Устройство электромобиля

Последнее десятилетие электромобили уверенно завоевывают рынок автотранспортных средств.

Этому способствует множество факторов:

• малая концентрация вредных выбросов авто в окружающую среду при работе электродвигателей;
• меньший уровень шума, создаваемый двигателем;
• более низкая стоимость восполнения энергетического потенциала по сравнению с автомобилями на двигателях внутреннего сгорания;
• меньшее количество механических движимых деталей и узлов электродвигателя по сравнению с ДВС;
• возможность технических решений без коробки переключения передач.

Массовый переход к электротранспорту тормозят следующие не полностью решенные проблемы и недостатки электромобилей:

• низкая емкость аккумуляторных батарей, соответственно, небольшой пробег авто без подзарядки;
• высокая стоимость блока аккумуляторов, недолговечность;
• неразвитая сеть подзарядочных станций, большое время обслуживания (заряда) аккумуляторов даже в скоростном режиме;
• наличие в электрических блоках управления и электропроводке высоких, опасных для водителя и пассажиров, напряжений;
• утилизация аккумуляторных батарей электромобилей наносит вред окружающей среде;
• большинство электронных блоков автомобилей, в том числе и аккумуляторная батарея, ремонтируются агрегатным методом, то есть заменяются полностью на исправные;
• ресурс работы современных электродвигателей недостаточно большой;
• работа системы отопления салона авто в холодное время года значительно увеличивает энергопотребление электромобиля;
• остаются нерешенными проблемы использования электромобилей в грузоперевозках на дальние расстояния.

Очевидно, этот список значительно длиннее.

Разработчики ведущих автопроизводителей совершенствуют устройство электромобиля (электродвигатели, аккумуляторные батареи, зарядные станции и др.), приближая эру электротранспортных средств индивидуального пользования.

Электродвигатель

В терминологии автомобилестроения дается четкое понятие, что такое электромобиль: «Транспортное средство, основным движителем которого является электропривод».

Одним из основных преимуществ электродвигателя по сравнению с ДВС является высокий коэффициент полезного действия – до 95%. Считается, что электромобиль абсолютно экологичен. Это не совсем так. Производство электроэнергии в большинстве стран базируется на теплоэлектростанциях, которые сжигают топливо, нанося вред окружающей среде. Не менее опасны АЭС. Развитие рынка электромобилей рационально рассматривать с увеличением доли «зеленой» электроэнергии: солнечные батареи, энергия ветра и другие.

В системах авто с ДВС применяются в основном электродвигатели постоянного тока: стартеры, приводы щеток, вентиляторов, бензонасоса, различных регуляторов. Эти электродвигатели для передачи тока к вращающемуся ротору используют систему «щетки-коллектор», поэтому называются коллекторные. В электромобилях для обеспечения высокого вращающего момента необходимо протекание больших токов. Искрение щеток во время движения по ламелям коллектора приводят к преждевременному износу этой зоны. Поэтому в электромобилях обычно применяют бесколлекторные двигатели.

Для того чтобы уменьшить величину тока, протекающего через обмотки электродвигателя, согласно закону Ома, необходимо увеличивать питающее напряжение. В этом смысле наиболее эффективны трехфазные электродвигатели переменного тока: синхронные (например, на Mitsubishi i-MiEV) или асинхронные (на Chevrolet Volt).

Сейчас ведутся разработки высокоэффективных электродвигателей с минимальными размерами и массой. Привод от производителя Yasa Motors имеет массу 25 кг, достигая крутящего момента 650 Нм. Самый мощный электромобиль Venturi VBB-3 имеет электродвигатель 3 тыс. л. с.

Аккумуляторная батарея электромобиля

Тяговая аккумуляторная батарея электромобиля имеет существенные отличия от АКБ автомобилей с ДВС.
Прежде всего, выходное напряжение аккумуляторных батарей электромобилей с целью уменьшения токов, соответственно тепловых и энергопотерь, значительно выше, чем традиционные 12 вольт. Например, в первые автомобили марки Lola-Drayson разработчики выбирали аккумуляторные батареи емкостью 60 кВт*час номинальным напряжением 700 В. Нетрудно подсчитать, что при мощности электродвигателя 200 кВт такой автомобиль может проехать без подзаряда не более 15 минут. В условиях кольцевых автогонок на спортивных электрокарах необходимо производить замену аккумулятора чаще, чем колес. Гоночный электромобиль ближайшего будущего способен разогнаться до 100 км/час за одну секунду.

Большинство аккумуляторных батарей для электромобилей имеет встроенный контроллер процесса заряда батареи по аналогии с аккумуляторами для ноутбуков, только на более высоком уровне. Кроме этого, в мощные аккумуляторные блоки устанавливают встроенную систему жидкостного охлаждения, которая также увеличивает их массу.

Трансмиссия электромобилей

Один из положительных технических моментов при проектировании электромобилей – возможность упрощенной трансмиссии. Некоторые модели имеют одноступенчатый редуктор. В электромобилях с двигателями, вмонтированными в колеса (Active Wheel), трансмиссионная функция выполняется электронным методом. Это позволяет применить еще одну важную опцию: восполнение заряда аккумуляторной батареи в момент торможения «электродвигателем». Такой метод уже давно применяется в электротранспорте.

Особенность блоков управления электромобилей

Электрическая схема электромобиля имеет свои особенности в схемотехнике узлов контроля и управления. Большинство электрических систем в электромобилях строятся по традиционным схемам, рассчитанным на напряжение бортовой сети 12 В. Поэтому необходима установка в электромобиль дополнительной схемы инверторного преобразователя напряжения высокого напряжение аккумулятора в напряжение бортовой сети 12 В. В большинство моделей устанавливается дополнительная 12-вольтная аккумуляторная батарея небольшой емкости. Принцип работы основных систем электромобиля (ABS, ESP, кондиционера и других) не меняется.

Для обеспечения максимальной эффективности использования емкости аккумуляторной батареи климат-контроль автомобиля в холодное время года использует предподогрев от стационарных источников перед поездкой, затем энергия батареи расходуется только на поддержание температуры в салоне машины. Поэтому особое внимание конструкторы уделяют применению современных теплоизоляционных материалов в отделке салона. Актуально в этом смысле использование нанотехнологичных материалов.

Системы световых излучателей машины (повороты, ближний/дальний, габариты, салонные и другие) используются, в основном, светодиодного энергосберегающего типа. Принцип работы электрооборудования автомобиля основан на бесконтактных электронных системах управления.

Блок управления электродвигателем (двигателями) представляет, по сравнению с аналогичными блоками для ДВС, высокопроизводительный вычислительный комплекс, который контролирует работу большинства энергозначимых узлов с точки зрения достижения максимальной эффективности использования емкости аккумуляторной батареи. Он производит:

• распределение энергии между электроприводами;
• регулирование тяги;
• мониторинг узлов и систем электромобиля;
• управление динамикой авто;
• контроль напряжений питания бортовых систем;
• использование дистанционного мониторинга.

Электромобиль не роскошь

Перспективы электромобилей ближайшего будущего:

• пробег без подзаряда до 500 км;
• динамика разгона – менее 3 секунд до 100 км/час (легковые электромобили);
• стоимость аккумуляторной батареи средней мощности – менее 7 тыс. USD;
• время быстрого заряда – менее 15 минут.

Электромобиль ближайшего будущего будет оснащен беспилотными системами управления и навигации.

Если вы решили присоединиться к пока немногочисленной армии электромобилистов, прежде всего необходимо изучить, как работает электромобиль и его основные системы.

Несколько советов при решении задачи, какой электромобиль выбрать:

• без пробега или с небольшим сроком эксплуатации, но с новой аккумуляторной батареей;
• с опцией быстрого заряда аккумулятора;
• со стажем выпуска модели не менее 2-х лет (за это время проблемы электромобилей данного модельного ряда успеют проявить себя).

Будущее – за электромобилями!