Путь электрокаров к масштабной задаче — победить бензиновые двигатели

Водители и власти полюбили электрокары за надёжность и комфорт, но производители всё ещё не знают, что делать с опасными старыми батареями.

В 2020 году продажи электромобилей выросли почти наполовину, несмотря на сокращение автопромышленности на 20%. Ужесточение норм выбросов вредных веществ в атмосферу и коммерческий успех электромобилей подтолкнули крупных автопроизводителей переосмыслить весь модельный ряд — Volvo и Ford объявили о полной электрификации к 2030 году, а General Motors к 2035.

Автолюбители часто выбирают электромобили из-за экономии — власти предоставляют льготы, а электрическая силовая установка надёжнее двигателя внутреннего сгорания. Главным минусом владельцы обычно называют запас хода, который сокращается в два раза при отрицательных температурах. Длительные путешествия на электрокарах возможны только в отдельных регионах США или Европы — зарядных станций пока в разы меньше, чем классических автозаправок.

Самый важный и дорогой элемент электромобиля — батарея. Именно источник питания стал главным драйвером развития машин на электротяге, и он же сильнее всего тормозит прогресс. Пока автопроизводители выводят на рынок новые модели, производители электроники ищут способ производить элементы питания с наименьшим уроном природе.

Один или четыре мотора, большая батарея и сложный софт: как устроены электромобили

В движение электрокар приводится мотором постоянного или переменного тока, который расположен на одной из осей. У электрических спорткаров может быть два или три двигателя, а некоторые производители разрабатывают схему с моторами в каждом из четырёх колёс. По задумке инженеров, это позволит лучше управлять тягой и повысит надёжность, так как пропадёт даже простейшая трансмиссия, передающая энергию от одного двигателя на все колёса.

Сейчас в большинстве электромобилей вместо коробки переключения передач установлен редуктор, преобразующий высокие обороты двигателя в низкие обороты на колёсах, когда не требуется ускорение. Электродвигателю тяга доступна практически сразу, а значит нет необходимости менять передачи.

Для традиционного двигателя важно поддерживать диапазон оборотов, когда генерируется максимальное количество энергии. Основная проблема таких моторов — низкая эффективность, так как всего лишь 30% энергии двигателя преобразуются в энергию на колёсах. Для электрических автомобилей аналогичный показатель зафиксирован на 77%.

Питаются электромоторы от литий-ионных батарей ёмкостью (время питания подключённого потребителя энергии) от 25 до 100 киловатт-часов, что примерно в 10 тысяч раз больше аккумулятора айфона. Батарея электромобиля состоит из нескольких десятков модулей, в которые упакованы несколько тысяч элементов питания по типу бытовых «пальчиковых» батарей или «пакетов», похожих на батарею смартфона.

Любая батарея электромобиля защищена снизу и сверху алюминием или титаном, а большинство оснащены пассивной или активной жидкостной системой охлаждения. Для прочности в корпусе устанавливают решётку или распорки, чтобы в случае аварии батарея не смялась или не треснула. Система мониторинга состояния и управления расположена также внутри корпуса.

От батареи зависит ключевой показатель машины — запас хода. Во многом именно из-за невозможности длительного движения только на электричестве гибридные автомобили стали тупиковой веткой развития промышленности. В них используются никель-металлогидридные высоковольтные батареи, которые достаточны по ёмкости, но выдерживают в несколько раз меньше циклов перезаряда. Они дешевле в производстве, но быстро деградируют и служат только дополнением к двигателю внутреннего сгорания.

У электромобилей гораздо более сложная электроника — софт управляет множеством систем, балансируя между производительностью и запасом хода. Впрочем, многие механизмы (тормоза, подвеска, рулевое управление, система кондиционирования салона) не отличаются от традиционных автомобилей, что упрощает автопроизводителям их настройку и интеграцию в систему управления машиной.

С середины 2000-х автогиганты закладывают в платформы массовых моделей возможность электрификации, но успешными чаще становятся те автомобили, которые изначально задумывались как полностью электрические.

Как эволюция батарей помогала электрокарам

Электрические самоходные тележки в Европе появились ещё в середине XIX века и существовали до начала 1920-х. Первой машиной Фердинанда Порше был именно электромобиль P1 на простых свинцово-кислотных батареях, но доступность двигателей внутреннего сгорания и топлива для них быстро похоронили электрические разработки.

Первым серийным электрокаром в 1997 году стал General Motors EV1. Ранее власти Калифорнии приняли закон, согласно которому 2% автомобилей на рынке не должны производить вредных выбросов. 1100 экземпляров EV1 не только решили проблему соответствия нормам, но и стали сигналом для других американских производителей, которые мало занимались инновациями.

EV1 оснащался блоком из свинцово-кислотных батарей, которые были улучшенной версией обычного автомобильного аккумулятора. Располагались элементы питания Т-образно между сиденьями и за их спинками. Первое поколение проезжало на одном заряде около 70 километров, а никель-металл-гидридная батарея второго поколения позволяла проехать до 110 километров.

Эксперимент закончился к середине 2000-ых — часть машин передали в музеи, но большую часть уничтожили. EV1 продавалась в лизинг и только в двух штатах, где позже правительство признало эксперимент с обязательным нулевым уровнем выбросов неудачным. Сторонники теорий заговора видели в этом происки нефтяного лобби, а простые инженеры говорили о банальном отсутствии запчастей и сложности обслуживания батарей.

В это же время многие автопроизводители занимались гибридами, пока Nissan не выпустила Leaf. Японцы говорили о новой модели как о первой серийной полностью электрической машине на каждый день. Технически это был простой легковой автомобиль с литий-ионной батареей почти по всему периметру пола, который можно было зарядить от бытовой розетки с помощью специального устройства. Прорывной стала система рекуперативного торможения, которая возвращала часть энергии в систему при остановке машины.

Жители городов оценили новинку — запас хода в 100 километров оказался достаточным для поездки на работу из дома и обратно. При такой эксплуатации Leaf оказывался дешевле малолитражного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, а власти стран предоставляли различные льготы для владельцев новых Nissan. В Англии владельцы электрокаров могут бесплатно въезжать в центр города, а на парковках для них зарезервированы отдельные места.

Первые покупатели Nissan Leaf столкнулись с серьёзной проблемой — дальние поездки оказались затруднительны, так как полностью батарея заряжалась за 8 часов с помощью специального зарядного устройства. Журналисты называли Leaf идеальным вторым автомобилем, а для других автопроизводителей тысячи проданных машин стали толчком для активных работ по производству электрокаров.

Инженеры автогигантов решали главную проблему — ускорение зарядки и увеличение запаса хода. Некоторые компании пошли по пути тотальной оптимизации конструкции автомобиля. Так в 2013 году появилась BMW i3, где в основе лежали принципы вторичной переработки, тотального уменьшения веса и повышения энергоэффективности. При этом немцы выбрали простую литий-ионную батарею с рядовыми характеристиками.

Принцип гармоничного развития дал позитивный результат — компактный электрокар проезжал больше 150 километров на одной зарядке при хороших погодных условиях, а батарея выдерживала общий пробег больше 100 тысяч километров. Впрочем, BMW продавала версию с «увеличителем запаса хода», который оказался двигателем от мотоцикла. Прямой связи между ним и колёсами не было — двигатель питал батарею.

Другие производители сосредоточились на элементах питания. В Renault для модели ZOE доработали литий-ионную технологию, применив литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор. Химический состав таких батарей оптимальнее, а сами батареи меньше подвержены влиянию отрицательных температур и лучше охлаждаются в жару. Renault обещала минимальный запас хода в зимний период до 100 километров.

В 2016 году General Motors только выпустила модель Bolt, в которой используется обогащённая никелем литий-ионная батарея. Химические процессы в таком элементе питания протекают при более высоких температурах, что повышает его эффективность. Покупатели считают электрокар очень надёжным, а запас хода даже в прохладное время года составляет не меньше 250 километров.

Все электромобили оснащены системой управления батареей. Её основная задача — оптимизировать процессы зарядки и отдачи энергии таким образом, чтобы батарея не теряла свой объём и оптимально взаимодействовала со всей электроникой машины. Системы беспрерывно мониторят состояние ячеек, отключая перегревающиеся или неэффективные либо ограничивая воздействие некоторых систем, например рекуперативного торможения.

За 20 лет автопроизводители научились делать автомобили, пригодные для ежедневной городской эксплуатации, и большинство из них оказались компактными машинами по цене авто из премиального сегмента. Популярная по всему миру BMW третьей серии стоила столько же, сколько и противоречивая i3. Пока автогиганты изучали возможность выведения на рынок премиальных электрокаров, у энтузиастов были другие планы.

Почему Tesla изменила рынок электрокаров

В 2003 году в Калифорнии два инженера-автолюбителя решили построить электрический спорткар — мгновенная и равномерная тяга крайне важны для быстрого вождения на треках. Инженеры на деньги Илона Маска адаптировали шасси английского Lotus Elise и в 2008 году представили первую Tesla.

На модели Roadster компания опробовала основные функции электрокара — езда как в экстремальных условиях гоночного трека, так и в условиях рваного городского темпа. Tesla за несколько лет создала 2500 родстеров, но нишевая машина не удовлетворяла амбиции руководства. Маск хотел создать электрического конкурента популярных бизнес-седанов — BMW пятой серии и Mercedes-Benz E-Class.

Представленный в 2009 году прототип Model S заинтересовал автолюбителей, ведь это был полноценный люксовый полноразмерный седан на электрической тяге. Ему полагалась литий-ионная батарея, состоящая из нескольких тысяч модулей Panasonic по типу пальчиковых батареек, производство которых быстро наладили.

«Автомобильным» стратегическим партнёром Tesla Motors был концерн Daimler. Калифорнийцы адаптировали технологии батарей для компактных автомобилей Smart, а взамен получили помощь в разработке и даже некоторые готовые компоненты от автомобилей Mercedes-Benz. В Model S часть элементов салона напрямую заимствованы у модели E-Class.

Запас хода в 280 километров для стандартной Model S оказался революционным, а руководство Tesla совместно с Panasonic запланировало построить собственную фабрику для производства батарей. Компании сделали ставку на новую технологию — в батареи к никелю и кобальту добавили алюминий, что увеличило ёмкость и замедлило деградацию.

Руководство Tesla, проанализировав затраты на модель Roadster и первые партии Model S, сосредоточилось на совершенствовании всей цепочки поставок. При производстве родстера компания постоянно сталкивалась с задержками и ошибками со стороны подрядчиков.

Теперь Tesla решила максимально много производить самостоятельно, а за результат работы подрядчиков строже спрашивать с ответственных за контракт. Многие процессы дорабатывались уже на конвейере, а простои возникали из-за действий сотрудников, которые до этого никогда не занимались автомобилестроением.

Рабочие собирают машины вручную, заготовки валяются на полу по всей фабрике, а конвейер двигается со скоростью улитки. Всё это не выглядит как хорошо отлаженные производственные процессы. Это больше похоже на то, что Tesla меняет процесс на лету.

Трэвис Хоим

Проблемы со сборкой не сильно сказались на первых впечатлениях от машины. Автожурналисты отмечали, что Model S отлично ускоряется, очень предсказуемо управляется, но главное — не ощущается как прототип или тестовая версия. Практически всё работало должным образом, а новые функции машина получала после обновления прошивки — точно так же, как смартфон.

Цена почти в 70 тысяч долларов казалась справедливой, ведь автомобиль соответствовал ожиданиям обеспеченных клиентов: ничем не уступал бизнес-седанам с традиционным двигателем, но обеспечивал совершенно иные ощущение от вождения. Мгновенное ускорение практически в полной тишине оценили многие клиенты, но они же сетовали на необходимость подзарядки каждые 150-200 километров при активной езде.

Очередь за бесплатной энергией и тонкие настройки обогрева сидений

Практически одновременно с отгрузкой автомобилей первым клиентам Tesla начала монтировать собственные зарядные станции, где владельцы могли бесплатно зарядить батарею. Так продолжалось пять лет, пока спрос на зарядку не превысил предложение.

Сейчас владельцы некоторых моделей Tesla получают энергию бесплатно по программе стимулирования спроса на новые модели, но большинство водителей платят за каждый киловатт-час. Другие автопроизводители долго игнорировали проблему зарядных станций, ссылаясь на возможности частного бизнеса в энергетическом секторе и доступность домашних зарядных станций.

Сотрудничество частных энергетических компаний и автопроизводителей зачастую не очень успешно. Renault, производящая больше 50 тысяч электрокаров в год, несмотря на успех моделей Zoe и Twizy, не предоставляла владельцам своих машин никаких опций или привилегий. Компания нашла партнёров в Европе и Канаде, где автолюбители могли бесплатно или дёшево зарядить батарею, но всплеска продаж не случилось.

Производители электрического оборудования предлагают настенные домашние станции, которые позволяют интегрировать зарядное устройство в электросеть частного или многоквартирного дома. В Европе и США, где многие живут в собственных домах, такие станции особенно популярны. При запасе хода в несколько сотен километров водители не испытывают проблем в тёплое время года, но зимой им приходится выбирать между обогревом салона и запасом хода.

При температуре около нуля я почти нашёл баланс между запасом хода и обогревом без климат-контроля. Совет использовать обогрев сидений для экономии энергии точен, но сложно защитить лобовое стекло от обледенения. Обогрев сидений потребляет на 24% энергии меньше, чем климат-контроль. Было много обсуждений про использование кондиционера. Я увидел разницу в 1%, поэтому пользуйтесь им как хотите.

Поиск настроек для обогрева салона нравится далеко не всем водителям, которые отдают за электромобили стоимость премиального авто на бензине или гибрида. Впрочем, даже в холодных странах Европы электромобили продаются с каждым годом всё лучше — например, в Дании в 2020 году было продано больше 15 тысяч (в 2015 году — четыре тысячи).

Некоторое время в индустрии рассматривалась идея о быстрой замене батареи на специальной станции. Водитель за 90 секунд получал полностью заряженную и обслуженную батарею, а его старый аккумулятор отправлялся на диагностику, а затем — в зависимости от состояния — на утилизацию или ремонт. Но стартап, специализировавшийся на этой технологии, обанкротился, а аналогичная программа Tesla не нашла отклика у владельцев.

Как власти регулируют автомобильные выбросы и как на это влияют электрокары

Выбросы вредных веществ автомобилей регулируются по всему миру, но наиболее жёсткие требования предъявляет Европа. Ещё до создания Евросоюза власти приняли стандарт Euro-1, и оснащение автомобилей каталитическим катализатором вредных веществ стало обязательным.

Актуальный стандарт Euro-6 регулирует выбросы четырёх основных групп вредных веществ, но чаще всего производители и водители ориентируются на нормы выбросов оксида азота. Установленный в 2015 году стандарт серьёзно осложнил выпуск дизельных машин, что подтолкнуло производителей к фальсификации результатов тестов на объём выбросов и абсурдным экспериментам над животными.

Администрация Барака Обамы приняла программу, согласно которой американские производители к 2025 году должны были снизить среднее потребление топлива на милю, а значит и уменьшить объем вредных выбросов. Правила распространялись на легковые автомобили и популярные полноразмерные внедорожники.

Рядовые американцы не оценили нововведение — любовь к мощным бензиновым и дизельным моторам оказалась сильнее заботы о природе. Журналисты писали о недостижимости целевых показателей, которые были вдвое выше действующих норм.

Дональд Трамп в конце своего правления частично отменил правила Обамы, мотивируя это развитием экономики и автомобильной промышленности США, которая переживает не лучшие времена. В то же время его преемник Джо Байден практически сразу объявил о планах заменить все правительственные авто электромобилями. При этом они должны быть собраны в США.

Глобальная проблема охраны природы влияет и на транснациональные автоконцерны. В 2020 году Stellantis, куда входят европейские Fiat, Opel, Maserati и американские Dodge, Chrysler, Jeep, заплатил больше 300 миллионов евро Tesla за так называемый углеродный кредит.

Заключённый в 1997 году Киотский протокол устанавливает нормы выбросов парниковых газов для стран и крупнейших предприятий. В случае, если автопроизводитель не укладывается в нормы, он может купить кредиты у другого производителя, который не израсходовал свой лимит.

Руководство концерна прогнозирует, что к концу 2021 года потратит на выкуп кредитов почти два миллиарда долларов. Другие производители, например Volvo, в 2020 году намеревались продать кредитов на 500 миллионов евро, чтобы вложить деньги в производство полностью электрических автомобилей.

Впрочем, пока автопроизводители не стремятся электрифицировать всю линейку автомобилей для всех стран. Эконормы менялись достаточно часто, что стимулировало создавать как новые двигатели и трансмиссии, так и системы очистки выхлопных газов. Теперь общественность и бизнес обеспокоились другим — насколько в принципе вредно производство любого автомобиля.

Какие проблемы создают электромобили

Вопрос экологичности машин и их углеродного следа в 2020 году подняла Volvo, которая принадлежит китайской Geely. Шведы сравнили совокупность всех выбросов парниковых газов (обозначается в тоннах как CO₂e) при производстве и эксплуатации бензинового Volvo XC40 и полностью электрического Polestar 2, которые могут быть прямыми конкурентами на рынке.

Эксперимент наглядно показал, что радикальные заявления защитников природы о немедленном запрете машин с двигателем внутреннего сгорания преждевременны. Проблема производства аккумуляторов стоит остро ещё с середины 2000-х, когда инженеры проектировали гибридные автомобили.

Для производства литий-ионных батарей необходимы редкоземельные металлы. Для одного аккумулятора смартфона требуется около 10 граммов кобальта, а для производства одной батареи электрокара — около 10 килограммов. При этом больше половины мировых запасов кобальта находятся в Демократической Республики Конго.

В 2014 году фонд UNICEF, занимающийся организацией помощи несовершеннолетним по всему миру, обнаружил в рудниках около 40 тысяч детей. Они работали каждый день по 12 часов в сутки. Власти Конго обещали взять ситуацию с детским трудом под контроль и регулярно проводить выездные проверки, но о серьёзных подвижках ничего не известно. Почти трёхкратный рост цен на кобальт обеспечивает экономику бедной страны.

Это правда, что в шахтах работают дети. Но и правительство — не попрошайка, у компаний есть обязательства по созданию благ в местах их работы. Это обстоятельство (удалённость китайской компании от Конго — прим. TJ), безусловно, не единственное. Мы думаем, что многие компании находятся в аналогичной ситуации.

Ричард Мюей

Сами жители Конго относятся к происходящему как к обычной работе. Топ-менеджер китайской Zhejiang Huayou Cobalt, владеющей рудниками, сообщил, что не был в курсе, как организована добыча полезных ископаемых.

Автолюбители настороженно встречают новости о полной электрификации того или иного бренда, задавая вопросы об источниках электричества и процессе утилизации батарей. Представители брендов обычно шаблонно отвечают, что в компании принята политика утилизации и обновления элементов питания, которая позволит минимизировать негативное влияние на окружающую среду.

Ближайшее будущее

В сентябре 2020 года Tesla представила новый тип элементов питания, который будет дешевле в производстве, а благодаря конструкции в корпус батареи войдёт больше элементов питания, что позволит увеличить запас хода на 16%. Впрочем, компания показала только рендеры разработки, что многих насторожило.

В конце года Toyota анонсировала твердотельную батарею, на которой легковой автомобиль будет проезжать около 500 километров на одном заряде. Зарядка носителя от нуля до 100% займёт около 10 минут, а небольшие вес и габариты батареи позволят разместить её в автомобиле любого класса. Серийный электрокар с твердотельной батареей Toyota обещает выпустить в 2028 году.

В новом устройстве электролит будет в твёрдом виде, а не жидком, — это позволит хранить больше энергии и повысит её надёжность. Новый химический процесс уменьшит вероятность возгорания автомобилей при ДТП, когда повреждённая батарея загорается при контакте с воздухом или влагой.

В мире более полумиллиона электромобилей, которым в ближайшем будущем потребуется обслуживание или замена батарей на новые. Автопроизводители говорят о сокращении использования кобальта, обещая уменьшить потребление в два раза уже в ближайшее десятилетие. Производители батарей начинают программы восстановительного ремонта элементов питания, а Tesla планируют применять непригодные для автомобилей аккумуляторы в проектах по накоплению энергии частных домов.

По задумке инженеров, батарею от Model 3 в будущем можно будет использовать в автономных системах, таких как Tesla Powerwall. Универсальный накопитель хранит энергию, полученную из общегородской сети, индивидуальных солнечных панелей или ветряков.

Батареи, которые непригодны для вторичного использования, намереваются разбирать на составные компоненты и возвращать в производство. Так в компании планируют сократить объёмы добычи кобальта и никеля.

Задуманные как быстрый способ дать энергию, аккумуляторы электрокаров в будущем могут стать не меньшей проблемой, чем выхлопы старых дизельных автомобилей. Десятки стартапов работают над идеей повторного использования элементов питания, но готового решения пока нет.

Я понял, что можно использовать повторно большую часть электромобиля, кроме батареи. Она не проектировалась для ремонта, повторного использования и улучшений. Ключевым было быстрое и дешёвое изготовление.

Все компоненты батареи сейчас склеены, сварены, и предполагается, что она будет как-то утилизирована. Нам надо заново изобрести батарею, которая изначально будет приспособлена для повторного использования.

Карлтон Камминс

Статья создана участником Лиги авторов. О том, как она работает как туда вступить, рассказано в этом материале.

#технологии #электромобили #tesla #лонгриды #лигаавторов