Какие типы двигателей используют электромобили, какова их эффективность и нужны ли им трансмиссии? Все праздники погружался в тему электромобилей, перелопатил сотню статей, посмотрел дюжину видео. Электромобили вроде бы слишком просты, чтобы вникать в их устройство, но я вдруг понял, что знаю о них слишком мало. И словосочетания типа «бесщёточный мотор» или «литий-железо-фосфатная батарея» звучат для меня белым шумом. Суммирую прочитанное в паре-тройке статей.
Забегая вперёд скажу, что в отличие от классического автопрома, в электромобилях прогресс идёт крайне быстро, концепций и красивых идей много. Рынок электрокаров прёт как на дрожжах: в Китае в одном только ноябре 2023 года было продано более 700 тысяч электромобилей, с учётом подзаряжаемых гибридов — более миллиона. Годовые продажи «Теслы» выросли до 1,85 млн штук, но её поджимает китайская BYD с 1,58 млн проданных чистых электромобилей. В общем, точка паритета, когда электромобили начнут окончательно вытеснять классические машины, в Китае уже на горизонте 5-10 лет. Но о состоянии рынка потом, сегодня — чисто технический разговор о моторах и трансмиссиях электромобилей. Если не хотите вникать в их устройство, во второй половине текста — об эффективности электромоторов и проблеме пиковой мощности.
Наследие Теслы — в Tesla
Хотя батарея электромобиля является источником постоянного тока, все электромобили используют двигатели переменного трёхфазного тока, который преобразуется из постоянного в специальном устройстве — инверторе. О моторах постоянного тока сразу забываем: как тяговые они не используются.
Самый простой и распространённый тип электромотора переменного тока — асинхронный, тот самый, что в своё время запатентовал Никола Тесла. Асинхронные моторы дёшевы и довольно надёжны, и большая часть промышленных моторов, которые вы видели на предприятиях, как раз из этой серии. Статор с электромагнитами генерирует вращающееся электромагнитное поле, это поле увлекает за собой ротор, который порой выглядит настолько просто, что получил название беличья клетка или беличье колесо.
Никакого внешнего питания у ротора нет, поэтому нет ни коллекторов, ни щёток, ни скользящих контактов: ломаться тут практически нечему. Принципиальным условием работы асинхронного двигателя является тот факт, что ротор должен вращаться чуть медленнее, чем магнитное поле: при выравнивании частот не будет самоиндукции и крутящий момент обнулится.
Поскольку в бытовых сетях мы используем переменный ток с частотой 50 Гц (3000 колебаний в минуту), то и моторы, которые питаются от трёхфазных сетей, могут иметь только кратную частоту (вернее, близкое к ней значение): 3000 об/мин, 1500 об/мин или 750 об/мин в зависимости от количества полюсов статора. В электромобиле силовая электроника инвертора может генерировать синусоиды любой частоты, поэтому таких ограничений нет. Электроника всегда подстраивает частоту магнитного поля под скорость вращения колёс, текущую или желаемую.
Асинхронные моторы охотно использует Tesla, причём на ранних моделях они часто были безальтернативными, но сейчас многие полноприводные Tesla используют комбинированные схемы, где асинхронный мотор установлен только в передней оси. Встречаются такие моторы и на других электромобилях, например, Audi Q8 e-tron, но в целом выходят из моды. Плюсы асинхронного мотора — это предельная простота, надёжность и дешевизна. Один из главных минусов — низкий стартовый момент. Поэтому львиная доля современных электрокаров имеют синхронные моторы на постоянных магнитах.
Магнитное постоянство
Синхронный двигатель отличается от асинхронного не так уж сильно, просто в нём магнитное поле ротора генерируется постоянными магнитами, чаще всего неодимовыми или самариевыми. Поле и ротор вращаются с одинаковой частотой, причём электроника выбирает оптимальное положение ротора относительно поля, чтобы максимизировать тягу. Такие моторы имеют высокий стартовый момент и, насколько могу судить, доминируют. Синхронные моторы на постоянных магнитах стоят в Zeekr 001, Jaguar i-Pace, Porsche Taycan, «Москвич-3е», Volkswagen iD.4 и так далее. Китайские марки так и вовсе используют преимущественно их.
Их минус — более высокая цена за счёт использования редкоземельных металлов, но, по моим прикидкам, в общей стоимости электромобиля это несущественный фактор. Я не нашёл обоснования, почему некоторые американские и европейские компании предпочитают асинхронные моторы, тогда как КНР ставит на синхронные: может быть, для китайского автопрома редкоземельные магниты более доступны, не знаю. Есть также риск размагничивания магнита, например, при сильном перегреве, но не знаю, насколько он актуален для реальных электромобилей.
Такие моторы в целом идеально подходят электромобилям, например, имеют высокий стартовый момент и благоприятную внешнюю скоростную характеристику. Один из главных недостатков синхронного мотора на постоянных магнитах — это наведение обратной электродвижущей силы (ЭДС) на высоких частотах. Проще говоря, на круизных скоростях у него падает КПД и растёт расход энергии, то есть такие моторы больше подходят ситикарам, чем дальнобойным электромобилям (а сегодня всё больше моделей преодолевает рубеж 1000 км на зарядке, но об этом в следующей статье).
Однако и эту проблему решили, и та же Tesla использует в синхронных моторах комбинированную схему (в англоязычных источниках — IPM+SynRM), которая не имеет этого недостатка. Тут нужно сделать небольшой отступление: помимо моторов на постоянных магнитах есть ещё более простая разновидность, реактивные моторы. У них ротор не имеет ни магнитов, ни катушек, ни клеток — это просто металлическая конструкция определённой формы, условно, крестообразной, а иногда и круглой. Так вот, такая железячка стремится выровняться определённым образом вдоль линий магнитного поля, а если оно вращается — то будет вращаться синхронно с ним. В чистом виде вентильно-реактивные (SRM) или синхронно-реактивные моторы (SynRM) в электромобилях, насколько я знаю, не используются, но применяет гибридный вариант. В ротор реактивного мотора вживляют постоянные магниты, располагая их обычно парами в виде буквы V, чтобы задать нужную форму магнитному полю. Такой мотор может менять режим: на малых частотах он работает как двигатель на постоянных магнитах, но на больших ротор слегка поворачивается относительно магнитного поля и переходит в реактивный режим работы с низкой или нулевой обратной ЭДС.
Кстати, в реальности очень сложно понять, какие именно двигатели используют многие производители: Tesla, например, обозначает их тип как гибридный, но многие марки пишут просто «мотор на постоянных магнитах», что не исключает использование комбинированного принципа. Впрочем, это уже нюансы.
Щеточки от BMW
Казалось бы щёточные моторы в качестве тяговых двигателей электромобиля — это нонсенс. Щеточки имеют самые простые моторчики постоянного тока, которые вы найдёте везде, вплоть до вашего смартфона, но понятно, что при больших мощностях скользящие контакты нежелательны. Тем не менее, щеточные моторы использует, например, BMW i4. Нет, у него не мотор постоянного тока, где коллектор со щётками помимо прочего выполняет ещё и управляющую функцию, переключая обмотки возбуждения. Мотор BMW по принципу работы близок к синхронному мотору на постоянных магнитах, только в роторе у него магниты переменные, для питания которых и нужны скользящие контакты. Такую же схему используют некоторые модели Renault и Nissan. В англоязычной литературе она называется WRSM, в русскоязычной — синхронные моторы с обмоткам возбуждения.
Зачем нужно возвращать такой капризный узел, как скользящие контакты? Честно говоря, не знаю: производители напирают на удешевление за счёт отсутствия редкоземельных магнитов. Может быть, отдельным плюсом является возможность регулировать напряжение в катушках ротора, хотя сама необходимость их питания требует затрат энергии. Повторюсь, я склонен думать, что у европейских марок есть какие-то проблемы с доступом к редкоземельным магнитам.
Насколько эффективны электромоторы
На фоне ДВС они суперэффективны: если у лучших дизелей на оптимальных режимах КПД достигал, может быть, 45%, а в среднем был где-то вдвое ниже, то для электродвигателей нормой является диапазон 94-98%. КПД электромотора зависит от нагрузки и частоты, и для разных типов двигателей кривые могут отличаться, но в любом случае падение эффективности не настолько критичное: грубо говоря, если на оптимальном режиме мотор выдает 94%, то на высоких оборотах может иметь КПД 84%, что всё равно на голову лучше самого навороченного и задушенного экологией ДВС.
Или такой факт: средний расход энергии при 90 км/час для сравнительно крупного электромобиля составляет 15 кВт*ч/100 км (источник), и если пересчитать эту величину в привычные нам величины, это эквивалентно расходу бензина 1,57 л/100 км — и это для автомобиля размерностью с Meredes-Benz EQS. Это условная величина, но она показывает, насколько более рачительно электромобиль использует имеющуюся у него энергию.
Проблема пиковой мощности
Сделать сверхмощный электромотор гораздо проще, чем ДВС аналогичных возможностей, поэтому сегодня не самые дорогие электромобили имеют мощности по 500 л.с. и выше, и это выглядит почти заурядным. А я помню времена, когда Ferrari F40 мощностью 478 л.с. казался автомобилем дьявола. Чтобы сделать мощный электромотор, нужно обеспечить правильное сечение проводников, способных пропустить достаточный ток, в остальном принципиальной разницы между моторами низкой и большой мощности нет — это, по сути, масштабированные копии друг друга. Volkswagen, например, сделал на базе электромотора APP310 мотор APP550, увеличив отдачу чуть ли не вдвое путём замены инвертора.
Но в чудесной стране безлимитной мощи есть своя печаль. Если бензиновый мотор может работать с номинальной мощностью сколь угодно долго, то электромотор — не всегда. Все эти ошеломительные значения в 500-700 л.с. доступны кратковременно, а длительная мощность может отличать от максимальной в разы. У «Москвича-3е», например, 30-минутная мощность составляет 68 л.с. против 193 л.с. заявленной максимальной. При высоких нагрузках электромотор и управляющая электроника (инвертор) перегреваются, и тепловой режим ограничивает время работы на пиковых нагрузках.
В принципе, проблему можно решить за счёт развитой системы охлаждения, и некоторые марки идут по этому пути, например, крутой американский спортседан Lucid Air имеет довольно замороченную систему охлаждения ротора и инвертора. Но на самом деле электромобилю всё это не очень нужно, потому что пиковая мощность ему требуется исключительно для ускорений, а они обычно носят кратковременный характер (если мы не берём чисто гоночные режимы). Мощность для обычного движения же нужна небольшая: скажем, здоровенный Mercedes-Benz EQS (электрический S-класс) при скорости 130 км/час расходует 20,7 кВт*ч энергии на 100 км (источник). Несложно посчитать, что средняя мощность для движения составляет 27 кВт или 36,6 л.с. То есть половина возможностей жигулёвского мотора. И это — для крупной машины на 130 км/час. При мощностях 500+ л.с. электромобили могли бы ездить с максимальными скоростями свыше 350 км/час, но тут ограничением будем запас энергии в аккумуляторе. А при нормальной езде требуется лишь малая доля пиковой мощности.
Нужна ли электромобилю коробка передач
В большинстве случаев нет: из серийных электромобилей двухступенчатый коробки передач есть только у Porsche Taycan и Audi e-tron GT. И в целом это сделано факультативно, например, у Porsche Taycan коробка передач стоит только в задней оси, и в обычных режимах он использует высшую передачу, с которой может и тронуться, и шустро разогнаться. Нижняя передача используется в основном в спортивных режимах для обострения реакций, а после определённой скорости (в районе 75 км/час) спорткар снова переключается на верхнюю. По сути, это аналог понижающей передачи у внедорожников: машина может ездить и без этих ухищрений, они просто расширяют диапазон возможностей.
Остальные электромобили, даже очень навороченные и мощные, имеют лишь односкоростные редукторы и дифференциалы, то есть никакого переключения передач в движении у них нет. Прелесть электромотора в том, он выдаёт высокий крутящий момент, условно, от частот от 1 об/мин до 20 000 об/мин, тогда как для ДВС этот диапазон обычно составляет 600-6000 об/мин. Однако высокая частота вращения ротора создаёт другую проблему: редукторы электромобилей зачастую сравнимы по размерам с самим электромотором. Поэтому даже в случае с установкой нескольких моторов на одну ось (у трёх- и четырёхмоторных машин) они приводят не сразу колёса через персональные редукторы, а один редуктор, после которого момент раздается через дифференциал: так получается эффективнее. Впрочем, дождемся нового Mercedes-Benz EQG (электрический «Гелендваген») — насколько я понимаю, у него четыре индивидуальных привода на каждое колесо.
Если у автомобилей конфигурация трансмиссий уже устоялась, то в случае с электромобилями схем очень много. Например, у Jaguar i-Pace редуктор и дифференциал установлены соосно с мотором, а одна из полуосей проходит через ротор насквозь (популярная схема). А у Lucid Air миниатюрный дифференциал расположен внутри ротора, и от него момент раздаётся на два планетарных редуктора, с которых идёт привод на колёса. Hyundai работает над совсем уж замороченной схемой, где редукторы находятся сразу в колёсах, что позволяет приводить каждое индивидуальным электромотором.
В любом случае, и мотор, и трансмиссия электромобиля на порядок проще, надёжнее и требует меньше обслуживания, чем силовой агрегат с ДВС. А самый сложный, дорогой и капризный узел электромобиля — это его батарея. Но об этом расскажу в одном им следующих постов, и попутно поговорим о том, в какой области ждать большого прорыва (направлений сразу несколько).