Как устроен электромобиль
Электромобили (EV — от Electrical Vehicle) — это транспортные средства, работающие на электротяге. В современной классификации «настоящими» электромобилями считаются те, которые обозначаются как BEV (от Battery). К этой категории относятся машины, у которых единственным источником энергии являются аккумуляторы, без дополнительных источников питания.
FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) — это автомобили на электротяге, которые используют топливные элементы для производства электричества. В этих элементах происходит химическая реакция соединения водорода с кислородом, в результате которой вырабатывается электрический ток. Этот ток заряжает батарею, питающую электродвигатель. Отличительной чертой таких автомобилей является то, что они заправляются водородом, а их «выхлоп» — чистая вода. Однако распространение FCEV пока ограничено из-за сложностей с выработкой, транспортировкой, хранением водорода и заправкой им автомобилей.
HEV (Hybrid Electric Vehicle) — это гибридные конструкции, которые совмещают в себе электродвигатель с двигателем внутреннего сгорания. Они пользуются популярностью как у производителей, так и у покупателей. В некоторых странах гибриды приравниваются к электромобилям и получают налоговые преференции, в то время как в других странах они не попадают под льготы или государственные субсидии, так как такие силовые установки лишь снижают выбросы CO₂, но не обнуляют их.
Главные характеристики электромобиля
-Мощность.
Электрокары, такие как Porsche Taycan Turbo S, могут иметь силовую установку мощностью в несколько сотен лошадиных сил благодаря низкому уровню потерь энергии на трение в электродвигателе. Это позволяет им разгоняться быстрее некоторых автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (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.
Большинство электромобилей не нуждаются в выдающейся динамике, так как для ежедневного использования важнее иметь максимальный запас хода. Он определяется ёмкостью батареи. 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 удобной для дневных пробегов в 50–70 км.
Уже существуют модели, способные проезжать по 600–800 километров. С развитием технологий инженеры обещают увеличить запас хода для обычного электрокара до 800–1000 км, что будет сопоставимо с автомобилями, оснащёнными традиционным двигателем внутреннего сгорания.
-Скорость зарядки батареи.
Время, необходимое для полной зарядки электромобиля, зависит от ёмкости батареи и способности аккумуляторов принимать мощный заряд большим током. Также важную роль играет зарядная инфраструктура, которая должна быть способна выдать необходимый ток.
В настоящее время для полной зарядки электромобиля от бытовой сети требуется целая ночь. Однако с помощью мощного зарядного терминала электрокар с современной батареей может пополнить заряд на 80 процентов всего за 40–45 минут.
Главные узлы и системы электромобиля
-Электромотор.
Главный агрегат любого BEV (Battery Electric Vehicle) — это электродвигатель, работа которого основана на принципе действия механической силы на проводник тока, помещённый в магнитное поле. В электродвигателе эта сила вращает вал за счёт электромагнитного взаимодействия подвижной части (ротора) с неподвижным корпусом (статором).
Для привода электромобиля используют бесколлекторные (бесщёточные) моторы. Наиболее эффективным из них является синхронный электродвигатель переменного тока с постоянными магнитами в качестве ротора. Однако у таких моторов есть минусы — высокая цена (при изготовлении магнитов используются редкие металлы) и трудности в управлении из-за постоянного магнитного поля. Поэтому такие моторы применяют в дорогих и мощных электрокарах, например, Porsche Taycan или Jaguar I-Pace.
В электромобилях часто используются электродвигатели с индукционными катушками вместо магнитов, работающие от переменного тока. Они могут быть синхронными, как у Renault Zoe, но чаще всего вращение ротора в них отстаёт от вращения магнитного поля, создаваемого катушками статора. Из-за этого такие моторы называют асинхронными. У них ниже коэффициент полезного действия (КПД), но они проще в управлении. Такими двигателями оснащаются, в частности, Tesla Model S и Audi e-tron.
-Трансмиссия.
Электромобилям не требуется сложная многоскоростная коробка передач и увесистая трансмиссия, как автомобилям с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Это обусловлено тем, что применяемые в электромобилях двигатели развивают высокий крутящий момент с нулевых оборотов, могут раскручиваться до высоких скоростей и менять направление вращения.
Достаточно простого и надёжного понижающего редуктора, обычно в виде планетарной передачи, который пристыковывается 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 — это батарея, которая представляет собой набор элементарных аккумуляторов (ячеек), управляемых системой микроконтроллеров. Батареи различаются по ёмкости, рабочему напряжению (от 350 до 800 вольт для EV), форме и используемым материалам ячеек. Никель-металлгидридные аккумуляторы считаются устаревшими, а наиболее популярными являются литиевые ячейки нескольких разновидностей. В перспективе ожидаются батареи нового поколения, которые сейчас разрабатываются в электротехнических компаниях.
-Инвертор.
Устройство, которое служит связующим звеном между электродвигателем и батареей в электромобиле, называется блоком преобразования тока. Его основная функция — преобразовывать постоянный ток, выдаваемый батареей, в переменный ток, необходимый для работы двигателя. Кроме того, этот блок управляет продольным ускорением или замедлением электромобиля, регулируя потоки энергии от батареи к двигателю и обратно, в том числе при рекуперации энергии во время торможения.
-Аккумулятор.
Устройство, которое служит связующим звеном между электродвигателем и батареей в электромобиле, называется блоком преобразования тока. Его основная функция — преобразовывать постоянный ток, выдаваемый батареей, в переменный ток, необходимый для работы двигателя. Кроме того, этот блок управляет продольным ускорением или замедлением электромобиля, регулируя потоки энергии от батареи к двигателю и обратно, в том числе при рекуперации энергии во время торможения.
-Система охлаждения
В электромобилях (BEV) присутствует система охлаждения, несмотря на то что электрический двигатель меньше греется по сравнению с двигателем внутреннего сгорания. Радиатор и система тепловых магистралей необходимы для тяговой батареи, так как она эффективно работает лишь в ограниченном диапазоне температур. При большой нагрузке, частых переходных циклах разряд/заряд во время движения или при скоростной зарядке сильными токами батарея сильно греется. Также терморегулирование может понадобиться инвертору, через который протекают токи очень высокой силы.
Система охлаждения в электромобиле, работающая в режиме «теплового насоса», способна с минимальными энергозатратами обеспечить комфорт в салоне.
-Зарядный блок
Для контроля процесса зарядки электромобиля используется отдельный электронный блок. Это необходимо, поскольку электромобиль должен уметь принимать заряд из разных источников — от бытовой розетки до специальных сверхмощных терминалов. Терминалы могут быть разных форматов: европейских, американских, японских и китайских. Единого мирового стандарта для зарядных станций пока не выработано. Одни заряжают батареи переменным током, другие — более мощным постоянным, минуя инвертор. Время, необходимое для пополнения запасов энергии, сильно зависит от способа заряда.
-Тормоза
В электромобилях (BEV) присутствуют привычные тормозные механизмы, такие как тормозные колодки, диски, гидромагистрали с тормозной жидкостью, несмотря на возможность замедления за счёт силового сопротивления, которое создаёт электродвигатель в режиме генератора. На практике нагрузка на тормозные механизмы в электромобилях ниже, поэтому тормозные «расходники» изнашиваются намного медленнее.