Elektromobily si spojujeme se šetrností vůči životnímu prostředí. Jenže elektrická formule ČVUT je něčím jiným a nad její technickou úrovní odborník žasne a laik se diví.
Elektrická formule ČVUTv Praze.
Jediná česká elektrická formule existuje už od roku 2010. Za vším stojí tým eForce FEE Prague Formula. Ten se pravidelně účastní mezinárodní soutěže Formula Student pod záštitou Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze
Každý rok nová.
Od roku 2010 zhotovili na ČVUT už osm různých monopostů, přičemž v době naší návštěvy byla krátce před dokončením právě osmá generace. „Každý rok stavíme nové auto, přičemž aby si toto označení zasloužilo, musejí být v jeho konstrukci výrazné změny,“ říká na úvod Radek Štěpánek, student Fakulty strojní ČVUTv Praze, který je jedním ze strojních inženýrů a jenž je zároveň naším průvodcem. „Důvodem jsou pravidla mezinárodní soutěže Formula Student, které se každý rok účastníme,“ upřesňuje Štěpánek. Podle něj tak nelze použít jedno auto dvakrát. „Pokud je například použit rám z předchozí generace, musí na něm být provedena významná konstrukční změna,“ dodává Štěpánek. Po technické a konstrukční stránce je elektrická formule ČVUT naprosto profesionální záležitostí, přičemž je až neuvěřitelné, jak vysokou konstrukční a technologickou úroveň tohle auto má. První čtyři generace monopostu využívaly příhradový trubkový rám, přičemž stále více se na voze uplatňovaly části z kompozitních materiálů. Třeba čtvrtá generace dostala takto řešený deformační člen a také box akumulátoru. Následující, pátou generaci lze považovat za přelomovou, neboť konstruktéři u ní nahradili dřívější příhradový rám z ocelových trubek kompozitním monokokem o hmotnosti pouhých 17,5 kg. Jde o stejně náročnou technologii, jakou používají auta jezdící Formuli 1. „Rám tvořený kompozitním monokokem si sami navrhujeme a vyrábíme, pouze finální vypékání provádíme v autoklávu externí firmy,“ upřesňuje Štěpánek. K zhotovení monokoku je zapotřebí role předsycené uhlíkové tkaniny, takzvaného prepregu, široká 1,5 metru, délky přibližně padesát metrů. Kompozity jsou ovšem použity na celou řadu dalších celků, mimo jiné je z něj zhotoveno zadní přítlačné křídlo. „To si vyrábíme sami přímo v dílnách ČVUT. Na rozdíl od rámu se nepeče, ale vyrábí se mokrou nebo kontaktní laminací,“ říká Štěpánek. Na rámu připravované, osmé generace vozu ovšem najdete také například hliníkovou voštinu, která slouží coby deformační člen přídě. „I Formula Student musí splňovat nárazové testy. Při čelním střetu smí být hodnota zpomalení maximálně 40g (čtyřicetinásobek tíhového zrychlení 9,81 m/s2). Testuje se to tak, že se na deformační člen nechá volným pádem spadnout závaží o hmotnosti 500 kg z výšky 1,6 metru. Deformační člen by měl tuto energii pohltit“ doplňuje Radek Štěpánek.
Čtyřkolka jako žádná jiná.
Rozsáhlé využití kompozitních materiálů je nadmíru působivé. Stejně pokroková je ovšem také mechanika formule, včetně pohonu. Už od čtvrté generace je auto poháněno všemi koly. A sice zcela originálním způsobem. Každé kolo pohání vlastní synchronní elektromotor s permanentními magnety. Jejich celkový výkon činí 88 kW, maximum točivého momentu ale dosahuje hodnoty 882 N.m!
Novinkou na niž se zaměřil vývoj u osmé generace vozu, je co možná nejlepší řízení dynamiky vozidla. Celý systém řízení vznikl v dílnách týmu elektrické formule a dle slov vývojářů je velmi sofistikovaný. Systém je zakomponován přímo do řízení jednotlivých elektromotorů. Vývoj systému probíhá už tři roky, přičemž přibližně půl roku se testuje.
Výčet techniky pohonu by nebyl úplný bez zmínky o akumulátoru. Od čtvrté generace se používá lithium-iontový typ článků, který nahradil předchozí, lithium-polymerový. V čem je lithium-iontová baterie lepší než předchozí typ? „Lithiumiontové baterie mají v porovnání s lithiumpolymerovými vyšší energetickou hustotu nebo jinak, mají více energie vzhledem k jejich hmotnosti,“ vysvětluje Ondřej Šereda, jeden ze studentů FEL (Fakulty elektrotechnické) ČVUT v Praze, mající na starost elektrickou část formule. Baterie navíc v závodě pracuje ve velmi obtížných podmínkách. "Po jeho skončení jsou akumulátory na hranici nejvyšší dovolené teploty, takže po závodě auto vlastní silou už nikam nedojede. Energie v bateriích je totiž přesně spočítána na závod," dodává Ondřej.
Aerodymanika i hmotnost.
Úspěch v závodech Formula Student záleží také na vhodné aerodynamice monopostu. Vzhledem k profilu trati hlavního závodu Endarance (vizte druhý rámeček) je aerodynamika navržena tak, aby byla účinná už v nízkých rychlostech. Vždyť průměrná rychlost v hlavním závodě činí přibližně 60 km/h. Pro zajímavost, auto připravené k jízdě váží 200 kg, avšak při rychlosti 120 km/h se aerodynamická přítlačná síla vyrovná hmotnosti vozu. Také rozložení hmotnosti mezi obě nápravy je v základním nastavení přibližně 50:50, avšak v průběhu závodu se mění z důvodu aerodynamiky.
Jak se jezdí Formula Student.
Soutěž Formula Student není jen o čase a rychlosti na trati. Zahrnuje celou řadu da dalších disciplín, které si nyní v bodech stručně představíme. Vše je popsáno na zhruba dvě stě stranách pravidel soutěže. 1. Statické disciplíny: V nich se auto představí porotcům z řad zkušených odborníků. a) Cost report: V této části se hodnotí náklady na vývoj a výrobu. Nejde jen o ceny jednotlivých částí, ale patří sem i takové detaily jako cena za osvětlení dílny či náklady na spojovací součástky a jiné. Vše hodnotí vývojáři z automobilového průmyslu. b) Business plan: Zahrnuje ekonomickou studii týkající se případného volného prodeje vozidla. c) Engineering design report: Zde studenti představují postup svého vývoje jednotlivých části monopostu. Posuzovány jsou teoretické znalosti, simulace, validace dat i zvolené technologie výroby. 2. Dynamické disciplíny: V této části se formule postaví na trať závodu. Pouze v případě, že projde velice náročnými technickými přejímkami, kde je zkontrolováno splnění pravidel soutěže.
a) Akcelerace: Jde o zkoušku maximálního zrychlení monopostu, které je testováno na 75m rovné trati s cílem zajet tuto vzdálenost v co nejkratším čase. Rychlost po 75 metrech běžně činí 115 až 120 km/h. zrychlení z 0 na 100 km/h se pohybuje běžně kolem 2,7 sekundy. Při tom je výkon odebíraný z baterie omezen na 80 kW. b) Skid pad: Jedná se disciplínu pojednávající o ovladatelnosti vozu. Jezdí se dráha ve tvaru osmičky, a sice dvě kola v každém směru. Měří se čas průjezdu. c) Autocross: Nejde o jízdu v terénu, jak by se mohlo zdát. Náplní je jedno kolo trati hlavního závodu na čas. V podstatě se tedy jedná o kvalifi kaci. d) Endurance: Pod tímto slovem se ukrývá hlavní závod. Ten je dlouhý 22 km a jedou ho vždy dva řidiči, kteří se střídají přesně v polovině. Trať je široká tři metry a tvořená kuželkami, a tudíž je technicky mimořádně náročná. Průměrná rychlost na trati je přibližně 60 km/h. e) Effi ciency: Hodnotí se spotřeba energie během hlavního závodu a ta je vztažena k dosaženému času.
Foto: Elektromotor pohání kola přes redukční planetovou převodovku. Ta je vpředu integrovaná přímo v těhlici, vzadu je uložena na rámu. Kola jsou roztáčena přes klouby tripod.
Foto: Litrhium-iontové baterie jsou chlazeny vzduchem, elektromotory a jejich frekvenční měniče vodou. Na rekuperaci energie nejsou baterie stavěné. Když už se rekuperuje, energie se rozděluje mezi jednotlivé elektromotory. Tím lze v zatáčce vyvolat dokonce jejich záporný moment.
Foto: Rám tvořený kompozitním monokokem
Foto Force FEE Prague Formula a autor