Електромобілі: переваги та недоліки електричного двигуна на авто

Як зазначають багато експертів, електричний автомобіль сьогодні є не просто альтернативою, а вже становить пряму конкуренцію для звичного двигуна внутрішнього згоряння.

Звичайно, про масове витіснення ДВЗ поки не йдеться, проте фахівці вважають, що це лише питання часу. Справа в тому, що на тлі глобальної екологічної та паливної кризи у електромобілів з'явилися всі шанси відсунути поршневі двигуни на задній план.

Більше того, якщо судити за кількістю проектів та обсягами вкладених у розробку електрокарів коштів, тоді мимоволі напрошується висновок про те, що й самі автовиробники пророкують електромобілям велике майбутнє.

У цій статті ми розглянемо конструкцію та загальний принцип роботи ТЗ на електротязі, їх особливості, переваги та недоліки. Також ми спробуємо розібратися, який варіант краще, електромобіль або гібрид, що краще вибрати в тому чи іншому випадку і т.д.

Електромобілі: особливості електричних авто

Почнемо з того, що донедавна автомобілі з гібридним двигуном марки Toyota та інших фактично були одним з найбільш найкращих, затребуваних та поширених варіантів у всьому світі. За прикладами не потрібно далеко ходити, тому що досить згадати преміальну модель Lexus RX450h F Sport або скромніший і доступніший Toyota Prius і т.д.

При цьому навіть сьогодні ситуація не сильно змінилася, хоча останнім часом на ринку з'явилася велика кількість конкурентів, які здатні запропонувати споживачеві різні версії так званих «зелених» авто.

Справа в тому, що при всіх своїх плюсах автомобілі з гібридними двигунами все ж таки є нерозривним симбіозом електромотора і ДВЗ. Це означає, що більше йдеться про економію палива, при цьому «нульових» викидів в атмосферу і повної відмови від нафтопродуктів при використанні таких машин домогтися все одно не виходить.

Поршневий двигун, який не можна виключити із загальної схеми гібрида, продовжує потребувати пального, його система змащення вимагає моторного масла і т.д. Тому гібридна силова установка може швидше вважатися черговим витком еволюції ДВЗ, але не повноцінним альтернативним варіантом.

З урахуванням вищесказаного стає зрозуміло, що на сьогоднішній день відмова від ДВЗ здатна запропонувати тільки повністю електричний автомобіль. До речі, ідея далеко не нова, тому що перші машини з електромотором з'явилися навіть раніше за транспортні засоби з двигуном внутрішнього згоряння.

Однак на початковому етапі творці електричних авто зіткнулися з масою проблем (малий запас ходу, велика вага, складність зарядки батарей і т.д.), внаслідок чого такий варіант не витримав конкуренції, а мотори на бензині та солярці швидко та надовго витіснили електрокари.

Все змінилося відносно недавно, зокрема завдяки розвитку сучасних технологій та створенню необхідних пристроїв для накопичення та зберігання електроенергії. Простими словами, йдеться про енергоємні батареї для електромобілів, а також про рішення для їх швидкої підзарядки.

В результаті електрокар зовсім недавно став загальнодоступним серійним продуктом. Такі автомобілі в наші дні виготовляються японськими, європейськими, американськими та китайськими виробниками. Окремо варто виділити популярний електрокар Nissan Leaf, добре відомі моделі Tesla Model S та Roadster, а також Toyota RAV4EV, BMW Active C і т.д.

Схема влаштування електричної машини

Почнемо з того, що конструкція передбачає набагато менше рухомих деталей порівняно з ДВЗ. Інакше кажучи, електромобіль влаштований простіше, а простота завжди означає підвищену надійність.

Основними конструктивними елементами є:

• акумулятор;
• електромотор;
• спрощена трансмісія;
• спеціальний зарядний пристрій на борту;
• інвертор та перетворювач постійного струму;
• розвинена система електронного керування.

Батарея в електромобілях необхідна для живлення електродвигуна. Вказана тягова акумуляторна батарея сьогодні є літій-іонною і складається з модулів (банок), які послідовно з'єднуються між собою. Щодо ємності, на різних моделях доступні різні варіанти. Як правило, батарея підбирається до автомобіля, виходячи з потужності електромотора.

Тяговий електродвигун створює крутний момент на колесах автомобіля і є трифазним синхронним або асинхронним двигуном змінного струму (асинхронні), видаючи в середньому від 20 до 150 кВт і більше. Зазначимо, що ККД у електромотора набагато вищий за двигун внутрішнього згоряння, особливо бензинового. Іншими словами, втрати корисної енергії в ДВЗ можуть доходити до 70%, тоді як у електродвигуна втрачається лише 10%.

Як вже було сказано, електричний автомобіль поводиться від електромоторів, яких при цьому може бути кілька. Живлення електромотора зазвичай реалізовано від акумуляторної батареї, при цьому також можливе використання сонячних батарей тощо. Однак на практиці серійні електрокари часто оснащуються лише акумуляторною батареєю.

Така батарея потребує зарядки, яка може походити як від зовнішнього джерела, так і під час руху електричного авто. У другому випадку йдеться про рекуперацію енергії гальмування.

Отже, основними перевагами електродвигуна можна вважати доступний максимум крутного моменту на будь-якій швидкості, такий двигун може крутити колеса назад і вперед без необхідності встановлювати додаткові рішення. Також виділяють відсутність необхідності охолоджувати такий двигун, електродвигун здатний виконувати функції генератора і т.д.

Як правило, в електрокарах сьогодні встановлено одразу кілька електродвигунів (на кожне колесо). В результаті тяга значно покращується порівняно із схемою, яка передбачає оснащення одним електромотором.

Також трапляються рішення, коли електродвигун фактично встановлений у колесі. З одного боку, трансмісія в цьому випадку максимально спрощується, проте збільшується кількість безпружинних мас і страждає загальна керованість машини.

До речі, трансмісія електрокарів сама по собі спочатку проста і найчастіше представляє одноступінчастий зубчастий редуктор. Що стосується зарядного пристрою, рішення розташовується на самому авто і дозволяє заряджати батарею, причому від звичайної електророзетки. Також існує окремий вихід для швидкої зарядки батареї на спеціальних станціях.

Інвертор служить для того, щоб реалізувати перетворення постійного струму від батареї на трифазну напругу змінного струму. Саме такий струм необхідний для живлення електромотора.

Ще зазначимо, що в конструкцію електромобілів включено подібність добре знайомої автомобілістам АКБ на 12 Вольт. За зарядку такого додаткового акумулятора у цьому випадку відповідає перетворювач постійного струму, а сама батарея потрібна для живлення різних бортових пристроїв та систем (електропідсилювач керма, габарити та світло фар, кліматична установка, підігрів стекол та сидінь, аудіосистема з акустикою тощо) .

Електронна система, яка відіграє роль ЕСУД в електромобілі має цілий набір функцій. Система відповідає за активну безпеку, контролює роботу електромоторів, стежить за станом тягової батареї та рівнем заряду, визначає витрату енергії та задіює режими енергозбереження при їзді тощо.

Якщо говорити про конструкцію, є блок управління (аналогічно ЕБУ) та велика кількість датчиків, а також різні виконавчі пристрої. Датчики фіксують швидкість автомобіля, ступінь навантаження на електромотори, а також положення педалі газу гальма та низку інших параметрів.

Сигнали від датчиків надходять у контролер, після чого блок прагне створити найкращі умови стосовно того чи іншого режиму під час руху електрокара. Також на панелі приладів водій може спостерігати інформацію про швидкість руху, споживання заряду, залишковий заряд, скільки кілометрів ще можна проїхати і т.д.

Види електромобілів та практична експлуатація: плюси та мінуси електрокарів

Світові автовиробники в цій галузі сьогодні йдуть двома шляхами:

• створюються абсолютно нові моделі електричних автомобілів;
• відбувається трансформація вже наявних у лінійці виробника автомобілів на електрокар.

Ще електромобілі можна умовно поділити на кілька типів. Як і у випадку з ДВЗ, машини давно заведено ділити на міські малолітражки, спорткари тощо. З електромобілями ситуація схожа.

• Існують електричні авто, які позиціонуються як рішення виключно для міста. Максимальна швидкість таких ТЗ відносно низька (трохи більше 100 км/год), і навіть порівняно невеликий запас ходу (70-80 км.) в режимах середніх і високих навантажень.
• Також слід виділити "універсальний" варіант. Такі електричні автомобілі здатні розганятися до 140-160 км/год, автономність також збільшена. Це дозволяє здійснювати поїздки трасою.
• Щодо спортивних версій, такі електромобілі мають «максималку» близько 200 км/год і вище. Розгінна динаміка також дуже вражає. Наприклад, сьогодні електрокари фірми Тесла здатні набрати сотню менше ніж за 3 сек., а максимальна швидкість найшвидшого електромобіля у світі, який був побудований на базі Chevrolet Corvette американською компанією Genovation, під час випробувань у 2017 році перевалила за 300 км/год. 

Здавалося б, такі машини наблизилися по ряду найважливіших показників до автомобілів з ДВЗ. На перший погляд, у електромобілів з'явилася достатня автономність та прийнятна динаміка розгону. Також можна виділити простоту експлуатації, низькі витрати на утримання та обслуговування, що обов'язково має схилити розумних споживачів до вибору електричного авто. Однак на практиці все виглядає дещо інакше.

Відразу зазначимо, що саме особливості експлуатації та ряду інших факторів досі не дозволяють електрокарам стати масовим рішенням. Насамперед, вартість такого транспорту продовжує залишатися досить високою на тлі конкурентів із бензиновим або дизельним ДВЗ.

Більше того, економічність сучасних дизельних моторів дозволяє цим агрегатам серйозно конкурувати не лише з бензиновими авто, а й з електромобілями. Ще слід окремо виділити те, що від побутової розетки акумулятор електрокара заряджається довго, а станції для швидкої підзарядки зустрічаються нечасто через слабкий розвиток інфраструктури. Особливо це є актуальним для країн СНД.

Щодо автономності, ті дані, які заявлені виробником, часто не зовсім відповідають дійсності. Перше, на практиці, особливо в холодну пору року, батарея розряджається швидше.

Друге, якщо водій практикує динамічну їзду, тоді повний заряд батареї може вистачати не на 70-80 км. по місту, а лише на 40-50. Для підтвердження цієї інформації достатньо ознайомитися з реальними відгуками власників Nissan Leaf, оскільки ця бюджетна версія електромобіля за ціною є однією з найдоступніших і найпоширеніша.

Простими словами, пробіг електромобіля без підзарядки не постійний, а залежить від численних факторів, починаючи від стану та ємності батареї та закінчуючи стилем водіння. Якщо до цього додати використання кондиціонера, габаритів, підігрівів та інших рішень, тоді на одному заряді навіть за ідеальних дорожніх умов пробіг неминуче скоротиться на 20-30% і більше.

Якщо ж при цьому стиль водіння активний (постійно перевищує середню швидкість 60 км/год), тоді можна розраховувати і на всі 50%. Виходить, якщо виробник обіцяє 140-160 км на одному заряді, цей показник передбачає їзду зі швидкістю не більше 70 км/год, і то за умови повністю справної батареї (без втрати ємності акумулятора).

Однак якщо розганяти електрокар, наприклад, до 130 км/год трасою, тоді пробіг без підзарядки складе всього 70 км. Як бачимо, якщо для міста це ще прийнятно, то використовувати електромобіль для заміських поїздок дуже важко.

Тепер кілька слів про батарею. Акумулятор, який сьогодні використовується, літій-іонний. Для його виробництва потрібні великі витрати, що сильно впливає і на загальну вартість електричних авто. При цьому термін служби таких батарей обмежений середньою позначкою близько 5 років.

Це означає, що хоча базові витрати на утримання електричного автомобіля в кілька разів нижчі за аналоги з ДВЗ, більш висока початкова вартість і необхідність заміни дорогої батареї (в середньому, через 5 років) ставлять економічні переваги та доцільність покупки такого авто під великий сумнів. Ще до цього варто додати і постійне зростання цін на електроенергію, що також відбивається на вартості володіння електромобілем.

Що в результаті

З урахуванням сказаного вище стає зрозуміло, що активне впровадження інноваційних технологій дозволило значно збільшити автономність сучасного електромобіля. Однак застосування таких технологій дуже впливає на кінцеву вартість транспортного засобу, не дозволяючи зробити його масовим рішенням.

Що стосується доступніших за ціною версій, акумулятори, час зарядки від побутової мережі близько 7-8 годин, а також невеликий запас ходу продовжують залишатися слабкими місцями таких електромобілів.

Ще слід зазначити, що далеко не в усіх країнах спостерігається активний розвиток інфраструктури у вигляді створення спеціальних станцій для швидкої зарядки або заміни батарей. Також справи і зі спеціалізованими сервісами з ремонту та обслуговування електромобілів. Якщо в Європі та США цьому питанню приділяється велика увага, на території СНД, на жаль, все ще не можна говорити про створення прийнятних умов нормальної експлуатації електрокарів.

Цілком можливо, що незабаром ситуація зміниться, проте сьогодні електромобіль на вітчизняних дорогах продовжує залишатися великою рідкістю. Зазвичай, таку машину можна зустріти у великих містах. При цьому забезпечені власники найчастіше купують електричні автомобілі швидше для розваги, ніж у практичних цілях.

Іншими словами, для переважної більшості водіїв не варто розглядати електромобіль як основний та постійний транспортний засіб, особливо якщо говорити про країни на території СНД.