В этой статье мы будем затрагивать одного из самых известных представителей электромобилей - автомобиль Tesla. Электромобили бесшумные и не загрязняют окружающую среду, мечта огромного количества людей. Нереально популярные машины в Норвегии и других скандинавских странах, которые сильно обеспокоены заботой об окружающей среде.
Что там внутри машины?
Давайте мысленно откинем кузов и рассмотрим основные узлы автомобиля. Шасси автомобиля:
Под кузовом можно увидеть асинхронный двигатель (он же индукционный) и инвертор:
В живую это выглядит примерно вот так:
А также платформа из литий-ионных батарей, которая устанавливается на днище автомобиля:
Двигатель и принцип работы
Самым главным узлом в автомобиле является асинхронный двигатель, который разработал великий ученый Никола Тесла. Давайте разберем принцип работы асинхронного двигателя:
Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора и ротора
Как же работает асинхронный двигатель? Асинхронный двигатель – это трехфазный двигатель переменного тока с вращающимся магнитным полем.
Вращающееся магнитное поле образуется в обмотках статора. Оно в свою очередь приводит в движение ротор.
Подключение асинхронного двигателя к трехфазному питанию:
Также нельзя забывать тот факт, что в асинхронном двигателе скорость вращения самого ротора будет меньше, чем скорость вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре двигателя.
Но и это еще не все. Частота вращения такого двигателя зависит от частоты переменного тока, поступающего на его обмотки. Чем больше частота, тем быстрее будет вращаться двигатель. Поэтому, управляя частотой, мы можем управлять вращением двигателя, а следовательно, и скоростью самого автомобиля. То есть все управление автомобилем сводится к тому, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный трехфазный и возможностью менять частОты переменного трехфазного тока. Это простое преобразование постоянного тока в переменный ток нужной частоты делает электромобили простыми и надежными.
Почему асинхронный двигатель лучше ДВС?
График зависимости крутящего момента (Н⋅м) от оборотов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) выглядит примерно вот так (крутящий момент от оборотов ДВС):
Поэтому, соединять вал двигателя ДВС напрямую с колесами – так себе идея.
В этом случае требуется трансмиссия и коробка передач.
Также не забывайте, что линейное движение поршней должно быть преобразовано во вращательное движение. Это очень трудоемкий процесс, так как приходится балансировать весь двигатель, чтобы было как меньше вибраций при работе.
Да и для того, чтобы запустить такой двигатель, нам также понадобится стартер. А как вы знаете, без аккумулятора стартер не заведется. Ну или «с толкача».
Еще один минус ДВС в том, что выдаваемая им мощность очень неравномерна, поэтому надо использовать маховик.
К очевидным минусам ДВС можно также добавить его высокую стоимость, выбросы выхлопных газов в окружающую среду, высокую стоимость топлива, ограниченный ресурс, так как очень много трущихся деталей, низкий КПД, сильный шум, большой вес, замена расходников, а также, как мы уже говорили, требуется обязательно коробка переключения передач.
Зависимость крутящего момента от оборотов электродвигателя на электромобилях выглядит так:
Скорость вращения двигателя может быть от нуля и до 18 000 оборотов в минуту! Как вы видите, почти во всем диапазоне эта зависимость почти равномерная. Значит, нет надобности в трансмиссии и коробке передач.
Если даже сравнивать ДВС и асинхронный двигатель, то можно увидеть существенную разницу весе и выдаваемой мощности. Отношение веса к выдаваемой мощности у ДВС 0,8 кВт/кг, а у асинхронного двигателя 8,5 кВт/кг. Разница более, чем в 10 раз!
Платформа из аккумуляторных батарей
Асинхронный двигатель надо чем-то питать. Поэтому, в электромобилях используется блок-платформа из литий-ионных аккумуляторов. Этот блок из батарей выдает постоянный ток.
Такой блок состоит из маленьких простых li-ion батареек.
Решетка, которая частично держит батарейки, также является радиатором, по которой бежит антифриз.
Такой тип радиатора очень эффективен, так как он охлаждает все батарейки равномерно.
Все эти батарейки собираются в небольшие модули:
Платформа состоит из нескольких таких модулей:
В живую это выглядит примерно вот так:
Антифриз, который охлаждает платформу из батарей, охлаждается в передней части автомобиля на автомобильном радиаторе.
Также можно увидеть, что тяжелая платформа из батареек близко находится к земле, поэтому низкий центр тяжести улучшает управляемость и стабильность автомобиля.
Стоимость такой батареи-платформы более 10 000 долларов, а вес более полтонны. Пока что платформа-батарея является самой дорогой частью автомобиля. Да и вообще, проблема всех электрокаров – это дорогие аккумуляторы.
Инвертор
Как же нам преобразовать постоянный ток, который выдает нам большая аккумуляторная батарея Тесла в переменный ток, который требуется для асинхронного двигателя? Вот здесь в дело вступает инвертор:
Он не только преобразовывает постоянный ток в переменный, но также и контролирует скорость вращения двигателя и его мощность, а следовательно, скорость автомобиля и его ускорение.
Коробка передач
Как же передается вращение от двигателя к колесам?
Для этого используется коробка передач.
В автомобилях Тесла используется простая односкоростная коробка передач, так как крутящий момент двигателя почти равномерный на всех оборотах.
Если разобрать коробку, то можно увидеть ее простую конструкцию:
Вращение вала двигателя приводит к вращению шестеренки, которая передает вращающий момент на колеса автомобиля:
Даже обратный ход достигается тем, что инвертор меняет две фазы на асинхронном двигателе местами, и двигатель будет вращаться в другую сторону:
Рекуперативное торможение
В электромобилях всего две педали (как и во многих других автомобилях с автоматической коробкой передач) и подножка для левой ноги.
На самом же деле управлять автомобилем можно всего с помощью одной педали: педали газа. На английский манер такой способ вождения электрокаров называется one pedal driving. Почему это возможно на электрокарах?
Давайте для начала разберемся, как вообще происходит торможение в простом автомобиле на ДВС?
Когда мы нажимаем педаль тормоза, у нас тормозные колодки прижимаются к тормозным дискам, и автомобиль начинает тормозить. Куда уходит вся кинетическая энергия движущегося автомобиля? Она превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. Можете потрогать тормозные диски после длительного торможения. Они будут очень горячие.
Но вот в электромобилях торможение происходит совсем по другому принципу. Да, там тоже имеются тормозные колодки и диски, но они используются намного реже, чем у авто с ДВС. Как происходит торможение? Как только вы отпускаете педаль газа, автомобиль начинает останавливаться, то есть активируется система рекуперативного торможения. В этом случае двигатель превращается в генератор электрической энергии. Куда уходит энергия от торможения? Если в простых автомобилях она уходила в тепло, то здесь двигатель в роли генератора начинает подзаряжать аккумуляторы. То есть можно сказать, что вся кинетическая энергия автомобиля превращается в электричество и запасается в аккумуляторах. Но почему же происходит процесс торможения? Дело в том, образующееся магнитное в обмотках статора будет тормозить ротор, поэтому и происходит торможение вала двигателя.
Для полной остановки электромобиля потребуется педаль тормоза, которую нажимают в самом конце остановки.
Недостатки электромобилей
Долгое время зарядки. В то время как простой автомобиль с ДВС можно заправить буквально за 5 минут, электромобилю потребуется около часа. Но и здесь опять же есть подвижки, говоря о компании Tesla. В настоящее время Tesla стремится к тому, чтобы сделать время заряда как можно меньше. Для этого она строит так называемые Supercharger stations по всему миру. Эти заправочные станции, как говорят в Тесле, будут совершенно бесплатны, а ваш автомобиль сможет зарядиться на 80% за 30 минут! То есть пока вы пьете кофе, ваш авто уже будет снова готов покорять просторы. Полная зарядка на таких заправочных станциях длится около полутора часов. Пока что таких заправочных станций не так много, но я считаю, что ситуация все равно будет меняться в лучшую сторону.
