EV 101: Как работают электромобили?

В качестве производственных затрат отказаться(откроется в новом окне) а инфраструктура зарядки улучшается, электромобили (EV) становятся более привлекательной покупкой для водителей США, стремящихся избежать заоблачных цен на бензин или смягчить воздействие транспортных средств, работающих на газе, на окружающую среду. Но как они на самом деле работают?

Основы электромобилей

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

В отличие от типичного транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), работающего на газе, электромобилям не требуется взрывное сгорание за счет сжигания топлива для выработки энергии, необходимой для движения. Вместо этого они используют электрическую энергию, хранящуюся в их аккумуляторных батареях, для вращения электродвигателя (или двигателей), соединенных с колесами, и движения автомобиля вперед. Таким образом, у электромобилей меньше движущихся частей, чем у автомобилей на газу, и, как правило, они требуют меньшего обслуживания, хотя в настоящее время они имеют более высокие первоначальные затраты.

Существует несколько различных типов транспортных средств, которые можно квалифицировать как электромобили, от подключаемых гибридов с небольшими дополнительными батареями до полностью электрических транспортных средств с батарейным питанием и даже автомобилей с водородными топливными элементами.

Большинство электромобилей, которые вы увидите сегодня на дорогах, являются либо гибридами, такими как Toyota Prius, либо полностью электрическими транспортными средствами, такими как Tesla Model 3. Здесь мы сосредоточимся конкретно на том, как работают полностью электрические автомобили.

Наука о батарее

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

У каждого электромобиля есть аккумуляторная батарея, состоящая из групп литий-ионных аккумуляторов или элементов, которые обеспечивают питание, необходимое для всего: от движения автомобиля до работы кондиционера. Вы также услышите, что это называется тяговой батареей, и обычно она находится в нижней части автомобиля.

Аккумулятор электромобиля заряжается почти так же, как литий-ионный аккумулятор в вашем мобильном телефоне, только в гораздо большем масштабе. Вы подключаете его к сети через розетку или зарядную станцию, и он потребляет энергию, пока не зарядится. Сколько энергии может хранить 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 без подзарядки.

Не все электромобили имеют одинаковую батарею. Умный эквалайзер(Открывается в новом окне) модели от Mercedes-Benz, например, имеют аккумулятор емкостью 16,7 кВтч, что дает им около 60 км(Откроется в новом окне) диапазона на одном заряде. Tesla Model S Long Range(Открывается в новом окне), с другой стороны, имеет батарею на 95 кВтч и предполагаемый запас хода 350 миль. Технология аккумуляторов для электромобилей постоянно развивается, поэтому в ближайшие несколько лет на рынке появятся автомобили с большей дальностью и более коротким временем перезарядки.

В отличие от электричества, поступающего из обычной настенной розетки, батареи вырабатывают постоянный ток (DC). Чтобы генерировать вращательную силу, эту мощность необходимо преобразовать в переменный ток (AC). Вот тут-то и появляется конструкция двигателя электромобиля.

Конструкция двигателя

Электродвигателю электромобиля не нужно создавать давление и воспламенять бензин, чтобы двигать колеса автомобиля. Вместо этого он использует электромагниты внутри двигателя, которые питаются от батареи для создания вращательного усилия.

Внутри мотора 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 они отталкивают друг друга. Сила магнитов, отталкивающихся друг от друга, вращает вал, раскручивает колеса и двигает автомобиль вперед.

Чтобы поддерживать постоянное состояние отталкивания между магнитами, их полярность должна постоянно меняться при вращении вала. В противном случае они в конечном итоге повернутся обратно в точку, где будут притягиваться, а не отталкиваться друг от друга, и зафиксироваться на месте. Сила переменного тока делает это автоматически, постоянно чередуя положительные и отрицательные значения. Но поскольку питание от батареи электромобиля постоянное, необходимо устройство, называемое инвертором, чтобы постоянно менять полярность магнитов.

Инвертор электромобиля быстро меняет полярность, примерно 60 раз в секунду, чтобы поддерживать силу вращения. А отдельный преобразователь постоянного тока(Откроется в новом окне) 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 вращающую силу или крутящий момент и быстрее вращает колеса.

Искусство зарядки

Зарядное устройство для электромобилей ChargePoint Home Flex

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

Зарядные устройства уровня 1 — это типичные настенные розетки на 120 вольт, которые наиболее полезны в частных домах, где вы можете зарядиться энергией на ночь. Это медленно: 8-часовая зарядка добавляет(откроется в новом окне) около 40 миль дальности; полная зарядка может занять 20 часов и более.
Станции уровня 2 повышают напряжение до 240 вольт и выдают 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 отели. Станции Tesla уровня 2 известны как Зарядные устройства в пункте назначения(Открывается в новом окне) (по сравнению с суперчарджерами). Если у вас нет подходящей вилки, необходимо установить розетку на 240 вольт или домашнюю зарядную станцию, чтобы зарядить электромобиль в вашем доме.
Станции быстрой зарядки постоянного тока уровня 3 (DCFC) обеспечивают наибольшую мощность; они могут зарядить аккумулятор электромобиля примерно до 80% примерно за 30 минут. В среднем они предлагают 50 кВт, хотя есть и такие, которые направляют в аккумулятор еще больше энергии, например, нагнетатели Tesla.

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

Есть некоторые дебаты(откроется в новом окне) над тем, может ли постоянное использование станций быстрой зарядки уровня 3 иметь пагубное влияние на аккумулятор вашего электромобиля. Жюри еще нет(откроется в новом окне) на том; 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.

Большинство электромобилей поставляются с кабелем питания, который можно подключать к зарядным станциям уровня 1 и уровня 2 — двух наиболее распространенных уровней зарядки, которые вы найдете. Tesla также поставляется с адаптером, который можно использовать на станциях, отличных от Tesla (мобильные зарядные устройства больше не входят в комплект). Большинство общественных зарядных станций будут иметь группу портов подключения, которые обеспечивают питание уровня 2 и 3.

Как далеко электромобиль может проехать на зарядке?

Lucid Air Grand Touring имеет расчетный запас хода 516 миль (Фото: Lucid Motors)

Наиболее распространенной проблемой EV является беспокойство по поводу диапазона. Будет ли у электромобиля такой же пробег на зарядке, как у бензинового автомобиля на полном баке? Ответ: это зависит.

Средний диапазон EV на момент написания этой статьи составляет 200-250 миль(Откроется в новом окне) на одном заряде, согласно данным, собранным базой данных электромобилей. Но верхние и нижние пределы диапазона сильно различаются, от 50 миль до более 300 (Lucid Air). обещания (откроется в новом окне) 500+ миль). На этот диапазон могут влиять несколько переменных как в данный момент, так и в течение всего срока службы транспортного средства.

Tesla Model 3 заряжается от нагнетателя Phoenix. (Фото: Хлоя Альбанесиус)

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

Современные электромобили довольно конкурентоспособны с автомобилями на газу, и с каждым годом их становится все больше. Их запас хода в среднем уже сравним с бензиновым автомобилем, а зарядная инфраструктура достаточно развита во многих областях, поэтому электромобили становятся жизнеспособным вариантом для водителей, которые ищут автомобили с низким уровнем выбросов. У электромобилей есть некоторые недостатки, которые нужно решить, и они не спасут нас от изменения климата сами по себе, но они могут быть частью более широкого всестороннего движения по переосмыслению транспорта и созданию более экологичных альтернатив.