Что нужно электромобилю?

[afhh723]

довольно животрепещущий вопрос. вроде бы про это уже сказано 1000 и один раз, но этого многие не знают. помню доказывал одному индивиду почему электромобилю не нужна КПП, а он все орал что КПП увеличивает КПД - тяжелый случай, хотя как показала эта статья, достаточно распространенный. поэтому начнем с того что

что не нужно электромобилю

первое что не нужно электромобилю это конечно

коробка передач



почему? давайте начнем с того для чего она нужна ДВС. дело в том что у ДВС не большой момент, это вроде бы не страшно нужно просто навесить редуктор с достаточно большим передаточным отношением и всего делов то, зачем нам городить целую коробку передач. дело в том что у ДВС, хотя правильней говорить Газо Поршненва Установка очень узкий диапазон стабильных оборотов, еще уже с хорошим КПД. вот и приходится вместо одной фиксированной передачи иметь кучу разных: нужен большой момент, но низкая скорость - врубай первую передачу. нужно по-быстрее, но можно момент по-меньше - врубай 4-тую.

электродвигатель имеет довольно довольно широкий интервал оборотов с хорошим моментом и КПД и обычно подсоединятся к колесам редуктором с фиксированным передаточным числом. зачем нужен редуктор? впринципе для того же что и КПП - загнать электродвигатель в самый лучший режим.

более того существуют мотор-колеса. это когда электродвигатель расположен внутри колеса. такая конструкция предъявляет дополнительные требования к электродвигателю, такая схема применяться на электровелосипедах и электроскутерах.

т.е. управление скоростью, моментом и направление вращение колеса осуществляется электрически, как правило при помощи силовой электроники. хотя слышали в старых троллейбусах характерное постукивание?

на улучшении режима ГПУ основана работа последовательного гибрида. т.е ГПУ работает только с генератором в лучшем режиме и мало регулируется, например только расходом топлива, а колеса крутит электродигатель.

ШРУСы, раздатки, валы и дифференциал

как не странно карданные валы и ШРУСы, рулевые рейки и дифферинциалы тоже могут быть электромобилю не нужны.

например электродвигатель размещается внутри колеса или ступицы т.е. колеса которые обычно висят на ШРУСах имеют каждое свой электродвигатель. теперь представьте машина вошла в поворот внутренние колеса двигаются по окружности меньшего радиуса чем внешние. т.е. колеса проходят разный путь за одно время т.е. колеса крутятся с разной скоростью.

на машинах с ГПУ для этого есть дифференциал - он согласует вращения колес. принципе можно и без него - свалить все на проскальзывание колес, но тогда и руль будет крутить тяжело и расход резины увеличится. на электромобиле можно поступить хитрее. если на каждом колесе (колёсах борта) изменять скорости вращения электродвигателей, то можно управлять машиной без руля. такой принцип использует гироскутер. там только два колеса и нет ничего похожего на руль, но при этом он как-то поворачивается. не так давно еще ТотКоторогоНельзяНазвать запатентовал нечто похожее. я правда не очень понимаю зачем (хотя все что делает ТотКогоНельзяНазвать все для PR) - Segway был придуман очень давно.

преимуществом такого способа состоит в том что машину можно сделать очень маневренной. например если управлять всеми четырьмя колесам машина может разворачиватся на месте как танк.

тут надо отметить, что на многих рынках для того, чтобы автомобиль был допущен к дорожному движению, в системах рулевого управления всё ещё требуется наличие механической связи руля и колёс, что как понятно в таком варианте управления отсутствует как класс. машиной впринципе можно управлять джойстиком ну или силой мысли.

что нужно электромобилю

ну если кратко, то электромобилю нужны материалы. начнем мы с самой уязвимой части электромобиля.

аккумуляторы

литий-железофосфат аккумулятор (LiFePO4, LFP) - разновидность литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из феррофосфата лития из-за более низкой стоимости, безопасности, низкой токсичности и длительного срока службы батареи LiFePO4 широко применяют в транспортных средствах, стационарных аккумуляторах и для резервного питания. основной недостаток таких аккумуляторов сравнительно низкая плотность хранения энергии.

некоторые преимущества литий-железо-фосфатных аккумуляторов:

• высокий уровень безопасности эксплуатации - элементы надёжно защищены от взрывов и воспламенений, причём даже при возможной разгерметизации;
• отсутствие вредных выделений при работе и разложении, что упрощает процесс их утилизации;
• большой рабочий ресурс - срок службы достигает от 2 000 до 7 000 рабочих циклов со снижением ёмкости не более чем на 20%;
• совместимость с высокоточным оборудованием, чувствительным к отклонениям от требуемых параметров тока;
• низкий саморазряд;

литий-титанатный аккумулятор (LTO) - вариант литий-ионных аккумуляторов, использующий пентатитанат лития (Li4Ti5O12) в качестве анода вместо графита, применяемого в большинстве других вариантов.

за счёт нанокристаллической структуры анод приобретает большую площадь поверхности на каждый грамм вещества такое строение позволяет электронам быстро перемещаться, входя в анод и выходя из него, обеспечивая высокие токи и быструю перезарядку устройства. основной недостаток таких аккумуляторов их стоимость и низкая плотность хранения энергии - ниже чем у литий-железофосфатных.

некоторые преимущества литий-титанатных аккумуляторов:

• очень высокий уровень безопасности эксплуатации
• срок службы может достигать десятки лет
• высокая токоотдача и скорость зарядки.
• взрывобезопасность и возможность работать при очень низких температурах.
• очень низкий саморазряд;
• высокий КПД

однако общая проблема литиевых аккумуляторов то, что лития на Земле мало и следовательно он дорогой. есть идея заменить литий на значительно более распространенный и натрий.

Натрий-ионный аккумулятор - тип электрического аккумулятора, в котором используются ионы натрия в качестве заряженных частиц вместо ионов лития.

он имеет близкие к литий-ионному аккумулятору энергетические характеристики, но стоимость применяемых в нём материалов значительно ниже (натрий примерно в 50 раз дешевле лития). основной проблемой такого аккумуля тора является то, что нет природных материалов способных накапливать ионы натрия.

Некоторые преимущества натрий-ионных батарей:

• высокая безопасность. Они обладают меньшим риском теплового разгона и менее пожароопасны.
• устойчивость в эксплуатации.
• экологичность. Соединения натрия менее токсичны, чем соединения лития. например сода (в тмо числе питьевая) и соль это соединения натрия.
• относительная быстрая зарядка. При комнатной температуре полностью зарядить натрий-ионную аккумуляторную батарею можно за 15 минут. хотя литий-титанат заражается раза в 2 быстрее.
• широкий диапазон рабочих температур.
• безопасность разряда "в ноль".

Natron в 2024 г. начинает масштабное производство натрий-ионных батарей, которые поддерживают 50 тысяч циклов зарядки. звучит круто - не знаю посмотрим.

двигатель

как не странно двигатель это тоже довольно слабое место пробежимся по некоторым типам:

асинхронный двигатель - электрический двигатель переменного тока, частота вращения ротора которого (в двигательном режиме) меньше частоты вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле. это поле наводит в роторе ток, который начинает взаимодействовать с магнитным полем таким образом, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле статора.

двигатель простой как лом, дешевый и имеет большой ресурс - это его преимущества. недостатком же является узкий диапазон оборотов с хорошим КПД. этот недостаток можно нивелировать применением современных систем управления, что требует применения сравнительно дорогой силовой электроники.

BLDC BrushLess Direct Current electric motor - это бесколлекторный или бесщёточный двигатель постоянного тока на постоянных магнитах. конструктивно BLDC-мотор состоит из ротора и статора. в двигателе отсутствует коллектор, а трёхфазная обмотка расположена на статоре. для управления двигателем требуется электроника - контроллер и датчик положения ротора.

Преимущества BLDC-моторов:

• высокая надёжность ввиду отсутствия щёточно-коллекторного узла
• большая удельная мощность
• большой момент в широком интервале оборотов

к недостатком можно отнести использование в роторе редкоземельных металлов и более сложную конструкцию ротора в сравнение асинхронными двигателями, что делает двигатель более дорогим.

вентильно-индукторный двигатель - это двигатель, который переключает магнитные цепи. в нем преобразование энергии происходит за счет переключения обмоток, которые располагаются на явно выраженных зубцах статора. при переключении обмоток зубцов происходит вращение зубчатого ротора выполненного из магнитомягкого материала. питание устройство получает от электрического преобразователя, поочередно подающего ток на обмотки двигателя.

некоторые преимущества вентильно-индукторного двигателя:

• простая и надёжная конструкция. в технологии производства отсутствует операция заливки ротора, нет постоянных магнитов.
• простые, менее материалоёмкие обмотки
• гибкое управление скоростью, большие моменты при маленьких скоростях, простота реализации тормозных режимов.

вроде бы "УРА" вы совместили преимущества. но такое случается редко у двигателя есть недостатки: высокий уровень шумов и вибраций. они возникают из-за импульсов электромагнитных сил, которые действуют на зубцы ротора и статора. пульсации суммарного момента двигателя ухудшает работу привода на маленьких оборотах. худшая габаритная мощность.

т.е. идеального двигателя для электромобиля не существует. видимо ближе всего к таковому наследие Н.Теслы с использованием силовой электроники. хотя кто знает придумают новые хитрые магнитные сплавы и ситуация изменится. да и недостатки вентильно индукционного двигателя на транспорте не такие уж страшные.

силовая электроника

как вы наверное поняли без силовой электроники некуда. сушествующая электроника на основе кремния обладает многими недостатками. надежды принято связывать с материалами нового поколения т.н. широкозонные полупроводники. их физические свойства позволяют использовать их при более высоких температурах, напряжениях и частотах, чем кремний и другие полупроводники предыдущих поколений. например, нитрид галлия выдерживает в 10 раз большее напряжение, чем кремний, а карбид кремния является твёрдым и тугоплавким материалом с температурой плавления в два раза большей, чем у кремния.

медь

медь тоже дорогая и её сравнительно мало. она используется для обмоток и внутренних соединений. неплохо было найти ей альтернативу. возможная альтернатива проводам из меди - квантовый провод одномерная или квазиодномерная проводящая система, в которой квантовые эффекты, возникающие за счёт малости размеров поперечного сечения, оказывают влияние на явления переноса заряда или тепла в продольном направлении. но пока такие штуки скорее описываются больше теоретически чем применяются практически.

еще по теме:

электромобиль и суровый климат
где заканчивается термодинамика
откуда дровишки?
получение водорода с помощью бета электронов