Variatia consumului autoturismelor electrice vs autoturisme conventionale

Română:

In cadrul acestui articol vom discuta despre consumul de energie electrica al masinilor electrice.

De ce facem acest articol ? Este deja încetățenită ideea că masinile electrice consuma mai puțin în oraș, decât la drum lung. Care este explicatia pentru consumul mai redus in oraș ? Veti auzi foarte multe explicatii precum următoarea: “In zonele urbane frânezi de mai multe ori, însă având frână regenerativă se încarcă bateria masinii si astfel consumi mai putin“. Nimic mai fals !

Observam faptul ca “Puterea totala” este compusă din 4 componente:

  • Toate celelalte
  • Cauciurile
  • Transmisia
  • Aerodinamica

English:

In this article we are going to discuss about electricity consumption of electric vehicles.

Why did we decide to write this article ? All of us know that an electric vehicle consumes less electricity when it is into an urban area, rather than when it is into a rural area. What is the explanation of less consumption in urban area ? You will hear a lot of explanations like this: “You brake more often when you’re in an urban area and the battery of vehicle will charge with help of regenerative braking system“. Nothing could be further from the truth.

We can observe that “Total power” has 4 main components:

  • Everything else
  • Tires
  • Transmission
  • Aerodynamics

“Toate celelalte” reprezinta sistemele auxiliare ale masinii precum: aerul conditionat, lumini, radio si alti consumatori ai vehiculului, mare parte dintre acestia fiind independenți de viteza, de altfel si observam o curba ce se aplatizeaza imediat dupa punerea in miscare a vehiculului.

“Cauciucurile” reprezinta energia consumata ca urmare a procesului de deformare a anvelopei. Din acest motiv, se recomandă să verificați în mod regulat presiunea în anvelope a mașinii dumneavoastra, intrucât anvelopele cu presiunea insuficienta vor conduce la un consum de combustibil mai mare (respectiv la o putere mai mare necesara a fi dezvoltata de catre motor pentru o aceeasi viteza).

“Transmisia” – Pierderile din trenul de rulare sunt reprezentate de  orice pierderi rezultate din procesul de conversie a energiei din baterie în cuplu la roțile mașinii.

“Aerodinamica” – Observam ca este cea mai importanta componenta, cu impactul cel mai mare asupra puterii totale, crescând exponențial cu viteza. Forta de frecare a aerului este una cu un impact considerabil, aceasta variind cu patratul vitezei, ceea ce înseamna ca la o dublare a vitezei de deplarea, forta de frecare a aerului care actioneaza asupra vehicului nostru creste de cel putin 4 ori ! Putem observa in grafic de mai sus, ca la o viteza de 64km/h puterea necesara dezvoltata de motor pentru a infiinge frecarea cu aerului, pentru o masina Tesla Roadster este de 3,1kW, în schimb la o viteza de 2 ori mai mare – 128km/h este de 12,4kW !

“Everythings else” represents the auxiliary systems of vehicle as: air conditioning, lights, radio and other consumers of the vehicle, most of them being independent of speed, we notice that this curve flattens immediately after starting the vehicle.

“Tires” represent the energy consumed as a result of the deformation process of the tire. For this reason, it is recommended that you regularly check the tire pressure of your car, because tires with insufficient pressure will lead to higher fuel consumption (respectively higher power required to be developed by the engine for the same speed).

 

“Transmission” – Transmission losses are all losses resulting from the process of converting battery energy into torque on the vehicle’s wheels.

“Aerodynamics” – We notice that it is the most important component, with the greatest impact on total power, increasing exponentially with speed. The air friction force has a considerable impact, this varying with the square of the speed, which means that if the travel speed doubles, the air friction force acting on our vehicle will increase at least 4 times! We can see in the graph above, that at a speed of 64kmph the power required by the engine to increase the friction with the air, for a Tesla Roadster car is 3.1kW, instead at a speed 2 times higher – 128kmph is 12.4kW!

O masina Tesla Roadster este una relativ aerodinamică, în cazul masinilor cu o forma mai puțin aerodinamica, forța de frecarea cu aerul va fi si mai mare, ceea ce înseamna o scădere a vitezei maxime.

In graful de mai jos se observa puterea necesara a fi dezvoltata de catre motorul Tesla Roadster 2008 pentru a invinge forțele care actioneaza asupra vehiculului la diferinte viteze. Observam faptul că aceasta masina are nevoie de o putere de doar ~10kW (13,4 CP) pentru merge constant cu 80km/h, însă are nevoie de o putere de ~50kW (67CP) pentru a merge constant cu 160km/h.

A Tesla Roadster car is a relatively aerodynamic one, in the case of cars with a less aerodynamic shape, the force of friction with the air will be even higher, which means a decrease in maximum speed.

The graph below shows the power required to be developed by the 2008 Tesla Roadster engine to overcome the forces acting on the vehicle at different speeds. We notice that this car needs a power of only ~ 10kW (13.4 hp) to go constantly with 80kmph, but it needs a power of ~ 50kW (67hp) to go constantly with 160kmph.

O intrebare fireasca pe care ne-am putea-o pune, este de ce în cazul masinilor electrice la o viteză de aproximativ 100 km/h avem un consum de energie electrică cu aproximativ 60% mai mare decât la o viteza 50km/h, in timp ce la masinile cu motoare termice consumul poate fi chiar similar. De exemplu în cazul Tesla Roadster avem un consum de ~16kWh/100km la o viteza de 100km/h si aproximativ ~9.5kWh/100km la o viteza de 50km/h. Acest lucru este explicat prin faptul că masinile cu motoare termice au o cutie de viteze cu un numar de viteze de la 4-5 viteze pana la 7-8, spre deosebire de masinile electrice care au o singura viteză. Ipotetic vorbind, in lipsa frecării cu aerul, masinile cu motoare termice ar avea un consum mai scăzut la o viteza de 100km/h, fata de 30km/h, întrucât datorită cutiilor de viteze, efortul depus de motor ar fi unul chiar mai mic sau cel mult similar. Insă, in realitate odata cu creșterea vitezei, crește expontial forța de frecare cu aerul, care compenseaza “efectul cutiei de viteze de a scadea consumul”, din acest motiv masinile cu motoare termice au un consum relativ egal sau cu variații mici, de 10-20%, in plaja de viteze ~40-100km/h, spre deosebire de masinile electrice unde diferența depăsesțe de consum, între 50km/h și 100km/h depăsește 50%.

A natural question we could ask ourselves is why in the case of electric cars at a speed of about 100 kmph we have an electricity consumption about 60% higher than at a speed of 50kmph, in while for cars with heat engines the consumption can be even similar. For example, in the case of the Tesla Roadster we have a consumption of ~ 16kWh / 100km at a speed of 100kmph and approximately ~ 9.5kWh / 100km at a speed of 50kmph. This is explained by the fact that cars with heat engines have a gearbox with a number of speeds from 4-5 speeds to 7-8speeds, unlike electrialc cars that have a single speed. Hypothetically speaking, in the absence of air friction, cars with heat engines would have a lower consumption at a speed of 100kmph, compared to 30kmph, due to the gearboxes, the effort made by the engine would be even lower or at most similar. But, in reality, as the speed increases, the frictional force with the air increases exponentially, which compensates for the “effect of the gearbox to reduce consumption”, for this reason cars with heat engines have a relatively equal consumption or small variations of 10- 20%, in the speed range ~ 40-100kmph, unlike electrical cars where the difference exceeds consumption, between 50kmph and 100kmph exceeds 50%.

Exemplu de stire de pe internet:

Despre Dacia Spring, se remarcă:

Autonomie: 225 km (omologare în regim WLTP)
Motor: 33 kW / 45 CP, cuplu maxim 125 Nm
Viteză maximă: 125 km/h sau 100 km/h în modul ECO

De ce a fost limitata aceasta masina la o viteza 125km/h ? Având in vedere cele menționate mai sus, dar si graficul de la “Putere vs Viteza” pentru Tesla Roadster, care intuim ca este o masina cel puțin la fel de aerodinamica ca si Dacia Spring, putem observa faptul că viteza maxima constanta teoretică pentru ~33kW este de 137km/h. Prin urmare, fizic un motor de doar 33kW (45CP), nu poate invinge forțele menționate, pentru a atinge o viteza sensibil mai mare decât cea maximă menționata de producator, respectiv 125km/h.

Internet news example:

About Dacia Spring, it stands out:

Autonomy: 225 km (WLTP approval)
Engine: 33 kW / 45 hp, maximum torque 125 Nm
Top speed: 125 km / h or 100 km / h in ECO mode

Why was this car limited to a speed of 125km / h? Given the above, but also the graph from “Power vs. Speed” for the Tesla Roadster, which we intuit is a car at least as aerodynamic as the Dacia Spring, we can see that the theoretical maximum constant speed for ~ 33kW is 137km / h. Therefore, physically an engine of only 33kW (45HP), can not overcome the mentioned forces, to reach a speed significantly higher than the maximum mentioned by the manufacturer, respectively 125km/h.

In concluzie, masinile electrice sunt mai economice in oraș în special datorita faptului ca forțele aerodinamice sunt mult mai mici. Franarea regenerativă contribuie la recuperarea energiei consumate pentru a atinge viteza respectivă, însă cu cât se efectueaza mai puține reprize de frânzare (un condus preventiv), cu atât consumul de energie electrica este mai mic, întrucât orice transformare de energie înseamna și pierderi.

In conclusion, electric cars are more economical in the city mainly due to the fact that the aerodynamic forces are much smaller. Regenerative braking helps to recover the energy consumed to reach that speed, but the fewer rounds of driving (a preventive drive), the lower the electricity consumption, because any transformation of energy also means losses.