XIX век
La Jamais Contente, 1899 г.
Электромобиль появился раньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан в 1841 году.
В 1899 году в Санкт-Петербурге русский дворянин и инженер-изобретатель Ипполит Романов создал первый русский электромобиль. Его общая компоновка была заимствована у английских кэбов, где извозчик располагался на высоких ко́злах позади пассажиров. Экипаж был двухместным и четырёхколёсным, передние колёса по диаметру были больше задних. На первом электромобиле использовался свинцовый аккумулятор системы Бари, имевший 36 банок (вольтовых столбов). Он требовал подзарядки каждые 60 вёрст (~64 километра). Суммарная мощность автомобиля составляла 4 лошадиные силы. Разработка экипажа была заимствована у моделей американской фирмы «Моррис-Салом», которая выпускала автомобили с 1898 года. Электромобиль изменял скорость движения в девяти градациях от 1,6 до 37,4 км/час.
Электромобиль La Jamais Contente 29 апреля либо 1 мая 1899 года установил рекорд скорости на суше. Он первым в мире преодолел скорость 100 км/ч и достиг скорости 105,882 км/ч. Известный американский конструктор электромобилей Уолтер Бейкер получил скорость 130 км/ч. А электромобиль фирмы «Борланд Электрик» проехал от Чикаго до Милуоки (167 км) на одной зарядке. На следующий день (после перезарядки) электромобиль вернулся в Чикаго своим ходом. Средняя скорость составила 55 км/ч.
[править] Первая половина XX века
Изначально запас хода и скорость у электрических и бензиновых экипажей были примерно одинаковыми. Главным минусом электромобилей была сложная система подзарядки. Поскольку тогда ещё не существовало усовершенствованных преобразователей переменного тока в постоянный, зарядка осуществлялась крайне сложным способом. Для подзарядки использовался электромотор, работавший от переменного тока. Он вращал вал генератора, к которому были подсоединены батареи электромобиля. В 1906 году был изобретён сравнительно простой в эксплуатации выпрямитель тока, но это существенно проблему подзарядки не решило.
|
|
В первой четверти XX века широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В 1900 году примерно половина автомобилей в США была на паровом ходу, в 1910-х в Нью-Йорке в такси работало до 70 тысяч электромобилей. Значительное распространение в начале века получили и грузовые электромобили, а также электрическиеомнибусы (электробусы).
Томас Эдисон у электромобиля Detroit Electric
1973 GM
Энциклопедия Брокгауза Ф. А. и Ефрона И. А. описывает электромобили следующим образом:
| Самым многообещающим типом автомобиля в будущем можно считать электрический, но пока он ещё недостаточно усовершенствован. Электрические двигатели не дают ни шума, ни копоти, они, бесспорно, удобнее и совершеннее всех других, но А. должен вести свой источник энергии: аккумуляторную батарею, которая пока ещё слишком тяжела и непрочна. Поэтому невозможно возить с собою запас энергии на длинный путь, а вновь заряжать аккумуляторы и заменять истощённые другими возможно лишь при езде в городах или от одной специально устроенной станции до другой. Существуют уже более лёгкие аккумуляторы Эдисона, но они ещё не получили распространения, так как, вероятно, ещё недостаточно усовершенствованы своим изобретателем. Электрические А. были пущены в обращениеJeantaud и многими другими с самого начала автомобилизма: на конкурсе 1904 г. в Париже были даже, по-видимому, парадоксальные А. Жанто и Крижера: газолиново-электрические, действовавшие недурно. В нём газолиновый мотор приводил в движение динамо-машину, которая давала ток для электрического двигателя; оказалось, что такаяэлектрическая трансмиссия поглощает процентов на 20 меньше энергии, чем обыкновенная механическая и удобна для регулирования скорости. |
|
[править] Вторая половина XX века
|
|
Возрождение интереса к электромобилям произошло в 1960-е годы из-за экологических проблем автотранспорта, а в 1970-е годы и из-за резкого роста стоимости топлива в результате энергетических кризисов.
Однако после 1982 года интерес к электромобилям снова спал. Это было вызвано резким изменением конъюнктуры на нефтяном рынке и слабыми эксплуатационными показателями опытных партий из-за недостатков химических источников энергии.[2]
В начале 90-х годов штат Калифорния был одним из самых загазованных регионов США. Поэтому Калифорнийским Комитетом Воздушных Ресурсов (CARB) было принято решение — в 1998 году 2 % продаваемых в Калифорнии автомобилей не должны производить выхлопов, а к2003 году — 10 %. Компания General Motors отреагировала одной из первых и с 1996 года начала серийный выпуск модели EV1 с электрическим приводом. Некоторые автопроизводители также начали продажи электромобилей в Калифорнии. Основной массой пользователей EV1 стала голливудская богемная публика. Всего с 1997 года в Калифорнии было продано около 5500 электромобилей разных производителей.
|
|
Затем требование нулевой эмиссии было заменено на требование низкой эмиссии. Почти все произведённые электромобили в 2002 году были изъяты у пользователей и уничтожены (только Toyota оставила некоторым владельцам электрические RAV-4). В качестве причины называлось окончание срока службы аккумуляторов.[ источник не указан 31 день ] GM отказала арендаторам EV1 в предложении выкупить электромобили. Также GM скрывала от них намеренность уничтожить изъятые EV1. Подробно об этой истории рассказывается в научно-популярном фильме 2006 года «Кто убил электромобиль?» (англ. Who killed electric car?).
[править] XXI век
В последние годы в связи с непрерывным ростом цен на нефть электромобили вновь стали набирать популярность. В репортаже CBS News «Could The Electric Car Save Us?» (англ.)сообщается, что в 2007 г. вновь началось развёртывание промышленного производства электромобилей. В связи с этой тенденцией режиссёр фильма «Кто убил электромобиль?» Chris Paine планирует выпустить продолжение под названием «Кто спас электромобиль?».
По распоряжению мэра Москвы в 2007 г. в городе началась опытная эксплуатация электромобилей. Было закуплено 8 малотоннажных грузовиков и 2 автобуса. По итогам опытной эксплуатации техники Департамент транспорта и связи Москвы представит на рассмотрение правительства Москвы проект распорядительного документа по использованию электромобильной техники для обеспечения внутригородских грузовых и пассажирских перевозок.
30 марта 2007 года впервые в России электромобиль, переоборудованный Игорем Корховым из обычного автомобиля, получил заключение по допуску к участию в дорожном движении и был зарегистрирован в органах ГИБДД благодаря помощи научного работника и общественного деятеля Юрия Юрьевича Шулипы.
В 2009 году в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете сконструировали первый в России солнечный электромобиль (СЭМ). За ночь его можно зарядить от обычной электророзетки, а днём он питается от солнечных батарей расположенных на капоте. Скорость СЭМа — 40 км/час, а запас хода на одной зарядке аккумуляторной батареи — 60 километров. Электродвигатель мощностью 3 кВт[3].
22-23 мая 2010 года переделанная в электромобиль Daihatsu Mira EV, творение Японского клуба электромобилей, проехала 1003,184 километра на одном заряде аккумулятора.[4]
24 августа 2010 года электромобиль «Venturi Jamais Contente» с литий-ионными аккумуляторами, на солёном озере в штате Юта, установил рекорд скорости 495 км/ч на дистанции в 1 км. Во время заезда автомобиль развивал максимальную скорость 515 км/ч[5].
27 октября 2010 года электромобиль «lekker Mobil» конвертированный из микровэна Audi A2 совершил рекордный пробег на одной зарядке из Мюнхена в Берлин длиной 605 км в условиях реального движения по дорогам общего пользования, при этом были сохранены и действовали все вспомогательные системы, включая отопление. Электромобиль с электродвигателем мощностью 55 кВт был создан фирмой «lekker Energie» на основе литий-полимерного аккумулятора «Kolibri» фирмы «DBM Energy». В аккумуляторе было запасено 115 кВт·ч, что позволило электромобилю проехать весь маршрут со средней скоростью 90 км/ч (максимальная на отдельных участках маршрута составляла 130 км/ч) и сохранить после финиша 18 % от первоначального заряда. По данным фирмы DBM Energy электропогрузчик с таким аккумулятором смог непрерывно проработать 32 часа, что в 4 раза больше, чем с обычным аккумулятором. Представитель фирмы «lekker Energie» утверждает, что аккумулятор «Kolibri» способен обеспечить суммарный ресурсный пробег до 500 000 км[6].
29 ноября 2010 года победителем конкурса Европейский автомобиль года впервые объявлен электромобиль модели Nissan Leaf, получивший 257 очков[7].
В октябре 2011 года в России начал продаваться первый электромобиль — Mitsubishi i-MiEV. За первые три месяца был продан 41 электромобиль. Министерство энергетики СШАназвало i-MiEV самым экономичным автомобилем (https://www.fueleconomy.gov/feg/topten.jsp). Mitsubishi i-MiEV получил «Экологический знак качества» общероссийской общественной экологической организации «Зеленый патруль».
Сравнение с другими транспортными средствами
Электромобили отличаются низкой стоимостью эксплуатации. Ford Ranger потребляет 0,25 кВт·ч на один километр пути, Toyota RAV4 EV — 0,19 кВт·ч на километр. Средний годовой пробег автомобиля в США составляет 19 200 км (т. е. 52 км в день). При стоимости электроэнергии в США от 5 до 20 центов за кВт·ч стоимость годового пробега Ford Ranger составляет от $240 до $1050, RAV-4 — от $180 до $970.
В России стоимость электроэнергии — порядка 12 центов (3.8 руб) за кВт·ч по дневному тарифу и около 3 центов (0.95 руб) за кВт·ч ночью[8]. Таким образом, стоимость эксплуатации электромобиля в России будет существенно ниже, чем в США, поскольку заряжаться он будет скорее всего ночью.
КПД тягового электродвигателя составляет 88 — 95 %.
Существует мнение, что низкий уровень шума электромобилей может создавать проблемы — пешеходы, переходя дорогу, зачастую ориентируются на звук автомобиля. Разумеется, резкий шум работающего мощного электродвигателя трудно с чем-то спутать, шум электроприводов троллейбуса (в основном воздушных компрессоров и вентиляторов в старых моделях), механических передач (дифференциал и карданная передача), электрокара, поезда метро широко известен, так что электромобилю необходимо обычное для транспорта шумоподавление. Да и шум современного автомобиля на небольшой скорости очень мал, в основном это шум трения колёс об асфальт, гравий или другое покрытие. Однако при использовании маломощных двигателей, как, например, в трамваях, шум действительно практически отсутствует и на некоторых выпускаемых электромобилях искусственно повышают уровень шума при скоростях до 30 км/ч.
[править]Сравнение с автомобилями оснащенными ДВС
Здесь стоит учесть, что ДВС могут питаться не только углеродосодержащим топливом, но и водородом.
[править]Преимущества
§ Отсутствие вредных выхлопов в месте нахождения автомобиля.
§ Более высокая экологичность ввиду отсутствия необходимости применения нефтяного топлива, антифризов, моторных масел, а также фильтров для этих жидкостей.
§ Простота техобслуживания, большой межсервисный пробег, дешевизна ТО и ТР[2].
§ Низкая пожаро- и взрывоопасность при аварии.
§ Простота конструкции (простота электродвигателя и трансмиссии; отсутствие необходимости в переключении передач ввиду высокой приспособляемости крутящего момента ТЭД к изменениям внешней нагрузки, низкой устойчивой частоты вращения вала электродвигателя, возможности его реверсирования) и управления, высокая надёжность и долговечность экипажной части (до 20—25 лет) в сравнении с обычным автомобилем.
§ ДВС является источником возникновения динамических нагрузок и крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля и источником вибраций, передающихся несущей конструкцииавтомобиля, на электромобиле ТЭД динамически уравновешен.[9]
§ Возможность подзарядки от бытовой электрической сети (розетки), но такой способ в 5—10 раз дольше, чем от специального высоковольтного зарядного устройства.
§ Автомобиль с электроприводом — единственный вариант применения на легковом автотранспорте дешевой (по сравнению с нефтяным или водородным топливом) энергии, вырабатываемой АЭС, ГЭС и т. п.
§ Массовое применение электромобилей смогло бы помочь в решении проблемы «энергетического пика» за счёт подзарядки аккумуляторов в ночное время.
§ ТЭД имеют КПД до 90-95 % по сравнению с 22-42 % у ДВС[10].
§ Меньший шум за счёт меньшего количества движимых частей и механических передач.
§ Высокая плавность хода с широким интервалом изменения частоты вращения вала двигателя.
§ Возможность подзарядки аккумуляторов во время рекуперативного торможения.
§ Возможность торможения самим электродвигателем (режим электромагнитного тормоза) без использования механических тормозов — отсутствие трения и соответственно износа тормозов.
§ Простая возможность реализации полного привода и торможения путем применения схемы «мотор-колесо», что позволяет, помимо прочего, легко реализовать систему поворота всех четырех колес, вплоть до положения перпендикулярного кузову электромобиля.
[править]Недостатки
Аккумулятор электромобиля
§ Аккумуляторы за полтора века эволюции так и не достигли характеристик, позволяющих электромобилю на равных конкурировать с автомобилем по запасу хода и стоимости, несмотря на значительное усовершенствование конструкции. Имеющиеся высокоэнергоёмкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения драгоценных или дорогостоящих металлов (серебро, литий), либо работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрий-серного аккумулятора — более 300 °С). Кроме того, такие аккумуляторы отличаются высоким саморазрядом. Одним из перспективных направлений стала разработка никель-металл-гидридных аккумуляторов с оптимальным соотношением энергоёмкости и себестоимости, однако из-за патентных ограничений на NiMH-аккумуляторы[11] на электромобилях вынуждены применять свинцово-кислотные АКБ. Впрочем, энергоёмкость таких АКБ увеличилась за XX век в 4 раза (до 40—45 Вт·ч/кг) и они не требуют обслуживания в течение всего срока службы. Значительно повысить отдачу от аккумуляторов позволило применение электронных систем оперативного контроля за состоянием и зарядкой-разрядкой АКБ. Возможно выходом из этой ситуации будет применение топливных элементов, в частности дешевеющих PEM-элементов.
§ Аккумуляторы хорошо работают при движении электромобиля на постоянных скоростях и при плавных разгонах. При резких стартах тяговые АКБ теряют много энергии. Для увеличения пробега электромобиля необходимы специальные стартовые системы, например, на конденсаторах, а также применение системрекуперации энергии (экономия до 25 %).
§ Проблемой является производство и утилизация аккумуляторов, которые часто содержат ядовитые компоненты (например, свинец или литий) и кислоты.
§ Часть энергии аккумуляторов тратится на охлаждение или обогрев салона автомобиля, а также питание прочих бортовых энергопотребителей (например, свет или воздушный компрессор). Предпринимаются усилия, чтобы решить эту проблему с использованием топливных элементов, ионисторов и фотоэлементов.
§ Для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов («автозарядные» станции).
§ При массовом использовании электромобилей в момент их зарядки от бытовой сети возрастают перегрузки электрических сетей «последней мили», что чревато снижением качества энергоснабжения и риском локальных аварий сети.
§ Длительное время зарядки аккумуляторов по сравнению с заправкой топливом.
§ Малый пробег от одного заряда. Литиевая батарея ёмкостью 24 кВт·ч при средних условиях движения (60-90 км/ч, ближний свет фар (фары на светодиодах), без отопления салона, без кондиционера) позволяет электромобилю проехать около 160 км. Использование кондиционера, отопителя салона, движение с частым разгоном/торможением, движение со скоростью более 90-100 км/ч, загрузка электромобиля пассажирами или грузом уменьшают пробег от одного заряда до 2-х раз (до 80 км).
§ Высокая стоимость литиевых батарей, или высокий вес достаточно ёмких свинцовых батарей. Литиевая батарея ёмкостью 24 кВт·ч стоит порядка 6000-9000 $ (даёт около 160 км пробега). Свинцовые батареи весом порядка 400 кг позволяют иметь пробег всего около 80 км, к тому же свинцовые батареи очень не любят глубокого разряда. Использование большего количества свинцовых батарей приводит к перегрузке электромобиля, а использование литиевых батарей большей ёмкости сильно удорожает электромобиль. Другие типы батарей в электромобилях практически не используются.
§ Ухудшение характеристик (ёмкости, при заряде и при расходе энергии) батарей на холоде.
§ Деградация литиевых и других батарей с возрастом. В лучших моделях литиевых батарей через 5-8 лет остается менее 80 % емкости.
§ Мощность вырабатываемая всеми современными электростанциями значительно меньше, чем мощность всех современных автомобилей. Вырабатываемой энергии не хватит на одновременную зарядку очень большого количества электромобилей.