Устройство автомобилей



Рождение автомобиля


Электромобиль - проблемы и пути их решения



Тепловые двигатели, как внешнего, так и внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, которых лишены двигатели, использующие для своей работы электрическую энергию. В первую очередь это, конечно же, высокая экологическая чистота электрических двигателей в сравнении со своими собратьями, использующими тепло для получения механической энергии. Электродвигатель практически не выделяет вредных веществ в окружающую среду во время работы, поэтому является идеальным с точки зрения экологов и защитников природы.
Кроме того, не секрет, что углеводородные ресурсы (нефть, газ) нашей планеты не бездонны. Придет время, когда человечество полностью выработает их, и следует заранее побеспокоиться об альтернативных источниках энергии для автотранспортных средств.

современный электромобиль

Немаловажными свойствами электродвигателей являются, также, бесшумность, мгновенная готовность к работе (не нужен разогрев и подогрев перед началом работы, манипуляции с системой питания и т. п.), великолепная управляемость, простота балансировки подвижных деталей из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма, относительная простота конструкции.

Электрические двигатели почти не нуждаются в охлаждении, смазке деталей, да и затраты на техническое обслуживание таких двигателей существенно ниже, чем, например, для двигателей внутреннего сгорания.
По этим причинам конструкторы первых средств передвижения, считающихся прародителями современных автомобилей, давно и пристально изучают возможность использования электродвигателей в качестве автомобильного мотора. У электрических двигателей есть еще одно ценное свойство, благодаря которому они почти идеально подходят в качестве силовой установки для автомобилей.

Электродвигатель имеет практически идеальную тяговую характеристику, т. е. зависимость частоты вращения вала двигателя от развиваемого крутящего момента, которая графически приближена к гиперболе (см. рисунок). Это означает, что при уменьшении частоты вращения якоря электродвигателя на его валу автоматически возрастает крутящий момент, и, наоборот – с увеличением частоты вращения тяговое усилие на валу снижается, т. е. зависимость между этими двумя параметрами у электрических машин почти обратно пропорциональная.

Что это дает, посудите сами - при возрастании нагрузки на двигатель (например, при преодолении подъема) уменьшаются его обороты, что немедленно приводит к увеличению крутящего момента и тяговой силы на валу. При этом водителю даже не потребуется манипулировать педалью «газа» - корректировка динамики автомобиля совершается автономно. Чем не идеальная автоматическая трансмиссия? Ну а если педалью акселератора управлять величиной расходуемой электроэнергии (например, при помощи реостата), то интервал тяговых возможностей электромобиля значительно расширится.

современный электромобиль

В отличие от электродвигателя, двигатель внутреннего сгорания в рабочем интервале частот имеет прямо пропорциональную характеристику (на рисунке), т. е. момент на его валу растет с увеличением оборотов до номинальных значений, после чего рост частоты вращения вала приводит к падению мощности (двигатель работает "вразнос"). Чтобы расширить интервал частот и тяговых усилий приходится применять коробку перемены передач.

Получается, что при достаточной мощности двигателя, электромобиль практически не нуждается в коробке перемены передач - громоздком и дорогостоящем агрегате трансмиссии, требующем от водителя определенных навыков управления, а также нуждающемся в трудоемком техническом обслуживании. А если педали акселератора придать еще и функцию включателя электродвигателя или электрической муфты (что с инженерной точки зрения выполнить проще простого), то отпадет потребность в сцеплении, поскольку двигатель будет останавливаться при полностью отпущенной педали, либо отсоединяться от ведущих колес.

Как видите, электрический двигатель, при использовании его в качестве автомобильного «сердца», благодаря своим уникальным свойствам и возможностям открывает перед конструкторами и инженерами огромные просторы для технического творчества.

К сожалению, широкому использованию электромобилей в качестве средства передвижения препятствует существенная проблема, которую в настоящее время конструкторы преодолеть не в состоянии. Электрическая энергия идеальна для последующего преобразования ее в механическую энергию движения, вот только запастись в дорогу достаточным количеством этого вида энергии оказалось непросто.

В настоящее время для накопления запаса электрической энергии используются аккумуляторы - гальванические элементы, в которых посредством химических и электролизных процессов запас электрической энергии используется для каких-либо нужд, после чего этот запас можно почти полностью восстанавливать путем пропускания через аккумулятор постоянного электрического тока. Т. е. аккумулятор, в отличие от обычной гальванической батарейки, является накопителем электроэнергии и источником электрического тока многократного использования.

Отцом-родителем аккумуляторов электроэнергии считается французский физик Раймон Луи Гастон Планте (1834-1889), который в 1859 году изобрел свинцово-кислотный аккумулятор. Идеи Планте подхватили энтузиасты и до настоящего времени многие выдающиеся умы человечества работают над устранением основных недостатков, препятствующих широкому внедрению аккумуляторов электроэнергии в электромобилях и многих других технических устройствах. К таким недостаткам относятся большая масса аккумуляторов, чрезвычайно низкий КПД (у самых удачных конструкций он не превышает 40%), а также длительный цикл заряда, т. е. пополнения запаса электроэнергии после его расходования.



Большой вес современных аккумуляторов вызван малой удельной энергоемкостью, т. е. для того, чтобы накопить в дорогу достаточное количество электричества, требуется чрезвычайно тяжелый аккумулятор. Очевидно, это никак не способствует улучшению динамики, грузоподъемности и других эксплуатационных характеристик автомобиля. К тому же львиная доля электрической энергии аккумулятора тратится на перевозку самого аккумулятора.
Особенно явно эта проблема возникает при попытке создания грузовых электромобилей - значительный вес перевозимого груза и самого транспортного средства приводит к быстрому израсходованию запаса электричества.

Коэффициент полезного действия аккумулятора Г. Планте едва превышал 10%, т. е. львиная доля энергии расходовалась непроизводительно. В результате внедрения многочисленных конструкторских разработок и идей к концу XIX столетия КПД аккумуляторов был доведен до 15%; для современных аккумуляторов он едва достигает 40%.
Следует иметь в виду также, что стоимость киловатт-часа энергии в стационарной электрической сети значительно ниже накопленной в аккумуляторе. И если для отдельно взятого электромобиля это не имеет существенного значения, то для большого парка электромобилей потери электроэнергии составят значительную величину.

При израсходовании запаса энергии в аккумуляторе его необходимо зарядить. Этот процесс занимает значительно больше времени, чем заправка бензинового или дизельного автомобиля на АЗС. Несколько уменьшить это неприятное свойство аккумуляторов позволила бы организация зарядно-обменных пунктов, где разряженный аккумулятор водителю быстро могли заменить на полностью заряженный, но и в такой идее немало трудноразрешимых вопросов. Из-за этого электромобили использовались и используются исключительно для городских перевозок и поездок на малые расстояния.

электромобиль - достоинства и недостатки

Как видите, проблем с накоплением в дорогу запаса электрической энергии много, и существенных путей их решения пока нет.

Тем не менее, рождение электромобиля состоялось вскоре после изобретения аккумулятора. Первые электромобили по внешнему виду очень напоминали конные коляски. Электрические экипажи первоначально служили в основном для индивидуальных перевозок. Затем, по мере совершенствования источников питания, стали создавать и многоместные электромобили с современным обликом.

Безусловным мировым лидером по производству электромобилей в настоящее время является американская компания Tesla Motors (Тесла Моторс), основанная в 2003 году и возглавляемая одним из ее основателей - Илоном Маском (Elon Musk).
Компания представила на автомобильный рынок свое первое детище - Tesla Roadster в 2008 году.

Решающий успех Tesla Motors принес электромобиль Tesla Model S - полноразмерный пятидверный седан, впервые представленный в 2009 году на Франкфуртском автосалоне. Автомобиль использовал уникальный литий-ионный аккумулятор собственной разработки компании емкостью 85 кВт×ч, которого хватало примерно на 480 километров пробега. Это был лучший результат среди всех электромобилей, доступных на авторынке.

Tesla Motors разрабатывала не только электромобили и аккумуляторные батареи к ним, но и развивала собственную сеть электрических зарядных станций, где можно было бесплатно подзарядить аккумулятор или поменять его на заряженный за определенную сумму.
Так, в 2013 году компания продемонстрировала возможность автоматической замены батареи в Tesla Model S для перезарядки. Все действия производились на заправочной (зарядной) станции автоматически, без участия человека. Замена батареи длилась всего 90 секунд – значительно быстрее времени, потраченного на полную заправку автомобиля с бензиновым двигателем.
Электромобили Tesla Motors стали стремительно завоевывать американский и европейский автомобильные рынки, и принесли основателям компании фантастические доходы. Илон Маск является одним из богатейших людей планеты.

В настоящее время компания интенсивно развивает свое производство, планируя в скором времени вытеснить автомобили с двигателями внутреннего сгорания из лидирующих позиций в автопроме. По мнению основателей Tesla Motors это позволит избавить человечество от нефтяной зависимости, сделать окружающий мир экологически чище и безопаснее.

Российские конструкторы также внесли свой вклад в создание электромобилей.
Среди них наиболее известен Ипполит Владимирович Романов, создавший в конце XIX столетия двух- и четырехместные модели электрических повозок, а также 17- и 24-местный омнибусы для перевозки пассажиров. Электромобили И. В. Романова отличались оригинальными техническими решениями: каждое колесо имело свой электродвигатель, скорость регулировалась в пределах от 1,5 до 35 км/ч, оснащались механическими и рекуперационными тормозами. Рекуперационное торможение - торможение двигателем, позволяющее переключать электродвигатель в режим генератора и таким образом подзаряжать аккумуляторные батареи.
В электромобилях И. В. Романова использовались электродвигатели и аккумуляторы собственной разработки конструктора.

Работы над совершенствованием электромобилей продолжаются и в настоящее время. Тем не менее, из-за описанных выше неразрешенных пока проблем, достойной конкуренции двигателям внутреннего сгорания на данном этапе развития они составить не в состоянии.

Итак, к началу прошлого века существовали и конкурировали три наиболее распространенных типа автомобильных двигателей – внутреннего сгорания (газовые, бензиновые и дизельные), внешнего сгорания (паровые), а также электрические. По ряду причин двигатели внутреннего сгорания вскоре заняли лидирующие позиции в качестве автомобильных двигателей и сохраняют это лидерство по сей день из-за отсутствия достойной альтернативы.

современный электромобиль

***

Тернистый путь от лошади к автомобилю