Какой двигатель выбрать, бензиновый или дизельный? А может быть желаете экзотику с газо-баллонным оборудованием? Такой вопрос так или иначе вставал, пожалуй, перед всеми бывалыми автолюбителями. Но теперь времена изменились. В новых машинах у нас будут одинаковые электрические двигатели. Ведь так?
Вопрос на самом деле не так прост, как может показаться изначально, даже если вы уже знакомы с принципом работы электродвигателей. Но начать погружение в специфику будет правильнее всего с краткой истории противостояния Томаса Эдисона и Николы Теслы, а ещё лучше с советского учебника по физике за 8 класс. С него и начнём.
Учитель показывает опыт с металлической рамкой в магнитном поле – при подключении к рамке батарейки по ней начинает протекать электрический ток, и она поворачивается, демонстрируя принцип работы простейшего двигателя. Разумеется, для успешного построения на этом нехитром принципе действительно эффективной системы электропривода электромобиля будущим инженерам придётся ещё лет 8 изучать сложные технические науки, но нам пока достаточно того факта, что имея магнит, проволоку и батарейку принципиально уже можно сдвинуть электромобиль с места.
Так почему же тогда произошла война токов у Эдисона и Теслы, если советский восьмиклассник на одном только постоянном токе потенциально достиг необходимого результата? Пожалуй, бывалому автомобилисту нагляднее всего это можно объяснить на примере условных Жигулей (по желанию для эксперимента можно выбрать практически любой старый легковой автомобиль и даже многие современные ДВС машины).
Э – эксперимент
Отключаем бензонасос, берём штук 10 стартерных батарей, надёжно фиксируем их синей изолентой в свободном пространстве кузова Жигулей и подключаем их параллельно к стартеру – к нашему подопытному электродвигателю. Теперь выжимаем сцепление, выбираем нужную передачу (первую или даже вторую) поворачиваем ключ в замке зажигания до упора и не отпуская ключ плавно отпускаем сцепление. И вот мы уже едем на электромобиле! Да, через несколько минут движения стартер Жигулей в роли тягового электропривода постоянного тока, разумеется, станет жертвой слабоумия и отваги восьмиклассника, поскольку достаточно сложная конструкция с дополнительной обмоткой возбуждения позволяет стартеру развивать большой крутящий момент, но не рассчитана на продолжительный режим работы.
Но если немного доработать конструкцию… Ведь наш ДВС в таком режиме работает как дополнительная нагрузка в виде настоящего компрессора, которым через выхлопную трубу можно ещё несколько колёс от КАМАЗа накачать по пути. А ещё у него невероятное количество трущихся деталей, которые нам не нужны… И да, батареек у нас на несколько сотен килограмм, а это значит, что без ДВС потенциально Жигули смогут проехать до 100 километров на одном только стартере, если подберём достаточное сечение проводников и улучшим охлаждение. Правда есть нюанс. Мы либо едем, либо не едем. Плавно регулировать скорость движения нам особо не чем. А системы, которые позволят нам при такой конструкции электромобиля управлять скоростью вращения электропривода, будут чудовищно громоздки и неэффективны. И да, такие экспериментальные электромобили работали на некоторых предприятиях ещё в СССР.
А вот теперь война
Война токов разумеется. Полный сюжет одноимённого художественного фильма конечно же вспоминать сейчас не будем (хотя он настоятельно рекомендован к ознакомлению), обойдёмся лишь констатацией факта. В электромобилях, несмотря на батареи постоянного тока, электропривод внезапно решили делать на переменном токе. Так откуда же там берётся переменный ток и вообще зачем такие сложности? После нашего отрицательно успешного эксперимента, который, к слову, реально проводили не только на ВАЗе, но и на УАЗе, ЗАЗе и других предприятиях по всему миру, все так или иначе убедились на практике, что управлять скоростью вращения электродвигателя гораздо эффективнее используя переменный ток. Да не просто переменный ток как в розетке с зафиксированной на 50 Герцах частой, а ещё и с переменной частотой начиная с 0 Герц.
Тогда и сцепление уже не нужно и не нужна коробка передач. А ещё можно сильно упростить конструкцию электродвигателя постоянного тока исключив коллектор со щётками. Вот только в те тёплые ламповые времена не было электроники с требуемой мощностью, чтобы получить переменный ток из постоянного.
И каким же образом нам сделать переменный ток да ещё и частоту этого тока сделать переменной имея под рукой только батарею с постоянным током? Этому могут научить только профессора в ВУЗах и продвинутые модели общего искусственного интеллекта (хотя не факт, что и те и другие правильно понимают все протекающие при этом физические процессы). Нам в рамках данной статьи достаточно знать, что современные электромобили используют инверторы с очень мощными и быстродействующими транзисторами на сотни Ампер и Герц и благодаря им КПД (коэффициент полезного действия) с традиционных для ДВС значений менее 50% в электромобилях превышает 90%. Конечно, ещё и плотность энергии, запасаемая в литиевых батареях, значительно отличается от стартерных АКБ, но о химии мы поговорим в следующий раз в другой статье.
.webp)
Так что Никола Тесла, который и начал первые баталии за переменный ток, слишком сильно опередил время и технологии. Чуть позже его идея победила в промышленных стационарных электроприводах, так как их масса не была проблемой, а преимущества стандартной трёхфазной электросети быстро стали всем очевидны. Но вот в автомобили прогресс пришёл гораздо позже, только в наше время, потому что собрать эффективную электростанцию переменного тока на колёсах и заставить её себя возить оказалось невероятно сложно.
И вот здесь мы наконец то приблизились к ответу на интересующий покупателей электромобилей вопрос. Как вы могли уже догадаться, во всех электромобилях теперь стоят двигатели переменного тока, но они конструктивно почти так же сильно отличаются между собой, как дизельный от бензинового ДВС. Широкое распространение получил электропривод на основе синхронных электромоторов и асинхронных электромоторов, но есть и более сложные конструкции с дополнительными обмотками и разными их вариациями.
Классика для электромобиля – это простейший асинхронный электродвигатель ASM. Он состоит из двух базовых частей. Вращающаяся часть в нём называется ротор. Она принципиально не сильно отличается от рамки из школьного курса за 8 класс. Весь фокус состоит в том, что ток в ней возникает не от батарейки, а от вращающегося магнитного поля, которое генерируют неподвижные обмотки в статоре, которые питаются от батареи через инвертор, который как раз быстрым переключением обмоток и создаёт вращение поля.
Прелесть асинхронного двигателя в исключительной простоте не только по сравнению с двигателем постоянного тока, но и с любыми другими типами двигателей, что делает его самым дешевым в производстве и потенциально самым надёжным (но не в ранних моделях Tesla). Главная особенность всех асинхронных двигателей состоит в том, что скорость вращения ротора на разгоне всегда отстаёт от скорости вращения магнитного поля статора, а на торможении – соответственно его опережает. Эта разница скоростей называется скольжением и добавляет ряд инженерных проблем с плавностью работы и эффективностью системы управления. Можно заметить, что электромобили с таким типом двигателя могут слегка «пинаться», особенно на очень низких скоростях. Конечно совсем не так дискомфортно, как это бывает с автоматической коробкой передач на ДВС, но по сравнению синхронными электромоторами (PSM) разница бывает вполне ощутимая.
В синхронных двигателях переменного тока в роторе установлены мощные постоянные магниты, для производства которых как раз и требуются редкоземельные металлы. Благодаря им, скорости вращения ротора и магнитного поля статора идентичны и нет в системе никакого скольжения. С хорошим инвертором такой двигатель может работать очень плавно и эффективно во всём диапазоне скоростей, да и крутящий момент у него стабильнее и выше при той же массе агрегата. Надёжность синхронных моторов как правило в электромобилях даже выше, так как зачастую у них более простые системы охлаждения из-за меньшего нагрева, как например на Nissan Leaf. Но этот тип двигателей обладает низкой перегрузочной способностью, то есть при перегреве он может размагнититься и потребовать замены. Благо современные системы управления не только умеют в реальном времени точно отслеживать температуру двигателя, но и заблаговременно изменить режим работы, чтобы уменьшить нагрев.
Таким образом, если экономия 2-3% энергии в движении имеет значение, то лучше выбрать синхронный тип электродвигателя. Ещё одним преимуществом этого типа является идеальная работа в режиме торможения двигателем. Энергия движения переходит обратно в батарею с максимальным КПД в районе 90%, тогда как у других типов двигателей рекуперация может быть существенно менее эффективна. Но почему бы не получить всё и сразу? Как вариант – на передней оси асинхронный, на задней оси синхронный двигатель как на Tesla Model 3.
Есть мнение, что редкоземельных металлов на все электромобили не хватит. Поэтому некоторые автопроизводители делают как бы синхронные по своему смыслу двигатели, но без постоянных магнитов. Называются они EESM - двигатели с внешним возбуждением. Магнитное поле ротора в таком случае генерируется специальной дополнительной обмоткой, которая запитывается через скользящие по коллектору щётки. При использовании более сложных инверторов с продвинутыми алгоритмами управления есть возможность точно управлять магнитным полем ротора, что позволяет повысить КПД на 1-2% и не зависеть от Китая, который по факту сейчас контролирует весь рынок редкоземельных металлов. Но как вы могли догадаться – щётки имеют свойство изнашиваться, угольная пыль от них двигателю на пользу не идёт, поэтому их стараются разместить в отдельном пространстве и вообще они могут потребовать замены. Правда, автопроизводители утверждают, что на 100.000 км должно хватать и массовых проблем с надёжностью такой конструкции пока действительно не наблюдается.
Ещё одна вариация конструкции, гибридный синхронный электродвигатель (HSM). В нём ротор с постоянными магнитами дополняется проводниками, которые изменяют форму магнитного поля таким образом, чтобы увеличить эффективность работы. Это позволяет немного сэкономить на магнитах, но значительно усложняет вход в эффективный режим рекуперации, что создаёт некоторую задержку во времени. Впрочем, специалисты говорят, что эта проблема уже решена и рекуперация выходит на номинальный режим работы за незаметные для среднестатистического водителя доли секунды.
Так или иначе, все дальнейшие вариации электродвигателей заключаются в комбинации описанных ранее принципов работы машин переменного тока. Битва как правило уже идёт не за проценты, а за доли процента КПД в районе 98.хх%, а также за дальнейшее расширение пределов регулирования оборотов электромотора от 0 до 20.000 и более, что актуально для мощных спорткаров с максимальной скоростью более 250 км/ч.
.webp "Синхронный мотор с карбид-кремниевым инвертором")
Так что по большому счёту рядовому электромобилисту можно считать, что все электродвигатели одинаковые. По крайней мере они уже потребляют одно и то же электричество не зависимо от типа конструкции, а их надёжность больше зависит от качества компонентов и точности расчётов, чем от самого типа двигателя. Тем более, многие автопроизводители сейчас не раскрывают всех нюансов конструкции электродвигателя даже на специализированных презентациях, довольствуясь лишь общими техническими характеристиками. Ведь на то, на сколько электромобиль в целом энергоэффективен, гораздо сильнее чем электромотор влияют батарея, климатическая система, аэродинамика и даже колёса. Как наглядный пример - Lucid Air, где с виду обычный синхронный мотор, который работает под управлением продвинутого карбид-кремниевого (SiC) инвертора с высоким рабочим напряжением и частотой переключения до 20 000 Гц, демонстрирует рекордную производительность и эффективность.
Поэтому при выборе электромобиля разумно будет сосредоточится не на рекламной информации и поиске желаемого типа электродвигателя, а на комплексной проверке основных потребительских характеристик в реальных условиях эксплуатации, которую могут провести только компетентные независимые эксперты. Не редко случается так, что автопроизводитель экономит на исследованиях и передовых технологиях производства, ошибочно полагая, что использование более дорогого двигателя синхронного типа с использованием большого количества редкоземельных металлов даст ему весомые преимущества над более дешевыми типами электродвигателей.
