Об электромобилях.

Так уж повелось, что почему-то у многих людей представление об электромобилях примерно такое: вот, это неудобно; электромобиль не сможет ехать так же, как и автомобиль с обычным двигателем внутреннего сгорания; ничто не заменит мне этого звука… И в таком духе.
Я тоже приметно так думал, до тех пор, пока не отучился на своей специальности и не начал соображать в этом направлении. И вот что насобирал, надумал.


В целом от электромобиля плюсов можно получить намного больше, чем минусов. Я не знаю, почему до сих пор это направление не развивалось массово. Нет, точнее догадываюсь — нефтяной бизнес, инфраструктура.

Какие же плюсы у электромобиля?

Во-первых, это энергетическая эффективность. Когда Вы едете на обычном автомобиле, то вся энергия сжигаемого топлива расходуется на:
1. Ускорение автомобиля.
2. Силы трения: сопротивление потокам воздуха, трение качения на колёсах, подшипниках и прочем.
3. Сопротивление генератора, закреплённого на двигателе. Ведь у Вас включено какое-то электрооборудование.
Так или иначе, всё это переходит в излучение (тепло, свет от фар). И где бы Вы думали, выделяется основное тепло? Правильно, на тормозах, когда Вы гасите кинетическую энергию, накопленную Вашим автомобилем.
Дальше. Все электрические машины обратимы. То есть, электродвигатель так же может выступать в роли генератора и тогда на валу появляется тормозящий момент. По сути, можно тормозить без использования обычных тормозов, просто переводя двигатель в режим генератора. Это не значит, что обычных тормозов не будет. Они будут, но на случай экстренного торможения.
Итак, пользуясь электрическим приводом, можно экономить в полтора раза больше энергии точно, а это увеличенная дальность хода, производительность.

Во-вторых, коэффициент полезной деятельности (далее КПД). Какой КПД у двигателя внутреннего сгорания? Я не знаю, но почему-то думаю, что не более 30%. КПД паровоза вообще 5%. А вот КПД электрических двигателей где-то от 88 до 97% (чем мощнее, тем больше). Думаю, что дальше здесь пояснять что-то нет смысла.

В-третьих, это механическая характеристика. Что такое механическая характеристика? Это крутящий момент, либо мощность, которую может выдавать двигатель в зависимости от нагрузки или оборотов. Все видели график мощности/крутящего момента от оборотов? Плавное нарастание до максимума в районе 4500-5000 оборотов в минуту, или около того, в зависимости от конструкции, а затем спад. А у электродвигателей механическая характеристика очень жесткая. Жесткая механическая характеристика — это почти горизонталь, которая слегка заваливается в сторону больших оборотов. Иными словами, электродвигатель на низах тянет так же хорошо, как и на верхах, а это очень уверенный старт и равномерное ускорение. Ну Вы поняли…

Механическая характеристика обычного двигателя.

И электродвигателя (верхняя).

В-четвёртых, простота, а следовательно и надежность. Сколько деталей в двигателе внутреннего сгорания? Много! А в электродвигателе? Раз в десять меньше. По теории вероятности помним, что чем меньше деталей, тем меньше шансов чему-либо сломаться и тем меньше шансов, что Вы встанете где-нибудь у обочины. В электродвигателях изнашиваться практически нечему, кроме подшипников и коллекторного аппарата (щеток, хоть есть и бесщеточные электродвигатели).

В-пятых, из пункта 4 вытекает простота обслуживания и дешевизна самого устройства. Никаких масел, присадок и прочего-прочего. Никаких головняков.

В-шестых, двигатели постоянного тока обладают одним большим достоинством по отношению к двигателям переменного тока — простота регулирования частоты вращения и мощности. И отсюда никакого холостого хода двигателя. Не нужно никаких стартеров и прочего для запуска двигателя.
Ещё одно достоинство электродвигателей — широкий диапазон рабочих оборотов. Можно раскручивать двигатель до 30-35 тысяч оборотов в минуту.
Что нам это даёт? А то, что необходимость в коробке передач отпадает. Просто нет такого узла в автомобиле — КПП. КПП вообще изначально придумывалась для того, чтобы как-то скомпенсировать узкий диапазон рабочих оборотов двигателей внутреннего сгорания, а здесь этот вопрос оказывается снят.
А если нет КПП, то снова меньше деталей, простота обслуживания, дешевизна, надёжность, ну и Вы поняли…
К слову, если нет холостого хода двигателя, то стоя в пробке нет никаких затрат энергии. Здорово? Конечно.

В-седьмых, никаких проблем с запуском в холодное время года. Никакое масло не застынет. Это конструктивная особенность.
Да и представьте себе автомобиль, который требует энергии как малолитражка в обычном городском режиме, а когда потребуется, то и ввалить может как GT-класс. Это возможно.

В-восьмых, экология. Думаю, что объяснять здесь ничего не нужно.
Кто-то скажет, что электроэнергию всё равно вырабатывают электростанции, сжигая уголь. Да, есть такое, но не все электростанции угольные. Многие из них на более экологичном топливе (АЭС, да-да, и ГЭС, ветряные, приливные, геотермальные, газовые (только CO)).
Что выгоднее, вскипятить 10 стаканчиков воды по 100 грамм отдельно или 1 литр воды сразу? Централизованная выработка электроэнергии всё равно окажется производительней и экологичней, даже если она будет происходить только лишь на угле или мазуте.

В-девятых, это облегчение работы энергосистемы и улучшение качества электроэнергии, снижение тарифов на электроэнергию. Все знаете, что потребление электроэнергии ночью невелико, а когда все просыпаются с утра или приходят с работы, то происходит значительная загрузка системы в час-пик? Так вот, если все будут заряжать свои “батарейки на колёсиках” в ночное время, то график нагрузки будет равномерным. Чем это хорошо? Это хорошо для энергосистемы, так как не нужно постоянно разгонять/тормозить котлы на ТЭЦ, опускать/поднимать шлюзы на ГЭС, регулировать возбуждение генераторов и многое-многое другое (для сохранения частоты и напряжения), что увеличивает расходы на содержание и конструирование энергосистем, что опять же отразится на тарифах (куда вложены все затраты и потери (да, вот так все косяки тянет потребитель :) )). Это всё — стабильность и лучшее качество электроэнергии у Вас же в розетках.

В-десятых, при настоящих тарифах на электроэнергию жилого сектора и при всей полезности электромобилей, заправка электрической энергией может оказаться в 4-5 раз дешевле, чем бензином. Я не говорю про обслуживание автомобиля, только о заправке.

Теперь о минусах.
1. Ёмкость батарей и запас дальности хода. На данный момент самое перспективное решение запасания электроэнергии — использование литий-ионных батарей, совсем как в Вашем мобильном телефоне. Не знаю, как они себя ведут на морозе, но уж точно лучше, чем свинцово-кислотные. Тем не менее, в условиях России этот вопрос остаётся открытым.
Сейчас ведутся разработки и исследования на тему суперконденсаторов или ионисторов, износ ёмкости которых почти не происходит даже после 100000 зарядок/разрядок и даже при низких температурах. Решив эту проблему, я думаю, будущее электромобилей сильно бы упростилось.
2. Отопление автомобиля. Для России и районов крайнего севера это очень актуальный и открытый вопрос. Предполагается, что отопление будет осуществляться за счёт тепла выделяющегося на батареях и в электродвигателе. Только вот какое количество тепла, когда у нас в Сибири бывает -40 градусов по Цельсию и КПД электрических установок достаточно высок? Возможно, это компенсируется теплоизоляцией автомобиля.
3. Инфраструктура. Неразвита, и скорее, её не захотят развивать по понятно каким причинам. Опять же, не всех устроит ждать по 3-5 часов до полного заряда батареи, когда бензин можно просто и быстро залить в бак и поехать дальше.
С другой стороны, запитываться можно и от домашней розетки, то есть бытовой электросети 220/380 В.
Создание ионисторов сократило бы время зарядки в 4-5 раз и по сути ограничивалось бы только величиной допустимого тока в Вашей розетке.

В общем, думайте сами, хорошо это всё или плохо.
Я не думаю, что двигатель внутреннего сгорания будет полностью вытеснен. Всегда есть какие-то специфические требования, которые накладывают ограничения на те или иные конструкторские решения, но в том, что через 15-25 лет 30% или более автомобилей будут на чисто электрической тяге, я уверен точно.