Современный авто: вся правда о технологиях и маркетинге.

[Touring*]

Альтернативно, нужна бортовая система хранения энергии в иной форме, с плотностью энергии такой же, или более высокой, чем у бензина или дизеля, и сравнимой скоростью пополнения.

Из доступных сейчас вариантов, водород, и генерирующая электричество бортовая электрохимическая ячейка на его основе.

Легковой электромобиль с водородной ячейкой: плотность энергии 33 кВт-ч/кг, средняя скорость пополнения запаса 55 кВт-ч/минуту, коэффициент преобразования ячейки 0.40-0.60, электропривода 0.70-0.80. Бак в 5 кг водорода даёт 165 кВт-ч запаса энергии, заполняется за 3 минуты, с учётом итоговых потерь при преобразовании (0.45) обеспечивает 75 кВт-ч доступных на трассе. При сумме потерь на движение (расходе энергии) в 15 кВт-ч/100 км это даёт 500 км трассового запаса хода.

[Touring*]

Но, с этой реализацией:

- всё равно теряем 50-60% энергии, уходящей в тепло,
- получение водорода пока что энергоёмко, сопряжено с большими затратами энергии, в итоге в тепло уходит значительно больший процент,
- электрохимические ячейки содержат редкоземельные металлы платиновой группы и поэтому очень дороги, и машина с ними сложна и дорога,
- сохраняется необходимость в бортовой батарее уменьшенной ёмкости, в значительной мере для осуществления рекуперации,
- строительство широкой сети водородных заправок отдельная энергоемкая, капиталоемкая, и сложная задача.

Поэтому пока что менять углеводородную на водородную транспортную систему энергетически и экономически бессмысленно.

[Touring*]

Электромашины.

Самые распространённые, индукционные машины, или AIM, с алюминиевой клеткой ротора, исторически используются в автомобильных стартер-генераторах, их эффективность в основной зоне оборотов и нагрузок равна 78-88%.



Для первого электромобиля от GM разработки начала 90-х, EV1, применили именно такую, но с только медной клеткой ротора, чтобы снизить I2R потери в ней, и за счёт этого повысить эффективность.



Такие же применяли в Тесле в качестве основных в 2004-2019, так как Тесле взяла разработку тех же инженеров, что и стояли за AIM машиной EV1.



Эффективность в основной зоне оборотов и нагрузок здесь уже 80-91%, с учётом эффективности инвертера. Чистая эффективности мотора как такового в этом диапазоне, 84-92%.



Чтобы получить более высокую, нужно снижать потери далее, то есть уходить от клеток в роторе, и I2R потерь в них, и снижать рабочие токи обмоток статора, то есть вообще уходить от AIM, к синхронной машине с постоянными магнитами, PMSM. Становятся нужны мощные постоянные магниты.

Такие были разработаны ещё в середине 80-х, в 86-м была разработана технология серийного их производства, а в 87-м году их впервые применили на экспериментальном электромобиле с PMSM, с внешними магнитами в роторе, на 6 кВт пиковой отдачи.



Во второй половине 90-х появились первые программы точного расчёта и оптимизации машин с магнитами помещенными внутрь ротора, поэтому в 97-м появился первый Prius от Toyota с PMSM. Начиная с 2010-го появились программы точной и быстрой оптимизации, что открыло дорогу к высокоэффективным PMSM машинам (BMW i3, GM Bolt, Tesla 3, VW ID, Toyota bz4x).



Что до первого поколение Prius-а от Toyota, образцы 1997-2003, его PMSM шла с простым радиальным расположением магнитов, внутри ротора. Honda в своих гибридах использовала PMSM с внешне размещенными магнитами, в силу того что её гибридная трансмиссия работала на более низких оборотах, что в свою очередь не требовало насколько надёжного их закрепления, как внутри ротора.



Во втором поколении Prius-а от Toyota, образца 2003-го, магниты в роторе расположены в роторе в форме V, более оптимально. Тогда же стали в большей мере использовать реактивный эффект (30%), для повышения плотности мощности, и повышения компактности агрегатов. Дальше, с развитием программ моделирования, появились конфигурации V+дельта (Nissan Leaf образца 2010-го), и двойная V (GM Volt образца 2010-го), также активно использовавшие реактивность.



В третьем поколении Prius-а от Toyota, образца 2009-го, магниты расположены в форме V, и сделаны выборки в ламинации ротора, так, чтобы использовать ещё больше реактивного эффекта (40%), для повышения крутящего момента, и снижения количества магнитов.



Впоследствии стали искать, как же снизить в PMSM количество магнитов, например заменяя более дорогие неодим-боронные более дешёвыми ферритовыми, и снизить за счёт этого стоимость электромашин. Попутно, как ещё сильнее использовать реактивный эффект. Как пример, вторая, дополнительная электромашина гибрида GM Volt образца 2016-го, по количеству момента она уже больше синхронная реактивная c постоянными магнитами, или SynRM+PM. Эффективность её при этом чуть ниже, но и стоимость тоже.



Такой же дорогой идёт сейчас и Tesla, их основная машина моделей 3 и Y уже с постоянными магнитами, синхронная реактивная, SynRM+PM. Фото её ротора, с магнитами в форме V.



Начиная с 2019-го такая же идёт и на моделях S и X, они наконец-то перешли на неё с менее эффективной основной AIM.




Сильно использует реактивный эффект и высокоэффективная PMSM от Toyota, устанавливаемая на bz4x и RZ450e образца 2022-го. Опыт пяти поколений Prius-ов не прошёл для компании даром.



Как и современная PMSM такого же плана от концерна VW, используемая на его линейке ID, стартовавшей в 2020-м. Её измеренная эффективность в основной зоне оборотов и нагрузок равна 82-96%, с учётом эффективности инвертера. Чистая эффективности мотора как такового в этом диапазоне, 86-97%.



На полноприводных вариантах линейки ID у VW дополнительно используется передняя AIM машина, с алюминиевой клеткой ротора. Так технологичнее и дешевле, чем с медной, хоть и чуть менее эффективно. Для эффективности там есть основная PMSM, на которой эти автомобили в основном и ездет, в том числе полноприводные. Передняя используется только эпизодически.

У Tesla на полноприводных вариантах также применятся передняя AIM, с алюминиевой клеткой ротора, и тоже используется там только эпизодически. Ротор основной, задней SynRM+PM, слева, а ротор передней AIM, справа.



Ищут и как полностью уйти от постоянных магнитов в роторе, и одновременно унифицировать машины для передней и задней осей в полноприводном варианте. Самый простой способ, это заменить постоянные магниты на электрические. Однако, данный шаг приводит к появлению изнашиваемого дорожечно-щёточного узла их питания.



Также, повышает I2R потери в статоре, и приводит к появлению их в роторе, но в меньшей мере чем с AIM. Одновременно, снижает потери в ламинации статора.



Такие электромашины на городских оборотах и нагрузках на 2-8% менее эффективны, чем PMSM, однако примерно на 2% более эффективны при трассовом использовании. Их сейчас применяют Renault и BMW, также их предлагает поставщик Vitesco (экс-Continental).



Чтобы уйти в них от изнашиваемого дорожечно-щёточного узла, применяют индукционный бесконтактный, так например делает поставщик Mahle.



Электроавтомобили с такими электромашинами должны в ближайшем будущем выйти на рынок.

[Touring*]

Редукторы.

Измеренная эффективность одноступенчатого, с учётом дифференциала, в основном диапазоне нагрузок, 90-96%.



Данные потери можно снизить, отказавшись от дифференциала, и применив вместо одного два электромотора, оба с планетарными редукторами, как это например сделали в Ауди, на задней оси серийной модели e-tron S. Вдобавок это даёт возможность векторизации тяги.

Но это обходится весьма дорого, ведь два мотора с отдельными инвертерами, и два планетарных редуктора стоят гораздо дороже одного мотора и инвертера, и одного параллельно-осевого редуктора с дифференциалом.

Или же, можно вообще убрать и дифференциалы и редукторы, как это сделали в прототипах MB EQXX и Lightyear 0 с четырьмя мотор-колёсами. Идеальная векторизация тяги, трансмиссионных потерь нет, полуосей нет, удобство компоновки салона, но это тоже пока слишком сложно и дорого.

[Touring*]

Зарядные устройства.

Потери при зарядке переменным током зависят от рабочего тока, и от устройства зарядного конкретной модели. Измеренный ADAC диапазон потерь составляет 6-24%.



При скоростной зарядке постоянным током потери снижаются вплоть до 1%, но она не очень хороша для срока службы ячеек батареи.

[Touring*]

Вот та первая PMSM электромашина 87-го года, от GM Research Lab: 7 кВт кратковременных пиковых, 3 кВт долговременных.



И электромобиль того же года, в котором она стояла, с фотоэлектрическими ячейками на корпусе.

[ershov]

Поставил бы много плюсов, жаль электрички мне не по душе. Но за информацию, как минимум для общего развития, за её объем, полноту - однозначно огромный респект

[Joe]

*Чтобы не спамить в теме про "умерший форум".
Саша, а как ты представляешь себе утилизацию батареек при массовом переходе на электоротягу? И как будем решать проблему с ограниченностью редкоземельных элементов, необходимых при производстве?

[Touring*]

Редкую землю, кобальт, и даже менее редкий никель, из катода уже успешно убрали, в LFP композиции.

Переход с кобальта был заложен ещё в ранних работах Таккерэя с хаусманнитом, марганцевой шпинелью Mn3O4, сделанных у нобелевского лауреата Гуденафа, в его лаборатории в Оксфорде, в начале 80-х.

Сам Гуденаф изобретатель базовой кобальтовой LiCoO2 (LCO) слоистой композиции катода, в 1979-м. За что в 2019-м и получил Нобеля по химии, когда была осознана важность перезаряжаемых литиевых батарей для общества. Вернее, он автор идеи применения для катода литий-оксида металла, а подобрал именно что оксид кобальта в 80-м его сотрудник и соавтор, Мицусима.

Дальнейшие работы привели к созданию работоспособной при комнатной температуре LiMn2O4-шпинель композиции катода (LMO), не содержащей кобальта.

Также были сделаны работы по замещению кобальт оксида CoO2 на более сложный никель-марганец-кобальтовый, Ni0.33Co0.33Mn0.33O2 (NCM). Если ещё более точно, то NCM333, с меньшим количеством кобальта, чем в LCO.

Всё это дало первую сравнительно пожаробезопасную, ёмкую и недорогую пакетную ячейку, базирующуюся на LMO. Такая LMO-NСM ячейка, производимая LG, была использована в 16 кВт-ч батарейном блоке бензоэлектрического гибрида GM Volt. Подобная, производимая NEC, была использована в 24 кВт-ч батарейном блоке "чистого" электромобиля Nissan Leaf. Обе машины были запущены в производство в начале 2010-х, по коммерческой готовности этих ячеек.

В дальнейшем, в 2010-х, были разработаны NCM523, NCM622, NCM711 и NCM811 композиции, со всё меньшим количеством кобальта, но всё большим никеля, для повышения плотности энергии.

Настолько же давно, в начале 80-х, Таккерэй предложил использовать и спинель железа, или магнетит, Fe3O4. В конечном итоге проработка этого направления привела Гуденафа в 96-м году к использованию не спинель, а оливинной структуры, фосфата железа, FePo4, и ячейки LiFePo4 (LFP) типа.

Сейчас, в 21-м, когда патент Гуденафа 96-го года истёк, китайцы выводят LFP на рынок.

Например, BYD, в длинной алюминиевой корпусировке модулей, на всю ширину батарейного блока, или же "Blade Cell-To-Pack", 96x1.35x9 см.



На уровне этих модулей они вышли на 168 Вт-ч/кг, и 424 Вт-ч/л. Для 70 кВт-ч батарейного блока это даёт 420 кг, и 165 л модулей. Если учесть корпус батарейного блока, то 470 кг и 210 л.

Стоимость уже ниже $100/кВт-ч, за счёт исключения и кобальта, и никеля, для самой BYD она скорее всего на уровне $60/кВт-ч. То есть, 70 кВт-ч батарейный блок стоит ей примерно $4,000.

3,000 циклов до 80% падения ёмкости, календарный срок службы более 15 лет, высокая стабильность и низкая пожароопасность.

Это всё очень сложно, но возможно. Химики, большие молодцы, хоть и труд их для общества почти незаметен. Надо про всё это написать подробнее, с картинками, когда будет время.

[YuriV6]

Все уже давно придумано и продается на ебае

[Touring*]

Tonale была похоже последней машиной разработки Fiat, с использование компонент от Tier1 поставщиков, дальше будут клоны Пежо.