EV 101: Как работают электромобили?

Благодаря плавному управлению и быстрому ускорению электромобили (EV) являются привлекательным способом избежать высоких цен на бензин или смягчить воздействие автомобилей, работающих на газе, на окружающую среду. Их первоначальная стоимость может быть в среднем выше, чем у бензиновых автомобилей, но есть несколько моделей стоимостью менее 40 000 долларов, федеральные налоговые льготы, которые смягчат удар, и постоянно улучшающаяся инфраструктура зарядки, которая поможет снизить беспокойство по поводу запаса хода. Но как они на самом деле работают?

Основы электромобилей

Audi Q5 55 TFSI E Quattro 2021 года (Фото: Audi)

В отличие от типичного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), который работает на газе, электромобилям не требуется взрывное сгорание за счет сжигания топлива для выработки энергии, необходимой для движения. Вместо этого они используют электрическую энергию, накопленную в аккумуляторных батареях, для вращения электродвигателя (или двигателей), подключенного к колесам, и движения автомобиля вперед. Таким образом, электромобили имеют меньше движущихся частей, чем автомобили, работающие на бензине, и, как правило, требуют меньшего обслуживания (без замены масла).

Существует несколько различных типов транспортных средств, которые можно квалифицировать как электромобили: от подключаемых гибридов до транспортных средств, полностью питающихся от аккумуляторов, и даже автомобилей, работающих на водородных топливных элементах. Хотя гибриды потребляют небольшое количество электроэнергии, они по-прежнему считаются транспортными средствами, работающими на газе, хотя и более эффективными. Здесь мы сосредоточимся конкретно на том, как работают полностью электрические транспортные средства.

Наука, лежащая в основе батареи

Интерьер электромобиля (Фото: Центр данных по альтернативным видам топлива/Министерство энергетики США)

Каждый электромобиль имеет аккумуляторную батарею, состоящую из групп литий-ионных батарей или элементов, которые обеспечивают энергию, необходимую для всего: от движения автомобиля до работы кондиционера. Обычно он расположен в нижней части автомобиля между колесами.

Аккумулятор электромобиля заряжается почти так же, как литий-ионный аккумулятор вашего мобильного телефона, только в гораздо больших масштабах. Вы подключаете его к сети через розетку или зарядную станцию, и он потребляет энергию, пока не зарядится. Сколько энергии может удерживать аккумулятор электромобиля, будет зависеть от его емкости, измеряемой в киловатт-часах (кВтч). Чем выше число, тем выше емкость и тем дальше вы сможете проехать на этом электромобиле на одном заряде.

Размеры аккумуляторов различаются для каждого электромобиля, и многие модели также предлагают несколько вариантов размера (чем больше аккумулятор, тем дороже автомобиль). Например, предстоящий Hyundai Kona Electric 2024 года будет оснащен аккумулятором меньшего размера для коротких поездок (48,6 кВтч на расстояние 197 миль) и более крупным (64,8 кВтч) с запасом хода 260 миль. Большие, ориентированные на производительность автомобили, такие как пикап Rivian R1T, имеют двойную или более емкость аккумулятора. Rivian предлагает аккумуляторы трех разных размеров: стандартный парк (дальность действия 270 миль, 105 кВтч), большой аккумулятор (дальность действия 321 миля, 135 кВтч) и максимальный аккумулятор (дальность действия 410 миль, 180 кВтч).

Ривианская батарея (Фото: Эмили Драйбельбис)

Ситуация еще более усложняется тем, что сейчас на рынке существует два основных типа электромобилей. В прошлом большинство электромобилей американского производства имели никель-кобальт-марганцевые (NCM) аккумуляторы, которые обладают высокой плотностью энергии и обеспечивают высокую мощность и запас хода. Совсем недавно автопроизводители незаметно перешли на новый тип аккумуляторов, называемый литий-железо-фосфатным (LFP), в своих базовых моделях. Tesla, Ford и Rivian приняли их на вооружение, потому что они дешевле (без дорогостоящего кобальта и никеля) и имеют тот же запас хода, по оценкам Агентства по охране окружающей среды. Однако батареи LFP быстрее теряют запас хода в холодную погоду и имеют меньшую мощность. Таким образом, батареи NCM по-прежнему считаются более желательным вариантом премиум-класса, предназначенным для комплектаций более высокого уровня.

В конце концов, оба типа батарей в целом следуют одним и тем же основным принципам. В отличие от электричества, поступающего из обычной розетки, они выдают мощность постоянного тока (DC). Чтобы создать вращающую силу, эту мощность необходимо преобразовать в переменный ток (AC). Вот тут-то и пригодится конструкция двигателя электромобиля.

Конструкция двигателя

Электродвигателю электромобиля не нужно создавать давление и поджигать бензин, чтобы привести в движение колеса автомобиля. Вместо этого он использует электромагниты внутри двигателя, которые питаются от батареи, для создания вращательной силы.

Внутри двигателя находятся два набора магнитов. Один комплект прикреплен к валу, который вращает колеса автомобиля, а другой находится внутри корпуса, окружающего этот вал. Оба набора магнитов заряжены так, что их полярность одинакова, и отталкивают друг друга. Сила магнитов, отталкивающихся друг от друга, вращает вал, вращает колеса и двигает автомобиль вперед.

Компоненты двойного двигателя Rivian на выставке на заводе. (Фото: Эмили Драйбельбис)

Чтобы поддерживать постоянное состояние отталкивания между магнитами, их полярность должна постоянно меняться при вращении вала. В противном случае они в конечном итоге вернутся обратно к точке, в которой они будут притягиваться, а не отталкиваться друг от друга и запираться на месте. Питание переменного тока делает это автоматически, постоянно чередуя положительные и отрицательные значения. Но поскольку аккумулятор электромобиля питается постоянным током, необходимо устройство, называемое инвертором, чтобы постоянно менять полярность магнитов.

Инвертор электромобиля меняет полярность быстро, примерно 60 раз в секунду, чтобы поддерживать силу вращения. А отдельный преобразователь постоянного тока используется для подачи питания на другие системы автомобиля (отопление, информационно-развлекательную систему и освещение), которым не требуется переменный ток. Частота тока, подаваемого на двигатель, может быть изменена драйвером, и чем выше частота, тем чаще меняется полярность. Это создает большую вращательную силу или крутящий момент и колеса вращаются быстрее.

Искусство зарядки

Зарядное устройство для электромобиля ChargePoint Home Flex (Фото: ChargePoint)

В автомобилях с бензиновым двигателем вы заправляете бак и отправляетесь в путь. Что касается электромобилей, в США существует три разных уровня зарядных станций: от самого медленного (уровень 1) до самого быстрого (уровень 3).

Зарядные устройства уровня 1 представляют собой типичные настенные розетки на 120 В и наиболее полезны в частных домах, где вы можете зарядиться энергией на ночь. Это медленно: 8 часов зарядки добавляет дальность действия около 40 миль; Полная зарядка может занять 20 часов и более.
Станции уровня 2 повышают напряжение до 240 В и выдают мощность от 10 до 25 кВт для полной зарядки примерно за восемь часов. Это делает их распространенным решением для ночной зарядки дома или в таких местах, как гостиницы. Станции Tesla Level 2 известны как Зарядные устройства назначения (по сравнению с нагнетателями). Если у вас нет подходящей вилки, для подзарядки электромобиля у вас дома потребуется установить розетку на 240 В или домашнюю зарядную станцию.
Станции быстрой зарядки постоянного тока уровня 3 (DCFC) обеспечивают максимальную мощность; они могут зарядить аккумулятор электромобиля примерно до 80% примерно за 30–60 минут в зависимости от скорости зарядки станции (50–350 кВтч), максимальной скорости зарядки, которую может поддерживать автомобиль, а также внешних факторов, таких как погода (очень холодная погода может занять больше времени). ).

Станция Tesla Supercharger 3-го уровня в Бивере, штат Юта, с зарядкой до 250 кВт. (Фото: Хлоя Альбанезиус)

Все электромобили поставляются со шнуром уровня 1, который подключается к автомобилю на одном конце, и стандартной сетевой розеткой на другом, за исключением Tesla, которая прекратила включать зарядные устройства уровня 1 в 2022 году. Это отличный старт для новых владельцев электромобилей. пока они оценивают, нужно ли им устанавливать зарядное устройство уровня 2 для более быстрой домашней зарядки.

Зарядные устройства уровня 3 нельзя устанавливать дома, поскольку они потребляют значительную мощность, превышающую ту, которую может выдержать электрическая мощность дома. Они обычно расположены вдоль автомагистралей для туристов, а также по городу и в городе. Распространены такие бренды, как Electrify America, EVGo и Tesla Superchargers. В последнее время все большее число автопроизводителей объявляют, что перейдут на зарядный порт Tesla и встроят его в свои автомобили после 2025 года. Это фактически сделает Tesla Supercharger популярными станциями для многих покупателей электромобилей.

Станция Electrify America уровня 3 в Иллинойсе с зарядкой до 350 кВт. (Фото: Эмили Драйбельбис)

Ведутся споры о том, может ли постоянное использование станций быстрой зарядки 3-го уровня оказывать вредное воздействие на аккумулятор вашего электромобиля. Жюри все еще отсутствует по этому поводу, хотя недавнее исследование не выявило дополнительной деградации у Tesla, которые регулярно заряжаются быстро, по сравнению с теми, которые это делают редко, Electrek отчеты. На данный момент вам, вероятно, следует просто использовать то, что имеет для вас наибольший смысл, исходя из того, где вы живете и что вы можете себе позволить.

Как далеко может проехать электромобиль на зарядке?

У Lucid Air Grand Touring дальность полета составляет 516 миль. (Фото: Lucid Motors)

Наиболее распространенной проблемой EV является беспокойство по поводу дальности полета. Будет ли электромобиль проезжать на одной зарядке столько же, сколько бензиновый автомобиль с полным баком? Ответ: Это зависит.

Средний диапазон EV на момент написания статьи составляет 220 мильПо данным базы данных электромобилей. Но верхний и нижний пределы спектра сильно различаются: от 114 миль на Mini Cooper EV 2023 года (хотя Mini Coop следующего поколения может обещать больше) до дальности более 500 миль у Lucid Air. На этот диапазон могут влиять многочисленные переменные как в данный момент, так и в течение всего срока службы транспортного средства.

Tesla Model 3 заряжается на нагнетателе Phoenix. (Фото: Хлоя Альбанезиус)

Размер аккумулятора электромобиля является одним из наиболее важных факторов, когда речь идет о запасе хода. Но какой бы ни была мощность, запас хода электромобиля может сократиться из-за непрерывной езды по шоссе, частых резких ускорений, чрезмерного использования быстрой зарядки, экстремальных погодных условий и естественного старения с течением времени.

Современные электромобили с каждым годом становятся все более конкурентоспособным вариантом, в результате чего все больше водителей переходят на них. В США электромобили составляют 7% продаж новых автомобилей. В других местах, например в Европе, по состоянию на август 2023 года они достигли 21%, а в Норвегии — целых 85%. Тем не менее, зарядная инфраструктура нуждается в доработке. Лучшим сценарием для водителей электромобилей является зарядка дома и на работе, что, по сути, оставляет в прошлом любую концепцию «специальной поездки, чтобы заправить машину».

Хотя у них есть некоторые недостатки, которые нужно решить, и они сами по себе не спасут нас от изменения климата, электромобили могут стать частью более масштабного всеобъемлющего движения по переосмыслению транспорта и созданию более экологически чистых альтернатив.

Все, что я узнал, проехав на Tesla 1000 миль за неделю