Двигатели для электромобиля: как устроены и принцип их работы
С каждым днём электромобили приобретают всё большую популярность у автолюбителей, а рынок электрокаров непрерывно растёт. Крупнейшие автопроизводители могут предложить марки и модели электромобилей на любой вкус и бюджет. Гибридные, плагин-гибридные, чистые электромобили — всех объединяет наличие электрического двигателя. Об устройстве данного механизма и принципе его действия и пойдёт речь в статье.
- Как устроен электромобиль
- Видео: как работает электромобиль?
- Видео: принцип работы асинхронного тягового двигателя
- Двигатели постоянного тока
- Видео: устройство и принцип работы двигателя постоянного тока
- Синхронный двигатель
- Асинхронный двигатель
- Видео: принцип работы асинхронного электродвигателя
Как устроен электромобиль
Невооружённым взглядом отличить электрокар от привычного автомобиля практически невозможно: колёса, кузов, шасси, мотор и различное электрооборудование (подогрев, свет и другие элементы, зависит от конструкции). Основное отличие — «сердце» электромобиля работает за счёт электрического тока, а в кузове находится отсек для аккумуляторной батареи.
На приборной панели электрокара отображается скорость, уровень заряда аккумулятора и число оборотов двигателя в минуту. Коробка передач как таковая отсутствует, ведь скорость движения регулируется нажатием педали газа.
Знаете ли вы? Первый электромобиль был создан в 1841 году и выглядел как тележка с электромотором.
Мотор электромобиля кардинально отличается от двигателя внутреннего сгорания. В нём нет камер сгорания, коленчатого вала и поршней. Электромотор состоит из неподвижного статора, по которому пропускается ток, и ротора. Ротор представляет собой набор электропроводящих стержней.
Трансмиссия в электромобиле представлена двумя элементами: односкоростной коробкой передач, которая передаёт производимую двигателем мощность на ведущие колёса, и простым дифференциалом. Единственное назначение коробки передач в электромобиле — это снижение скорости вращения и связанное с этим увеличение крутящего момента. В некоторых моделях электромобилей коробка передач отсутствует, её функции выполняет понижающий редуктор. Переход к задней передаче осуществляется благодаря изменению чередования фаз в двигателе.
Аккумуляторная батарея представляет собой набор литий-ионных элементов, объединённых в блоки, которые соединены параллельно, чтобы обеспечить необходимую для запуска электромобиля мощность. Использование гликолевого хладагента, который проходит по металлическим трубкам через зазоры между элементами аккумулятора, позволяет равномерно распределить температуру и избежать точек перегрева. Нагретый гликоль охлаждается через радиатор, установленный в передней части двигателя.
Электронная система управления электрокаром используется для распределения высокого напряжения, контроля расхода электроэнергии и исправности тормозной системы. Важным элементом системы является контроллер, который передаёт необходимое количество тока от батареи к мотору. Ещё одной важной деталью электромобиля является инвертор, который преобразует постоянный ток, вырабатываемый аккумулятором, в переменный. Инвертор также регулирует частоту переменного тока, следовательно, и скорость движка.
Электрический автомобиль имеет множество преимуществ перед авто с двигателем внутреннего сгорания:
- экологичность, т. к. при работе электродвигателя выброс вредных веществ в атмосферу существенно снижается;
- экономия на заправке — стоимость электричества значительно ниже, чем стоимость автомобильного топлива;
- мотор работает гораздо тише, что делает езду в авто более комфортной;
- экономия на сервисном обслуживании, т. к. электромобиль имеет меньшее количество подвижных деталей, требующих ремонта или замены;
- безопасность, что объясняется наличием электронной системы управления.
Важно! Выбирайте электромобиль, модель которого выпущена не менее двух лет назад. За этот период недостатки данного модельного ряда успеют проявиться.
Среди недостатков данного вида транспорта можно выделить как высокую стоимость и относительно небольшой модельный ряд в настоящее время, так и ограниченность сети заправочных станций. К тому же, электромобиль нуждается в частой и длительной подзарядке, что может быть проблемно при путешествиях на большие расстояния.
Безусловно, электромобиль признают транспортом будущего, компании-производители постоянно совершенствуют технические характеристики электрокаров, а сервис становится более доступным.
Видео: как работает электромобиль?
Тяговый двигатель и принцип его работы
Такие приспособления активно используются на электропоездах, троллейбусах, трамваях и автомобилях с электроприводом. Данный агрегат представляет собой механизм, преобразующий электрическую энергию в механическую, что, в свою очередь, приводит машину в движение. Также тяговый двигатель может выступать в роли генератора, преобразовывая энергию уже движущихся колёс обратно в электрическую.
Знаете ли вы? Первый автомобиль в космосе — электрический! В 2018 году компанией SpaceX была запущена ракета-носитель Falcon, на борту которой находился электромобиль Tesla Roadster с манекеном за рулём и копией романа Адамса Дугласа «Автостопом по галактике» в бардачке.
Моторы электромобилей работают по такому же принципу. Говоря точнее, работа электродвигателя основана на принципе электромагнитной индукции: электрический ток подаётся на статор, проходя по обмоткам, он создаёт вращающееся магнитное поле, что индуцирует ток в стержнях ротора и заставляет его вращаться.
Видео: принцип работы асинхронного тягового двигателя
Отличия по типу тока
Существует несколько разновидностей электродвигателей: они могут питаться от постоянного, пульсирующего или переменного тока. Во всех случаях их работа основана на явлении электромагнитной индукции. Отличие состоит в конструкции таких механизмов и способе питания привода.
Двигатели постоянного тока
Во всех электродвигателях такого типа присутствуют якорь (вращающийся элемент) и индуктор (неподвижная часть), которые разделены воздушным пространством. Индуктор состоит из станины, которая является элементом магнитной цепи, а также главных и добавочных полюсов.
На них располагаются обмотки, необходимые для создания магнитного поля устройства. Индуктор двигателя постоянного тока создаёт неподвижное магнитное поле. Якорь состоит из магнитной системы и коллектора, где с помощью щёток образуется электрический ток.
Коллекторный электродвигатель имеет свои недостатки:
- повышенный уровень шума при работе;
- необходимость замены деталей (трущиеся щётки и коллектор);
- помехи из-за искрения щёток и переключения обмоток якоря.
Электродвигатель постоянного тока имеет более высокий коэффициент полезного действия, а также имеет возможность более точно регулировать обороты, что отражается на стоимости такого устройства.
Видео: устройство и принцип работы двигателя постоянного тока
Двигатели пульсирующего тока
Такие электромоторы по своей конструкции схожи с двигателями постоянного тока. Различие между ними в том, что данный тип мотора имеет в своей конструкции дополнительную компенсационную обмотку и шихтованные полюса. Применяются двигатели пульсирующего тока в электровозах, где питаются выпрямленным переменным током.
Рекомендуем для прочтения:
- Крутящий момент двигателя: что дает, какой должен быть и как повысить
- Принцип работы роторного двигателя внутреннего сгорания
- Атмосферный двигатель: принцип работы, плюсы и минусы
- MPI двигатель — что это такое?
Двигатели переменного тока
Электрические моторы такого вида могут питаться одно-, двух- или трёхфазным током. Трехфазные, в свою очередь, делятся на синхронные и асинхронные.
Внешне они практически идентичны, статоры имеют одинаковую конструкцию и выполняют одну и ту же функцию — создают вращающееся магнитное поле. Отличие состоит в работе роторов. Несомненным преимуществом двигателей переменного тока является рекуперация, т. е. способность генерировать энергию в процессе торможения электромобиля и сохранение её в аккумуляторе.
Важно! Оптимальная температура для электромобиля составляет +21°С. Резкое потепление или похолодание негативно скажется на работе батареи: использование печки или кондиционера может сократить заряд аккумулятора.
В агрегатах такого типа ротор и магнитное поле статора движутся с одинаковой скоростью. Синхронные двигатели мощностью в сотни киловатт имеют на роторе дополнительные обмотки возбуждения. В электродвигателях меньшей мощности полюса образуются постоянными магнитами. Подобные устройства используют там, где необходима постоянная частота вращения, независимо от нагрузки. Такие моторы способны генерировать реактивную мощность.
В большинстве современных электромобилей используется асинхронный, или индукционный двигатель. Отличием такого электромотора является то, что скорость вращения ротора в нём меньше скорости вращения электромагнитного поля.
Скорость такого мотора зависит от частоты переменного тока, т. е. изменив частоту тока, можно изменить скорость вращения ведущих колёс, что позволяет легко контролировать скорость электромобиля. Скорость вращения электродвигателя может составить от 0 до 18 000 оборотов в минуту.
Видео: принцип работы асинхронного электродвигателя
Самые популярные электродвигатели
Каждый вид электромоторов имеет свои особенности и области применения. В бытовой технике наиболее распространены коллекторные двигатели (стиральная машина, пылесос, дрель). В промышленности большой популярностью пользуются асинхронные электродвигатели из-за надёжности, неприхотливости в обслуживании и невысокой стоимости.
Асинхронный двигатель в быту можно встретить в холодильнике, электрическом насосе и вытяжном вентиляторе. Синхронные двигатели с постоянными магнитами также встречаются довольно часто: в вентиляторе кулера, авиастроении, стиральных машинах с прямым приводом, сегвеях. В электромобилях чаще всего встречаются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, что обосновывается их компактностью, долговечностью, высокой производительностью и простотой использования.
Таким образом, автомобили с электромоторами стали достойной альтернативой авто с ДВС. Среди преимуществ электродвигателя — больше скорости и динамики, больше крутящего момента, меньше финансовых затрат и отравляющих выхлопов. С каждой новой моделью все системы электромобиля улучшаются, повышается безопасность и комфортность передвижения.
Устройство двигателя электромобиля
Электродвигатель – устройство, которое занимается преобразованием электроэнергии в механическую. Он работает, используя принцип электромагнитной индукции.В последнее время он все сильнее популяризируется на автомобильном рынке в качестве перспективного направления развития автопромышленности. Поэтому есть смысл подробнее ознакомиться с устройством электромобиля, его двигателя, за которым может быть будущее отрасли.
Принцип работы и устройство
Электродвигатель включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.
Благодаря развитию технологии электродвигатели нашли применение в разных отраслях, например, автомобилестроении. Причем они способны использоваться либо отдельно, либо совместно с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Последний вариант – гибридные авто.
От электродвигателей, применяемых на производствах, агрегат для авто отличается малыми габаритами, но повышенной мощностью. К тому же современные разработки все больше отдаляют двигатели для автомобилей от иных подобных устройств. Характеристиками электромобилей являются не только показатели мощности, крутящего момента, но и частота вращения, ток и напряжение. Поскольку от этих данных зависит передвижение и обслуживание авто.
Чтобы лучше разобраться в многообразии, которое нам дарит авторынок, стоит рассмотреть существующие виды электродвигателей для электромобилей.
Их можно условно классифицировать по типу тока:
- устройства переменного тока;
- конструкции постоянного тока;
- решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока).
Электродвигатели переменного тока делятся на группы:
- асинхронные – скорость вращения магнитного поля статора выше скорости вращения ротора;
- синхронные – частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадают.
С учетом используемого количества фаз, электрические устройства разделяют на: одно-, двух-, трехфазные.
Если привести реальные образцы, используемые известными автопроизводителями, то хороший пример применения трехфазного агрегата асинхронного типа – Volt от Chevrolet. Он является гибридным автомобилем. Пример трехфазного синхронного двигателя — i-MiEV от Mitsubishi. А этот автомобиль является исключительно электрическим.
Силовая установка Chevrolet Volt
Следует отметить, что у разных производителей разные двигатели, отличающиеся массой, мощностью, габаритами и прочими параметрами.
Есть еще одна классификация – по конструкции щеточно-коллекторного узла. Такие агрегаты бывают:
- Бесколлекторными. Представляют собой замкнутую систему, в которую входят: преобразователь координат, инвертор и извещатель положения.
- Коллекторными. Щеточно-коллекторный узел играет роль в такой конструкции одновременно и извещателя положения ротора, и переключателя тока в обмотках. В основном используется ток постоянной частоты.
В конструкциях электромобилей зачастую задействуются коллекторные моторы, хотя есть примеры и с иными моделями. Как вариант — автомобиль «Санрейсер», в котором установлен как раз бесколлекторный двигатель от компании General Motors. При массе 3,6 кг его КПД составляет 92%.
Нельзя не отметить еще один тип двигателя, который используется в некоторых современных моделях авто. Это система мотор-колесо. Пример — спорт-кар Volage. В такой конструкции предусмотрена возможность регенерации энергии торможения. Для этого используется тяговый двигатель Active Wheel. Он весит всего 7 кг, что позволяет добиться приемлемой массы колеса – 11 кг.
Самой распространенной сегодня конструкцией является решение с питанием от аккумуляторной батареи. Она нуждается в регулярной зарядке, способной реализоваться за счет внешних источников, генератора в конструкции и рекуперации энергии торможения. Генератор действует от ДВС, поэтому такая схема работы уже не относится к чисто электрическим. Подобные машины называют гибридными.
Преимущества и недостатки электродвигателей
Выделим достоинства электрических агрегатов:
- высокий коэффициент полезного действия – до 95 процентов;
- компактность, малый вес;
- простота использования;
- экологичность;
- долговечность;
- создается максимальный показатель крутящего момента на любой отметке скорости;
- воздушное охлаждение;
- способны функционировать в режиме генератора;
- не нужна коробка передач;
- возможность рекуперации энергии торможения.
В качестве примера удачной разработки модели с высокими характеристиками можно привести мотор от Yasa Motors. Инженеры компании создали агрегат, который при весе 25 кг способен выдавать до 650 Нм крутящего момента.
Электродвигатель Yasa Motors
Что касается недостатков непосредственно электродвигателя, то их нет. Больше вопросов вызывает питание агрегата, что, собственно, и тормозит распространение, широкое использование технологии. Поэтому на данный момент большей популярностью пользуются гибридные авто, нежели электромобили. Благодаря такой схеме увеличивается запас хода, позволительно использовать менее мощные и дорогостоящие аккумуляторные батареи.
Устройство электромобиля
Если сравнивать электромобиль с авто, где используется ДВС, он характеризуется более простой схемой, минимальным числом движущихся элементов. Следовательно, такое решение является более надежным.
Главные составляющие электромобиля:
- непосредственно электродвигатель;
- питающая аккумуляторная батарея разной емкости, которая связана с мощностью мотора;
- упрощенная трансмиссия;
- инвертор;
- зарядное устройство на борту;
- электронная система управления элементами конструкции;
- преобразователь.
Питание мотора в этой схеме организовывает, конечно же, тяговая аккумуляторная батарея. Зачастую задействуется литий-ионный тип, включающий в себя несколько модулей, подключенных последовательно. На выходе аккумулятора формируется напряжение от 300 (В) постоянного тока. Это значение определяется моделью авто. Современные образцы способны создавать и 700 В. Пример – автомобили Lola-Drayson, разработанные для гонок. Они оснащаются батареями напряжением 700 (В) и емкостью 60 кВт⋅ч.
Для корректного взаимодействия емкость батареи подбирается с учетом мощности двигателя. Этот показатель в подавляющем большинстве конструкций составляет от 15 до 200 (кВт). Если сравнить электрический двигатель с ДВС, то у первого КПД составляет 95%, а у другого – 25%. Разница существенна.
Имеются примеры в автомобилестроении, когда в конструкции используется несколько агрегатов. Они могут приводить в движение определенные колеса. Такой принцип организации позволяет увеличить тяговую мощность авто. Двигатель, интегрированный в колесо, имеет массу преимуществ, однако такое устройство тягового электродвигателя характеризуется ухудшенной управляемостью транспортного средства. Поэтому разработчики продолжают вести активную деятельность в этом направлении.
Электродвигатель с редуктором (вид снизу)
Что касается трансмиссии, то у электромобиля она имеет упрощенный вид. Многие конструкции оснащены одноступенчатым редуктором. Благодаря инвертору происходит преобразование высокого напряжения постоянного тока батареи. За счет наличия в конструкции бортового зарядного устройства гарантируется зарядка аккумулятора от электросети бытового назначения.
Обеспечением зарядки дополнительной батареи на 12 (В) занимается преобразователь. Эта батарея задействуется в качестве питающего элемента различных устройств транспортного средства:
- аудиосистемы;
- климат-контроля;
- освещения;
- отопительной системы;
- прочих элементов.
Система управления организовывает такие процессы:
- мониторинг используемой энергии;
- управление рекуперацией энергии торможения;
- оценка уровня заряда;
- управление динамикой движения;
- обеспечение необходимого режима перемещения транспортного средства;
- регулировка тяги;
- управление напряжением.
Система объединяет блок управления, датчики и прочие элементы других систем авто. Благодаря датчикам оценивается уровень давления в тормозной системе, разряда батареи, а также положение селектора переключения передач, тормозной педали и педали газа. По данным этих устройств обеспечивается оптимальное перемещение электромобиля с учетом текущих условий. На панели приборов традиционно отображаются основные показатели функционирования транспортного средства.
панель приборов Tesla
Внешне электромобиль не имеет отличий от традиционного автомобиля с ДВС, однако основные расхождения находятся в области эксплуатации: высокая стоимость, необходимость длительной зарядки, ограниченный ход. Поэтому устройство электромобиля имеет определенные расхождения с составом традиционного транспортного средства.
Высокая стоимость авто формируется в основном из-за цены на аккумуляторы, которые еще и имеют небольшой срок службы – до 7 лет. Это вынуждает специалистов искать новые решения для совершенствования технологии: литий — полимерные батареи, суперконденсаторы, топливные составляющие и прочие.
Затраты на содержание электромобиля зачастую ниже, чем авто с ДВС, особенно в тех государствах, где стоимость электроэнергии низкая.
Слабым местом электромобиля является также невысокий уровень автономного функционирования, вызванный коротким километражем без подзарядки. Этот параметр определяется многими факторами:
- стилем вождения;
- условиями и скоростью передвижения;
- емкостью используемых аккумуляторов;
- уровнем использования дополнительного оборудования.
К примеру, при скорости 80 км/ч средний показатель дальности передвижения электрического транспортного средства составит около 140 км. Если же повысить скорость до 120 км/ч, этот показатель резко упадет до 80 км. Благодаря внедрению систем рекуперативного торможения степень автономности может повышаться до показателя в 300 км и более.
Как отмечалось, зарядка аккумулятора требует много времени, поэтому этот недостаток решается несколькими подходами:
- замена батареи на заряженную (услугу могут предоставлять на специальных станциях);
- ускоренная зарядка – за полчаса может зарядиться 80% емкости аккумулятора;
- нормальный режим – продолжительность зарядки может составить 8 часов.
Устройство и особенности гибридных систем
Применение гибридных автомобилей не только имеет свои преимущества, например, экологические, но и преследует определенные цели действующих игроков автомобильного рынка. Компании намерены сохранить налаженное конвейерное производство двигателей внутреннего сгорания. А постоянное ужесточение норм выброса вредных веществ – лишнее тому подтверждение.
По сути, гибридные системы подразумевают использование электродвигателя как дополнительного элемента, который способствует повышению мощности и экономии топлива. Ведь все подобные машины начинают движение именно благодаря ДВС.
Гибридные системы условно можно разделить на подвиды:
- Интегрированное содействие мотору.
- Интегрированный генератор стартера. Система, как и предыдущая, позволяет начинать движение машине, только в этом случае используется меньший электродвигатель.
- Система остановки/старта двигателя. Происходит отключение мотора, когда его мощность не используется, а затем он запускается моментально, как только это необходимо.
Различают также три вида «гибридов»:
- Параллельный. В этом случае батареи передают энергию электродвигателю, а бак – топливо для ДВС. Оба агрегата способны создать условия для перемещения транспортного средства.
- Последовательный. ДВС поворачивает генератор, который может или завести электродвигатель, или зарядить аккумуляторы.
- Последовательно-параллельная. ДВС, электродвигатель и генератор соединены с колёсами через планетарный редуктор.
Большинство существующих сейчас гибридных автомобилей относятся к параллельным. Хорошим решением является транспортное средство с подзарядкой. Оно открывает новые эксплуатационные возможности, нивелируя недостаток ограниченности пробега. При исчерпании заряда аккумулятора в работу вступает ДВС малой мощности.
Гибридная система существенно снижает уровень выводимых газов и увеличивает продуктивность расхода топлива, что особо актуально в условиях крупного населенного пункта. А рекуперативная система аккумулирует энергию.
Управление гибридным транспортным средством похоже на управление обычным автомобилем с автоматической коробкой передач. Только в этом случае обеспечивается низкий уровень шума, лучшая управляемость и повышенная мощность. При этом не нужно специально подзаряжать аккумуляторную батарею, это происходит при работе автомобиля.
Перспективы применения электродвигателей в автомобилях
Судя по текущим тенденциям, мировые лидеры автомобильной промышленности, политики и другие влиятельные лица всерьез взялись за то, чтобы развивать отрасль производства электрических автомобилей. Это видно по регулярно внедряемым нормам, которые постоянно повышают планку по выбросу максимального уровня вредных газов в атмосферу, и по мощной рекламной кампании, которая развернулась в медиапространстве в поддержку такого типа транспортных средств. В развитых странах с каждым годом растет количество заправочных станций, обеспечивающих зарядку электромобилей.
Поэтому открываются большие возможности инженерам для развития отрасли. И для этого есть два основных направления – адаптировать серийные автотранспортные средства или вести разработку новых моделей. Конечно, менее затратным мероприятием является усовершенствование существующих моделей.
Как раз европейские специалисты и занимаются улучшением нынешних гибридных двигателей, в то время как японские компании занялись совершенствованием обычного двигателя. Им удалось увеличить степень сжатия. При этом состав топлива остался неизменным.
В свою очередь, немецкие разработчики установили небывалый рекорд. Созданному электромобилю удалось проехать без подзарядки целых 600 км. Для автомобилей с ДВС это не показатель, однако электромобили могут похвастаться теперь и такими возможностями.
Дело в том, что даже Tesla, ведущий участник рынка, ещё не создал легкий аккумулятор, который смог вытянуть это расстояние. А в этом случае разработчикам удалось достичь показателя в 600 км.
Автомобиль проехал расстояние между двумя немецкими городами – Мюнхеном и Берлином. Его средняя скорость передвижения по трассе составила около 90 км/ч. Установление подобного рекорда стало возможным благодаря плодотворной работе предприятия DBM Energy, которое в тесном сотрудничестве с Lekker Energie создало такое решение.
В электромобиле была установлена аккумуляторная батарея емкостью 115 кВт/ч. Благодаря этому транспортное средство способно увеличивать мощность до 55 кВт, что отвечает приблизительно объему 1,4 Л для бензинового двигателя. Эффективность такой батареи доказывает установка в погрузчик, который способен увеличить время своей работы в четыре раза, если сравнивать действия с обычным аккумулятором. Именно этот емкостный агрегат был установлен на немецкий автомобиль Audi A2.
Может сложиться впечатление, что автомобиль «пустой», однако это не так. Организаторы эксперимента оснастили его всем необходимым: кондиционером, усилителем руля, аудиосистемами, системами безопасности и даже подогревом сидений. Поэтому потребление энергии, кроме перемещения, требовалось для выполнения и других функций.
Как стало известно, подобная технология находится на рассмотрении министерства экономики Германии, поэтому вполне возможно, что уже в скором времени эта отрасль получит новый толчок. Уже есть планы, по которым к 2020 году правительство страны намеревается достичь показателя в один миллион электрических автомобилей на европейских дорогах. Причем это не только транспортные средства личного пользования, но и другого назначения.
К тому же один из менеджеров компании Lekker Energie сообщил, что используемый аккумулятор на автомобиле А2 способен обеспечить общий пробег на уровне 500 тысяч километров.
Есть и еще один рекорд в этом направлении, поставленный Japan Electric Vehicle Club. Однако он касается чистого эксперимента. Это значит, что для повседневного использования такой электрокар не приспособлен. В результате японцам удалось побить рекорд – 1 тыс. км без подзарядки.
Какие бы разработки не велись в этой области, они сводятся к тому, что их должны поддержать гиганты автомобильной промышленности. Только им под силу внедрить достойное новшество, распространяя его по всему миру, создавая необходимую инфраструктуру, сервис и прочие необходимые средства. Все это требует больших затрат, поэтому предложенная идея может быть воплощена в жизнь, если расчеты по ее реализации дадут действительно существенную прибыль и установят новую планку стандартов на мировом рынке.
Тем не менее, учитывая текущее положение вещей, вряд ли стоит предполагать, что уже очень быстро электромобили займут свою большую нишу в автомобилестроении. И важный фактор, притормаживающий прогресс — психология человека. Очень непросто переубедить автомобилистов пересесть с бензиновых и дизельных автомобилей на электрические. Это особенно сложно сделать тем, кто занимается автогонками или является любителем динамичной езды.
Электромобиль Tesla Model S
Но тенденция к изменению отношения к такому явлению, как электрокар, уже проявляется. Сегодня все больше подобных автомобилей можно встретить на дорогах не только Европы, но и России. Пусть их еще немного, но их дополняют бесплатные зарядные станции в некоторых странах, позволяющие перемещаться на большие расстояния. Поэтому электрический транспорт постепенно становится естественным участником дорожного движения, закладывая фундамент новой эры машиностроения.
Электромобиль своими руками: как, зачем и сколько это стоит
Сегодня электротранспорт подается маркетологами, как носитель самых прогрессивных технологий в автомобилестроении. И многие уверены, что электромобиль может быть либо дорогим, как Nissan Leaf или Mitsubishi i-MiEV, либо очень дорогим – как Tesla. Однако члены дружного сообщества электромобилистов-самодельщиков знают, что это не так! В простейшем рукотворном варианте «машина на батарейках» значительно дешевле своих промышленных аналогов и не требует инновационных технологий и материалов. Поэтому немало элементарных электромобилей ездит рядом с нами по дорогам под личиной обычных бензиновых моделей – просто мы об этом не знаем!
«Электромобиль версии 1.0» – машина базового уровня, сделать которую может за полгода в гараже фактически любой рукастый мужик, умеющий ремонтировать автомобиль и обладающий начальными знаниями в электротехнике. Цель этой статьи, конечно же, не вручить читателю четкую инструкцию по применению, а дать, как сегодня модно говорить, «дорожную карту» понимания того, что электромобиль – это просто! Рассказал «Колесам» об этом один из самых авторитетных российских электромобилистов-самодельщиков Игорь Корхов, администратор крупнейшего тематического форума electrotransport.ru, успешно строивший законченные конструкции собственных электромобилей, а в данный момент ездящий на модернизированой Lada Ellada.
Кузов
Из чего состоит электромобиль начального уровня, который несложно построить на гаражном «стапеле»? Кузов от машины-донора с рулевым управлением, подвеской, трансмиссией и тормозами, электродвигатель постоянного тока, агрегатированный со штатной ручной КПП, пакет батарей с контроллером, педаль акселератора, от которой контроллер получает сигнал и ряд вспомогательных узлов, которые можно даже привносить в конструкцию не сразу, а позже – после первых пробных выездов, коих с таким нетерпением ждет душа гаражного инженера…
В качестве кузовного донора, как правило, берут переднеприводную машину, чтобы не терять энергию на трение в крестовинах кардана и гипоидной передаче заднего моста. Стараются найти машинку полегче, в идеале до 600–700 килограммов, хотя это не всегда удается – большинство авто избыточно тяжелы с точки зрения постройки электромобиля. В свое время весьма популярна среди гаражных электромобильщиков была Таврия – кузов легкий и отменная «катучесть» – на ровной дороге можно было буквально пальцем толкать! Но Таврии почти все, увы, сгнили уже. Популярны Golf-ы первого–второго поколения, Daihatsu Mira и тому подобные небольшие машинки. «Катучесть» стараются увеличивать за счет особых шин – так называемых «зеленых»: узких и допускающих давление 2,7 и более атмосфер для устранения потерь на деформацию резины.
Двигатель
Я видел, как на машине со снятым двигателем к первичному валу ручной КПП подключали мощный шуруповерт, выводили в салон управление его кнопкой включения и фактически получали за полчаса электромобиль! Да, курьезный, да, едущий не быстрее пяти километров в час, но, в сущности, неплохо демонстрирующий простоту и работоспособность конструкции «варианта 1.0»! Все это, разумеется, из области «механики шутят», но принцип, в общем, сохраняется.
Самыми распространенными двигателями для самоделок начального уровня были и по-прежнему являются тяговые моторы ДС-3.6 от болгарских вилочных складских электропогрузчиков типа «Балканкар EB-687». Это двигатели последовательного возбуждения, питающиеся постоянным током с напряжением 80 вольт, мощностью 3,6 киловатта. Выглядит такой мотор, как цилиндрический бочонок, весит 66 килограммов. Это далеко не самый лучший по характеристикам массы и экономичности мотор, но он легкодоступен и популярен у начинающих конструкторов электромобилей. Приобрести такой «движок» можно в меру своего везения – кому-то он перепадет за спасибо, кто-то найдет за 5–10 тысяч рублей. В принципе, такая стоимость оправдана – мотор не скоростной, но имеет великолепный крутящий момент, вытягивает на любую горку даже на третьей передаче, прост в монтаже, неприхотлив.
Трансмиссия
В «Варианте 1.0» не встретишь мотор-колес и прочих прогрессивных электромобильных «нанотехнологий». Делается, как проще, а проще всего срастить электродвигатель с уже существующей на автомобиле-доноре трансмиссией – ручной КПП с главной передачей и дифференциалом, через ШРУСы переднего привода со ступицами и передними колесами. — Собственно, корзина и диск сцепления, его привод (гидравлический или тросовый), да и сама левая педаль удаляются – это лишний вес, и они нам больше не нужны. – рассказывает Игорь Юрьевич, — Переключать скорости мы, правда, все же будем – но редко и без разъединения валов мотора и КПП – просто втыкая передачи рукояткой коробки. Включается нужная передача без сцепления совершенно спокойно как перед началом движения, так и на ходу: бросаешь газ, подводишь рукоятку КПП, синхронизаторы срабатывают – и едем дальше.
Третью передачу используем для езды по городу, четвертую – по загородной трассе, вторую – по буеракам. Первая вообще никогда не используется, момент на колесах такой, что их просто прокручивает при легком касании акселератора!
Чтобы установить электромотор под капот, нужны две основные «хендмейд»-детали: переходная плита и переходная втулка, с помощью которых электродвигатель соединяется с «родной» ручной коробкой передач автомобиля. Плита соединяет электромотор и КПП, а втулка – вал мотора и первичный вал КПП.
Плита легко делается своими руками из толстолистовой стали или алюминия – достаточно наличия слесарных навыков среднего уровня, болгарки и дрели.
Переходную втулку, соединяющую валы электромотора и КПП, также сделать несложно с помощью дяди Васи-токаря и сварки – с одной стороны втулка должна совмещаться с валом электродвигателя, а с другой к ней приваривается шлицевая часть, вырезанная из диска сцепления той коробки, с которой мы соединяем электромотор.
Батарея
Батарея для электроавто — только литий-железо-фосфат, иных вариантов нет! Про стартерные свинцовые батареи, кажущиеся привлекательными для начала, «на попробовать», забудьте сразу и навсегда – они категорически непригодны, просто деньги на ветер. Несколько зарядок-разрядок – и аккумуляторы отправятся в пункт приема цветмета! Тяговые свинцовые батареи тоже долго не живут, поскольку при их массе емкость всегда будет недостаточной, а это означает избыточно большой потребляемый ток в расчете на одну батарею. При таких токах не держится и тяговый свинец. Так что исключительно «лиферы», хотя это и недешево.
В свое время через свинец многие проходили – и я в том числе. Сейчас такие ошибки повторять никакого смысла нет. Стартерные батареи у меня начали помирать через пару месяцев, еле успел распродать за полцены, пока не потеряли емкость. Потом одно время использовал герметичные батареи от питания телекоммуникационных систем (источники бесперебойного питания сотовых вышек) – хватало на сезон, начинало расти внутреннее сопротивление… Поэтому, как только появился широкодоступный литий-феррум, все перешли на него. Лучшая удельная плотность энергии, умение отдавать и принимать большие токи, долговечность, морозостойкость. Но цены пока высоки, и батарея является самым дорогим узлом электромобиля – это нужно учитывать самодельщику…
Упрощенный расчет параметров и стоимости батареи выглядит так: предположим, что нам надо набрать 100-вольтовую батарею – на такое напряжение рассчитано довольно много моторов. Напряжение одной «лифер-банки»–- 3,3 вольта: значит, нам нужно соединить последовательно 30 банок. Но второй важный параметр батареи – емкость. Поскольку «банки» одинаковые, емкость одной = емкость всей батареи. «Банка» хорошего качества стоит примерно 1,5 доллара за 1 ампер-час, а 30-амперчасовая батарейка начального уровня обеспечит машине весом до тонны 25–30 километров запаса хода.
Считаем:
30 ампер-часов х $1,5 = $45 за одну банку $45 х 30 банок = $1350 $ за всю батарею
В общем, батарея небюджетна, и это лишь емкость, пригодная для первых экспериментов – по-хорошему, её нужно увеличивать хотя бы вдвое.
Заряжают аккумуляторы электромобиля чаще всего полусамодельными зарядными устройствами, сделанными на основе дешевых списанных блоков питания, насыщавших резервные аккумуляторы на базовых станциях сотовой связи – там они работают совместно с 48-вольтовыми свинцовыми батареями. Таких блоков нужно две штуки – их соединяют последовательно, внутренняя регулировка позволяет поднять напряжение каждого до 64 вольт и зарядить батареи для большинства распространенных электромоторов, используемых EV-самодельщиками.
К слову, штатный 12-вольтовый аккумулятор, как правило, остается на своем месте – от него удобно питать разные штатные же потребители – звуковой сигнал, стеклоочистители, стеклоподъемники, «музыку», свет и т. п. Позже, в качестве одного из первых апгрейдов, его можно заменить на DC/DC конвертер ватт на триста, делающий 12 вольт из 100.
Прочие узлы
Собственно, помимо мотора, трансмиссии и батареи в простейшем электромобиле имеется еще ряд узлов – как необходимых, так и устанавливаемых по желанию. Категорически необходимым является, конечно же, контроллер управления двигателем. В простейшем варианте он может быть изготовлен самостоятельно на относительно недорогих и широко распространенных деталях, а датчиком педали газа послужит датчик угла поворота дроссельной заслонки от инжекторного ВАЗа. Можно купить контроллер у отечественных самодельщиков, выписать фабричный из Китая или заказать с eBay бэушный брендовый блок от Curtis – обойдется модуль в 250–300$.
Дополнительных узлов, которые не являются обязательными для пробной (а то и вообще!) поездки – немало. Например, печка, из которой выкидывается жидкостный радиатор и устанавливается вместо него электрический ТЭН. Или, скажем, вакуумный насос для усилителя тормозов. Поскольку двигатель внутреннего сгорания на машине отсутствует, исчезает и разрежение впускного коллектора, необходимое для работы вакуумного усилителя тормозов. Поэтому многие самодельщики ставят электрические вспомогательные насосы ВУТ, заимствованные от машин типа Volvo XC90, Ford Kuga и т. п.
Впрочем, все зависит от проекта – на легком электромобиле даже апгрейд тормозов делают далеко не все, поскольку роль «вакуумника» отчасти выполняет рекуперативное торможение двигателем, да и немало машин с завода не имели вакуумного усилителя в принципе, вполне неплохо тормозя. Без него, к примеру, производились не только небезызвестный ВАЗ-«копейка», но и Таврия, Ока в некоторые годы и так далее.
Цены и деньги
Машина-донор, электромотор, контроллер – все это гибко варьируется и здесь можно «кроить» в меру хитрости и желаний. Можно купить автомобиль-донор тысяч за 100–150 в приличном состоянии по кузову, можно тысяч за 50 – но с необходимостью жестянки, сварки, малярки. Можно купить электродвигатель от престарелого болгарского погрузчика, а можно подержанный или новый американский мотор, спроектированный специально для электромобилей. Можно приобрести промышленный контроллер управления тягой двигателя, а можно спаять и самому, если есть навыки. То же самое касается и всего остального, кроме батареи. Тут особенно «скроить» ничего не удастся: цены на новые литий-феррум банки везде приблизительно одинаковые, вопрос в емкости. Хорошая 80–100-вольтовая батарея на приблизительно сто километров пробега обойдется по сегодняшним деньгам в 4–5 тысяч долларов. Можно, конечно, начать с малоемкого аккумулятора с перспективой наращивания (ведь даже короткая первая поездка воодушевляет и дает понимание, что трудишься не зря!), но надо понимать, что маленькую емкость нужно как можно скорее увеличивать, поскольку её недостаток ведет к повышению тока отдачи от каждой отдельной банки вплоть до опасных ударных величин, укорачивающих им жизнь… Пока будешь рассусоливать с покупкой второй половины, умрет первая.
Так выгодно ли строить электромобиль? Даже опытный самодельщик и фактически гуру гаражного EV-строения Игорь Корхов считает, что на первом месте тут все же хобби, а «обмануть систему» можно лишь весьма условно — это будет граничить с самообманом. Дело в том, что конечный результат нельзя оценивать чисто по стоимости пройденного километра, как многим кажется – приходится брать в расчет и комфорт, и функциональность, и безопасность машины, и просто ощущение от того, чем владеешь. Вот, допустим, новая бензиновая Лада Гранта — стоит она от 360 тыс. рублей, что приблизительно равняется 5 500 $. Самый бюджетный электромобиль на базе какого-нибудь VW Golf ранних поколений обойдется в столько же по комплектующим – плюс время, просиженное на тематических форумах, и вложенный собственный труд. В результате на одной чаше весов – пусть и отечественный, но пахнущий новизной и беспроблемный автомобиль на гарантии, а на другой – немолодой и внешне потрепанный «электросамопал» в стадии бесконечной доделки, без возможности дозаправки топливом в пути, в первое время (а то и навсегда) без кондиционера, усилителя тормозов и тому подобного.
Ну или, скажем, следующая планка — Hyundai Solaris. Новым он стоит от 600 000 рублей, что составляет около 9 200 $. Подобную же сумму придется затратить, если строить электромобиль на базе более-менее свежего кузова иномарки, который прилично выглядит снаружи и имеет не убитый салон, купив к этому кузову хороший американский электромотор, надежный фирменный контроллер Curtis и набрав емкую батарею. Однако на выходе – в общем-то, почти то же самое, что и в первом случае… У Соляриса в козырях максимальная скорость и динамика, возможность пополнять запас топлива повсеместно, а не только в личном гараже, где есть розетка, все преимущества новой и надежной машины с массой функциональных удобств, гарантии и прочее. Самоделка же, пусть и более приличная внутри и снаружи, остается самоделкой – машиной с существенными ограничениями по дальности пробега и возможности заправки, вечным конструктором, тренажером для рук и ума.
Выводы
С точки зрения приложения рук и ума для человека, любящего автомобили и технологии, постройка электромашины, безусловно, оправдана! Хобби это, конечно, затратное, но все познается в сравнении — причем, в сравнении не с олигархическими крайностями вроде коллекционирования яичек Фаберже, а со вполне распространенными и массовыми техническими прикладными увлечениями. Скажем, любителю рыбалки средненькая надувная лодчонка с подвесным двигателем известной марки сил эдак в десять выльется как минимум в две трети простейшего электромобиля.
Хороший квадрокоптер с камерой стоит не меньше. На этом фоне постройка электромобиля ничуть не выделяется – нормальная такая мужская забава…
Не меньшая привлекательность постройки электромобиля «Версии 1.0» в том, что результат достижим для многих, а не только для избранных — не надо быть «инженером 80-го уровня», чтобы сочленить электродвигатель с КПП, проложить силовую и управляющую проводку и разместить в багажнике батареи. В простейшем варианте конструкции да с многочисленными советами отзывчивого электромобильного коммьюнити в интернете работа будет приятной и почти наверняка успешной.
Однако, пока не подешевели эффективные батареи и не распространились недорогие комплекты тяговых моторов и контроллеров, как это произошло с китами для электровелосипедов, электромобиль гаражной постройки в отношении стоимости эксплуатации вряд ли будет серьезным конкурентом бюджетным бензиновым авто и тем более – газифицированным машинам… В случае стремления к экономии вложиться в установку пропанового газового оборудования – проще и выгоднее…
Фото любезно предоставил американский самодельщик Брюс, тщательно документировавший все этапы постройки в домашних условиях своего электромобиля на базе пикапа-хэтчбека Suzuki Mighty Boy 1985 года.
Источник https://brutals.ru/hobbi/transport/dvigateli-dlya-elektromobilya-kak-ystroeny-i-princip-ih-raboty/
Источник http://autoleek.ru/dvigatel/jelektricheskij-dvigatel/ustrojstvo-jelektromobilja.html
Источник https://www.kolesa.ru/article/elektromobil-svoimi-rukami-kak-zachem-i-skolko-eto-stoit
