Электрический автомобиль хранит энергию в большой тяговой батарее. Силовая электроника регулирует поток электричества, а один или несколько электромоторов превращают его во вращение колёс. При замедлении мотор может работать как генератор и возвращать часть энергии в батарею. В такой машине нет обычного топливного бака, цилиндров и выхлопной трубы.
Какие узлы заменяют двигатель и бак
Главный накопитель – тяговая батарея. Обычно она расположена под полом, чтобы тяжёлая масса находилась низко и не занимала багажник. Батарея состоит не из одного огромного элемента, а из множества ячеек, объединённых в модули и общий корпус.
Электромотор создаёт крутящий момент. Инвертор преобразует постоянный ток батареи в ток нужного вида для мотора и управляет частотой и силой. Редуктор передаёт вращение на дифференциал и колёса. Во многих электромобилях одной фиксированной передачи достаточно, потому что мотор эффективно работает в широком диапазоне оборотов.
Отдельная низковольтная батарея питает замки, освещение и управляющую электронику. Преобразователь DC/DC понижает высокое напряжение тягового контура. Система терморегулирования поддерживает подходящую температуру батареи, мотора и силовой электроники.
Что происходит после нажатия педали
Педаль акселератора не подаёт электричество механически. Датчик сообщает блоку управления, какой момент просит водитель. Электроника учитывает скорость, сцепление колёс, температуру и доступный заряд, затем задаёт инвертору нужный режим.
В моторе взаимодействуют магнитные поля неподвижной и вращающейся частей. Они создают момент практически сразу, поэтому электромобиль способен плавно и быстро трогаться без набора оборотов холостого хода. Направление и величина тока меняются много раз в секунду.
Дальше редуктор уменьшает скорость вращения и увеличивает момент на колёсах. Дифференциал позволяет левому и правому колесу проходить разное расстояние в повороте. В полноприводной машине отдельные моторы могут приводить переднюю и заднюю ось.
Как заряжается тяговая батарея
При зарядке переменным током энергия проходит через бортовое зарядное устройство. Оно преобразует переменный ток сети в постоянный, контролирует напряжение и взаимодействует с зарядной станцией. Максимальная скорость ограничена возможностями сети, станции и самого бортового устройства.
При быстрой зарядке постоянный ток подаётся к батарее в обход маломощного бортового преобразователя. Станция сама выполняет основное преобразование. Заряд быстро растёт в начале, но ближе к заполнению мощность обычно снижается, чтобы ограничить нагрев и напряжение ячеек.
Система управления батареей следит за температурой, током и напряжением отдельных групп ячеек. Она оценивает состояние заряда, балансирует элементы и отключает контур при опасном отклонении. Поэтому батарея – не просто коробка с химическими элементами, а управляемая энергетическая система.
Что такое рекуперативное торможение
Когда водитель отпускает педаль или нажимает тормоз, мотор может перейти в генераторный режим. Колёса вращают его, он создаёт электричество, а сопротивление этому вращению замедляет автомобиль. Полученная энергия возвращается в батарею.
Рекуперация особенно полезна в городе, где разгоны и торможения повторяются часто. Она уменьшает расход энергии и износ фрикционных колодок. Однако полностью заменить обычные тормоза нельзя. При экстренной остановке, низкой скорости, полном или холодном аккумуляторе требуемая сила может превышать возможности генераторного режима.
Электроника незаметно сочетает оба способа. Педаль просит определённое замедление, а система распределяет его между мотором и дисковыми тормозами.
Почему электромобиль работает тихо
В двигателе внутреннего сгорания тысячи раз в минуту происходят вспышки, движутся поршни, открываются клапаны и выходят газы. Электромотор создаёт вращение без циклического сгорания. У него меньше трущихся и возвратно-поступательных деталей.
Но бесшумным автомобиль не является. Слышны шины, поток воздуха, редуктор, насосы и вентиляторы охлаждения. На малой скорости специальные внешние звуки предупреждают пешеходов о приближении машины.
Разницу с поршневой силовой установкой помогает понять предыдущий материал «Что такое двигатель внутреннего сгорания?».
От чего зависит запас хода
На панели показывается расчётная, а не гарантированная дистанция. Её меняют скорость, температура, рельеф, ветер, масса груза и работа отопителя или кондиционера. На высокой скорости быстро растёт аэродинамическое сопротивление. В мороз химические процессы замедляются, а обогрев салона требует дополнительной энергии.
Городской режим может быть выгоден благодаря рекуперации и отсутствию расхода на холостом ходу. На трассе непрерывное сопротивление воздуха становится главным потребителем. Программа оценивает недавний стиль езды и условия, поэтому прогноз меняется по ходу путешествия.
Почему батарее нужна подходящая температура
Ячейки плохо переносят крайний холод и перегрев. В холоде возрастает внутреннее сопротивление, снижается доступная мощность и замедляется зарядка. Перегрев ускоряет старение и при серьёзной неисправности создаёт риск теплового разгона.
Жидкостный или воздушный контур отводит тепло, а зимой может заранее прогреть батарею перед быстрой зарядкой. Управление оставляет защитный резерв сверху и снизу шкалы, поэтому отображаемые ноль и сто процентов не всегда совпадают с абсолютными химическими пределами.
Ёмкость постепенно уменьшается с возрастом и циклами, но скорость зависит от химии, температуры и режима эксплуатации. Батарея не «умирает» после заданного числа зарядок внезапно: обычно речь идёт о постепенной потере доступного запаса энергии.
Электромобиль, гибрид и машина с ДВС – не одно и то же
Полностью электрический автомобиль движется только электромоторами и заряжается от внешнего источника. Обычный гибрид сочетает двигатель внутреннего сгорания с электрической частью, но чаще не подключается к розетке. Подключаемый гибрид может проехать часть пути на внешнем заряде, а затем использовать топливо.
Топливный элемент тоже питает электромотор, но электричество вырабатывается на борту из водорода. Отличия схем подробно собраны в статье «Чем отличается электромобиль от гибрида?».
Есть ли у электромобиля выхлоп и выбросы
У батарейного электромобиля нет выхлопной трубы и локальных продуктов сгорания топлива. Это особенно заметно в городе. Но производство электричества, батареи и самой машины связано с расходом материалов и энергии. Полный экологический результат зависит от источников электроэнергии, срока службы и пробега.
Шины и дорожная пыль остаются источниками частиц у любого автомобиля. Большая масса батареи может увеличивать нагрузку на шины, а рекуперация, наоборот, уменьшает износ тормозных колодок. Поэтому экологичность нельзя оценивать по одному узлу. Плюсы и ограничения подробно разобраны в статье «Какие плюсы и минусы у электромобилей?».
Почему электрическая схема снова стала важной
Электромобили существовали ещё на заре автомобильной истории, но проиграли бензиновым по дальности, скорости пополнения энергии и доступности инфраструктуры. Возвращение стало возможным благодаря развитию аккумуляторов, силовой электроники, управления и зарядных сетей.
Электрическая тяга не отменяет все проблемы транспорта. Машина по-прежнему занимает место, требует дорог и может попасть в аварию. Однако силовая установка стала проще по механическому принципу и научилась возвращать энергию торможения.
Так заканчивается один виток автомобильной эволюции: от первых бензиновых экипажей и поршневого двигателя через массовое производство и системы безопасности – к машине, где ток из батареи непосредственно создаёт вращение. Следующий виток связан с автоматизацией управления, о которой рассказывает материал «Могут ли автомобили стать полностью автономными?».
