Электромобиль и автомобиль состояние перспективы сообщение
Обновлено: 18.05.2024
На улицах российских городов появляется все больше электрокаров. Их называют экологически безопасным и экономичным транспортным средством. Наши эксперты отвечают на вопрос, стоит ли покупать электромобиль в 2021 году.
Как появились электромобили?
Первая тележка с электродвигателями и батареями на борту смогла преодолеть расстояние в 100 метров еще в 1841 году. А настоящие электромобили появились на европейских дорогах только в конце XIX века. Тогда они опережали бензиновых и паровых конкурентов по всем параметрам: скорости, динамике разгона, грузоподъемности и запасу хода. Минусом был только сложный процесс зарядки батарей. Пока не изобрели выпрямитель тока, приходилось соединять между собой электродвигатель переменного тока и генератор постоянного тока. Механизм тратил много энергии и часто ломался. Тем временем бензиновые машины становились все более совершенными — минусы электромобилей заставили надолго забыть об этом виде транспорта.
К ним вернулись на рубеже 1960-70-х годов, когда стоимость горючего резко возросла, а в крупных городах остро встала проблема выхлопов. Электромобили выпускались небольшими сериями, но по-прежнему оставались диковинкой. В 1990-х были выпущены первые крупные партии электротранспорта, который можно было взять в лизинг или аренду в США. Наглядно плюсы электромобилей продемонстрировала компания Илона Маска Tesla Motors. Ее спорткар Roadster приближался к бензиновым конкурентам по динамике и запасу хода.
В 2010-х выпуск электрокаров начали многие автомобильные компании: Mitsubishi, Nissan, Volkswagen, Toyota, Jaguar, Renault и другие. Благодаря массовому производству их цена снизилась в 1,5–2 раза. Экологически чистый транспорт впервые стал доступным.
Устройство электромобиля
Конструктивно у электрокаров мало отличий от бензиновых и дизельных автомобилей. Они также опираются на колеса, которые соединены с кузовом эластичной подвеской. Органами управления служат руль и две педали, как в машинах с автоматической коробкой передач.
Вместо двигателя внутреннего сгорания используется электрический. Его конструкция намного проще, в нем меньше движущихся частей, он реже требует обслуживания. Источником питания служит батарея. Трансмиссия максимально проста: обычно это одноступенчатый планетарный редуктор, который служит автоматической коробкой передач.
Выгода от использования электромобиля
Бензиновый автомобиль расходует в городском цикле около 7,5 литров горючего на 100 км. При цене топлива около 50 рублей за литр его годовая заправка будет стоить 7,5 * (16 000 / 100) * 50 = 7,5 * 160 * 50 = 60 000 рублей .
При зарядке электромобиль потребляет около 30 кВт*ч электроэнергии. Этого хватает на 120 километров пробега в городе. Средний расход — 25 кВт*ч на 100 км. Стоимость одного киловатта в Москве — 5,66 рублей. Годовая зарядка будет стоить 25 * 160 * 5,66 = 22 640 рублей .
Это в 2,65 раз или на 63 % меньше, чем у традиционного двигателя внутреннего сгорания.
Стоимость обслуживания ходовой части, электроники, салона и кузова приблизительно одинаковая. Различия только в двигателе и трансмиссии.
Бензиновому автомобилю нужна смена масла, ремня газораспределительного механизма и свечей. В расчете на 16 тысяч километров это будет стоить около 8–10 тысяч рублей.
Из планового обслуживания электромобиля — только замена масла в редукторе, диагностика двигателя и определение остаточного ресурса батареи.
Стоимость материалов и работ в расчете на годовой пробег — около 2500 рублей, то есть в 4 раза меньше.
Другие преимущества электромобиля
1. Безопасность для городской среды. Нулевой выхлоп означает, что воздух вокруг нас становится чище.
2. Меньший уровень шума — в крупных городах с электрическим транспортом жить намного комфортнее.
3. Упрощенная конструкция — ремонт стоит дешевле и занимает меньше времени.
4. Лучшая динамика. Максимальный крутящий момент достигается с малых оборотов, электромобиль вырывается вперед на светофоре.
5. Безопасность. Центр тяжести смещен вниз, где находится батарея. Из-за этого электромобили реже переворачиваются и лучше управляются при резких маневрах.
Недостатки электромобилей
1. Ограниченный запас хода. У моделей стоимостью 3,5 миллионов рублей — до 200–250 километров. У бюджетных электрокаров — около 100–120 километров. Из-за этого их можно использовать только в городе. Премиальные электромобили лишены таких недостатков — Tesla Model S и Jaguar F-Pace проезжают более 500 км на одной зарядке.
2. Высокая цена. Стоимость бюджетного электромобиля — от 2–2,5 миллионов рублей, в 1,5–2 раза больше, чем у недорогих хетчбэков японского или европейского производства.
3. Чувствительность к температуре воздуха. Исследования показывают, что при 5° емкость батареи снижается на 20 %, при -5° — на 35–40 %, а при -12° — на 50 %.
4. Проблемы с микроклиматом в салоне. Кондиционер и печка питаются от батареи. Включая их, вы уменьшаете запас хода еще на 20–25 %. Частично проблему можно решить установкой автономного отопителя на бензине или дизтопливе, но тогда появится дополнительный источник затрат.
5. Слабая инфраструктура. Для комфортного пользования электромобилем подходят только крупнейшие города России, включая Санкт-Петербург, Москву, Новосибирск, Казань и Ростов. В большинстве случаев электротранспорт приходится заряжать от собственной розетки в доме или квартире.
Виды электромобилей
В классическом гибриде энергия накапливается при торможении — электромотор служит генератором. Подключаемые (Plug-In) модели можно заряжать от сети, увеличивая запас хода. В последовательных гибридах двигатель внутреннего сгорания крутит генератор, который заряжает батарею.
В настоящем электромобиле двигатель внутреннего сгорания отсутствует. Электромотор соединен с батареей, которая заряжается от сети и при торможении. Существуют также электрокары на топливных элементах . В них энергия вырабатывается за счет химической реакции — в выхлопную трубу отправляется чистый водяной пар. Такие машины нужно заправлять водородом — из-за сложности процесса они не получили широкого распространения.
Нюансы зарядки
В современных электромобилях используются два типа батарей. Никель-металлгидридные стоят дешевле, но весят больше, быстрее изнашиваются и сильнее теряют емкость при снижении температуры. Литий-ионные дороже, но легче, долговечнее и стабильнее. Идут эксперименты с электромобилями на алюминий-ионных, литий-железофосфатных и кремний-кислородных аккумуляторах — о преимуществах и недостатках этих батарей мы узнаем в ближайшие годы.
Электромобили заряжаются тремя способами:
- от двухфазной бытовой сети 220 В — от 5 до 20 часов;
- от трехфазных станций 380–480 В (supercharger) — до 60 % за 45–90 минут;
- от промышленных источников тока мощностью до 50 кВт — до 90 % за 15–40 минут.
Срок службы никель-металлгидридной батареи — от 5 до 10 лет, литий-ионной — от 8 до 15 лет. В течение этого времени она постепенно деградирует, теряя по 1–5 % емкости в год. Чем мощнее зарядное устройство, тем быстрее изнашивается аккумулятор. Стоимость его замены сравнима со стоимостью капитального ремонта бензинового двигателя.
Заключение
Стоит ли покупать электромобиль в 2021 году? Бюджетные модели пока могут передвигаться только в пределах крупных городов. Но в этой среде им нет равных: они сокращают денежные затраты в 3 раза по сравнению с бензиновыми моделями. Плюсы премиальных электромобилей — большой запас хода, отличная динамика и малые затраты на содержание, а минус — внушительная цена. Если вы готовы выложить на покупку более 5–7 миллионов рублей, электрокар может стать вашим основным транспортом уже сейчас.
Источник фото: Google Картинки
На сегодняшний день все больше стран выражают намерения запретить продажу на своей территории в обозримом будущем автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Причем это не зависит от того, на каком виде топлива они работают – будь то бензин, солярка или газ. А ряд стран даже определились с конкретными сроками, когда этот запрет будет у них введен.
Вот их неполный список:
- Норвегия – 2025 год.
- Ирландия – 2030 год.
- Швеция – 2030 год.
- Дания – 2030 год.
- Бельгия – 2035 год.
И этот список можно еще продолжить. Единственными транспортными средствами, которым будет разрешена в дальнейшем эксплуатация на территории этих стран будут те, которые работают на электричестве – электромобили. Ну и, естественно, весь коммерческий грузовой и пассажирский электрический транспорт.
Что же заставляет людей принимать столь жесткие меры?
Почему электромобиль? Мотивации
В качестве мотиваций приводятся два основных аргумента в поддержку использования электромобиля:
1) Улучшение экологической обстановки в мире.
Это на данный момент – главный аргумент.
Уже ни для кого не секрет, что выхлопы автомобилей с ДВС считаются одними из основных виновников загрязнения атмосферы. Именно они являются источниками ядовитых газов, пагубно влияющих на организм человека. Кроме того, они способствуют возникновению парникового эффекта, неблагоприятно действующего на экосистему планеты.
2) Постепенный уход от зависимости от углеводородного сырья.
Это второй основной аргумент в пользу электромобилей.
Некоторые страны просто не хотят тратить средства на закупку излишних объемов углеводородного сырья, используя его после соответствующей переработки в качестве топлива для автомобилей. На их территориях имеется достаточно развитая сеть электростанций, работающих на воде и ветре.
Кроме того, запасы нефти и газа в недрах Земли не безграничны. Когда-нибудь они полностью иссякнут.
А для заправки электромобиля они просто не нужны.
Немного об устройстве
Далее уместно было бы выделить все сильные и слабые стороны электромобиля, показать, чем же он лучше или хуже обычного автомобиля с ДВС. Но прежде, чем это сделать, давайте хоть совсем вкратце остановимся на его устройстве.
Электромобиль состоит из следующих конструктивных элементов:
- Аккумуляторная батарея тяговая.
Предназначена для питания электричеством тягового электродвигателя. Обычно это литий-ионная аккумуляторная батарея, состоящая из нескольких модулей, соединенных последовательно. Напряжение постоянного тока на ее выходе составляет порядка 300В. - Аккумуляторная батарея дополнительная.
Она служит для питания электричеством различных устройств и систем электромобиля: освещения, аудиосистемы, системы отопления, привода стеклоподъемников и т.д. Имеет напряжение на выходе 12В. - Тяговый электродвигатель.
Его предназначение – создать крутящий момент, необходимый для движения электромобиля. Обычно используются синхронные (асинхронные) двигатели переменного тока. Их мощность доходит до 200 кВт и более. - Трансмиссия.
Служит для передачи крутящего момента от двигателя на ведущие колеса. Она на электромобиле очень простая – одноступенчатый редуктор. - Инвертор.
Он предназначен для преобразования высокого напряжения постоянного тока в переменный ток, необходимый для питания тягового двигателя. - Преобразователь постоянного тока.
С его помощью выполняется зарядка дополнительной аккумуляторной батареи. - Электронная система управления.
Она выполняет следующие функции:
1) Регулирует тягу двигателю.
2) Производит контроль и управление высоким напряжением.
3) Оценивает заряд тяговой аккумуляторной батареи.
4) Обеспечивает выбор оптимального режима движения.
5) Осуществляет управление рекуперативным режимом торможения.
6) Осуществляет контроль использования энергии.
7) Обеспечивает плавное ускорение машины.
Ниже приводится более подробная конструктивная схема электромобиля:
1) Датчик давления в тормозной системе
2) Электроусилитель руля
3) Приборная панель
4) Датчик положения педали акселератора
5) Датчик положения педали тормоза
6) Датчик положения селектора переключения передач
7) Блок управления электромобилем
8) Блок управления аккумуляторной батареи
9) Бортовое зарядное устройство
10) Преобразователь постоянного тока
11) Блок управления кондиционером
12) Инвертор
13) Электродвигатель
14) Уровень зарядки аккумуляторной батареи
15) Модуль аккумуляторной батареи
16) Трансмиссия
17) Компрессор кондиционера
18) Отопитель
19) Разъем для обычной зарядки
20) Разъем для быстрой зарядки
Из всего этого нетрудно догадаться, что электромобиль устроен проще, чем обычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания.
Преимущества и недостатки
А вот теперь можно приступить к перечню сильных и слабых сторон электромобиля.
Преимущества
- Нет загрязнения окружающей среды.
Это на сегодня самый главный аргумент в пользу электромобиля. Он не выделяет вредных веществ в атмосферу и не способствует усилению парникового эффекта. - Заметная экономия средств на топливе.
Заправка электромобиля электричеством обходится значительно дешевле, чем заправка автомобиля бензином, дизтопливом или газом. - Экономия средств на ремонте.
Так как электромобиль устроен значительно проще классического автомобиля, то его ремонт придется делать гораздо реже, да и обойдется он гораздо дешевле. - Отсутствие шума.
Электромобиль при движении издает гораздо меньше шума, чем автомобиль с ДВС. Впрочем, некоторые люди склонны считать это преимущество, как недостаток. - Больший уровень безопасности.
Ввиду того, что в электромобиле отсутствуют такие громоздкие элементы, как ДВС и КПП, в случае аварии вероятность получения тяжелых травм значительно снижается.
Недостатки
- Высокая стоимость.
Цена нового электромобиля заметно выше, чем цена автомобиля с ДВС такого же класса. - Ограниченный запас хода.
Пробег электромобиля с полной зарядкой тяговой аккумуляторной батареи будет заметно меньше пробега автомобиля такого же класса с полным баком бензина, солярки или газа. - Долгое время зарядки.
Для того, чтобы полностью зарядить электромобиль, необходимо потратить в большинстве случаев несколько часов. В то же время для заправки обычного автомобиля понадобится лишь несколько минут. - Плохо развитая на сегодняшний день инфраструктура станций зарядки.
В настоящее время зарядные станции имеются в России только в крупных городах, да и то в очень малом количестве. - Зависимость величины пробега от температуры воздуха.
Чем ниже температура, тем меньше емкость аккумулятора и, следовательно, меньше запас хода. Зимой, при полной зарядке, электромобиль проедет меньшее расстояние, чем при той же зарядке летом.
Заключение
Как видно из всего вышеизложенного, электромобиль имеет как свои сильные, так и слабые стороны. И главная цель на данный момент – найти такие технические решения, которые помогут быстрее избавиться от этих слабых сторон. Сделать так, чтобы электромобиль стал для нас таким же обыденным средством передвижения, как и знакомый всем нам классический автомобиль с ДВС.
Имеет ли электромобиль перспективы своего развития? Конечно, имеет! По той простой причине, что электричество – единственно доступный и дешевый на сегодняшний день вид энергии, использование которой для передвижения транспортных средств не принесет заметного вреда окружающей среде.
3 комментария к “Электромобиль — достоинства, недостатки, перспективы”
По поводу отсутствия шума. Он всё таки есть, но существенно отличается от привычного шума машин на ДВС. К этому просто надо привыкнуть. Впрочем, как и к ряду моментов. Тестил Теслу и нашёл множество спорных моментов.
По поводу экономии средств. В ряде стран Европы, зарядка электрокаров бесплатна, НО, только для определённого ряда моделей и только купленных у определённых ритейлеров. Всякие китайские и электрокары гаражной любительской сборки, к сожалению, должны заряжаться уже за деньги. Но, сюда же отнести и тот момент что при всей высокой стоимости на данный момент, они представляют экономию в конечном итоге и очень скоро окупаются и переходят в разряд экономных средств передвижения.
Насчёт пробега — пока что это проблема всех электротранспортных устройств, начиная от урбанскутеров. С учётом ограниченности ёмкости имеющихся на данный момент и в ближайшем обозримом будущем аккумулирующих элементов, боюсь эта проблема будет ещё долго преследовать, если не найдутся какие-нибудь альтернативные способы решения. Но, если уж брать саму Теслу, то пробега хватает прилично чтобы съездить на работу, помотаться по делам днём и вернуться домой и ещё после этого свозить подругу на романтический вечер и обратно. А зарядка — несколько часов ночью уж можно как-нибудь потерпеть.
А вот насчёт уровня безопасности — тут очень сомнительно. Пока все не перейдут только на электротранспорт, говорить о снижении уровня опасности эксплуатации преждевременно. Тем более что возможно возникновение и новых, специфических видов угроз при использовании подобных средств.
Тем не менее, считаю это направление перспективным и в будущем намерен пересесть на электромобиль.
Первый серийный и относительно доступный в финансовом плане электромобиль Тесла был представлен более 2 лет назад. Популярность электрокаров растёт во многих странах, однако до массовой эксплуатации ещё далеко, хотя объём продаж медленно, но верно увеличивается. Рано или поздно машины с электрическими двигателями вытеснят с рынка модели с двигателями внутреннего сгорания.
- История создания
- Принцип работы электромобиля
- Продажи электрокаров в мире
- Развитие инфраструкторы
- Гибридные автомобили
- Минисы электромобилей
- Перспективы электротранспорта
История создания
Люди уже давно задумываются об использовании электричества в качестве силы, способной придать движение транспортным средствам. Первый электромобиль в мире и вовсе появился до создания ДВС, и произошло это в 1841 году.
Спустя 58 лет в Санкт-Петербурге был представлен 17-местный омнибус, оснащенный 4-сильным электромотором, запас хода которого составлял 64 км.
Следующая веха в истории электромобилей относится к началу 30-х годов XX века. В 1931 году гениальный изобретатель Никола Тесла, купив радиоэлектронные детали в обычном магазине, собрал устройство, которое при установке его вместо бензинового мотора смогло сдвинуть автомобиль с места. Мощность агрегата составила 80 л. с.
В течение следующих почти 55 лет технология практически не изменилась. В 1996 году с конвейера сходит первый серийный электрокар, разработка которого была осуществлена компанией General Motors. Однако случилось это не из-за желания автопроизводителя или требований рынка: просто в Калифорнии, где продавались автомобили GM, вышел закон, ужесточающий требования к машинам: новые авто, по мнению авторов законопроекта, вообще не должны были загрязнять окружающую среду. Но довольно скоро он был отменён, поскольку в техническом отношении выполнить его на тот момент не представлялось возможным. General Motors выпускала электроавто в течение 7 лет, но солидными продажами похвастать не могла: за этот период времени было реализовано чуть более 1150 экземпляров модели, которые и по сей день хранятся в частных коллекциях (нераспроданные транспортные средства были пущены под пресс).
На сегодняшний день ведущим популяризатором идеи электромобилей является Илон Маск, купивший компанию Tesla Motors и всерьёз занявшийся её развитием. Серийный электромобиль Tesla Roadster, выпущенный в 2008 году, продавался в течение 4 лет, но из-за слишком высокой стоимости, равной 109000$, доступен он был только очень богатым людям. В 2012 году выходит уже более доступная машина Model S, пережившая впоследствии две модернизации и благоприятно встреченная как экспертами, так и рядовыми автолюбителями.
2015 год был ознаменован выходом Model X: кроссовер отличался большим запасом хода (от 354 до 539 километров в зависимости от модификации и других параметров), превосходной динамикой (до сотни модель способна разогнаться за 3,2 секунды), а также множеством необычных функций, ранее не используемых другими производителями (например, подсветкой салона в такт звучащей музыке и др.).
Принцип работы современных электромобилей
Электрокару, в отличие от авто с традиционным двигателем внутреннего сгорания, не нужен сложный мотор с немалым количеством недостатков (различные проблемы при эксплуатации, сложный ремонт, шум при работе и пр.). Электрический двигатель является полностью бесшумным и нетребовательным к топливу, поскольку электричество во всем мире одинаково.
Еще один плюс электромобилей заключается в отсутствии коробки передач, что значительно упрощает и управление, и обслуживание. Формально коробка имеется, но на колёса поступает сразу вся мощность, поэтому люди в салоне не ощущают рывков, неизбежных при переключении передач.
Необходимое условие для работы подобного автомобиля – электроэнергия, запас которой хранится в аккумуляторе. Большинство компаний располагают его под днищем, что позволяет, во-первых, сделать салон более просторным, а во-вторых, улучшить управляемость.
В последнее время мировые производители пришли к выводу о необходимости применения системы рекуперации, которая вырабатывает энергию и затем запасает её в случаях, когда машина движется по инерции, вследствие чего увеличивается запас хода (эта же технология замедляет движение транспортного средства после того, как водитель убирает ногу с педали газа).
Продажи электромобилей в мире
То, что за электрокарами будущее, становится очевидным всем ведущим производителям, спешащим включиться в процесс разработки и изготовления, пока отрыв от конкурентов не стал слишком большим: на сегодняшний день на рынке есть как бюджетные модели (KIA Soul EV), так и марки, относящиеся к премиальному сегменту (Audi E-Tron).
Компания Tesla, несмотря на то, что она фактически выпустила первый электромобиль, пользующийся спросом, испытывает финансовые сложности, и этот факт подстегнул других автопроизводителей. В результате этого за последний год количество полноценных моделей, а не концептов, увеличилось в несколько раз. Среди новых игроков рынка есть как именитые компании с раскрученным именем наподобие BMW, так и многочисленные мало кому известные китайские разработчики.
В развитии электрокаров в настоящее время прослеживаются следующие тенденции:
- Внедрение управления с помощью одной педали. Первопроходцем в этой области стала Nissan Motor Co., Ltd. с моделью Leaf. Идея прижилась, и все большее число компаний внедряют технологию, при которой торможение станет осуществляться за счёт рекуперационной системы.
- Повышение интеллекта электромобилей (появляются беспилотные электрокары, не нуждающиеся в действиях человека).
- Разработка каждой компанией собственной уникальной платформы, благодаря которой покупатель получает возможность стать обладателем по-настоящему чего-то нового и уникального.
Развитие инфраструктуры
Рост производства электромобилей не имеет никакого смысла без расширения сети станций для зарядки: зачем приобретать электрокар, если на нём нельзя будет далеко уехать?
Сейчас крупнейшей заправочной сетью является Supercharger, принадлежащей Tesla. Ею можно пользоваться бесплатно при условии наличия специального абонемента и покупки электромобиля Тесла. Но даже при невозможности соблюдения данных условий ездить на электричестве выгоднее, чем на бензине или дизельном топливе.
Если на рынок первыми вышли американские электромобили, то в настоящее время отобрать лидерство имеет все предпосылки Европа, где количество зарядных станций стремительно растёт, а правительство нескольких стран и вовсе заявляет о возможном скором полном отказе от применения двигателей внутреннего сгорания.
В ряде европейских стран владельцы машин с электромоторами получают всевозможные льготы в виде бесплатной парковки и снижения или полной отмены транспортного налога. В США также действует программа поддержки покупателей электрокаров, но работает она до того момента, пока производитель не выпустит 20 тысяч экземпляров таких транспортных средств.
Многие владельцы покупают зарядную станцию для электромобиля и устанавливают её прямо у себя в гараже: устройство PowerWall, крепящееся на стену, делает процесс зарядки авто идентичным зарядке аккумулятора на смартфоне. Особо большие фанаты автомобилей с электрическими двигателями монтируют на крыше собственного дома солнечные батареи, накапливающие затем энергию в PowerWall.
Сеть российских зарядочных станций пока не так обширна, как хотелось бы, но прогресс заметен (помимо аппаратов Supercharger, растёт число станций, принадлежащих государственным компаниям, правда, пока только в крупных городах).
Гибридные автомобили
Кроме полностью электрических авто, спросом пользуются гибриды, то есть модели, у которых одновременно имеется и электромотор, и ДВС.
Гибриды бывают двух видов:
- без разъема для осуществления зарядки. К ним относится Toyota Prius первой генерации и некоторые другие первые гибридные машины. Зарядка аккумулятора в них происходит исключительно за счёт работы рекуперативной системы;
- с разъемом для зарядки батареи. Таких гибридов сейчас на рынке абсолютное большинство. Они способны подключаться к внешним источникам энергии, что значительно упрощает процесс восполнения заряда.
Несмотря на наличие электродвигателя, на одном электричестве гибриды в состоянии проехать не более 50 км. Если же в дело включается ДВС, запас хода возрастает до нескольких сотен километров.
Минусы электромобилей
Электрокары – это развивающийся тип транспорта, поэтому недостатков они не лишены.
Основная проблема электромобилей, тормозящая их распространение, - это высокая цена. Когда будет найден способ наладить массовое производство аккумуляторов, стоимость снизится, но пока ценовой фактор останавливает многих покупателей, которые были бы не прочь отказаться от авто с ДВС.
Время от времени даже у поклонников электромобилей возникают сомнения относительно их экологической безопасности. Само использование электричества абсолютно безвредно, но вот при его выработке в атмосферу выбрасывается огромное количество вредных веществ. Человечеству ещё предстоит изыскать возможность отказа от применения тепловых электростанций и перехода к солнечной и ветреной энергии.
Перспективы электромобилей
Большинство экспертов сходятся во мнении, что люди с каждым годом будут покупать всё больше электрокаров. Уже сейчас автомобильная промышленность прошла своего рода точку невозврата, и отказаться от развития электрокаров стало невозможно.
Вычислительные мощности продолжат расти, а искусственный интеллект будет становиться всё более совершенным, что, без сомнения, скажется и на росте числа авто с электромоторами в мире.
Количество электромобилей в России тоже увеличивается, хотя не так быстро, как в Европе или Китае: причиной тому – невысокий уровень доходов населения страны.
С большой долей вероятности можно сказать, что мир без машин с ДВС неизбежен: когда человеческая цивилизация полностью откажется от этой технологии, является лишь вопросом времени.
Текущий уровень развития технологий
Рис. 1. Сравнение автономности гибридных (PHEV) и полностью электрических автомобилей (EV)
Сравнивая эти цифры с данными, которые мы имеем к 2020 году, можно смело утверждать, что до сих пор не устранен основной недостаток электромобилей, связанный с их невысокой автономностью. Таким образом, недостаточная емкость, большое время заряда, малая удельная энергия аккумуляторов ограничивают уже много лет усилия конструкторов электромобилей. Кроме того, растущая популярность электромобилей требует использования все большего количества аккумуляторных батарей, являющихся компонентами сложных систем, которые должны работать оптимально, чтобы обеспечить безопасное и эффективное использование энергии.
Вместе с тем, постепенно уходит в прошлое другой ключевой недостаток электромобилей, связанный со стоимостью аккумуляторов (см. рис. 2). Если в 2005 году аккумуляторы стоили в среднем 1300–1500 долларов за кВт·ч, то уже к 2015 году цена упала почти в 3 раза, до 500 долларов. Согласно оптимистичным прогнозам [2], в 2025 году цена может приблизиться к отметке 100 долларов за кВт·ч.
Рис. 2. Стоимость литий-йонных (Li-Ion) аккумуляторов для электромобилей
При этом надо понимать, что конкурентоспособность электромобиля напрямую зависит от стоимости нефти. Так, при цене 240 долларов за кВт·ч, литий-йонные аккумуляторы конкурентоспособны при стоимости нефти в 75 долларов за баррель. При цене нефти 50 долларов за баррель стоимость батарей не должна превышать 150 долларов за 1 кВт·ч.
Определенные основания для оптимизма дает совершенствование технологии аккумуляторных батарей. Если в 1980‑е годы никель-металлгидридные батареи имели удельную емкость до 120 Вт·ч/кг, то современные литий-ионные батареи, применяемые на электромобилях, способны вмещать до 2,6 кВт·ч на килограмм собственного веса (таблица 1).
Таблица 1. Характеристики аккумуляторных батарей современных электромобилей
Во-вторых, они допускают более глубокий заряд и разряд. Если для никель-металлгидридного аккумулятора оптимальный диапазон зарядки составляет от 40 до 60 %, то есть всего 20 % общей емкости, то для литий-ионного аккумулятора она в 2,5 раза больше: от 25 до 75 % [3].
Однако у литий-ионных аккумуляторов есть и существенные недостатки. В отличие от большинства электронных интегральных схем и микрочипов, оптимальный диапазон температур для литий-ионных аккумуляторных батарей довольно узкий (от 25 до 45 ˚C) и варьируется в зависимости от поставщика, режима зарядки и других факторов. Чтобы обеспечить нормальную работу и избежать необратимых повреждений, средняя температура ячеек и разница температур между ними должны находиться в пределах целевого диапазона. Длительная эксплуатация батарей при температурах ниже –15 ˚C может снизить емкость батарей и количество возможных циклов зарядки вдвое. Этот факт следует учитывать при эксплуатации электромобилей в России. Кроме того, батарея электромобиля испытывает деградацию приблизительно на 0,007–0,01 % при каждом цикле разряда и заряда за счет уменьшения активного вещества анода, катода и электролита.
Регулирование температуры ячеек и аккумуляторных блоков в заданном диапазоне может увеличить количество циклов зарядки аккумулятора, что, в свою очередь, повысит надежность работы устройства. Кроме того, эффективное тепловое решение поможет снизить вероятность катастрофического отказа батареи.
Аккумуляторные блоки имеют разделители, чтобы электроды не касались друг друга и не выделяли тепло. Однако разделители могут выйти из строя по ряду причин. В частности, они могут повредиться при боковом ударе, а также ударе электрическим током. Кроме того, экстремальные температуры окружающей среды или связанные с работой автомобиля также могут привести к повреждению разделителей. Любая из указанных ситуаций может привести к перегреву, в результате чего аккумулятор может даже взорваться. Чтобы избежать таких проблем, современный электромобиль оснащен надежной и экономичной системой контроля температуры аккумуляторной батареи, которая фиксирует повышение температуры в отсеке батарей и мгновенно прерывает электрическую цепь.
Поскольку литий-ионная аккумуляторная батарея представляет собой сложную мультифизичную систему, при ее проектировании в настоящее время инженеры используют технологии компьютерного и системного моделирования, а также цифровых двойников. Так специалисты компании Electronic Cooling Solutions использовали ПО Ansys для оптимизации конструкции тепловой системы аккумуляторной батареи [4]. На рис. 3 показано объемное поле температур аккумуляторного модуля, смоделированное в ПО Ansys.
Рис. 3. Объемное поле температур аккумуляторного модуля [4]
Специалисты Electronic Cooling Solutions получили хорошую корреляцию результатов электротеплового расчета с экспериментальными данными. Расчет теплового режима батареи, как правило, включает трехмерное CFD-моделирование с высоким разрешением, позволяющее получить объемное распределение температур в аккумуляторном блоке (рис. 4).
Рис. 4. Расчет теплового режима батареи, как правило, включает трехмерное CFD-моделирование с высоким разрешением, позволяющее получить объемное распределение температур в аккумуляторном блоке
Что касается перспектив развития батарей, то они в первую очередь связаны с изменением стехиометрического состава электродов аккумуляторов на основе NMC (LiNixMnyCozO2 – литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы) в сторону увеличения содержания никеля и марганца в составе NMC (см. рис. 5), а также с исследованием возможности увеличения электропроводности катода на основе NMC при использовании углеродных покрытий различной природы, в том числе – графена. Анализ литературных данных показывает, что в последнее время появилось много публикаций по модификации катодных материалов графеном [6, 7]. Некоторые аналитики считают, что использование графена позволит сократить на треть стоимость батареи и увеличить ее емкость до 1000 Вт∙ч/кг [8].
Рис. 5. Прогноз изменения стехиометрического состава электродов ЛИБ до 2030 года
Также важно отметить, что большинство экспертов сходятся во мнении, что существующие литий-ионные батареи (ЛИБ) практически достигли предела своей эффективности, и в ближайшие 5 лет могут нарастить ее не более чем на 20–30 %.
Твердотельные ЛИБ – еще одна из перспективных технологий в ближайшие 5–10 лет. В теории энергоемкость твердотельных аккумуляторов может достигать 1000 кВт·ч на 1 кг и более. Компания Toyota планирует в начале следующего года представить электромобиль с новым твердотельным аккумулятором, который обеспечит 10‑минутную быструю зарядку и дальность пробега до 500 км.
Инфраструктура зарядки, замены и утилизации аккумуляторных батарей
Рис. 6. Базовая схема концепции V2G
Заключение
Читайте также: