Устройство современного электромобиля

На форуме не мало статей об электромобилях: их достоинствах, недостатках, будущем и прошлом. Однако, если среднестатистическому автолюбителю задать в лоб вопрос — а как устроен современный электрокар и какие компоненты входят в состав конструкции, то гражданин вряд ли сможет дать внятные объяснения. Электродвижок, аккумуляторная батарея, аппаратура там всякая, да и всё на этом. Ах, да, ещё и экология — чистый он, потому как питается от розетки.

А вот такой вопрос к примеру: есть ли на борту электрокара коробка передач? Сомнительно, что человек никогда не ездивший на электрическом автомобиле сможет дать чёткий правильный ответ. Итак, в теме я хочу в подробностях рассказать об устройстве современного электрокара, дабы пользователи у которых нет его в распоряжении, имели хотя бы поверхностное представление, как устроено это четырёхколёсное, экологически чистое достижение технического прогресса.

Содержание:

• Что такое электромобиль?
• Внутреннее устройство электромобиля.
• Особенности кузова электрического автомобиля.
• «Сердце» электрокара — что оно из себя представляет?
• Нужна ли трансмиссия электромобилю?
• Дополнительные узлы.
• Аккумуляторная батарея электрокара и способы её подзарядки.
• Что входит в задачи контроллера?
• Как в электромобиле работает печка?
• Общий принцип работы электрокаров.
• Перспективы электромобилей.

Что такое электромобиль?

Внешний вид, кузов и салон электромобиля, а также грузоподъёмность, ничем не отличаются от традиционных средств передвижения оборудованных двигателями внутреннего сгорания. Но в то же время, именно то место, где покоится ДВС у обычной машины, у электрокара преобразовано в значительной степени. Электрический силовой агрегат оказался настолько совершенен, что у инженеров появилась великолепная возможность упростить конструкцию до предела, отказавшись от большого количества традиционных узлов и агрегатов. Что и говорить, затрат на обслуживание и ремонт транспортного средства у обладателей электрокаров существенно поубавилось. Кроме того, такие автомобили стали предельно надёжными в эксплуатации, да и разница в ценах на бензин и электричество — просто вселенская!

Внутреннее устройство электромобиля

Как уже было сказано выше, электрокар по сравнению с ДВС-никами устроен намного проще и имеет минимальное количество движущихся элементов. Так, для запуска электрического мотора не требуется стартер, а на трансмиссию уже не возложены такие серьёзные обязанности как у авто с ДВС. Причина этого в общем-то проста: электродвигатель предлагает высокий показатель тяги начиная с самого момента запуска.

Совершенство электромоторов даёт их обладателям ещё несколько преимуществ:

• нет требуется система охлаждения;
• не нужна и выхлопная система, а значит не будет шума и вредных выбросов в атмосферу.

Каждый уважающий себя автогигант и не только, выделяет на разработку электромобилей огромные средства, прекрасно понимая, что за ними будущее и от этого никуда не деться. Так почему бы не начать всё как можно раньше?

Основные компоненты у большинства электромобилей такие:

• электрический силовой агрегат (может быть один, а может и несколько);
• аккумуляторная батарея;
• упрощённая трансмиссия (ступенчатая либо бесступенчатая);
• тяговый инвертор;
• интегрированное зарядное устройство;
• электронный контроллер управления компонентами системы.

Особенности кузова электрического автомобиля

Как должен выглядеть современный электромобиль? Очень интересный вопрос, на который кстати, имеется множество ответов. Дизайнеры, как правило, стараются выделить «электрички» из общего потока однотипных транспортных средств оснащённых ДВС, придавая своим творениям футуристический, смелый и даже диковинный образ. Этим стилисты хотят подчеркнуть то обстоятельство, что их разработка тесно связана с будущим. Но в то же время, имеет место и масса электрокаров, которые внешне можно легко спутать с традиционными машинами, к которым все привыкли с детства. Кроме того, производитель, дабы снизить затраты на производство своей продукции, часто идёт более рациональным путём: кузов не требующий глобальных переделок, просто берётся от «старшего брата» с двигателем внутреннего сгорания, поэтому внешне, обе модификации практически идентичны.

При создании электромобиля с нуля, особое внимание уделяется аэродинамическим свойствам его кузова и делается это по той причине, что автомобиль с низким сопротивлением воздушным массам, как и в случае с обыкновенными авто, будет затрачивать меньше энергии. Однако в случае с электрической машиной, это намного важнее, так как современные электрокары не могут на данный момент похвастать внушительным пробегом на одном заряде. Есть конечно и исключения, но их не много и всё равно они грандиозно проигрывают автомобилям с ДВС.

Вот пример: всенародно любимый Форд Фокус работающий на бензине, сподобился проехать на полном баке 1789 километров, в то время как элитный электрокар Tesla Model S, может протянуть на полном заряде всего 500 километров. А знаете, сколько пройдёт электрическая вариация Ford Focus Electric? 185 километров, всего-навсего! Как думаете, для кого показатель аэродинамического сопротивление окажется критичней? Думается, после таких технических характеристик, всем, итак, понятно, почему разработчики борются за каждый лишний километр пробега электромобиля любыми способами.

«Сердце» электрокара — что оно из себя представляет?

К электрическому силовому агрегату устанавливаемому на электромобили, инженеры предъявляют особые требования, причём они достаточно жёсткие. Не первом месте у разработчиков стоит мощность мотора, варьирующаяся от нескольких десятков, до нескольких сотен кВт. Производители ставят на свои электрифицированные средства передвижения разные типы электродвигателей, отличающиеся устройством, принципом запитки и управления. Это могут быть электродвигатели постоянного и переменного тока, асинхронные и синхронные, коллекторные и бесщёточные.

Но, какой бы электрический мотор не установили конструкторы на своё детище, его характеристики, надёжность и простота эксплуатации весомо перебивают возможности ДВС.

Преимуществ тут целый набор:

1. Если брать по коэффициенту полезного действия, то тут у электромотора бесспорное превосходство над двигателем внутреннего сгорания: КПД электрического агрегата — 90-95%, КПД традиционных ДВС — 22-60%.

2. Максимальный крутящий момент доступен практически с первых секунд запуска электрического силового агрегата и кроме того, он держится на максимуме при любых оборотах.

3. Электродвигатели, которые устанавливаются на среднестатистический электромобиль, не нуждаются в принудительном охлаждении.

4. Электромотор может функционировать как генератор (в режиме рекуперации).

5. Электрический двигатель практически не нуждается в обслуживании.

Нужна ли электромобилю трансмиссия?

Это очень интересный вопрос, на котором был сделан акцент ещё в начале статьи, ведь несведущие юзеры действительно не знают, есть ли на электрокарах коробка передач, вернее они думают, что по традиции точно есть. Так вот, коробка передач в электрической машине в привычном понимании практически не используется, её место занимает простенький редуктор с одной ступенью. Он преобразует высокие обороты электромотора в более низкие, которые требуются для передачи на ведущие колёса транспортного средства.

Очень эффективным решением является мотор-колесо, когда весь электродвижок дислоцируется непосредственно в ступице колеса. Поэтому, сами понимаете, потребность в трансмиссии здесь просто отпадает сама собой. Однако у такой компоновки имеет место и недостаток: по причине увеличения неподрессоренной массы на колёсах, даёт о себе знать ухудшение управляемости авто. Подробнее о мотор-колёсах для электромобиля писалось в этой теме, так что, данная разработка без сомнений имеет перспективы, но, к сожалению, развивается всё это мероприятие довольно медленно.

Конечно, бывают случаи, когда коробка передач всё-таки присутствует на электрифицированном автомобиле, но здесь речь идёт о «домашних» переделках: типа ВАЗовская классика и иже с ней с электродвигателем под капотом. Естественно, это не электромобиль с чистого листа, а всего лишь переделанный ДВС-ник. Подробнее от таких технических манёврах можно узнать из этой статьи.

Дополнительные узлы

Электронная составляющая современных электрокаров развита по полной программе, ведь на ней лежит большая ответственность. Она должна обеспечивать слаженную работу всех датчиков и систем, эффективно отслеживать заряд аккумуляторной батареи, дабы электрокар просто не остановился в самый неподходящий момент прямо посредине дороги, да много чего ещё делает умная и сложная электроника.

Основное, что здесь отличает электрокар от обычной машины — зарядное устройство, предназначенное для того, чтобы была возможность заряжать «электричку» от бытовой розетки. Естественно, как и у обычных авто, на борту электрических имеются осветительные приборы и как правило, максимально энергоэффективные, сами понимаете, для электрокара экономия электроэнергии, одна из первостепенных задач, ведь каждый километр пробега на вес золота. Комфорт в салоне обеспечивает такое же оборудование, как и в стандартных машинах: электропакет, кондиционер, электрический усилитель рулевого управления, аудиосистема и т. д.

Также на электрической машине может быть установлено такое интересное приспособление, как имитатор звука работы двигателя внутреннего сгорания. Изобретение скажем так действительно полезное, ведь электромобили настолько тихие при движении, особенно на низких скоростях, что пешеход может их легко не заметить, создав тем самым аварийную ситуацию.

Аккумуляторная батарея электрокара и способы её подзарядки

На современных электромобилях широко используются высокоэффективные литий-ионные аккумуляторы, которые предлагают своим обладателям срок службы до десятка лет. В то же время, у этих изделий имеются и существенные недостатки: тяговая Li-ion батарея является самым капризным и дорогостоящим компонентом любого электрокара.

Однако литий-ионные АКБ не единственная разновидность электронакопителей наилучшим образом подходящих для электрокара: в настоящее время ведутся работы по внедрению литий-полимерных аккумуляторов и суперконденсаторов. Многие лидеры мирового автопрома грозятся в ближайшее время поставить такую продукцию на поток и тогда, электрокары ещё больше приблизятся к техническому совершенству.

В зависимости от ёмкости батареи установленной на машине, на её полную подзарядку может потребоваться 8-12 часов, но процесс можно ускорить в значительной степени, правда с ущербом для накопителя. Есть специальные зарядные комплексы, позволяющие «заправить» агрегат на 80% всего за 30 минут. В некоторых странах можно воспользоваться специальными «обменными пунктами», на которых севший аккумулятор можно легко поменять на заряженный такого же типа.

Разработчики идут на разные ухищрения, чтобы увеличить пробег машины на одном заряде и одним из таких фокусов, является использование солнечных панелей, позволяющих хоть и немного, но подзаряжать электромобиль во время движения.

Что входит в задачи контроллера?

Электроника преобразовывает постоянное высокое напряжение, отдаваемое электробатареей, в требуемое в определённый момент. На контроллер возложены обязанности по энергосбережению, обеспечению комфорта при движении, также данный элемент следит за безопасностью водителя и пассажиров.

Конкретно, устройство предлагает такие функции:

• управление высокими токами и напряжением;
• регулировка тяги и динамики;
• обеспечение оптимального расхода электроэнергии;
• мониторинг состояния аккумуляторной батареи;
• управление рекуперацией торможения;
• зарядка обыкновенного аккумулятора на 12 V (обычная батарейка также присутствует на борту электромобиля).

Как в электромобиле работает печка?

Зимой с электромобилем дела обстоят не так, как с его оппонентами оборудованными двигателями внутреннего сгорания, но в любом случае, у печки электрокара принцип работы прост: её спирали нагреваются за счёт электроэнергии аккумулятора. Несмотря на то, что в последнее время в сети всё чаще встречается информация об инновационных разработках касающихся подачи тепла и его источников, принцип обогрева внутреннего пространства электрокара, остаётся вполне традиционным.

Акцент на энергосбережении вынуждает разработчиков делать обогрев салона максимально эффективным: температура внутреннего пространства доходит до комнатного показателя или даже выше, всего за несколько минут. Особое внимание уделено подогреву рулевого обода и посадочных мест, не отбирающего много энергии у АКБ.

Но, как ни крути, а печка электрокара может забрать у накопителя весьма солидную долю заряда, что естественным образом повлияет на сокращение пробега на одном заряде. Если взять за пример такой популярный электрический автомобиль как Ниссан Лиф, то, как показывает опыт эксплуатации большого количества обладателей этой машины, в летнее время на одном заряде можно вытянуть 150 километров, однако если за бортом температура хотя бы -2 градуса, от 150-километрового пробега не остаётся и следа — можно рассчитывать максимум на 90-110 км. Но и это ещё не всё: когда столбик термометра опускается до температуры -15, то преодолеваемая дистанция становится просто смехотворной — 40-80 километров, это во зависимости от поддерживаемой температуры и стиля езды.

Из всего выше сказанного можно сделать вполне логический вывод: зима — самое худшее время года для езды на электрокаре и если в нём нет такой острой необходимости, то зимой лучше отдать предпочтение общественному транспорту.

Общий принцип работы электрокаров

В общем, подавляющее количество современных электромобилей имеют довольно простое устройство, а отличия между ними наблюдаются лишь в отдельных моментах организации функционирования оборудования.

Для того, чтобы электрокар мог ездить, в его распоряжении должно быть не так уж и много:

• электрический силовой агрегат;
• аккумуляторная батарея;
• контроллер.

От электронакопителя ток подаётся на контроллер, коммутируется в тот, который нужен в конкретный момент и далее направляется к электродвигателю. Регулировка количеством поставляемой на мотор энергии осуществляется посредством педели газа — при воздействии на неё, будет формироваться соответствующий сигнал. Сопоставляя эти данные с данными других систем и датчиков, контроллер регулирует мощность поставляемую на силовой агрегат.

Перспективы электромобилей

Конечно, у электрокаров имеется большое количество неоспоримых преимуществ над ДВС-никами и если бы не критическая зависимость от источников питания и завязанный на это запас хода (естественно, куда более скромный по сравнению с бензиновыми и дизельными оппонентами), то вполне вероятно, ДВС не занимали бы лидирующие позиции в автопроме целое столетие. Электрическую тягу на транспортных средствах начали использовать ещё за 50 лет до того, как придумали двигатели работающие на горючем и кстати, первые рекорды скорости были установлены именно электромобилями.

Что касается России, то электромобили у нас всё ещё воспринимаются рядовыми гражданами в штыки: стоят они для добропорядочного человека непомерно дорого, да и «заправлять» по большому счёту их просто негде, кроме как у себя дома, томясь многочасовым ожиданием. Но в то же время, российские производители уже взяли прицел на мировой тренд, предложив общественности такие разработки как «Ока электро», «Лада Ellada» и «Лада Веста EV».

Могут ли они предложить своим владельцам что-то наподобие американской Теслы или хотя бы Ниссан Лиф на худой конец? Навряд ли! Отечественные разработки являются скорее суррогатами, нежели альтернативами зарубежных электромобилей. Причём предпочтение отечественному производителю, мало кто отдаёт — все берут прорекламированную продукцию, а не изделие от АвтоВАЗа, которые и с двигателями внутреннего сгорания, явно не конкуренты оппонентам из зарубежья. Кроме того, в отечественных разработках используются импортные детали, без которых на данный момент просто не возможно обойтись российскому автопрому, решившему поддержать «электромобильный» ход.

Заключение

Однозначно, электромобиль перед классическим исполнением транспортных средств остаётся в выигрыше практически во всём. Очевидно, будущее как раз именно за ним, ну а пробелы с высокой себестоимостью и несовершенством аккумуляторных батарей, со временем неизбежно сойдут на нет, нужно только подождать и всё будет как нужно, как было в случае с тем же ДВС.

Двигатель электромобиля, гибридного авто

Электродвигатель (тяговый электромотор, двигатель на электротяге) – мотор, который устанавливается на электротранспорт и гибридные автомобили. У электромобилей электродвигатель – единственный двигатель. У гибридных автомобилей электродвигатель работает в тандеме с двигателем внутреннего сгорания. В зависимости от выбранного режима работы и схемы автомобиля включается электромотор, бензиновый двигатель или два двигателя одновременно.

По планам многих автоконцернов – именно за тяговым двигателем для электромобиля – будущее. Так известно, что в плане развития известного гиганта Bentley Motors значится, что к 2030-му году компания полностью трансформируется в производителя электроавтомобилей. На электродвигатели ставки также делают такие известные на весь мир компании, как Nissan, Volvo, Aston Martin.

Тенденции таковы, что в массовом производстве сейчас больше представлены легковые электромобили и городской электротранспорт (согласно планам, в ряде таких стран как, к примеру, Франция и Норвегия в 2025-2030-м гг. автобусы в городах будут полностью заменены на электротранспорт).

Но чувствуется интерес и к установке электромоторов на грузовой транспорт. Особенно электродвигатели интересны производителям городских развозных фургонов, терминальных тягачей и коммунальных грузовиков.

На весь мир уже хорошо известен седельный тягач капотного типа Tesla Semi, в коммунальном хозяйстве США активно не первый год используют мусоровозы PETERBILT на электротяге, в Евросоюзе возрастает интерес к седельному тягачу с электродвигателем Emoss Mobile Systems B.V. и Renault Trucks –развозному автомобилю для продуктов.

На постсоветском пространстве свой коммерческий электротранспорт пока только начинает появляться, но уже активно говорят про грузовик МАЗ-4381Е0 (на грузовике установлен асинхронный тяговый электродвигатель мощностью 70 кВт (95 л.с.), ориентированный на транспортировку грузов в черте города, и электрогрузовик Moskva опытно-конструкторского бюро Drive Electro (главное назначение — доставка товаров в магазины). Не за горами время, когда этот коммерческий транспорт с электромоторами будет активно востребован автопарками, логистическими центрами, предприятиями.

Также, безусловно, давно, как данность мы принимаем, что на электродвигателе работают трамваи, троллейбусы, погрузчики на складах и локомотивы. Трёхфазный асинхронный двигатель помогает двигаться на давно полюбившихся поездах «Ласточка» и «Сапсан».

Принцип работы

Принцип работы двигателя электромобиля основан на преобразовании электроэнергии в механическую энергию вращения. Главные участники преобразования энергии – статор и ротор.

Как работает традиционный электромотор?

1. Магнитное поле статора действует на обмотку ротора.
2. Возникает вращающий момент.
3. Ротор начинает двигаться.

Наглядная схема двигателя электромобиля в системе электропривода представлена ниже:

Важная особенность классического электрокара – отсутствие дифференциала, коробки передач, передаточных устройств с шестеренками. Энергия от электромотора поступает прямо на колеса.

Без коробки передач – и большинство «гибридов» с электродвигателем и ДВС. Исключение – «гибриды» с параллельной схемой передачи на колёса крутящего момента. К ней мы ещё вернёмся в этой статье в разделе, посвящённом гибридным автомобилям.

Принцип работы любого электродвигателя базируется на процессах взаимного притяжения и отталкивания полюсов магнитов на роторе и статоре. Движение осуществляется под действием самого магнитного поля и инерции.

Устройство

Как устроен двигатель электромобиля?

При описании принципа работы электродвигателя, уже было упомянуто, что главные компоненты двигателя электромобиля– ротор и статор.

1. Ротор – это вращающийся компонент двигателя.
2. Статор находится в неподвижном состоянии. Он ответственен за создание неподвижного магнитного поля.

Ротор

Классический ротор автомобиля состоит из сердечника, обмотки и вала. У некоторых электродвигателей в состав ротора также входит коллектор.

• Сердечник – это металлический стержень, на периферии которого располагается обмотка. Непосредственно через сердечник происходит замыкание магнитной цепи электродвигателя. Сердечник изготавливается из стальных пластин круглой формы. По структуре похож на слоёный пирог. При производстве сердечников используют изолированные листы стали с присадками кремния. В этом случае обеспечены увеличение КПД электродвигателя, наименьшие удельные потери в металле на единицу массы, снижение величины размагничивающих вихревых токов Фуко, которые возникают из-за перемагничивания сердечника. На поверхности сердечника есть продольные пазы. Через них прокладывается обмотка.
• Вал – металлический стержень, который непосредственно передаёт вращающий момент. Также изготавливается из электротехнической стали. Служит основой для насаживания сердечника. На концах вала есть резьба, выемки под шестерёнки, подшипники качения, шкивы.
• Коллектор – блок, крепящийся на валу. Представляет собой систему медных пластин. Изолирован от вала. Служит выпрямителем переменного тока, переключателем-автоматом направления тока (в зависимости от вида электродвигателя).

Статор (индуктор)

Статор состоит из станины, сердечника и обмотки:

• Станина статора – корпус статора. Как правило, корпус бывает алюминиевым или чугунным. Алюминиевые станины популярны у электродвигателей легковых авто, чугунные – у спецтехники, которая вынуждена работать в условиях высокой вибрации. Станина служит базой крепления основных и добавочных полюсов.
• Сердечник статора – цилиндр из профилированных стальных листов. Фиксируется винтами внутри станины. Снабжён пазами для обмотки.
• Обмотка. Создаёт магнитный поток. При пересечении проводников ротора наводит в них электродвижущую силу.

Электродвигатели классифицируют по типу питания привода, конструкции щеточно-коллекторного узла, количеству фаз для запитывания:

• По типу питания привода. Устройства делятся на моторы переменного и постоянного тока. Двигатели постоянного тока способны обеспечить более точную и плавную регулировку оборотов, высокий КПД. Двигатели переменного тока выручают, когда важна высокая перегрузочная способность. Это удачный вариант для подъёмно-транспортных машин. Впрочем, существуют и универсальные моторы, которые функционируют от переменного и постоянного тока.
• По конструкции щеточно-коллекторного узла. Выпускаются бесколлекторные и коллекторные моторы. Бесколлекторный мотор работает за счёт движения ротора с постоянным магнитом. У конструкции нет щеточно-коллекторного узла. Решение обеспечивает достойный крутящий момент, широкий диапазон скоростей и высокий КПД. Важные преимущества бесколлекторного мотора – надёжность, способность к самосинхронизации, возможность подпитываться при переменном напряжении. Ресурс бесколлекторного мотора ограничен исключительно ресурсом подшипников. У коллекторных моторов присутствует щелочно-коллекторный узел. Удобство решения связано с тем, что он может использоваться и в качестве переключателя тока в обмотках, и как извещатель положения ротора, нет необходимости в контролле. Проблема коллекторных моделей – в том, что они зависимы от постоянных магнитов, которые, как известно, со временем, к огромному сожалению, теряют свои свойства.
• По количеству фаз для запитывания. В зависимости от того, как запитывается обмотка, электродвигатели бывают однофазными и трёхфазными. В автомобилестроении широкое распространение получили трёхфазные решения, это связано с рядом технических характеристик (мощность, перегрузочная способность, частота вращения на холостом ходу).

Асинхронные и синхронные двигатели

Синхронные моторы – двигатели переменного тока, у которых частота вращения ротора идентична частоте вращения магнитного поля (измерение производится в воздушном зазоре). В автомобилестроении синхронные моторы встретить можно нечасто (хотя в мире техники – это, в целом, очень популярное решение – особенно в климатотехнике, насосных системах).

Но есть производители авто, которые при производстве электрокаров предпочитают устанавливать на свои машины именно синхронные двигатели. Яркий пример – концерн Renault. Синхронными двигателями на электромагнитах он оснастил электрокар Renault Zoe. На электромагниты подаётся постоянный ток. Полярность магнитов ротора стабильна. Полярность магнитов статора при этом изменяется и обеспечивает бесперебойное вращение.

Преимущество синхронных двигателей на электромагнитах у авто – максимальная оптимизация рекуперации энергии торможения. И главный «конёк» авто с таким типом электродвигателя – полная безопасность при буксировке.

Гораздо более популярный вариант – асинхронные двигатели. Это двигатели переменного тока, у которых потенциал напряжения – магнитного поля не совпадает с частотой вращения ротора. Типичным 3-фазным асинхронным двигателем оснащены, например, хорошо известные автомобили Tesla S и Tesla Х.

Иногда асинхронные моторы называют индукционными, так как в роторе в соответствие с законом Ленца у них индуцируется электромагнитная сила.

Двигатель-колесо

Обособленно среди электромоторов стоит двигатель-колесо. Особенность двигателя- колеса – ориентир крутящего момента и силы напряжения на конкретное колесо.

Такие решения можно встретить в плагин-гибридных автомобилях («гибридах» с параллельной схемой, при описании устройства гибридных авто ниже по тексту мы остановимся на них подробнее). Работает двигатель-колесо в паре с ДВС.

У первых плагин-гибридных автомобилей с двигателем-колесом агрегат был монтирован в ступицу колеса, а работа осуществлялась исключительно в паре с внутренним зубчатым редуктором.

Некоторые же современные модели моторов, монтируемые внутри колёс, вполне могут работать без зубчатого редуктора. Это увеличивает управляемость, позволяет избежать увеличения удельного веса шасси, уменьшить риски, повышает КПД.

Преимущества и недостатки электродвигателей

Преимущества

• Не требуется «раскачка». Крутящий момент достигает максимума непосредственно при включении. Именно по этой причине электрический двигатель электромобиля не требует наличия стартеров и сцеплений – неотъемлемых спутников ДВС.
• Удобство. Для включения заднего хода (то есть коррекции со стороны вращения мотора) достаточно поменять полярность, сложная коробка передач не требуется.
• Высокий КПД. У машин с электродвигателями он достигает 95 %.
• Независимость. На любой отметке скорости достигается максимальный показатель крутящего момента.
• У мотора – малый вес. Производители могут себе легко позволить создавать компактные автомобили.
• Есть все возможности для рекуперации энергии торможения. Если у авто с ДВС кинетическая энергия просто уходит в колодки (и стирает их), то у электромобиля в режиме рекуперации мотор может функционировать как генератор. В режиме генерации электроэнергия просто трансформируется в другую форму и быстро накапливается в АКБ. Особенно решение эффективно для транспортных средств с длинным тормозным путем. На объём генерируемой и накопленной энергии существенно влияет маршрут (рельеф, в частности наличие холмистых участков на дороге и уклон дороги).
• Снижение расходов на эксплуатацию машины. Зарядку можно производить от электросети. Это существенно дешевле, нежели использование дизеля, бензина. Выгода очевидна даже по сравнению с бензиновыми авто эконом-класса.
• Малый уровень шума.
• В большинстве случаев для мотора не требуется принудительное охлаждение.
• Экологичность. Использование транспорта с электродвигателем снижает количество выхлопных газов в воздухе.

Недостатки

Долгое время считалось, что самый большой минус использования электродвигателя – его зависимость от аккумуляторов, которые быстро выходят из строя. Теперь это неактуально. Современные батареи электрокаров, представленных в массовом выпуске, гарантируют пробег автомобиля 150-200 тыс. км. Потерял актуальность и тот фактор, что машины с электродвигателем существенно уступают бензиновым по мощности. Электротяга современных электромоторов уже не уступает ДВС.

Поэтому недостатки электродвигателей сейчас правильно свести не к недостаткам конструкции, а к плохо развитой инфраструктуре для того, чтобы подзаряжать электромобили. Если в США, Скандинавии подзарядить электрокар легко, то до недавнего момента даже в Западной и Центральной Европе с инфраструктурой для подзарядки таких машин были проблемы.

В России, Беларуси, Украине, Казахстане, пока, увы, с инфраструктурой ситуация ещё хуже. Хотя, например, в России число заправок для электрокаров с 2018 по 2020 год возросло в 3 раза, но полотно покрытия площадками для зарядки очень неоднородное. В Москве – более плотное, в регионах – слабое. Даже разрыв с такими городами-гигантами как Санкт-Петербург и Челябинск — колоссальный.

Устройство электромобиля

Рассматривая электродвигатель, важно остановиться на устройстве электромобиля в целом, изучение электродвигателя не самого по себе, а как части системы электропривода, где электродвигатель – один из его базовых компонентов, его «сердце». Но «организм», функционирует только тогда, когда в порядке все другие «органы» – части электропривода:

• Аккумуляторная батарея.
• Бортовое зарядное устройство. Его функция – обеспечение возможности заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.
• Трансмиссия. Распространены трансмиссия с одноступенчатым зубчатым редуктором (чаще всего встречающийся и наиболее простой вариант) и бесступенчатая трансмиссия с гидротрансформатором (для старта с места), плавно изменяющие отношение скоростей вращения и вращающих моментов мотора и ведущих колес транспортного средства во всём рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий.
• Инвертор. Назначение инвертора – трансформирование высокого напряжения постоянного тока аккумулятора в трехфазное напряжение переменного тока.
• Преобразователь постоянного тока. Функция – зарядка дополнительной батареи, которая используется для системы освещения, кондиционирования, аудиосистемы.
• Электронная система управления (блок управления). Отвечает за управление функциями, связанными с энергосбережением, безопасностью комфортом. В её «подчинении» – оценка заряда АКБ, оптимизация режимов движения, регулирование тяги, контроль за использованной энергией и за напряжением, управлением ускорением и рекуперативным торможением.

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея (аккумулятор) – один из наиболее дорогих компонентов системы. По своей значимости играет такую же роль, как бензобак для ДВС. Электромобиль движется за счёт электричества, полученного от электросети во время зарядки и хранящегося в АКБ.

При этом важно помнить, что у большинства электромобилей устанавливаются одновременно два аккумулятора: один тяговой – он питает именно мотор и стартерный (как и в машинах с ДВС, он помогает системе освещения, системе подогрева). Эти аккумуляторы разные не только по назначению, но и техническим характеристикам.
Тяговый аккумулятор электрического двигателя электромобиля предназначен для питания мотора, запуска двигателя. У него нет высокого пускового тока, но он заточен на длительную работу, выдерживает большое количество циклов заряда-разряда.

Типичная тяговая АКБ – моноблочная секционная конструкция. Тяговая АКБ состоит из толстых электронных пластин – пористых сепараторов и электролитного вещества.
Самые распространенные аккумуляторы – литий-ионные. У них – наиболее высокая энергетическая плотность, не требуется обслуживание, достаточно низкий саморазряд.

Устройство и особенности гибридных систем

Свои особенности – у гибридных систем. В гибридных системах электродвигатель может рассматриваться и как «партнёр» ДВС, и как допэлемент, помогающий добиться экономии топлива и при этом повышения мощности.

Устройство «гибрида» отличается в зависимости от реализованной схемы передачи на колёса крутящего момента.

• Параллельная. Аккумуляторы передают энергию электромотору, бак – топливо для ДВС. Оба агрегата равноправны и способны создать условия для перемещения авто. Но работает такая схема только при наличии коробки передач. Параллельная схема успешно реализована у автомобиля Honda Civic. Нередко гибриды с параллельной схемой выделяют в отдельную группу и называют плагин-гибридными.

• Последовательная. Любое действие начинается с включения ДВС. Он же отвечает за последующие действия: поворот генератора для запуска электромотора, зарядку аккумуляторов.

• Последовательно-параллельная. Через планетарный редуктор соединены ДВС, электродвигатель и генератор. В зависимости от условий движения может использоваться тяга электродвигателя или ДВС. Режим выбирается программно системой управления транспортного средства. Среди хорошо известных последовательно-параллельных «гибридов» – Toyota Prius, Lexus-RX 400h.

Классический гибридный автомобиль использует интегрированный в трансмиссию электрический мотор-генератор.

При этом для получения электрической тяги у гибридных систем задействованы четыре базовых компонента:

• Мотор-генератор. Является обратимой силовой установкой. Может работать в двух режимах: непосредственно тягового мотора и генератора для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи. При работе в режиме мотора возможно создание крутящего момента и мощности, которых хватит для старта и движения автомобиля с выключенным ДВС, при работе устройства в режиме генератора продуцируется высоковольтная электроэнергия.
• Высоковольтные силовые кабели. Изолированные электрические кабели большого сечения. Важны для переноса энергии между компонентами высоковольтных электроцепей.
• Высоковольтные аккумуляторные батареи. Включенные в последовательную цепь аккумуляторные элементы. Позволяют накопить в батарее большой объём электроэнергии.
• Высоковольтный силовой модуль управления для управления потоком электроэнергии для движения транспортного средства на электрической тяге.

Гибридные авто открывают новые эксплуатационные возможности, с одной стороны можно быть максимально экологичным, радоваться комфортной езде и сэкономить на топливе, а с другой стороны, при разряде аккумулятора владелец авто не попадёт впросак, если невозможно подзарядить мотор: в работу вступит ДВС.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях напрямую связаны с тем, насколько активно будет развиваться инфраструктура. Там, где она не обеспечена, использование электрокаров действительно ограничено. Ведь без подзарядки у многих авто – малая дальность пробега.

Впрочем, даже последняя проблема активно решаемая. Немецкие и японские разработчики (компании DBM Energy, Lekker Energie, Japan Electric Vehicle Club) сумели доказать миру: потенциал у электродвигателей, аккумуляторов без подзарядки может достигать 500 -1000 тысяч километров пробега. Правда, пока что 1 000 тысяч км пробега без подзарядки возможны только в теории, а 500-600 уже на практике.

На данный момент доступность такого транспорта – на уровне инженерно-конструкторской работы, экспериментальных выпусков, но есть перспективы что их подхватят автогиганты, и не за горизонтом – серийное производство.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях очень тесно связаны и с политикой отдельных государств. Например, в Норвегии обладатели электромобилей освобождены от уплаты ежегодного налога на транспорт, пользования платными дорогами, паромными переправами и даже большинством парковок. С учётом того, что налоги и тарифы в Скандинавии одни из самых высоких, мотивация приобрести именно авто с электродвигателем, а не ДВС – очень высокая.

Обратите внимание, что на базе LCMS ELECTUDE есть специальный раздел “Электрический привод”, в нём подробно разбираются электродвигатели, виды электропривода, системы зарядки, особенности обслуживания транспорта с электромотором. Кроме комплексных теоретических знаний в обучающих модулях приводятся многочисленные практические примеры.

Автомобиль Тесла, принцип работы

Автомобиль Тесла — это электромобиль нового поколения. Из этой статьи вы узнаете, из чего состоит Тесла и принцип ее работы на примере Tesla model S.

Из чего состоит автомобиль Тесла

Давайте мысленно откинем кузов и рассмотрим основные узлы автомобиля.

Под кузовом можно увидеть асинхронный двигатель (он же индукционный) и инвертор

в живую это выглядит примерно вот так:

А также платформу из литий-ионных батарей, которая устанавливается на днище автомобиля

Всем этим делом управляет электроника, которая встроена в бортовую панель автомобиля Тесла

Двигатель Тесла, принцип работы

Самым главным узлом в автомобиле является асинхронный двигатель, который разработал великий ученый Никола Тесла. Давайте разберем принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора и ротора

Как же работает асинхронный двигатель? Асинхронный двигатель — это трехфазный двигатель переменного тока с вращающимся магнитным полем.

Вращающееся магнитное поле образуется в обмотках статора. Оно в свою очередь приводит в движение ротор.

Также нельзя забывать тот факт, что в асинхронном двигателе скорость вращения самого ротора будет меньше, чем скорость вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре двигателя.

Но и это еще не все. Частота вращения такого двигателя зависит от частоты переменного тока, поступающего на его обмотки. Чем больше частота, тем быстрее будет вращается двигатель. Поэтому, управляя частотой, мы можем управлять вращением двигателя, а следовательно, и скоростью самого автомобиля. То есть все управление автомобилем сводится к тому, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный трехфазный и возможностью менять частОты переменного трехфазного тока. Это простое преобразование постоянного тока в переменный ток нужной частоты делает автомобили Тесла простыми и надежными.

Почему асинхронный двигатель лучше, чем ДВС

График зависимости крутящего момента (Н⋅м) от оборотов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) выглядит примерно вот так:

Поэтому, соединять вал двигателя ДВС напрямую с колесами — так себе идея.

В этом случае требуется трансмиссия и коробка передач

Также не забывайте, что линейное движение поршней должно быть преобразовано во вращательное движение. Это очень трудоемкий процесс, так как приходится балансировать весь двигатель, чтобы было как меньше вибраций при работе.

Да и для того, чтобы запустить такой двигатель, нам также понадобится стартер. А как вы знаете, без аккумулятора стартер не заведется. Ну или «с толкача»).

Еще один минус ДВС в том, что выдаваемая им мощность очень неравномерна, поэтому надо использовать маховик.

К очевидным минусам ДВС можно также добавить его высокую стоимость, выбросы выхлопных газов в окружающую среду, высокую стоимость топлива, ограниченный ресурс, так как очень много трущихся деталей, низкий КПД, сильный шум, большой вес, замена расходников, а также, как мы уже говорили, требуется обязательно коробка переключения передач.

Зависимость крутящего момента от оборотов электродвигателя на автомобилях Тесла выглядит так

Скорость вращения двигателя может быть от нуля и до 18 000 оборотов в минуту! Как вы видите, почти во всем диапазоне эта зависимость почти равномерная. Значит, нет надобности в трансмиссии и коробке передач.

Если даже сравнивать ДВС и асинхронный двигатель, то можно увидеть существенную разницу весе и выдаваемой мощности. Отношение веса к выдаваемой мощности у ДВС 0,8 кВт/кг, а у асинхронного двигателя 8,5 кВт/кг. Разница более, чем в 10 раз!

Платформа из аккумуляторных батарей

Асинхронный двигатель надо чем-то питать. Поэтому, в автомобилях Тесла используется блок-платформа из литий-ионных аккумуляторов. Этот блок из батарей выдает постоянный ток.

Такой блок состоит из маленьких простых li-ion батареек

Решетка, которая частично держит батарейки, также является радиатором, по которой бежит антифриз

такой тип радиатора очень эффективен, так как он охлаждает все батарейки равномерно.

Все эти батарейки собираются в небольшие модули

Платформа состоит из нескольких таких модулей

В живую это выглядит примерно вот так:

Антифриз, который охлаждает платформу из батарей, охлаждается в передней части автомобиля на автомобильном радиаторе

Также можно увидеть, что тяжелая платформа из батареек близко находится к земле, поэтому низкий центр тяжести улучшает управляемость и стабильность автомобиля.

Стоимость такой батареи-платформы более 12 000 долларов, а вес более полтонны. Пока что платформа-батарея является самой дорогой частью автомобиля. Да и вообще, проблема всех электрокаров — это дорогие аккумуляторы. Если ученые разработают дешевые и очень емкие аккумуляторные батареи, то придет конец эпохе ДВС.

Инвертор

Как же нам преобразовать постоянный ток, который выдает нам большая аккумуляторная батарея Тесла в переменный ток, который требуется для асинхронного двигателя? Вот здесь в дело вступает инвертор

Он не только преобразовывает постоянный ток в переменный, но также и контролирует скорость вращения двигателя и его мощность, а следовательно, скорость автомобиля и его ускорение.

Коробка передач

Как же передается вращение от двигателя к колесам?

Для этого используется коробка передач

В автомобилях Тесла используется простая односкоростная коробка передач, так как крутящий момент двигателя почти равномерный на всех оборотах.

Если разобрать коробку, то можно увидеть ее простую конструкцию

Вращение вала двигателя приводит к вращению шестеренки, которая передает вращающий момент на колеса автомобиля

Даже обратный ход достигается тем, что инвертор меняет две фазы на асинхронном двигателе местами, и двигатель будет вращаться в другую сторону.

Рекуперативное торможение

В автомобиле Тесла всего две педали и подножка для левой ноги, чтобы было куда ее девать при вождении)

На самом же деле управлять автомобилем можно всего с помощью одной педали: педали газа. На английский манер такой способ вождения электрокаров называется one pedal driving. Почему это возможно на электрокарах?

Давайте для начала разберемся, как вообще происходит торможение в простом автомобиле на ДВС?

Когда мы нажимаем педаль тормоза, у нас тормозные колодки прижимаются к тормозным дискам, и автомобиль начинает тормозить. Куда уходит вся кинетическая энергия движущегося автомобиля? Она превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. Можете потрогать тормозные диски после длительного торможения. Они будут очень горячие.

Но вот в автомобилях Тесла торможение происходит совсем по другому принципу. Да, там тоже имеются тормозные колодки и диски, но они используются намного реже, чем у авто с ДВС. Как происходит торможение в Тесла? Как только вы отпускаете педаль газа, автомобиль начинает останавливаться, то есть активируется система рекуперативного торможения. В этом случае двигатель превращается в генератор электрической энергии. Куда уходит энергия от торможения? Если в простых автомобилях она уходила в тепло, то здесь двигатель в роли генератора начинает подзаряжать аккумуляторы. То есть можно сказать, что вся кинетическая энергия автомобиля превращается в электричество и запасается в аккумуляторах. Но почему же происходит процесс торможения? Дело в том, образующееся магнитное в обмотках статора будет тормозить ротор, поэтому и происходит торможение вала двигателя.

Для полной остановки электромобиля потребуется педаль тормоза, которую нажимают в самом конце остановки. Отсюда следует, что тормозные колодки на Тесле надо менять в разы реже, чем на автомобиле с ДВС.

Безопасность автомобиля Тесла

Думаю, вы все в курсе, что электромобили намного безопаснее, чем авто с двигателями ДВС. На момент написания этой статьи известны 2 случая со смертельным исходом. В обоих случаях была вина именно водителей.

В передней части автомобиля можно увидеть багажник для перевозки груза. Также этот багажник служит для смягчения удара при лобовом столкновении

Автопилот Тесла

По-моему, это самая крутая вещь, которую воплотила в жизнь команда Илона Маска. Автопилот использует систему обратной связи из 8 камер, которые охватывают угол обзора все 360 градусов на дальности в 250 метров, 12 сенсоров, которые помогают в опасных ситуациях, а также помогают парковаться, и есть также функция Summon, которая помогает перемещать автомобиль, например, из гаража, либо вывести с парковки с помощью мобильного приложения.

Автопилот Тесла может полностью водить автомобиль в автономном режиме. Он также может предупреждать владельца об опасных ситуациях на дороге.

Краш-тест

По результатам краш-тестов Тесла получает твердую пятерку. Подробнее об этом можно прочитать в этой статье.

Да и вообще, вся линейка автомобилей Тесла признана самыми безопасными автомобилями в мире.

Преимущества автомобиля Тесла

Электричество вместо топлива. Заправлять автомобиль электричеством намного дешевле, чем жидким топливом. Давайте сделаем простые расчеты…

Самые мощные батареи, которые устанавливаются на Теслу — это 100 кВт⋅час. Запас хода при этом составляет что-то около 500 км. Итак, 1 кВт⋅час для Москвы стоит где-то около 6 руб. Итого, чтобы заправить наш авто, потребуется 100 х 6 = 600 рублей. Итого 600/500=1,2 руб/км.

Что с бензином? Простой ВАЗ типа Гранты будет кушать примерно 7 литров на 100 км пути. Литр бензина на момент, пока пишется статья, составляет по Москве 43 рубля. Итого, чтобы на 100 км пути потребуется около 300 рублей. 300/100=3 руб/км

В принципе, почти то же самое соотношение получается и по всему миру.

О чем это говорит? Да о том, что заправлять автомобиль электричеством обходится почти в 3 раза дешевле, чем бензином.

Экологичность. После сжигания горючего жидкого топлива в атмосферу выбрасывается масса продуктов горения, которые очень сильно вредят окружающей среде. Отсюда разные болезни, особенно у жителей мегаполисов. Электричество в этом плане не выдает никаких вредных веществ в атмосферу.

Да, некоторые защитники могут сказать, для того, чтобы получить электричество, нам надо опять же сжигать газ, уголь, строить атомные реакторы, строить плотины и тд. Но чтобы получить бензин, надо строить нефтеперерабатывающие заводы, нефтепроводы, надо заниматься траспортировкой бензина на АЗС и тд. Не проще ли тянуть провода с какой-нибудь ГЭС?

Кстати, некоторые продвинутые страны очень приветствуют электромобили и снимают с них транспортный налог.

Бесшумность. Звук электродвигателя почти незаметен, поэтому в Тесле вы не услышите никакого рева мотора, так как стоит электродвигатель). Максимум, что вы можете услышать — это гул покрышек при езде.

Отзывчивость педали газа. Педаль газа в Тесле очень отзывчива к нажатию и СРАЗУ же воздействует на динамику разгона и торможения. В этом случае говорят, что при разгоне «вдавливает в кресло». На Тесле так оно и есть. Современный Tesla Roadster вообще разгоняется до сотки за 1,9 секунд!

Автопилот. О нем я говорил выше в статье.

Безопасность. Пока что автомобиль Тесла признан самым безопасным авто в мире, получив наивысший рейтинг.

Нет коробки передач. Крутящий момент двигателя на требуемых оборотах до 18 000 почти везде одинаков. Поэтому, коробка передач для Теслы не требуется.

Низкая цена обслуживания. Так как Тесла не имеет коробки передач, а также мало изнашиваемых деталей, то ее обслуживание в разы дешевле, чем у автомобиля с ДВС. В автомобиле с ДВС обязательно надо менять масло в коробке, масло в двигателе, тормозные колодки, каждые 3-4 года покупать новый аккумулятор.

Программное обеспечение. В Тесле сидят не только конструкторы, но также и программисты. Поэтому, автомобили Тесла могут похвастаться самым передовым программным обеспечением и контролем за силовыми частями цепи, то есть за аккумуляторами, инвертором, двигателем. Все это вкупе работает как часики. Также компания не забывает обновлять программное обеспечение по «воздуху».

Недостатки электромобилей Тесла

Долгое время зарядки. В то время, как простой автомобиль с ДВС можно заправить буквально за 5 минут, Тесле поребуется около часа. Но и здесь опять же есть подвижки. В настоящее время компания стремится к тому, чтобы сделать время заряда как можно меньше. Для этого она строит так называемые Supercharger stations по всему миру. Эти заправочные станции, как говорят в Тесле, будут совершенно бесплатны, а ваш автомобиль сможет зарядиться на 80% за 30 минут! То есть пока вы пьете кофе, ваш авто уже будет снова готов покорять просторы) Полная зарядка на таких заправочных станциях длится около полутора часов. Пока что таких заправочных станций не так много, но я считаю, что ситуация все равно будет меняться в лучшую сторону.

Высокая стоимость. Цены на новые модели Теслы в бомж комплектации в Америке начинаются от 43 000 $. По нашим деньгам это около 2 800 000 рублей. В Москве цены начинаются от 3,5 млн рублей. Не очень то и дешево для электрокара.

Будущее компании Тесла

Есть ли у компании будущее? Здесь большой вопрос. Все понимают, что будущее должно быть за электрокарами, но также не забывайте, что мы живем в абсолютно другом мире — в мире капитализма, где основная цель большинства людей — это деньги. Поэтому, чтобы посмотреть, как идут дела у компании, мы рассмотрим его с точки зрения инвестора, который готов или не готов вложиться в эту компанию.

Итак, на рисунке ниже мы видим график стоимости акций компании Тесла на июнь месяц 2019 года.

Как вы могли заметить, начиная с 2013 года акции полетели вверх. Где-то приблизительно в это время началась поставка первых автомобилей. Инвесторы увидели перспективу и кинулись покупать акции, что послужило их дальнейшему росту. Если акции в среднем стоили около 30$ за штуку, за пару лет их цена взлетела до 200$ за штуку! То есть акции Тесла подорожали почти в 6 с лишним раз!

Но все ли так гладко в компании? Для этого надо посмотреть финансовый отчет по годам.

Как вы видите, из года в год компания получает убыток, то есть как говорится по-русски, работает в минус.

Как же сейчас обстоят дела у компании? Для этого открываем квартальные отчеты

Видим, что за 3 и 4 квартал 2018 года компания получила неплохую прибыль, но за первый квартал 2019 года опять «ушла в минус». Чего ожидать дальше, пока никто не знает, хотя Илон Маск уверяет, что с компанией все будет хорошо. Выпускаются новые модели, покоряются новые рынки. Ну что же, поживем — увидим.

Источник https://natoke.ru/articles/224-ustroistvo-sovremennogo-elektromobilja.html

Источник https://pro-sensys.com/info/articles/obzornye-stati/dvigatel-elektromobilya/

Источник https://www.ruselectronic.com/tesla-car/