Как устроен электромобиль

И почему в будущем электромобили заменят машины с ДВС

Какие машины считаются электромобилями

Немного терминологии: электромобили принято обозначать аббревиатурой EV (от Electrical Vehicle), хотя это словосочетание подходит любому транспорту на электротяге, от катеров до самолётов. Более точная аббревиатура EC (Electric Car) почему-то не прижилась, зато имеющуюся теперь часто дополнительно уточняют. В современной классификации «настоящие» электромобили обозначают как BEV (от Battery), причисляя к ним только машины, у которых нет других источников энергии, кроме аккумуляторов.

Вторая категория автомобилей на электротяге — FCEV. В них используются так называемые топливные элементы (Fuel Cell), в которых электри­чество производится прямо «на борту» — с помощью химической реакции соединения водорода с кислородом. Эта реакция проходит без горения — в специальных каталити­ческих ячейках. Машины типа FCEV заправляются водородом, а их «выхлоп» — чистая вода. Генериру­емый электрический ток заряжает батарею, а она, в свою очередь, питает электро­двигатель. Распро­странения FCEV пока не получили — в основном из‑за трудностей с выработкой, транспортировкой, хранением водорода и заправкой им автомобилей.

А вот семейство гибридных конструкций HEV (Hybrid), совмещающих в себе электро­мотор с двигателем внутреннего сгорания, пользуется популярностью и у произво­дителей, и у покупателей. О разно­видностях гибридов мы уже рассказывали подробно. Отметим лишь, что в некоторых странах гибриды ставят в один ряд с электро­мобилями, обеспечивая налого­выми преферен­циями, в других гибриды не попадают под льготы или госсубсидии — потому что такие силовые установки лишь снижают выбросы СО2, но не обнуляют их.

В общем, главный признак настоящего электро­мобиля — это не провод для зарядки, а отсутствие выхлопной трубы.

Ключевые характеристики электромобиля

Мощность. В электродвигателе на порядок ниже потери энергии на трение, он не требует сложной системы смазки и почти не изнашивается. Поэтому многие электрокары сегодня могут похвастать силовой установкой мощностью в несколько сотен лошадиных сил и разгоняются быстрее «заряженных» автомобилей с ДВС. Например, моторы электрического Porsche Taycan Turbo S в сумме развивают 761 л.с. и ускоряют машину до 100 км/ч за 2,8 секунды.

Запас хода.

Впрочем, большинству электро­мобилей не нужна выдающаяся динамика — машине, которая должна ездить каждый день, куда важнее иметь максималь­ный запас хода, который определяется ёмкостью батареи. И если первые серийные электро­мобили с трудом проезжали 100 км от розетки до розетки, то средний пробег современных электрокаров на одной зарядке составляет уже 300–400 км. Это делает эксплуатацию электрических машин — с дневными пробегами в 50–70 км — действи­тельно удобной. Уже есть модели, способные проезжать по 600–800 километров, а с развитием технологий инженеры обещают запас хода для обычного электрокара в 800–1000 км, что сопоставимо с авто­мобилями с традиционным ДВС.

Скорость зарядки батареи. Этот параметр тоже зависит от ёмкости батареи. На скорость также влияют способность аккуму­ляторов «принимать» мощный заряд большим током, а главное — зарядная инфра­структура, которая может выдать необходимый ток. Сейчас электро­мобилям для полной зарядки от бытовой сети требуется целая ночь, но с помощью мощного зарядного терминала электрокар с современной батареей пополнит её на 80 процентов всего за 40–45 минут.

Какими бывают электромобили

С тех пор, как инженеры всерьёз заговорили о переводе авто­мобилей на электротягу, электро­мобили успели пройти длинный путь эволюции. И сегодня их условно можно разделить на несколько поколений.

К первому поколению относятся легковые электро­мобили, созданные из обычных машин. У них ДВС под капотом меняли на электро­мотор с инвертором, а аккумуляторы ставили на место топливного бака и в багажник, серьёзно уменьшая его в объёме. И всё равно большим запасом хода BEV первого поколения похвастать не могли, потому что энергию такие машины расходовали неоптимально — ведь у них сохранялись привычная трансмиссия и прочие атрибуты авто­мобиля. Невысокой была и скорость пере­движения. А плюс у такой конструкции был только один — относи­тельная дешевизна. К первому поколению можно отнести не только много­численные прототипы прошлых лет или серийный RAV4 EV далёкого 1997 года, но и совсем новый «E-Hunter».

Второй ступенью эволюции стали автомобили, лишь частично унифи­цированные с моделями с ДВС, кон­струкция которых специально дорабатывалась под использование электрической силовой установки. В них уже не было обычной трансмиссии, но под размещение электрических узлов шли всё те же «пустующие» полости, которые оставались после отказа от ДВС. Такая конструкция улучшала характеристики электрокара, но ещё не делала его ровней обычному автомобилю. Характерные примеры — Kia Soul EV 2014 года или VW E-Golf 2015-го с батареями под передними сиденьями и в центральном тоннеле, которые были способны проезжать без подзарядки чуть больше 100 километров. Наиболее приспособленным к каждодневной эксплуатации в этом поколении оказался Nissan Leaf — первый в истории электрический «Автомобиль года». У него уже не было аналогов с ДВС, но многие его узлы по-прежнему оставались унифицированными с другими моделями японской марки.

Отсчёт третьего поколения можно вести с седана Tesla Model S — первого серийного электромобиля с плоской батареей под полом салона и двигателем, установленным сзади, где у обычных машин обычно располагается бензобак. Такая компоновка почти невозможна с ДВС из-за размеров силового агрегата, зато в электромобиле даёт ряд преимуществ: электрическая начинка не теснит пассажиров и груз, а тяжёлая батарея под полом положительно влияет на развесовку машины и управляемость. Но главное — сама батарея может иметь большие размеры и, соответственно, большую ёмкость.

Tesla также внедрила двухмоторную схему, в которой каждый электродвигатель приводит свою ось. Помимо очевидных преимуществ полноприводности, это позволяет сделать каждый из электромоторов компактнее и легче. А также увеличить суммарную мощность силовой установки, что улучшает не только динамику, но и экономичность — то есть повышает запас хода на одной зарядке. Парадокса тут нет, ведь мощные моторы — это и мощные генераторы, генерирующие дополнительную электроэнергию при торможениях. Подобным же образом устроен и британский Jaguar I-Pace, который совмещает батарею в полу с приличными внедорожными способностями.

Другие разработчики развили многомоторную идею дальше. Например, в современном Audi e-tron S моторов уже три — каждое заднее колесо приводится своим двигателем, а третий двигатель используется для реализации тяги на передней оси. А у гиперкара Pininfarina Battista вообще четыре электродвигателя, суммарная мощность которых достигает 1900 л.с.!

Четвёртое поколение BEV — это модели (Porsche Taycan, новые электромобили Hyundai и KIA на платформе E-GMP), которые используют ещё более эффективные 800-вольтовые батареи вместо 380–450-вольтовых. Пока они едва ли превосходят достижения Tesla по сумме характеристик, но потенциально могут обеспечить ещё большую автономность хода и ещё более скоростную зарядку.

Основные узлы и системы электромобиля

При различиях в компоновке и эффективности электро­мобили всех поколений имеют много общего в конструкции: набор основных узлов и агрегатов у них практически одинаковый. Рассмотрим их по порядку.

Электромотор. Главный агрегат любого BEV. Работа электро­двигателя основана на том, что на проводник тока, помещённый в магнитное поле, действует механическая сила, и в нём эта сила вращает его вал за счёт электро­магнитного взаимо­действия подвижной части (ротора) с неподвижным корпусом (статором). Добиться этого можно разными методами, поэтому электро­двигатели тоже различаются по конструкции.

Для привода электромобиля используют бесколлекторные (бесщёточные) моторы. Наиболее эффективный из них — так называемый синхронный электро­двигатель переменного тока с постоянными магнитами в качестве ротора. Минусы — цена (при изготов­лении магнитов используются редкие металлы), а также трудности в управлении из-за постоянного магнитного поля. Поэтому такие моторы применяют в дорогих и мощных электрокарах, например Porsche Taycan или Jaguar I‑Pace.

Чаще применяют менее дорогие в производстве электродвигатели с индукционными катушками вместо магнитов, тоже работающие от переменного тока. Они могут быть синхронными (например, у Renault Zoe), но чаще в них вращение ротора отстаёт от вращения магнитного поля, создаваемого катушками статора. Из-за этого такие моторы называют асинхронными. У них ниже КПД, зато они проще в управлении. Такими двигателями оснащается, в частности, Tesla Model S и Audi e-tron.

Трансмиссия. Все применяемые в электромобилях двигатели развивают очень высокий крутящий момент буквально с нулевых оборотов, могут раскручи­ваться до очень высоких скоростей и менять направление вращения. Поэтому электро­мобилям не требуется сложная много­скоростная коробка передач и увесистая трансмиссия, как авто­мобилям с ДВС. Достаточно простого и надёжного понижающего редуктора (обычно в виде планетарной передачи), пристыко­ванного непосред­ственно к мотору. На мощных и быстрых машинах его может дополнять двух­ступен­чатая коробка, позволяющая совместить мощную тягу «на низах» с высокой максимальной скоростью.

Тяговая батарея.

Самый дорогой узел электро­мобиля. Сегодня она пред­ставляет из себя набор элементарных аккумуляторов (ячеек), который управляется целой системой из микро­контроллеров. Батареи различаются по ёмкости, рабочему напряжению (на EV – от 350 до 800 вольт), а также по форме, адаптиро­ванной под компоновку конкретной модели электро­мобиля. Отличаются они и ячейками, при изготовлении которых могут использо­ваться разные материалы. Например, никель-металл­гидридные аккумуляторы уже считаются устаревшими, а самыми популярными признаны литиевые ячейки нескольких разно­видностей. В перспективе должны появиться батареи нового поколения, которые сегодня разрабаты­ваются где-то в недрах электро­технических компаний. Подробнее о типах и устройстве батарей электро­мобилей мы расскажем в отдельном материале.

Инвертор. Устройство, которое служит связующим звеном между электро­двигателем и батареей. Из названия следует, что главное предназ­начение этого блока — преобразо­вание тока, ведь батарея выдаёт и принимает постоянный ток, а мотор работает на переменном. Однако полномочия этой «коробочки» намного шире: она же по команде от педалей электрокара управляет продольным ускорением или замедлением электро­мобиля, регулируя потоки энергии от батареи к двигателю и обратно (при рекуперации на торможении).

Аккумулятор. Казалось бы, при наличии такого мощного источника энергии электро­мобилю уже не нужен обычный 12-вольтовый аккумулятор — но он есть. Стандартная и безопасная в техобслужи­вании низко­вольтовая подсистема требуется для функцио­нирования бортовой электроники и светотехники, электро­усилителей, актуаторов, компрессоров и прочих приводов.

Система охлаждения. Электрический двигатель намного меньше греется, и не требуется мощное охлаждение. Однако в любом BEV всё равно можно встретить и радиатор, и систему тепловых магистралей, которые нужны тяговой батарее. Ведь наиболее эффективно она работает лишь в ограниченном диапазоне температур, а при большой нагрузке, частых переходных цикла разряд/заряд во время движения или при скоростной зарядке сильными токами батарея сильно греется. Терморегулирование может понадобиться и инвертору, через который протекают токи очень высокой силы.

Попутно система охлаждения, работающая в режиме «теплового насоса» (как инверторный кондици­онер в помещениях), способна с минимальными энерго­затратами обеспечить комфорт в салоне.

Зарядный блок. Процесс зарядки электромобиля в реальности намного сложнее, чем может показаться со стороны, поэтому для его контроля в машинах есть отдельный электронный блок. Ведь электрокар должен уметь принимать заряд из разных источников — от бытовой розетки до специальных сверх­мощных терминалов. Которые, в свою очередь, тоже бывают нескольких форматов — европейских, американских, японских и китайских. Единого мирового стандарта для зарядных станций пока, увы, не выработано. Одни заряжают батареи переменным током, другие, фактически минуя инвертор, более мощным постоянным. Сильно зависит от способа заряда и время, которое требуется для пополнения запасов энергии. Тему электрозарядок и сетей, кабелей и коннекторов мы «распутаем» в отдельной статье.

Тормоза. В теории, BEV мог бы обойтись без привычных тормозных механизмов, замедляясь за счёт силового сопротив­ления, которое создаёт электро­мотор в режиме генератора. Но на практике у всех электро­мобилей есть тормозные колодки, диски, гидро­магистрали с тормозной жидкостью и т. д. Зато, поскольку нагрузка на них ниже, тормозные «расходники» электро­мобиля изнашиваются намного медленнее.

Какими электромобили станут завтра

Большинство автопроизводителей уже поставили в приоритет развитие электриче­ского транспорта, причём работают они не одни, а в сотрудни­честве с химиками и электро­техниками. С каждым годом компании увеличивают ёмкость батарей, снижая их стоимость, повышают скорость зарядки от высоко­мощных электро­зарядных станций, расширяют сети ЭЗС, совершен­ствуют электро­двигатели. И чем дальше, тем больше мы увидим электро­мобилей с лучшим сочетанием цены и возможностей.

В Китае уже получили распространение электро­мобили со стандарти­зованными сменными батареями — это один из способов решить проблему долгой зарядки машины. BEV заезжает в бокс, где роботи­зированный механизм снимает с днища опустошённый аккумулятор и ставит на его место заряженный. Операция автомати­ческая, происходит без участия человека и длится не дольше полной заправки топливного бака обычного авто­мобиля. Не исключено, что такая концепция EV в будущем приживётся в странах с большими расстояниями.

Другое перспективное направление — бесконтактные зарядки, подобные тем, что уже используют для смартфонов. Для этого электро­мобиль и парко­вочные ячейки для электриче­ского транспорта оборудуются мощными индукторами, которые могут включаться в автомати­ческом режиме.

Инженеры прорабатывают и вариант бесконтактной передачи энергии на электро­мобили во время движения — от скрытой в дорожном полотне обмотки. Хотя такая технология может оказаться слишком затратной и недостаточно эффективной.

Главным вектором в развитии электрических авто­мобилей останется совершен­ствование батарей. Подсчитано, что если производители добьются увеличения их ёмкости на треть (при текущих размерах и массе), а цена аккумуляторов снизится наполовину, то машины с ДВС тут же проиграют BEV в конкурентной борьбе. А ведь могут ещё «выстрелить» совсем фанта­стические способы запасания электро­энергии — например, технология заправки жидкостных батарей «супер­заряженным» сменным электролитом. Почти как заправка топливом «самобеглых колясок» на заре автомобилизма.