ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ В КАЧЕСТВЕ НОВОГО ВИДА ЭКОЛОГИЧНОГО ТРАНСПОРТА Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 629. (014.8+113.65)

Технические науки

Бежик Антон Александрович, студент бакалавриата 2 курс, Институт

информационных технологий

Свищёв Андрей Владимирович, старший преподаватель кафедры практической и прикладной информатики

МИРЭА-Российский технологический университет (РТУ МИРЭА), Институт информационных технологий, Россия, г. Москва

ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: ПЕРСПЕКТИВЫ

РАЗВИТИЯ В КАЧЕСТВЕ НОВОГО ВИДА ЭКОЛОГИЧНОГО

ТРАНСПОРТА

Аннотация: В наше время остро стоит вопрос об экологии. Развитие дружественных по отношению к экологии технологий происходит на протяжении многих лет. В отрасли автомобилестроения, данной технологией является Электромобили. В данной статье мы рассмотрим фактическое влияние электромобилей на экологию.

Ключевые слова: Электромобиль, экология, АКБ.

Abstract: In our time, the issue of ecology is acute. The development of environmentally friendly technologies has been going on for many years. In the automotive industry, this technology is Electric vehicles. In this article, we will look at the actual impact of electric vehicles on the environment.

Keywords: Electric vehicle, ecology, battery.

Настоящая статья посвящена теме перспектив развития электромобилей как нового вида экологичного транспорта.

Развитие автомобильной индустрии как отдельной отрасли в машиностроении начинается в 1880-ых - 1890-ых годах во Франции и Германии.

Автомобильная индустрия быстро укрепила свои позиции в мировой экономике и стала незаменимой отраслью производства вытеснив собой большинство животной и человеческой силы, используемой для перевозок во всех развитых странах.

Первые автомобили работали на паровых двигателях, однако эта технология быстро зарекомендовала себя как ненадежная и неудобная. Из-за этого большинство автомобилей начального этапа развития автомобильной индустрии работали на двигателях внутреннего сгорания, так как этот двигатель являлся наиболее эффективным и дешевым средством работы автомобилей из возможных альтернатив того времени.

Первые двигатели внутреннего сгорания работали на спирте. Данный вид топлива был одним из наиболее доступных, так как практически на любой ферме можно было встретить дистилляционный аппарат для перегонки спирта. Сам по себе спирт был эффективным горючим, поскольку его использование наименьшим образом отражалось на эксплуатации двигателей. Однако из-за введения сухого закона в США, действовавший с 1920 по 1933, который ввел запрет на весь алкоголь, а как следствие на спирт, вынудило автомобильную промышленность искать альтернативу спирту и таким образом бензин стал мировым топливным ресурсом. Однако химики, разрабатывающие смеси бензинового топлива, столкнулись с проблемой низкого октанового числа в первых образцах топлива, что приводило к низкому КПД бензина и к ухудшению качества топлива. Тогда один сотрудник из General Motors решил заняться решением данной проблемы и в 1921 году представил свою разработку -Тетраэтилсвинец (ТЭС). Данный вид топлива повышал октановое число в разы, поэтому практически сразу был поставлен на конвейер, а само производство с отдельным заводом было открыто уже через год. Но спустя какое-то время, в 1924 году, на производстве скончалось 5 человек и более 40 стали инвалидами.

Вредные эффекты данного топлива стали известны в 1940 году, однако активную борьбу с данным видом топлива начали только в 1965 году. А доказал опасность данного вида топлива американский геофизик Клер Кэмерон

Паттерсон, исследовав катастрофическое содержание свинца в атмосфере, и накопление его в организме людей. Но влияние GM и большой американской тройки производителей автомобилей было настолько велико, что исследования Кэмерона приняли во внимание только в 1972, когда американское Агентство по предотвращению загрязнения окружающей среды, ввело запрет на использование ТЭС.

После запрета на использование ТЭС, большинство топливных производителей перешло на другие виды топливных присадок, и на фоне не экологичного прошлого бензинового топлива и двигателей внутреннего сгорания, начало свое активное развитие новый вид транспортных средств под маркой "Для сохранения окружающей среды". Имя данной отрасли -Электромобили.

Целью исследования является выяснение являются ли электромобили новым видом экологического транспорта.

Объектом исследования являются перспективы развития электромобилей

Предмет исследования

Являются ли электромобили экологическим будущем для человечества, или технологией которая сделает ситуацию с экологией в мире еще хуже.

Практическая значимость исследования

Индустрия электромобилей в наше время проходит этап активного развитие и данное исследование поможет более углубленно изучить данную тему и выявить перспективы развития.

Развитие электромобилей

Обратите внимание, что история электромобилей начинается задолго до появления автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Первый электромобиль был создан в 1828 года венгерским инженером Аньошем Едликом, который взяв за основу трицикл, использовал электродвигатель в качестве мотора. Впоследствии было создано несколько не серийных экземпляров, которые перешли на базу четырехколесных автомобилей, однако все они имели ряд существенных недостатков.

Первые серийные электромобили были созданы в 1907 компанией Detroit Electrics, как источник питания в нем использовались свинцово-кислотные аккумуляторы, однако, как дополнительную опцию производитель мог поставить железоникелевые батареи, которые в разы превышали свинцово-кислотные по своей емкости. Эксплуатация электромобилей того времени имела ряд преимуществ в сравнении с автомобилями на двигателе внутреннего сгорания.

Хотя их ход и составлял около 140 километров, электромобили можно было заводить без механического стартера, которым был оснащен самый популярный автомобиль того времени Ford Model T и который требовал больших физических усилий. Также к существенным плюсам можно было отнести дешевизну в эксплуатации, поскольку цена на бензин постоянно менялась и становилась дороже, а электромобили, как известно работали от электричества. Последним весомым аргументом в пользу электромобилей был внутренний сервис Detroit Electrics, который являлся достаточно продвинутым для своего времени. DE построили для своих клиентов двухэтажную станцию, доставку автомобилей к которой они осуществляли сами при помощи, специально выделенной под эти задачи бригадой. Автомобили увозили ночью и возвращали с утра на тоже самое место откуда он был увезен.

Эти плюсы принесли Detroit Electric тиражи в тысячи экземпляров, что для электромобилей тех времен были достаточно большие продажи. Однако конструкция автомобилей с ДВС все время совершенствовалась и одно из главных недостатков ДВС - наличие кривого стартера, было исправлено Чарльзом Кеттерингом, который изобрел электронный стартер в 1910 году. А уже через год в 1911, на поток были поставлены первые машины Cadillac, использующие электронный стартер вместо кривого.

После решения данной проблемы большинство автомобилей с ДВЛ стали гораздо выгоднее в приобретении чем электромобили, они имели все достоинства электромобилей и при этом стоили дешевле, поэтому о серийном производстве электромобилей забыли вплоть до 1960-ых годов, когда проблема

вреда топлива ДВЛ была освещена перед мировой общественностью. Однако только в 1990 году Калифорнийский Комитет Воздушных ресурсов, в связи с большой загазованностью штата принял решение о необходимости сокращения производства автомобилей с ДВС на 2%, а в последствии эта цифра увеличилась до 10%.

Первыми данную нишу решила занять компания General Motors, которая в 1996 году начала выпуск модели EV1, которая за год продалась в размере 5500 копий. Впоследствии GM изъял большинство автомобилей не объясняя владельцам причин и отказывая в возможности выкупа. На этом попытки крупных компаний наладить массовое производство автомобилей закончились вплоть до 2008 года.

Этот год для электромобилей начался с основания американской автомобильной компании из Кремниевой долины - Tesla motors. Tesla motors первые выпустили электромобиль, который смог сравняться по показателям с современными автомобилями. Название этой модели Tesla Roadster. Это был спортивный электромобиль, он выпускался четыре года, разгонялся от нуля до 100 км/ч за 4 секунды, имел принудительно ограниченную скорость в 201 км/ч и запас хода в 400 км.

С этой модели началась линейка электромобилей тесла. В последствии за 12 лет было выпущено свыше 7 моделей автомобилей разного ценового сегмента и типа кузова. На данный момент электромобили Тесла являются одними из самых популярных в мире автомобилей на электродвигателе, а Тесла стала одной из самых дорогих автомобильных компаний.

Устройство электромобилей

Таким образом, за все время развития электромобили прошли долгий путь развития своей конструкции, от наиболее простых и наименее эффективных, до моделей, способных соревноваться с автомобилями на ДВС, а в некоторых аспектах и превосходить их.

В электромобиле, как и в любом другом наземном 4-ех колесном транспортном средстве есть следующие составляющие:

• двигатель - устройство, создающие механическую энергию для движения автомобиля;

• кузов - каркас, к которому крепятся все остальные составляющие электромобиля;

• шасси, созданные для передачи крутящего момента от двигателя к колесам;

• электрооборудование, тоже что и в обычном автомобиле (стартер, фары, обогрев и т.д.).

Рассмотрим каждую составляющую электромобиля по отдельности.

Двигатель

Двигатель в электромобиле, как не трудно догадаться, - электрический. В электромоторе нет таких вещей как: поршни, коленвала, камеры сгорания топлива, клапанов, свечей и многих деталей присутствующих в ДВЛ. Однако внутри электродвигателя присутствуют свои уникальные компоненты (см. рис. 1):

• Электродвигатель, создающий крутящий момент и генерирующий зарядный ток во время торможения

• Инвертор - устройство преобразования постоянного тока в переменный для передвижения автомобиля

• Редуктор - симулирующий вращение двигателя и передающий его на колеса

• RDM (Power Delivery Module) - это умный блок, используемый для оптимальной зарядки батареи, также служит преобразователем тока и распределительной коробкой, которая распределяет напряжение на каждый блок во избежание перегрузок.

PDM (Power Delivery Module) Модуль подачи питания

Инвертор

Электродвигатель

Редуктор

Рисунок 1 - Устройство электродвигателя

Данная конструкция электродвигателя позволяет передавать примерно 90% энергии для преобразования в механическую и только 10% теряется, таким образом КПД электродвигателя составляет 90%, в свою очередь КПД бензинового ДВС - 25%, а дизельного - 50%. Также отличительной особенностью электродвигателей от ДВС можно назвать возможность выдачи более высокого крутящего момента. При наличии RDM в электродвигателях появился принцип рекуперации, то есть, нажимая на педаль газа мы подаем крутящую энергию колесам и едем, но как только педаль отпущена на движущейся машине уже колеса будут подавать энергию для подзарядки батареи автомобиля. Благодаря данным особенностям и простоте электродвигатель имеет больший ресурс чем классические бензиновые и дизельные двигатели.

Кузов

Кузов электромобиля является более просторным за счет уменьшенной КПП, и благодаря этому внутри салона для водителя и пассажиром выделенно больше свободного пространства при тех же размерах. На фоне обычных автомобилей, кузов электрокаров имеет особый отсек под батареи, расположенный в днище кузова. Он занимает основную площадь дна автомобиля.

Шасси

Шасси электромобиля состоит из тех же компонентов что и шасси

обычного автомобиля. Оно состоит из ходовой части, подвески и колес. Рулевая колонка и система торможения также идентична автомобилям на ДВС, однако система торможения более долговечна за счет того, что основное торможение ложится на сам двигатель. Основное отличие шасси автомобиля от электромобиля заключается в размере трансмиссии, в электромобиле отсутствует коробка передач, а вместо неё устанавливается понижающий редуктор. Этот редуктор имеет огромный ресурс в сравнении даже с механическими коробками передач, поэтому данная конструкция выигрывает не только за счет своих размеров, но и за счет своей эффективности.

Электрооборудование

Данная часть электромобиля имеет ряд значительных отличий от схожего по функционалу оборудования автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Эти отличия, в основном касаются электрооборудования двигателя, в салоне в целом все похоже. Внутри электромобилей отсутствуют стартер и и система зажигания рабочей смеси, однако в них присутствует инвертор (необходимый для генератора тока при рекуперации, также преобразующий переменный ток в постоянный и наоборот), блоки аккумуляторных батарей и модули питания батареи во время зарядки и во время рекуперации. Также внутри электромобиля отсутствует система охлаждения двигателя, однако присутствует система контроля батареи.

Почему автомобильные компании развивают электромобили?

Стоимость владения

Из-за технического устройства, фактическое владение электромобилем позволяет владельцу получать гораздо более высокий потенциал выходной мощности. Однако хороши ли электромобили в эксплуатации? Для примера рассмотрим средние расходы владельцев электромобиля и автомобиля на ДВС.

Возьмем самый распространенный вид топлива - АИ92, за основу электромобиля возьмем одну из самых распространенных моделей - Tesla Model 3. Рассмотрим расходы на передвижение за 1 год на обеих моделях (см. Таблицу 1).

Таблица 1 - Расходы за 1 год

Расход+Сервис за год Электромобиль ДВС

Расход 100 км 15 кВт 8л

0 - бензин 43 рубля 344 руб на 100 км

1 - Дневной тариф 4.3 рубля 51 руб на 100 км

14000 км в год 7,140 руб 4,180 руб

Зимние расходы 8,568 руб 49,123 руб

2 - Бесплатно 0 руб на 100 км

14000 км в год 0 руб

3 - Ночной тариф 1.7 руб 25.5 руб на 100 км

14000 км в год 3570 руб

4 - Платные зарядки 255 руб на 100 км

14000 км в год 35,700 руб

По данной таблице можно сделать вывод, что даже в случае самого дорогого варианта эксплуатации, электромобиль обходится на 26 % дешевле чем на автомобиле с ДВС.

Данная разница верна в перспективе на один год, однако дабы убедится в её правдивости рассмотрим схожую статистику на протяжении 5 лет, используя в качестве примеров такие же модели автомобилей (см. Таблицу 2).

Таблица 2 - Расходы за 5 лет

Расход+Сервис за 5 лет Электромобиль ДВС

1 - Дневной тариф на 5 лет 97,440 руб 288,616 руб

Разница с учетом зимнего периода эксплуатации 191,176 руб

2 - Бесплатно на 5 лет 54,600 руб 283,830 руб

Разница с учетом летнего периода 229,200 руб

эксплуатации

3 - Ночной тариф на 5 лет 72,450 руб 283,800 руб

Разница с учетом летнего периода эксплуатации 211,350 руб

4 - Платные зарядки на 5 лет 233,310 руб 283,800 руб

Разница с учетом летнего периода эксплуатации 50,700 руб

Проанализировав таблицу мы можем сделать вывод что даже при самом невыгодном случае мы будем находится в плюсе. Диапазон данной выгоды составит от 50,699 до 298767 рублей за более чем 5 лет владения электромобилем при среднем расходе 15 кВт на 100 км в России при поездках 13999 км в год.

Таким образом, одной из причин по которой электромобили стали активно развивающейся отраслью машиностроения является их дешевизна эксплуатации и транспортная эффективность.

Стоимость производства

Согласно исследованию, проведенному аналитиками из финансово-инвестиционной компании UBS, наблюдается постепенное снижение затрат на производство электромобилей. Данное явление является закономерным фактором оптимизации производства и появлениями новых, более дешевых способов, производить компоненты электромобилей. Эти изменения будут способствовать росту спроса на электромобили и снижению такового на автомобили с ДВС.

Аналитики UBS пришли к выводу, что уже к 2024 году цена электромобилей сравняется с автомобилями на ДВС. Данное заключение было сделано на основе развития в области производства аккумуляторов для электрокаров, поскольку аккумуляторы являются самой затратной частью при производстве электромобилей (около 20 - 40 % стоимости всего автомобиля).

Также можно с уверенностью сказать, что дополнительные расходы на производство к 2022 году снизятся до значения примерно в 1900 долларов на

одну производственную единицу, а к 2024 году и вовсе должны исчезнуть. Такое достижение равенства по затратам в области производства электромобилей и машин на ДВС исследователи называют ключевым этапом для глобального перехода на электромобили.

Для подтверждения данных исследования рассмотрим пример из великобритании. Цена нового WV Golf на данный момент составляет 20800 фунтов (примерно 2,05 млн рублей), а схожий по габаритам электромобиль WV ID.3 имеет стоимость в 29990 фунтов (примерно 3,03) млн рублей. Данный разрыв по стоимости в автомобилях составляет примерно 1/3, однако еще 5 лет назад данный показатель равнялся 1/2 от стоимости.

На данный момент процент рынка электромобилей составляет примерно 4.2% (см. рис. 2).

Рисунок 2 - Автомобильный рынок 2020

Такими темпами к 2025 году доля производства электромобилей на мировом автомобильном рынке будет составлять 17% (см. рис. 3), а к 2030 году приблизится к 40%.

Рисунок 3 - Автомобильный рынок 2025(прогноз)

Основная проблема электромобилей

Мы уже выяснили что рынок электромобилей является новый перспективной и менее затратной отраслью автомобилестроения, маркетологи навязывают нам будущее электромобилей как экологично чистый мир, уменьшение вредных выхлопов автомобилей с ДВС, снижение добычи нефти, из-за которой происходят множество экологических катастроф, и конечно же, что электромобили являются более дешевыми в эксплуатации, более надежными и долговечными. Однако, все ли так однозначно?

На практике все вышеперечисленные пункты имеют место быть, электромобиль и правда является той технологией будущее к которой человечество должно стремится. Если бы не одно "но" - Аккумуляторы.

Каждый год темпы производства аккумуляторов увеличиваются в связи с ростом спроса. Поэтому, как уже было сказано выше, стоимость кВт/ч обходится меньше и меньше с каждым годом. Согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance проведенным в феврале 2016 года, стоимость на производство аккумулятора упала на 65% за 6 лет, из которых только 35% в период с 2015 по 2016 года. Технология становится все дешевле и доступней, появляются новые виды аккумуляторов. Давайте рассмотрим каждый из них.

Свинцово-кислотный АКБ

В прошлом самый распространенный, а ныне самый дешевый вид аккумулятора (см рис. 4). Ввиду своей дешевизны данный вид аккумулятора нельзя разряжать ниже 50%, так как это вызовет потерю емкости батареи. Также у таких батарей необходимо проводить жесткий контроль качества электролита.

Данный вид батарей использовался внутри самых первых электромобилей из-за своей доступности и дешевизны, в частности его использовала Detroit Electrics. Замена таких батарей должна производится регулярно, так как их срок службы не превышает трех лет.

Свинцово-кислотные аккумуляторы составляют значительную часть конечного веса электромобилей. Также данный вид батареи имеет значительно меньшую емкость энергии, чем автомобили с ДВС. При низких температурах свинцово-кислотные аккумуляторы теряют свою эффективность на 75%, при более низких температурах происходит потеря емкости. Снижение данных показателей приводит к потере хода электромобиля на 40%.

Как итог, данный вид аккумуляторов считается неэффективным и неудобным в эксплуатации. Одним из сопутствующих факторов является наличие более удобных и практичных видов батарей. Способа утилизации и

Рисунок 4 - Свинцово-кислотный АКБ

переработки данного вида аккумулятора при наличии сложной конструкции не существует.

Никель-металлгидридный АКБ

Никеле-гибридные аккумуляторы (см. рис. 5) в данный момент считаются достаточно развитой технологией. Они имеют достаточно высокий запас энергии в отличии от Свинцово-кислотных батарей, однако эффективность при зарядке и разрядке оставляет желать лучшего.

При правильном использовании имеют очень долгий срок эксплуатации, что было проверено на примере гибридных автомобилей, и оставшихся на дороге EVM NiMH RAV 4, которые безупречно работают спустя 160 000 км пробега.

Недостатки схожи с свинцово-кислотными батареями: низкая эффективность, малая производительность в минусовую погоду и быстрая само разрядность. Способ утилизации данной батареи в промышленном масштабе также отсутствует.

Натрий никель-хлоридный АКБ

Данный вид батареи (см. рис. 6) использует в качестве электролита жидкий хлоралюминат натрия ("Горяча соль"). Современная технология, которая также известна как ZEBRA (Zeolite Battery Research Africa), имеет высокую удельную энергию и эффективное последовательное сопротивление.

Рисунок 5 - Никель-металлгидридный АКБ

Рисунок 6 - Натрий никель-хлоридный АКБ

Так как данный аккумулятор не зависит от температурных условий. Он не теряет свои свойства при холодной температуре, однако происходит повышение затрат энергии на отопление. Является единственным нетоксичным видом аккумулятора. Однако имеет низкую эффективность на долю веса, из-за чего и не используется в промышленном производстве жлектромобилей.

Литий-ионный АКБ

Этот вид аккумуляторов (см. рис. 7) хорошо известен за счет того, что он используется как источник питания в большинстве современной техники. Литий-ионные батареи, на данный момент, являются доминирующими на рынке электромобилей. Эта технология имеет электроемкостные ячейки с самым большим количество удельной электро энергии на единицу веса.

Рисунок 7 - Литий-ионный АКБ

Как недостатки можно выделить самое маленькое количество зарядок и разрядок на рынке (от 100 до 1000), и высокую потерю энергоэффективности. Также один из самых весомых аргументов, говорящих не в пользу данной технологии является ее токсичность. Данный вид аккумуляторов является самым токсичным на рынке, и если маленькие батареи из устройств можно утилизировать в промышленных масштабах, то сложные, комплексные батареи из электромобилей невозможно утилизировать ввиду сложности их конструкции.

Разработки в области литиевых аккумуляторов ведутся до сих пор, и данная технология является одной из наиболее перспективных в области развития аккумуляторов у электромобилей.

Таким образом, среди аккумуляторных батарей текущего периода развития электромобилей не существует экологичного и при этом эффективного вида батареи.

Сущность вышеизложенного сводится к тому, что электромобили являются перспективной технологией, развитие который происходит отнюдь не из-за их экологичности, а из-за их дешевизны в эксплуатации, гораздо большего значения КПД по сравнению с автомобилями на ДВС и из-за дешевизны производства, цена которого со временем будет становится только меньше.

Библиографический список:

1. ECOConceptCars //Информационный ресурс, Режим доступа: свободный [Электронный ресурс] - URL - http://ecoconceptcars.ru/2010/10/blog-post_31.html (Дата обращения: 26.09.2021).

2. Wikipedia //Энциклопедия, Режим доступа: свободный [Электронный ресурс] - URL - https://ru.wikipedia. о^/шМА^1а#Финансовые_факты (Дата обращения: 27.09.2021).

3. POPMech //Информационный ресурс об автомобилях, Режим доступа: свободный [Электронный ресурс] - URL - https://www. popmech.ru/diy/11738-avtomobilnyy-starter-izobretenie-veka/(Дата обращения 28.09.2021).

4. Efut //Онлайн журнал об автомобилях, Режим доступа: свободный [Электронный ресурс] - https://efut.ru/a/134-ustrojstvo-jelektromobilja-tehnicheskie-otlichija-ot-obychnogo-avtomobilja.html (Дата обращения 28.09.2021).

5. Efut //Онлайн журнал об автомобилях, Режим доступа: свободный [Электронный ресурс] - https://efut.ru/a/136-silovaja-ustanovka-jelektromobilja-jelektrodvigatel.html (Дата обращения 28.09.2021).

6. Efut //Онлайн журнал об автомобилях, Режим доступа: свободный [Электронный ресурс] - https://efut.ru/a/135-tjagovye-akkumuljatory-dlja-jelektromobilej.html#hmenu-6 (Дата обращения 29.09.2021).

7. За рулем //Онлайн журнал для автолюбителей, Режим доступа: свободный [Электронный ресурс] - https://www.zr.ru/content/news/292939-hronika_istorij a_odnogo_ubij stva/# :~:text=1 %2F 1000%20дюйма. -,Впервые%20 электростартер%20появился%20на%20Cadi11ac%2 (Дата обращения 30.09.2021).