Сьогодні електромобілі зустрічаються на дорогах все частіше, а для багатьох людей «зелений» транспорт — це вже не якийсь експеримент, а цілком «нормальна машина», яку можна купити і щодня використовувати в особистих або комерційних цілях. Однак мало хто знає, як влаштоване такі авто. Отже, сьогодні говоримо про таке поняття, як конструкція електромобіля, та й взагалі, що собою являє «залізна конячка».
Які машини вважаються електромобілями
Почнемо з термінології: електромобілі прийнято позначати абревіатурою EV (від Electrical Vehicle), хоча це словосполучення підходить для будь-якого транспорта на електротязі, від катерів до літаків. Точніша абревіатура – EC (Electric Car) чомусь не прижилася, зате наявну тепер часто додатково уточнюють. У сучасній класифікації чисті електромобілі позначають як BEV (від Battery) – до таких відносяться лише ті машини, котрі не мають інших джерел енергії, окрім батарей.
Друга категорія автомобілів на електротязі – FCEV. Вони використовують так звані паливні елементи (Fuel Cell), у яких електрика виробляється просто «на борту» — з допомогою хімічної реакції сполуки водню з киснем. Ця реакція проходить без горіння – у спеціальних каталітичних осередках. Машини FCEV заправляються воднем, а їхній «вихлоп» — чиста вода. Електронний струм, що генерується, заряджає батарею, а вона, у свою чергу, живить електродвигун. Хоча б якогось поширення FCEV поки що не отримали — в основному через труднощі з виробленням, транспортуванням, зберіганням водню та заправленням ним автомобілів.
А ось сімейство гібридних конструкцій HEV (Hybrid), що поєднують у собі електромотор із двигуном внутрішнього згоряння, користується популярністю як у виробників, так і у покупців. Однака тему гібридів ми опустимо – це окрема історія.
Загалом головна ознака справжнього електромобіля — це не дріт для заряджання, а відсутність вихлопної труби.
Ключові характеристики електромобіля
Потужність та крутний момент
У електродвигуні на порядок нижчі втрати (енергії) на тертя, він не вимагає складної системи змащування і майже не зношується. Тому багато електромобілів сьогодні можуть похвалитися силовою установкою потужністю 500+ кінських сил та розганяються швидше за заряджені автомобілі з ДВЗ. Наприклад, два електродвигуни Porsche Taycan Turbo S сукупно розвивають 761 к.с. та прискорюють машину до 100 км/год за 2,8 секунди.
Запас ходу
Втім, більшості електромобілів не потрібна «ураганна» динаміка – машині, котра повинна експлуатуватися щодня, куди важливіше мати максимальний запас ходу, котрий визначається ємністю батареї. І якщо перші серійні електромобілі ледве проїжджали 100-150 км, то середній пробіг сучасних електромобілів на одній зарядці становить вже в середньому 400 км. Це робить експлуатацію електричних машин – із щоденними потребами проїжджати 50-70 км – справді зручною. Вже є моделі, здатні проїжджати по 600-800 кілометрів, а з розвитком технологій інженери обіцяють запас ходу для звичайного електромобіля у 800-1000 км (Мерседес вже майже випустив такий автомобіль – пам`ятаєте концепт EQXX, який дебютував у січні 2022-го?), що можна порівняти з автомобілями з традиційним ДВЗ.
Швидкість заряджання батареї
Цей параметр також залежить від ємності батареї. На швидкість також впливають здатність акумуляторів приймати потужний заряд великим струмом, а головне – зарядна інфраструктура, яка може видати необхідний струм. Зараз електромобілям для повного заряджання від побутової мережі потрібна ціла ніч, але за допомогою потужного зарядного терміналу електромобіль із сучасною батареєю поповнить її запаси на 80% лише за 35–45 хвилин.
Якими бувають електромобілі
Відколи інженери всерйоз заговорили про переведення автомобілів на електротягу, електромобілі встигли пройти довгий шлях еволюції. І сьогодні їх умовно можна поділити на кілька поколінь (про зародження електромобілів на початку XX століття говорите не будемо поки, це тема окремої статті).
Отже, до першого покоління можна віднести легкові електромобілі, створені зі звичайних машин. У них ДВЗ під капотом замінювали на електромотор з інвертором, а акумулятори ставили на місце паливного бака та у багажник, серйозно зменшуючи обсяг останнього. І все одно великим запасом ходу BEV першого покоління похвалитися не могли, оскільки енергію такі машини витрачали неоптимально – адже у них зберігалася звична трансмісія та інші атрибути паливного автомобіля. Невисокою була й швидкість пересування. А плюс такої конструкції був лише один — відносна дешевизна. До першого покоління можна віднести численні прототипи минулих років або, наприклад, дрібносерійний RAV4 EV далекого 1997 року.
Другим щаблем еволюції стали автомобілі, лише частково уніфіковані з моделями з ДВЗ, конструкція яких спеціально допрацьовувалась під використання електричної силової установки. У них вже не було звичайної трансмісії, але під розміщення електричних вузлів йшли ті самі «порожні» місця, які залишалися після відмови від ДВЗ. Така конструкція покращувала характеристики електромобіля, але ще не робила його рівним бензиновому чи дизельному автомобілю. Характерні приклади – Kia Soul EV 2014 або VW E-Golf 2015 років з батареями під передніми сидіннями і у центральному тунелі, які були здатні проїжджати без підзаряджання трохи більше 100 км. Найбільш пристосованим до щоденної експлуатації у цьому поколінні виявився Nissan Leaf – у японського хетчбека вже не було аналогів з ДВЗ, але велика кількість його вузлів, як і раніше, залишалися уніфікованими з іншими моделями японської марки.
Відлік третього покоління можна вести з легендарного ліфтбека Tesla Model S – першого серійного електромобіля з плоскою батареєю під підлогою салону та двигуном, встановленим ззаду, де у звичайних машин зазвичай розміщується паливний бак. Таке компонування майже неможливе з ДВЗ через розміри силового агрегату, зате в електромобілі дає ряд переваг: електрична начинка не забирає місце у пасажирів та вантажу, а важка батарея під підлогою позитивно впливає на розважування машини та керованість (за рахунок низького розташованого центру тяжіння). Але головне – сама батарея може мати більші розміри і, відповідно, більшу ємність, що, звичайно, позитивно впливає на запас ходу.
Tesla також запровадила двомоторну схему, в рамках якої кожен електродвигун обертає свою вісь. Крім очевидних переваг повнопривідності, це дозволяє зробити кожен з електромоторів більш компактним та легким; а також збільшити загальну потужність силової установки, що покращує не тільки динаміку, а й економічність, тобто підвищує запас ходу на одній зарядці. Парадоксу тут немає, адже потужні мотори – це й потужні генератори, що виробляють додаткову електроенергію при гальмуваннях. Подібним чином влаштований ще й, наприклад, Jaguar I-Pace, який поєднує батарею в підлозі з пристойними позашляховими здібностями.
Інші розробники розвинули багатомоторну ідею далі. Наприклад, у сучасного Audi e-tron S моторів вже три – кожне заднє колесо приводиться до руху своїм двигуном, а третій двигун використовується для реалізації тяги на передній осі. Водночас є вже машини, які оснащуються чотирма двигунами! Це, наприклад, Rvian R1T, Rimac C_Two, ін.
Четверте покоління BEV – це моделі (Porsche Taycan, нові електромобілі Hyundai та KIA на платформі E-GMP), котрі використовують високоефективні 800-вольтові ботові зарядні системи замість 380–450-вольтових. Поки вони навряд чи перевершують досягнення Tesla за загальною кількістю параметрів, але потенційно можуть забезпечити ще більшу автономність ходу та більш швидке заряджання.
Основні вузли та системи електромобіля
При відмінностях у компонуванні та ефективності електромобілі всіх поколінь мають багато спільного у конструкції: набір основних вузлів та агрегатів у них практично однаковий. Розглянемо їх по черзі.
Електродвигун. Головний агрегат будь-якого BEV. Робота електродвигуна полягає в тому, що у на провідник струму, поміщений у магнітне полі, діє механічна сила, яка, у свою чергу, обертає його вал за рахунок електромагнітної взаємодії рухомої частини (ротора) з нерухомим корпусом (статором). Досягти цього можна різними методами, тому електродвигуни теж розрізняються за конструкцією.
Для приводу електромобіля використовують безколекторні мотори. Найбільш ефективний з них – так званий синхронний електродвигун змінного струму з постійними магнітами в якості ротора. Мінуси – ціна (при виготовленні магнітів використовуються рідкісні метали), а також труднощі в управлінні через постійне магнітне поле. Тому такі мотори застосовують у дорогих та потужних електромобілях, наприклад, Porsche Taycan та Tesla Model S.
Найчастіше застосовують менш дорогі у виробництві електродвигуни з індукційними котушками замість магнітів, що теж працюють від змінного струму. Вони можуть бути синхронними (наприклад, у Renault Zoe), але частіше обертання ротора відстає від обертання магнітного поля, котре створюється котушками статора. Через це такі двигуни називають асинхронними. У них нижчий ККД, зате вони простіші в управлінні. Такими двигунами оснащується, наприклад, Audi e-tron.
Трансмісія. Всі двигуни, котрі застосовуються в електромобілях, розвивають дуже високий крутний момент, буквально з нульових оборотів, можуть розкручуватися до дуже високих швидкостей та змінювати напрямок обертання. Тому електромобілям не потрібна складна багатошвидкісна коробка передач та важка трансмісія, як автомобілям з ДВЗ. Досить простого та надійного редуктора з пониженням (зазвичай у вигляді планетарної передачі), підключеного безпосередньо до двигуна. На потужних та швидких машинах його може доповнювати двоступенева коробка, що дозволяє поєднати потужну тягу на низах з високою максимальною швидкістю.
Тягова батарея. Найдорожчий вузол електромобіля. Сьогодні вона являє собою набір елементарних акумуляторів (осередків), який управляється цілою системою з мікроконтролерів. Батареї розрізняються за ємністю, робочою напругою (на EV – від 350 до 800 Вольт), а також формою, адаптованою під компонування конкретної моделі електромобіля. Відрізняються вони й осередками, при виготовленні яких можуть використовуватись різні матеріали. Наприклад, нікель-металгідридні акумулятори вже вважаються застарілими, а найпопулярнішими визнані літієві осередки кількох різновидів. У перспективі мають з'явитись батареї нового покоління, які сьогодні розробляються десь у надрах електротехнічних компаній.
Інвертор. Пристрій, який є сполучною ланкою між електродвигуном та батареєю. З назви випливає, що головне призначення цього блоку – перетворення струму, адже батарея видає та приймає постійний струм, а двигун працює на змінному. Однак повноваження цієї «коробочки» набагато ширші: вона ж за командою від педалей електромобіля керує поздовжнім прискоренням або уповільненням електромобіля, регулюючи потоки енергії від батареї до двигуна і назад (при рекуперації на гальмуванні).
Акумулятор. Здавалося б, за наявності такого потужного джерела енергії електромобілю вже не потрібен звичайний 12-вольтовий акумулятор, але він є. Стандартна та безпечна в техобслуговуванні низьковольтна підсистема потрібна для функціонування бортової електроніки та світлотехніки, електропідсилювачів, актуаторів, компресорів та інших приводів. Все як у звичайного авто.
Система охолодження. Електричний двигун набагато менше гріється, і не потрібує потужного охолодження. Однак у будь-якого BEV все одно можна зустріти і радіатор, і систему теплових магістралей, які потрібні для тягової батареї. Адже найефективніше вона працює лише в обмеженому діапазоні температур, а при великому навантаженні, частих перехідних циклах розряд/заряд під час руху або при швидкісному зарядженні сильними струмами – сильно гріється. Терморегулювання може знадобитися інвертору, через який протікають струми дуже високої сили.
Водночас система охолодження, що працює в режимі «теплового насоса» (як інверторний кондиціонер у приміщеннях), здатна з мінімальними енерговитратами забезпечити комфорт у салоні.
Зарядний блок. Процес заряджання електромобіля насправді набагато складніший, ніж може здатися з боку, тому для його контролю в машинах є окремий електронний блок. Адже електромобіль має вміти приймати заряд із різних джерел — від побутової розетки до спеціальних надпотужних терміналів, які, у свою чергу, теж бувають кількох форматів — європейських, американських, японських та китайських. Єдиного світового стандарту для зарядних станцій поки що, на жаль, не вироблено. Одні заряджають батареї змінним струмом, інші, практично минаючи інвертор, більш потужним постійним. Сильно залежить від способу заряду й час, який потрібний для поповнення запасів енергії.
Гальма. Теоретично, BEV міг би обійтися без звичних гальмівних механізмів, уповільнюючись рахунок силового опору, який створює електромотор в режимі генератора. Але на практиці всі електромобілі мають гальмівні колодки, диски, гідромагістралі з гальмівною рідиною, тощо. Зате, оскільки навантаження на них нижче, гальмівні механізми електромобіля зношуються набагато повільніше.
Якими електромобілі стануть завтра
Більшість автовиробників вже поставили у пріоритет розвиток електричного транспорту, причому працюють вони не одні, а у співпраці з хіміками та електротехніками. З кожним роком компанії збільшують ємність батарей, знижуючи їхню вартість, підвищують швидкість заряджання від високопотужних електрозарядних станцій, розширюють зарядні мережі, удосконалюють електродвигуни. І чим далі, тим більше ми побачимо електромобілів із кращим поєднанням ціни та можливостей.
Ведеться робота і з розвитку зарядної інфраструктури. Зокрема, підвищується швидкість заряджання від швидкісних зарядних станцій, розширюються зарядні мережі. А, наприклад, наша команда GO TO-U зараз працює над подоланням такої проблеми, як черги на зарядних станціях. І завдяки впровадженню сучасних технологій вона поступово вирішується - рушійною силою тут є додаток GO TO-U, який дозволяє не просто знайти зарядку на карті, а забронювати чарджер на певний час у потрібному місці.
У Китаї вже набули поширення електромобілі зі стандартизованими змінними батареями – це один із способів вирішити проблему довгого заряджання. BEV заїжджає до боксу, де роботизований механізм знімає з днища розряджений акумулятор і ставить на його місце заряджений. Операція автоматична, відбувається без участі людини та триває не довше за повне заправлення паливного бака звичайного автомобіля. Не виключено, що така концепція EV у майбутньому отримає попит у великих за площею країнах.
Інший перспективний напрямок — безконтактні зарядки, подібні до тих, що вже використовують для смартфонів. Для цього електромобіль та паркомісця для електричного транспорту обладнуються потужними індукторами, які можуть включатись в автоматичному режимі.
Інженери проробляють і варіант безконтактної передачі енергії електромобілю під час руху від прихованої в дорожньому полотні обмотки. Хоча така технологія може виявитися надто дорогою та недостатньо ефективною.
Головним вектором у розвитку електричних автомобілів залишиться вдосконалення батарей. Підраховано, що якщо виробники досягнуть збільшення їх ємності на третину (при поточних розмірах та масі), а вартість акумуляторів знизиться наполовину, то машини з ДВЗ відразу програють BEV у конкурентній боротьбі. Адже можуть ще «вистрілити» зовсім фантастичні способи запасання електроенергії – наприклад, технологія заправленнях рідинних батарей «суперзарядженим» змінним електролітом.
Замість підсумків можна відзначити наступне:
- Електромобілі з'явилися навіть раніше за звичайні машини і в перші роки успішно з ними конкурували. Проте зникли — і повернулися лише з розвитком електротехніки та загостренням екологічних проблем людства. Майже через століття.
– Електромобілі «нової ери» спочатку були надто дорогими, важкими та повільними. А запас ходу у них виявився недостатньо великим для повсякденного використання.
– Завдяки вдосконаленню батарей та електроніки електромобілі фактично зрівнялися з машинами з ДВЗ за динамікою та запасом ходу. Домогтися цього вдалося за рахунок нових компоновок, розрахованих суто на електромотори.
- Конструкція електромобіля, крім електродвигуна і батареї, включає інвертор, систему їхнього охолодження, редуктор з можливістю пониження, зарядний пристрій і звичайний акумулятор, який живить електроніку машини.
– До переваг електромобілів можна віднести високий ККД, зокрема, за рахунок рекуперації, повну відсутність викидів, простоту приводу коліс, дешевизну обслуговування та експлуатації, в тому числі, за рахунок низької вартості електроенергії.