- Sähköajoneuvot juontuvat 1800-luvulta ja kilpailivat bensiinillä ja höyryllä
- Höyrykoneet tarjosivat esilämmityksen ja lyhyen toimintasäteen
- Nykyiset sähköautot hyödyntävät sähkömoottoria, suurta pääakkua ja latausporttia
- Tärkeät osat: apuakku, latausportti, DC-DC-muunnin ja traktion moottori
Sähköajoneuvoilla on historia pidempi kuin suurin osa ihmisistä arvaa, ja juuret ulottuvat 1800-luvulle. Ymmärtääksemme, miten olemme päätyneet Tesla Model S:ään ja nykyaikaisiin Toyotan hybrideihin, on hyvä tarkastella aikaa jolloin bensiini, höyry ja sähkö kilpailivat autojen valtakunnasta.
Alku 1900-luvulla hevonen oli pääasiallinen kulkuneuvo, mutta ihmisten tulot kasvoivat ja teknologiat kehittyivät, joten jotkut alkoivat kokeilla uusia liikennemuotoja. Siihen aikaan bensiini, höyry ja sähkö olivat kaikki saatavilla, jokaisella kilpaili hallita markkinoita.
Ensimmäiset autopropulsoidut ajoneuvot
Höyrykoneiden teknologia oli tuohon aikaan hyvin kehittynyttä ja yleisesti ymmärrettyä sekä luotettavaa suurelle yleisölle. Loppujen lopuksi se oli osoittanut kykynsä ravita tehtaita, kaivosmiesteja, junia ja laivoja. Näyttää olevan luonnollinen askel rakentaa pienempiä kulkuneuvoja, jotka käyttävät höyrymoottoreita.
Joillakin autopropuloituneilla ajoneuvoilla on ollut olemassa 1700-luvun lopulla (Nicholas Cugnotin höyrytrikoo), mutta tämä teknologia ei kehittynyt kunnolla ennen 1800-luvun loppua. Cugnotin höyryllä toimiva Dampfwagen tunnustetaan maailman ensimmäiseksi autoksi.
Mutta suuri ongelma: höyrymoottorit tarvitsevat pitkän esilämmityksen (noin tunti) ja niillä on rajallinen toimintamatka, eivätkä ne myöskään vaadi jatkuvaa veden täyttöä. Nämä tekniset rajoitteet avasivat tien muille voimanlähteille.
Miten nykyaikainen sähköauto toimii
Sähköautot toimivat käyttämällä sähkömoottoria polttomoottorin sijaan, kuten bensiinikäyttöisissä ajoneuvoissa. Useimmiten sähköautot käyttävät suurikokoista ajoneuvon traktioakkuä antamaan virtaa moottorille.
Tämä akku latautuu liittämällä ajoneuvo latausasemaan tai kotitalouden erikseen suunniteltuun pistorasiaan.
Koska sähköajoneuvot käyttävät sähköenergiaa, niissä ei ole pakokaasua eikä ne sisällä kuten polttoainepumpun, polttoaineputken, polttoaineen säiliö tai muita polttoaineeseen liittyviä osia, jotka ovat välttämättömiä polttomoottoria käyttävissä ajoneuvoissa.
Sähköajoneuvon pääkomponentit
Yleisesti sähköajoneuvot koostuvat useista peruskomponenteista, joilla jokaisella on oma roolinsa:
1. Apuakku Laajamittaisessa sähköajoneuvossa apuakku tarjoaa virtaa käynnistykseen ja lisävalmiudet ajoneuvon lisävarusteille, kuten kellolle. Tämä akku ei ole sama kuin pääakku – sen jännite on huomattavasti pienempi (12V tai 24V) ja se virtavi lisää ajon mittariin.
2. Latausportti Akun energia ei kestä ikuisesti, joten latausportti mahdollistaa ajoneuvon kytkennän ulkoiseen virtalähteeseen. On olemassa useita porttityyppejä – hitaasta kotilatauksesta nopeaan DC-lataukseen.
3. DC-DC-muunnin Pääakku on yleensä korkeammalla jännitteellä kuin muut komponentit. Tämä laite muuntaa korkeamman jännitteen pienemmäksi jännitteeksi turvalliseen käyttöön – esimerkiksi 400V:sta 12V:iin ajoneuvon lisäjärjestelmille.
4. Traktion moottori Koska ajoneuvoa on käytävä liikuttamaan, tarvitaan moottori, joka muuntaa sähköenergiaa pyörien pyöritysvoimaksi. Tämä on traktion moottori – tyypillisesti pirstone magnettinen synkronoitu moottori tai asynkro moottori.
Joissakin ajoneuvoissa on energiain palautusjärjestelmiä pyörien kautta, jolloin jarrutuskilometrien aikana pyritään palauttamaan osan energiasta akkuun.
5. Latauslaturi Koska ulkoiset virtalähteet tuottavat pääasiassa vaihtovirtaa, tämä laite muuntaa sen tasavirraksi akun latausta varten. Siinä myös monitoroidaan akun ominaisuuksia, kuten jännite, virta, lämpötila ja lataustila latauksen aikana.
6. Teho-ohjain Tämä laite hallitsee sähköenergian virtausta akulta moottorille ja säätää traktion moottorin nopeutta. Se on sähköinen vastine perinteisen auton ECU:lle (Electronic Control Unit).
7. Jäähdytysjärjestelmä Jäähdytysjärjestelmä pitää moottorin ja muiden komponenttien toiminta-alueen lämpötilan. Toisin kuin sisäpolttomoottorit, sähkömoottorit tuottavat paljon vähemmän lämpöä, mutta aku tarvitsee aktiivista jäähdytystä optimaalista suorituskykyä varten.
8. Traktion akkupakkaus Tämä on sähköauton “polttoainevarasto” ja se on ensisijainen sähköenergian lähde monien muiden komponenttien pyörittämiseen. Nykyteknologia hyödyntää pääasiassa litium-ioni-akuja suurin energiatiheydin.
9. Sähöinen voimansiirto Tämä laite siirtää mekaanista voimaa traktion moottorilta pyörittämään ajoneuvon pyöriä. Toisin kuin useammalla vaihteistolla varustetuilla perinteisillä voimansiirroilla, sähköisissä järjestelmissä on yleensä vain yksi välitykseen tarkoitettu portaat.
Sisäpolttoainemoottoreiden kehitys: Otto-, Diesel-, Benz- ja Ford
Nelitahtinen moottori, joka on nykyäänkin yleinen, kehitettiin vuonna 1862 Nikolaus Otton toimesta, kun taas dieselmoottorin loi Rudolf Diesel vuonna 1893. Hitusen myöhemmin Karl Benz rakensi ensimmäisen ajoneuvon vuonna 1886 ja Ford Model T tuli massatuotantoon 1900-luvun alussa.
Näiden voimansiirtojen tehokkuudesta ja käyttökontekstista huolimatta niillä oli myös haasteitaan. Ne eivät olleet kovin helppoja ajaa, koska vaihteiden vaihtaminen ja moottorin käynnistäminen vaativat suurta vaivaa. Ne olivat vahvoja ja pakokaasujen päästöt olivat huomattavia ja toivat ei-toivottua saastepäästöä.
Näiden ongelmien edessä oli yksi vaihtoehto: sähköauto. Sähköautot eivät kärsineet yllä kuvatusta ongelmallisuudesta, olivat hiljaisia, helposti hallittavia ja niillä ei ollut haitallisia päästöjä. Näin sähköautot nousivat yhdeksi tärkeimmistä vaihtoehdoista sisäpolttomoottoria ja höyrykoneita vastaan.
Ensimmäiset käytännölliset sähköautot
Yksi varhaisimmista käytännöllisistä sähköautoista oli brittiläisen keksijän Thomas Parkerin noin vuonna 1884 luoma ajoneuvo ja vuonna 1888 Saksassa valmistettu Flocken Elektrowagen.
Valitettavasti silloin maanteiden kunto oli surkea, ja sähköautojen oli vaikea liikkua kaupungin ulkopuolella.
Aikakauden autojen valmistajat alkoivat nähdä sähköautojen potentiaalin ja kokeilivat niitä aktiivisesti. Esimerkkinä Porsche:n perustaja Ferdinand Porsche kehitti kuuluisan P1:n vuonna 1898.
Thomas Edison jätti vahvan vaikutuksen sähköautojen rakentamiseen uskottomuudessaan niiden kykyyn verrattuna muihin ajoneuvoihin ja hän työskenteli parantaakseen akkuja. Henry Ford, ollen ystävä Edisonin kanssa, teki yhteistyötä tämän kanssa 1914 tavoitellakseen sähköautojen kehittämistä ja niiden hintojen alentamista.
Declinul masinilor electrice
Ironisesti tai tahallisesti Fordin malli T rakennettiin massatuotantoon ja se oli noin kolminkertainen hinnaltaan muihin sähköautoihin nähden. Vuonna 1912 Ford Model T maksoi noin 650 dollaria, kun toiset ajoneuvot olivat noin 1750 dollaria.
Sähköautot saivat iskun, kun tieverkosto ja öljylähteet alkoivat kehittyä. Nämä tekijät ja muut syyt johtivat sähköautojen markkinoiden laskuun ja ne syrjäytyivät öljypohjaisista ajoneuvoista, erityisesti 1930-luvulle, ja ainakin seuraavien 30 vuoden aikana.
Kuka valmisti ensimmäisen sähköauton historiassa
Kuten polttomoottoreiden ajoneuvoissa, elektrisillä ajoneuvoilla ei ollut yhtä ainoaa keksijää. Niiden kehitys voidaan nähdä useiden löytöjen ja keksintöjen sarjana, jotka lopulta yhdistyivät nykyiseksi sähköautoksi.
Elektrisen energian löytö sekä luotettava ladattava akku (rechargeable battery) muodostivat sähköauton rakentamisen perustan.
Anyos Jedlik, unkarilainen keksijä, kehitti sähkömoottorin vuonna 1828. Tämän uuden keksinnön pohjalta hän rakensi todistuksen siitä, että sähköä voidaan käyttää liikuttamiseen ajoneuvon avulla.
Hieman myöhemmin, vuonna 1834, Vermontin seppä Thomas Davenport rakensi toisen sähköisen ajoneuvon mallin, joka pystyi kulkemaan sähköisellä radalla.
Kuinka vaikuttavia nämä olivatkaan, niillä ei ollut uudistettua energiantarvettavaa lähdettä ja siten niiden käyttömahdollisuudet olivat rajoitetut. Maailman piti odottaa vuoteen 1859 jolloin ranskalainen fyysikko Gaston Plante kehitti lyijyakun.
Tiede kehittyi edelleen toisen ranskalaisen Camille Alphonse Fauren toimesta, joka vuonna 1881 huomattavasti kasvatti akun kapasiteettia ja johti akkukennojen massatuotantoon.
Aikajana sähköautojen keksinnästä
Kuten nähdään, sähköauton luominen oli enemmänkin tapahtumien sarja kuin yksittäinen tapahtuma. Tässä on joitakin ehdokkaita ensimmäisiksi sähköautoiksi – mielipiteesi siitä, mikä on täysin valmis ajoneuvo, voi vaihdella.
Ensimmäiset protot yypit (1834-1867)
Kiinnostus sähköautoihin kasvoi Groningenin, Alankomaiden professori Sibrandus Stratinghin toimesta vuonna 1834. Hän ja hänen assistenttinsa loivat pienen sähköisen ajoneuvon, joka toimi primaariparistolla. Valitettavasti Stratingh menehtyi pian keksinnön jälkeen eikä autosta kehitetty sen enempää.
Hieman myöhemmin, vuonna 1867, itävaltalainen keksijä Franz Kravogl esitteli prototyyppinsä Pariisin maailmannäyttelyssä. Se oli kaksipyöräinen ajoneuvo, jossa oli sähkömoottori, mutta se ei ollut tarpeeksi luotettava ajamiseen.
Ensimmäinen käytännöllinen sähköauto (1881-1884)
Vuonna 1881 Gustave Trouvé testasi kolmipyöräistä ajoneuvoa pitkin Pariisin katuja. Tämä oli ensimmäinen ulkoinen sähkömoottori polkupyörävaihtoehdon Coventry-Rotary mekanismissa. Vaikka tämä ei ollut avain keksintö kohti täyttä sähköautoa.
Vasta vuonna 1884 brittiläinen keksijä Thomas Parker (joka rakensi myös Lontoon maanalaisen sähköverkoston) rakensi ensimmäisen massatuotantoon valmiin sähköauton. Parker käytti omaa suurikapasiteettista, uuudet li-ion akkuja vastaavaa tekniikkaa.
Kaupallinen menestys (1894-1895)
Ensimmäinen menestynyt sähköajoneuvo, The Electrobat, kehitettiin insinööri Henry G. Morristin ja kemisti Pedro G. Salomin toimesta vuonna 1894 Pennsylvaniassa. Se oli hidas ja kömpelö laite, jossa oli teräspohjaiset pyörät ja suuret lyijyakut.
Myös Yhdysvalloissa Des Moinesin William Morrison kehitti kuorma-autoa, johon mahtui 6 matkustajaa ja joka kykeni saavuttamaan 23 km/h.
Vuonna 1895 kuluttajat alkoivat havaita tätä uutta teknologiaa A. L. Rykerin esittelemien sähköpyörien myötä Yhdysvalloissa.
Sähköautojen kultakausi (1895-1910)
Useat muut keksijät ja insinöörit kehittivät sarjan malleja tässä ajanjaksossa, joka johti lopulta maailmassa ennätyksellisesti nopean sähköauton kehittämiseen 18. joulukuuta 1898.
Tämän jälkeen sähköautoteknologia kukoisti; 1890-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa sähköautojen kiinnostus kasvoi.
Lähinnä 1897 sähköiset taxi-takseja alkoi tarjota Walter C. Bersey Lontoossa.
Näiden etujen vuoksi bensiinikäyttöisten autojen infrastruktuurin parannukset ja öljyvarojen löytäminen vaikuttivat kuitenkin massakäyttöönottoon, ja sähköautot alkoivat väistyä polttomoottoria vastaan, erityisesti 1930-luvulla.
Päivään mennessä suurin osa sähköautotuotannosta lakkasi tai lopetettiin. Teknologia kiinnittyi erityiskäyttöihin, kuten trukkeihin tai golf-autoihin, mutta sähköiset ajoneuvot jäivät varjoon, kunnes niiden uusi nousu koitti 1900-luvun lopulla.
General Motors ja ensimmäinen moderni sähköauto
Vaikka General Motors kokeili sähköajoneuvoja jo 1960-luvulla Electrovair-konseptin kautta, tämä ajoneuvo ei koskaan päässyt sarjatuotantoon. Electrovair pohjautui Corvairiin (vuoden 1966 malli) ja siihen käytettiin hopea-zink -akkupakettia, joka pystyi tuottamaan 532 voltin jännitteen.
Muutamaa vuosikymmentä myöhemmin GM päätti yrittää uudelleen. Keskiluvun ajanjaksona 1990-luvun puolivälissä General Motorsin ensimmäinen moderni massatuotantoon tarkoitettu sähköauto EV1 kehitettiin. EV1 oli ensimmäinen suurten autonvalmistajien sarjatuotantoinen sähköauto.
Tämä ajoneuvo saavutti useita merkittäviä palkintoja:
- Oltuaan General Motorsin nollasta kehitetty EV
- EV1 oli ainoa GM:n ja ei yhdenkaan sen sivuosastojen kautta myyty ajoneuvo
GM:n päätös suunnitella ja rakentaa EV1:n pohjalta kertoi CARB:n kaltaisien säädösten vaikutuksesta amerikkalaisten suurten autovalmistajien vähittäiskaupan jatkamiseen.
