Как работает электромобиль.

В последнее время информацию об электромобилях все чаще можно увидеть в СМИ и на это есть ряд причин. Электромобили меньше загрязняют атмосферу чем аналогичные автомобили с бензиновым двигателем. Они приводятся в движение с помощью электрических моторов и внешне мало отличается от своих бензиновых братьев. В большинстве случаев электромобили создаются путем доработки автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), такой случай мы и рассмотрим . Единственное, что выдает электромобиль при движении — это тишина. Если заглянуть под капот, то у автомобилей с ДВС и электромобилей достаточно различий. Двигатель электромобиля получает питание от контроллера, который подключен к аккумуляторным батареям.
Один из электромобилей начал свою жизнь в 1994 году как бензиновый и назывался Geo Prism. Давайте рассмотрим изменения, которые произвели инженеры, чтобы сделать из классического автомобиля с ДВС электромобиль.
Был удален бензиновый двигатель вместе с глушителем, катализатором, выхлопной трубой, бензобаком и сцепление.
Осталась коробка передач с постоянно включенной второй передачей, которая соединялась с двигателем переменного тока с помощью адаптера.
Пятьдесят 12 вольтовых свинцово-кислотных аккумуляторов размещаются в полу электромобиля, разделенном на два отсека по 25 штук, создающие напряжение 300 вольт.
Были добавлены электродвигатели, для тех узлов, которые раньше приводились в движение от бензинового двигателя: водяной насос, насос гидроусилителя руля и кондиционера.
Также был добавлен вакуумный насос, необходимый для работы тормозов.
Переключатель коробки передач был заменен на двухпозиционный переключатель, имеющий положение вперед и назад.
Для поддержания заданной температуры в салоне был добавлен небольшой электрический нагреватель.

Было добавлено зарядное устройство для подзарядки батареи, на самом деле этот автомобиль имеет две цепи зарядки от 120 вольт и от 240 вольт, а также панель для индуктивной зарядки — Magna.
Датчик топлива был заменен вольтметром, который отслеживал напряжение на аккумуляторах.
Остальные части машины остались без изменений и процесс вождения остался таким же.
Давайте рассмотрим некоторые статистические моменты:

• Максимальная скорость автомобиля может достигать 80 км/ч;
  
• Разгон до 60 км/ч за 15 секунд;
  
• Для подзарядки автомобиля после 80-километровой поездки необходима энергия 12 киловатт-часов;
  
• Вес батареи составляет около 500 кг;
  
• Срок службы батареи составляет 3–4 года;
  

Сравним себестоимость километра при поездке на электромобиле и бензиновом автомобиле.
Стоимость электроэнергии в Северной Каролине составляет около 8 центов за один киловатт днем и 4 цента в ночное время. Это означает, что зарядка обойдется 1$ или 50 центов в ночное время. Максимальная себестоимость одного километра на электромобиле равняется 1,25 цента. Если стоимость бензина, на момент написания статьи, равна 40-ка центам за 1 литр, а в среднем на литр можно проехать 10 километров, то себестоимость одного километра на бензиновом двигателе составляет 4 цента. Очевидно, что топливо для электромобилей стоит гораздо дешевле, а если учесть, что в среднем человек, живущий в городе проезжает около 30–40 километров в день, то выходит немалая сумма. Однако, чтобы быть полностью честными, стоит учитывать также стоимость замены батареи. Цены на данные батареи начинаются от 2000$, а срок службы такой батареи порядка 30000 километров или 0,67 цента за километр. Теперь становится понятна причина ажиотажа вокруг топливных элементов.
Компоненты электромобиля.

Сердце электромобиля включает в себя:

• Электродвигатели;
  
• Контроллер электродвигателей;
  
• Батареи;
  

Контроллер получает энергию от батареи и передает ее двигателям. Педаль газа соединена с парой потенциометров, которые сообщают контроллеру какую мощность необходимо сообщить двигателям. В зависимости от силы нажатия на педаль, контроллер может изменять мощность, потребляемую двигателем от 0 до 100%. 
Под капотом можно увидеть трехсотвольтовый, пятидесятикиловаттный контроллер. В этом автомобиле, на контроллер приходит 300 вольт постоянного напряжения, которые он преобразует в трехфазное напряжение амплитудой 240 вольт. Как происходит это преобразование можно прочитать в статье как работает инвертор.(ссылку)
Потенциометры, подключенные к педали газа, отправляют информацию на контроллер, далее контроллер, опираясь на данную информацию, посылает необходимое количество энергии к двигателям. Возникает вопрос для чего нужны два потенциометра? Это позволяет избежать непредвиденной ситуации в случае отказа одного из потенциометров. Количество энергии, которую контроллер направляет к двигателю регулируется с помощью ШИМ, надо сказать, что ШИМ работает на частоте, выше частоты слышимого диапазона. Таким образом, если педаль газа нажата на 25%, то в течение 25% процентов периода будет подаваться энергия к двигателю, остальные 75% периода энергия на двигатель подаваться не будет.

Ранее мы рассмотрели работу контроллера постоянного напряжения, давайте рассмотрим работу контроллера переменного напряжения. Его задача заключается в создании трехфазного напряжения с частотой 60 Герц для питания моторов. Делает он это следующим образом, считывая данные с потенциометров и анализируя их, ШИМ контроллер генерирует сигнал определенной скважности. Этот сигнал, для усиления, поочередно подается на пару транзисторов. Далее, усиленный сигнал подается на одну из пар транзисторов, включенных по мостовой схеме. Подобный контроллер может питать двигатель мощностью до 50 киловатт.
Электродвигатели и батареи.
В электромобилях могут применяться двигатели постоянного и переменного тока:

• Рабочее напряжение двигателей постоянного тока находится в диапозоне от 96 вольт до 192 вольт, многие двигатели были позаимствованы из электропогрузчиков;
  
• Рабочее напряжение двигателя переменного тока составляет в основном 240 вольт;
  

Установки постоянного тока, как правило, проще и дешевле. В такой установке, мощность двигателя постоянного тока от 20 до 30 киловатт, а мощность контроллера от 40 до 60 киловатт (например, ток, который может отдать контроллер на 96 вольт колеблется от 400 до 600 ампер). Особенность двигателей постоянного тока в том, что они устойчивы к кратковременным перегрузкам, превышающим номинальные в 10 раз. Данную особенность используют для коротких ускорений, правда,есть одно ограничение, при такой работе длительное время двигатель может перегреться.
Установки переменного тока позволяют использовать практически любой трехфазный промышленный двигатель. Часто двигатели переменного тока имеют функцию рекуперации, которая во время торможения превращает двигатель в генератор. На данный момент слабым звеном электромобиля является батарея.



Существует как минимум шесть проблем связанных со свинцово-кислотными батареями:

• Они тяжелые, типичная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея весит около полутоны;
  
• Они громоздки, автомобиль содержит 50 батарей, каждая размером 6x8x6 сантиметров;
  
• У них малая емкость, обычная свинцово-кислотная батарея может отдать от 12 до 15 киловатт-часов электроэнергии, которая позволит проехать автомобилю до 50 километров;
  
• Они медленно заряжаются, длительность процесса зарядки от 4 до 10 часов и зависит от емкости батареи и зарядного устройства;
  
• У них малый срок службы, от трех до четырех лет или 200 циклов заряда/разряда;
  
• Они дорого стоят, на рассмотренном нами автомобили стоимость батареи составляет около 2000$;
  

Можно попробовать заменить свинцово-кислотную батарею на никель-металл-гидридную (NiMH). Срок службы батареи удвоится, а стоимость увеличится в 10–15 раз. Другими словами, аккумулятор NiMH будет стоить от 20000$ до 30000$, вместо 2000$.
Практически в любом электромобиле есть 12 вольтовый аккумулятор, который обеспечивает питанием фары, радио, вентиляторы, подушки безопасности, стеклоочистители, электрические стеклоподъемники. Поскольку эти устройства легко доступны и для них определен стандарт питания 12 вольт, имеет смысл использовать их, а не разрабатывать новые. Чтобы 12 вольтовая батарея не разряжалась очень быстро, необходим преобразователь, который будет преобразовывать напряжение основного аккумулятора, например, 300 вольт, в 12 вольт для зарядки вспомогательного аккумулятора. Когда автомобиль работает, 12 вольтовые потребители питаются от преобразователя, если автомобиль выключен они получают питание от аккумулятора, как и в любом автомобиле с ДВС. Конвертер постоянного тока в постоянный, как правило, располагается в отдельной коробке под капотом, но бывает встроен в контроллер.
Зарядка электромобиля.
Любой электромобиль, который использует аккумуляторы необходимо заряжать.
Система зарядки состоит из двух цепей, цепи зарядки и цепи контроля зарядки. В сложных системах зарядки контроллер отслеживает ток и температуру батареи, чтобы минимизировать время зарядки. Менее сложные системы зарядки, отслеживают напряжение или ток и на основе предположений о характеристике батареи регулируют их. Например, зарядное устройство может выдавать максимальный ток, пока батарея не зарядится до 80% от своей емкости, а затем значительно снизить силу тока до конца зарядки. Делается это, чтобы избежать перегрева батареи.



Электрический автомобиль Jon Mauney's включает в себя две системы зарядки, одна от сети 120 или 240 вольт, другая, так называемая зарядка Magna-Charge, применяемая в автомобиле GM — Saturn EV-1. Давайте рассмотрим каждую из них. Обычная система зарядки от 120 или 240 вольт обладает одним преимуществом — это доступность, везде можно найти розетку, чтобы зарядить автомобиль, а недостаток — это время зарядки. Обычно, ток бытовой розетки ограничивает 15 амперный автомат, таким образом, количество энергии, которое может получить автомобиль от сети равняется 1,5 киловатта в час. Для полной зарядки электромобиля Jon Mauney's потребуется от 10 до 12 часов.
Подключении к сети с напряжением 240 вольт, позволит уменьшить время зарядки в 2 раза.
В этом автомобиле заливная горловина была заменена на разъем для подключения зарядного устройства.
Система зарядки Magna-Charge.
Система зарядки Magna-Charge состоит из двух частей:

• Зарядная станция установленная на стене дома;
  
• Система зарядки в багажнике электромобиля;
  

Зарядная станция, через панель дома, подключена к сети 240 вольт через 40 амперный автомат. Зарядка электромобиля происходит через индуктивную панель, которая представляет собой половинку трансформатора, другая половина трансформатора расположена в отсеке за номером автомобиля. Одно из преимуществ индуктивной системы в том, что нет отрытых электрических контактов.