Когда мы пересядем на электромобиль?

Nissan Leaf

Мысль о том, что в будущем мы будем ездить только на электромобилях, стала практически догмой. Уже несколько десятилетий экологи и им сочуствующие борятся за чистое электромобильное будущее. И вот, наконец-то, свершилось! 2010 год войдет в историю автомобилестроения как начало эпохи электромобиля. Стараниями инженеров Nissan создан первый серийный экземпляр под маркой Leaf (по-нашему «Лист»). И пусть его показатели пока далеки от желаемых (160 км запас хода, максимальная скорость 140 км/ч, цена около 30000 евро), но, как говорил О.Бендер: «Лед тронулся!». И поэтому вполне вероятно, что электротехника вскоре станет в автодорожных ВУЗах основным предметом.

А почему же мы раньше не пересели на электромобили? Ведь конструкция их проста: электродвигатель и аккумуляторы. Электрическому мотору даже трансмиссия не нужна, да и сами моторы за последнее время значительно сбавили в весе и габаритах. А вот легкие, компактные и недорогие батареи с большой емкостью пока еще не созданы. Вот это обстоятельство — главное препятствие на пути широкого распространения электромобилей. И, к сожалению, не единственное. Так что давайте не впадать в эйфорию, а взглянем на вещи трезво.

Что препятствует развитию электромобилей

Технический аспект. Малый запас хода электромобилей — беда сравнительно небольшая. Намного хуже то, что подзарядка требует не нескольких минут, как заправка обычного автомобиля, а нескольких часов. Поэтому для решения этой проблемы внедряется экспресс-зарядка повышенным напряжением. Сейчас она занимает около 30 минут, но перед специалистами поставлена цель довести это время до 6 минут. Возникнут сложности при эксплуатации электромобиля в условиях суровых зим. Батареи в морозы теряют емкость. Большое количество работающих потребителей (отопление, освещение) потребует более частых подзарядок, снизится дальность пробега.

Экологический аспект. Широкое развитие электротранспорта приведет к существенному увеличению потребляемого электричества. А откуда его брать? Построить новые ТЭС и АЭС, которые далеко не безвредны для окружающей среды. Аккумуляторы не будут работать вечно, с отработанными нужно будет что-то делать. Проблема их утилизации тоже пока не решена. Так что экологическая чистота электромобиля ставится под сомнение.

Экономический аспект. Стоимость электромобиля существенно превышает стоимость обычного автомобиля аналогичного класса из-за высокой цены аккумуляторных батарей. Вы не поверите, но сам электромобиль и его батарея практически равны по стоимости! Возможно, что с началом массового производства цены на аккумуляторы снизятся. А пока далеко не все потенциальные покупатели готовы платить за экологическую чистоту из своего кармана. Необходимость частых подзарядок и малый запас хода еще больше снижают это желание. Правительства пытаются стимулировать спрос путем системы скидок и налоговых льгот. Переход на электромобили потребует развития сети зарядных станций, а для этого нужны немалые средства.

В общем, поклонникам электромобилей нужно потерпеть еще, как минимум, лет 10-20.

Направления развития электромобилей

Бюро автомобильных технологий США (VTO), входящее в Министерство энергетики США (DOE), совместно с другими заинтересованными организациями разработало широкую программу по развитию электрических транспортных средств.

Программа включает краткосрочные и долгосрочные мероприятия, целью которых являются:

  • снижение стоимости батарей с нынешних 500 $ за кВт*ч до 125 $ за кВт*ч;
  • снижение веса электромобилей до 30% за счет применения легких материалов;
  • снижение стоимости систем электропривода с 30$ за кВт до 8$ за кВт.

Основные направления развития электрических транспортных средств включают в себя:

  1. Разработка недорогого, высокопрочного алюминиевого листа с пределом прочности на растяжение более 600 Мпа с более чем 8% удлинением до разрушения; с температурой обработки не более 225° С и стоимостью не более 4,4 $ за килограмм.
  2. Разработка композитных углеродных материалов для легких транспортных средств с целью снижения веса кузова не менее, чем на 35% при одновременном снижении цены не менее, чем на 4,4 $ за килограмм. Для деталей шасси планируется достичь снижения веса не менее, чем на 25% при снижении стоимости не менее, чем на 4,3 $ за килограмм.
  3. Разработка новых типов батарей. В настоящее время лидирующей является технология литий-ионных батарей. Усилия исследователей будут направлены на совершенствование более перспективных литий-серных и литий-воздушных аккумуляторов, которые позволяют значительно сократить затраты и повысить плотность энергии.
  4. Коммерциализация разработок в области силовой электроники с использованием WBG (wideband gap) полупроводников. Эти новые материалы на основе карбида кремния (SiC), нитрида галлия (GaN) и алмаза призваны заменить традиционный кремний. Они имеют более высокую температурную и химическую стабильность и теплопроводность, что позволяет создавать устройства меньших размеров, с большей мощностью и с меньшими потребностями охлаждения. Применение WBG полупроводников в инверторах, преобразователях и зарядных устройствах позволяет снизить их стоимость и повысить производительность. Конкретные цели, которые планируется достичь – снижение стоимости до 3,3 $/кВт, повышение удельной мощности до 14,1 кВт/кг, плотности мощности до 13,4 кВт/л и КПД не менее 94%.
  5. Повышение эффективности шин. Задача состоит в снижении расхода топлива легковых и коммерческих автомобилей не менее чем на 4% за счет улучшения характеристик шин. При этом сцепление с дорогой и износостойкость новых шин не должны быть ниже, чем у существующих. Основные направления: разработка и внедрение новых материалов, рисунков протектора, технологий поддержания давления, снижения веса.
  6. Разработка многоступенчатых КПП. Опыт показал, что производительность, КПД и пробег без подзарядки электрических коммерческих транспортных средств средней грузоподъемности в значительной степени зависят от условий эксплуатации. Для их оптимального использования необходима многоступенчатая трансмиссия.
  7. Разработка улучшенного климат-контроля, снижающего дополнительную нагрузку. Обогрев, охлаждение и другие функции комфорта существенно влияют на реальную дальность пробега электромобилей.

История электромобиля

Подавляющее большинство людей будут удивлены, узнав, что история электромобилей насчитывает без малого 180 лет! Да, да, первые электромобили появились почти на 50 лет раньше первого автомобиля. Толчком к их развитию послужило открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции, после чего инженеры и изобретатели принялись искать пути его практического применения. Точных сведений о времени появления и имени создателя первого электромобиля не сохранилось. Достоверно известно, что в период с конца 1830-х годов до начала 1840-х было представлено как минимум три конструкции безлошадных электрических экипажей: шотландцем Робертом Андерсоном, англичанином Робертом Девидсоном и американцем Томасом Девенпортом. Все они имели большой вес, передвигались со скоростью не более 4 км/ч и были мало пригодны к практическому применению. Развитие электромобилей сдерживало отсутствие сравнительно небольших и подзаряжаемых аккумуляторов.

В 1865 году француз Гастон Планте представил прообраз такого аккумулятора. Он еще не годился для практического использования, но принципы, заложенные в его конструкцию, были взяты на вооружение другими изобретателями. К началу 80-х ХIХ века создаются сравнительно легкие, а главное, достаточно емкие и подзаряжаемые аккумуляторы. Это вызвало бум электромобилестроения. Конец ХIХ – начало ХХ веков можно считать «золотым веком» электромобиля. В то время мало кто верил в перспективы развития ДВС. Средний электромобиль тех лет развивал скорость до 30 км/ч, а запаса хода вполне хватало на поездки без подзарядки или замены батарей в течение дня. При этом электромотор «заводился» без проблем в любых условиях, не требовал переключения передач и работал бесшумно. Полную противоположность представлял в те годы автомобиль. Грохочущий и капризный мотор, выпускавший зловонные облака гари, запах бензина и масла, необходимость ручного запуска и переключения передач – все это отпугивало потенциальных клиентов. Купить безлошадный экипаж в то время могли позволить себе только обеспеченные люди. А они, естественно, предпочитали чистый, тихий и удобный в эксплуатации электромобиль. Электромобили были настолько просты, что ими без проблем управляли женщины и пожилые люди.

Камиль Иенатци за рулем Jamais Contente

Об успехах «электромобилизации» тех лет говорит и то, что первые рекорды скорости были установлены именно на электромобилях. В 1895 году состоялся первый в мире официально зарегистрированный заезд, во время которого электромобиль француза Шарля Жанто показал скорость 63 км/ч. А в 1899 году впервые в истории наземное транспортное средство превысило 100 – километровый скоростной рубеж. Электромобиль Jamais Contente (Всегда недовольная), построенный бельгийцем Камилем Иенатци, разогнался до 105 км/ч.

Один из первых электромобилей

В первое десятилетие ХХ века электромобили получили еще большее распространение. Они используются в качестве такси, пожарных машин и карет скорой помощи. Увеличивается их скорость и дальность поездки без подзарядки. Отдельные модели оснащаются системой рекуперативного торможения. Наибольшей популярностью электромобили пользовались в США, где в начале ХХ века количество электромобилей более чем в 1,5 раза превышало количество автомобилей.

Но сторонники ДВС не дремали, а активно совершенствовали свое детище. Постепенно ситуация менялась в пользу бензиновых автомобилей. Этому способствовало несколько факторов. Открытие богатых месторождений нефти привело к массовому производству дешевого бензина. Развитие сети автомобильных дорог дало возможность совершать дальние путешествия, на что электромобили были неспособны из-за малого запаса хода. Кроме того, их скорость была заметно ниже, чем у автомобилей, а вес – намного больше. Ну, и самое главное, конструкция автомобиля стала совершеннее и значительно дешевле в производстве. Применение электрического стартера и коробки передач значительно упростило их эксплуатацию. Популярность электромобилей пошла на спад, и к 1920 году их доля составляла около 1%. К 1930 году их производство практически прекратилось.

GM EV1

До конца 1980-х годов об электромобилях никто не вспоминал, пока остро не встала проблема загрязнения окружающей среды и не замаячила перспектива истощения запасов нефти. Ряд компаний приступили к выпуску электрических транспортных средств, не предназначенных, однако, для личного использования. Немногочисленные электрические автобусы, развозные фургоны и грузовики использовались в различных городских службах. Следующий всплеск интереса к электромобилям, который мы наблюдаем и в настоящее время, произошел в 90-х годах прошлого века в связи с существенным ужесточением законодательства о загрязнении воздуха. Первым серийным электромобилем нашей современности стал GM EV1, выпускавшийся в США с 1996 по 2003 годы.