domu, Audi oferuje różne rozwiązania: standardowy system ładowania compact pozwala na ładowanie z mocą wyjściową do 11 kW. Opcjonalny system ładowania connect podwaja moc ładowania do 22 kW, ale jest to możliwe tylko w wypadku, w którym Audi e-tron jest wyposażone w drugą ładowarkę. System ładowania połączony z systemem zarządzania energią w domu oferuje również inteligentne funkcje ładowania.
Jeśli klient kupując Audi e-tron zapragnie sprawdzić, jakie możliwości ładowania posiada we własnym garażu, to na stronie internetowej Audi może przeprowadzić odpowiedni test sprawdzający: e-tron Pre-check. Pozwala on na wstępną ocenę, czy domowa instalacja elektryczna nadaje się do ładowania i jak jej wydolność będzie wpływać na proces ładowania Audi e-tron, zwłaszcza pod względem czasowym. Ponadto klient, przy pomocy testu sprawdzającego home-check, może uzyskać wiele innych informacji: miejscowy salon sprzedaży Audi, korzystając z dużej bazy poleci odpowiedniego elektryka, który sprawdzi możliwości ładowania w domu klienta i na życzenie zainstaluje odpowiednie urządzenia. W Niemczech, i w kilku innych krajach europejskich, moc domowej instalacji elektrycznej zasadniczo wystarcza potrzebom trójfazowego prądu zmiennego o napięciu 400 V i mocy 11 lub 22 kW.
Standard: system ładowania compact
Mobilny system ładowania compact to element wyposażenia standardowego Audi e-tron. Można go używać korzystając bezpośrednio z gniazdka elektrycznego, bez konieczności instalowania czegokolwiek przez elektryka. Na jego wyposażeniu są dwa różne kable sieciowe – jeden do gniazda o napięciu 230 V z mocą ładowania do 2,3 kW, drugi do gniazda trójfazowego o napięciu 400 V z mocą ładowania do 11 kW. Korzystanie z tego drugiego rodzaju gniazdka gwarantuje, że akumulator Audi e-tron będzie ponownie w pełni naładowany po ok. ośmiu i pół godzinach. Kabel ma długość 4,5 m i posiada moduł z diodami kontrolnymi informujący o statusie ładowania. Na życzenie, Audi dostarcza uchwyt montażowy na ścianę w garażu, tzw. klips do ładowania. Można w niego łatwo wpiąć moduł z diodami kontrolnymi.
Inteligentna opcja: system ładowania connect
Inną propozycją Audi jest opcjonalny system ładowania connect. Pozwala on na ładowanie z mocą do 22 kW. Pełne ładowanie trwa tu tylko cztery i pół godziny. Dla tego cyklu konieczna jest jednak druga pokładowa ładowarka, która w wyposażeniu pojawi się w roku 2019, jako element dostępny opcjonalnie. Kabel prowadzący od wyświetlacza dotykowego systemu ładowania connect standardowo ma długość 2,5 m, a na życzenie 7,5 m. Zamykany klips jest elementem wyposażenia standardowego. System ładowania można chronić przed nieautoryzowanym użyciem przy pomocy kodu PIN. Rozwiązanie to zaleca się np. w przypadku ładowania pod wiatą garażową.
Korzystając z systemu connect, można ładować Audi e-tron z najwyższą wydajnością możliwą w danym czasie do uzyskania przez domowy system elektryczny i przez sam samochód. Pojazd uwzględnia przy tym zapotrzebowanie innych odbiorników w gospodarstwie domowym oraz unika przeciążania instalacji domowej i wynikającego z tego „wyskoczenia” bezpieczników. Warunkiem jest posiadanie kompatybilnego systemu zarządzania energią w gospodarstwie domowym (HEMS), z którym system ładowania łączy się za pośrednictwem domowej sieci Wi-Fi. W tym zakresie Audi współpracuje z dwiema firmami partnerskimi: SMA Solar Technology i Hager Group.
We współpracy z systemem ładowania connect i odpowiednio wyposażonym systemem zarządzania energią w gospodarstwie domowym (HEMS), Audi e-tron potrafi także wykorzystywać różne taryfy poboru energii elektrycznej. Może ładować akumulator w porach korzystniejszych cenowo, uwzględniając przy tym poziom naładowania akumulatora, czy potrzeby komunikacyjne swego właściciela np. zaplanowany czasu wyjazdu. System ładowania connect pobiera wtedy konieczne informacje o taryfach zakupu energii elektrycznej albo z systemu zarządzania energią w gospodarstwie domowym (HEMS) albo z indywidualnych informacji zapisanych przez klienta w portalu myAudi. Jeśli gospodarstwo domowe posiada instalację fotowoltaiczną, to klient może tak zoptymalizować ładowanie, by Audi e-tron preferowało ładowanie energią elektryczną własnej produkcji. W tym procesie elektryczny SUV uwzględnia informacje o prognozowanych fazach operowania światła słonecznego i informacje o natężeniu prądu elektrycznego w miejscu podłączenia do sieci publicznej.
Ponadto klient korzystający z systemu ładowania connect może sprawdzać w portalu myAudi i w aplikacji myAudi swoją indywidualną statystykę oraz przebieg cykli. Oprócz czasu ładowania i zgromadzonej w akumulatorze ilości energii elektrycznej, można w ten sposób także szczegółowo zapoznać się z każdorazowymi kosztami ładowania. Przy wsparciu systemu zarządzania energią w gospodarstwie domowym (HEMS), system ładowania connect rejestruje również, ile prądu wytwarzanego przez domową instalację fotowoltaiczną zużywa samochód. Dane są zapisywane na zabezpieczonym serwerze, można je interpretować i eksportować. Komunikacja z systemem ładowania connect odbywa się przez sieć domową klienta i przez internet.
Zdalne sterowanie przy pomocy aplikacji: ładowanie, ogrzewanie i chłodzenie
Aplikacja myAudi zainstalowana na smartfonie właściciela pozwala obsługiwać system bez potrzeby ruszania się z kanapy. W ten sposób można planować ładowanie, chłodzenie lub ogrzewanie wnętrza Audi e-tron, zdalnie nimi sterować i je monitorować – zupełnie jakby w danej chwili właściciel siedział w samochodzie. Można np. stworzyć harmonogram z godzinami wyjazdów, dzięki czemu Audi e-tron będzie o określonej godzinie naładowane i/lub ogrzane lub schłodzone przy pomocy systemu klimatyzacji. Klient ma przy tym możliwość wybrania w samochodzie stref, które przede wszystkim mają zostać objęte ogrzewaniem luch chłodzeniem. Na przykład w chłodne zimowe dni może włączyć ogrzewanie siedzeń czy kierownicy. Dodatkowo aplikacja pokazuje dane dotyczące ładowania i jazdy. Komunikacja z pojazdem odbywa się przez zintegrowany moduł LTE, który w przypadku Audi e-tron jest elementem wyposażenia standardowego.
W drodze: ładowanie prądem stałym i zmiennym
Użytkownik ładujący swoje Audi e-tron przez noc w domu i startujący następnego ranka z całkowicie naładowanym akumulatorem, podczas codziennego użytkowania nie musi zatrzymywać się przy kolumnie ładującej. Zasięg ponad 400 km mierzony w cyklu WLTP zbliżonym do warunków rzeczywistej jazdy, umożliwia czysto elektryczną jazdę bez potrzeby zawierania jakichkolwiek kompromisów. W przypadku dalszych podróży po Europie, do dyspozycji kierowców jest ponad 65 tysięcy publicznych stacji ładujących, w których można naładować Audi e-tron prądem stałym (DC) i prądem zmiennym (AC). Ich liczba w kolejnych latach znacznie wzrośnie. Wdrażając inteligentne rozwiązania, Audi dba o to, by ładowanie przebiegało w prosty i szybki sposób.
Szybkie ładowanie z mocą do 150 kW: na głównych europejskich szlakach komunikacyjnych
Podczas długich podróży – np. na wyjazdach wakacyjnych – szybkie ładowanie jest fundamentem korzystania z samochodu elektrycznego. By dać kierowcom taką możliwość, Koncern Volkswagen wraz z Audi i Porsche, Grupa BMW, Daimler AG i Ford Motor Company powołały przedsiębiorstwo typu joint venture pod nazwą Ionity. Wydajne kolumny ładujące prądem stałym należące do tej firmy, pozwalają na ładowanie akumulatorów Audi e-tron z mocą do 150 kW. W ten sposób, w czasie krótszym niż 30 minut, nasze auto jest gotowe do pokonania kolejnego, długiego odcinka drogi. Pod koniec roku 2018, w Europie będzie blisko 200 takich stacji ładowania wysokiej mocy (ang. high-power-charging (HPC) station), z których każda będzie dysponowała sześcioma stanowiskami. Do roku 2020 planuje się udostępnienie 400 takich miejsc przy autostradach i głównych szlakach komunikacyjnych. Stacje zlokalizowane będą w odległości 120 km jedna od drugiej.
Sieć HPC i wszyscy uczestniczący w tym przedsięwzięciu producenci samochodów, stosują europejski standard ładowania pojazdów elektrycznych prądem zmiennym (AC) i prądem stałym (DC), czyli combined charging system (CCS). Łączy on siedmiobiegunowe złącze AC z dwubiegunowym złączem DC. Otwartość systemu i jego dostępność w Europie sprawią, że znacznie wzrośnie akceptacja dla pojazdów elektrycznych.
Ładowanie z mocą do 22 kW: przy kolumnach z prądem zmiennym
Oprócz ładowania prądem stałym przy kolumnach DC, Audi e-tron podczas podróży będzie można także ładować prądem zmiennym przy kolumnach AC – standardowo z mocą do 11 kW, opcjonalnie z mocą 22 kW. Ładowanie z mocą 22 kW będzie możliwe, gdy elektryczny SUV będzie wyposażony w opcjonalną, rugą ładowarkę. Do podłączenia do kolumny ładującej służy sześciometrowy kabel ładujący Mode 3, będący elementem wyposażenia standardowego samochodu. Około 95 procent wszystkich punktów ładujących dostępnych w Europie spełnia obecnie ten standard.
Inteligentne planowanie trasy: przy pomocy aplikacji i w samochodzie
Planowanie dłuższej podróży może odbywać się albo w aplikacji myAudi App, albo bezpośrednio w samochodzie. W obu przypadkach kierowca otrzymuje informacje o trasie z zaznaczonymi punktami ładowania koniecznymi do dojechania do celu. Obok stanu akumulatorów, nawigacja uwzględnia przy tym także sytuację na drodze, a czas przeznaczony na ładowanie wlicza do kalkulacji czasu przybycia na miejsce. W planie podróży uwzględnione są wszystkie stacje ładujące prądem stałym i większość stacji ładujących prądem zmiennym na terenie Europy. Funkcja planowania trasy podaje informacje o mocy wyjściowej kolumn, a w przypadku gdy są one odpowiednio skonfigurowane, także o ich aktualnym obłożeniu i ewentualnym wyłączeniu z użytkowania. W czasie jazdy, w Audi virtual cockpit i na górnym wyświetlaczu dotykowym MMI touch response, wyświetlane są szczegółowe informacje dotyczące zasięgu jaki mamy jeszcze do wykorzystania. Planowanie ładowania nieustannie dopasowuje się do warunków. Jeśli przykładowo pojazd nie byłby w stanie dojechać do planowanej stacji szybkiego ładowania DC, to zaproponowany zostanie alternatywny punkt. Równolegle do wskazań w samochodzie, planowanie ładowania przeglądać można w aplikacji myAudi na smartfonie. Podczas aktywnego ładowania aplikacja pokazuje pozostały jeszcze czas procesu i aktualny stan akumulatora. Na życzenie, klient otrzymuje informację, że może kontynuować podróż.
Komfortowo i bezpiecznie: usługa e-tron Charging Service i Plug & Charge
Już w momencie rynkowego debiutu Audi e-tron, usługa e-tron Charging Service da posiadaczom tego modelu dostęp do około 80 procent wszystkich publicznych stacji ładowania w Europie. Nie ważne czy auto ładowane będzie prądem stałym, czy zmiennym, czy z mocą 11 kW, czy 150 kW – wszystko czego potrzebuje klient by rozpocząć proces ładowania to jedna karta RFID. Transmisja danych bazuje tu na technice wykorzystującej fale radiowe do przesyłania danych (ang. Radio Frequency Identification – RFID). Wiele kolumn można włączyć skanując ich kod QR przy pomocy smartfona. Klient musi jednorazowo zarejestrować się w portalu myAudi jako użytkownik usługi i zawrzeć indywidualną umowę dotyczącą ładowania pojazdu. W zależności od kraju, obowiązywać będą różne taryfy uwzględniające dodatkowo potrzeby klientów, np. kwoty energii, czy minut.
Rozliczenie każdego pojedynczego ładowania będzie odbywać się automatycznie, bez potrzeby używania fizycznych środków płatniczych. W portalu myAudi klient będzie mógł w dowolnej chwili sprawdzić swoją historię ładowania oraz ostatnie rozliczenia, a także zarządzać swoją umową. Niezależnie od tego, będzie mógł ładować akumulator auta także przy kolumnach, których nie będzie obejmować portfolio usługi e-tron Charging Service. W takich przypadkach rozliczenia będą odbywać się bezpośrednio z danym dostawcą energii.
Już w roku 2019, ładowanie dla klientów Audi stanie się jeszcze bardziej komfortowe. Wtedy zadebiutuje funkcja Plug & Charge. Dzięki niej, Audi e-tron wykorzystując najnowocześniejsze procedury kryptograficzne, samo dokona autoryzacji przy kolumnie ładującej i włączy ją – karta nie będzie już potrzebna. Warunkiem korzystania z tego rozwiązania będzie ważna umowa ładowania w usłudze e-tron Charging Service. Wszystkie egzemplarze Audi e-tron, które zjadą z taśmy produkcyjnej od połowy 2019 roku, będą fabrycznie wyposażone w tę funkcję. Klient będzie mógł korzystać z usługi Plug & Charge również w domu, w domowym systemie connect. Dodatkowo zbędne stanie się wtedy wprowadzanie PIN-u w celu ochrony przed nieautoryzaowanym użyciem.
W centrum uwagi: ładowanie
Każde ładowanie Audi e-tron rozpoczyna się małym pokazem: po naciśnięciu przycisku, osłona w błotniku po stronie kierowcy wysuwa się elektrycznie w przód i w dół, by dać dostęp do oświetlonego białą diodą gniazdka. Obok niego znajduje się druga dioda, informująca o statusie. Pulsujące zielone światło wizualizuje aktywne ładowanie, a stałe zielone światło zakończenie procesu. Po wyjęciu wtyczki, osłona samoczynnie się zamyka w czasie ok. 5 sekund. Gdy auto wyposażone będzie w opcjonalną, drugą ładowarkę, Audi montować będzie od strony pasażera dodatkowe gniazdko, wyłącznie do ładowania prądem zmiennym.
Zielona energia elektryczna: od produkcji do samochodu
Produkcja Audi e-tron w zakładach w Brukseli będzie neutralna pod względem emisji CO2. Z początkiem roku 2018, belgijska organizacja kontrolna Vinçotte przeprowadziła odpowiednią certyfikację fabryki Audi w Brukseli. Zakłady te pobierają zieloną energię elektryczną już od roku 2012 i dysponują największą instalacją fotowoltaiczną w regionie. Na 37.000 metrach kwadratowych powierzchni dachowej, wytwarzanych jest rocznie trzy tysiące MWh energii elektrycznej – wystarczająco dużo do pełnego naładowania około 33 tysięcy egzemplarzy Audi e-tron. Rocznie, przedsiębiorstwo oszczędza w ten sposób około 17 tysięcy ton CO2. Dodatkowo zakłady Audi w Brukseli redukują emisję dzięki ogrzewaniu fabryki biogazem. Ponad 95 procent zapotrzebowania na energię pokrywa się tu z odnawialnych źródeł energii, co obniża emisję CO2 łącznie nawet o 40 tysięcy ton rocznie.
Sieć Ionity, w której tworzeniu bierze udział Audi, będzie zasilać swoje kolumny szybkiego ładowania w Europie w przeważającej mierze również prądem ekologicznym. Ponadto, w zależności od uwarunkowań lokalnego rynku, Audi we współpracy z miejscowymi dostawcami energii będzie oferować możliwość poboru zielonej energii elektrycznej do ładowania w domu. Jeśli klient na dachu swojego domu będzie posiadał instalację fotowoltaiczną, to będzie mógł ładować swoje Audi e-tron systemem ładowania connect i w połączeniu z kompatybilnym systemem zarządzania energią w gospodarstwie domowym, głównie wytwarzanym przez siebie prądem pozyskiwanym z energii słonecznej.
Pojemny: akumulator litowo-jonowy wysokiego napięcia
Akumulator litowo-jonowy umieszczony w podłodze Audi e-tron magazynuje 95 kWh energii i ma długą żywotność. Elektryczny SUV ma dzięki niemu zasięg ponad 400 km (wg zbliżonego do warunków rzeczywistych cyklu jazdy WLTP). Podczas szybkiego ładowania prądem stałym, zaawansowany system zarządzania ciepłem wytwarzanym przez litowo-jonowy akumulator daje podstawy, by Audi e-tron można było ładować z mocą do 150 kW.
Parametry: energia 95 kWh, 36 modułów, 432 ogniwa litowo-jonowe
Akumulator Audi e-tron o napięciu znamionowym 396 V może zmagazynować 95 kWh energii. Zbudowany jest z 36 modułów ogniw, umieszczonych w kwadratowej, aluminiowej obudowie. Każdy z modułów ma wielkość pudełka do butów i składa się z 12 ogniw typu pouch otoczonych elastyczną osłoną zewnętrzną z tworzywa sztucznego pokrytego aluminium. Gwarantuje ona długą żywotność akumulatora oraz wysoką gęstość energii i mocy. Ponadto dzięki szerokiemu zaresowi temperatury i stanu naładowania, ogniwa mogą nieustannie i w sposób powtarzalny oddawać i pobierać prąd. Można je tak ciasno upakować, by jak najlepiej wykorzystać przestrzeń dostępną w układzie akumulatora wysokiego napięcia. W przyszłości, również w myśl strategii dywersyfikacji dostawców, Audi w swojej koncepcji modułowej będzie stosowało równolegle ogniwa pryzmatyczne, równorzędne obecnym pod względem technicznym.
Kompaktowy blok: zespół akumulatora i zarządzanie nim
Zespół akumulatora tworzy płaski szeroki blok umieszczony pod przedziałem pasażerskim, między osiami, w miejscu idealnym pod względem lokalizacji środka ciężkości. Zespół ma mniej więcej wielkość podwójnego łóżka: 2,28 m długości, 1,63 m szerokości i 34 cm wysokości. Nad tylnym obszarem pierwszego poziomu, tzw. first floor, znajduje się drugi, mniejszy poziom z modułami ogniw. Jest on umiejscowiony pod tylną kanapą Audi e-tron. Łączna masa układu, wraz ze skrzynią obudowy wykonaną ze złożonych struktur odpornych na uderzenie, wynosi około 700 kg.
Zarządzanie wszystkimi ważnymi parametrami akumulatora – stanem naładowania, mocą efektywną i zarządzaniem temperaturą – odbywa się z poziomu zewnętrznego urządzenia kontrolnego, tzw. kontrolera zarządzania akumulatorem (ang. battery management controler – BMC). Zamontowano go w przedziale pasażerskim, przy prawym słupku A Audi e-tron. Kontroler zarządzania akumulatorem BMC komunikuje się zarówno ze sterownikami obu silników elektrycznych, jak i z kontrolerami modułów ogniw (CMC), z których każdy czuwa nad przepływami, napięciem i temperaturą modułów.
Tzw. battery junction box (BJB) – skrzynka przyłączeniowa akumulatora, w której znajdują się przekaźnik i bezpieczniki wysokiego napięcia, to elektryczny interfejs pojazdu. BJB umieszczono w przedniej części układu akumulatorów, a jego obudowa wykonana jest z odlwanego ciśnieniowo aluminium. Wymiana danych między kontrolerami modułów ogniw (CMC), skrzynką przyłączeniową akumulatora BJB i kontrolerem zarządzania akumulatorem BMC, odbywa się przez oddzielny system danych.
Układ zarządzania temperaturą Audi e-tron obejmuje cztery obiegi, które zależnie od potrzeb, np. by ogrzać lub wychłodzić wnętrze pojazdu czy elektryczne silniki, łączą się ze sobą na różne sposoby. Mogą one też funkcjonować jako wysoce wydajna pompa ciepła. Oprócz akumulatora obsługują silniki elektryczne, wysokiej wydajności elektronikę oraz system ładowania. Dzięki inteligentnemu zarządzaniu temperaturą, we wszystkich sytuacjach, począwszy od startu na zimno zimą, aż po szybką jazdę na autostradzie w upalne letnie dni, akumulator pracuje w swoim optymalnym zakresie wydajności od 25 do 35°C, co zwiększa jego żywotność.
Dla kierowcy Audi e-tron, wydajne zarządzanie temperaturą niesie ze sobą wiele korzyści. Wydajność nie spada nawet w sytuacjach, w których kierowca wiele razy pod rząd zwiększa obciążenie. Ponadto użytkownik może naładować akumulator prądem stałym z mocą do 150 kW, przy nowych kolumnach szybkiego ładowania sieci Ionity. Chłodziwo odprowadza ciepło powstające w wyniku strat energii elektrycznej. Jeśli akumulator podczas ładowania zimą jest jeszcze zimny, to zostanie ogrzany ciepłym chłodziwem.
W celu możliwie szybkiego ładowania i ochrony akumulatora wysokiego napięcia, Audi e-tron komunikuje się podczas ładowania z kolumną ładującą sieci Ionity. Chłodzony jest także kabel kolumny. Jeśli akumulator po dotarciu pojazdu do celu jest prawie rozładowany, to dzięki ładowaniu 150 kW, w optymalnych warunkach można go naładować ponownie (do ok. 80 procent stanu) w niespełna 30 minut. Po przekroczeniu tej wartości ładowanie zwalnia, w celu ochrony akumulatora litowo-jonowego i zachowania jego żywotności.
Wyjątkowo wydajny: układ chłodzenia
Układ chłodzenia akumulatora zamontowano na jego obudowie, pod komorą z ogniwami. Układ składa się z płaskich, wytłaczanych profili aluminiowych podzielonych na małe komory, tzw. mikroporty. Nowo opracowany klej przewodzący ciepło łączy jednostkę chłodzącą z obudową akumulatora. Prawidłowy styk między modułami ogniw, a obudową, gwarantuje z kolei tzw. gapfiller/uszczelniacz – żel, który także przewodzi ciepło i jest wtryskiwany pod każdy moduł ogniw. W tym wyjątkowo wydajnym rozwiązaniu, to właśnie żel równomiernie odprowadza ciepło oddawane przez ogniwa, przez obudowę akumulatora wprost do chłodziwa.
Konstrując obudowę układu akumulatorów, inżynierowie maksymalny nacisk położyli na bezpieczeństwo. Mocna rama okalająca całość składa się z wytłaczanych profili i z odlewanych węzłów. Szkieletowa struktura, zbudowana również z wytłaczanych profili, dzieli wnętrze obudowy niczym skrzynkę z przegródkami – każdy moduł znajduje się w osobnej przegródce. Masywna aluminiowa płyta chroni akumulator przed uszkodzeniami od dołu, np. spowodowanych uderzeniem kamienia czy zbyt wysokim krawężnikiem.
Wzmocnienie karoserii: obudowa akumulatora
Aluminiowa obudowa akumulatora wykonana wg. założeń Audi Space Frame, w 47 procentach składa się z wytłaczanych aluminiowych profili, w 36 procentach z aluminiowych blach i w 17 procentach z aluminiowych komponentów odlewanych metodą ciśnieniową. 35 śrub łączy ją na sztywno z karoserią. Dzięki temu, sztywność skrętna nadwozia wzrasta o 27 procent, co również - podobnie jak układ chłodzenia przyklejony od zewnątrz do obudowy akumulatora - przyczynia się do wysokiego poziomu bezpieczeństwa w Audi e-tron.
Montaż układu akumulatorów odbywa się w zakładach Audi w Brukseli. Producent opracował w tym celu wiele nowych technologii produkcji, od zautomatyzowanego umieszczania ogniw w oprawach, aż po wtryskiwanie uszczelnienia – tzw. gapfillera. Akumulator, by przeprowadzić jego konserwację lub naprawę, można bez problemu odłączyć od pojazdu. Skrzynka z bezpiecznikami jest podłączona przy pomocy bezpośredniego złącza wtykowego, a centralny sterownik jest łatwo dostępny.
Szeroka wiedza i doświadczenie: rozwijanie techniki akumulatorów w Audi
Audi posiada ogromną wiedzę i doświadczenie w zakresie technik akumulatorów wysokiego napięcia. W stworzonym pod tym kątem centrum kompetencyjnym Audi koło Ingolstadt, nad akumulatorami trakcyjnymi pracuje wielu specjalistów. Niezależnie od tego, czy są projektowane dla modeli hybrydowych typu plug-in, czy dla samochodów czysto elektrycznych, akumulatory konstruowane są wg spójnej koncepcji modułowej. Gwarantuje to Audi maksymalną elastyczność, tak by firma mogła szybko reagować na zmiany zachodzące na rynku.
W centrum kompetencyjnym akumulatorów główny nacisk kładzie się na rozwijanie kompletnych systemów – ich konstrukcji, chłodzenia, zabezpieczenia i montażu w samochodzie. Najważniejszymi zagadnieniami są w tym przypadku sztywność układu, jego zachowanie w razie wypadku i kompatybilność elektromagnetyczna (EMV). Stąd centrum wyposażone jest w stanowiska kontrolne i własną halę służącą do pomiaru kompatybilności elektromagnetycznej.
Słownik techniczny – ładowanie
Prąd zmienny
Prąd zmienny (ang. alternating current – AC) pochodzi z konwencjonalnych gniazdek z uziemieniem stosowanych w gospodarstwach domowych, stale dostarczająch prąd o natężeniu 10, a okresowo o natężeniu 16 amperów. Przy napięciu 230 V, moc wyjściowa jest tu ograniczona odpowiednio do 2,3 lub 3,6 kW. W przewodach sieci prądu zmiennego, elektrony nieustannie zmieniają kierunek ruchu z częstotliwością 50 Hz – czyli 50 razy na sekundę. Ich ruch tam i z powrotem określany jest mianem fazy. Prąd zmienny o napięciu 230 V to prąd jednofazowy.
Prąd trójfazowy
Prąd trójfazowy to prąd zmienny o trzech fazach, które są przesunięte względem siebie o 120 stopni. Pozwala to na nieustanne przekazywanie mocy i powstawanie silnych pól wirujących. Na całym świecie dostawcy energii elektrycznej zasilają swoje sieci prądem trójfazowym, ponieważ można go łatwo przemieniać. W gospodarstwach domowych większe odbiorniki, takie jak kuchnie elektryczne, są podłączane do czerwonych gniazdek pięciobiegunowych pod napięciem 400 V. Natężenie prądu wynosi przynajmniej 16 lub 32 ampery, a odpowiednia moc wyjściowa – 11 lub 22 kW.
Prąd stały
W przypadku prądu stałego (ang. direct current, DC) prąd elektryczny płynie zawsze od bieguna dodatniego do ujemnego bez zmiany polaryzacji. Akumulatory i baterie, np. w telefonach komórkowych dostarczają prąd stały. Urządzenia elektroniczne, takie jak telewizory, mogące posiadać wbudowane przetworniki napięcia, zasilane są właśnie prądem stałym. Ponadto prąd stały umożliwia przekazywanie z małymi stratami bardzo wysokich mocy na długich odcinkach. Również akumulator litowo-jonowy w Audi e-tron podczas pobierania z niego energii dostarcza prąd stały i takiego samego prądu wymaga do ładowania.
Ładowanie AC
Bez znaczenia, czy następuje w domu, czy przy kolumnie ładującej – podczas ładowania samochodu elektrycznego prądem zmiennym przy pomocy najbardziej powszechnej w Europie wtyczki typu 2, moc wyjsciowa jest ograniczona zazwyczaj do 22 kW, a w niektórych przypadkach do 43 kW. Czynnikiem ograniczającym w samochodzie jest również sama ładowarka AC. Prostownik, który na potrzeby akumulatora przemienia prąd trójfazowy w prąd stały, może przetwarzać tylko określoną moc, mierzoną w kW. Im więcej mocy przetwarza prostownik, tym więcej oddaje ciepła, co pogarsza sprawność. W celu utrzymania tak powstałych strat energii elektrycznej na możliwie niskim poziomie, ładowarka prądem trójfazowym w Audi e-tron jest zintegrowana z niskotemperaturowym obiegiem chłodzącym.
Ładowanie DC
Podczas ładowania prądem stałym DC, ładowarka prądu zmiennego AC pozostaje obojętna: prąd płynie z ładowarki DC w kolumnie ładowania przez wtyczkę europejskiego standardu ładowania (ang. combined charging system – CCS), bezpośrednio do akumulatora. Umożliwia to uzyskanie wysokich mocy, jednak w wyniku oporów wewnętrznych w akumulatorze powstaje przy tym ciepło. Audi chłodzi akumulator wysokiego napięcia podczas ładowania i dzięki temu, w kolumnie szybkiego ładowania DC, np. należącej do sieci Ionity, osiąga moc ładowania do 150 kW. W przypadku każdego akumulatora litowo-jonowego, szybkość ładowania wyraźnie spada po osiągnięciu poziomu 80 procent naładowania. W przypadku szybkiego ładowania prądem stałym, mówi się także o tzw. ładowaniu wysokiej mocy (ang. high power charging – HPC).
Wysokiej mocy elektronika
Wysokiej mocy akumulator dostarcza prąd stały, a silniki elektryczne korzystają z prądu trójfazowego – dlatego każdy silnik elektryczny jest sprzężony z wysokiej mocy modułem elektronicznym przemieniającym prąd. Wysokiej mocy moduły elektroniczne obu silników Audi e-tron są bardzo kompaktowe: mają pojemność 5,5 l i masę 8 kg każdy. Oba wyposażono w procesor regulujący pracę silnika elektrycznego. Oba są również zintegrowane z systemem zarządzania temperaturą silników elektrycznych. Procesory pracują z wysoką dynamiką: 10 tysięcy razy na sekundę wczytują dane z czujników i obliczają wartości prądu dla silników elektrycznych.
Silnik asynchroniczny
Silnik asynchroniczny na prąd trójfazowy składa się z dwóch dużych części – zewnętrznego, zamocowanego na stałe stojana i znajdującego się w nim wirnika. Stojan jest laminowanym rdzeniem, w którym ułożone są w cewki z drutu miedzianego – zazwyczaj w trzech zwojach, do których podłączane są trzy fazy prądu trójfazowego. Jeśli przyłożone jest do nich napięcie, to powstaje pole magnetyczne (pole wirujące). Porusza się ono po okręgu i indukuje kolejne pole magnetyczne w ramionach wirnika. Wirnik jest uruchamiany polem, jednak z niewielką różnicą prędkości, czyli asynchronicznie. Jeśli wirnik obraca się wolniej niż pole wirujące, to silnik elektryczny pracuje w pojeździe jako silnik napędowy. W odwrotnym przypadku staje się generatorem i przemienia energię kinetyczną w elektryczną.
Pompa ciepła
Pompa ciepła może bardzo wydajnie ogrzewać i chłodzić, pobierając ciepło z otoczenia. W Audi e-tron wykorzystuje ciepło oddawane przez komponenty elektryczne i może przesyłać dalej nawet 3 kW ciepła. Pompa ciepła nie jest osobnym podzespołem, ale raczej zależnym od zapotrzebowania połączeniem obiegu płynu chłodzącego i obwodu chłodzenia niskotemperaturowego.
Zasadniczo ładowanie Audi e-tron będzie się odbywało przede wszystkim w domu. Przygotowanie do pojedynczego cyklu ładowania zajmie posiadaczowi samochodu tylko kilka sekund – czas, w którym będzie podłączał i odłączał kabel. W większości przypadków, elektryczny SUV będzie ładowany nocą. Następnego ranka będzie mógł swobodnie ruszyć z pełnym akumulatorem i z zasięgiem ponad 400 km (wg założeń cyklu jazdy WLTP).
Dla potrzeb ładowania w domu, Audi oferuje różne rozwiązania: standardowy system ładowania compact pozwala na ładowanie z mocą wyjściową do 11 kW. Opcjonalny system ładowania connect podwaja moc ładowania do 22 kW, ale jest to możliwe tylko w wypadku, w którym Audi e-tron jest wyposażone w drugą ładowarkę. System ładowania połączony z systemem zarządzania energią w domu oferuje również inteligentne funkcje ładowania.
Jeśli klient kupując Audi e-tron zapragnie sprawdzić, jakie możliwości ładowania posiada we własnym garażu, to na stronie internetowej Audi może przeprowadzić odpowiedni test sprawdzający: e-tron Pre-check. Pozwala on na wstępną ocenę, czy domowa instalacja elektryczna nadaje się do ładowania i jak jej wydolność będzie wpływać na proces ładowania Audi e-tron, zwłaszcza pod względem czasowym. Ponadto klient, przy pomocy testu sprawdzającego home-check, może uzyskać wiele innych informacji: miejscowy salon sprzedaży Audi, korzystając z dużej bazy poleci odpowiedniego elektryka, który sprawdzi możliwości ładowania w domu klienta i na życzenie zainstaluje odpowiednie urządzenia. W Niemczech, i w kilku innych krajach europejskich, moc domowej instalacji elektrycznej zasadniczo wystarcza potrzebom trójfazowego prądu zmiennego o napięciu 400 V i mocy 11 lub 22 kW.
Standard: system ładowania compact
Mobilny system ładowania compact to element wyposażenia standardowego Audi e-tron. Można go używać korzystając bezpośrednio z gniazdka elektrycznego, bez konieczności instalowania czegokolwiek przez elektryka. Na jego wyposażeniu są dwa różne kable sieciowe – jeden do gniazda o napięciu 230 V z mocą ładowania do 2,3 kW, drugi do gniazda trójfazowego o napięciu 400 V z mocą ładowania do 11 kW. Korzystanie z tego drugiego rodzaju gniazdka gwarantuje, że akumulator Audi e-tron będzie ponownie w pełni naładowany po ok. ośmiu i pół godzinach. Kabel ma długość 4,5 m i posiada moduł z diodami kontrolnymi informujący o statusie ładowania. Na życzenie, Audi dostarcza uchwyt montażowy na ścianę w garażu, tzw. klips do ładowania. Można w niego łatwo wpiąć moduł z diodami kontrolnymi.
Inteligentna opcja: system ładowania connect
Inną propozycją Audi jest opcjonalny system ładowania connect. Pozwala on na ładowanie z mocą do 22 kW. Pełne ładowanie trwa tu tylko cztery i pół godziny. Dla tego cyklu konieczna jest jednak druga pokładowa ładowarka, która w wyposażeniu pojawi się w roku 2019, jako element dostępny opcjonalnie. Kabel prowadzący od wyświetlacza dotykowego systemu ładowania connect standardowo ma długość 2,5 m, a na życzenie 7,5 m. Zamykany klips jest elementem wyposażenia standardowego. System ładowania można chronić przed nieautoryzowanym użyciem przy pomocy kodu PIN. Rozwiązanie to zaleca się np. w przypadku ładowania pod wiatą garażową.
Korzystając z systemu connect, można ładować Audi e-tron z najwyższą wydajnością możliwą w danym czasie do uzyskania przez domowy system elektryczny i przez sam samochód. Pojazd uwzględnia przy tym zapotrzebowanie innych odbiorników w gospodarstwie domowym oraz unika przeciążania instalacji domowej i wynikającego z tego „wyskoczenia” bezpieczników. Warunkiem jest posiadanie kompatybilnego systemu zarządzania energią w gospodarstwie domowym (HEMS), z którym system ładowania łączy się za pośrednictwem domowej sieci Wi-Fi. W tym zakresie Audi współpracuje z dwiema firmami partnerskimi: SMA Solar Technology i Hager Group.
We współpracy z systemem ładowania connect i odpowiednio wyposażonym systemem zarządzania energią w gospodarstwie domowym (HEMS), Audi e-tron potrafi także wykorzystywać różne taryfy poboru energii elektrycznej. Może ładować akumulator w porach korzystniejszych cenowo, uwzględniając przy tym poziom naładowania akumulatora, czy potrzeby komunikacyjne swego właściciela np. zaplanowany czasu wyjazdu. System ładowania connect pobiera wtedy konieczne informacje o taryfach zakupu energii elektrycznej albo z systemu zarządzania energią w gospodarstwie domowym (HEMS) albo z indywidualnych informacji zapisanych przez klienta w portalu myAudi. Jeśli gospodarstwo domowe posiada instalację fotowoltaiczną, to klient może tak zoptymalizować ładowanie, by Audi e-tron preferowało ładowanie energią elektryczną własnej produkcji. W tym procesie elektryczny SUV uwzględnia informacje o prognozowanych fazach operowania światła słonecznego i informacje o natężeniu prądu elektrycznego w miejscu podłączenia do sieci publicznej.
Ponadto klient korzystający z systemu ładowania connect może sprawdzać w portalu myAudi i w aplikacji myAudi swoją indywidualną statystykę oraz przebieg cykli. Oprócz czasu ładowania i zgromadzonej w akumulatorze ilości energii elektrycznej, można w ten sposób także szczegółowo zapoznać się z każdorazowymi kosztami ładowania. Przy wsparciu systemu zarządzania energią w gospodarstwie domowym (HEMS), system ładowania connect rejestruje również, ile prądu wytwarzanego przez domową instalację fotowoltaiczną zużywa samochód. Dane są zapisywane na zabezpieczonym serwerze, można je interpretować i eksportować. Komunikacja z systemem ładowania connect odbywa się przez sieć domową klienta i przez internet.
Zdalne sterowanie przy pomocy aplikacji: ładowanie, ogrzewanie i chłodzenie
Aplikacja myAudi zainstalowana na smartfonie właściciela pozwala obsługiwać system bez potrzeby ruszania się z kanapy. W ten sposób można planować ładowanie, chłodzenie lub ogrzewanie wnętrza Audi e-tron, zdalnie nimi sterować i je monitorować – zupełnie jakby w danej chwili właściciel siedział w samochodzie. Można np. stworzyć harmonogram z godzinami wyjazdów, dzięki czemu Audi e-tron będzie o określonej godzinie naładowane i/lub ogrzane lub schłodzone przy pomocy systemu klimatyzacji. Klient ma przy tym możliwość wybrania w samochodzie stref, które przede wszystkim mają zostać objęte ogrzewaniem luch chłodzeniem. Na przykład w chłodne zimowe dni może włączyć ogrzewanie siedzeń czy kierownicy. Dodatkowo aplikacja pokazuje dane dotyczące ładowania i jazdy. Komunikacja z pojazdem odbywa się przez zintegrowany moduł LTE, który w przypadku Audi e-tron jest elementem wyposażenia standardowego.
W drodze: ładowanie prądem stałym i zmiennym
Użytkownik ładujący swoje Audi e-tron przez noc w domu i startujący następnego ranka z całkowicie naładowanym akumulatorem, podczas codziennego użytkowania nie musi zatrzymywać się przy kolumnie ładującej. Zasięg ponad 400 km mierzony w cyklu WLTP zbliżonym do warunków rzeczywistej jazdy, umożliwia czysto elektryczną jazdę bez potrzeby zawierania jakichkolwiek kompromisów. W przypadku dalszych podróży po Europie, do dyspozycji kierowców jest ponad 65 tysięcy publicznych stacji ładujących, w których można naładować Audi e-tron prądem stałym (DC) i prądem zmiennym (AC). Ich liczba w kolejnych latach znacznie wzrośnie. Wdrażając inteligentne rozwiązania, Audi dba o to, by ładowanie przebiegało w prosty i szybki sposób.
Szybkie ładowanie z mocą do 150 kW: na głównych europejskich szlakach komunikacyjnych
Podczas długich podróży – np. na wyjazdach wakacyjnych – szybkie ładowanie jest fundamentem korzystania z samochodu elektrycznego. By dać kierowcom taką możliwość, Koncern Volkswagen wraz z Audi i Porsche, Grupa BMW, Daimler AG i Ford Motor Company powołały przedsiębiorstwo typu joint venture pod nazwą Ionity. Wydajne kolumny ładujące prądem stałym należące do tej firmy, pozwalają na ładowanie akumulatorów Audi e-tron z mocą do 150 kW. W ten sposób, w czasie krótszym niż 30 minut, nasze auto jest gotowe do pokonania kolejnego, długiego odcinka drogi. Pod koniec roku 2018, w Europie będzie blisko 200 takich stacji ładowania wysokiej mocy (ang. high-power-charging (HPC) station), z których każda będzie dysponowała sześcioma stanowiskami. Do roku 2020 planuje się udostępnienie 400 takich miejsc przy autostradach i głównych szlakach komunikacyjnych. Stacje zlokalizowane będą w odległości 120 km jedna od drugiej.
Sieć HPC i wszyscy uczestniczący w tym przedsięwzięciu producenci samochodów, stosują europejski standard ładowania pojazdów elektrycznych prądem zmiennym (AC) i prądem stałym (DC), czyli combined charging system (CCS). Łączy on siedmiobiegunowe złącze AC z dwubiegunowym złączem DC. Otwartość systemu i jego dostępność w Europie sprawią, że znacznie wzrośnie akceptacja dla pojazdów elektrycznych.
Ładowanie z mocą do 22 kW: przy kolumnach z prądem zmiennym
Oprócz ładowania prądem stałym przy kolumnach DC, Audi e-tron podczas podróży będzie można także ładować prądem zmiennym przy kolumnach AC – standardowo z mocą do 11 kW, opcjonalnie z mocą 22 kW. Ładowanie z mocą 22 kW będzie możliwe, gdy elektryczny SUV będzie wyposażony w opcjonalną, rugą ładowarkę. Do podłączenia do kolumny ładującej służy sześciometrowy kabel ładujący Mode 3, będący elementem wyposażenia standardowego samochodu. Około 95 procent wszystkich punktów ładujących dostępnych w Europie spełnia obecnie ten standard.
Inteligentne planowanie trasy: przy pomocy aplikacji i w samochodzie
Planowanie dłuższej podróży może odbywać się albo w aplikacji myAudi App, albo bezpośrednio w samochodzie. W obu przypadkach kierowca otrzymuje informacje o trasie z zaznaczonymi punktami ładowania koniecznymi do dojechania do celu. Obok stanu akumulatorów, nawigacja uwzględnia przy tym także sytuację na drodze, a czas przeznaczony na ładowanie wlicza do kalkulacji czasu przybycia na miejsce. W planie podróży uwzględnione są wszystkie stacje ładujące prądem stałym i większość stacji ładujących prądem zmiennym na terenie Europy. Funkcja planowania trasy podaje informacje o mocy wyjściowej kolumn, a w przypadku gdy są one odpowiednio skonfigurowane, także o ich aktualnym obłożeniu i ewentualnym wyłączeniu z użytkowania. W czasie jazdy, w Audi virtual cockpit i na górnym wyświetlaczu dotykowym MMI touch response, wyświetlane są szczegółowe informacje dotyczące zasięgu jaki mamy jeszcze do wykorzystania. Planowanie ładowania nieustannie dopasowuje się do warunków. Jeśli przykładowo pojazd nie byłby w stanie dojechać do planowanej stacji szybkiego ładowania DC, to zaproponowany zostanie alternatywny punkt. Równolegle do wskazań w samochodzie, planowanie ładowania przeglądać można w aplikacji myAudi na smartfonie. Podczas aktywnego ładowania aplikacja pokazuje pozostały jeszcze czas procesu i aktualny stan akumulatora. Na życzenie, klient otrzymuje informację, że może kontynuować podróż.
Komfortowo i bezpiecznie: usługa e-tron Charging Service i Plug & Charge
Już w momencie rynkowego debiutu Audi e-tron, usługa e-tron Charging Service da posiadaczom tego modelu dostęp do około 80 procent wszystkich publicznych stacji ładowania w Europie. Nie ważne czy auto ładowane będzie prądem stałym, czy zmiennym, czy z mocą 11 kW, czy 150 kW – wszystko czego potrzebuje klient by rozpocząć proces ładowania to jedna karta RFID. Transmisja danych bazuje tu na technice wykorzystującej fale radiowe do przesyłania danych (ang. Radio Frequency Identification – RFID). Wiele kolumn można włączyć skanując ich kod QR przy pomocy smartfona. Klient musi jednorazowo zarejestrować się w portalu myAudi jako użytkownik usługi i zawrzeć indywidualną umowę dotyczącą ładowania pojazdu. W zależności od kraju, obowiązywać będą różne taryfy uwzględniające dodatkowo potrzeby klientów, np. kwoty energii, czy minut.
Rozliczenie każdego pojedynczego ładowania będzie odbywać się automatycznie, bez potrzeby używania fizycznych środków płatniczych. W portalu myAudi klient będzie mógł w dowolnej chwili sprawdzić swoją historię ładowania oraz ostatnie rozliczenia, a także zarządzać swoją umową. Niezależnie od tego, będzie mógł ładować akumulator auta także przy kolumnach, których nie będzie obejmować portfolio usługi e-tron Charging Service. W takich przypadkach rozliczenia będą odbywać się bezpośrednio z danym dostawcą energii.
Już w roku 2019, ładowanie dla klientów Audi stanie się jeszcze bardziej komfortowe. Wtedy zadebiutuje funkcja Plug & Charge. Dzięki niej, Audi e-tron wykorzystując najnowocześniejsze procedury kryptograficzne, samo dokona autoryzacji przy kolumnie ładującej i włączy ją – karta nie będzie już potrzebna. Warunkiem korzystania z tego rozwiązania będzie ważna umowa ładowania w usłudze e-tron Charging Service. Wszystkie egzemplarze Audi e-tron, które zjadą z taśmy produkcyjnej od połowy 2019 roku, będą fabrycznie wyposażone w tę funkcję. Klient będzie mógł korzystać z usługi Plug & Charge również w domu, w domowym systemie connect. Dodatkowo zbędne stanie się wtedy wprowadzanie PIN-u w celu ochrony przed nieautoryzaowanym użyciem.
W centrum uwagi: ładowanie
Każde ładowanie Audi e-tron rozpoczyna się małym pokazem: po naciśnięciu przycisku, osłona w błotniku po stronie kierowcy wysuwa się elektrycznie w przód i w dół, by dać dostęp do oświetlonego białą diodą gniazdka. Obok niego znajduje się druga dioda, informująca o statusie. Pulsujące zielone światło wizualizuje aktywne ładowanie, a stałe zielone światło zakończenie procesu. Po wyjęciu wtyczki, osłona samoczynnie się zamyka w czasie ok. 5 sekund. Gdy auto wyposażone będzie w opcjonalną, drugą ładowarkę, Audi montować będzie od strony pasażera dodatkowe gniazdko, wyłącznie do ładowania prądem zmiennym.
Zielona energia elektryczna: od produkcji do samochodu
Produkcja Audi e-tron w zakładach w Brukseli będzie neutralna pod względem emisji CO2. Z początkiem roku 2018, belgijska organizacja kontrolna Vinçotte przeprowadziła odpowiednią certyfikację fabryki Audi w Brukseli. Zakłady te pobierają zieloną energię elektryczną już od roku 2012 i dysponują największą instalacją fotowoltaiczną w regionie. Na 37.000 metrach kwadratowych powierzchni dachowej, wytwarzanych jest rocznie trzy tysiące MWh energii elektrycznej – wystarczająco dużo do pełnego naładowania około 33 tysięcy egzemplarzy Audi e-tron. Rocznie, przedsiębiorstwo oszczędza w ten sposób około 17 tysięcy ton CO2. Dodatkowo zakłady Audi w Brukseli redukują emisję dzięki ogrzewaniu fabryki biogazem. Ponad 95 procent zapotrzebowania na energię pokrywa się tu z odnawialnych źródeł energii, co obniża emisję CO2 łącznie nawet o 40 tysięcy ton rocznie.
Sieć Ionity, w której tworzeniu bierze udział Audi, będzie zasilać swoje kolumny szybkiego ładowania w Europie w przeważającej mierze również prądem ekologicznym. Ponadto, w zależności od uwarunkowań lokalnego rynku, Audi we współpracy z miejscowymi dostawcami energii będzie oferować możliwość poboru zielonej energii elektrycznej do ładowania w domu. Jeśli klient na dachu swojego domu będzie posiadał instalację fotowoltaiczną, to będzie mógł ładować swoje Audi e-tron systemem ładowania connect i w połączeniu z kompatybilnym systemem zarządzania energią w gospodarstwie domowym, głównie wytwarzanym przez siebie prądem pozyskiwanym z energii słonecznej.
Pojemny: akumulator litowo-jonowy wysokiego napięcia
Akumulator litowo-jonowy umieszczony w podłodze Audi e-tron magazynuje 95 kWh energii i ma długą żywotność. Elektryczny SUV ma dzięki niemu zasięg ponad 400 km (wg zbliżonego do warunków rzeczywistych cyklu jazdy WLTP). Podczas szybkiego ładowania prądem stałym, zaawansowany system zarządzania ciepłem wytwarzanym przez litowo-jonowy akumulator daje podstawy, by Audi e-tron można było ładować z mocą do 150 kW.
Parametry: energia 95 kWh, 36 modułów, 432 ogniwa litowo-jonowe
Akumulator Audi e-tron o napięciu znamionowym 396 V może zmagazynować 95 kWh energii. Zbudowany jest z 36 modułów ogniw, umieszczonych w kwadratowej, aluminiowej obudowie. Każdy z modułów ma wielkość pudełka do butów i składa się z 12 ogniw typu pouch otoczonych elastyczną osłoną zewnętrzną z tworzywa sztucznego pokrytego aluminium. Gwarantuje ona długą żywotność akumulatora oraz wysoką gęstość energii i mocy. Ponadto dzięki szerokiemu zaresowi temperatury i stanu naładowania, ogniwa mogą nieustannie i w sposób powtarzalny oddawać i pobierać prąd. Można je tak ciasno upakować, by jak najlepiej wykorzystać przestrzeń dostępną w układzie akumulatora wysokiego napięcia. W przyszłości, również w myśl strategii dywersyfikacji dostawców, Audi w swojej koncepcji modułowej będzie stosowało równolegle ogniwa pryzmatyczne, równorzędne obecnym pod względem technicznym.
Kompaktowy blok: zespół akumulatora i zarządzanie nim
Zespół akumulatora tworzy płaski szeroki blok umieszczony pod przedziałem pasażerskim, między osiami, w miejscu idealnym pod względem lokalizacji środka ciężkości. Zespół ma mniej więcej wielkość podwójnego łóżka: 2,28 m długości, 1,63 m szerokości i 34 cm wysokości. Nad tylnym obszarem pierwszego poziomu, tzw. first floor, znajduje się drugi, mniejszy poziom z modułami ogniw. Jest on umiejscowiony pod tylną kanapą Audi e-tron. Łączna masa układu, wraz ze skrzynią obudowy wykonaną ze złożonych struktur odpornych na uderzenie, wynosi około 700 kg.
Zarządzanie wszystkimi ważnymi parametrami akumulatora – stanem naładowania, mocą efektywną i zarządzaniem temperaturą – odbywa się z poziomu zewnętrznego urządzenia kontrolnego, tzw. kontrolera zarządzania akumulatorem (ang. battery management controler – BMC). Zamontowano go w przedziale pasażerskim, przy prawym słupku A Audi e-tron. Kontroler zarządzania akumulatorem BMC komunikuje się zarówno ze sterownikami obu silników elektrycznych, jak i z kontrolerami modułów ogniw (CMC), z których każdy czuwa nad przepływami, napięciem i temperaturą modułów.
Tzw. battery junction box (BJB) – skrzynka przyłączeniowa akumulatora, w której znajdują się przekaźnik i bezpieczniki wysokiego napięcia, to elektryczny interfejs pojazdu. BJB umieszczono w przedniej części układu akumulatorów, a jego obudowa wykonana jest z odlwanego ciśnieniowo aluminium. Wymiana danych między kontrolerami modułów ogniw (CMC), skrzynką przyłączeniową akumulatora BJB i kontrolerem zarządzania akumulatorem BMC, odbywa się przez oddzielny system danych.
Układ zarządzania temperaturą Audi e-tron obejmuje cztery obiegi, które zależnie od potrzeb, np. by ogrzać lub wychłodzić wnętrze pojazdu czy elektryczne silniki, łączą się ze sobą na różne sposoby. Mogą one też funkcjonować jako wysoce wydajna pompa ciepła. Oprócz akumulatora obsługują silniki elektryczne, wysokiej wydajności elektronikę oraz system ładowania. Dzięki inteligentnemu zarządzaniu temperaturą, we wszystkich sytuacjach, począwszy od startu na zimno zimą, aż po szybką jazdę na autostradzie w upalne letnie dni, akumulator pracuje w swoim optymalnym zakresie wydajności od 25 do 35°C, co zwiększa jego żywotność.
Dla kierowcy Audi e-tron, wydajne zarządzanie temperaturą niesie ze sobą wiele korzyści. Wydajność nie spada nawet w sytuacjach, w których kierowca wiele razy pod rząd zwiększa obciążenie. Ponadto użytkownik może naładować akumulator prądem stałym z mocą do 150 kW, przy nowych kolumnach szybkiego ładowania sieci Ionity. Chłodziwo odprowadza ciepło powstające w wyniku strat energii elektrycznej. Jeśli akumulator podczas ładowania zimą jest jeszcze zimny, to zostanie ogrzany ciepłym chłodziwem.
W celu możliwie szybkiego ładowania i ochrony akumulatora wysokiego napięcia, Audi e-tron komunikuje się podczas ładowania z kolumną ładującą sieci Ionity. Chłodzony jest także kabel kolumny. Jeśli akumulator po dotarciu pojazdu do celu jest prawie rozładowany, to dzięki ładowaniu 150 kW, w optymalnych warunkach można go naładować ponownie (do ok. 80 procent stanu) w niespełna 30 minut. Po przekroczeniu tej wartości ładowanie zwalnia, w celu ochrony akumulatora litowo-jonowego i zachowania jego żywotności.
Wyjątkowo wydajny: układ chłodzenia
Układ chłodzenia akumulatora zamontowano na jego obudowie, pod komorą z ogniwami. Układ składa się z płaskich, wytłaczanych profili aluminiowych podzielonych na małe komory, tzw. mikroporty. Nowo opracowany klej przewodzący ciepło łączy jednostkę chłodzącą z obudową akumulatora. Prawidłowy styk między modułami ogniw, a obudową, gwarantuje z kolei tzw. gapfiller/uszczelniacz – żel, który także przewodzi ciepło i jest wtryskiwany pod każdy moduł ogniw. W tym wyjątkowo wydajnym rozwiązaniu, to właśnie żel równomiernie odprowadza ciepło oddawane przez ogniwa, przez obudowę akumulatora wprost do chłodziwa.
Konstrując obudowę układu akumulatorów, inżynierowie maksymalny nacisk położyli na bezpieczeństwo. Mocna rama okalająca całość składa się z wytłaczanych profili i z odlewanych węzłów. Szkieletowa struktura, zbudowana również z wytłaczanych profili, dzieli wnętrze obudowy niczym skrzynkę z przegródkami – każdy moduł znajduje się w osobnej przegródce. Masywna aluminiowa płyta chroni akumulator przed uszkodzeniami od dołu, np. spowodowanych uderzeniem kamienia czy zbyt wysokim krawężnikiem.
Wzmocnienie karoserii: obudowa akumulatora
Aluminiowa obudowa akumulatora wykonana wg. założeń Audi Space Frame, w 47 procentach składa się z wytłaczanych aluminiowych profili, w 36 procentach z aluminiowych blach i w 17 procentach z aluminiowych komponentów odlewanych metodą ciśnieniową. 35 śrub łączy ją na sztywno z karoserią. Dzięki temu, sztywność skrętna nadwozia wzrasta o 27 procent, co również - podobnie jak układ chłodzenia przyklejony od zewnątrz do obudowy akumulatora - przyczynia się do wysokiego poziomu bezpieczeństwa w Audi e-tron.
Montaż układu akumulatorów odbywa się w zakładach Audi w Brukseli. Producent opracował w tym celu wiele nowych technologii produkcji, od zautomatyzowanego umieszczania ogniw w oprawach, aż po wtryskiwanie uszczelnienia – tzw. gapfillera. Akumulator, by przeprowadzić jego konserwację lub naprawę, można bez problemu odłączyć od pojazdu. Skrzynka z bezpiecznikami jest podłączona przy pomocy bezpośredniego złącza wtykowego, a centralny sterownik jest łatwo dostępny.
Szeroka wiedza i doświadczenie: rozwijanie techniki akumulatorów w Audi
Audi posiada ogromną wiedzę i doświadczenie w zakresie technik akumulatorów wysokiego napięcia. W stworzonym pod tym kątem centrum kompetencyjnym Audi koło Ingolstadt, nad akumulatorami trakcyjnymi pracuje wielu specjalistów. Niezależnie od tego, czy są projektowane dla modeli hybrydowych typu plug-in, czy dla samochodów czysto elektrycznych, akumulatory konstruowane są wg spójnej koncepcji modułowej. Gwarantuje to Audi maksymalną elastyczność, tak by firma mogła szybko reagować na zmiany zachodzące na rynku.
W centrum kompetencyjnym akumulatorów główny nacisk kładzie się na rozwijanie kompletnych systemów – ich konstrukcji, chłodzenia, zabezpieczenia i montażu w samochodzie. Najważniejszymi zagadnieniami są w tym przypadku sztywność układu, jego zachowanie w razie wypadku i kompatybilność elektromagnetyczna (EMV). Stąd centrum wyposażone jest w stanowiska kontrolne i własną halę służącą do pomiaru kompatybilności elektromagnetycznej.
Słownik techniczny – ładowanie
Prąd zmienny
Prąd zmienny (ang. alternating current – AC) pochodzi z konwencjonalnych gniazdek z uziemieniem stosowanych w gospodarstwach domowych, stale dostarczająch prąd o natężeniu 10, a okresowo o natężeniu 16 amperów. Przy napięciu 230 V, moc wyjściowa jest tu ograniczona odpowiednio do 2,3 lub 3,6 kW. W przewodach sieci prądu zmiennego, elektrony nieustannie zmieniają kierunek ruchu z częstotliwością 50 Hz – czyli 50 razy na sekundę. Ich ruch tam i z powrotem określany jest mianem fazy. Prąd zmienny o napięciu 230 V to prąd jednofazowy.
Prąd trójfazowy
Prąd trójfazowy to prąd zmienny o trzech fazach, które są przesunięte względem siebie o 120 stopni. Pozwala to na nieustanne przekazywanie mocy i powstawanie silnych pól wirujących. Na całym świecie dostawcy energii elektrycznej zasilają swoje sieci prądem trójfazowym, ponieważ można go łatwo przemieniać. W gospodarstwach domowych większe odbiorniki, takie jak kuchnie elektryczne, są podłączane do czerwonych gniazdek pięciobiegunowych pod napięciem 400 V. Natężenie prądu wynosi przynajmniej 16 lub 32 ampery, a odpowiednia moc wyjściowa – 11 lub 22 kW.
Prąd stały
W przypadku prądu stałego (ang. direct current, DC) prąd elektryczny płynie zawsze od bieguna dodatniego do ujemnego bez zmiany polaryzacji. Akumulatory i baterie, np. w telefonach komórkowych dostarczają prąd stały. Urządzenia elektroniczne, takie jak telewizory, mogące posiadać wbudowane przetworniki napięcia, zasilane są właśnie prądem stałym. Ponadto prąd stały umożliwia przekazywanie z małymi stratami bardzo wysokich mocy na długich odcinkach. Również akumulator litowo-jonowy w Audi e-tron podczas pobierania z niego energii dostarcza prąd stały i takiego samego prądu wymaga do ładowania.
Ładowanie AC
Bez znaczenia, czy następuje w domu, czy przy kolumnie ładującej – podczas ładowania samochodu elektrycznego prądem zmiennym przy pomocy najbardziej powszechnej w Europie wtyczki typu 2, moc wyjsciowa jest ograniczona zazwyczaj do 22 kW, a w niektórych przypadkach do 43 kW. Czynnikiem ograniczającym w samochodzie jest również sama ładowarka AC. Prostownik, który na potrzeby akumulatora przemienia prąd trójfazowy w prąd stały, może przetwarzać tylko określoną moc, mierzoną w kW. Im więcej mocy przetwarza prostownik, tym więcej oddaje ciepła, co pogarsza sprawność. W celu utrzymania tak powstałych strat energii elektrycznej na możliwie niskim poziomie, ładowarka prądem trójfazowym w Audi e-tron jest zintegrowana z niskotemperaturowym obiegiem chłodzącym.
Ładowanie DC
Podczas ładowania prądem stałym DC, ładowarka prądu zmiennego AC pozostaje obojętna: prąd płynie z ładowarki DC w kolumnie ładowania przez wtyczkę europejskiego standardu ładowania (ang. combined charging system – CCS), bezpośrednio do akumulatora. Umożliwia to uzyskanie wysokich mocy, jednak w wyniku oporów wewnętrznych w akumulatorze powstaje przy tym ciepło. Audi chłodzi akumulator wysokiego napięcia podczas ładowania i dzięki temu, w kolumnie szybkiego ładowania DC, np. należącej do sieci Ionity, osiąga moc ładowania do 150 kW. W przypadku każdego akumulatora litowo-jonowego, szybkość ładowania wyraźnie spada po osiągnięciu poziomu 80 procent naładowania. W przypadku szybkiego ładowania prądem stałym, mówi się także o tzw. ładowaniu wysokiej mocy (ang. high power charging – HPC).
Wysokiej mocy elektronika
Wysokiej mocy akumulator dostarcza prąd stały, a silniki elektryczne korzystają z prądu trójfazowego – dlatego każdy silnik elektryczny jest sprzężony z wysokiej mocy modułem elektronicznym przemieniającym prąd. Wysokiej mocy moduły elektroniczne obu silników Audi e-tron są bardzo kompaktowe: mają pojemność 5,5 l i masę 8 kg każdy. Oba wyposażono w procesor regulujący pracę silnika elektrycznego. Oba są również zintegrowane z systemem zarządzania temperaturą silników elektrycznych. Procesory pracują z wysoką dynamiką: 10 tysięcy razy na sekundę wczytują dane z czujników i obliczają wartości prądu dla silników elektrycznych.
Silnik asynchroniczny
Silnik asynchroniczny na prąd trójfazowy składa się z dwóch dużych części – zewnętrznego, zamocowanego na stałe stojana i znajdującego się w nim wirnika. Stojan jest laminowanym rdzeniem, w którym ułożone są w cewki z drutu miedzianego – zazwyczaj w trzech zwojach, do których podłączane są trzy fazy prądu trójfazowego. Jeśli przyłożone jest do nich napięcie, to powstaje pole magnetyczne (pole wirujące). Porusza się ono po okręgu i indukuje kolejne pole magnetyczne w ramionach wirnika. Wirnik jest uruchamiany polem, jednak z niewielką różnicą prędkości, czyli asynchronicznie. Jeśli wirnik obraca się wolniej niż pole wirujące, to silnik elektryczny pracuje w pojeździe jako silnik napędowy. W odwrotnym przypadku staje się generatorem i przemienia energię kinetyczną w elektryczną.
Pompa ciepła
Pompa ciepła może bardzo wydajnie ogrzewać i chłodzić, pobierając ciepło z otoczenia. W Audi e-tron wykorzystuje ciepło oddawane przez komponenty elektryczne i może przesyłać dalej nawet 3 kW ciepła. Pompa ciepła nie jest osobnym podzespołem, ale raczej zależnym od zapotrzebowania połączeniem obiegu płynu chłodzącego i obwodu chłodzenia niskotemperaturowego.
