Как работают электромобили? Разбор!
Мало кто знает, но автомобили с электрическим двигателем появились раньше чем машины с двигателем внутреннего сгорания — еще в 1841 году. И до начала 20 века они были популярнее, но потом они проиграли конкуренцию бензину и дизелю.
Сейчас же происходит обратный процесс, технологии аккумуляторов и электродвигателей развились до такой степени, что по прогнозам экспертов к 2025 году бензин и дизель окончательно устареет и уступит дорогу электричеству.
Сегодня мы поговорим о технологиях, которые лежат в современных электромобилях и расскажем почему это будущее. А поможет нам в этом первый электрокар от компании Audi официально доступный в России — Audi E-tron.
Устройство ДВС
Автомобили с двигателем внутреннего сгорания прошли огромный путь. Конструкция ДВС совершенствовалась более сотни лет, поэтому можно с уверенностью сказать, любой современный ДВС — это чудо инженерной мысли.
Тем не менее, есть у ДВС один серьезный недостаток. Они неэффективны.
КПД дизельных двигателей колеблется в районе 40-50%, а у бензиновых вообще 20-30% процентов.
Как вы думаете какой КПД у электродвигателей? Выше 100%! Как такое возможно и почему такая большая разница. Давайте разберёмся.
Если кратко, ДВС — не чемпионы в эффективности, потому что в них очень много деталей! Например, мы не можем подрубить двигатель внутреннего сгорания напрямую к колесам,
У ДВС ограниченный диапазон рабочих скоростей с пиковой эффективностью в районе 2-4 тысяч оборотов в минуту и он не может плавно ускоряться и замедляться. Поэтому в помощь к двигателю нам нужна другая сложная механическая конструкция, повышающая или понижающая скорость вращения, то есть коробка передач.
Дальше больше, сам двигатель внутреннего сгорания не создает прямого вращательного движения, а его выходная мощность постоянно колеблется. Поэтому прибавляется сложная система динамической балансировки: это кривошипно-шатунный механизм, маховик и прочие вещи. В свою очередь, электродвигатель устроен гениально просто!
Уутройство электродвигателя (асинхронный)
Любой электродвигатель работает на принципах электромагнетизма. Он состоит всего из двух частей, которые даже не соприкасаются друг с другом. Есть статичная часть, которая называется статором, и вращающаяся — ротор. В реальности, например, в Audi E-tron электродвигатель выглядит вот так.
Достаточно просто подать переменный ток на двигатель и он начнет вращаться. Бинго! Нам это и нужно!
Но вся прелесть электродвигателя в том, что регулировать скорость вращения можно просто меняя, частоту переменного тока. В итоге мы получаем рабочий диапазон скоростей от 0 до 18 тысяч оборотов в минуту с практически постоянной эффективностью. Это делает электромобили невероятно динамичными, потому как вы имеете полную мощность и фантастический крутящий момент с самого старта.
Электродвигатели получают энергию из аккумуляторов. Но так как аккумуляторы выдают постоянный ток, а двигатель работает на переменном существует мозг электромобиля — инвертор. Он преобразует ток, а заодно регулирует частоту и мощность, и даже меняет фазы для того, чтобы заставить двигатель вращаться в обратном направлении. Так мы получаем заднюю передачу, у которой, кстати, та же мощность, что и у передней.
Иными словами, всё те задачи, которые в традиционных автомобилях решает сложная система условных шестерёнок, в электромобилях просто напрямую регулируется инвертором.
Во многом потрясной динамикой и хорошей управляемостью современные электрокары обязаны быстрым мозгам, чем электрокары в начале 20 века похвастаться не могли.
В итоге, мы получаем КПД электродвигателя в 90-95% при более компактных размерах и высокой надёжности! Там просто нечему ломаться, нечего смазывать и чистить.
В Audi E-Tron стоят два двигателя (по одному на передней и задней осях), суммарно выдающие 360 лошадиных сил и 561 Нм (ньютон-метров) крутящего момента. А в режиме Overboost все 408 л.с. и 660 Нм.
Рекуперация
Как же так получается, что КПД выше 100%? Разве такое возможно? Да! Потому, что до 70% затраченной энергии электродвигатель способен возвращать обратно! Это происходит за счёт рекуперации.
Дело в том, что если механически начать крутить ротор, тоже будет вырабатываться ток, который можно направить обратно в аккумулятор. Получается, тот же самый электродвигатель может и тратить энергию и генерировать её через преобразование кинетической энергии.
Как правило в электрокарах, когда не давишь на газ, машина включает рекуперацию и оттормаживается, но также это работает и просто накатом, без снижения скорости.
Для регулировки этого эффекта Audi сделали удобные переключатели режимов рекуперации на руле. Это распространённая практика (почти во всех электромобилях используется рекуперация) , но Audi пошли дальше. В E-tron рекуперация срабатывает даже тогда, когда вы нажимаете педаль тормоза.
И это просто взрывающая мозг технология, смотрите.
На самом деле, педаль тормоза в E-tron физически не связана с тормозными колодками. Когда вы нажимаете на педаль, вы давите на специальную подушечку, которая симулирует эффект сопротивления. В это время происходит замер степени нажатия. Если давление слабое, торможение происходит исключительно за счёт рекуперации. А если давление сильное, машина понимает, что нужно резко и быстро остановиться, тогда уже подключаются томоза.
Мало того, что такой подход заряжает батарею и увеличивает запас хода. А E-tron может проехать на одном заряде до 436 км и это отличный показатель для большого, комфортного полноприводного внедорожника! Так еще и максимально сберегает тормозные диски, так как в большинстве сценариев торможения они вообще не участвуют.
История про горы
Есть забавная история о том, как Audi проводили тестирование своей системы торможения. В США в штате Колорадо есть трасса на горе Пайкс-Пик. Она настолько извилистая и там настолько большой уклон, что на определённом участке там стоит милый деревянный блокпост. На этом блокпосте все спускающийся вниз машины останавливаются и рейнджеры замеряют температуру тормозных колодок. Потому как дальше идет крутой участок, и если в этот момент колодки уже перегреты, то дальше тормоза просто откажут.
Поэтому люди просто стоят и ждут когда колодки остынут физически. А самые бережливые водители, у кого температура колодок меньше 100 Фаренгейтов, то есть 38 градусов Цельсия, получают в подарок конфету. Вот бы наши гаишники, так делали: ты не сигналил в пробке и показывал поворотник — держи барбариску!
Так вот, самые горячие колодки из всех E-Tron, которые участвовали в тесте были лишь 11 градусов Цельсия, это было всего на 4 градуса выше температуры Земли.
Жидкостное охлаждение
Тем не менее с перегревом в электромобилях всё-таки могут быть проблемы. Нагреваются и двигатель и батарейный отсек. Всё как в компьютерах, будете сильно мучать авто — оно начнет перегреваться и тупить.
Поэтому в электрокарах используются системы охлаждения. В E-tron — это очень продвинутая система жидкостного охлаждения. Круто, да? Тачка с жидкостным охлаждением, всегда мечтал.
Быстрая зарядка
Такой подход не только повышает рабочий диапазон температур, но и ускоряет зарядку.
Помните, OnePlus 8 Pro с одной из самых быстрых зарядок на рынке мощностью 65 Вт заряжается от 0 до 100% за 60 минут.
В E-Tron установлена батарея емкостью 95 кВт*ч, это в 5444 раза больше, чем в OnePlus 8 Pro (4510 мА.ч / 17,45 Вт.ч). Как думаете, сколько нужно времени чтобы зарядить эту батарею до 100%? Сколько? Год-два? Нет. Всего 40 минут! Как такое возможно?
Дело в том, что E-Tron — это чемпион по скорости зарядки среди электромобилей. Он поддерживает супер быструю зарядку в 150 кВт! Что побольше чем 65 Вт в телефоне. Это, просто взрывает мозг.
Но как и в случае с OnePlus, чтобы получить самую быструю зарядку нужно специальное оборудование. А именно специальная зарядная станция постоянного тока. Таких пока немного, но сеть заправок развивается очень быстро в Европе и Америке, надеемся, что Россия тоже скоро догонит.
Тем не менее на обычных зарядных станциях с мощностью 22 кВт зарядка займет в районе 4,5 часов. Кстати, таких станций в России уже немало, можете сами посмотреть на сайте plugshare.com. В Москве и Санкт-Петербурге зарядок вообще полно, поэтому жить можно. Но в идеале надо заряжать машину по ночам, как и все гаджеты.
Личный опыт
Со своей стороны скажу, в ту секунду, когда впервые садишься в электромобиль и нажимаешь на газ, сомнений, что будущее за электродвигателями не остаётся.
И если раньше в России электрокары были экзотикой, то теперь Audi первой привезли полноценный комфортный, практичный электроавтомобиль, который действительно может конкурировать с традиционными машинами.
Конечно есть НО — огромные расстояния в России и пока недостаточное количество зарядок. Второе — электромобили стоят дорого и не думайте, что я пытаюсь вам их продать, а Audi — премиум бренд. Тестовая машина в нашей комплектации стоила больше 5 миллионов рублей.
Но не стоит забывать приятные бонусы в плане экономии, хотя может это и не так важно, если вы заплатили 80 000 евро за машину или от 5 955 000 рублей. Но все-таки:
1. Электричество существенно дешевле бензина, если даже примерно подсчитать зарядку от домашней розетки, то получится примерно 1 рубль за километр. Ведь можно заряжать тачку как и смартфон, оставляя на ночь.
2. Это более важный и любимый пункт! Я не люблю ездить в сервисные центры и делать ТО. Очень не люблю. Но с электротачками можно об этом думать реже. Деталей и изнашивающихся элементов в полностью электрической машине тупо меньше раза в два. По сути, все, что нужно менять это что-то по ходовой или батарейку — как в смартфоне только реже раз в 10 лет. И конечно проверять тормоза, но и их жизненный цикл будет больше.