Автомобильные электродвигатели: 403 — Доступ запрещён – Что собой представляет двигатель для электромобиля, каким может быть и сколько стоит

главное для хорошего электромобиля – облегчённый мотор / Habr

Дизайн автора представляет новое слово в разработке электромоторов

В первое десятилетие XX века 38% всех машин в США работали на электричестве – и этот процент упал почти до нуля с ростом доминирования ДВС в 1920-х. Сегодняшнее стремление к сохранению энергии и уменьшению вредных выбросов вдохнуло в электромобили новую жизнь, но их высокая стоимость и ограниченный пробег сдерживают продажи.

Большая часть попыток решения этих проблем связана с улучшением батареек. Конечно же, улучшение систем хранения электроэнергии, будь то батарейки или топливные ячейки, должно оставаться частью любой стратегии улучшения электромобилей, но потенциал для улучшения есть и в другом фундаментальном компоненте машин: в моторе. Последние четыре года мы работали над новой концепцией тягового электродвигателя, используемого в электромобилях и грузовиках. Наша последняя разработка сильно улучшает эффективность по сравнению с обычными моделями – достаточно для того, чтобы сделать электромобили более практичными и доступными.

В прошлом году мы доказали работоспособность нашего мотора во всесторонних лабораторных тестах, и хотя до размещения его в автомобиле ещё далеко, у нас есть все основания полагать, что там он покажет себя так же хорошо. Наш мотор сможет увеличить пробег современных электромобилей, даже если мы не достигнем никакого прогресса в технологии батарей.

Чтобы понять сложность нашей задачи, необходимо вспомнить основы схемы электромотора (ЭМ). По сравнению с ДВС ЭМ проще, у них всего несколько критичных компонентов. Механика требует наличия корпуса. Он называется статором, поскольку не двигается. Необходим ротор, вращающий вал и создающий вращающий момент. Чтобы мотор работал, статор и ротор должны взаимодействовать при помощи магнетизма, превращая электрическую энергию в механическую.

Концепции моторов отличаются именно в области магнитных интерфейсов. В коллекторных моторах постоянного тока ток течёт через щётки, скользящие по коллекторному узлу. Ток идёт через коллектор и передаёт энергию намотке на роторе. Намотка отталкивается постоянными магнитами или электромагнитами статора. Щётки, скользя по коллектору, периодически меняют направление тока, и магниты ротора и статора отталкивают друг друга снова и снова, в результате чего ротор вращается. Иначе говоря, вращательное движение обеспечивается изменяющимся магнитным полем, производимым коллектором, соединяющим катушки с источником тока и циклически меняющим направление тока при поворотах ротора. Однако эта технология ограничивает вращающий момент и страдает от изнашивания; она уже не используется в тяговых ЭМ.

В современных электромобилях используется переменный ток от инвертера. Здесь динамическое вращающееся магнитное поле создаётся в статоре, а не в роторе. Это позволяет упростить схему ротора, который обычно более сложен, чем статор, что облегчает все задачи, связанные с разработкой ЭМ.

Моторов на переменном токе бывает два вида: асинхронные и синхронные. Мы сфокусируемся на синхронных, поскольку обычно они лучше и эффективнее работают.

Передовая система охлаждения проводит жидкость непосредственно через катушку (слева), а не через кожух мотора (справа)

Синхронные моторы тоже бывают двух видов. Более популярный – синхронная машина с постоянными магнитами [permanent-magnet synchronous machine, PMSM], использующая постоянные магниты, встроенные в ротор. Чтобы заставить его вращаться, в статоре организуется вращающееся магнитное поле. Это поле получается благодаря обмотке статора, соединённой с источником переменного тока. Во время работы полюса постоянных магнитов ротора захватываются вращающимся магнитным полем статора, что и заставляет ротор вращаться.

Такая схема, использующаяся в Chevrolet Volt и Bolt, в BMW i3, в Nissan Leaf и множестве других машин, может в пике достигать эффективности в 97%. Постоянные магниты обычно делают из редкоземельных элементов; яркие примеры – очень мощные неодимовые магниты, разработанные в 1982 году General Motors и Sumitomo.

Явнополюсные синхронные электродвигатели [Salient-pole synchronous machines, SPSM)] используют внутри ротора не постоянные, а электромагниты. Полюсы – это катушки в виде труб, направленные наружу, как спицы колеса. Эти электромагниты в роторе питаются источником постоянного тока, соединённым с ними через контактные кольца. Контактные кольца, в отличие от коллектора, не меняют направление тока. Северный и южный полюса ротора статичны, и щётки не изнашиваются так быстро. Как и в случае с PMSM, вращение ротора происходит из-за вращения магнитного поля статора.

Из-за необходимости питать электромагниты ротора через контактные кольца, у этих моторов обычно чуть ниже пиковая эффективность – в диапазоне от 94 до 96%. Преимущество над PMSM заключается в настраиваемости поля ротора, позволяющая ротору более эффективно вырабатывать крутящий момент на больших скоростях. Итоговая эффективность при использовании для разгона машины возрастает. Единственный производитель таких моторов в серийных авто – это Renault с его моделями Zoe, Fluence и Kangoo.

Электромобили необходимо строить с не только эффективными, но и лёгкими компонентами. Самый очевидный способ улучшить соотношение мощности к весу – уменьшить размер мотора. Однако такая машина выдаст меньший крутящий момент для одной и той же скорости вращения. Следовательно, чтобы получить больше энергии необходимо вращать мотор на более высоких скоростях. Сегодняшние электромобили работают на 12000 об/мин; в следующем поколении появятся моторы, работающие при 20000 об/мин; уже идут работы над моторами, работающие на скорости 30000 об/мин. Проблема в том, что чем выше скорость, тем сложнее получается редуктор – скорость вращения мотора слишком сильно превышает скорость вращения колёс. Из сложности редуктора следуют большие энергопотери.

Идеальный шторм: в авторском варианте (вверху) сила Лоренца и смещённая индуктивность (серый) суммируются в максимальное общее усилие (синее) равное 2. В обычном моторе (внизу) сумма двух сил – силы Лоренца и магнитное сопротивление (серый) дают общее усилие (синий), достигающее пика лишь в 1,76, при угле выбега ротора в 0,94 рад. Разница в этом примере составляет 14%

Второй подход к улучшению соотношения мощности к весу – увеличение силы магнитного поля, что увеличивает крутящий момент. В этом состоит смысл добавления железного сердечника к катушке – хотя это увеличивает вес, но одновременно усиливает плотность магнитного потока на два порядка. Следовательно, практически все современные ЭМ используют железные сердечники в статоре и роторе.

Однако, есть и минус. Когда сила поля увеличивается до определённого предела, железо теряет возможность усиления плотности потока. На это насыщение можно немного повлиять, добавляя присадки и изменяя процесс изготовления железа, но и самые эффективные материалы ограничены 1,5 В*с/м

2 (вольт в секунду на квадратный метр, или тесла, Тл). Только очень дорогие и редкие вакуумные железно-кобальтовые материалы могут достигать плотностей магнитного потока 2 Тл или более.

И, наконец, третий стандартный путь увеличения крутящего момента – усиление поля через усиление тока, проходящего через катушки. Опять-таки, тут есть свои ограничения. Увеличьте ток, и увеличатся потери на сопротивление, уменьшится эффективность и появится тепло, способное повредить мотор. Для проводов можно использовать металл, лучше проводящий ток, чем медь. Серебряные провода также бывают, но их применение в таком устройстве было бы абсурдно затратным.

Единственный практический способ увеличить ток – контролировать тепло. Передовые охлаждающие решения проводят жидкость прямо рядом с катушками, а не дальше от них, снаружи статора.

Все эти шаги помогают улучшать соотношение веса к мощности. В гоночных электромобилях, где стоимость не имеет значения, моторы могут достигать 0,15 кг на киловатт, что сравнимо с лучшими ДВС из Формулы 1.

Мы со студентами разрабатывали и создавали такие высокопроизводительные электромоторы для автомобиля, участвовавшего в студенческой Формуле три года назад. Мы создавали моторы в нашей лаборатории в Электротехническом институте Технологического института Карлсруэ. Каждый год команда создавала новую машину с улучшенным мотором, редуктором и силовой электроникой. В машине четыре мотора, по одному на колесо. Каждый имеет всего 8 см в диаметре, 12 см в длину и 4,1 кг веса, и производит 30 кВт на постоянной основе и 50 кВт в пике. В 2016 году наша команда выиграла чемпионат мира.

Так что это и правда можно сделать, если стоимость вас не волнует. Главный вопрос – можно ли использовать такие улучшающие эффективность технологии в массовом производстве, в машине, которую могли бы купить вы? Мы создали такой мотор, так что ответ на вопрос – положительный.

Мы начали с простой идеи. Электромоторы хорошо работают как в роли моторов, так и в роли генераторов, хотя для электромобилей такая симметрия не особенно нужна. Для автомобиля нужен мотор, работающий лучше в роли мотора, чем в роли генератора – последняя используется только для заряда батарей при рекуперативном торможении.

Чтобы понять эту идею, рассмотрим работу мотора PMSM. В таком моторе движение создают две силы. Во-первых, сила, возникающая благодаря постоянным магнитам в роторе. Когда ток идёт через медные катушки статора, они создают магнитное поле. Со временем ток переходит из одной катушки в другую и заставляет магнитное поле вращаться. Вращающееся поле статора притягивает постоянные магниты ротора, и тот начинает двигаться. Этот принцип основан на силе Лоренца, влияющей на движение заряженной частицы в магнитном поле.

Но современные ЭМ получают часть энергии от магнитного сопротивления – силы, притягивающей блок железа к магниту. Вращающееся поле статора притягивает как постоянные магниты, так и железо ротора. Сила Лоренца и магнитное сопротивление работают бок о бок, и – в зависимости от схемы мотора – примерно равны друг другу. Обе силы примерно равны нулю, когда магнитные поля ротора и статора выравниваются. С увеличением угла между ними мотор вырабатывает механическую энергию.

В синхронном моторе поля статора и ротора работают совместно, без задержек, существующих в асинхронных машинах. Поле статора находится под определённым углом к полю ротора, который можно регулировать во время работы для достижения наибольшей эффективности. Оптимальный угол для создания вращательного момента при заданном токе можно вычислять заранее. Затем он подстраивается, по мере изменения тока, к силовой электронной системе, дающей переменный ток на намотку статора.

Но вот, в чём проблема: при движении поля статора по отношению к положению ротора сила Лоренца и магнитное сопротивление то увеличиваются, то уменьшаются. Сила Лоренца увеличивается по синусоиде, достигающей пика на 90 градусов от точки отсчёта (от точки, в которой поля статора и ротора выровнены). Сила манитного сопротивления циклично меняется в два раза быстрее, поэтому достигает пика на 45 градусах.

Поскольку силы достигают максимума в разных точках, максимальная сила мотора меньше, чем сумма его частей. Допустим, у какого-то определённого мотора в определённый момент работы оказывается, что оптимальным углом для максимума суммарной силы будет 54 градуса. В этом случае этот пик будет на 14% меньше, чем суммарные пики двух сил. Это наилучший из возможных компромиссов данной схемы.

Если бы мы могли переделать этот мотор так, чтобы две силы достигали максимума в одной точке цикла, мощность мотора возросла бы на 14% совершенно бесплатно. Вы бы потеряли только эффективность работы в роли генератора. Но мы, как будет показано далее, нашли способ восстановить и эту способность, чтобы мотор лучше восстанавливал энергию при торможении.

Разработка идеально выравнивающего поля мотора – дело непростое. Проблема состоит в комбинации PMSM и SPSM в новую гибридную схему. В результате получается гибридный синхронный мотор со смещённой осью магнитного сопротивления. По сути, этот мотор использует как провода, так и постоянные магниты, для создания магнитного поля в роторе.

Другие пытались работать в этом направлении, а затем отбросили эту идею – но они хотели использовать постоянные магниты только для усиления электромагнитного поля. Наша инновация состоит в использовании магнитов только для придания точной формы полю, чтобы оптимально выровнять две силы – силу Лоренца и силу магнитного сопротивления.

Основная проблема в разработке состояла в поиске такой конструкции ротора, которая могла бы менять форму поля, оставаясь при этом достаточно прочной для того, чтобы вращаться на высоких скоростях, не ломаясь при этом. В центре нашей схемы – многослойная структура ротора, несущего медную намотку на железном сердечнике. Мы приклеили постоянные магниты к полюсам сердечника; дополнительные шипы препятствуют их вылету. Чтобы всё удерживалось на месте, мы применили крепкие и лёгкие титановые штифты, пропущенные через электромагнитные полюса ротора, притянутые гайками к кольцам из нержавеющей стали.

Мы также нашли способ обойти недостаток первоначального мотора, уменьшение крутящего момента во время работы генератором. Теперь мы можем менять направление поля в роторе так, что генерация во время рекуперативного торможения работает так же эффективно, как режим мотора.

Этого мы добились, меняя направление тока в намотке ротора во время работы в режиме генератора. Работает это следующим образом. Представьте себе первоначальный вид ротора. Если идти по его периметру, вы обнаружите определённую последовательность северных и южных полюсов электромагнитных (Е) и постоянных магнитных (P) источников: NE, NP, SE, SP. Эта последовательность повторяется столько раз, сколько в моторе пар полюсов. Меняя направление тока в обмотке, мы меняем ориентацию электромагнитных полюсов, и только их, в результате последовательность превращается в SE, NP, NE, SP.

Изучив две этих последовательности, вы увидите, что вторая похожа на первую, идущую задом наперёд. Это значит, что ротор можно использовать в режиме мотора (первая последовательность) или в режиме генератора (вторая), когда ток в роторе меняет направление на противоположное. Таким образом наша машина работает более эффективно, чем обычные моторы, как в роли мотора, так и в роли генератора. На нашем прототипе изменение направления тока занимает не более 70 мс, что достаточно быстро для автомобилей.

В прошлом году мы построили прототип мотора на верстаке и подвергли его тщательным проверкам. Результаты ясны: при той же самой силовой электронике, параметрах статора и других ограничениях обычного мотора, машина способна выдавать почти на 6% больше крутящего момента и на 2% больше эффективности в пике. В цикле езды результаты ещё лучше: ей требуется на 4,4% меньше энергии. Это значит, что машина, проезжающая на одной зарядке 100 км, проехала бы с этим мотором 104,4 км. Дополнительные километры достаются нам почти задаром, поскольку в нашей схеме есть всего несколько дополнительных частей, заметно менее дорогих, чем дополнительные батарейки.

Мы связались с несколькими производителями оборудования, и они нашли нашу концепцию интересной, хотя пройдёт ещё много времени до того, как вы увидите один из таких асимметричных моторов в серийном автомобиле. Но появившись, в результате он станет новым стандартом, поскольку извлечение всей возможной пользы из имеющейся у вас энергии стоит в приоритете как для автопроизводителей, так и для всего нашего общества.

как электрокары на нем работают

Тяговый электродвигатель для электромобиля Tesla Model S

Неотвратимым будущим автомобилестроения, хотим мы того или нет, являются электрические автомобили. Производители авто во всем мире вкладывают огромные средства в их разработку, желая снизить концентрацию вредных веществ выбрасываемых автомобилями традиционными, сделать поездки безопасными и комфортными, а также экономичными. Работа по их созданию проводится в двух направлениях – создание   новых моделей и  реконструкция серийных, которая более предпочтительна, поскольку  менее затратная. Электромобили, по сравнению с традиционными, более надежны, поскольку более просты по конструкции, т.е. отличаются минимумом движущихся частей.

Крупнейшими рынками электрических автомобилей являются сегодня:  США и Норвегия, Япония и Германия, Китай и Франция, Великобритания и др. Наша страна пока от производства и использования новых средств передвижения находится в стороне, исключая энтузиастов, разработавших Lada Ellada. Но, это случай пока единичный, поэтому он не в счет, тем более, что собрано авто на импортных комплектующих.

Понятие «электрический автомобиль» означает средство передвижения, приводимое в движение несколькими (или одним) электродвигателями. Теоретически питание мотора может быть от аккумулятора, топливных элементов или солнечных батарей. Тем не менее, большее распространение получил вариант первый.  Батарея, питающая двигатель требует зарядки, осуществлять которую можно при помощи внешних источников, рекуперации или генератора, установленного на борту автомобиля.  Электродвигатель, являющийся основным элементом электромобиля, питается, как правило, от литий — ионной батареи. Он же, в режиме рекуперации, играет роль генератора, заряжающего батарею.

Назначение тягового электродвигателя

Электродвигатель тяговый (ТЭД) предназначен для приведения в движение транспортного средства, т.е. он преобразует в механическую, энергию электрическую. Их классифицируют по способу питания, роду тока, конструктивному исполнению, типу привода колесных пар. В большинстве экологичных машин: гибридных авто, серийных электромобилях, авто на топливных элементах, которые в наши дни приобретают завидную популярность, они являются основной движущей силой.

В качестве двигателя используют в них моторы тяговые постоянного тока, которые работают в  двух режимах – двигательном и генераторном.

Видео: Как устроен двигатель электромобиля Tesla Model S

Принцип работы

Принцип работы электромобиля Golf blue-e-motion с тяговым электродвигателем

В основе их работы лежит принцип электромагнитной индукции, т.е. возникновение в замкнутом контуре электродвижущей силы при изменении магнитного потока. От традиционной машины электромеханической ТЭД отличается  большей мощностью, более компактными размерами, а кроме этого, у него более высокий КПД.

По способу питания моторы делятся на двигатели постоянного и переменного тока. По числу фаз – на:

• однофазные (с одной обмоткой, подключаемой к сети однофазной переменного тока),
• двухфазные (две обмотки, расположенные под углом девяносто градусов),
• трехфазные (три обмотки с магнитными полями через 120 градусов).

По исполнению конструктивному двигатели могут быть: коллекторными, преимущественно работающие на постоянном токе (универсальные современные  могут также работать и на токе переменном), бесколлекторными, синхронными, асинхронными. Наконец, по способу возбуждения они делятся на: двигатели с последовательным, параллельным, последовательно-параллельным возбуждением и от постоянных магнитов.

Основные характеристики тягового электродвигателя электрического автомобиля

В современных авто электродвигатель может быть от переменного или постоянного тока. Основной его задачей является передача на движитель авто крутящего момента. Основными характеристиками ТЭД помимо максимального крутящего момента и мощности, являются: частота вращения, ток и напряжение.

В автомобилях чаще используют коллекторные двигатели (один из них благодаря способности вращаться в обратную сторону, может работать как генератор). Но, в отдельных моделях устанавливают электрические моторы и других типов – магнитоэлектрические моторы, подразделяющиеся на двигатели переменного и постоянного тока. Тяговые двигатели электрические, установленные в электромобилях, от других электромоторов не отличаются по конструкции.

Мотор-колесо

Если вначале использовали один тяговый электродвигатель для электромобиля, редуктор которого соединен с трансмиссией, то  сегодня все чаще обращаются к мотор-колесу. Суть концепции состоит в том, что компьютерная программа управляет при помощи  отдельных моторов каждым из колес.

Главным преимуществом является  отсутствие трансмиссии, из-за которой силовая установка теряет значительную часть энергии. Помимо этого удается ликвидировать тормозную гидравлическую систему, функцию которой берут на себя электромоторы, а также отдельные механизмы ESP и ABS.

Двигатели для электромобилей: производители, устройство

Исчерпание углеводородного топлива, ухудшение экологической обстановки и ряд других причин рано или поздно заставят производителей разработать модели электромобилей, которые станут доступны для широких слоев населения. А пока остается только ждать или собственноручно разрабатывать варианты экологически чистой техники.

Если же вы все-таки предпочитаете самостоятельно искать решения, а не дожидаться их со стороны, то вам понадобятся знания о том, какие двигатели для электромобиля уже изобрели, чем они отличаются и какой из них наиболее перспективный.

Тяговый двигатель

Если вы решите поставить обыкновенный электромотор под капот своего автомобиля, то, скорее всего, из этого ничего не выйдет. А все потому, что вам необходим тяговый электрический двигатель (ТЭД). От обычных электромоторов он отличается большей мощностью, способностью выдавать больший крутящий момент, небольшими габаритами и малой массой.

Для питания тягового электродвигателя используются батареи. Они могут подзаряжаться от внешних источников («от розетки»), от солнечных батарей, от генератора, установленного в авто, или в режиме рекуперации (самостоятельное восполнение заряда).

Двигатели для электромобилей чаще всего работают от литий-ионных батарей. ТЭД обычно функционирует в двух режимах – двигательном и генераторном. В последнем случае он восполняет потраченный запас электроэнергии при переходе на нейтральную скорость.

Принцип работы

Стандартный электродвигатель состоит из двух элементов – статора и ротора. Первый компонент является неподвижным, имеет несколько катушек, а второй совершает вращательные движения и передает усилие на вал. На катушки статора с определенной периодичностью подается переменный электрический ток, что вызывает появление магнитного поля, которое начинает вращать ротор.

Чем чаще катушки «включаются-выключаются», тем быстрее вращается вал. В двигатели для электромобилей могут устанавливать два вида ротора:

• короткозамкнутый, на котором возникает магнитное поле, противоположное полю статора, за счет чего и происходит вращение;
• фазный – используется для уменьшения тока запуска и контроля скорости вращения вала, является наиболее распространенным.

Кроме того, в зависимости от скорости вращения магнитного поля и ротора двигатели могут быть асинхронными и синхронными. Тот или иной тип необходимо выбирать из имеющихся средств и поставленных задач.

Синхронный двигатель

Синхронный двигатель – это ТЭД, у которого скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля. Такие двигатели для электромобилей целесообразно использовать только в тех случаях, когда имеется источник повышенной мощности – от 100 кВт.

Одной из разновидностей синхронных электромоторов является шаговый двигатель. Обмотка статора такой установки разбита на несколько секций. В определенный момент ток подается на определенную секцию, возникает магнитное поле, которое вращает ротор на определенный угол. Затем ток подается на следующую секцию, и процесс повторяется, вал начинает вращаться.

Асинхронный электромотор

В асинхронном двигателе скорость вращения магнитного поля не совпадает со скоростью вращения ротора. Плюсом таких устройств является ремонтопригодность – запчасти для электромобилей, оснащенных этими установками, найти очень просто. К другим преимуществам относятся:

1. Простая конструкция.
2. Простота обслуживания и эксплуатации.
3. Низкая стоимость.
4. Высокая надежность.

В зависимости от наличия щеточно-коллекторного узла двигатели могут быть коллекторными и безколлекторными. Коллектор – устройство, служащее для преобразования переменного тока в постоянный. Щетки служат для передачи электроэнергии на ротор.

Безколлекторные двигатели для электромобилей отличаются меньшей массой, компактными габаритами и более высоким КПД. Они реже перегреваются и потребляют меньше электричества. Единственный минус такого двигателя – высокая цена на электронный блок, который выполняет функции коллектора. Кроме того, найти запчасти для электромобилей, оснащенных безколлекторным двигателем, сложнее.

Производители электродвигателей

Большинство самодельных электромобилей сконструировано с применением коллекторного двигателя. Это объясняется доступностью, низкой ценой и простым обслуживанием.

Видным производителем линейки данных моторов является немецкая компания Perm-Motor. Ее продукция способна к рекуперативному торможению в генераторном режиме. Она активно используется для оснащения скутеров, моторных лодок, легковых автомобилей, электроподъёмных устройств. Если двигатели Perm-Motor устанавливали в каждый электромобиль, цена их была бы значительно ниже. Сейчас они стоят в пределах 5-7 тыс. евро.

Популярным производителем является компания Etek, которая занимается производством безщеточных и щеточных коллекторных двигателей. Как правило, это трехфазные моторы, работающие на постоянных магнитах. Основные преимущества установок:

• точность управления;
• легкость организации рекуперации;
• высокая надежность за счет простой конструкции.

Завершает список производителей завод из США Advanced DC Motors, выпускающий коллекторные электромоторы. Некоторые модели обладают исключительной особенностью – они имеют второй шпиндель, что можно использовать для подключения на автомобиль-электромобиль дополнительного электрооборудования.

Какой двигатель выбрать

Чтобы покупка вас не разочаровала, надо сравнить характеристики приобретаемой модели с предъявляемыми требованиями к автомобилю. При выборе электродвигателя в первую очередь ориентируются на его тип:

• Синхронные установки имеют сложное устройство и дорогостоящи, но обладают перегрузочной способностью, ими легче управлять, им не страшны перепады напряжения, используются при высоких нагрузках. Они устанавливаются на электромобиль Mercedes.
• Асинхронные модели отличаются низкой стоимостью, простым устройством. Они просты в обслуживании и эксплуатации, однако выделяемая ими мощность намного меньше, чем тот же показатель синхронной установки.

На электромобиль цена будет значительно ниже, если электромотор будет работать в паре с двигателем внутреннего сгорания. На рынке такие комбинированные установки обладают большей популярностью, так как их стоимость составляет около 4-4,5 тыс. евро.

Двигатель электромобиля – разновидности и принцип работы

Экологичные автомобили, будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя, в качестве основной движущей силы. Работа современного электрического двигателя основана на принципе электромагнитной индукции, в базе которого лежит выработка электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот. Немалую роль в этом сыграла и возросшая в десятки раз мощность и емкость аккумуляторных батарей, которые выполняют роль топливного бака в современных электрических и гибридных автомобилях.

Электромобиль Nissan Leaf в «разрезе»: батарея с электродвигателем

Тем не менее, нельзя со 100% уверенностью утверждать, что все электродвигатели одинаковы. Многие ошибочно считают электродвигатель довольно простой установкой, однако стоит, к примеру, учитывать тот факт, что в отличии от ДВС, у электрического двигателя практически 90% КПД выделяемой энергии идет на создание крутящего момента. Согласитесь, что подобную мощность необходимо обуздать и уметь с ней обращаться, а для этого нужно знать некоторые нюансы о работе и разновидностях электрических двигателей.

Электродвигатели – особенности эксплуатации и принцип работы

К главным особенностям электрического двигателя относится несколько важных характеристик:

1. Крутящий момент мотора достигает своего максимума сразу при включении, таким образом, электромобили не требуют наличия характерных для ДВС стартеров и сцеплений.
2. Работа агрегата на обширном числе оборотов, позволяет электромобилю обходиться без коробки переключения передач. Для изменения стороны вращения двигателя (включение заднего хода) достаточно поменять полярности.

Электродвигатель Nissan Leaf

Однако все понимают, что стартовать на электромобиле со всего потенциала крутящего момента, который гораздо мощнее многих автомобилей с ДВС, никто не будет. По меньшей мере, это небезопасно, и что немаловажно это влечет неэффективный расход заряда батарей. Поэтому традиционно электродвигатели должны отвечать следующим требованиям:

• иметь безопасное и удобное для эксплуатации строение;
• обладать гарантией длительной эксплуатации;
• иметь компактные габариты.

Как уже упоминалось, работа современного электродвигателя основана на давно известном принципе электромагнитной индукции. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и крутящегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, при котором ротор начинает свое движение. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую.

Двигатели для электромобилей – разновидности и классификация

В современных автомобилях с электрической тягой серийного производства наиболее часто используют три типа электрических двигателей.

Асинхронные двигатели. Моторы непостоянного тока, в которых скорость вращения ротора различается с потенциалом напряжения магнитного поля, созданным источником питания. Различают одно, двух и трехфазные агрегаты асинхронного типа.

Асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока Tesla Model S

Синхронные двигатели. Электромотор, работающий на переменном токе, с движением ротора полностью симметричным электромагнитному полю. Подобные электродвигатели используют при повышенных мощностях. Различают шаговые и вентильные синхронные электродвигатели. Для первых характерно точное расположение ротора с подачей питания на конкретную обмотку, а чтобы изменить положение ротора, напряжение между обмотками необходимо перенаправить. Для второго типа агрегатов характерно питание от полупроводниковых составляющих.

Синхронный электродвигатель с постоянным магнитом Mitsubishi i-MiEV

Двигатель-колесо. Тип электромотора сила напряжения и крутящий момент которого рассчитан на конкретное колесо. Данный тип электропривода часто используется в плагин-гибридных автомобилях в рабочем тандеме с двигателем внутреннего сгорания. Агрегат может устанавливаться непосредственно в колесо, однако современные электромобили все больше отходят от такого расположения мотора, поскольку это увеличивает удельный вес шасси и снижает управляемость. Более рационально стало использовать двигатель в качестве полноценного привода для вращения колеса.

Двигатель-колесо

Что касается регулировок управления электродвигателя, то за преобразование постоянного тока от аккумуляторных батарей в трехфазный переменный – отвечает инвертор.Трансмиссия – выполняющая роль сцепления и коробки передач, зачастую представлена одноступенчатым зубчатым редуктором.Остальные параметры работы электродвигателя регулируют электронная система управления, которая индивидуальна для каждой марки электрокара или гибрида.

Видео как работает электродвигатель и другие механизмы электромобиля на примере Tesla Model S

Хотелось бы подчеркнуть, что представленная классификация и система работы электродвигателей далеко не финальная. Стремительное развитие отрасли эко автомобилей только входит в начальную стадию, поэтому кардинального изменения принципа работы, мощности, строения электромоторов можно ожидать уже в ближайшее время.

Какие электродвигатели используются в гибридных и плагин-гибридных автомобилях

Гибридные автомобили имеют собственную специфику использования электромоторов. Во многом электродвигатель гибрида выполняет роль вспомогательного элемента, повышающего мощность основного двигателя внутреннего сгорания и снижающего уровень потребления топлива.

Электродвигатели используемые в гибридах можно разделить на несколько разновидностей:

• Встроенная помощь мотору. Электродвигатель который берет на себя часть усилий по созданию крутящего момента при движении.
• Встроенный генератор стартера. Электродвигатель, который только приводит автомобиль в движение.
• Старт/стоп двигатель. Электродвигательная система, которая отключает основной ДВС при остановке и мгновенно запускает его при начале движения.

Кроме указанных подвидов классифицируют три типа использования электродвигателя:

• Параллельной работы. В данном типе электродвигатель питается от батарей, а ДВС от топливного бака. Обе категории двигателей создают крутящий момент для движения автомобиля.
• Последовательной работы. Заведенный двигатель внутреннего сгорания включает генератор, который или заводит электродвигатель или подзаряжает аккумуляторный блок.
• Параллельно-последовательной работы. Данный тип гибридного двигателя соединяет электромотор, генератор, ДВС и колеса редуктором.

По большей части в гибридах используется принцип параллельной работы электродвигателя и ДВС. Его применяют также в подключаемых гибридах (плагин-гибридах), в которых по мере истечения заряда аккумуляторных батарей подключается ДВС малой мощности, работа которого в направлена на восполнение заряда АКБ.

Видео работы новой гибридной системы плагин-гибрида Toyota Prius

Преимущества и недостатки использования электродвигателей

Как и любой двигатель, электромотор в электромобиле имеет собственные плюсы и минусы использования. Для понимания данных особенностей электромоторов приведем таблицу:

Преимущества	Недостатки
Небольшие габариты и малый вес. Максимальный крутящий момент доступен с момента включения (при нулевых оборотах) двигателя. Высокая, фактически ничем не ограниченная производительность. Возможность использования рекуперативной энергии. Экологически чистая работа. Минимум движущихся деталей требующих замены или ремонта. Отсутствие необходимости в КПП.	Зависим от настроек программного обеспечения, питания и производительности аккумуляторных батарей.

Будущие перспективы электродвигателя в автомобилях

Говорить о перспективах, при активном использовании электродвигателей в автомобилях, уже не разумно. Сейчас можно говорить только о происходящих и грядущих улучшениях электромоторов.

Сам электродвигатель, это достаточно совершенное устройство, апгрейд которого происходит исключительно в зависимости от потенциала использования. Ближайшие тенденции по улучшению электродвигателя направлены в сторону уменьшения размеров и массы, с сохранением и увеличением производительности.

Гораздо больше работы проводится по улучшению источников энергии для электродвигателя, а точнее аккумуляторных батарей. Их также стараются сделать меньше и легче, увеличивая объем, отдачу энергии, но при этом снижая время на подзарядку. Работа над АКБ устанавливаемых на электромобили, сейчас наиболее приоритетная в отрасли производства электромобилей, гибридных и плагин-гибридных авто.

Автор: hevcars.com.ua

Еще интересное пишут по теме

HEVCARS 🔌 Автор

Читайте самые интересные новости и статьи о электрокарах в Telegram и Facebook!

Силовая установка электромобиля, электродвигатель » Эксплуатация электромобиля в России

24 января 2019 в 13:32

Мощность электродвигателя электромобиля, как и в других транспортных средствах, измеряется в киловаттах (кВт). 100 кВт примерно равно 134 лошадиным силам. Отличительная черта электродвигателя состоит в том, что в отличие от ДВС он может выдавать максимальный крутящий момент в более широком диапазоне оборотов. Это означает, что динамика электрокара с двигателем мощностью 100 кВт будет значительно лучше динамики транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания мощностью 100 кВт, который может обеспечивать максимальный крутящий момент в пределах ограниченного диапазона оборотов (бензиновый мотор обычно надо «раскручивать» до высоких оборотов, чтобы получить номинальный крутящий момент).

Энергия теряется в процессе преобразования электрической энергии в механическую. Приблизительно 90% энергии от батареи преобразуется в механическую энергию, остальные 10% — потери в двигателе и трансмиссии. Это означает, что КПД (коэффициент полезного действия) электродвигателя достигает 90%, тогда как КПД бензинового мотора — до 25%, а дизеля — до 50%.

Обычно электропитание в виде постоянного тока подается в преобразователь, где он становится переменным, а далее приходит в трехфазный двигатель переменного тока.

Для некоторых электромобилей используются двигатели постоянного тока. В некоторых случаях используются универсальные двигатели, на который можно подавать как переменный ток, так и постоянный. 

В последнее время электродвигатели совершенствуются, в том числе были реализованы различные типы двигателей, например, асинхронные двигатели на автомобилях Tesla и двигатели с постоянными магнитами в Nissan Leaf и Chevrolet Bolt.

На изображении выше можно увидеть схему силовой установки Nissan Leaf второго поколения. 

• Электродвигатель создает крутящий момент для перемещения автомобиля, а также генерирует зарядный ток во время рекуперативного торможения.
• Инвертор, используя двигатель, преобразует электричество постоянного тока в переменный ток для движения, а также преобразует переменный ток в постоянный во время торможения (рекуперации) для заряда батареи.
• Понижающий редуктор модулирует вращение двигателя и передает мощность на колеса (приводной вал), аналогично классической передаче.
• PDM (модуль подачи питания) представляет из себя интегрированный блок с зарядным устройством для зарядки переменным током высокого напряжения батареи, преобразователем постоянного тока, который преобразует высокое напряжение в низкое, и распределительную коробку, которая распределяет высокое напряжение на каждый блок, блокируя ток, как прерыватель, когда возникают перегрузки.

Подробно понять устройство электромобиля поможет это видео:

Набор для превращения любого автомобиля в гибридный / Habr

Студенты из Middle Tennessee State University под руководством доктора Чарльза Перри с 2008 года работают над комплектом, который позволит превратить практически любой автомобиль в гибридный.

Проблем с современными электрическими или гибридными автомобилями немало. Конструкция привода требует переработки, это требует затрат, которые сказываются на конечной стоимости авто.
Плюс к тому никто не предлагает переделать ваш автомобиль в гибридный — если уж вы решили его опробовать, придётся продавать старую лошадку и покупать новую.
Такими темпами совершенно непонятно, когда хотя бы половина автомобилей будет ездить при помощи электричества — очень уж вяло новинка проникает в жизнь.

А Чарльз Перри со товарищи предлагают совершенно другой вариант.

Из обычных комплектующих, без всяких дорогих инноваций, они собирают комплект, который можно установить почти на любой автомобиль.

В багажник ставятся аккумуляторы и контроллер этого устройства с охлаждением.
Инновация состоит только в размещении тяги. Сами трёхфазные безщёточные электромоторы постоянного тока размещаются в задних колёсах на свободном месте, которое там уже есть — вокруг тормозов.
Электромагниты статоров размещены по кругу, а вращающийся диск, к которому крепится колесо, оснащён постоянными магнитами. Электромагниты управляются контроллером, и когда система включается, колесо превращается в электромотор.

Таким образом, никакие агрегаты автомобиля не модифицируются и не затрагиваются — тормоза, подвеска, подшипники остаются без изменений.

Система создаётся как вспомогательная для мотора внутреннего сгорания, и рассчитана на движение по городу — скорости до 40-45 mph (до 60-70 км/ч). Контроллер работает совершенно прозрачно — если водитель не знает об этой установке, он её может и не почувствовать. Как только при разгоне водитель давит на газ, система автоматически включается и помогает разгоняться и ехать.

При достижении большой скорости система также автоматически отключается.
Др. Перри утверждает, что по их тестам выходит 50% экономия топлива, то есть при движении в городских условиях на том же количестве бензина можно проехать в два раза большее расстояние.

На видео аккумуляторы с контроллером выглядят довольно объёмно, но др. Перри утверждает, что это установка для тестов, поэтому она немного больше той, на которую они рассчитывают выйти в результате.

Возможно, скоро наступит время, когда любой желающий сможет купить для себя такой набор и сделать апгрейд своей ласточке — так же, как сейчас можно купить электрический набор для велосипеда.

Электромобиль — Википедия

Не следует путать с термином электрокар — спецтехникой для локальных перевозок внутри предприятий .

Электромобиль — автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от независимого источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов, конденсаторов и т. п.), а не двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и электрической передачей, а также от троллейбусов и трамваев.

Под термином электромобиль имеется в виду автомобиль, у которого для привода ведущих колес используется электрическая энергия, получаемая от химического источника тока.

— О. А. Ставров^[2]

Также можно сказать, что электромобиль — это безрельсовое транспортное средство с автономным химическим источником энергии (тока)^[2].

XIX век[править | править код]

Электромобиль появился раньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Ещё в 1828 году венгерский изобретатель Аньос Джедлик смастерил передвигающуюся на электрической энергии тележку, больше напоминающую скейтборд, нежели автомобиль. Впрочем, изобретение Джедлика послужило мощным толчком в развитии данного направления инженерии^[3]. Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан в 1841 году.

В 1899 году в Санкт-Петербурге русский дворянин и инженер-изобретатель Ипполит Романов создал первый русский электрический омнибус на 17 пассажиров. Его общая компоновка была заимствована у английских кэбов, где извозчик располагался на высоких ко́злах позади пассажиров. Экипаж был двухместным и четырёхколёсным, передние колёса по диаметру были больше задних. На первом электромобиле использовался свинцовый аккумулятор системы Бари, имевший 36 банок (вольтовых столбов). Он требовал подзарядки каждые 60 вёрст (~64 километра). Суммарная мощность автомобиля составляла 4 лошадиные силы. Разработка экипажа была заимствована у моделей американской фирмы «Моррис-Салом», которая выпускала автомобили с 1898 года. Электромобиль изменял скорость движения в девяти градациях от 1,6 до 37,4 км/час. Романов также разработал схему городских маршрутов для этих прародителей современных троллейбусов и получил разрешение на работу. Однако найти нужные инвестиции не смог, поэтому дело не получило развитие.

Специальный рекордный электромобиль с пулевидным кузовом La Jamais Contente 29 апреля либо 1 мая 1899 года, управляемый гонщиком Камилем Женацци, первым преодолел 100-километровый (62 мили/ч) барьер скорости на суше. Официальный рекорд скорости составил 105,882 км/ч. Позже известный американский конструктор электромобилей Уолтер Бейкер достиг скорости в 130 км/ч. Рекорд по дальности пробега на одной зарядке поставил электромобиль фирмы «Борланд Электрик», проехавший 103,8 мили (167 км) от Чикаго до Милуоки. На следующий день (после перезарядки) электромобиль вернулся в Чикаго своим ходом. Средняя скорость составила 55 км/ч.

Первая половина XX века[править | править код]

Изначально запас хода и скорость у электрических и бензиновых экипажей были примерно одинаковыми. Главным минусом электромобилей была сложная система подзарядки. Поскольку тогда ещё не существовало усовершенствованных преобразователей переменного тока в постоянный, зарядка осуществлялась крайне сложным способом. Для подзарядки использовался электромотор, работавший от переменного тока. Он вращал вал генератора, к которому были подсоединены батареи электромобиля. В 1906 году был изобретён сравнительно простой в эксплуатации выпрямитель тока, но это существенно проблему подзарядки не решило.

C 1900 по 1910 год широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В то время из всего числа автомобилей США 38 % имели электрические двигатели, 40 % — паровые, 22 % — бензиновые^[4]. Значительное распространение в начале века получили и грузовые электромобили, а также электрические омнибусы (электробусы).

Вторая половина XX века[править | править код]

Возрождение интереса к электромобилям произошло в 1960-е годы из-за экологических проблем автотранспорта, а в 1970-е годы и из-за резкого роста стоимости топлива в результате энергетических кризисов.

Однако после 1982 года интерес к электромобилям снова спал. Это было вызвано резким изменением конъюнктуры на нефтяном рынке и слабыми эксплуатационными показателями опытных партий из-за недостатков химических источников энергии^[2].

В начале 90-х годов штат Калифорния был одним из самых загазованных регионов США. Поэтому Калифорнийским Комитетом Воздушных Ресурсов (CARB) было принято решение — в 1998 году 2 % продаваемых в Калифорнии автомобилей не должны производить выхлопов, а к 2003 году — 10 %. Компания General Motors отреагировала одной из первых и с 1996 года начала серийный выпуск модели EV1 с электрическим приводом. Некоторые автопроизводители также начали продажи электромобилей в Калифорнии. Основной массой пользователей EV1 стала голливудская богемная публика. Всего с 1997 года в Калифорнии было продано около 5500 электромобилей разных производителей.

Затем требование нулевой эмиссии было заменено на требование низкой эмиссии. Почти все произведённые электромобили в 2002 году были изъяты у пользователей и уничтожены (только Toyota оставила некоторым владельцам электрические RAV-4). В качестве причины называлось окончание срока службы аккумуляторов.^{[источник не указан 2689 дней]}GM отказала арендаторам EV1 в предложении выкупить электромобили. Также GM скрывала от них намеренность уничтожить изъятые EV1. Подробно об этой истории рассказывается в научно-популярном фильме 2006 года «Кто убил электромобиль?» (англ. Who killed electric car? ).

XXI век[править | править код]

В последние годы в связи с непрерывным ростом цен на нефть электромобили вновь стали набирать популярность. В репортаже CBS News «Could The Electric Car Save Us?» (англ.) сообщается, что в 2007 г. вновь началось развёртывание промышленного производства электромобилей. В связи с этой тенденцией режиссёр фильма «Кто убил электромобиль?» Крис Пейн (Chris Paine) выпустил продолжение под названием «Месть электрокара» (англ.)русск..

В 2008 году Tesla Motors — американская автомобильная компания из Кремниевой долины начала выпуск спортивного электромобиля Tesla Roadster, не уступавшего по ходовым качествам (динамика разгона и максимальная скорость) обычным автомобилям.

22-23 мая 2010 года переделанная в электромобиль Daihatsu Mira EV, творение Японского клуба электромобилей, проехала 1003,184 километра на одном заряде аккумулятора^[5].

24 августа 2010 года электромобиль «Venturi Jamais Contente» с литий-ионными аккумуляторами, на солёном озере в штате Юта, установил рекорд скорости 495 км/ч на дистанции в 1 км. Во время заезда автомобиль развивал максимальную скорость 515 км/ч^[6].

27 октября 2010 года электромобиль «lekker Mobil» конвертированный из микровэна Audi A2 совершил рекордный пробег на одной зарядке из Мюнхена в Берлин длиной 605 км в условиях реального движения по дорогам общего пользования, при этом были сохранены и действовали все вспомогательные системы, включая отопление. Электромобиль с электродвигателем мощностью 55 кВт был создан фирмой «lekker Energie» на основе литий-полимерного аккумулятора «Kolibri» фирмы «DBM Energy». В аккумуляторе было запасено 115 кВт·ч, что позволило электромобилю проехать весь маршрут со средней скоростью 90 км/ч (максимальная на отдельных участках маршрута составляла 130 км/ч) и сохранить после финиша 18 % от первоначального заряда. По данным фирмы DBM Energy, электропогрузчик с таким аккумулятором смог непрерывно проработать 32 часа, что в 4 раза больше, чем с обычным аккумулятором. Представитель фирмы «lekker Energie» утверждает, что аккумулятор «Kolibri» способен обеспечить суммарный ресурсный пробег до 500 000 км^[7].

29 ноября 2010 года победителем конкурса Европейский автомобиль года впервые объявлен электромобиль модели Nissan Leaf, получивший 257 очков^[8].

В октябре 2011 года в России начал продаваться первый электромобиль — Mitsubishi i-MiEV. За первые три месяца был продан 41 электромобиль. Министерство энергетики США назвало i-MiEV самым экономичным автомобилем (http://www.fueleconomy.gov/feg/topten.jsp). Mitsubishi i-MiEV получил «Экологический знак качества» общероссийской общественной экологической организации «Зеленый патруль».

В июне 2013 года с небольшим интервалом гоночными электромобилями ZEOD RC японской компании Nissan и B12/69EV британской компании Drayson Racing Technologies были установлены очередные мировые рекорды скорости среди электромобилей — 300 км/час и 330 км/час соответственно.

Экологический скандал Дизельгейт с VW подтолкнул многих автопроизводителей к производству электромобилей^[9]. Активно ведутся разработки электромобилей в Китае.

В январе 2017 года электромобиль Rimac Concept One выиграл дрэг-гонку у одного из самых быстрых бензиновых автомобилей в мире Bugatti Veyron^[10].

В России[править | править код]

По распоряжению мэра Москвы в 2007 году в городе началась опытная эксплуатация электромобилей. Было закуплено 8 малотоннажных грузовиков и 2 автобуса. По итогам опытной эксплуатации техники Департамент транспорта и связи Москвы представит на рассмотрение правительства Москвы проект распорядительного документа по использованию электромобильной техники для обеспечения внутригородских грузовых и пассажирских перевозок.

30 марта 2007 года впервые в России электромобиль, переоборудованный Игорем Корховым из обычного автомобиля, получил заключение по допуску к участию в дорожном движении и был зарегистрирован в органах ГИБДД благодаря помощи научного работника и общественного деятеля Юрия Юрьевича Шулипы.

В 2009 году в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете сконструировали первый в России солнечный электромобиль (СЭМ). За ночь его можно зарядить от обычной электророзетки, а днём он питается от солнечных батарей, расположенных на капоте. Скорость СЭМа — 40 км/час, а запас хода на одной зарядке аккумуляторной батареи — 60 километров. Электродвигатель мощностью 3 кВт^[11].

В 2012 году в серию запущен электромобиль EL Lada по инициативе министра энергетики, промышленности и связи Ставропольского края Саматова Дмитрия Рафаиловича. Lada Ellada получила практическое применение в городе-курорте Кисловодск Ставропольского края, в качестве легкового такси. Этот проект стал первым в России по использованию электромобиля в пассажирских перевозках.

14 июля 2013 года в столице и на территории новой Москвы прошел первый в России экопробег электромобилей «Изумрудная планета»^[12], в котором приняли участие политики, журналисты, звезды и представители бизнеса. Экопробег проходил при поддержке Департамента развития новых территорий Москвы и Департамента транспорта и развития дорожно-транспортной инфраструктуры города Москвы. Инициатором проведения экопробега выступила Экологическая инициатива «Изумрудная планета» и её лидер, эколог Елена Шаройкина. Целью акции было привлечь внимание власти и широкой общественности к экологическим и инфраструктурным проблемам мегаполиса, а также к современному новому виду транспорта как способу уменьшить нагрузку на окружающую среду^[13].

В Новосибирске успешно эксплуатируется совместная разработка компаний ООО «Сибирский троллейбус» и НПФ «АРС ТЕРМ» — троллейбус с длительным автономным ходом СТ 6217. В троллейбусе используются литий-ионные аккумуляторы «Лиотех». Дальность автономного хода от одной зарядки аккумулятора — 60 км. Первый российский электробус проверят сибирской зимой ^[14].

Электромобили в России могут получить зеленые номера. Об этом рассказал советник одного из руководителей рабочей группы НТИ «Автонет» Роман Малкин. По его словам, эта инициатива уже одобрена «Автонетом» и станет началом «масштабной работы по популяризации электромобилей», а также сделает экологичный транспорт узнаваемым^[15].

Сравнение с другими транспортными средствами[править | править код]

Электромобили отличаются низкими транспортными расходами. Ford Ranger потребляет 0,25 кВт·ч на один километр пути, Toyota RAV4 EV — 0,19 кВт·ч на километр. Средний годовой пробег автомобиля в США составляет 19200 км (то есть 52 км в день). При стоимости электроэнергии в США от 5 до 20 центов за кВт·ч стоимость годового пробега Ford Ranger составляет от $240 до $1050, RAV-4 — от $180 до $970.

В России стоимость электроэнергии — порядка 12 центов (3,8 руб) за кВт·ч по дневному тарифу и около 3 центов (0,95 руб) за кВт·ч ночью^[16]. Таким образом, транспортные расходы электромобиля в России будут несколько ниже, чем в США, поскольку заряжаться он будет, скорее всего, ночью. КПД тягового электродвигателя составляет 88—95 %.

Существует мнение, что низкий уровень шума электромобилей может создавать проблемы — пешеходы, переходя дорогу, зачастую ориентируются на звук автомобиля. Разумеется, резкий шум работающего мощного электродвигателя трудно с чем-то спутать, шум электроприводов троллейбуса (в основном, воздушных компрессоров и вентиляторов в старых моделях), механических передач (дифференциал и карданная передача), электрокара, поезда метро широко известен, так что электромобилю необходимо обычное для транспорта шумоподавление. Да и шум современного автомобиля на небольшой скорости очень мал, в основном, это шум трения колёс об асфальт, гравий или другое покрытие. Однако при использовании маломощных двигателей, как, например, в трамваях, шум действительно практически отсутствует и на некоторых выпускаемых электромобилях искусственно повышают уровень шума при скоростях до 30 км/ч.

Сравнение с автомобилями, оснащёнными ДВС[править | править код]

Преимущества

• Тяговые электродвигатели (ТЭД) имеют КПД до 90-95 %^{[источник не указан 1262 дня]}, по сравнению с 22-42 % у ДВС^[17].
• Уменьшение лобового сопротивления автомобиля по причине отсутствия радиатора и других систем охлаждения^[18]. Однако мощные электромобили всё-таки имеют жидкостную систему охлаждения и, соответственно, радиатор.
• Простота техобслуживания, большой межсервисный пробег, дешевизна ТО и ТР^[2]

Различные варианты реализации электромобиля[править | править код]

Электромобили, оснащенные аккумуляторными батареями[править | править код]

Электроколяска для инвалидов и пенсионеров. Май 2015, Ордалстанген, Норвегия

Аккумуляторные электромобили являются самым первым и простым видом электромобилей. Первые работоспособные модели были построены ещё в конце XIX века. Активно использовались в США вплоть до 20-х годов XX века. В течение 30-40 гг. наиболее активно применялись в Германии. С 1947 г. широко используются в Англии^[19].

Принципиальная схема аккумуляторного электромобиля в общем случае следующая: аккумуляторная батарея через силовую электропроводку и систему регулирования (управления) тягового электродвигателя соединяется с ТЭД, который, в свою очередь, передаёт главной передаче крутящий момент^[19].

Технико-экономические параметры данного типа электромобилей, прежде всего, зависят от характеристик применяемых аккумуляторных батарей. Величина желаемого пробега электромобиля на один заряд батареи (запас хода) прямо пропорциональна отношению веса аккумуляторной батареи к полному весу электромобиля. Зависимость веса батареи от грузоподъемности электромобиля значительно выше, чем зависимость веса карбюраторного двигателя от грузоподъемности автомобиля^[19].

Электромобили, оснащенные топливными элементами[править | править код]

Характерной особенностью электромобилей, оснащенных ТЭ (топливными элементами), является то, что масса энергосиловой установки не изменяется при изменении её энергоёмкости, а увеличение запаса хода может быть достигнуто за счет увеличения массы топлива в топливных баках (как в автомобилях с ДВС)^[2].

Таким образом, с одной стороны, ТЭ позволяют существенно повысить запас хода электромобиля, но, с другой стороны, топливо для них имеет высокую стоимость, а также может быть токсичным и при переработке в ТЭ выделять в атмосферу вредные вещества. В электромобилях с воздушно-алюминиевыми электрохимическими генераторами для получения электрического тока используется процесс окисления алюминия в воздушно-алюминиевом топливном элементе^[20].

Комбинированные энергоустановки[править | править код]

В конце 60-х и начале 70-х годов был разработан ряд опытных образцов электромобилей с энергосиловыми установками типа «Аккумуляторные батареи — Топливные элементы»^[2]:

• В Англии на базе DAF 44 был создан электромобиль со смешанной системой питания от аккумуляторных батарей и от гидрозийно-воздушных ТЭ с удельной мощностью 160 Вт/кг. При разгоне основная нагрузка ложилась на батареи, в остальных режимах — на топливные элементы, подзаряжающие аккумуляторную батарею.
• В США на базе Austin A-40 был изготовлен электромобиль с комбинированной системой, включающей щелочные водородно-воздушные элементы и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Запас хода достигал 320 км.

Электромобили, использующие другие источники энергии[править | править код]

Электромобили на солнечных батареях[править | править код]

Существует множество конструкций электромобилей на солнечных батареях, так называемых «солнцемобилей», однако их общей проблемой является низкий КПД батарей (обычно порядка 10-15 %, передовые разработки позволяют добиться 30 %), что не позволяет запасать значительное количество энергии за день, сокращая суточный пробег; к тому же солнечные элементы бесполезны ночью и в пасмурную погоду. Вторая проблема — дороговизна солнечных батарей.

Среди примеров солнцемобилей можно назвать прототипы Venturi Astrolab, Venturi Eclectic (дополнительно оснащённый ветровой установкой), концепт-кар ItalDesign-Giugiaro Quaranta (впрочем, энергии, которую накапливают солнечные батареи, хватает в нём разве что на питание бортовой электроники), итальянский Phylla, а также SolarWorld GT, который в 2012 году совершил кругосветный марафон^[21]. Последний оборудован двумя мотор-колёсами Loebbemotor номинальной мощностью 1,4 кВт каждое (пиковая мощность — 4,2 кВт каждое, или в сумме — 11,42 лошадиные силы). Благодаря малой массе (карбоновый кузов позволил добиться веса 260 кг, сам кузов весит 85 кг) и аэродинамически совершенной форме кузова (Сх = 0,137), удалось добиться максимальной скорости 120 км/ч. Круизная скорость — 50 км/ч (при работе моторов на номинальной мощности), на ней SolarWorld GT может проехать 275 км — больше, чем многие современные электромобили. Этот пробег обеспечивает 21-килограммовая литий-ионная батарея ёмкостью 4,9 кВч^[22].

Также существуют гибридомобили, которые приводятся в движение как солнечной энергией, так и педалями. В основном, это самодельные машины, однако существуют проекты по серийному выпуску подобного транспорта, в частности, SolarLab rickshaw и венгерский Antro Solo.

Для поощрения производства солнцемобилей и их популяризации существуют соревнования вроде трансавстралийского ралли «Всемирный солнечный вызов (англ.)». На подобных соревнованиях обычно состязаются студенты технических ВУЗов, создающие подобные модели в качестве дипломных работ.

Современное применение[править | править код]

15-местный прогулочный электроавтобус 15-местный прогулочный электроавтобус Электромобиль Reva NXR (Индия) ~9,995 евро Электромобиль для коротких (до 40 км) поездок — NEV от Dynasty IT

В 2004 году в США эксплуатировалось 55852 электромобиля. Кроме этого, в США эксплуатируется большое количество самодельных электромобилей. Наборы комплектующих для конвертации автомобиля в электромобиль продаются в магазинах. Мировой лидер по производству электрического транспорта — Китай. В 2014 году в Китае было продано 75 тысяч электромобилей, что составляло 25 % мирового рынка^[23].

Помимо этого, небольшие электромобили упрощённой конструкции (электрокары, электропогрузчики и т. д.) широко применяются для перевозки грузов на вокзалах, в цехах и больших магазинах, а также как аттракцион. В данном случае все недостатки в виде малого запаса хода и скорости, высокой собственной стоимости батарей и массы, перекрываются преимуществами: отсутствием вредных выхлопов и шума, что принципиально важно для работы в закрытых людных помещениях. Формально к электромобилям такие машины относить не принято из-за специфичности их применения.

Также созданы и активно эксплуатируются прогулочные электроавтобусы открытого типа на 14-15 мест для мест массового отдыха и посещения природных заповедников.

Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей, — малый спрос, обусловленный высокой стоимостью и малым пробегом от одной зарядки. Существует точка зрения, что широкое распространение электромобилей сдерживается дефицитом аккумуляторов и их высокой ценой. Для разрешения этих проблем многие автопроизводители создали совместные предприятия с производителями аккумуляторов. Например, Volkswagen AG создал совместное предприятие с Sanyo Electric, Nissan Motor с NEC Corporation и т. д.

Имеющееся серийное производство[править | править код]

Электромобили производят множество автомобилестроительных компаний (Nissan, BMW, Mitsubishi, Сhevrolet и др.). Здесь представлены только компании, выпускающие преимущественно электромобили:

Производители и модели[править | править код]

Прототип Eliica (Япония). Мощность 640 л. с., развивает скорость 370 км/ч.

Производители:

Наиболее известными серийно выпускающимися моделями электромобилей можно считать: Toyota RAV4 EV, ZENN, ZAP Xebra, General Motors EV1, Chevrolet Volt, Volvo C30 BEV, Tesla Roadster, Tesla Model S, Modec EV, Reva NXR, Renault серия Z.E., Renault ZOE, Nissan LEAF, Tazzari ZERO, Lada Ellada.

Лидеры рынка на конец 2011 года: Mitsubishi i MiEV, совокупные продажи в Японии и Европе достигли 15 тыс., по состоянию на сентябрь 2011 года, в том числе 4000 единиц марки^{[прояснить]}, как Peugeot ion и Citroën C-ZERO во Франции, Nissan LEAF, продажи достигли 15 тыс. единиц к сентябрю 2011 года.

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Россия

Электромобиль ГАЗ 330 21Е «Газель-Электро» предназначен для перевозки грузов в городе. При максимальной скорости в 75 км/ч и грузоподъёмности в 1000 кг способен без подзарядки проехать 20 км. Работает на аккумуляторной или конденсаторной батарее. В качестве двигателя используется коллекторный электродвигатель постоянного тока ДПТ-45 или асинхронный АЧТ 160 М4.^[25]

Электробус «Лужок» предназначен для перевозки тридцати пассажиров с максимальной скоростью 25 км/ч в парковых и выставочных зонах городов. Работает на аккумуляторных или конденсаторных батареях, питающих двигатель постоянного тока ДПТ-45 мощностью 45 кВт. При торможении рекуперирует энергию назад в батареи. На одной зарядке способен проехать 15 км^[25].

На сегодняшний день существует уже довольно много разных электрических грузовиков, причём это как электроверсии ранее существовавших дизельных машин, так и полностью самостоятельных конструкций .Примером самостоятельной конструкции на сегодняшний день является «Tesla Semi>> , <<Cummins AEOS» а также много других менее известных машин .

Интеграция дома и электромобиля[править | править код]

Разрабатываются различные концепции интеграции электромобилей и жилых домов (анг. Vehicle-to-Home (V2H)). Например, старые аккумуляторы электромобиля могут несколько лет проработать в роли стационарных накопителей электроэнергии. Собранные вместе, снабжённые инвертором и сетевым фильтром, 5-10 аккумуляторов от электромобиля Chevrolet Volt могут обеспечить несколько коттеджей или малый бизнес резервным питанием во время аварийных отключений на несколько часов^[26].

Стандарт быстрой зарядки CHAdeMO начиная с версии 1.1 поддерживает как зарядку электромобиля, так и питание от него внешних потребителей. Соответственно подключенный электромобиль может работать как буферный аккумулятор в системе бесперебойного питания здания.

Согласно исследованиям Ernst & Young в течение 2018 г. капиталовложения мировых автопроизводителей в производство электромобилей почти удвоились и достигли 8,4 млрд. евро, а в производство автомобилей на обычном топливе сократились на 16% (22,4 млрд. евро).^[27]

Согласно исследованиям IDTechEx, индустрия электротранспорта достигла в 2005 году уровня продаж в 31,1 миллиардов долларов по всему миру (включая гибридный транспорт). К 2015 году рынок электротранспорта вырастет примерно в 7 раз и достигнет $227 млрд.

Некоторые автопроизводители не собираются производить гибридные автомобили, а сразу начать производство электромобилей. Они отстали в научных разработках, не могут самостоятельно создать гибридный автомобиль, или считают гибриды бесперспективными. Например, японская компания Mitsubishi Motors в 2009 году начала промышленное производство электромобилей на базе Colt. На нём будут установлены литий-ионные аккумуляторы. Существующие прототипы имеют дальность пробега 150 км.

Ведутся работы над созданием аккумуляторных батарей с малым временем зарядки (около 15 минут), в том числе и с применением наноматериалов. В начале 2005 года компания Altairnano объявила о создании инновационного материала для электродов аккумуляторов. В марте 2006 года Altairnano и Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 года успешно завершились испытания автомобильных аккумуляторов с Li₄Ti₅O₁₂ электродами. Аккумуляторы имеют время зарядки 10—15 минут.

Рассматривается также возможность использования в качестве источников тока не аккумуляторов, а суперконденсаторов (ИКЭ-конденсаторов), имеющих очень малое вре