Nadszedł właściwy czas i właściwe miejsce, a wszystkie chińskie firmy produkujące pojazdy elektryczne są zajęte. Wydaje się, że Chiny stały się centrum światowego przemysłu pojazdów elektrycznych.
W Niemczech, jeśli Twoje urządzenie nie zapewnia stosów ładowania, być może będziesz musiał je kupić samodzielnie. na progu. Jednak zawsze dyskutujemy, dlaczego tak wiele doskonałych niemieckich firm samochodowych nie może produkować Tesli, i teraz nie jest trudno znaleźć powody.
W 2014 roku profesor Lienkamp z Politechniki w Monachium opublikował nową, bezpłatną i otwartą dla społeczeństwa książkę „Status mobilności elektrycznej 2014”, w której stwierdził: „Chociaż pojazdy elektryczne mają różne wady, nigdy nie widziałem samochodu, który posiada już pojazd elektryczny. Kierowca samochodu ponownie wkracza w objęcia tradycyjnego samochodu. Nawet najpopularniejszy samochód elektryczny zapewnia radość z jazdy, jakiej nie ma samochód benzynowy. Takie auto naprawdę może sprawić, że właściciel samochodu nie odnowi. Rzucamy się z powrotem w ramiona tradycyjnych samochodów?
Jak wszyscy wiemy, sercem pojazdu elektrycznego jest akumulator.
W przypadku zwykłego pojazdu elektrycznego, w europejskim teście standardowym, zużycie energii na 100 kilometrów wynosi około 17 kWh, czyli 17 kWh. Dr Thomas Pesce zbadał zużycie energii przez pojazdy kompaktowe w optymalnej konfiguracji. Bez uwzględnienia kosztów optymalne zużycie energii na 100 kilometrów uzyskane przy zastosowaniu istniejącej dostępnej technologii wynosi nieco ponad 15kWh. Oznacza to, że w krótkiej perspektywie, próbując zmniejszyć zużycie energii poprzez optymalizację wydajności samego samochodu, nawet bez uwzględnienia dodatkowych kosztów, efekt oszczędności energii jest stosunkowo niewielki.
Weźmy jako przykład akumulator Tesli o pojemności 85 kWh. Nominalny dystans do przejechania to 500 km. Jeśli dzięki różnym wysiłkom zużycie energii zostanie zmniejszone do 15 kWh/100 km, dystans można zwiększyć do 560 km. Można zatem powiedzieć, że żywotność akumulatora samochodu jest proporcjonalna do pojemności akumulatora, a współczynnik proporcjonalności jest względnie stały. Z tego punktu widzenia zastosowanie akumulatorów o większej gęstości energii (należy wziąć pod uwagę zarówno energię Wh/kg na jednostkę masy, jak i energię Wh/L na jednostkę objętości) ma ogromne znaczenie dla poprawy osiągów pojazdów elektrycznych, ponieważ w pojazdach elektrycznych, akumulator zajmuje dużą część całkowitej masy.
Najbardziej oczekiwanymi i najczęściej stosowanymi akumulatorami są wszelkiego rodzaju akumulatory litowo-jonowe. Baterie litowe stosowane w samochodach obejmują głównie trójskładnikową baterię niklowo-kobaltowo-litowo-manganianową (NCM), baterię niklowo-kobaltowo-litowo-glinianową (NCA) i baterię litowo-żelazowo-fosforanową (LPF).
1. Trójskładnikowa bateria niklowo-kobaltowo-manganianowo-litowa NCMjest używany przez wiele pojazdów elektrycznych za granicą ze względu na niską produkcję ciepła, stosunkowo dobrą stabilność, długą żywotność i gęstość energii na poziomie 150-220 Wh/kg.
2. Bateria litowa NCA niklowo-kobaltowo-glinianowa
Tesla używa tej baterii. Gęstość energii jest wysoka i wynosi 200–260 Wh/kg, a wkrótce ma osiągnąć 300 Wh/kg. Głównym problemem jest to, że obecnie tylko Panasonic może produkować tę baterię, cena jest wysoka, a bezpieczeństwo jest najgorsze spośród trzech baterii litowych, co wymaga wysokowydajnego systemu odprowadzania ciepła i zarządzania baterią.
3. Akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy LPF Na koniec przyjrzyjmy się akumulatorowi LPF najczęściej stosowanemu w domowych pojazdach elektrycznych. Największą wadą tego typu akumulatorów jest bardzo niska gęstość energii, która może osiągnąć jedynie 100-120Wh/kg. Ponadto LPF charakteryzuje się również wysokim współczynnikiem samorozładowania. Nic z tego nie jest pożądane przez producentów pojazdów elektrycznych. Powszechne przyjęcie LPF w Chinach przypomina raczej kompromis zawarty przez krajowych producentów w sprawie drogich systemów zarządzania akumulatorami i chłodzenia – akumulatory LPF charakteryzują się bardzo wysoką stabilnością i bezpieczeństwem oraz mogą zapewnić stabilną pracę nawet przy słabych systemach zarządzania akumulatorami i dłuższej żywotności akumulatorów. Kolejną zaletą tej funkcji jest to, że niektóre akumulatory LPF charakteryzują się wyjątkowo dużą gęstością mocy rozładowania, co może poprawić dynamikę pojazdu. Ponadto cena akumulatorów LPF jest stosunkowo niska, dlatego nadaje się do obecnej strategii niskiej klasy i niskich cen krajowych pojazdów elektrycznych. Jednak czy będzie ona intensywnie rozwijana jako technologia akumulatorów przyszłości, wciąż pozostaje znak zapytania.
Jak duży powinien być akumulator przeciętnego samochodu elektrycznego? Czy jest to zestaw akumulatorów składający się z tysięcy akumulatorów Tesli połączonych szeregowo i równolegle, czy też zestaw akumulatorów zbudowany z kilku dużych akumulatorów firmy BYD? Jest to pytanie niedostatecznie zbadane i obecnie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Wprowadzono tutaj jedynie charakterystykę pakietu baterii składającego się z dużych i małych ogniw.
Gdy bateria jest mała, całkowity obszar rozpraszania ciepła przez baterię będzie stosunkowo duży, a temperaturę całego zestawu baterii można skutecznie kontrolować poprzez rozsądną konstrukcję rozpraszania ciepła, aby zapobiec przyspieszaniu i pogarszaniu się wysokiej temperatury żywotność baterii. Ogólnie rzecz biorąc, moc i gęstość energii akumulatorów o mniejszej pojedynczej pojemności będą wyższe. Wreszcie, co ważniejsze, ogólnie rzecz biorąc, im mniej energii ma pojedynczy akumulator, tym większe bezpieczeństwo całego pojazdu. Pakiet baterii składający się z dużej liczby małych ogniw, nawet jeśli ulegnie uszkodzeniu pojedyncze ogniwo, nie spowoduje większego problemu. Jeśli jednak wystąpi problem wewnątrz akumulatora o dużej pojemności, zagrożenie bezpieczeństwa jest znacznie większe. Dlatego duże ogniwa wymagają większej liczby urządzeń zabezpieczających, co dodatkowo zmniejsza gęstość energii pakietu akumulatorów złożonego z dużych ogniw.
Jednak w przypadku rozwiązania Tesli wady są również oczywiste. Tysiące akumulatorów wymaga niezwykle złożonego systemu zarządzania akumulatorami, a dodatkowych kosztów nie można lekceważyć. BMS (system zarządzania akumulatorem) zastosowany w Volkswagenie E-Golfie, moduł podrzędny zdolny do zarządzania 12 akumulatorami, kosztuje 17 dolarów. Według szacunków liczby akumulatorów wykorzystywanych przez Teslę, nawet jeśli koszt samodzielnie opracowanego BMS jest niski, koszt inwestycji Tesli w BMS wynosi ponad 5000 dolarów amerykańskich, co stanowi ponad 5% kosztów cały pojazd. Z tego punktu widzenia nie można powiedzieć, że duży akumulator nie jest dobry. W przypadku, gdy cena BMS-a nie została znacząco obniżona, wielkość pakietu akumulatorów należy dobrać odpowiednio do położenia samochodu.
Jako kolejna podstawowa technologia w pojazdach elektrycznych, silnik często staje się przedmiotem dyskusji, zwłaszcza silnik Tesli wielkości arbuza o osiągach samochodu sportowego, co jest jeszcze bardziej zdumiewające (moc szczytowa silnika Modelu S może sięgać ponad 300 kW, maksymalna moment obrotowy wynosi 600 Nm, a moc szczytowa jest bliska mocy pojedynczego silnika szybkiego EMU). Niektórzy badacze niemieckiego przemysłu motoryzacyjnego skomentowali to następująco:
Tesla nie używa prawie niczego poza konwencjonalnymi komponentami (aluminiowy korpus,silnik asynchroniczny do napędu, konwencjonalna technologia podwozia z powietrzemzawieszenie, ESP i konwencjonalny układ hamulcowy z elektryczną pompą próżniową, ogniwami laptopa itp.)
Tesla wykorzystuje wszystkie konwencjonalne części, aluminiowy korpus, silniki asynchroniczne, konwencjonalną konstrukcję samochodu, układ hamulcowy i baterię laptopa itp.
Jedyna prawdziwa innowacja polega na technologii łączenia bateriiogniwa wykorzystujące opatentowane przez Teslę przewody łączące, a także akumulatorsystem zarządzania, który można przesłać „bezprzewodowo”, co oznacza, żepojazd nie musi już jechać do warsztatu, aby otrzymać aktualizacje oprogramowania.
Jedynym genialnym wynalazkiem Tesli jest sposób postępowania z baterią. Wykorzystują specjalny kabel do akumulatora oraz BMS, który umożliwia bezpośrednie połączenie z siecią bezprzewodową bez konieczności powrotu do fabryki w celu aktualizacji oprogramowania.
W rzeczywistości silnik asynchroniczny o dużej gęstości mocy Tesli nie jest zbyt nowy. W najwcześniejszym modelu Roadstera Tesli zastosowano produkty tajwańskiej firmy Tomita Electric, a parametry nie odbiegają zbytnio od parametrów ogłaszanych przez Model S. W bieżących badaniach naukowcy w kraju i za granicą mają projekty niskobudżetowych, dużej mocy silniki, które można szybko wprowadzić do produkcji. Zatem patrząc na tę dziedzinę, unikaj mitycznej Tesli – silniki Tesli są wystarczająco dobre, ale nie na tyle dobre, aby nikt inny nie mógł ich zbudować.
Wśród wielu typów silników powszechnie stosowanych w pojazdach elektrycznych znajdują się głównie silniki asynchroniczne (zwane także silnikami indukcyjnymi), silniki synchroniczne ze wzbudzeniem zewnętrznym, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi i hybrydowe silniki synchroniczne. Ci, którzy uważają, że pierwsze trzy silniki mają pewną wiedzę na temat pojazdów elektrycznych, będą mieli pewne podstawowe pojęcia. Silniki asynchroniczne charakteryzują się niskim kosztem i wysoką niezawodnością, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi charakteryzują się dużą gęstością mocy i wydajnością, niewielkimi rozmiarami, ale wysoką ceną oraz złożonym, szybkim sterowaniem sekcjami. .
Być może mniej słyszałeś o hybrydowych silnikach synchronicznych, ale ostatnio wielu europejskich dostawców silników zaczęło dostarczać takie silniki. Gęstość mocy i wydajność są bardzo wysokie, a przeciążalność jest duża, ale sterowanie nie jest trudne, co jest bardzo odpowiednie dla pojazdów elektrycznych.
W tym silniku nie ma nic specjalnego. W porównaniu z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi, oprócz magnesów trwałych, wirnik dodaje również uzwojenie wzbudzenia podobne do tradycyjnego silnika synchronicznego. Taki silnik nie tylko charakteryzuje się dużą gęstością mocy zapewnianą przez magnes trwały, ale także może regulować pole magnetyczne w zależności od potrzeb poprzez uzwojenie wzbudzenia, które można łatwo kontrolować w każdej sekcji prędkości. Typowym przykładem jest silnik serii HSM1 produkowany przez firmę BRUSA w Szwajcarii. Krzywą charakterystyczną HSM1-10.18.22 przedstawiono na poniższym rysunku. Maksymalna moc to 220 kW, a maksymalny moment obrotowy to 460 Nm, ale jego objętość wynosi zaledwie 24 l (średnica 30 cm i długość 34 cm) i waży około 76 kg. Gęstość mocy i gęstość momentu obrotowego są w zasadzie porównywalne z produktami Tesli. Oczywiście cena nie jest niska. Silnik ten jest wyposażony w przetwornicę częstotliwości, a cena wynosi około 11 000 euro.
W przypadku zapotrzebowania na pojazdy elektryczne akumulacja technologii silnikowej jest wystarczająco dojrzała. Obecnie brakuje silnika zaprojektowanego specjalnie do pojazdów elektrycznych, a nie technologii umożliwiającej wykonanie takiego silnika. Uważa się, że wraz ze stopniową dojrzałością i rozwojem rynku silniki o dużej gęstości mocy będą zyskiwać coraz większą popularność, a cena będzie coraz bliższa ludziom.
W stosunku do zapotrzebowania na pojazdy elektryczne, obecnie brakuje jedynie silników specjalnie zaprojektowanych do pojazdów elektrycznych. Uważa się, że wraz ze stopniową dojrzałością i rozwojem rynku silniki o dużej gęstości mocy będą coraz bardziej popularne, a cena będzie coraz bardziej bliższa ludziom.
Badania nad pojazdami elektrycznymi muszą wrócić do istoty. Istotą pojazdów elektrycznych jest bezpieczny i niedrogi transport, a nie mobilne laboratorium technologiczne i niekoniecznie musi to być korzystanie z najbardziej zaawansowanych i modnych technologii. W ostatecznym rozrachunku należy go zaplanować i zaprojektować zgodnie z potrzebami regionu.
Pojawienie się Tesli pokazało ludziom, że przyszłość musi należeć do pojazdów elektrycznych. Wciąż nie wiadomo, jak będą wyglądać przyszłe pojazdy elektryczne i jaką pozycję w branży pojazdów elektrycznych zajmą Chiny w przyszłości. Na tym polega także urok pracy przemysłowej: w przeciwieństwie do nauk przyrodniczych, nawet nieunikniony wynik, na który wskazują prawa nauk społecznych, wymaga od ludzi osiągnięcia go poprzez żmudne badania i wysiłek!
(Autor: doktorant w dziedzinie inżynierii pojazdów elektrycznych na Politechnice w Monachium)
Czas publikacji: 24 marca 2022 r