Несмотря на обесценивание нефти, отсутствие инфраструктуры зарядных станций и свою высокую стоимость, электромобили приобретают все большую популярность. В этой статье мы заглянем в историю их развития, познакомимся с принципами работы главных узлов и поговорим о ближайших планах автопроизводителей по серийному выпуску электрического транспорта.
От патента до рекордов
Зарождению и эволюции электромобилей посвящено множество публикаций. Посему мы остановимся лишь на самых знаковых событиях с условным названием «Это полезно знать».
Первая ласточка, предваряющая дальнейшее развитие нового направления, появилась еще в 1799 году в Великобритании и представляла собой официальную бумагу, а именно — патент на электромобиль. О действующей модели речи не шло: отсутствовал источник питания и электродвигатель. Однако очень скоро А. Вольта создает «вольтов столб» — первичный химический источник тока, состоявший из сотни медных и цинковых пластин, разделенных сукном, пропитанным кислотой (электромобили-пионеры получили именно такие батареи).
В 1834 русский ученый Борис Якоби продемонстрировал миру первый пригодный к применению электродвигатель с вращающимся якорем. С этим изобретением все было готово для создания электромобиля, который в 1841 г. увидели жители Парижа. Точнее, тележку с электромотором. Затем в 1859 году Гастон Планте изобрел свинцово-кислотный аккумулятор. Появилась возможность использовать перезаряжаемые батареи, а не заменяемые цинковые пластины. Конец века ознаменовался появлением российского электромобиля сразу на 17 мест при массе всего 720 кг, что было вдвое меньше существующих аналогов. Затем пришел черед рекордов скорости и дальности пробега.
В 1899 году электромобиль La Jamais Contente сумел преодолеть (первым из четырехколесных) рубеж в 100 км/ч, показав 105,8 км/ч. Известны некоторые характеристики этой машины. Общая мощность двух двигателей составляла 50 кВт (67 л.с.), максимальная сила тока 250 А при напряжении 200 В. Примерно в то же время авто американской фирмы «Борланд Электрик» на одной зарядке преодолело расстояние в 167 км, что и сегодня выглядит весьма впечатляюще.
Все это привело к популяризации электромобилей и их массовости. К началу XX века почти все такси в США были электрическими. Впрочем, в силу своих недостатков, главным из которых и по сей день является запас хода, так же быстро произошел и закат электромобилей. К 1910 году в той же Америке их насчитывалось уже менее 1 % от общего числа. Электрический стартер окончательно вывел в фавориты транспорт с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Очередное возрождение произошло лишь спустя полвека ввиду обострившихся экологических проблем и продолжилось в 70-ые годы из-за резкого роста стоимости топлива. Однако после 1982 года интерес к электрическому автомобилю снова спал вплоть до наших дней. Стремительно развитие технологий, рост выбросов СОг в атмосферу способствовали появлению «чистой» модели в линейке практически каждого серьезного производителя, что неудивительно. Несмотря на минусы, плюсов перед ДВС все же больше. Простота конструкции, экологичность, высокий КПД (около 90%) — вот некоторые из них. Осталось избавиться от главных проблем, где ахиллесовой пятой по-прежнему остается источник питания. Вопрос создания зарядной инфраструктуры дело времени и, не исключено, при активной роли государства. Ну и, конечно, доступность — в противном случае, даже технически идеальное решение так и останется роскошью, а не средством передвижения.
Как это работает
Начнем с двигателя, рассматривая в качестве примера гоночный болид MiEV Evolution II от Mitsubishi. Не секрет, что самые передовые автомобильные технологии, которые впоследствии становятся массовыми, проходят проверку именно в спорте. Эта машина была представлена на гонке Пайке Пик еще в 2013 году, однако некоторые ее характеристики до сих пор остаются на высоте.
В отличие от своего более привычного топливного собрата с ДВС, наша «ласточка» имеет электрическое «сердце» переменного тока. Первостепенной задачей, которую оно решает, является создание крутящего момента. Неподвижный статор двигателя получает переменный ток для создания магнитного поля. Внутри статора расположен вращающийся на выходном валу ротор. Принимая крутящую силу, он вращает механизм, который крутит ось колеса. Т.е. работа движка происходит по принципу электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока в замкнутом контуре возникает электродвижущая сила.
Однако функции электродвигателя этим не ограничиваются. Он работает и как генератор, возвращая при торможении энергию обратно в аккумулятор (рекуперация). Впоследствии эта экономия будет использована при движении, что способствует повышению запаса хода в среднем на 15%. Сегодня многие производители используют сразу несколько электродвигателей, увеличивая силовую тягу. На MiEV Evolution II их установлено четыре, по одному на каждое колесо. По своей конструкции они идентичны двигателям серийного Mitsubishi i-MiEV, однако за счет обновленного программного обеспечения и ряда доработок обладают мощностью в 100 кВт каждый, давая в сумме 400 кВт и 544 лошадиные силы. Электродвигатели готовы выдать максимальный крутящий момент уже со старта, в то время как мощность то увеличивается, то снижается.
Промежуточной частью между электродвигателем и аккумулятором является контроллер — «мозг», который думает обо всем. Именно он получает токи от батарей, оправляя их дальше к мотору. Отправка осуществляется нажатием на педаль газа: чем оно сильнее, тем более мощные потоки энергии устремляются от источников питания к движку. Именно благодаря контроллеру электромобиль работает практически без шума: частота посылаемых им импульсов настолько высока, что человеческое ухо в таком диапазоне практически ничего не слышит. А вот за преобразование постоянного тока в переменный отвечает инвертор. В MiEV Evolution II он практически не отличается от серийного. Некоторым изменениям подверглась внутренняя схема для получения более высокого выходного напряжения, необходимого системе привода.
Однако без источника питания — аккумуляторных батарей — и движок, и контроллер представляют собой лишь безмолвное железо. Сейчас производители отдают предпочтение литий-ионным аккумуляторам, которые значительно повысили пробег на одном полном заряде, достигая сотен километров, что еще несколько лет назад считалось невозможным.
В прототипе MiEV Evolution II применены усовершенствованные литий-ионные батареи следующего поколения. При этом каждый модуль батареи содержит четыре ячейки, соединенные параллельно. Батарея в целом состоит из 110 пар ячеек, соединенных последовательно, их суммарная мощность 50 кВт/ч. Зарядка только от быстродействующего зарядного устройства постоянного тока CHAdeMO. Для большинства серийных моделей подходят обычная розетка или зарядное устройство.
Благодаря специальным системам батареи никогда не используется полностью: не разряжаются до нуля, и не заряжаются до максимума. Но именно емкость батарей говорит о возможностях авто, так как потенциал аккумуляторов пропорционален их заявленной емкости. Время зарядки может варьироваться от нескольких минут до нескольких часов: все зависит от емкости источника питания и от величины подаваемого напряжения.
Таким образом, главная отличительная черта основных узлов электромобиля — это простота конструкции.
Широко шагая
Сегодня, пожалуй, лучшие характеристики из числа серийных электрокаров имеет Tesla Model S с 85-кило- ваттной батареей. В теплое время года, при усредненной городской эксплуатации, пробег составляет более 400 км на одном полном заряде.
Недельная стоимость топлива при пробеге в 150 километров обходится от 40 до 125 рублей (в зависимости времени суток зарядки, ночью или днем). У аналога с ДВС — в десятки раз дороже. На этом фоне взоры автоконцернов в сторону разработки и выпуска электромобилей не выглядят странными.
Так, все та же Tesla скоро приступит к производству электромобилей в Китае с последующей продажей там же в Поднебесной. Мало того, упор делается на разработку беспилотных(!) электрокаров. Переговоры о постройке завода идут полным ходом. А до этого, в сентябре 2015 г., глава Tesla Motors Илон Маек открыл первый в Европе завод по производству Tesla S. В год планируется собирать порядка 23 тыс. машин с возможностью выпуска до 52 тысяч. Завод находится в голландском Тилбурге. Следующий подобный шаг может быть сделан уже в Германии.
В сентябре 2015 г. Porsche представила концепт сверхскоростного электромобиля Mission Е, объявив о подготовке к запуску этих моделей в производство. Автомобиль разгоняется до 100 км/ч за 3,5 секунды, мощность двигателя — 600 л.с., пробег без подзарядки — 500 км. При этом батареи Mission Е заряжаются на 80% всего за 15 минут. У «Теслы» самая быстрая зарядная станция Supercharger заряжает Model S за 30 минут, чего хватает на 280 км пути. Проект Porsche оценивается более чем в $1 млрд. Первые такие автомобили появятся на дорогах уже к 2020 году.
В 2018 году электрический кроссовер появится у Audi. Производство будет налажено на заводе в Брюсселе. Новинка получит три электромотора и аккумуляторную батарею повышенной емкости с запасом хода на 500 км. Этот список можно продолжать, держа в уме тысячи бегающих по всему миру Chevrolet Volt, Mitsubishi i-MiEV, Smart Electric Drive III, Renault Zoe и др.
He менее амбициозными выглядят и проекты по выпуску аккумуляторов. В настоящее время в США строится крупнейший завод батарей Tesla под названием Gigafactory, с выходом на полную мощность к 2020 году. А в конце ноября 2015 г. подписан контракт с LG Chem о поставках батарей для совершенствования модели Tesla Roadster. Ранее подобное соглашение заключено с Panasonic.
Nissan запустила производство литий-ионных батарей нового поколения в Сандерленде (Великобритания), где с 2013 года идет сборка электромобиля Nissan Leaf. Ресурс батареи позволяет преодолеть расстояние в 250 км. Инвестиции в новый проект составили свыше 25 млн фунтов стерлингов.
Не отстает и Samsung. Подразделение SDI работает над аккумуляторными батареями, которые позволят увеличить пробег электромобилей до 600 км на одной подзарядке. В серию новинка поступит в 2020 году.
На фоне такого наступления технологий главным останется вопрос цены. Попытки удешевления электромобилей уже предпринимались. Так, Subaru и Mitsubishi еще пять лет назад обещали вывести на рынок модели стоимостью не более 13-15 тыс. долларов. До сих пор планы остаются нереализованными. Хотя и сомнений, что в недалеком будущем электромобили вытеснят бензиновые авто, не возникает.
