Устройство электромобиля

Привычный автомобиль работает благодаря двигателю внутреннего сгорания (ДВС). В него подается смешанное с воздухом топливо, которое воспламеняется в цилиндрах, а полученный по сути взрыв смеси приводит в действие коленчатый вал. Таким образом выделяющаяся тепловая энергия становится механической, которая заставляет работать все остальные узлы авто. Электромобили функционируют иначе: в них основной элемент — батарея. Она подает энергию к электромотору, который в свою очередь приводит в движение колеса. Устройство электрокаров выглядит проще, чем у автомобилей с ДВС. В них нет сложной трансмиссии со многими передачами, отсутствует специальный механизм, передающий крутящий момент на колеса (дифференциал), нет объемного топливного бака, радиаторов и т. д.

Содержание

• Терминология, связанная с электромобилями

• Разновидности электромобилей

• По платформе

• По использованию ДВС

• Основные характеристики электромобилей

• Как устроены электромобили

• Преимущества и недостатки электромобилей

• Преимущества

• Недостатки

• Заключение

Терминология, связанная с электромобилями

В международной практике электрифицированные автомобили принято обозначать EV, а если они приводятся в движение только за счет электротяги без применения ДВС, то BEV (расшифровка: Battery Electric Vehicle).

Более подходящее обозначение — EC (Electric Car), однако оно почти не используется. EV является более распространенной аббревиатурой, которая дополняется, чтобы подчеркнуть принадлежность именно к автомобилю.

Разновидности электрифицированных автомобилей

Для EV не разработана специализированная общепринятая классификация. Разделить эти машины можно по используемой платформе, по типу привода и батарей, а также по применению ДВС в конструкции.

По платформе

Платформа — конструктивное решение, на котором базируется автомобиль. Именно к ней «привязываются» основные элементы и узлы: подвеска, коробка передач, моторы, кузов и пр. В просторечии ее иногда называют «тележкой».

С использованием платформы с ДВС. Ряд автоконцернов не разрабатывал специализированные платформы, а использовал конструкции, созданные изначально под машины с ДВС. Чтобы изготовить электроавтомобиль, в таком случае минимально изменяется компоновка: убираются старые узлы, на их месте размещаются новые. Например, электромотор заменяет ДВС, а компактная батарея помещается на полу салона или багажнике. Подобное техническое решение без отдельной платформы широко распространено в гибридных автомобилях, также его использовали на заре популярности электромобилей. Сейчас многие автопроизводители предпочитают создавать отдельную «тележку», на которой будет место под мощный электромотор, может не один, и под емкую батарею.

С использованием специальной платформы для электромобиля. Такие транспортные средства изначально задуманы как электрические. Платформа предусматривает место для большой батареи (обычно под полом салона), одного или нескольких электродвигателей. Установить ДВС в такую конструкцию уже невозможно. У подобной компоновки есть практическое преимущество: под капотом появляется дополнительное место для багажа.

По использованию ДВС

EV разделены по тому, используется ли в них ДВС.

Мягкие гибриды (MHEV). Это машины с двигателем внутреннего сгорания, в которых небольшая 48-вольтовая батарея в сочетании со стартер-генератором и блоком управления рекуперацией улучшает разгонную динамику и позволяет сократить количество вредных выхлопов. Система одновременно делает автомобиль более эффективным и экологичным. Пример — Geely Atlas Pro.

Гибриды (HEV). Этим словом обозначают машины, в которых установлен ДВС небольшого объема, работающий вместе с электромотором попеременно в зависимости от обстоятельств. Это компромиссное решение, которое позволяет добиться динамичного разгона, избежать быстрого разряда батареи и меньше вредить окружающей среде. Современные гибриды бывают, как правило, последовательными (EREV, т. е. Extended Range Electric Vehicle), в которых ДВС не связан непосредственно с ведущими колесами и работает только как бензогенератор. Также существуют более сложные и эффективные параллельно-последовательные с подзаряжаемой в основном от внешней сети батареей (PHEV, т. е. Plug-in Hybrid Electric Vehicle). Пример — Lynk & Co 09 E-MP.

Чистые электромобили (BEV). Машины, в которых работает только электромотор и батарея большой емкости. Такие транспортные средства обеспечивают нулевые выбросы в атмосферу во время эксплуатации. Пример — Geely EX5.

Основные характеристики электромобилей BEV

Кратко и понятно разберем параметры, на которые нужно обращать внимание при выборе электрокара.

Мощность. Этот параметр указывают в киловаттах и лошадиных силах. Как правило, в технических характеристиках прописано максимальное значение, которое двигатель способен показывать в течение очень короткого промежутка времени. Но чем выше максимум, тем выше и средний показатель мощности (чаще всего для целей налогообложения используется понятие 30-минутной мощности).

Крутящий момент. От этого показателя зависит интенсивность разгона автомобиля. Измеряется момент в ньютон-метрах (Н·м). В отличие от двигателей с ДВС электромоторы способны сразу же выдавать максимальный крутящий момент. Это позволяет электрокарам разгоняться значительно быстрее.

Емкость батареи. Аккумулятор обеспечивает энергией электродвигатель и все остальные системы машины. Чем больше его емкость, тем дольше авто сможет проехать без подзарядки. Измеряется этот показатель в киловатт-часах (кВт·ч). Как правило, в рамках одной модели емкость может быть разной в зависимости от комплектации. Например, в Geely EX5 предлагаются батареи 49,5 кВт·ч или 60,2 кВт·ч.

Время зарядки. Чтобы пользоваться электромобилем было удобно, он должен заряжаться достаточно быстро. На то, сколько времени занимает этот процесс, влияет сразу несколько факторов. Во-первых, температура воздуха: в жару и холод эффективность зарядки снижается. Во-вторых, мощность тока: на так называемых быстрых станциях работают установки, которые могут обеспечить полный заряд за 40-60 минут, а 80-процентный — менее чем за 20. При использовании бытовой сети переменного тока время вырастает и может доходить до 24 часов. В-третьих, состояние батареи: старые или полностью разряженные батареи заряжаются медленнее. Обычно в технических характеристиках указывают минимальное время зарядки с помощью самой мощной станции.

Запас хода. Сколько автомобиль может проехать на одном полном заряде батареи. Показатель измеряется в километрах. Как и с бензиновыми двигателями, существует несколько стандартов измерения запаса хода. Каждый из них предполагает тесты в разных режимах движения. Как правило, в реальности этот показатель оказывается меньше, потому что на автомобиль действуют различные внешние факторы, которые невозможно воспроизвести в лаборатории. Например, автомобиль Geely EX5 тестировали по циклам WLTP и CLTC (международному и разработанному в Китае). Запас хода у этой модели от 440 до 530 км в зависимости от цикла и емкости батареи.

Как устроены электромобили

Чтобы разобраться в принципе работы электромобиля, рассмотрим его составляющие части, которые складываются в общую схему.

Электромотор. Он получает энергию от батареи и трансформирует ее в механическую энергию вращения вала. В двигателе есть две части: ротор и статор. Первый подвижный, второй — неподвижный. На обеих частях установлены электромагниты, которые ориентированы друг к другу одинаковыми полюсами. Отталкиваясь друг от друга, они раскручивают ротор. Зачастую в электромобилях применяют двигатели переменного тока.

Инвертор. Из аккумулятора выходит постоянный ток, который для питания двигателя нужно преобразовать в переменный. Эту задачу решает инвертор, который передает ток нужной частоты в зависимости от того, как сильно человек нажимает на педаль акселератора.

Аккумуляторная батарея. Она представляет собой структуру с ячейками, объединенными в одну энергосистему. Каждая ячейка — цилиндрическая литий-ионная батарейка, напоминающая по устройству стандартные модели формата AA или AAA. Их можно менять блоками или по одной по мере деградации или выхода из строя в процессе эксплуатации. Существуют и другие подходы к архитектуре батарей, но описанная выше является наиболее распространенной.

Система охлаждения. Когда батарея потребляет или отдает электроэнергию, выделяется большое количество тепла. Необходимо не допускать перегрева, который может привести к возгоранию или взрыву. В некоторых моделях система охлаждения развита до уровня системы терморегулирования, так как она не только понижает температуру батареи, но и подогревает ее в мороз. Принцип работы похож на аналогичный у ДВС (радиатор, расширительный бачок, жидкость, насос, вентилятор), но охлаждению подвергается не мотор, а батарея.

Система рекуперации. Применительно к электромобилям часто используют фразу «управление одной педалью». Это отчасти правда, потому что ускорение и торможение благодаря системе рекуперации (т. е. использованию энергии торможения для подзарядки батареи), можно выполнять в основном педалью акселератора. Когда водитель отпускает педаль акселератора энергия движения преобразуется в электричество и заряжает аккумулятор. При включенной рекуперации достигается оптимальный показатель экономичности, а запас хода приближается к максимальному. Система лучше всего проявляет себя в городе, когда во время движения нужно часто замедляться. На трассе она активируется редко, потому что авто практически постоянно движется с одной скоростью.

Зарядное устройство. Необходимо для контроля заряда батареи, чтобы энергия равномерно распределялась по всем ячейкам, не было перезаряда и перегрева. Данное устройство контролирует процесс заряда как постоянным, так и переменным током. Во втором случае переменный ток преобразуется в постоянный. В зависимости от степени заряженности батареи зарядное устройство контролирует силу тока, чтобы предотвратить повреждение и перегрев батареи.

Трансмиссия. Для достижения высоких показателей крутящего момента в электромобилях не нужны сложные устройства в виде коробки передач. В большинстве моделей установлен простой односкоростной редуктор, который не переключает передачи, а уменьшает скорость и повышает крутящий момент на колесах. У него только два положения — движение вперед и назад.

Преимущества и недостатки электромобилей

Как у любой системы, у электромобиля есть плюсы и минусы. Сравним их с моделями, оснащенными ДВС.

Преимущества

Динамика. Электромобили быстро разгоняются, потому что сразу получают высокий крутящий момент. Они достигают скорости 100 км/ч в среднем на 2-3 секунды быстрее аналогов с ДВС.

Энергоэффективность. КПД у ДВС составляет около 25-40%, а электродвигатель показывает около 88-95%.

Низкий ущерб для окружающей среды. У электромобилей нет вредных выхлопов, поэтому во время эксплуатации они не вредят экологии. Положительный эффект будет ниже, если электростанция, подающая энергию для зарядки, сжигает уголь или нефть. Максимальная чистота достигается в регионах, запитанных от АЭС, ГЭС или электростанций на возобновляемых источниках (солнце, ветер).

Простота конструкции. В электромобилях нет многих сложных систем, которые присутствуют в моделях с ДВС. Благодаря отсутствию большого количества запчастей (масло, фильтры, свечи и пр.) обслуживание становится дешевле, а поломки — реже.

Низкая стоимость владения. Стоимость технического обслуживания электрокаров существенно ниже, чем у машин с ДВС, и зачастую сводится к периодическому осмотру и замене воздушного фильтра салона. Даже тормозные колодки на электрокарах служат многократно дольше из-за использования рекуперативного торможения, не говоря уже про отсутствие необходимости замены моторного масла, воздушного фильтра мотора, топливного фильтра и т. п.

Недостатки

Деградация батареи. С течением времени емкость аккумулятора снижается, из-за этого сокращается запас хода. Однако данный процесс в современных электромобилях протекает значительно медленнее, чем в бытовых приборах (смартфоны и прочие гаджеты), так как в батареях электромобилей используют иные химические элементы, присутствует система контроля и регулирования температуры. Производители электромобилей готовы давать многолетние гарантии на батареи, в том числе и на уровень деградации устройства с течением времени. Например, для Geely EX5 гарантийный период - 8 лет или 150 тысяч км пробега, а расчетный срок службы эквивалентен 1 млн км.

Неразвитая инфраструктура. В России все еще недостаточно зарядных станций, чтобы соответствовать возрастающему спросу на электромобили.

Снижение запаса хода зимой. Производительность батареи зависит от температуры воздуха. В морозы эффективность ее работы снижается. К тому же много энергии уходит на обогрев салона, что уменьшает запас хода. Однако этот недостаток есть не только у электромашин. У автомобилей с ДВС возрастает расход топлива, что тоже приводит к снижению запаса хода. Но у того же Geely EX5 при температуре окружающего воздуха -30 °C емкость батареи снижается всего лишь на 10%.

Заключение

• Электромобиль не новое транспортное средство. Первые такие модели появились даже раньше первых авто с ДВС. Но в те времена они были неэффективными и слишком дорогими в производстве, поэтому быстро проиграли конкуренцию.
• Современные электромобили сначала были очень тяжелыми, но с течением времени масса снизилась, а запас хода увеличился. Сейчас они успешно конкурируют по этим показателям с привычными машинами.
• Конструкция электромобиля намного проще, чем у аналогов с ДВС и гибридов, потому что многие системы ему просто не нужны. Например, для повышения крутящего момента в электрокарах не используется сложная трансмиссия со множеством передач.
• Основной элемент конструкции — батарея, которая питает электродвигатель через инвертор, а все остальные приборы - напрямую.
• Электромобили демонстрируют высокий КПД, со старта обеспечивают большой крутящий момент и быстро разгоняются. При этом они не выбрасывают вредные газы в атмосферу.
• Одной из главных проблем распространения электромобилей является недостаточная развитость инфраструктуры и пока еще сравнительно высокая стоимость. С ростом количества зарядных станций владение электрокаром станет удобнее.