Dlaczego autonomiczne floty przechodzą na napęd elektryczny

Autonomiczna jazda nie wymaga elektrycznego układu napędowego, ponieważ kierowanie, hamowanie, percepcja i podejmowanie decyzji są w dużej mierze niezależne od sposobu magazynowania energii napędowej. Związek ten jest praktyczny, a nie nieunikniony: sterowanie, architektura elektryczna, ekonomika floty i rozmieszczenie podzespołów często dobrze ze sobą współgrają, natomiast czujniki i przetwarzanie danych powodują rzeczywisty koszt energetyczny.

Co wnosi napęd elektryczny

Silniki elektryczne szybko i precyzyjnie reagują na polecenia momentu obrotowego. Pomaga to sterownikowi ruchu zapewniać płynne przyspieszenie i koordynować przyczepność na jednej lub kilku napędzanych osiach.

Hamowanie rekuperacyjne zapewnia sterownikowi dodatkowy sposób wytracania prędkości, ale zwiększa też złożoność. Dostępna rekuperacja zmienia się wraz ze stanem naładowania i temperaturą akumulatora, ograniczeniami silnika oraz przyczepnością opon. Zautomatyzowane sterowanie musi łączyć hamowanie rekuperacyjne i cierne, aby żądane opóźnienie pozostawało spójne.

Nic z tego nie czyni samochodu elektrycznego pojazdem autonomicznym. Pojazdy spalinowe i hybrydowe również wykorzystują elektroniczne sterowanie przepustnicą, kontrolę stabilności, elektryczne wspomaganie kierownicy i elektronicznie sterowane hamulce. Korzyść polega na tym, że platformy pojazdów elektrycznych często łączą te elementy sterujące w nowszej architekturze elektrycznej.

Zasilanie i architektura platformy

Stos zautomatyzowanej jazdy wymaga ciągłego zasilania niskonapięciowego dla czujników, komputerów, sieci, systemów czyszczenia i chłodzenia. Akumulator trakcyjny pojazdu elektrycznego może zasilać to obciążenie poprzez przetwornice DC-DC, nawet gdy koła potrzebują niewielkiej mocy.

Akumulator nie zastępuje architektury bezpieczeństwa. Konstrukcje poziomu 3 i poziomu 4 mogą wymagać niezależnych torów zasilania, kontrolowanego wyłączenia i wystarczającego zapasu energii, aby po awarii osiągnąć stan minimalnego ryzyka.

Nowoczesne platformy pojazdów elektrycznych często wykorzystują też scentralizowane lub strefowe przetwarzanie danych, szybkie sieci pokładowe i podsystemy sterowane programowo. Są one przydatne w automatyzacji, ale stanowią wybory projektowe, a nie właściwości napędu elektrycznego. Źle zintegrowany pojazd elektryczny nie zyskuje przewagi wyłącznie dlatego, że ma akumulator.

Rozmieszczenie podzespołów i integracja pojazdu

Platforma deskorolkowa pojazdu elektrycznego może zapewniać elastyczne rozmieszczenie kabiny i wyposażenia, choć akumulator zajmuje znaczną część przestrzeni pod podłogą. Pojazdy autonomiczne projektowane od podstaw mogą wykorzystać brak silnika spalinowego i konwencjonalnej skrzyni biegów, aby inaczej rozmieścić układy chłodzenia, komputery, redundantne zasilanie i przestrzeń pasażerską.

Rozmieszczenie czujników nadal powoduje konflikty. Moduły dachowe wpływają na wysokość i opór aerodynamiczny, nisko umieszczone czujniki zbierają rozbryzgi i brud, zderzaki są narażone na uderzenia, a chłodzenie komputerów konkuruje z potrzebami cieplnymi kabiny i akumulatora.

W prywatnych pojazdach elektrycznych sprzęt zamontowany fabrycznie może obsługiwać kilka funkcji wspomagających w całym okresie eksploatacji pojazdu. Nie gwarantuje on jednak, że obiecana funkcja zostanie zatwierdzona lub udostępniona. Znaczenie mają generacja sprzętu, rezerwa mocy obliczeniowej, zasięg czujników i możliwość serwisowania.

Dlaczego floty preferują pojazdy elektryczne

Ekonomika robotaksówek różni się od prywatnej własności. Duży roczny przebieg zwiększa znaczenie energii i planowej obsługi. Elektryczne układy napędowe mają mniej elementów wymagających rutynowego serwisu, a operator floty może koordynować pojazdy, bazy, ładowanie, czyszczenie i wdrażanie oprogramowania.

Pojazdy elektryczne nie emitują też spalin w miejscu użytkowania, co ma znaczenie na gęsto obsługiwanych obszarach. Całkowity efekt środowiskowy nadal zależy od źródła energii elektrycznej, produkcji pojazdów, pustych kilometrów związanych ze zmianą położenia oraz od tego, czy usługa zastępuje prywatne przejazdy, taksówki czy transport publiczny.

Ładowanie stanowi ograniczenie operacyjne. Flota bez kierowców musi kierować pojazdy do ładowarek, zarządzać kolejkami i utrzymywać zasięg usługi, gdy samochody są niedostępne. Szybkie ładowanie, temperatura akumulatora i jego degradacja stają się parametrami dyspozytorskimi. Robotaksówkę spalinową można szybko zatankować, natomiast flota elektryczna musi wykorzystywać planowanie i infrastrukturę, aby zrównoważyć dłuższe postoje na ładowanie.

Koszt energetyczny automatyzacji

Czujniki i komputery nie działają bez energii. Pobierają prąd, wymagają chłodzenia i mogą zwiększać masę oraz opór aerodynamiczny.

Oak Ridge National Laboratory przetestowało oprzyrządowaną Kię Soul EV z 2015 roku i podało spadek zasięgu o 5.6% z powodu obciążenia czujnikami oraz o 12.2% dla czujników wraz z przetwarzaniem danych w łączonym cyklu UDDS/HWFET. Wartości te opisują jedną platformę badawczą, a nie każdy zautomatyzowany pojazd elektryczny.

W odrębnym, recenzowanym badaniu modelowym oszacowano spadek zasięgu o 5–10% podczas jazdy podmiejskiej i o 10–15% podczas jazdy miejskiej dla ocenianych konfiguracji zautomatyzowanych pojazdów elektrycznych. Badanie wykazało, że obciążenie obliczeniowe miało większe znaczenie przy wolniejszej jeździe miejskiej, natomiast opór aerodynamiczny czujników był istotniejszy przy wyższych prędkościach podmiejskich.

Wyniki pojazdów produkcyjnych mogą znacznie się różnić wraz z rozwojem czujników, układów scalonych, chłodzenia i rozmieszczenia podzespołów. Trwały wniosek jest taki, że obciążenie automatyzacją należy uwzględniać w bilansie energetycznym pojazdu. Podawanie sprawności napędu z pominięciem układu pomocniczego o mocy rzędu kilowatów zniekształcałoby obraz rzeczywistego użytkowania.

Automatyzacja może również zmienić zużycie energii podczas jazdy

Płynna regulacja prędkości, przewidywanie i planowanie trasy mogą ograniczyć niepotrzebne przyspieszanie i hamowanie. Z drugiej strony ostrożne zachowanie, objazdy, puste przejazdy w celu zmiany położenia i dodatkowe kilometry mogą zwiększyć zużycie energii.

Sprawność pojazdu i sprawność systemu transportowego to dwie różne kwestie. Jeden zautomatyzowany pojazd elektryczny może zużywać mniej energii na kilometr, podczas gdy flota zwiększa łączną liczbę przejechanych kilometrów. Twierdzenia dotyczące zrównoważonego rozwoju muszą zatem wskazywać jednostkę porównania: na pojazd, pasażerokilometr, przejazd lub w skali całego systemu transportowego.

Co powinni sprawdzić nabywcy pojazdów elektrycznych

W przypadku funkcji konsumenckiej należy sprawdzić:

poziom automatyzacji i rolę kierowcy;
obsługiwane rynki, drogi, prędkości i warunki pogodowe;
wymagany sprzęt i jego zgodność z dokładnym rokiem modelowym;
czy funkcja jest wliczona, oparta na subskrypcji lub zależna od późniejszej aktualizacji;
monitorowanie kierowcy i zachowanie awaryjne;
wymagania dotyczące czyszczenia czujników i kalibracji po naprawie; oraz
czy zużycie energii zmienia szacowany zasięg lub pobór energii podczas postoju.

Nie należy płacić za przyszły poziom automatyzacji w przekonaniu, że zainstalowany sprzęt gwarantuje jego udostępnienie. Zatwierdzenie, dojrzałość oprogramowania i domena operacyjna są częścią produktu.

W przypadku flot pytania obejmują ponadto przepustowość ładowania, moc w bazie, czyszczenie, dostępność, pomoc zdalną, reagowanie na incydenty i puste przebiegi wymagane do zrównoważenia podaży.

Elektryfikacja i automatyzacja wzajemnie się wzmacniają, gdy są projektowane łącznie. Pozostają jednak odrębnymi technologiami, z którymi wiążą się odrębne twierdzenia.