Audi A7 Sportback h-tron z ogniwami paliwowymi

Ogniwa paliwowe w Audi A7 Sportback

Od 0 do 100 km/h w 7,9 sekundy i maksymalna prędkość rzędu 180 km/h. Na jednym baku przejeżdża ponad 500 km, a z rury wydechowej wydobywa się tylko kilka kropli wody. Zaprezentowane na wystawie Los Angeles Auto Show 2014 Audi A7 Sportback h-tron quattro, wyposażone jest w mocny sportowy napęd, w którym źródłem energii jest ogniwo paliwowe. Elementami wspomagającymi to podstawowe źródło napędu są: współpracujący z ogniwem paliwowym akumulator hybrydowy i dodatkowy silnik elektryczny zamontowany z tyłu pojazdu. Elektryczna moc systemowa 170 kW jest przenoszona zarówno na przednie, jak i na tylne koła. Taki rozkład sił napędowych sprawia, że nieemitujące spalin Audi A7 Sportback jest samochodem typu quattro. To nowość w przypadku samochodów z ogniwami paliwowymi.

„Audi A7 Sportback h-tron quattro to Audi w pełnym tego słowa znaczeniu – sportowe i wydajne. W myśl filozofii konstrukcji e-quattro, wyposażono je w  dwa silniki elektryczne napędzające cztery koła” – mówi prof. dr Ulrich Hackenberg, członek zarządu Audi AG ds. rozwoju technicznego. „Koncepcyjny samochód typu h-tron jest najlepszym przykładem, że koncern z Ingolstadt wszedł w erę rozwiązań technicznych opartych na ogniwach paliwowych. Gdy tylko rynek i infrastruktura będą gotowe, rozpoczniemy produkcję seryjną.”

„H“ w skrócie nazwy h-tron to symbol wodoru. Prezentowane przez Audi na Los Angeles Auto Show pojazdy w warstwie wizualnej przypominają modele seryjne. Jednak znaczek h-tron jasno świadczy, że samochód, podobnie jak e-tron i g-tron, należy do grupy modeli Audi z alternatywnym napędem. Żadna dodatkowa cecha zewnętrzna nie wskazuje na to, że auto wyposażone jest w ogniwo paliwowe wytwarzające energię elektryczną z wodoru.

Budowa ogniw paliwowych

Decydujące różnice kryją się pod maską. Ogniwo paliwowe, podobnie jak w konwencjonalnym modelu A7 Sportback z silnikiem spalinowym, zamontowano z przodu. Ponieważ układ wydechowy odprowadza wyłącznie parę wodną, wykonano go z tworzywa sztucznego, co znacznie zmniejszyło wagę pojazdu.

Samo ogniwo paliwowe składa się z zespołu ponad 300 komórek, tworzących razem jeden stos ("Stack"). Po obu stronach znajduje się platynowy katalizator. Jądrem każdej komórki jest membrana z tworzywa polimerowego.

Sposób działania ogniwa: Do anody doprowadzany jest wodór, rozkładany następnie na protony i elektrony. Protony wędrują przez membranę do katody, gdzie reagują z pochodzącym z powietrza tlenem, tworząc parę wodną. W tym samym czasie elektrony, już poza stosem, dostarczają energię elektryczną – zależnie od obciążenia, pojedyncze napięcie wynosi od 0,6 do 0,8 V. Całe ogniwo ma łączne napięcie od 230 do 360 V.

Najważniejsze, dodatkowe wyposażenie systemu to:

• Turbosprężarka tłocząca powietrze do ogniw,
• tzw. dmuchawa recyrkulacyjna – odprowadzająca niezużyty wodór z powrotem do anody i zwiększająca w ten sposób wydajność,
• pompa cieczy chłodzącej.

Wszystkie te elementy napędzane są elektrycznie, prądem wysokiego napięcia pochodzącym z ogniwa paliwowego.

By efektywnie chłodzić ogniwo paliwowe, wyposażono je we własny obieg chłodzenia. Wymiennik ciepła oraz termoelektryczny, samoregulujący dogrzewacz, zapewniają przyjemną temperaturę w przedziale pasażerskim.

Ogniwo paliwowe, pracujące w temperaturze ok. 80 stopni Celsjusza, wymaga bardziej złożonego chłodzenia niż porównywalny silnik spalinowy, jest jednak nawet
o 60 procent bardziej wydajne przy starcie. To prawie dwukrotnie więcej niż
w przypadku przeciętnego silnika spalinowego. Samochód może zostać uruchomiony na zimno nawet w temperaturze do -28 stopni Celsjusza.

Audi A7 h-tron : hybryda typu plug-in

Charakterystyczną cechą Audi A7 Sportback h-tron quattro jest jego hybrydowy napęd typu plug-in. To kolejny, po zaprezentowaniu Audi A2 H2 i Q5 HFC, konsekwentny krok koncernu z Ingolstadt w rozwoju tego typu pojazdów testowych. Auto wyposażono w zaadaptowany z modelu A3 Sportback e-tron akumulator litowo-jonowy o pojemności 8,8 kWh, ładowany wprost z gniazdka za pomocą kabla. Akumulator zamontowano pod komorą bagażnika i wyposażono go we własny obieg chłodzenia.

Tego typu wydajna bateria to idealny partner ogniwa paliwowego. Podczas hamowania może magazynować energię pozyskiwaną z rekuperacji, a podczas przyspieszania, przy pełnym obciążeniu, daje dużo mocy. Dzięki temu, przyspieszenie jest imponujące. A7 Sportback h-tron quattro spełnia wszystkie standardy napędu typy quattro. Oś przednia i tylna obywa się przy tym bez połączenia i mechanicznego przenoszenia sił napędowych. W przypadku poślizgu, moment obrotowy obu napędzanych osi może być elektronicznie zmieniany i bezstopniowo regulowany.

Energia pochodząca wyłącznie z akumulatora Audi A7 Sportback h-tron quattro pozwala mu na przejechanie ponad 50 km. Akumulator zamontowany z tyłu pojazdu można naładować podłączając kabel wprost do gniazda elektrycznego. Zależnie od napięcia i siły prądu, pełne ładowanie trwa od dwóch (gniazdo przemysłowe/360 V) do czterech godzin (gniazdo o napięciu 230 V w gospodarstwie domowym).

Akumulator pracuje pod innym napięciem niż ogniwo paliwowe, dlatego między nimi znajduje się przetwornica prądu stałego (DC/DC). Tzw. „trzyportowa przetwornica” znajduje się za stosem. Z reguły wyrównuje ona napięcie, tak by silniki elektryczne mogły pracować ze swoim maksymalnym stopniem sprawności - 95 procent.

Układy elektroniczne znajdujące się zarówno w przedniej, jak i w tylnej części pojazdu, przetwarzają prąd stały z ogniwa paliwowego i akumulatora w prąd zmienny do napędzania silników elektrycznych, wprawiając w ten sposób w ruch osobno przednie i tylne koła.

Oba silniki elektryczne, chłodzone wraz z przetwornicą prądu niskotemperaturowym obiegiem cieczy, pracują synchronicznie i bez przerw. Każdy z nich ma moc 85 kW,
a nawet 114 kW, jeśli napięcie zostanie na krótko zwiększone. Maksymalny moment obrotowy to 270 Nm na jeden silnik elektryczny.

W obudowach silników elektrycznych pracują przekładnie planetarne
z jednostopniowym przełożeniem 7,6:1. Mechaniczna blokada postojowa i funkcja mechanizmu różnicowego uzupełniają cały system.

Nowy napęd e-quattro

Prowadząc Audi A7 Sportback h-tron quattro, kierowca ma możliwość poczucia możliwości oferowanych przez napęd elektryczny współpracujący ściśle z nowym e-quattro. Bezgłośne przyspieszenie jest w pełni dostępne jeszcze przed uruchomieniem właściwej jednostki napędowej, a ogniwo paliwowe, przy pełnym obciążeniu, w sekundę osiąga swą maksymalną moc – dynamiczniej niż silnik spalinowy, ponieważ cały napęd posiada tylko kilka elementów mechanicznych.

Dzięki sile przyspieszenia rzędu 540 Nm, Audi A7 Sportback h-tron quattro o ciężarze własnym zaledwie 1950 kg, od 0 do 100 km/h przyspiesza w 7,9 sekundy. Jego prędkość maksymalna wynosi 180 km/h – wynik najlepszy wśród wszystkich konkurentów. Koncepcja e-quattro wymaga precyzyjnego dopasowania silników elektrycznych względem siebie. Prezentowany pojazd studyjny prowadzi się porównywalnie do samochodu seryjnego wyposażonego w mechaniczny napęd quattro – sportowo, stabilnie, z dobrą trakcją.

Zamiast obrotomierza, na tablicy rozdzielczej znajdziemy wskaźnik informujący kierowcę o aktualnym przepływie mocy. Wykresy po bokach pokazują stan napełnienia zbiornika wodoru i stan ładowania akumulatora. Grafiki na monitorze MMI wizualizują przepływ energii. Gdy kierowca naciśnie przycisk EV, pojazd pojedzie korzystając wyłącznie z energii elektrycznej pochodzącej z akumulatora.

Przełączając z trybu D na tryb S, zwiększamy moc rekuperacji energii odzyskiwanej podczas hamowania, efektywnie ładując tym samym akumulator podczas sportowej jazdy. Hamowanie odbywa się prawie zawsze w czysto elektryczny sposób. Silniki elektryczne funkcjonują wtedy jako generatory i przetwarzają energię kinetyczną samochodu w prąd elektryczny magazynowany w akumulatorze. Dopiero przy energicznym lub awaryjnym hamowaniu, uaktywniają się dodatkowo cztery hamulce tarczowe.

Po prawej stronie pięciodrzwiowego coupé znajduje się pokrywa, a pod nią zawór do tankowania wodoru. Pełne tankowanie H₂ trwa tyle samo co tankowanie konwencjonalnego samochodu – około trzech minut. Zbiorniki komunikują się przy tym z dystrybutorem za pośrednictwem działającego na podczerwień punktu dostępu i wymieniają się danymi na temat poziomu ciśnienia i temperatury.

Emisja zanieczyszczeń hybrydy Audi

Cztery zbiorniki wodoru Audi A7 Sportback h-tron quattro umieszczono pod podłogą bagażnika, przed tylną osią i w tunelu środkowym. Aluminiowy szkielet konstrukcji samochodu pokryty jest od zewnątrz karoserią z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym (CRP). Baki mogą pomieścić ok. pięć kilogramów wodoru pod ciśnieniem 700 barów – wystarczająco dużo, by zagwarantować zasięg ponad 500 km. Według testów spalania paliwa NEDC, Audi A7 Sportback h-tron quattro zużywa zaledwie ok. jednego kilograma wodoru na 100 km – ekwiwalent 3,7 litra benzyny.

W określonych, lokalnych warunkach, pojazd ten już dzisiaj nie emituje do atmosfery żadnych zanieczyszczeń. Jeśli zastosuje się w nim odnawialne paliwo wodorowe, będzie mógł jeździć bezemisyjnie również globalnie. Od roku 2013 cztery pierścienie prowadzą w Dolnej Saksonii pilotażową wytwórnię, w której ekologiczna energia wiatru służy do produkcji wodoru w procesie elektrolizy. Obecnie wodór ten jest używany do produkcji syntetycznego metanu (e-gaz Audi). W przyszłości jednak, gdy wytwórnia będzie przyłączona do mającej powstać sieci zaopatrzenia doprowadzającej  wodór do stacji paliwowych, bez przeszkód będzie można nim tankować samochody z ogniwami paliwowymi. To rozsądna opcja zrównoważonej mobilności eliminująca emisję spalin do atmosfery.

Źródło: materiały prasowe Audi