Электромобили: от концепции к массовому производству

Хотя электромотор в автомобиле может по­ка­зать­ся три­ви­аль­ной вер­си­ей дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния, до­сти­же­ние его оп­ти­маль­ной про­из­во­ди­тель­но­с­ти тре­бу­ет скру­пу­лез­ной про­ра­бот­ки схе­мо­тех­ни­че­ских ре­ше­ний на всех эта­пах про­ек­ти­ро­ва­ния. Ос­нов­ная фун­к­ция элек­т­ро­мо­би­ля — это не­ко­то­рая фор­ма на­ко­п­ле­ния и пре­об­ра­зо­ва­ния элек­т­ри­че­ской энер­гии, со­пря­жен­ная с тех­но­ло­ги­ей за­ряд­ки и по­да­чи ее в сис­те­му уп­рав­ле­ния элек­т­ро­дви­га­те­лем. А еще это на­бор ре­гу­ля­то­ров мощ­нос­ти, сен­сор­ных дат­чи­ков, обес­пе­чи­ва­ю­щих ре­ге­не­ра­тив­ное тор­мо­же­ние — ос­но­ву эко­но­мич­нос­ти. Все дан­ные ас­пек­ты оп­ре­де­ля­ют пре­дел про­из­во­ди­тель­но­с­ти элек­т­ро­мо­би­ля, эк­спе­ри­мен­таль­ное под­т­вер­ж­де­ние ко­то­ро­го мож­но по­лу­чить толь­ко в до­рож­ных ис­пы­та­ни­ях.

Электродвигатель, рекуперация, трансмиссия

Электродвигатели преобразуют электрическую энергию аккумуляторов в механическую энергию вращения. Элек­тро­дв­и­га­тель состоит из неподвижного статора с большими электрическими обмотками, создающими маг­нит­ный поток, который воздействует на магниты во вращающемся роторе. Электродвигатели также ра­бо­та­ют в об­рат­ном на­прав­ле­нии: движущийся автомобиль без подачи извне электрической энергии заряжает свои ак­ку­му­ля­то­ры. Этот ме­тод на­зы­ва­ет­ся ре­ку­пе­ра­тив­ным тор­мо­же­ни­ем элек­т­ро­мо­би­лей.

Передача крутящего момента от электродвигателя выполняется через коробку передач к трансмиссии. Транс­мис­сия электромобиля — это система, которая пре­об­ра­зу­ет на­коп­лен­ную электрическую энергию в по­лез­ную механическую. Большинство ком­мер­че­ских элек­т­ро­мо­би­лей и даже трансмиссии болидов автомобилей Фор­му­лы E имеют толь­ко од­ну передачу, которая менее сложна и более эффективна, чем многоцелевая транс­мис­сия.

В силу того, что кривые мощности бензиновых моторов имеют предел от 1500 до 6000 об/мин, они рас­счи­ты­ва­ют на эф­фек­тив­ную работу сложной трансмиссии со сцеплением и многоступенчатой коробкой пе­ре­дач. В отличие от дви­га­те­лей вну­т­рен­не­го сго­ра­ния, электродвигатели обычно работают на высоких оборотах. Раз­рыв в по­ка­за­те­лях усу­губ­ля­ет­ся еще высоким коэффициентом полезного дей­ст­вия элек­т­ро­дви­га­те­лей. В сочетании с ре­ку­пе­ри­ро­ва­ни­ем он до­сти­га­ет 90%, в то время как су­ще­ст­ву­ю­щие барьеры ог­ра­ни­чи­ва­ют эф­фек­тив­ность двигателей вну­т­рен­не­го сго­ра­ния значениями от 25% до 50%.

О питании электродвигателей

Для трехфазных асинхронных электромоторов, применяемых в электромобилях класса «люкс», требуется схе­ма пре­об­ра­зо­ва­ния мощности батареи постоянного тока в переменный ток — инвертор. Это очень не­про­с­тая за­да­ча, по­ско­ль­ку оп­ти­маль­ный режим переключающих инверторов может быть обеспечен за счет ус­лож­не­ния схе­мо­тех­ни­ки и при­ме­не­ния до­ро­го­сто­я­щих по­лу­про­вод­ни­ко­вых компонентов. Только так по­лу­чит­ся создать элек­т­рон­ное уст­рой­ст­во, сгла­жи­ва­ю­щее скачки тока и/или напряжения. При этом тре­бу­ет­ся не вы­пус­кать из поля зрения эф­фек­тив­ность ре­ше­ния: вы­со­кий ко­эф­фи­ци­ент полезного действия, низ­кое вы­де­ле­ние тепла и надежную его утилизацию.

Аккумуляторы и зарядные устройства

Технология хранения электрической энергии (которую часто рассматривают как самый важный и огра­ни­чи­ва­ю­щий фа­к­тор) — основа концепции электромобиля. Су­ще­ст­ву­ет боль­шое разнообразие способов на­коп­ле­ния элек­т­ри­че­ской энергии — это и ультра­кон­ден­са­то­ры, хи­ми­че­ские и твер­до­тель­ные батареи. Каждый из них де­мон­ст­ри­ру­ет раз­лич­ные ха­рак­те­рис­ти­ки в плане мас­со-га­ба­рит­ных параметров, гра­ви­мет­ри­че­ской энер­го­ем­кос­ти и плот­нос­ти, эф­фек­тив­но­с­ти, удельной сто­и­мос­ти. Среди этих типов накопителей энергии литий-ионная электрохимия в настоящее время предлагает наиболее практичный баланс про­из­во­ди­тель­но­с­ти и ком­мер­че­ской жиз­не­спо­соб­но­с­ти.

Сегодня в оснастке электромобилей применяются пять основных литиевых технологий: никель-кобальт-алю­ми­ний (NCA), никель-марганец-кобальт (NMC), литий-марганец (LMO), ли­тий-ти­та­нат (LTO) и литий-фос­фат железа (LFP). Су­ще­ст­ву­ют ком­про­мис­сы для каждой электрохимии ли­тия, такие как без­о­пас­ность, удель­ная мощность, удель­ная сто­и­мость и срок службы. Большинство элек­т­ро­мо­би­лей используют один из элек­т­ро­хи­ми­че­ских вариантов ли­ти­е­вых ак­ку­му­ля­то­ров. Это относится и к се­рий­ным ав­то­мо­би­лям, и к гоночным болидам Формулы E, где обычно стоит стан­дар­ти­зи­ро­ван­ная литий-ионная ак­ку­му­ля­тор­ная батарея емкостью в 54 кВт⋅ч.

Батарея транспортных средств состоит из тысяч крошечных элементов питания, объединенных в большие сбор­ки. Та­кой подход объясняется существующими ограничениями по размеру, рабочему току и рабочему на­пря­же­нию ли­ти­е­вых ба­та­рей. Кон­ст­ру­и­ро­ва­ние ак­ку­му­ля­тор­ных сборок является одним из наиболее эф­фек­тив­ных спо­со­бов ком­по­нов­ки батарей с гораздо большей плотностью мощности и рабочим напряжением с на­и­луч­ши­ми мас­со-га­ба­рит­ны­ми по­ка­за­те­ля­ми. Желательно иметь батареи, которые заряжаются и раз­ря­жа­ют­ся при высоких на­пря­же­ни­ях, так как си­ла то­ка, не­об­хо­ди­мо­го для доставки желаемой мощности, умень­ша­ет­ся с увеличением напряжения. Сила тока оп­ре­де­ля­ет также потери в проводниках за счет оммического со­про­тив­ле­ния и, сле­до­ва­тель­но, ко­ли­че­ст­во вы­де­ля­е­мо­го при этом тепла. В итоге, боль­шин­ст­во элек­т­ро­мо­биль­ных аккумуляторов рассчитаны на ра­бо­чее на­пря­же­ние в сотни вольт.

Разряжаясь, источник питания электромобиля ожидает также циклов зарядки, чтобы оказаться полезным в бу­ду­щем. Алгоритмы, используемые для зарядки аккумуляторной батареи, зависят от схемных решений и сис­те­мы управления ак­ку­му­ля­тор­ной батареей. BMS (Battery Management System) — это технология, раз­ра­бо­тан­ная для обес­пе­че­ния без­о­пас­ной экс­плу­а­та­ции ак­ку­му­ля­то­ра и сба­лан­си­ро­ван­но­го износа его эле­ме­н­тов. Это особенно для ли­ти­е­вых ба­та­рей, где не­сба­лан­си­ро­ван­ная или быстрая зарядка может при­вес­ти к химическому по­вреж­де­нию и теп­ло­во­му раз­го­ну, которые по­тен­ци­аль­но спо­соб­ны вызвать ка­та­стро­фи­че­ский отказ аккумулятора.

Как правило, электромобили оснащаются встроенными преобразователи переменного тока в постоянный для зарядки от сети, либо рассчитаны на работу с вы­со­ко­вольт­ны­ми зарядными устройствами постоянного то­ка, которые берут на себя заботу о преобразовании переменного тока в постоянный вне транспортного сред­ст­ва. Так уст­ро­е­на схе­ма пи­та­ния бо­ли­дов Формулы Е, поскольку они не предназначены для об­слу­жи­ва­ния бы­то­вы­ми устройствами, а каж­дый лиш­ний грамм вы­зы­ва­ет бес­по­кой­ст­во конструкторов и пи­ло­тов. По по­нят­ным при­чи­нам, электромобили такого класса не ком­п­лек­ту­ют­ся встроенным зарядным обо­ру­до­ва­ни­ем, по­ла­га­ясь на внешние пре­об­ра­зо­ва­те­ли и схемы зарядки.

Резервная батарея

Кроме инвертора переменного тока, питающего электромотор, как правило, при­ме­ня­ет­ся еще и до­пол­ни­тель­ный пре­об­ра­зо­ва­тель DC-DC, ко­то­рый пре­об­ра­зу­ет по­сто­ян­ный ток высокого напряжения от основной ба­та­реи для зарядки низ­ко­воль­т­ной резервной батареи. Она берет на себя питание электромобиля, когда ос­нов­ная батарея не активна. В та­кой ситуации вспомогательная батарея обеспечивает функционирование систем без­о­пас­нос­ти тран­с­порт­но­го сред­ст­ва даже в случае аварии главных питающих цепей.

Компания Renesas, например, разработала и построила BMS (Battery Management System) и мо­дуль мо­ни­то­рин­га низ­ко­воль­т­ной ак­ку­му­ля­тор­ной ба­та­реи, которые повысили безопасность и эффективность гоночного элек­т­ро­бо­ли­да Ma­hind­ra Rac­ing, уча­ст­ву­ю­ще­го в автогонках Formula E.

О зарядке

Инверторы постоянного тока в переменный и преобразователи переменного тока в постоянный — это мощ­ные элек­т­рон­ные сбор­ки, предназначенные для того, чтобы обеспечить пиковое потребление дви­га­те­ля­ми или даже более экс­тре­маль­ные зна­че­ния мощности, используемой для зарядки батарей. В элек­т­ро­мо­би­лях таковая варьируется от 1,5 кВт при питании от бытовых розеток до 400 кВт для быстрых за­ряд­ных устройств. В большинстве домов мощ­ность за­ряд­ки стан­дарт­но ог­ра­ни­че­на 7 кВт на двухфазных ли­ниях, рассчитанных на 220 В переменного тока. Такие уст­рой­ст­ва пред­по­ла­га­ют на­ли­чие инвертора, пре­об­ра­зу­ю­ще­го переменный ток бытовой сети в со­от­вет­ст­ву­ю­щее на­пря­же­ние постоянного тока, требуемое для зарядки элек­т­ро­мо­биль­ных аккумуляторов.

Типичные быстрые зарядные устройства постоянного тока имеют диапазон от 50 кВт до 200 кВт — от 400 В до 600 В по­сто­янн­ого тока, силой до 300 Ампер. Эти типы зарядных устройств требуют очень сложной си­ло­вой электроники в са­мом зарядном устройстве. Поскольку владельцам электромобилей может по­тре­бо­вать­ся гибкость в отношении то­го, как они за­ря­жа­ют транспортное средство, существует стандарт Общества автомобильной техники для ком­би­ни­ро­ван­ных систем зарядки (CCS), который включает режимы зарядки как переменного, так и постоянного тока — SAE J1772 CCS.

Датчики и встроенная электроника

Схема управления электромобилем предполагает множество разнообразных и полезных сенсоров, за­дей­ст­во­ван­ных в системах мониторинга и безопасности. Все они призваны повысить эф­фек­тив­ность, обес­пе­чи­вая ин­фор­ма­ци­ей цен­т­раль­ный ком­пью­тер данными о температуре узлов и деталей, токе и на­пря­же­нии, ударных нагрузках и виб­ра­ции, на­прав­ле­нии и силе магнитного потока, скорости, ускорении и так да­лее. Качество этих датчиков, а так­же их на­деж­ность яв­ля­ют­ся ключевым фактором в работе элек­тро­мо­би­лей.

Несмотря на то, что все рычаги управления электромобилем доступны водителю, компьютерное уп­рав­ле­ние более эф­фек­тив­но и безопасно, если используются системы интеллектуального анализа дорожной об­ста­нов­ки. Этот уро­вень слож­но­с­ти обеспечивает расширенные возможности вождения, такие как повышение эф­фек­тив­но­с­ти в даль­них по­езд­ках, автономные функции автомобиля и новаторские функции безопасности, ко­то­рые мо­гут пред­от­вра­тить не­счаст­ные случаи и аварии. Крайне важно, чтобы эти датчики и встроенная элек­тро­ни­ка, ко­то­рой де­ле­ги­ру­ют­ся по­ве­ден­че­ские функции, соответствовала высоким ав­то­мо­биль­ным стан­дар­там.