Машины с электроприводом существуют уже более 100 лет. На рубеже веков, в 1900 году, у покупателя автомобилей было три варианта силовых установок: электрическая, паровая и двигатель внутреннего сгорания, из которых двигатель внутреннего сгорания был наименее распространенным. 

Электромобили понравились высшему классу, и автомобили были отделаны причудливым интерьером и дорогими материалами. Несмотря на более высокую цену, чем автомобили с паровым и бензиновым двигателем, состоятельные люди выбрали электромобиль из-за их тихой и комфортной езды, а не из-за вибрации, запаха и высоких требований к обслуживанию, как у бензиновых аналогов. Лучше всего то, что электромобили не требовали переключения передач, что было самым ужасным при вождении бензиновых автомобилей. Электромобиль также не нуждался в ручном проворачивании двигателя для запуска двигателя - задача, которую высший класс не хотел, чтобы ее выполняли. Поскольку единственные хорошие дороги были в городе, ограниченный запас хода электромобиля не составлял проблемы, и большая часть езды приходилась на местные поездки. Производство электромобилей достигло пика в 1912 году и продолжалось до 1920-х годов. 

В качестве батареи был выбран свинцово-кислотный аккумулятор, и по более высокой цене покупатель мог установить в Detroit Electric никель-железо (NiFe), батарею, которую продвигал Томас Эдисон. NiFe имеет напряжение элемента 1,2 В, был прочным и долговечным даже при избыточном заряде и полном разряде. Будучи хорошим бизнесменом, Эдисон отстаивал NiFe вместо свинцово-кислотной, но популярность этой батареи стала снижаться после того, как пожар уничтожил фабрику и лабораторию Эдисона в 1914 году. NiFe обеспечивал лишь немного лучшую удельную энергию по сравнению со свинцово-кислотной кислотой и был дорогим в производстве. Кроме того, аккумулятор плохо работал при низких температурах, а саморазряд составлял 20-40 процентов в месяц, что значительно выше, чем у свинцово-кислотных.  

Сообщалось, что Detroit Electric, один из самых популярных электромобилей того времени, без подзарядки мог проехать 130 км (80 миль). Его максимальная скорость составляла 32 км (20 миль) в час, что считалось достаточным для вождения. Основными покупателями были врачи и женщины. Томас Эдисон, Джон Д. Рокфеллер-младший и Клара Форд, жена Генри Форда, водили Detroit Electrics. На рисунке 1 изображен Томас Эдисон с его моделью Detroit Electric 1914 года. 

Аккумуляторы играют важную роль в электрических трансмиссиях, и цена за киловатт-час зависит от типа аккумулятора. В таблице 1 перечислены типовые аккумуляторные батареи для мобильных устройств, и при цене 160 долларов за кВтч наиболее экономична стартерная батарея, за которой следует аккумулятор для вилочного погрузчика. Новые технологии более дорогие, и это связано с дорогостоящим сырьем, сложными производственными процедурами и электронными системами безопасности и управления. Увеличение объемов производства лишь незначительно снизит цену.

Томас Эдисон с Detroit Electric 1914 года выпуска, модель 47

Рисунок 1: Томас  Эдисон с Detroit Electric 1914 года выпуска, модель 47.

Томас Эдисон считал, что никель-железо лучше свинцово-кислотного для электромобилей, и продвигал его за счет дополнительных затрат.

(Предоставлено Национальным музеем американской истории).

Снижение затрат в рамках массового производства Генри Фордом и изобретения стартера в 1912 году привело к тому, что покупатели автомобилей отдали предпочтение автомобилям с бензиновым двигателем. К 1920-м годам междугородние дороги потребовали транспортных средств дальнего действия, а открытие техасской сырой нефти сделало бензин доступным для широкой публики. Электромобиль ушел в прошлое до начала 1990-х годов, когда Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) начал настаивать на более экономичных транспортных средствах с низким уровнем выбросов и потребовал выпуска автомобилей с нулевым уровнем выбросов. 

Именно политика CARB по нулевым выбросам подтолкнула General Motors к производству EV1. Доступный для аренды в период с 1996 по 1999 год, этот ранний электромобиль работал от свинцово-кислотного аккумулятора мощностью 18 кВтч, который позже был заменен никель-металлгидридным аккумулятором на 26 кВтч. Хотя никель-металлгидридный аккумулятор обеспечивал впечатляющий запас хода в 260 км (160 миль), с EV1 не обошлось без проблем. Производство выросло в три раза по сравнению с обычным автомобилем с бензиновым двигателем, а в 2001 году политики изменили требования CARB, что побудило General Motors отозвать EV1, к разочарованию многих владельцев. Документальный фильм 2006 года «Кто убил электромобиль?» производит смешанное впечатление о государственных программах по более чистому транспорту. 

Чтобы соответствовать удобству транспортного средства с питанием от IC, электромобилю требуется аккумулятор, способный обеспечить 25-40 кВтч. Это в два раза больше, чем у PHEV, и в десять раз больше, чем у HEV. Электрохимическая батарея - не единственные дополнительные расходы; Силовая электроника для управления аккумулятором составляет большую часть стоимости автомобиля. Электромобиль без аккумулятора стоит примерно столько же, сколько традиционный автомобиль с бензиновым двигателем. На Рисунке 2 показан аккумулятор Nissan Leaf, снятый и как часть установки.

Аккумулятор в разрезе электромобиля Nissan Leaf

Аккумулятор в разрезе электромобиля Nissan Leaf

Рисунок 2: Аккумулятор в разрезе электромобиля Nissan Leaf.

Литий-ионный аккумулятор 24 кВт · ч с запасом хода 160 км (100 миль) по городу. Аккумулятор умещается под полом и сиденьями автомобиля. (Любезно предоставлено Nissan Motors) Еще одна проблема, связанная с электромобилем, - это запас хода, особенно в холодную и жаркую погоду. Электрический мини-автомобиль BMW, рассчитанный на 160 км (100 миль) без подзарядки, в холодную погоду проехал примерно половину этого расстояния. Помимо дополнительной энергии, потребляемой для обогрева кабины, производительность аккумулятора падает при низких температурах. В целях экономии энергии водителям электромобилей следует экономно использовать системы отопления и кондиционирования воздуха и разумно управлять автомобилем. 

Для полной зарядки электромобиля Mini от обычной розетки на 115 АС потребуется день. Розетки высокой мощности могут сократить время зарядки до 3-5 часов, а общественные заправочные станции могут заряжать аккумулятор за два часа. Электрическая розетка, а не аккумулятор, определяет время зарядки. Для зарядки аккумулятора 40 кВт / ч за шесть минут, как могут заявить некоторые производители аккумуляторов, потребуется 400 кВт энергии. Обычная электрическая розетка 115 В переменного тока обеспечивает всего 1,5 кВт, а розетка для кухонной плиты 230 В переменного тока, 40 А дает 9 кВт. 

Производитель автомобилей Tesla Motors фокусируется на создании электромобилей с нулевым уровнем выбросов и очень высокой производительностью. Родстер из Кремниевой долины может похвастаться временем разгона от 0 до 96 км (от 0 до 60 миль) за 3,9 секунды. Литий-ионные элементы 7000 накапливают 53 кВт / ч электроэнергии и обеспечивают запас хода в 320 км (200 миль). Жидкостное охлаждение предотвращает температуру упаковки выше 35 ° C (95 ° F). Чтобы получить пятилетнюю гарантию, Tesla заряжает литий-ионные кобальтовые элементы только до 4,10 В вместо 4,20 В на элемент, а электронные схемы препятствуют зарядке при отрицательных температурах. При цене 130 000 долларов этот автомобиль привлекает внимание и становится предметом обсуждения, однако 40 000 долларов на замену аккумулятора могут вызвать беспокойство у долгосрочных владельцев.

Батареи для электрического силового агрегата в настоящее время стоят от 1000 до 1200 долларов за киловатт-час. По данным The Boston Consulting Group (BCG), облегчение не за горами. Они утверждают, что в течение следующего десятилетия цена на литий-ионные аккумуляторы упадет до 750 долларов за кВтч. Между тем, батареи для бытовой электроники стоят всего около 250-400 долларов США за кВтч. Большие объемы, автоматизированное производство, меньшие инвестиции в безопасность и более короткий срок службы делают возможной эту низкую цену. BCG прогнозирует, что литий-ионные батареи для трансмиссии в конечном итоге будут соответствовать этим потребительским ценам, а стоимость батареи на 15 кВт-ч упадет с 16 000 до примерно 6000 долларов. Ожидается, что наибольшее снижение цен на аккумуляторы произойдет в период с настоящего момента до 2020 года, а затем будет происходить более постепенное снижение. По данным BCG, расчетный календарный срок службы батареи составит 10-15 лет.

E-One Moli Energy, производитель литий-ионных элементов для электроинструментов и электромобилей, говорит, что стоимость литий-ионных аккумуляторов может быть снижена до 400 долларов за кВтч в больших объемах, но периферийная электроника, управляющая батареей, останется высокой, и это добавленная стоимость, как известно, удваивает цену упаковки. Здесь также возможны сокращения, и E-One Moli Energy прогнозирует, что электроника будет составлять только 20 процентов стоимости батареи через пять лет. Эти прогнозы являются спекулятивными, и другие аналитики выражают озабоченность по поводу того, что автопроизводители не смогут достичь долгосрочной цели без значительного прорыва в технологии аккумуляторов. Говорят, что текущая стоимость батареи в 3-5 раз выше, чтобы привлечь потребительский рынок. 

Езда на электричестве дешевле и чище, чем сжигание бензина, но при сегодняшних низких ценах на топливо неопределенность в отношении срока службы батареи, а также неизвестные допуски неправильного использования и высокая стоимость замены уменьшат стимул для покупателей переключиться с проверенной концепции на электромобиль. В дорожных картах технологий Электрические и подключаемые к электросети гибридные электромобили (EV / PHEV) говорится, что если водителю требуется расстояние между заправками в 500 км, достижимое с автомобилем, работающим на интегральной схеме, батарея должна иметь емкость 75 кВтч. При цене в 400 долларов за кВтч такая батарея будет стоить более 30 000 долларов и весить почти тонну. На рисунке 3 показаны типичные размеры аккумуляторов, используемых в автомобилях с различными силовыми агрегатами.

Типичная мощность автомобильных аккумуляторов
Рисунок 3: Типичная мощность автомобильных аккумуляторов. 
Стартерная батарея имеет мощность около 720 Вт; гибрид 1500Вт; плагин мощностью 12,5кВт и легкий электромобиль 25кВт


Дорожная карта сравнивает потребление энергии и стоимость бензина по сравнению с электрической силовой установкой: для электромобиля требуется 150-200 Втч на км, а при норме потребления 200 Втч / км и цене на электроэнергию 0,15 доллара за кВтч, стоимость топлива для привода электромобиля. переводится в 0,03 доллара за км. Мы сравниваем эту цифру с 0,06 доллара за км для автомобиля с бензиновым двигателем такого же размера и 0,05 доллара за км для дизеля. Эта цена не включает расходы на оборудование, обслуживание и возможную замену аккумулятора и двигателя.

Рынок электромобилей привлекает инновационные компании для разработки более совершенных аккумуляторов, и многие пользуются щедрыми государственными льготами, но есть опасность. Ради оптимальной плотности энергии некоторые начинающие компании экспериментируют с агрессивными концепциями дизайна с использованием летучих химикатов, которые ставят под угрозу безопасность. Они раздвигают границы, объявляя о впечатляющих достижениях, подчеркивая только плюсы и подавляя минусы. Такое поведение привлечет внимание средств массовой информации и побудит венчурных капиталистов инвестировать, но шумиха мало что делает для поиска долгосрочного решения для улучшения существующих технологий производства батарей. 

Батарея будет определять успех электромобиля, и до тех пор, пока не будут достигнуты значительные улучшения с точки зрения более высокой плотности энергии, более длительного срока службы и более низкой стоимости, электрическая трансмиссия будет ограничена небольшой рыночной нишей. В то время как правительства вносят большой вклад в надежду на улучшение существующих технологий аккумуляторов, мы должны понимать, что у электрохимических аккумуляторов есть ограничения. Это стало очевидным, когда автомобилисты протестировали восемь нынешних и будущих моделей с электрической трансмиссией и достигли дальности пробега, которая была на треть меньше, чем предполагалось. В таблице 4 приводится краткое изложение. Машины были испытаны в реальных условиях на шоссе, горных перевалах и в зимних условиях. Информация была собрана на момент написания.
 



 

Аккумулятор


Объявленный диапазон

Диапазон
Реальный мир

Время зарядки

BMW 
Mini E

35 кВт · ч,
литий-марганец с воздушным охлаждением

250 км, 
156 миль

153 км, 96 миль; 
112 км, 70 миль
ниже нуля

26 часов при 115 В переменного тока;
4,5 ч при 230 В, 32 А

Chevy Volt


Литий-марганец, 16 кВт · ч, жидкостное охлаждение

64
км ,  40 миль

45 км, 28 миль;
149-сильный электрический
двигатель и 1,4-литровый двигатель внутреннего сгорания

10 ч при 115 В переменного тока;
4 часа при 230 В переменного тока

Подключаемый модуль Toyota Prius

3 литий-ионных блока, один для гибрида; два для электромобиля, 42 датчика температуры

20 км, 
13 миль

N / A;
Электрический
двигатель мощностью 80 л.с. и двигатель внутреннего сгорания 98 л.с.

3 часа при 115 В переменного тока;
1,5 часа мин 230 В переменного тока

Mitsubishi iMiEV

16кВтч

128
км 80 миль

88 км, 55 миль;
скорость по шоссе, горный перевал

13 часов при 115 В переменного тока;
7 часов при 230 В переменного тока

Nissan LEAF

24кВтч

160
км ,  100 миль

Нет данных

8 часов при 230 В переменного тока;
30 мин в высоту A

Тесла Родстер

56 кВт · ч,
Li-кобальт с жидкостным охлаждением

352
км ,  220 миль

224 км, 140 миль;
172 км, 108 миль на спортивном автомобиле

3,5 ч при 230 В переменного тока, высокий A

Think City

24,5 кВт, литий-ионный или натриевый

160
км ,  100 миль

Нет данных. У натрия мало проблем

8 часов при 115 В переменного тока

Смарт 
Fortwo ED

16,5 кВтч; L-ион

136
км 85 миль

Меньше, чем предполагалось

8 ч при 115 В
переменного тока 3,5 ч при 230 В переменного тока

Таблица 4: Электромобили с типом аккумулятора и запасом хода . 
Расстояние поездки меньше заявленного; старение батареи приведет к дальнейшему сокращению диапазона. 

Экологические выгоды от вождения электромобиля будут минимальными, если возобновляемые ресурсы не будут обеспечивать электричество для зарядки аккумуляторов. Сжигание угля и ископаемого топлива для выработки электроэнергии просто переносит загрязнение из перегруженных городов в сельскую местность. В США электричество получают за счет сжигания 50 процентов угля, 20 процентов природного газа, 20 процентов ядерной энергии, 8 процентов гидроэнергетики и 2 процентов солнечной энергии и ветра. Одним из преимуществ электромобиля является зарядка в ночное время, когда у электросети есть дополнительная мощность.

Переход на электричество может создать еще одну дилемму, которая порождает вопрос: «В отсутствие налога на топливо, кто будет платить за техническое обслуживание и новое строительство автомагистралей?» Строительство и ремонт дорог обходятся правительству в миллиарды, и водители электромобилей будут иметь право пользоваться ими бесплатно, что должно быть компенсировано более высокими налогами. Это создает несправедливое бремя для тех, кто пользуется общественным транспортом, поскольку они платят двойную сумму: налог на шоссе и справедливый налог на автобус или поезд. Альтернативой может быть повышение платы за проезд. 

Высокая стоимость электромобиля против соблазна дешевого и легкодоступного ископаемого топлива затруднит переход к более чистому образу жизни. Могут потребоваться государственные субсидии, чтобы сделать «зеленые» автомобили доступными для масс. Многие утверждают, что такая раздача государственных денег несправедлива, и предлагают, чтобы доллары налогов были направлены на создание более эффективных систем общественного транспорта. 

Целью правительства должно быть удаление автомобилей с дорог, предлагая другие виды транспорта. Пригородные поезда - одна из самых эффективных альтернатив для комфортного и быстрого перемещения людей. Если сместить акцент с автомобилей, впервые за 100 лет наши города вернутся людям, которые являются законными владельцами. Такое изменение направления сделает города более привлекательными, а будущие поколения будут благодарить своих предков за разумное планирование. Интересно отметить, что некоторые из самых красивых городов были построены до изобретения автомобиля. В то время дизайнеры думали о перемещении людей, и это было сделано по необходимости, а не по предвидению. Большинство из этих желанных городов находится в Европе, и Северная Америка, кажется, отстает.