מכוניות חשמליות נוגסות בנתח גדל והולך של מכירות רכב בארץ ובעולם אבל שפת הדיבור עודה מתעצבת, ולא מעט בעלי רכב ומתעניינים נחשפים לטעויות ולהטעיות במושגי יסוד של חשמל.
רבים עושים שימוש מוטעה במונחים כמו "קילוואט", "קילוואט שעה" או "וולט" ו"אמפר" – וזה יוצר אי הבנות לגבי ביצועי הרכב, קצב טעינה, יעילות שימוש ועלות הבעלות הכוללת.
כתבה זאת נועדה לעשות סדר בשמונה מושגים מתחום החשמל שרלוונטיים לבעלות על רכב חשמלי, ולהסביר את ההשלכות המעשיות שלהם על בעלי הרכב.
1. הספק
אחד משני המושגים החשובים ביותר לכל בעל רכב חשמלי הוא ההספק – גם של המנוע או כלל המנועים שמניעים את הרכב וגם של עמדות טעינה שטוענות את הסוללה.
מנוע חשמלי ממיר אנרגיה, כלומר שהוא יכול לקבל אנרגיה חשמלית ולהמיר אותה לאנרגיית תנועה או להיפך: לקבל תנועה ולייצר חשמל. בשני הכיוונים אפשר למדוד "הספק" – כלומר את כמות האנרגיה החשמלית שמומרת במנוע בכל יחידת זמן (למשל שניה או שעה) כדי לבצע עבודה או פעולה.
הספק חשמלי נמדד ביחידה שנקראת ואט (Watt), וזאת מכפלה של המתח החשמלי (שנמדד ביחידה שנקראת וולט) בזרם החשמלי (שנמדד ביחידה שנקראת אמפר). קילו, ביוונית, הוא "אלף", ויחידת המידה הנפוצה ביותר בשימוש יום יומי לתיאור הספק חשמלי היא קילוואט, שמסומנת ב-KW ומשמעותה אלף וואט.
אז למה זה קצת מבלבל?
אולי מפני שכשמדובר בהספקי מנועים יש יחידת מידה הרבה יותר מוכרת ונפוצה שמתארת בדיוק את אותו דבר: כוח סוס. גם כוח סוס היא יחידת מידה שמתארת הספק, וכדי להציג את אותו ערך בקילוואטים מבצעים המרה חשבונית פשוטה שלא ניכנס אליה כאן כדי שלא להעיק.
גם לעמדת טעינה יש הספק וגם הוא מוצג בקילוואטים, אלא שבמקרה הזה לא מתואר הספק מנוע במובן של ביצוע עבודה אלא במובן של קצב העברת אנרגיה בין מקור אנרגיה לבין סוללה חשמלית או להיפך.
עמדות טעינה ציבוריות, שטוענות את הרכב בזרם ישר (DC), יכולות לספק בישראל עד כ-350 קילוואט (ובחו"ל גם הרבה יותר), אבל הספק הטעינה בפועל נקבע על-ידי מערכת ניהול הסוללה ששולטת בהספק שהסוללה מסוגלת לקבל.
עמדות טעינה ביתיות טוענות בזרם חילופין (AC) ובהספקים נמוכים משמעותית, ומכיוון שהסוללה ומערכת ההנעה ברכב פועלת עם זרם ישר נדרש ממיר שהופך את הזרם הרגיל של רשת החשמל הארצית (AC) לזרם ישר.
חשוב לדעת שישנם כלי רכב שלא מסוגלים לנצל את מלוא ההספק אפילו של עמדות ביתיות ועוד יותר חשוב לדעת שהמשמעות המעשית היא שצריך להכיר את יכולות הטעינה של רכב שבו מתעניינים. ככל שעמדת הטעינה ומערכת ניהול הסוללה מאפשרות קצב טעינה גבוה יותר – כך מצטמצם משך הזמן שנדרש כדי לטעון סוללה, בין אם בעמדה הביתית ובין אם בעמדה ציבורית.
2. תכולת אנרגיה
המושג השני החשוב ביותר לבעלי רכב חשמלי הוא תכולת האנרגיה של הסוללה ברכב (או "קיבולת סוללה") שנמדדת בקילוואט-שעה, ואפשר להתייחס אליה כאל "כמות של אנרגיה חשמלית". מה שמבלבל במושג הזה זה ראשית לכל השימש החוזר במושג "קילוואט" וגם ההתייחסות למשך זמן של שעה.
מפני שאם רוצים לפשט דברים אפשר היה לחשוב על קילוואט-שעה כמו על הנפח של מיכל הדלק ברכב שלכם, למרות שנפח מחושב בליטרים ובכלל לא קשור לזמן…
בניסיון להמחיש את הדברים בדרך אחרת אפשר לחשוב על הדלק במיכל לא כמו על נוזל שממלא נפח אלא על האנרגיה הפוטנציאלית שהנוזל הזה מכיל (כמה עבודה הבנזין הזה יכול לעשות).
אז מה זה "קילוואט-שעה"?
קילוואט-שעה היא מידת כמות אנרגיה. זאת לעומת "קילוואט", שמייצג מידת כוח. ה"אנרגיה" מתארת את הפוטנציאל להספק או לייצור עבודה, ואילו הכוח הוא ההספק עצמו – קצב הייצור של עבודה או הקצב שבו מנוע או צרכן אנרגיה אחר משתמש באנרגיה.
כאשר סוללה של רכב חשמלי מספקת קילוואט אחד במהלך שעה שלמה מתרוקנת ממנה אנרגיה שוות ערך לקילוואט שעה, וגם להיפך: אם טוענים לתוך הסוללה הזאת במשך שעה אנרגיה בהספק של קילוואט אחד נוסף לה קילוואט-שעה אחד (וכמובן שלצורך הפשטות אנחנו מתעלמים מאובדני האנרגיה).
3. זרם חשמלי
זרם חשמלי הוא תנועה של אלקטרונים בתוך מוליך והוא נמדד ביחידה שנקראת 'אמפר'. היות שקשה לדמיין אלקטרונים מתרוצצים בתוך כבל מתכת אפשר לחשוב על צינור גומי שמשקים איתו את הגינה, ובמיוחד על הקוטר של הצינור.
ככל שהקוטר גדול יותר כך אפשר להעביר דרך הצינור יותר מים ביחידת זמן, וככל שה"אמפר" גבוה יותר גם קצב הזרימה של הזרם החשמלי או כמות המטען החשמלי שעובר בו בכל רגע גבוהים יותר.
ברשת החשמל הביתית ישנם מעגלים ("צינורות") שמספקים בדרך כלל עד 16 אמפר, ואם צריכת החשמל גבוהה יותר יש נתיך ("פיוז") שקופץ כדי שהמוליכים לא יתחממו יתר על המידה. ישנם גם מעגלי 25 אמפר אבל כאשר רוצים לצרוך כמויות גדולות יותר של חשמל עושים שימוש ברשת ביתית תלת-פאזית, אשר תומכת במעגלים שמספקים יחד 32 אמפר, כלומר זרם חזק יותר.
בהתאם לכך ישנם מטענים ועמדות טעינה ביתיות שמספקות בדרך כלל בין 16 ל-32 אמפר. ככל שמתאפשר זרם גבוה יותר כך אפשר לצרוך יותר אנרגיה ביחידת זמן. למשל, אם התשתית הביתית מאפשרת להגיע רק ל-16 אמפר – הספק הטעינה יהיה נמוך וכך גם קצב הטעינה.
4. זרם ישר וזרם חילופין
אמרנו – זרם חשמלי הוא תנועה של אלקטרונים בתוך מוליך, ובמעגלים הפשוטים ביותר זורם זרם ישר (Direct current) שהוא זרימה חד-כיוונית של מטען חשמלי, למשל דרך מוליך כמו חוט מתכת, וגם דרך מוליכים למחצה, מבודדים, או אפילו דרך ריק (ואקום).
שימוש ראשון בזרם חשמלי ישר (DC) בוצע כבר בשנת 1800 על-ידי הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה וכ-70 שנים לאחר מכן החלו להפיק זרם כזה בתחנות כוח. ברשתות חשמל ארציות נעשה כיום שימוש בלעדי בזרם ישר בכבלים תת-ימיים למרחקים ארוכים, ושימוש אלטרנטיבי נעשה בו לצורך העברת כמויות גדולות במיוחד של אנרגיה, להנעת חלק מן הרכבות החשמליות ועוד. סוללות ולוחות סולאריים פועלים אך ורק בזרם ישר.
זרם ישר משמש גם בכל כלי הרכב בעולם, כולל אלה עם מנועי בעירה: מערכת ה-12 וולט ברכב – החל מן המצבר והמתנע וכלה בבקרת האקלים – פועלות בזרם ישר למרות שהוא נוצר במקור באלטרנטור שמייצר זרם חילופין. מן האלטרנטור מוזרם החשמל למיישר זרם שהופך אותו לזרם ישר.
ברכב חשמלי יש בדרך כלל שתי מערכות זרם ישר: אחת, במתח של 12 וולט, מספקת חשמל לכל צרכני החשמל שקיימים בכל כלי רכב, והמערכת האחרת, שפועלת בדרך כלל במתח של כ-200-800 וולט, מספקת כוח למערכת ההנעה של הרכב.
בראשית עידן ייצור החשמל לא התאפשר להפחית בדרך יעילה את המתח של זרם ישר כך שיהיה אפשר להשתמש בו במכשירי קצה ביתיים, ולכן נעשה שימוש בזרם חילופין (Alternating Current), שהוא זרם חשמלי שמשנה כיוון וגודל ברציפות. זרם חילופין (AC) מאופיין במחזור שצורת הגל שלו היא סינוס שבמחצית התקופה החיובית שלו תואמת כיוון אחד ("חיובי") ולהיפך. בכל רחבי העולם מופצת אנרגיה חשמלית ברשתות החשמל הארציות כזרם חילופין מכיוון שזאת השיטה היעילה ביותר להעברת כוח דרך קווי חשמל מבחינת אובדני אנרגיה ומינימום יצירת חום כתוצאה מן ההתנגדת של המוליך (חוט החשמל).
הזרם שמספקת חברת החשמל לבית או לעסק שלכם הוא זרם חילופין (AC), וזה גם סוג הזרם שמספקת עמדת הטעינה הביתית לרכב החשמלי. היות שמערכת החשמל ברכב עושה שימוש בזרם ישר (DC) – נעשה שימוש ב"מיישר זרם" שמבוסס על רכיבים אלקטרוניים שמאפשרים לזרם לזרום רק בכיוון אחד.
5. מתח
כאמור, הספק חשמלי הוא המכפלה של המתח החשמלי שנמדד ביחידה שנקראת וולט בזרם החשמלי שנמדד ביחידה שנקראת אמפר. אם מגבירים את המתח החשמלי בלי לשנות את הזרם מקבלים יותר הספק, וכך גם אם מגדילים את הזרם בלי לשנות את המתח.
ההספק החשמלי – מכפלת המתח בזרם, נמדד ברגע ספציפי, וכאשר מכפילים את המידה הזאת ביחידת זמן מתקבלת כמות האנרגיה שנצרכת או נאגרת (שנמדדת בקילוואט-שעה).
נשים בצד את ההגדרה הפיזיקלית ונתייחס למתח חשמלי כאל "לחץ" שמניע מטען חשמלי דרך מוליך, ולשם הפשטות נחזור אל צינור ההשקיה ונחשוב על לחץ המים שבתוכו. ככל שהלחץ הזה עולה בלי לשנות את הזרם כך "זורמת" במוליך יותר אנרגיה.
המתח המקובל ברשת החשמל הישראלית הוא 220 וולט (לעומת 110 וולט בארה"ב וביפן), וזה גם מתח העבודה המקובל בעמדות טעינה ביתיות עם זרם חילופין (AC).
תחום נוסף שבו אנחנו פוגשים מתח חשמלי הוא הארכיטקטורה החשמלית של כלי הרכב. למשל, BYD הציגה לאחרונה ארכיטקטורה של 1,000 וולט, ואחד היתרונות שלה הוא שהיא מאפשרת להשיג הספקים גבוהים תוך שימוש בזרם נמוך יותר (מפני שהספק הוא מכפלת המתח בזרם), וכך גם לגבי טעינה של הסוללה.
זרם נמוך מאפשר להשתמש במנועים קטנים יותר פיזית ובכבלים דקים וקלים יותר וכך לייצר פחות חום ולחסוך במשקל הכולל.
6. סוג חיבור וקצב טעינה
בהתאם לסוג הזרם – ישר או חילופין – ישנם שני סוגי חיבורים בין רכב חשמלי לבין עמדת טעינה. משתמש טיפוסי ברכב חשמלי טוען את הרכב שלו רוב הזמן בעמדה ביתית שמחוברת לתשתית זרם חילופין (AC) והחיבור הנפוץ ביותר לעמדה כזאת נקרא TYPE 2 ונמצא משני הצדדים – גם בעמדת הטעינה (אלא אם החיבור אליה קבוע) וגם ברכב עצמו.
תיאורטית קיים גם חיבור TYPE 1 שהיה נפוץ יותר בארה"ב ובמספר מדינות וכדי להתאים בינו לבין עמדת טעינה ציבורית או ביתית נדרש מתאם או כבל עם מתאם. בטעינה כזאת, שהיא איטית מאוד אך מתאימה לכלים תפעוליים שונים, נעשה שימוש ב"מטען סבתא" (בהספק של כ-2.3 קילוואט) או במטען ביתי (בהספק של כ-3.6 קילוואט) ושניהם פועלים על תשתית חד פאזית עם זרם חילופין (AC). ההספק המרבי של טעינה ברמה 1 הוא 7 קילוואט.
טעינה ברמה 2 (TYPE 2) היא כאמור הנפוצה ביותר ומבוצעת באמצעות עמדות טעינה ביתיות או ציבוריות שמאפשרות קצב טעינה של בין 7 ל-22 קילוואט וגם הן פועלות עם זרם חילופין (AC).
בטעינה ברמה 3, שנקראת גם "טעינה מהירה", נעשה שימוש במטעני זרם ישר (DC) בעמדות ציבוריות. מטענים כאלה בישראל מספקים יותר מ-43 קילוואט, והעמדות החזקות ביותר שהותקנו עד היום אצלנו מספקות מקסימום 350 קילוואט.
תקן הטעינה הנפוץ ביותר בישראל הוא CCS2 אולם קדם לו תקן יפני שנקרא CHAdeMO, והוא עוד עשוי לעשות קאמבק בעתיד. ברבות מעמדות הטעינה הציבוריות בישראל יש תקעים לשני התקנים.
7. טווח נסיעה
זה כמובן לא מושג שלקוח מתחום החשמל אבל הוא מאוד רלוונטי ועושה שימוש במונחים שנזכרו כאן.
בקירוב, כאשר יודעים מהי תצרוכת האנרגיה הממוצעת של מכונית חשמלית – שנמדדת בקילוואט, ויודעים מה תכולת האנרגיה של הסוללה, שנמדדת בקילוואט-שעה – אפשר להעריך מה יהיה טווח הנסיעה המרבי של אותה מכונית עם סוללה טעונה, אם כי לעולם לא כדאי להגיע למצב שבו הסוללה התרוקנה לגמרי.
לדוגמה, למכונית שצורכת בממוצע 20 קילוואט-שעה ל-100 ק"מ ויש לה סוללה עם תכולת אנרגיה של 80 קילוואט-שעה – יש טווח נסיעה תיאורטי של 400 קילומטרים וטווח ריאלי של כ-360 קילומטרים בהנחה שלא רוצים להזיק לסוללה או להישאר עם הלשון בחוץ.
ההתייחסות אל כמות החשמל שנצרכת בכל קילומטר או 100 קילומטרים של נסיעה דומה מאוד למה שכולנו מכירים בעולמות מנועי הבעירה כ"תצרוכת דלק". במקום לחשוב על כמות הבנזין או הסולר שנשרפים בכל קילומטר או 100 קילומטרים אפשר לחשוב על "תצרוכת אנרגיה", ובמידה רבה היא מושפעת מאותם תנאי נסיעה: כאשר מאמצים את המנוע צורכים יותר אנרגיה.
טווח הנסיעה נקבע על ידי כמות האנרגיה הזמינה לשימוש שנמצאת בסוללה (ונמדדת בקילוואט-שעה) ובתצרוכת החשמל שנקבעת על-ידי רגל ימין של הנהג או הנהגת ונמדדת ב"וואט-שעה לקילומטר" או "קילוואט-שעה ל-100 קילומטר". שני ההבדלים הגדולים, אגב, הם ראשית לכל שברכב חשמלי יכולה אותה רגל ימין גם "לייצר" אנרגיה, לפחות במידה מסוימת: כאשר בולמים את הרכב – חלק מההאטה שלו מבוצעת על-ידי בלימה רגנרטיבית שמייצרת חשמל ומחזירה אותו לסוללה. בנוסף, כאשר עומדים בפקק "משלמים" בעיקר על מיזוג האוויר אבל לא על מנוע שפועל בסרק.
8. מצב הטעינה
מצב הטעינה (SOC) מתאר את "רמת הטעינה" הנוכחית בסוללה של הרכב החשמלי, או את כמות האנרגיה שנותרה בסוללה, והוא מבוטא בדרך כלל באחוזים ביחס לסוללה טעונה במלואה.
למען הנוחות אפשר להתייחס לנתון הזה כמו אל מד דלק בכל רכב עם מנוע בעירה, ולקבל תחושה של כמה הסוללה "מלאה" בכל רגע נתון.
מכירים מונחים חשובים נוספים שכל בעל רכב חשמלי חייב להכיר – או דרך הצגה נוחה יותר של אלה שהצגנו כאן? כתבו לנו אל editor.thecar@gmail.com
לקריאה נוספת:
כל האמת על תקן טווח הנסיעה הסיני CLTC לרכב חשמלי
איך לא חשבו על זה קודם? טסלה פיתחה מערכת ניהול תור
סיבה למסיבה: עיריית ירושלים הקימה 4 עמדות טעינה חינמיות לרכב חשמלי
