Электромобили

Электромоби́ль — автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от аккумуляторов или топливных элементов и проч., а не двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и электрической передачей и от троллейбусов. Подвидами электромобиля считаются электрокар (грузовое транспортное средство для движения на закрытых территориях, подъемно-транспортная машина) и электробус (автобус с аккумулятором).

Электромобиль появился раньше чем двигатель внутреннего сгорания. Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан в 1841 году. В первой четверти XX века широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В 1900 году примерно половина автомобилей в США была на паровом ходу, в 1910-х в Нью-Йорке в такси работало до 70 тысяч электромобилей. Значительное распространение в начале века получили и грузовые электромобили, а также электрические омнибусы (электробусы).

Изначально запас хода и скорость у электрических и  бензиновых экипажей были примерно одинаковыми. Главным минусом электромобилей была сложная система подзарядки. Поскольку тогда еще не существовало усовершенствованных преобразователей переменного тока в постоянный, зарядка осуществлялась крайне сложным способом. Для подзарядки использовался электромотор, работавший от переменного тока. Он вращал вал генератора, к которому были подсоединены батареи электромобиля. В 1906г. был изобретен сравнительно простой в эксплуатации выпрямитель тока, но это существенно проблему подзарядки не решило.

Электромобиль La Jamais Contente 29 апреля либо 1 мая 1899 года установил рекорд скорости на суше. Он первым в мире преодолел скорость 100 км/ч и достиг скорости 105,882 км/ч. Известный американский конструктор электромобилей Уолтер Бейкер получил скорость 130 км/ч. А электромобиль фирмы "Борланд Электрик" проехал от Чикаго до Милуоки (167 км) на одной зарядке. На следующий день, после перезарядки, электромобиль вернулся в Чикаго своим ходом. Средняя скорость составила 55 км/ч

Электромобили отличаются низкой стоимостью эксплуатации. Ford Ranger потребляет 0,25 кВт·ч на один километр пути, Toyota RAV4 — 0,19 кВт·ч на километр. Средний годовой пробег автомобиля в США составляет 19 200 км (т. е. 52 км в день). При стоимости электроэнергии в США от 5 до 20 центов за кВт·ч стоимость годового пробега Ford Ranger составляет от $240 до $1050, RAV-4 — от $180 до $970.

В России стоимость электроэнергии существенно ниже — порядка 2,7 руб (12 центов) за кВт·ч по дневному тарифу и около 1,50 руб за кВт·ч в ночное время[2]. Таким образом, стоимость эксплуатации электромобиля в России будет существенно ниже, чем в США, поскольку заряжаться он будет скорее всего ночью. Учитывая, что цены на бензин в России значительно выше, чем в США (Среднее значение цены на бензин в США за последние 6 лет составляет 22 рубля за литр. Минимальная цена достигала 13 рублей за литр в конце 2008 года)[3], то в тёплое время года затраты на энергоресурсы для электромобилей будут значительно меньше, в холодное время года нужно учитывать расход электричества на обогрев салона.

Аккумуляторные батареи  служат около трёх лет, или 85000—100000 км пробега.[источник не указан 440 дней]

 

КПД тягового электродвигателя составляет 88 %—95 %. В городском цикле  автомобиль задействует около 3 л. с. двигателя. Городской автотранспорт  может быть заменён на электромобили.

Существует легенда, что  электромобили отличаются низким уровнем  шума, что может создавать проблемы — пешеходы, переходя дорогу, зачастую ориентируются на звук автомобиля. В некоторых странах даже предлагается искусственно повысить уровень шума электромобилей. Разумеется, резкий шум  работающего мощного электродвигателя трудно с чем-то спутать, шум электроприводов  троллейбуса (в основном воздушных  компрессоров и вентиляторов в старых моделях), механических передач (дифференциал и карданная передача), электрокара, поезда метро широко известен, так  что электромобилю необходимо обычное  для транспорта шумоподавление. Да и шум современного автомобиля на небольшой скорости очень мал, в  основном это шум трения колёс  об асфальт, гравий или другое покрытие. Однако при использовании маломощных двигателей, как, например, в трамваях, шум действительно практически  отсутствует и на некоторых выпускаемых электромобилях искусственно повышают уровень шума.

Сравнение с ДВС — преимущества

Отсутствие вредных выхлопов в месте нахождения электромобиля.

Высокая экологичность ввиду отсутствия применения нефтяных топлив, антифризов, трансмиссионных и моторных масел, а также фильтров для этих жидкостей.

Простота техобслуживания, большой межсервисный пробег.

Низкая пожаро- и взрывоопасность при аварии.

Простота конструкции (простота электродвигателя и трансмиссии, отсутствие необходимости в переключении передач) и управления, высокая надёжность и долговечность экипажной части (до 20—25 лет) в сравнении с обычным  автомобилем.

Возможность подзарядки от бытовой  электрической сети (розетки), но такой  способ в 5—10 раз дольше, чем от специального высоковольтного зарядного устройства.

Электромобиль — единственный вариант применения на легковом автотранспорте дешевой (по сравнению с бензином) энергии, вырабатываемой АЭС, ГЭС и  электростанциями других типов.

Массовое применение электромобилей смогло бы помочь в решении проблемы «энергетического пика» за счёт подзарядки аккумуляторов в ночное время.

ТЭД имеют КПД до 90-95 % по сравнению с 22-42 % у ДВС [4].

Меньший шум за счёт меньшего количества движимых частей и механических передач.

Высокая плавность хода с  широким интервалом изменения частоты вращения вала двигателя.

Возможность подзарядки источников энергии во время рекуперативного  торможения.

Возможность торможения самим  электродвигателем (режим электромагнитного  тормоза) без использования механических тормозов — отсутствие трения и  соответственно износа тормозов.

Простая возможность реализации полного привода и торможения путем применения схемы "мотор-колесо".

Сравнение с ДВС — недостатки

Аккумулятор электромобиля

Аккумуляторы за полтора  века эволюции так и не достигли характеристик, позволяющих электромобилю  на равных конкурировать с автомобилем  по запасу хода и стоимости, несмотря на значительное усовершенствование конструкции. Имеющиеся высокоэнергоёмкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения драгоценных или дорогостоящих  металлов (серебро, литий), либо работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрий-серного аккумулятора — более 300 °С). Кроме того, такие аккумуляторы отличаются высоким саморазрядом. Одним из перспективных направлений стала разработка никель-металл-гидридных аккумуляторов с оптимальным соотношением энергоёмкости и себестоимости, перспективными считаются и аккумуляторы на основе полипропилена, однако из-за патентных ограничений[источник не указан 416 дней] на электромобилях применяются свинцово-кислотные АКБ. Впрочем, энергоёмкость таких АКБ увеличилась за XX век в 4 раза (до 40—45 Вт·ч/кг) и они не требуют обслуживания в течение всего срока службы. Значительно повысить отдачу от аккумуляторов позволило применение электронных систем оперативного контроля за состоянием и зарядкой-разрядкой АКБ. Возможно выходом из этой ситуации будет применение топливных элементов, в частности дешевеющих PEM-элементов.

Аккумуляторы хорошо работают при движении электромобиля на постоянных скоростях и при плавных разгонах. При резких стартах тяговые АКБ  теряют много энергии. Для увеличения пробега электромобиля необходимы специальные стартовые системы, например, на конденсаторах, а также  применение систем рекуперации энергии (экономия до 25 %).

Проблемой является производство и утилизация аккумуляторов, которые  часто содержат ядовитые компоненты (например, свинец или литий) и кислоты.

Около 10 % энергии теряется в коробке передач и других элементах трансмиссии. Для решения  этой проблемы компания Mitsubishi Motor разработала колесо с встроенным электродвигателем (мотор-колесо). Система получила название Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle (MIEV). Аналогичное мотор-колесо разработала Toyota. Прототип автомобиля Toyota Fine-T может поворачивать колёса перпендикулярно оси автомобиля, что позволяет значительно упростить парковку. Возможно также решением данной проблемы будет отказ от коробки передач в пользу обычной цилиндрической передачи, как на локомотивах (КПД около 95 %) или простого карданного вала, как на троллейбусах.

Часть энергии аккумуляторов  тратится на охлаждение или обогрев  салона автомобиля, а также питание  прочих бортовых энергопотребителей (например, свет или воздушный компрессор). Предпринимаются усилия, чтобы решить эту проблему с использованием топливных элементов, ионисторов и фотоэлементов.

Для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для  подзарядки аккумуляторов («автозарядные» станции).

При массовом использовании  электромобилей в момент их зарядки  от бытовой сети возрастают перегрузки электрических сетей «последней мили», что чревато снижением  качества энергоснабжения и риском локальных аварий сети.

Длительное время зарядки  аккумуляторов по сравнению с  заправкой топливом.

При использовании в качестве ТЭД двигателя постоянного тока необходимо тщательное обслуживание (в  частности проверка щеток коллектора) из-за «капризности» электродвигателя.

Современное применение

В 2004 году в США эксплуатировалось 55852 электромобиля. Кроме этого в  США эксплуатируется большое  количество самодельных электромобилей. Наборы комплектующих для конвертации автомобиля в электромобиль продаются в магазинах. Минимальная стоимость конвертации составляет $1500.

Мировой лидер по производству электрического транспорта — Китай.

Помимо этого, небольшие  электромобили упрощённой конструкции (электрокары, электропогрузчики и т. д.) широко применяются для перевозки грузов на вокзалах, в цехах и больших магазинах, а также как аттракцион. В данном случае все недостатки в виде малого запаса хода и скорости, высокой собственной стоимости батарей и массы, перекрываются преимуществами: отсутствием вредных выхлопов и шума, что принципиально важно для работы в закрытых людных помещениях. Формально к электромобилям такие машины относить не принято из-за специфичности их применения.

Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей — малый спрос, обусловленный  высокой стоимостью и малым пробегом от одной зарядки [5]. Существует точка  зрения, что широкое распространение  электромобилей сдерживается дефицитом  аккумуляторов и их высокой ценой. Для разрешения этих проблем многие автопроизводители создали совместные предприятия с производителями аккумуляторов. Например, Volkswagen AG создал совместное предприятие с Sanyo Electric, Nissan Motor с NEC Corporation, и т. д.

Новейшие достижения

22-23 мая 2010 года переделанная  на электротягу малолитражка  Daihatsu Mira EV, творение Японского клуба электромобилей, проехала 1003 километра и 184 метра на одном заряде аккумулятора.[6]

24 августа 2010 года электромобиль  «Venturi Jamais Contente» с литий-ионными аккумуляторами на солёном озере в штате Юта установил рекорд скорости 495 км/ч на дистанции 1 км. Во время заезда автомобиль развивал максимальную скорость 515 км/ч[7].

27 октября 2010 года электромобиль  «lekker Mobil» конвертированный из микровэна Audi A2 совершил рекордный пробег на одной зарядке из Мюнхена в Берлин длиной 605 км в условиях реального движения по дорогам общего пользования, при этом были сохранены и действовали все вспомогательные системы, включая отопление. Электромобиль с электродвигателем мощностью 55 кВт был создан фирмой «lekker Energie» на основе литий-полимерного аккумулятора «Kolibri» фирмы «DBM Energy». В аккумуляторе было запасено 115 кВт·ч, что позволило электромобилю проехать весь маршрут со средней скоростью 90 км/ч (максимальная на отдельных участках маршрута составляла 130 км/ч) и сохранить после финиша 18% от первоначального заряда. По данным фирмы DBM Energy электропогрузчик с таким аккумулятором смог непрерывно проработать 32 часа, что в 4 раза больше, чем с обычным аккумулятором. Представитель фирмы «lekker Energie» утверждает, что аккумулятор «Kolibri» способен обеспечить суммарный ресурсный пробег до 500 000 км[8].

29 ноября 2010 года победителем  конкурса Европейский автомобиль  года впервые объявлен электромобиль  модели Nissan Leaf, получивший 257 очков

Электромобили в России

В 1899 русский дворянин Ипполит  Романов создал первый электромобиль  в России (Петербург). Его общая  компоновка была заимствована у английских кэбов, где извозчик располагался на высоких козлах позади пассажиров. Экипаж был 4-колесным, имел передние колеса большего диаметра, чем задние. На первом электромобиле использовался свинцовый  аккумулятор системы Бари, имевший 36 банок (вольтовых столбов). Он требовал подзарядки каждые 60 верст. Суммарная мощность автомобиля составляла 4 л/с. Разработка экипажа была заимствовано у моделей американской фирмы "Моррис-Салом", которая выпускала автомобили с 1898. Впервые в России электромобиль, переоборудованный из обычного автомобиля Корховым Игорем Юрьевичем, получил заключение по допуску к участию в дорожном движении и был зарегистрирован в органах ГИБДД, 30 марта 2007 года, благодаря помощи научного работника, общественного деятеля Юрия Юрьевича Шулипы.

Электробус «Лужок» предназначен для перевозки 30 пассажиров с максимальной скоростью 25 км/ч в парковых и  выставочных зонах городов. Работает на аккумуляторных или конденсаторных батареях питающих двигатель постоянного  тока ДПТ-45 мощностью 45 кВт. При торможении рекуперирует энергию назад в  батареи. На одной зарядке способен проехать 15 км[10].

Электромобиль ГАЗ 330 21Е «Газель-Электро» предназначен для перевозки грузов в городе. При максимальной скорости в 75 км/ч и грузоподъемности в 1000 кг способен без подзарядки проехать 20 км. Работает на аккумуляторной или конденсаторной батарее. В качестве двигателя используется ДПТ-45 или асинхронный АЧТ 160 М4[10].