האם מכונית חשמלית פשוטה בדיוק כמו הרכבת מצבר ומנוע

הזמן מתאים והמקום נכון, וכל חברות הרכב החשמלי הסיניות תפוסות. נראה שסין הפכה למרכז תעשיית הרכב החשמלי בעולם.

למעשה, בגרמניה, אם היחידה שלך לא מספקת ערימות טעינה, ייתכן שתצטרך לקנות אחת בעצמך. על מפתן הדלת. עם זאת, אנחנו תמיד דנים מדוע כל כך הרבה חברות רכב גרמניות מצוינות לא יכולות לייצר טסלה, ולא קשה למצוא את הסיבות כעת.

בשנת 2014 פרסם פרופסור ליאנקמפ מהאוניברסיטה הטכנית של מינכן ספר חדש "סטטוס ניידות חשמלית 2014", שהוא בחינם ופתוח לחברה, ואמר: "למרות שלרכבים חשמליים יש פגמים שונים, מעולם לא ראיתי מכונית ש כבר בבעלותו ניידת חשמלית. נהג המכונית, היכנס מחדש לחיבוק של המכונית המסורתית. אפילו המכונית החשמלית הנפוצה ביותר מביאה לך את חדוות הנהיגה, שאין כמותה לרכב בנזין". מכונית כזו באמת יכולה לגרום לבעל הרכב לא להתחדש לזרוק בחזרה לזרועות המכוניות המסורתיות?

כפי שכולנו יודעים, הלב של רכב חשמלי הוא המצבר.

לרכב חשמלי רגיל, במבחן התקן האירופאי, צריכת האנרגיה ל-100 קילומטרים היא כ-17kWh, כלומר 17kWh. ד"ר תומס פסה חקר את צריכת האנרגיה של כלי רכב קומפקטיים בתצורה האופטימלית. מבלי להתחשב בעלות, צריכת האנרגיה האופטימלית ל-100 קילומטרים המתקבלת באמצעות הטכנולוגיה הזמינה הקיימת היא מעט יותר מ-15kWh. המשמעות היא שבטווח הקצר, ניסיון להפחית את צריכת האנרגיה על ידי ייעול היעילות של המכונית עצמה, גם מבלי להתחשב בעלות הנוספת, אפקט החיסכון באנרגיה קטן יחסית.

קח כדוגמה את ערכת הסוללות של טסלה של 85kWh. מרחק הנסיעה הנומינלי הוא 500 ק"מ. אם צריכת האנרגיה מופחתת ל-15kWh/100km באמצעות מאמצים שונים, ניתן להגדיל את מרחק הנסיעה ל-560km. לכן, ניתן לומר כי חיי הסוללה של המכונית הם פרופורציונליים לקיבולת ערכת המצברים, והמקדם היחסי קבוע יחסית. מנקודת מבט זו, השימוש בסוללות בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר (יש לשקול גם אנרגיה Wh/kg ליחידת משקל וגם אנרגיה Wh/L ליחידת נפח) הוא בעל משמעות רבה לשיפור הביצועים של כלי רכב חשמליים, מכיוון שב רכבים חשמליים, המצבר תופס חלק גדול מהמשקל הכולל.

כל סוגי סוללות הליתיום-יון הן הסוללות הצפויות והנפוצות ביותר. סוללות הליתיום המשמשות במכוניות כוללות בעיקר סוללת ניקל קובלט ליתיום מנגנט טרינר (NCM), סוללת ניקל קובלט ליתיום אלומינאט (NCA) וסוללת ליתיום ברזל פוספט (LPF).

1. סוללת ניקל-קובלט ליתיום מנגנט טרינר NCMמשמש על ידי רכבים חשמליים רבים בחו"ל בגלל קצב ייצור החום הנמוך, היציבות הטובה יחסית, אורך החיים הארוך וצפיפות האנרגיה של 150-220Wh/kg.

2. סוללת ליתיום ניקל-קובלט אלומינאט NCA

טסלה משתמשת בסוללה הזו. צפיפות האנרגיה גבוהה, 200-260Wh/kg, וצפויה להגיע בקרוב ל-300Wh/kg. הבעיה העיקרית היא שרק פנסוניק יכולה לייצר את הסוללה הזו כרגע, המחיר גבוה, והבטיחות היא הגרועה ביותר מבין שלוש סוללות הליתיום, מה שמצריך פיזור חום ומערכת ניהול סוללה בעלת ביצועים גבוהים.

3. סוללת LPF ליתיום ברזל פוספט לבסוף, בואו נסתכל על סוללת ה-LPF המשמשת ביותר בכלי רכב חשמליים ביתיים. החיסרון הגדול ביותר של סוללה מסוג זה הוא שצפיפות האנרגיה נמוכה מאוד, שיכולה להגיע רק ל-100-120Wh/kg. בנוסף, ל-LPF יש גם קצב פריקה עצמית גבוה. שום דבר מכל זה לא רצוי על ידי יצרני EV. האימוץ הנרחב של LPF בסין דומה יותר לפשרה שעשו יצרנים מקומיים למערכות ניהול וקירור סוללות יקרות - לסוללות LPF יש יציבות ובטיחות גבוהים מאוד, ויכולות להבטיח פעולה יציבה גם עם מערכות ניהול סוללות גרועות וחיי סוללה ארוכים יותר. יתרון נוסף שמביאה תכונה זו הוא שלכמה סוללות LPF יש צפיפות כוח פריקה גבוהה במיוחד, מה שיכול לשפר את הביצועים הדינמיים של הרכב. בנוסף, המחיר של סוללות LPF נמוך יחסית, ולכן הוא מתאים לאסטרטגיית השוק הנמוך והנמוך הנוכחית של כלי רכב חשמליים ביתיים. אבל האם היא תפתח במרץ כטכנולוגיית הסוללה של העתיד, עדיין יש סימן שאלה.

כמה גדולה צריכה להיות הסוללה של מכונית חשמלית ממוצעת? האם מדובר בחבילת סוללות עם אלפי סוללות טסלה בסדרות ובמקבילות, או מארז סוללות שנבנה עם כמה סוללות גדולות מבית BYD? זו שאלה לא מחקרית, וכרגע אין תשובה חד משמעית. רק המאפיינים של ערכת הסוללות המורכבת מתאים גדולים ותאים קטנים מוצגים כאן.

כאשר הסוללה קטנה, שטח פיזור החום הכולל של הסוללה יהיה גדול יחסית, וניתן לשלוט ביעילות על הטמפרטורה של ערכת הסוללות כולה באמצעות תכנון פיזור חום סביר כדי למנוע מהטמפרטורה הגבוהה להאיץ ולגרוע מהסוללה. חיי הסוללה. בדרך כלל, ההספק וצפיפות האנרגיה של סוללות עם קיבולת יחיד קטנה יותר יהיו גבוהים יותר. לבסוף, וחשוב מכך, באופן כללי, ככל שיש לסוללה בודדת פחות אנרגיה, כך הבטיחות של הרכב כולו גבוהה יותר. ערכת סוללות המורכבת ממספר רב של תאים קטנים, גם אם תא בודד נכשל, זה לא יגרום ליותר מדי בעיות. אבל אם יש בעיה בתוך סוללה בעלת קיבולת גדולה, הסכנה הבטיחותית גדולה הרבה יותר. לכן, תאים גדולים דורשים יותר התקני הגנה, מה שמפחית עוד יותר את צפיפות האנרגיה של ערכת הסוללות המורכבת מתאים גדולים.

עם זאת, עם הפתרון של טסלה, גם החסרונות ברורים. אלפי סוללות דורשות מערכת ניהול סוללות מורכבת ביותר, ואי אפשר לזלזל בעלות הנוספת. BMS (מערכת ניהול סוללות) בשימוש בפולקסווגן E-Golf, תת-מודול המסוגל לנהל 12 סוללות, עולה 17 דולר. לפי הערכת מספר הסוללות שבהן משתמשת טסלה, גם אם העלות של BMS בפיתוח עצמי נמוך, עלות ההשקעה של טסלה ב-BMS היא יותר מ-5,000 דולר אמריקאי, המהווה יותר מ-5% מעלות ה-BMS. רכב שלם. מנקודת מבט זו, לא ניתן לומר שסוללה גדולה אינה טובה. במקרה שמחיר BMS לא ירד משמעותית, יש לקבוע את גודל ערכת הסוללות בהתאם למיקומו של המכונית.

כטכנולוגיית ליבה נוספת בכלי רכב חשמליים, המנוע הופך לעתים קרובות לליבת הדיון, במיוחד המנוע בגודל אבטיח של טסלה עם ביצועי מכוניות ספורט, וזה אפילו יותר מדהים (הספק שיא של מנוע הדגם S יכול להגיע ליותר מ-300 קילוואט, המקסימום מומנט הוא 600Nm, ושיא ההספק קרוב להספק של מנוע בודד של EMU במהירות גבוהה). כמה חוקרים בתעשיית הרכב הגרמנית הגיבו כדלקמן:

טסלה לא משתמשת כמעט בכלום מלבד רכיבים קונבנציונליים (גוף אלומיניום,מנוע אסינכרוני להנעה, טכנולוגיית שלדה קונבנציונלית עם אווירמתלים, ESP ומערכת בלמים קונבנציונלית עם משאבת ואקום חשמלית, תאי מחשב נייד וכו')

טסלה משתמשת בכל החלקים הקונבנציונליים, גוף אלומיניום, מנועים אסינכרוניים, מבנה מכונית קונבנציונלית, מערכת בלמים וסוללה למחשב נייד וכו'.

החידוש האמיתי היחיד טמון בטכנולוגיה המקשרת בין הסוללהתאים, העושה שימוש בחוטי הדבקה עליהם רשמה טסלה פטנט, כמו גם בסוללהמערכת ניהול שניתן להבהב "באוויר", כלומרהרכב כבר לא צריך לנסוע לבית מלאכה כדי לקבל עדכוני תוכנה.

ההמצאה הגאונית היחידה של טסלה היא בטיפול שלהם בסוללה. הם משתמשים בכבל סוללה מיוחד, וב-BMS המאפשר רשת אלחוטית ישירה ללא צורך לחזור למפעל כדי לעדכן את התוכנה.

למעשה, המנוע האסינכרוני בצפיפות ההספק הגבוהה של טסלה אינו חדש מדי. בדגם הרודסטר המוקדם ביותר של טסלה, נעשה שימוש במוצרים של Tomita Electric מטאיוואן, והפרמטרים אינם שונים מדי מהפרמטרים שעליהם הכריזה מודל S. במחקר הנוכחי, לחוקרים מבית ומחוץ יש עיצובים לעלות נמוכה ועוצמה גבוהה מנועים שניתן להכניס במהירות לייצור. אז כשמסתכלים על התחום הזה, הימנעו מהטסלה המיתולוגית – המנועים של טסלה מספיק טובים, אבל לא כל כך טובים שאף אחד אחר לא יכול לבנות אותם.

בין סוגי המנועים הרבים, אלו הנפוצים בשימוש בכלי רכב חשמליים הם בעיקר מנועים אסינכרוניים (הנקראים גם מנועים אינדוקציה), מנועים סינכרוניים נרגשים חיצונית, מנועים סינכרוניים מגנט קבוע ומנועים סינכרוניים היברידיים. למי שמאמין שלשלושת המנועים הראשונים יש קצת ידע על כלי רכב חשמליים יהיו כמה מושגים בסיסיים. למנועים אסינכרוניים יש עלות נמוכה ואמינות גבוהה, למנועי סינכרוני מגנט קבוע יש צפיפות הספק ויעילות גבוהה, גודל קטן אך מחיר גבוה ובקרת קטעים מהירה מורכבת. .

אולי שמעתם פחות על מנועים סינכרוניים היברידיים, אבל לאחרונה, ספקי מנועים אירופאים רבים החלו לספק מנועים כאלה. צפיפות ההספק והיעילות גבוהות מאוד, ויכולת עומס יתר חזקה, אך השליטה לא קשה, מה שמתאים מאוד לרכבים חשמליים.

אין שום דבר מיוחד במנוע הזה. בהשוואה למנוע הסינכרוני של מגנט קבוע, בנוסף למגנטים הקבועים, הרוטור מוסיף גם פיתול עירור בדומה למנוע הסינכרוני המסורתי. למנוע כזה יש לא רק את צפיפות ההספק הגבוהה שמביא המגנט הקבוע, אלא גם יכול להתאים את השדה המגנטי בהתאם לצרכים באמצעות פיתול העירור, אשר ניתן לשלוט בו בקלות בכל קטע מהירות. דוגמה טיפוסית היא המנוע מסדרת HSM1 המיוצר על ידי BRUSA בשוויץ. העקומה האופיינית HSM1-10.18.22 היא כפי שמוצג באיור למטה. ההספק המרבי הוא 220kW והמומנט המרבי הוא 460Nm, אך נפחו הוא רק 24L (30 ס"מ קוטר ו-34 ס"מ אורך) ומשקלו כ-76 ק"ג. צפיפות ההספק וצפיפות המומנט דומות בעצם למוצרים של טסלה. כמובן שהמחיר לא זול. מנוע זה מצויד בממיר תדרים, והמחיר נע סביב 11,000 יורו.

עבור הביקוש לכלי רכב חשמליים, צבירת הטכנולוגיה המוטורית בשלה מספיק. מה שחסר כרגע הוא מנוע שתוכנן במיוחד עבור כלי רכב חשמליים, לא הטכנולוגיה לייצור מנוע כזה. הוא האמין כי עם הבגרות הדרגתית ופיתוח של השוק, מנועים עם צפיפות הספק גבוהה יהפכו יותר ויותר פופולריים, והמחיר יהפוך קרוב יותר ויותר לאנשים.

לביקוש לרכבים חשמליים, חסרים כיום רק מנועים המיועדים במיוחד לרכבים חשמליים. הוא האמין כי עם הבגרות הדרגתית ופיתוח של השוק, מנועים עם צפיפות הספק גבוהה יהפכו יותר ויותר פופולריים, והמחיר יהפוך קרוב יותר ויותר לאנשים.

המחקר על כלי רכב חשמליים צריך לחזור למהות. המהות של כלי רכב חשמליים היא תחבורה בטוחה ומשתלמת, לא מעבדת טכנולוגיה ניידת, והיא לא בהכרח צריכה להשתמש בטכנולוגיה המתקדמת והאופנתית ביותר. בסופו של דבר, יש לתכנן ולעצב אותו בהתאם לצרכי האזור.

הופעתה של טסלה הראתה לאנשים שהעתיד חייב להיות שייך לרכבים חשמליים. עדיין לא ידוע כיצד ייראו כלי הרכב החשמליים העתידיים ואיזה עמדה סין תתפוס בתעשיית הרכב החשמלי בעתיד. זהו גם הקסם של העבודה התעשייתית: בניגוד למדע הטבע, אפילו התוצאה הבלתי נמנעת שמציינים חוקי מדעי החברה מחייבת אנשים להשיג אותה באמצעות חקירה ומאמץ מפרכים!

(מחבר: דוקטורנט בהנדסת רכב חשמלי באוניברסיטה הטכנית של מינכן)