Часть вторая, электрическая. Электрокары, аккумуляторы и прочее...

Электромобиль - штука очень простая. Для того, чтобы понять это, достаточно разобрать обычную электродрель. Всё очень несложно - скорость вращения и мощность регулируются колёсиком реостата, для этого совсем не нужна сложная система переключения передач. Чтобы мотор поменял вектор вращения в обратную сторону, необходимо всего лишь передвинуть переключатель - никаких рычагов и шестерён!

Такому мотору не нужен маховик, сглаживающий рывки поршней, как в двигателе внутреннего сгорания. С ролью стабилизатора вращения вполне справляется массивный, сбалансированный ротор. А одетая на ротор крыльчатка, вращаясь вместе с ним, обеспечивает приток воздуха для охлаждения.

Любой, даже самый сложный электромотор - намного проще самого простого двигателя внутреннего сгорания. В нём минимум вращающихся деталей, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, где один кривошипно-шатунный механизм требует создания и тщательной отработки моделей в Mathcad. Нет необходимости в прокладках, кольцах для обеспечения давления газов, большом количестве подшипников, сальников и различных устройств, вроде карбюратора или системы непосредственного впрыска, выхлопных труб и прочего.

В электромотор не нужно заливать масло, охлаждающую жидкость (в подавляющем большинстве случаев достаточно воздушного охлаждения). Единственное, что нужно из чисто автомобильных узлов - это сцепление и система передачи вращения на колёса, да и то не всегда (иногда электромоторы встраивают прямо в оси колёс).

Электродвигатели давно интересовали конструкторов и их пытались использовать в автомобилестроении ещё в конце позапрошлого века. Самый старый известный сегодня электромобиль был построен Уильямом Айртоном и Джоном Перри ещё в 1881 г. Он был больше похож на велосипед и, тем не менее, это был автомобиль на электрической тяге, который мог "пробежать" без подзарядки не менее 40 км со скоростью 14 км/ч. Известно, что машина эксплуатировалась в течение целого года.

С тех пор электрокары строились регулярно. Периодически инициировались попытки начать массовый переход на электротягу - например в семидесятые годы прошлого века в США, когда арабские шейхи взвинтили цены на нефть из-за мирового кризиса, и мощные автомобили вдруг перестали пользоваться спросом. Или в тех же США, в начале девяностых, когда в Калифорнии был принят закон о необходимости строительства и продажи электрокаров из-за загрязнения воздуха CO². Но тогда ничего из этих затей не вышло.

Дело в том, что у электрокаров есть огромная проблема и слабое место - недостаточная ёмкость аккумуляторных батарей. На целом блоке аккумуляторов автомобиль мог, до недавнего времени, проехать не более сотни километров. А иногда и меньше. Вдобавок, аккумуляторы недолговечны, их зарядка требует значительного времени, они дороговаты, имеют значительную массу и неудобны в обслуживании.

Батареи боятся холода. К примеру, закупленные китайским правительством в прошлом году для Пекина электротакси Foton Midi EV в холода не могли даже сдвинуться с места - заряд батарей падал почти мгновенно. Оказалось, что аккумуляторы на морозе необходимо подогревать, чтобы они могли выделять энергию (а это - дополнительный расход электричества). А на жаре их требуется охлаждать, чтобы электролит не терял рабочих параметров.

Не так просто оказалось сконструировать и мощный, и в то же время экономичный электродвигатель. Для того чтобы создать сбалансированные моторы, понадобились годы работы конструкторов. Даже сейчас цены на подобные агрегаты колеблются от двух до десяти тысяч долларов и выше.

Но всё же, в последние годы нужда в электромобилях стала настолько острой, что их строительство снова возобновилось. В Калифорнии заработал закон, требующий от автопроизводителей продать в штате не менее 15 процентов электромобилей к 2025 году. И многие большие автопроизводители - General Motors, Ford, Chrysler, Nissan - этот закон поддержали.

Сейчас почти все автомобилестроители уже имеют либо готовят модели электрокаров. Благо, в рамках крупного производства их создавать всё же проще, чем, например, гибридные авто, для отработки технологий которых тоже требуются сложные математические модели взаимодействия узлов и агрегатов, инновационные решения, материалы и технологии.

Весьма показателен, в этом плане успех американской компании Tesla Motors, которая строит спортивные электромобили. Ей удалось добиться хороших характеристик своих машин. К примеру, мощность двигателя Tesla Roadster достигает 300 л.с. Время разгона до 100 км/ч составляет всего 3,7 сек. Пробег без подзарядки достигает 400 км (в самой дорогой комплектации).

Для тех, кто не понимает, о чём я пишу, для сравнения приведу характеристики другого спортивного автомобиля - с бензиновым мотором. Это всем известный Aston Martin (версия V12 Vantage RS). Так вот, при мощности мотора в 600 л.с. эта машина разгоняется до "сотни" медленнее Tesla - за 4 сек. И уж конечно, её шестилитровой вместимости двигатель потребляет огромное количества бензина - не менее 14 л. на 100 км пробега.

И, тем не менее, самым слабым местом электромобиля так и остались аккумуляторы. Даже в наше продвинутое время они всё ещё не могут запасти достаточное количество электроэнергии, и всё ещё не слишком надёжны. Но производители борются с этими проблемами.

Например, старые NiMH и NiCd батареи с памятью для электрокаров не используются. Производители применяют новые, литий-ионные или литий-полимерные аккумуляторы, построенные по принципу батарей в мобильных телефонах.

Аккумуляторы с пластинами из лития имеют большую плотность энергии на единицу массы. Кроме того, литий-полимерные батареи можно, в отличие от обычных, сделать, например, в форме кольца или пирамиды, уместив в тесный объём двигательного отсека либо багажного отделения авто.

Автомобильные аккумуляторы обычно состоят из множества модулей. Если некоторые из них выходят из строя, аккумулятор (при помощи встроенного контроллера) отключает их (да, да, без процессора тут тоже не обойтись).

Встроенная электроника выполняет в сложном автоаккумуляторе множество функций. С помощью датчиков она следит за температурой батареи, не допуская её перегрева или переохлаждения, не позволяет аккумулятору разряжаться ниже критического значения (при полной разрядке аккумулятор с литиевой "начинкой" может погибнуть), сигнализирует водителю о разрядке и управляет "заправкой" батарей.

Но и таких аккумуляторов сегодня уже недостаточно. Их ёмкость позволяет автомобилю "пробежать" максимум 300 км. Да и то, это расстояние он преодолеет лишь по хорошей дороге и в тепличных метеорологических условиях, поскольку нынешние батареи очень не любят вибрации, повышенных нагрузок и капризов погоды.

Сейчас учёные думают над тем, как усовершенствовать существующие аккумуляторы. Уже появились, например, работоспособные литий-воздушные батареи. В принципе, они были и раньше, но использовать старые образцы для техники оказалось невозможно. Воздух (точнее, кислород в его составе) разрушает и сами электроды, и электролит. А влажный воздух (например, после дождя) вообще может вызвать взрыв лития.

Учёные из компании IBM (характерно, не правда-ли?) практически преодолели все эти недостатки литий-воздушных аккумуляторов. В "плюсе" - огромная плотность энергии (в тысячу раз большая, чем у обычных аккумуляторов) и пробег до 800 км без подзарядки. А это уже серьёзная заявка на успех. Специалисты IBM обещают представить пригодный к эксплуатации образец литий-воздушной батареи к 2013 г.

Есть и весьма экстравагантные идеи. К примеру, американские учёные под руководством доктора Reza Ghodssi собираются использовать для повышения ёмкости литий-ионных батарей вирус табачной мозаики, который портит овощи и табак. Плодясь на электродах и пластинах, вирус образует микроскопические наросты, которые во много раз превышают площадь рабочей поверхности элементов аккумулятора (его ёмкость возрастает в 10 раз).

Автомобильные компании ищут и другие пути обхода существующих объективных ограничений для аккумуляторов. Например, покрывают крыши авто слоем фотоэлементов, которые черпают энергию от солнца. В некоторых новейших разработках крупных брендов таким образом запитывается бортовая электроника (приборы, освещение, кондиционер), разгружая основной аккумулятор.

Созданы и уже эксплуатируются устройства быстрой подзарядки аккумуляторов, которые позволяют сократить эту процедуры с многих часов до нескольких десятков минут. К примеру, уже есть заправочные комплексы, которые позволяют зарядить батареи авто на 80 процентов всего за 30 минут. А в 2010 г. компания JFE Engineering демонстрировала заправочное устройство, которое поднимает уровень заряда батарей до 50 процентов всего за 3 минуты.

Эксперты прогнозируют, опираясь на темпы развития технологий электрических авто, что в ближайшие несколько лет электромобили потеряет 90 процентов своей стоимости. Возможно, что и ёмкость аккумуляторов возрастёт, как минимум вдвое. Вот тогда у автомобилистов появится реальный выбор между электрокаром и старым добрым коптящим автомобилем на ископаемом топливе.

Для тех, кого заинтересует тема электромобилей, рекомендую посмотреть фильмы Криса Пейна - "Кто убил электромобиль" (Who Killed the Electric Car?, 2006) и его недавний сиквел "Месть электромобиля" (Revenge Of The Electric Car). В первом подробно рассказано о том, как компании General Motors и Big Oil, в своё время (в начале девяностых), устранили первые электрокары со своего пути, до тех пор, пока эти машины не успели завоевать популярность. Второй фильм посвящён победному шествию электрических транспортных средств по планете в последние годы.

Эдуард ТРОШИН