Электромобили: принцип работы, разновидности, устройство

Экологическая проблема остаётся актуальной на протяжении многих лет. Весомым шагом к её разрешению стало производство электромобилей, отличающихся высоким уровнем экологичности и экономичности. Познакомимся с ними поближе и рассмотрим, что они из себя представляют.

В чем особенность электромобиля

Электромобили — это вид транспортного средства, работающий на электрической тяге. Внешне это обычный автомобиль, но внутри у него вместо двигателя внутреннего сгорания стоит электрический привод, который питается от аккумуляторной батареи.

Основные характеристики

Отличительными функциональными признаками электромобилей являются:

• способность развивать большое количество оборотов, число которых может достигать 12 тыс об/мин. Такая способность исключает необходимость установки коробки передач;
• доступность крутящего момента с нуля оборотов. Это означает, что в момент нажатия на педаль газа колёса получают всю мощность двигателя;
• отсутствии необходимости прохождения регулярного обслуживания. Электродвигатели не нуждаются в замене масла или фильтров, поскольку обладают минимумом трущихся деталей.

Это интересно! Первые электромобили появились ещё в далёком 1830 году. Тогда они считались наиболее распространённым видом транспортных средств.

Плюсы и минусы электрокаров

Достоинства:

1. Надёжность силовой установки. Обуславливается минимальным количеством подвижных частей, высокой ресурсностью электрического мотора и 1 ступень в трансмиссии.
2. Экологичность. Нулевой выхлоп загазованных веществ делает атмосферу гораздо чище.
3. Безопасность. Обеспечивается за счёт отсутствия массивного тяжёлого двигателя, который в аварийных ситуациях может серьёзно травмировать водителя и пассажиров. Также электромобили оснащаются большими деформационными зонами в передней части и жёстким каркасом, а низко расположенный центр тяжести сводит минимуму вероятность переворачиваний и улучшает управляемость.

К остальным плюсам электрокаров относятся бесшумная езда, лишённая вибраций, мгновенный отклик на ускорение, а также отсутствие проблем с запуском при минусовых температурах.

Недостатки:

1. Вес. Автомобили с электрическим двигателем весят намного, а иногда и в разы. тяжелее, чем модели, оснащённые двигателем внутреннего сгорания. Отсюда проблем с манёвренностью.
2. Трудности с зарядкой в регионах с плохо развитой инфраструктурой.
3. Капризная батарея. Её нельзя перегревать или переохлаждать, а цикл заряда-разряда должен быть неполным.
4. Долгая зарядка. Этот факт нужно учитывать при планировании длительных поездок, в среднем увеличивая время на 4-5 часов.

Поколения электромобилей

Первое поколение

К первому поколению относятся электромобили 2010-2016 годов выпуска. Их отличительными признаками являются:

• маленький запас хода, редко превышающий 150 км;
• высокая стоимость, превышающая цены на обычные авто в 3 раза;
• быстрая деградация батареи.

Наиболее массовым и народным электрокаром первого поколения в нашей стране является Nissan Leaf, который оснащён батареей на 40 КВт, обеспечивающий запас хода в 320 км в летний период.

Второе поколение

Сюда относятся модели 2016-2020 годов выпуска. Их отличают:

• наличие аналога с бензиновым двигателем;
• усовершенствованная батарея с подогревом, обеспечивающая запас хода в 300-400 км;
• наличие на полу заднего ряда ступени, расположенной прямо по середине.

В этом поколении стоит упомянуть Tesla Model 3 и Model X, а также обновлённую Model S. Выпущенный в 2018 году BМW i3, отличается от предыдущих версий увеличенной батареей и уровнем подогрева.

Третье поколение

Характеризуется выпуском электромобилей в течение 2019-2022 годов, которые можно распознать по:

• запасу ходу в 600-700 км;
• батарее с подогревом мощностью 7-150 КВт, исправно функционирующей при температурном диапазоне от —30 до +50 градусов;
• ровному полу и увеличенному салону;
• появлению портов с быстрой зарядкой;
• увеличенному ресурсу зарядных циклов.

В этот период многие европейские и азиатские автобренды проводят модернизацию и рестайлинг устаревших версий. Корпорация GAC выпускает совершенно новый AION V, который является усовершенствованной версией PLUS. Обладает архитектурой в 800 Вольт, полным приводом и запасом хода в 700 км.

Четвертое поколение

Последнее поколение электромобилей, выпускающееся по настоящее время. Сюда относятся Porsche Taycan, а также электрокары от корейских брендов Hyundai и KIA, базирующиеся на платформе E-GMP. Они оснащены мощными производительными батареями на 800 Вольт.

Разновидности электромобилей

Обычные авто

Для полноразмерных автомобилей с электрическим мотором характерны следующие особенности:

• мощный двигатель;
• высокая сила вращения коленчатого вала, сохраняющаяся даже при небольших оборотах;
• батарея высокой степени производительной мощности, способная обеспечить езду без подзарядки на расстояние до 300 км.

Такие модели в основном обладают спортивным экстерьером, а их технические параметры максимально приближены к аналогам с бензиновыми двигателями.

Микроэлектромобили

Представляют собой электромашины, предназначенные для транспортировки нескольких человек в пределах городской среды. Имеют целый ряд преимуществ:

• компактные габариты, за счёт чего обеспечивается высокий уровень манёвренности на дорогах, а также значительная экономия места на парковках;
• облегчённая конструкция, исключающая необходимость использования ёмких аккумуляторов, что прямым образом сказывается на низкой стоимости.

Трициклы

Вид электрокаров, имеющих только 3 колеса. Это что-то среднее между автомобилем и мотоциклом. Наличие трёх колёс придаёт ему больший уровень устойчивости, чем у 2-колёсных видов транспорта, и лучшую манёвренность, чем у обычных авто с 4 колёсами. Небольшое количество деталей снижает сложность в обслуживании и проведении ремонтных работ.

Специальные

К этой категории электромобилей относятся транспортные средства, имеющие узкую специализацию. Например, электрокар для гольфа. Используются для транспортировки игрока или приспособлений для игры по территории поля. Сюда же можно отнести прогулочные и экскурсионные модели, занимающиеся перевозкой туристов. Их основные преимущества заключаются в следующем:

• комфортабельное удобное передвижение;
• манёвренность;
• хороший обзор;
• экологичность и доступность.

Грузовые

Выполняют различные производственные задачи. Бывают нескольких видов:

1. Электропогрузчики. Используются с целью транспортировки грузов по складской территории или между цехами. Подходит для работы внутри помещения, поскольку не выбрасывает в воздух вредные газы. Оснащаются батареями, способными работать без подзарядки в течение 9 часов беспрерывной работы.
2. Электротягачи. Представляют собой самоходные платформы, имеющие мощную силовую тягу в сочетании с небольшими габаритами. Применяются в качестве буксира для техники, не имеющей собственного хода. Управляются операторами, у которых должны быть права на вождение электрокаром.
3. Электротележки. Обладают статичной платформой и малыми размерами, что позволяет использовать их в помещениях малой площади. Применяются для перевозки грузов на территории предприятий, аэропортов, вокзалов.

Городской общественный транспорт

Такой вид транспорта оборудуется электродвигателем с накопителем и носит название электробуса. Имеет следующую классификацию:

• питающиеся в процессе движения;
• имеющие способность подзаряжаться в движении;
• пополняющие заряд в течение короткого временного промежутка на специальных станциях, оборудованных при остановках;
• оснащённые аккумуляторами больших размеров и высокой ёмкости, зарядка которых производится в ночном режиме в депо.

Экспертный блок

Одной из разновидностью электрических автомобилей являются гибридные модели, которые сочетают в себе обычный двигатель внутреннего сгорания с силовой установкой на основе электричества. Основное питание такие машины получают от топливного двигателя, а электродвигатель запитан от аккумулятора.

В гибридных авто зарядка батареи осуществляется от топливного двигателя во время движения и от электродвигателя — в момент торможения. При этом подключение батареи ко внешним источникам питания невозможно. Мощности электродвигателя хватает на управление авто с использованием малых скоростей, поэтому гибрид особенно актуален для езды в городских условиях.

Принцип работы и устройство электромобиля

Принцип работы двигателя электрического автомобиля основывается на преобразовании электрической энергии в механическую энергию вращения. Основные компоненты, принимающие участие в этом процессе — статор и ротор:

• статорное магнитное поле воздействует на обмотку ротора;
• возникает вращающий момент;
• начинается движение ротора.

Суть функционирования мотора заключается во взаимном притяжении и отталкивании магнитных полюсов на роторе и статоре.

Электромотор

Главный агрегат любого электромобиля. В зависимости от конструкции бывает несколько видов электрических моторов:

1. Бесколлекторные. Наиболее эффективным в этой категории двигателей является синхронный — у которого в качестве ротора выступают постоянные магниты. Главный недостаток таких моторов — высокая стоимость, поскольку при их производстве используются редкие металлы. Также нередко возникают трудности в управлении, причиной чему служит постоянное магнитное поле.
2. С индукционными катушками. Такие моторы тоже работают от переменного тока, но вместо магнитов присутствуют индукционные катушки. В этой категории наиболее эффективными являются асинхронные двигатели, в которых скорость вращения ротора отстаёт от вращения магнитного поля, создаваемого статорными катушками.

Отдельный вид электромотора — двигатель-колесо, отличительными признаками которого являются ориентир крутящего момента и силы напряжения, воздействующие на конкретное колесо. Функционирование двигатель-колеса осуществляется в паре с двигателем внутреннего сгорания, что порождает ряд преимуществ:

• легкое управление;
• отсутствие увеличения удельного веса шасси;
• уменьшение рисков;
• повышение КПД.

Тяговая батарея

Является наиболее дорогостоящим узлом электромобиля и представляет собой набор аккумуляторных ячеек, который управляет системой микроконтроллеров. Отличаются по ёмкости, рабочему напряжению и форме. Ещё одно различие заключается в материале ячеек. Например, детали, выполненные из никель-металлгидридного материала, считаются устаревшими, а литиевые — являются наиболее популярными.

Инвертор

Представляет собой устройство, выступающее связующим звеном между электродвигателем и батареей. Основная функция — преобразование токовой энергии. Однако функциональность этого блока гораздо шире:

• управление продольным ускорением;
• замедление ТС;
• регулировка потоков энергии от батареи в двигателю и обратно.

Аккумулятор

Электромобили оснащены аккумуляторами мощностью 12 Вольт, которые необходимы для функционирования электронной системы и различных приводов. Существует несколько разновидностей аккумуляторов:

Литий-ионные аккумуляторы

Наиболее распространённый тип АКБ для электромобилей, конструкция которой состоит из соединения лития с кобальтом.

Достоинства:

• высокий уровень плотности накопленной энергии;
• высокое достигаемое напряжение;
• отсутствие «эффекта памяти»;
• более тысячи циклов перезаряда;
• долгий эксплуатационный срок в течение 10 лет.

Недостатки:

• узкий диапазон температур, в рамках которых функционирует автомобиль, составляющий от —20 до +50 градусов;
• резкое падение ёмкости на морозе;
• нестабильная работа в жару;
• риск взрыва или возгорания при аварии.

Алюминий-ионные батареи

Анод в этом типе АКБ представлен алюминием, а катод — графитовой пеной. В качестве электролита служит солевой раствор, у которого отсутствует свойство к воспламенению. Главное достоинство — абсолютная безопасность. Также стоит отметить быструю зарядку и большое количество циклов перезарядок, достигающее 7,5 тысяч. Корпус отличается повышенной гибкостью и полимерностью.

Литиево-серные аккумуляторы

Менее распространённые виды АКБ, широкой популяции которых препятствовало малое количество перезарядных циклов. Однако последние модели оснащаются катодной конструкцией с высоким содержанием серы, благодаря чему возможно до тысячи циклов перезаряда и запас хода до 2 тыс км.

Как происходит зарядка аккумулятора

Для зарядки аккумуляторных батарей современных электрокаров существует несколько способов:

1. С помощью розетки с напряжением в 220 В. Наименее предпочтительный вариант, поскольку характеризуется низкой степень надёжности.
2. От бытовой электрической сети. Более эффективный и безопасный вариант, поскольку процесс зарядки осуществляется посредством кабеля, идущего в комплекте с машиной. Такой кабель имеет внутри специальную защиту.
3. Трёхфазная зарядка. Считается наиболее безопасной зарядкой, поскольку возможен полный контроль над процессом.
4. Быстрая зарядка. Осуществляется на специальных зарядных станциях, на которых можно в кратчайшее время полностью зарядить авто.

Зарядный блок

Процесс зарядки электромобиля — сложный процесс, по причине чего для контроля в его конструкции предусмотрен специальный электронный блок. Как известно, электрокары могут принимать энергию от разных источников которые, в свою очередь, могут быть разных форматов. Единого стандарта для зарядки таких ТС пока не существует. Поэтому для обеспечения безопасности придуман зарядный блок.

Трансмиссия

Для всех электромобилей характерно развитие высокого крутящего момента с нулевых оборотов, вследствие чего они не нуждаются в в сложных коробках передач с большим количеством скоростей. Достаточно простого, но надёжного, понижающего редуктора, который в большинстве случаев представлен планетарной передачей и пристыкован непосредственно к мотору. На скоростных и мощных машинах она может быть дополнена 2-ступенчатой трансмиссией, которая позволит совмещать мощную тягу на низких оборотах с высокой максимальной скоростью

Система охлаждения

Характерная особенность электрического двигателя — минимальный уровень нагрева, что исключает наличие мощной системы охлаждения. Однако большинство моделей всё равно оснащаются радиаторами и системами тепловых магистралей, которые создают терморегулирование. Такая функция является незаменимой для инвертора, который пропускает сквозь себя высокосиловые токи. Система охлаждения может работать в режиме теплового насоса, создавая комфортную температуру в салоне.

Тормозная система

Теоретически, электрокары могут обходиться без стандартных тормозных систем, замедляясь за счёт силового сопротивления, которое создаётся электромотором в режиме генератора. Однако на практике все электромобили оснащены тормозными колодками, дисками, тормозными жидкостями и другими компонентами. При этом нагрузка на них значительно ниже, чем у автомобилей с ДВС, что приводит к более медленному их изнашиванию.

Особенность устройства электромобиля-гибрида

Гибридные электромобили используют сложную трансмиссию, необходимую для передачи мощности двигателя колёсам. Зачастую роль силового агрегата выполняет бензиновый мотор, который некоторые гибридные модели эксплуатируют исключительно для подзарядки АКБ электрокара, а другие — делают работу двигателей параллельной. Поэтому существует несколько их разновидностей:

1. Микрогибриды. На них устанавливается умный генератор, который вырабатывает электроэнергию в процессе плавного замедления, что позволяет ДВС практически в полном виде сохранять энергию.
2. Мягкие. В дополнение к бензиновому мотору добавлен двигатель малой мощности, обладающий компактных размеров батареей с низким уровнем ёмкости.
3. Последовательные. Электромотор у таких гибридов выполняет главенствующую функцию и используется при движении во всех режимах. Силовая установка при этом оснащена ёмкими батареями с запасом хода, превышающем 200 км. При разрядке АКБ в активную фазу вступает ДВС, тем самым подзаряжая её.
4. Параллельные. В таких гибридах мощность распределяется между ДВС и электромотором. На электрической тяге они могут проехать до 150 км. В некоторых конструкциях двигатели могут стоять на разных осях, что позволяет получить полный привод.

Ну и последний вид — последовательно-параллельные гибриды, которые приводятся в действие мощным ДВС, одновременно заряжающим батарею. При повышении нагрузки оба мотора работают в совместном режиме, значительно усиливая разгон.

Перспективы развития электромобилей

Подавляющее большинство мировых автопроизводителей ставят в приоритет развитие электрического транспорта, работая совместно с химиками и электротехниками. Ежегодно выпускаемые модели электрокаров обладают увеличенной ёмкостью батареи, сниженной стоимостью и повышенной скоростью зарядки от электростанций.

Наиболее перспективными направлениями в области электротранспорта являются:

1. Сменные батареи. Эту технологию тестируют и пробуют внедрить в Китае. Она должна решить проблему долгой подзарядки авто. Суть заключается в следующем: электрокар заезжает в бокс, где роботизированный механизм демонтирует опустошённый аккумулятор, устанавливая на его место заряженный. Операция характеризуется полным автоматизмом, не требующим присутствия человека.
2. Бесконтактная зарядка. Для реализации такого решения электромобили и места для парковок такого транспорта оснащаются мощными индукторами, способными включаться в автоматическом режиме. Также разрабатывается возможность бесконтактной передачи энергии на электромобили в процессе их движения.

Главный вектор направленности — совершенствование батарей для электротранспорта. Уже доказано, что повышение ёмкости батареи значительно снизит их стоимость.