Пoхoже, ведущие мирoвые автoпрoизвoдители, такие как Nissan, Renault, Toyota, Ford и другие, наметили в cвoих календарях дату прoрыва в этoм нoвoм cегмента автoмoбильнoгo рынка: кoнец 2010–началo 2011 гoда. Чтo этo? Дань новой моде или наc наконец-то ожидает электромобильная революция?
Проcматривая информационные издания, мы вcе чаще вcтречаемcя c такими заголовками: «Toyota c 2011 г. начнет продажу машин, заряжающихcя от розетки», «Ford потратит до 500 млн долл. на переоборудование завода cборки электромобилей» или «в Китае cтартовали продажи нового электромобиля Chery QQEV». Читателю, не знакомому c положением дел, может показатьcя, что была изобретена некая новая технология, благодаря которой электромобили наконец-то вытеcнят чадящие и непомерно прожорливые «обычные» автомобили c наших улиц.
На cамом деле, никакой революции не произошло, по крайней мере, в техничеcком плане. Ведь автомобиль c полноcтью электрическим приводом – это изобретение старое, можно даже сказать, старинное. Он появился даже гораздо раньше, чем двигатель внутреннего сгорания.
История вопроса
Первый документально зафиксированный электромобиль был сконструирован, подумать только, в I половине XIX в., а точнее, в 1838 г. Через семь лет после того, как Фарадей сконструировал первый действующий электромотор. Впрочем, электромобиль этот двигался со скоростью черепахи и едва мог перевозить свой собственный вес.
По мере совершенствования аккумуляторов экипаж с электрическим приводом преобразился из пугающего толпу монстра во вполне реальное и удобное средство передвижения. По крайней мере, сконструированный инженером Романовым в 1899 г. электрический кэб стал по-настоящему популярным. В том же году американская фирма «Уолтер Бейкер» наладила серийный выпуск электромобилей. И в том же году общее количество электромобилей в Америке перевалило за полторы тысячи.
Для сравнения – автомобилей с бензиновым двигателем за указанный выше период было продано в полтора раза меньше. К 1910 г. в одном только Нью-Йорке количество электромобилей перевалило за 10 тыс. Они пользовались спросом и у рядовых граждан, и у таксистов, и у разнообразных служб, включая полицию и медиков. Характеристики автомобилей с электроприводом улучшались день ото дня. Спортивные электромобили выдавали больше 130 км/ч, а модели «для простых смертных» хоть и ездили не быстрее максимально разрешенной в городе скорости, но уверенно проезжали на этой скорости 100 км без зарядки. Однако, заглянем еще на десять лет вперед…
Выпуск электромобилей по всему миру практически полностью прекращен. ДВС – новый король автомобильного мира. Что же погубило электромобиль так быстро и неотвратимо? Всего два фактора, но фатальных. Автомобили с ДВС оказались быстрее, а водители жаждали скорости, которую электромобиль дать не мог. Кроме того, бензин стоил очень дешево (долгое время он был побочным продуктом перегонки нефти), и залить его можно было за считанные минуты, а аккумуляторы приходилось заряжать часами. Рынок выбрал двигатель внутреннего сгорания, и об электромобилях забыли.
Спасибо кризису
Об электромобилях вспомнили в 1970 г., когда экономический кризис взвинтил цены на бензин до небес. Оказалось, что к тому моменту времени главная проблемная часть автономного электротранспорта – аккумуляторная батарея – не претерпела почти никаких изменений! Сравните с громадным прогрессом, который произошел в технологии ДВС с начала XX в.
Именно в 1970-х гг. начали разрабатываться новые типы аккумуляторов, которые в перспективе сделают электромобиль более привлекательным средством передвижения. Кризис прошел, экономика выправилась, и исследования в этой области как будто затихли. Нет, они продолжались во многих лабораториях, но вот результаты их работы автоконцерны не спешили предъявлять публике. Зачем что-то менять, когда и так все хорошо? Потребитель с удовольствием приобретает автомобили с ДВС, и никакие электромобили ему опять не нужны.
С этой точки зрения показательна история экспериментальной партии автомобилей General Motors EV1, произведенной в 1997 г. 650 электромобилей были переданы в лизинг жителям Калифорнии и Аризоны, при этом стоимость аренды составляла около 350 долл. в месяц. Через несколько лет GM принудительно изъяла и уничтожила всю партию электромобилей, несмотря на протесты водителей, которые были довольны машиной. В 2003-м исследовательская программа по направлению электротранспорта была закрыта. Существует мнение, что на автогиганта оказала давление ассоциация нефтепроизводителей. Кроме того, GM опасался, что высокий спрос на электромобили угрожает основной сфере деятельности – автомобилям с ДВС.
Пришел новый кризис. И вновь самые разные организации и группы – от правительств стран до самих автопроизводителей – вспомнили о старой затее. Действительно, а чем так привлекательна идея электромобиля для простого потребителя?
Давайте посчитаем
В городском режиме обычный автомобиль расходует от 6 до 14 л на 100 км. При стоимости бензина от 21 до 25 руб. за 1 л мы получаем стоимость 1 км пути для автомобиля от 1,26 до 3,5 руб.
В том же городском режиме электромобиль расходует от 70 до 200 (Вт·ч)/км пройденного пути. При средней стоимости электроэнергии в 2,5 руб. за 1 кВт·ч мы получаем стоимость 1 км пути от 18 до 50 копеек. В реальных условиях и с учетом некоторых потерь в цепочке «электрический счетчик – зарядное устройство – аккумулятор» мы получаем реальную среднюю стоимость пути электромобиля в районе 35 коп. за 1 км, т.е. примерно в шесть раз меньше, чем у традиционного автомобиля! Кроме того, электромобиль не тратит энергию, когда вы стоите в пробке.
Однако в стоимость владения транспортным средством помимо стоимости бензина входят стоимости других расходных компонентов (масло, фильтры, свечи и т.д.), периодический ремонта, транспортный налог и ОСАГО. Здесь у электромобиля много преимуществ и один недостаток. С одной стороны, ему не требуется смена свечей, фильтров и масла (в редукторах его мало, да и меняют его гораздо реже, чем раз в год). Кроме того, он содержит гораздо меньше движущихся частей, проще в устройстве, реже выходит из строя, да и стоимость ремонта существенно ниже, чем у традиционного авто.
С другой стороны, появляется серьезная статья расходов – аккумуляторы. Действительно, если на электромобиле установлены традиционные аккумуляторы (свинцово-кислотные, гелевые, рулонные), то менять их придется раз в три-шесть лет. Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы служат от десяти до двадцати лет, но они и стоят существенно дороже. Где-то между этими двумя категориями расположились другие типы аккумуляторов (никель-металл-гидридные, никель-кадмиевые и т.д.), но давайте отложим их рассмотрение до следующей части статьи.
Во всю мощь
С транспортным налогом и ОСАГО для электромобилей также складывается интересная ситуация. И та, и другая выплаты определяются в зависимости от паспортной мощности двигателя транспортного средства, исчисляемой в лошадиных силах. Термин «лошадиная сила» применительно к электродвигателям несколько меняет свое значение. Конечно, существует простая формула пересчета в киловатты, но вопрос в том, как она применяется. У двигателей внутреннего сгорания мощностью считается их максимальная мощность. При этом, 99% времени нормальной эксплуатации автомобиля ДВС не развивают даже половины этой мощности. Иными словами, когда вы платите за лошадиные силы вашего автомобиля, вы платите скорее за возможность использования, чем за реальное использование паспортной мощности.
А вот в паспорт электромобиля записывается номинальная мощность электродвигателей, т.е. та мощность, которую электродвигатели могут развивать длительное время (несколько часов) без ущерба для своего состояния. Тем не менее, электродвигатели, в отличие от ДВС, могут очень эффективно использоваться в перегрузочных режимах. Многие электродвигатели способны кратковременно (до нескольких минут) развивать мощность, в два раза превосходящую их номинальную мощность, и опять-таки без особого ущерба для своего состояния.
Производители электромобилей прекрасно это знают и пользуются этим на практике. Когда вы быстро разгоняетесь, электромобиль работает в перегрузочном режиме. Промежутки разгонов и торможений по времени не очень велики, поэтому номинальную мощность электродвигателей можно сделать меньше. Иными словами, при одинаковой паспортной мощности электромобиль будет гораздо резвее своего собрата с ДВС.
В городе и вне его пределов
Если поставить на одну чащу весов все плюсы электромобиля в отношении расходных материалов (кроме топлива), обслуживания, ремонта, экономии на транспортном налоге и «страховке», а на другую чашу весов – стоимость замены аккумуляторных батарей, то эти две чаши практически уравновесят друг друга. В сухом остатке у нас по-прежнему будет существенная разница в стоимости энергии на 1 км пути. Причем эта разница окажется тем сильнее, чем больше масса электромобиля (при пропорциональном увеличении емкости батарей) и чем больше его среднесуточный пробег. Именно поэтому во многих странах (Китай, Япония, Великобритания, Польша, США) массовое внедрение электромобилей начали именно с грузового и общественного транспорта.
До сих пор мы говорили о сравнительной экономической выгоде электротранспорта в городском режиме. Когда электромобиль выезжает за город и разгоняется до 100-130 км/ч (забудем на время про законодательное ограничение максимальной скорости и обратимся к нашим реалиям), он начинает потреблять в 2-2,5 раза больше энергии на 1 км пути.
По стоимости это все еще в два раза дешевле, чем у традиционного автомобиля, но вот дальность пути на одной зарядке вряд ли превысит 100 км. Поэтому нужно четко понимать, что электромобили навсегда привязаны к городам или районным центрам, в которых они используются, и никакой технический прогресс это ограничение не отменит, по крайней мере, в ближайшие десять лет. Вы можете свободно передвигаться в 50-километровой зоне вокруг города или же в 100-километровой зоне, если у вас гарантированно есть розетка на обоих концах маршрута. Правда в том, что в 99% случаев этого вполне достаточно, чтобы ездить на работу/с работы, за покупками, на природу, на дачу, а также обслуживать внутригородские и окологородские грузо- и пассажироперевозки.
Единственное, для чего не приспособлен электромобиль, – так это для поездок между городами. Но ситуация изменится, когда появится надежная инфраструктура зарядных станций, а электромобили смогут заряжаться за 10-15 мин. Технически это возможно уже сейчас (и даже было возможно несколько лет назад). Дело за политической волей и экономической целесообразностью для инвесторов.
Взгляд изнутри
Большинство автопроизводителей разрабатывает электромобили на базе серийных автомобилей, просто исключая из конструкции двигатель и топливную систему. Вместо них ставится один мощный электродвигатель, который подключается или к коробке передач, или напрямую к дифференциалу или промежуточному редуктору, а коробка передач в этом случае также исключается. Другой подход – отказаться от коробки передач и механического дифференциала, ввести в конструкцию электродвигатели по числу ведущих колес, а усилие на колеса передавать с помощью ШРУСов и, как правило, промежуточных редукторов. Редукторы необходимы, потому что эффективный рабочий диапазон скоростей типичного электродвигателя – 1 500-8 000 об./мин, а колеса машины – 0-1 000 об./мин.
Сначала в электрических транспортных средствах использовались электродвигатели постоянного тока. Однако в последние десятилетие разработчики предпочитают асинхронные электродвигатели переменного тока и безколлекторные постоянного тока (т.н. BLDC). При этом для управления даже электродвигателями постоянно тока применяют не простые контакторы и мощные переменные резисторы, как это было тридцать лет назад, а сложные контроллеры на силовых полевых (MOSFET и HEXFET) и биполярных (IGBT) транзисторах, реализующие широтно-импульсную модуляцию.
Такие транзисторы способны пропускать через себя киловатты мощности, рассеивая при этом всего десятки ватт. В безколлекторных электродвигателях с применением микропроцессорных контроллеров становится возможным реализовать т.н. векторный режим управления, когда контроллер управляет не скоростью, а моментом электродвигателя. При этом можно организовать более эффективное управление стартом с места, разгоном и торможением, а также экономичнее использовать энергию аккумуляторной батареи.
Источник силы
В современных электромобилях применяются следующие типы аккумуляторных батарей.
Свинцо-кислотные аккумуляторы – пожалуй, самые дешевые и массовые, с более чем полуторавековой историей. Существуют в стартерной и тяговой модификации, которые различаются конфигурацией пластин и особенностями их намазки.
Они характеризуются очень низкой удельной плотностью запасаемой энергии. Поэтому масса такой батареи всегда будет составлять значительную долю массы всего электромобиля.
Вторая серьезная проблема этих батарей – малое количество рабочих циклов. При 80% разряде типичная батарея выдерживает всего несколько сотен циклов. К привычному недостатку мы можем отнести долгое время зарядки батареи (более 10 ч). Проблема долговечности была частично решена с появлением гелевых и рулонных необслуживаемых моделей. Впрочем, они и стоят в два-три раза больше, чем классические.
Никель-кадмиевые аккумуляторы были изобретены на рубеже XIX-XX вв. Эти батареи могут заряжаться как в «долгом» (10-12 ч), так и в «быстром» (3-5 ч) режиме, однако быстрая зарядка требует специальных предосторожностей и температурного контроля. Аккумуляторы этого типа обладают эффектом памяти, и необходимо время от времени проводить их рецикловку.
К их достоинствам стоит отнести большое количество циклов (более 1 тыс.) и нечувствительность к полному разряду.
Компоненты батарей токсичны, а простого способа их вторичной переработки не существует, поэтому в данный момент они запрещены к производству в странах Евросоюза.
Никель-металлогидридные аккумуляторы появились в 70-х гг. XX в., но популярность приобрели только на рубеже 90-х. К их плюсам стоит отнести на 40% большую емкость на единицу веса, чем у NiCd батарей, меньшую выраженность эффекта памяти и экологическую безопасность.
Их минусами является необходимость сложного зарядного устройства, реализующего стадийный алгоритм, а также высокий уровень саморазряда. У них есть еще один специфический минус: компания-патентообладатель наложила мораторий на производство аккумуляторных батарей большой емкости по этой технологии до 2014 г. Так, в Toyota Prius инженерам пришлось объединить несколько сотен аккумуляторов малой емкости (по сути, «пальчиковых» аккумуляторов), чтобы получить батарею с нужными параметрами.
Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы – целое семейство аккумуляторных батарей с разными конструкциями и разными рабочими веществами, но с примерной одной и той же схемой работы. Важным недостатком ранних конструкций была высокая взрывоопасность. Сейчас этот недостаток преодолен.
Аккумуляторы этих типов обладают наиболее высокой плотностью энергии среди всех перечисленных выше, причем как объемной, так и весовой. Они быстро заряжаются (от часа до нескольких минут), обладают высоким ресурсом (свыше 1 тыс. циклов) и отказоустойчивостью. Можно смело сказать, что именно за этим семейством аккумуляторных батарей будущее. Недостаток у них один – крайне высокая цена, но прогресс не стоит на месте.
Еще одной важной функцией электромобиля является рекуперация – возможность запасания энергии торможения обратно в аккумуляторе. Так как не все типы аккумуляторных батарей способны быстро усвоить большое количество энергии, в рекуперационную схему часто вводят промежуточный элемент – аккумуляторную батарею другого типа или ионистор (суперконденсатор).
Когда водитель отпускает педаль акселератора (реже – несильно нажимает на педаль тормоза), тяговые электродвигатели начинают работать в генераторном режиме, и энергия идет в обратном направлении – через контроллер и промежуточный накопитель энергии в основную батарею. По разным оценкам, в городском режиме рекуперация способна вернуть в аккумулятор от 5 до 15% потраченной энергии. В загородном режиме эта цифра приближается к нулю, т.к. количество торможений мало.
Электромобили в России
Интерес к электромобилям в России (точнее, в СССР) появился в начале 70-х. Вначале электротранспортом интересовались только с промышленной точки зрения – разрабатывались разнообразные погрузчики, грузовые платформы, небольшие грузовички для работы в пределах какой-то ограниченной области (например, на территории крупного завода).
В середине 80-х электромобилями уже для широкого круга применения заинтересовались на АвтоВАЗе. Тогда же было разработано достаточно оригинальное мотор-колесо (схема, в которой электродвигатель находится внутри ступицы колеса), которое устанавливали на экспериментальные ЭлектроЖигули.
Всего за тридцать лет на территории АвтоВАЗа были разработаны несколько десятков разных конструкций легковых электромобилей, как в виде переделок фабричный моделей, так и в виде совершенно новых шасси и кузовов. К сожалению, многие из этих разработок существовали в единичном экземпляре, и только несколько моделей ушли в тираж, впрочем, небольшой.
В настоящее время на АвтоВАЗе дорабатывается универсальный транспортный модуль Бронтокар, а также небольшими партиями выпускаются электрические модификации Девятки (ВАЗ-2109-Э) и Оки (ВАЗ-1111-Э). Что любопытно, ЭлектроОКА даже экспортируется в США, где позиционируется как транспортное средство для близких маршрутов (т.е. в пределах какого-то конкретного района большого города). В этом 
электромобиле используется один двигатель постоянного тока мощностью 25 кВт, а никель-кадмиевые батареи составляют треть снаряженной массы транспортного средства. Запас хода на одной зарядке составляет около 100 км.
Красивый, современный и недорогой (с упором на последний пункт) электромобиль под маркой BRAVO разрабатывают астраханские инженеры. Электромобиль выполнен по полноприводной схеме. Бесколлекторные электродвигатели общей мощностью 40 кВт соединяются с колесами с помощью оригинальной гибкой передачи.
В качестве источника тока выбраны обычные свинцово-кислотные аккумуляторы. Однако их традиционно небольшой срок службы продлен более чем в два раза благодаря интеллектуальной системе импульсного заряда и «лечения» аккумуляторов, управляемой микропроцессором.
Каркас кузова выполнен из металлических труб круглого и прямоугольного профиля, он также выполняет функцию каркаса безопасности. Снаружи каркас закрываются легкими стеклопластиковыми панелями, с которых таким образом снята функция обеспечения безопасности – они являются ветро- и влагозащитным и эстетическим элементом конструкции. Максимальная скорость транспортного средства – 120 км/ч, а дальность хода в городском ритме движения – 150 км.
По мере развития электромобильного транспорта за рубежом следует ожидать приход на российский рынок и зарубежных моделей электромобилей. Nissan и Renault уже высказали такую заинтересованность. Однако не стоит ожидать этой экспансии раньше 2012 г.
***
Мы специально не касались отдельной категории электрических транспортных средств – гибридов, в которых схемы электромобиля совмещены с традиционным ДВС, топливными элементами, солнечными батареями или более экзотическими источниками энергии, такими как двигатель 
Стирлинга. Тема эта необъятная, и подобные гибриды мы уже довольно давно видим на дорогах России.
