Электромобиль. Как устроен и почему там нечему ломаться
Автомобили с электрическим мотором появились в 1841 году, раньше, чем машины с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). И до начала 20 века были популярнее, но потом проиграли конкуренцию бензину и дизелю. Сейчас происходит обратный процесс — технологии аккумуляторов и электромоторов развились до такой степени, что по прогнозам экспертов к 2030 году машины с ДВС окончательно устареют и уступят дорогу электрокарам. Это уже не модный тренд, а реальность, в который мы живём. Всё больше автовладельцев переходят на электрические модели. Поэтому всем нам нужно точно знать, как устроен электромобиль, что у него внутри и почему там нечему ломаться.
По итогам 2022 года в Израиле электромобили входят в топ-10 самых популярных машин нашего рынка. А по итогам первого полугодия 2023 продажи электрокаров выросли в 2 раза.
Как устроен электромобиль
Полностью электрические автомобили или аккумуляторные электромобили (BEV) вместо обычного ДВС оснащаются электромотором и аккумулятором для его питания. Поскольку электромобиль работает на электричестве, он не выпускает выхлопные газы и не содержит типичные компоненты жидкого топлива, такие как топливный насос, топливопровод или топливный бак. Главный признак настоящего электромобиля — не зарядный порт, а отсутствие выхлопной трубы.
Хотя производство электроэнергии само по себе может способствовать загрязнению воздуха, Европейское Агентство по охране окружающей среды классифицирует полностью электрические транспортные средства как автомобили с нулевым уровнем выбросов, поскольку они не производят прямых выбросов выхлопных газов.
Аккумуляторная батарея нужна для хранения электрической энергии, питающей двигатель. Для подзарядки аккумулятора нужно подключить элеткромобиль к источнику электроэнергии при помощи зарядного устройства — специального оборудования для питания электромобилей (EVSE).
Главные 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 сил и разгоняются быстрее автомобилей с ДВС.
Запас хода. Определяется ёмкостью батареи. Средний пробег современных электрокаров на одной зарядке составляет 300–400 км, что делает эксплуатацию электрических машин с дневными пробегами 50-70 км удобной. Пока массовые электромобили, которые выпускаются сегодня, обладают меньшим запасом хода (на одну зарядку), чем сопоставимые автомобили с ДВС (на бак бензина). С развитием технологий инженеры обещают запас хода 800–1000 км, что сопоставимо с традиционными ДВС-моделями.
Запас хода существенно различается в зависимости от условий вождения. Экстремальные температуры наружного воздуха, как правило, сокращают дальность пробега, поскольку для обогрева или охлаждения салона требуется больше энергии. Электромобили более эффективны при движении по городу, чем при движении по шоссе. Городские условия вождения предполагают более частые остановки, что увеличивает преимущества рекуперативного торможения, а при движении по шоссе обычно требуется больше энергии для преодоления повышенного сопротивления на более высоких скоростях. Быстрое ускорение уменьшает запас хода электромобиля.
Скорость зарядки батареи. 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 при помощи мощного зарядного терминала электрокар с современной батареей пополнит заряд на 80% всего за 40–45 минут.
Ключевые компоненты электромобиля
Тяговый электродвигатель: используя мощность тягового аккумулятора, электромотор приводит в движение колёса транспортного средства. Работа электродвигателя основана на том, что на проводник тока, помещённый в магнитное поле, действует механическая сила, которая вращает его вал за счёт электромагнитного взаимодействия подвижной части (ротора) с неподвижным корпусом (статором). Добиться этого можно разными методами, поэтому электромоторы различаются по конструкции.
Трансмиссия (электрическая): передаёт механическую мощность от тягового электродвигателя на привод колёс. Все электродвигатели 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 2-ступенчатая коробка, позволяющая совместить мощную тягу с высокой максимальной скоростью.
Тяговый аккумулятор: накапливает электроэнергию для использования тяговым электродвигателем. Самый дорогой узел электромобиля представляет собой набор аккумуляторных ячеек, который управляется системой из микроконтроллеров. Батареи различаются по ёмкости, рабочему напряжению и форме, адаптированной под компоновку конкретного электромобиля. Отличаются они и ячейками, при изготовлении которых могут использоваться разные материалы. Никель-металлгидридные аккумуляторы уже считаются устаревшими, а самыми популярными признаны литиевые ячейки. В перспективе должны появиться батареи нового поколения.
Контроллер силовой электроники: блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой тяговой батареей, контролируя скорость тягового электродвигателя и создаваемый им крутящий момент.
Преобразователь постоянного тока (инвертор): служит связующим звеном между электродвигателем и батареей. Главное предназначение — преобразование тока, ведь батарея выдаёт и принимает постоянный ток, а мотор работает на переменном. Устройство преобразует мощность постоянного тока высокого напряжения от блока тяговых аккумуляторов в мощность тока более низкого напряжения, необходимую для питания автомобильных аксессуаров и подзарядки вспомогательной батареи. А также по команде от педалей электрокара управляет продольным ускорением или замедлением электромобиля, регулируя потоки энергии от батареи к двигателю и обратно (при рекуперации на торможении).
Тепловая система (охлаждение): система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур двигателя, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов. Электрический двигатель намного меньше греется и ему 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.
Аккумуляторная батарея (дополнительная): в автомобиле с электроприводом вспомогательная аккумуляторная батарея обеспечивает электроэнергией вспомогательное оборудование. Обычный 12-вольтовый аккумулятор требуется для функционирования бортовой электроники и светотехники, электроусилителей, актуаторов, компрессоров и прочих приводов.
Порт зарядки: позволяет транспортному средству подключаться к внешнему источнику питания для зарядки блока тяговых аккумуляторов.
Бортовое зарядное устройство: принимает входящее электричество переменного тока, подаваемое через зарядный порт, и преобразует его в питание постоянного тока для зарядки тяговой батареи. Он также обменивается данными с зарядным оборудованием и отслеживает характеристики батареи, такие как напряжение, ток, температура и состояние заряда аккумулятора. 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. Сильно зависит от способа заряда и время, которое требуется для пополнения запасов энергии.
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 расходные материалы электромобиля изнашиваются намного медленнее.
Итог
BEV, как правило, дороже, чем аналогичные автомобили с ДВС, хотя некоторые затраты автовладельцы могут возмещать за счёт более низких цен на электрическое топливо, за счёт льготных условий покупки электромобиля или других государственных стимулов или субсидий.
Зато электромобили намного проще в обслуживании, чем автомобили с ДВС, за счёт отсутствия большинства движущихся частей и механизмов в конструкции. Там действительно почти нечему ломаться. Не нужно менять фильтры, свечи, ремни, обслуживать коробку передач. Электромобиль тормозит мотором, благодаря чему тормозные колодки изнашиваются в 4 раза меньше. Владельцу электромобиля нет необходимости делать дорогостоящее ТО, так как единственное, что систематически нужно менять в электрической машине — масло в редукторе, примерно каждые 30 000 км.
У электромобилей проще механическая часть, меньше движущихся и трущихся частей, не требуется специальное моторное масло. Их проще (и дешевле!) обслуживать, они не теряют мощность в горах. А ещё не шумят и не создают вибраций при работе. И всё же… если вы владеете электромобилем с пробегом, то, скорее всего, техническое обслуживание будет для вас актуальным. Здесь мы собрали типичные «популярные» поломки электромобилей.