Электрический и гибридный автотранспорт. Аналитический обзор

Производство электрических автомобилей получило большое распространение в конце XIX — начале XX века, когда использование двигателей внутреннего сгорания еще находилось на ранних этапах развития. Однако с 1920-х годов в силу бурного развития

добычи нефти и использования продуктов ее переработки в качестве топлива на транспорте ситуация начала резко меняться, и электромобили были вытеснены с рынка. Интерес к электрическому автотранспорту вновь возник в 1970-е годы, чему способствовали рост мировых цен на нефть и стремление ограничить загрязнение городской среды выхлопными газами автотранспорта.

Рынок электрических и гибридных автомобилей бурно растет в последние 7-10 лет, когда на мировом рынке были предложены относительно доступные модели, использующие одновременно двигатель внутреннего сгорания и электрический привод. В последние несколько лет все большее распространение начинают получать гибридные автомобили с возможностью зарядки от сети (до этого зарядка аккумуляторов осуществлялась в основном за счет рекуперативного торможения) и электрические автомобили, которые используют только электродвигатель.

Ограничивающими факторами широкого распространения данных типов автомобилей являются их высокая стоимость, относительно низкие технические характеристики и отсутствие необходимой инфраструктуры, в первую очередь станций для быстрой зарядки аккумуляторных батарей.

В последние годы осуществлен большой прогресс в данных направлениях, еще большие темпы развития запланированы в перспективе. Однако электрический автотранспорт все еще остается уделом развитых стран — США, Японии, а в последнее время и Европы. В ближайшем будущем данная картина существенно не изменится.

В России из всех типов автомобилей с использованием электрической энергии наибольшее распространение получили гибридные модели без возможности подзарядки от внешнего источника (HEV). С 1 февраля 2014 года на 2 года будут обнулены ввозные пошлины на электрические автомобили в странах Таможенного союза, что может дать импульс для развития.

Электрические и гибридные автомобили. Основные понятия

Электрический автомобиль (электромобиль, Electric car/vehicle, EV) — транспортное средство, которое приводится в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от автономного источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов и т.п.).

Электромобиль на аккумуляторных источниках питания (Battery electric vehicle,

BEV) — полностью электрический автомобиль, приводимый в движение с помощью электродвигателя, использующего энергию батареи, установленной в автомобиле.

Гибридный автомобиль (Hybrid vehicle) — транспортное средство, приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки, отличительной особенностью которой является использование двух источников энергии и соответствующим им двигателей, преобразующих энергию в механическую работу.

Гибридный электрический автомобиль (Hybrid electric vehicle, HEV) — транспортное средство, приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки, отличительной особенностью которой является использование двух источников энергии и двух типов двигателей: электрического и двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Гибридный автомобиль с подзарядкой от электросети (Plug-in hybrid electric

vehicle, PHEV) — гибридное электрическое транспортное средство (ДВС + электродвигатель) с высокой емкостью аккумулятора, используемого в качестве основного источника энергии. ДВС преимущественно используется для зарядки батареи или служит резервом на случай полной разрядки батареи.

Нормальная зарядка (Slow Charging) — наиболее распространенный тип зарядки автомобильной батареи от внешнего зарядного устройства с использованием переменного тока. Время полной зарядки составляет от 4 до 12 часов.

Ускоренная зарядка (Fast Charging) — тип зарядки автомобильной батареи с использованием зарядных станций, обеспечивающих постоянный ток. Время полной зарядки может варьироваться от 0,5 до 2 часов.

Рекуперативное торможение — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть. Данный принцип используется на гибридных автомобилях, где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов. [1]

Электрические и гибридные автомобили. История развития

Зарождение и развитие электрических автомобилей (1830-е — 1920-е годы)

История электрического автотранспорта начинается в середине XIX века в Европе. В 1830-е годы Роберт Андерсон из Шотландии сконструировал первый прототип кареты на электрической тяге, а голландцами был разработан и собран небольшой автомобиль с электродвигателем. В 1840-е годы первые изобретения в данном направлении были сделаны в США. [2]

Перед разработчиками электрических автомобилей стояла задача по увеличению емкости аккумуляторных батарей с целью повышения пробега без подзарядки. В этой сфере преуспели французские и английские исследователи. В 1880-е годы в Лондоне была запущена линия движения электрических автобусов. В США развитие электрических автомобилей несколько отставало от европейских стран, однако в конце XIX века данная сфера получила там бурное развитие. Так, уже в 1897 году в Нью- Йорке начали использовать электрические автомобили в качестве такси.

Одним из распространенных электрических автомобилей стал экипаж Вуда, изобретенный в США. Стоимость его составляла 2000 долл., скорость — около 22 км/ч, запас хода — около 29 км. В 1916 году Вуд разработал гибридный автомобиль, оснащенный электромотором и двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Производство электрических автомобилей в мире достигло максимума в начале 1910-х годов. В это время электромобили имели преимущества перед аналогами с ДВС, в том числе в стоимости эксплуатации, в отсутствии вибрации, шума, запаха, необходимости переключать передачи. Однако затем автомобили с ДВС начали выигрывать в конкурентной борьбе, причиной чему были несколько факторов.

Наиболее важными являются:

• стремительный рост добычи нефти в мире и снижение стоимости продуктов ее переработки, использующихся в качестве топлива в ДВС;
• улучшение качества дорог в передовых странах увеличило спрос на автомобили, способные преодолевать большие расстояния без заправки (подзарядки);
• развитие технологий, облегчающих эксплуатацию автомобилей с ДВС, в том числе изобретение в 1912 году электрического стартера;
• снижение цен на автомобили с ДВС ниже порога 1000 долл., в том числе благодаря изобретению конвейерного способа производства (Генри Форд). Электромобили начали проигрывать конкуренцию по цене.

Стагнация электроавтомобильной индустрии (1930-е – 1970-е годы)

В 1930-е годы автомобили с ДВС практически полностью вытеснили электромобили с автомобильного рынка. Главной причиной являлась полная неконкурентоспособность электромобилей, они проигрывали и по цене, и по техническим показателям. Медленное возрождение электромобилей началось в 1960-е — 1970-е годы. Этому способствовало увеличение зависимости развитых стран от импорта нефти и рост ее цены. Также на первый план вышли проблемы загрязнения окружающей среды, в том числе посредством выхлопных газов. Однако объемы производства и реализации электромобилей имели локальный характер (в основном США) и были реализованы в небольшом объеме в общественных сферах (почтовые перевозки, такси и т.д.).

Возрождение отрасли и государственная поддержка (с начала 1990-х годов — 2000-е годы)

С начала 1990-х годов развитие электрического автомобилестроения начало носить более масштабный характер. Отрасль получила государственную поддержку в ряде стран через принятие законодательных актов с целью защиты окружающей среды. Так, в 1990 году в США были внесены соответствующие поправки в Закон о чистом воздухе, касающиеся энергетической политики.

Большую роль начинают играть инновационные проекты в сфере электромобилей крупных автомобильных концернов, в том числе General Motors, Ford, Chrysler, у которых появились модели электрических автомобилей. Не отставали и японские автопроизводители — аналогичные модели появились у Toyota, Honda. Электрические автомобили 1990-х годов отвечали необходимым экологическим требованиям, однако у них был один конкурентный недостаток — высокая цена. Введение особых льгот для производителей и потребителей электрических и гибридных автомобилей сделало их несколько более привлекательными по цене.

Новый этап в развитии отрасли (с середины 2000-х годов)

С середины 2000-х годов начали производиться и реализовываться в промышленных объемах гибридные и электрические автомобили. Этому способствовали развитие технических характеристик автомобилей (рост предельной скорости, пробега без подзарядки), снижение их стоимости и расширение инфраструктуры по их эксплуатации. В начале этого этапа наибольшие успехи были у японских автопроизводителей (Toyota, Nissan, Mitsubishi), затем в последние годы на рынок вошли американские и европейские производители.

Типы автомобилей с использованием электрической энергии

В настоящее время существуют три различных варианта электрических автомобилей:

1) Гибридный электрический автомобиль (HEV).

Имеет два двигателя (ДВС и электромотор), которые могут работать как параллельно, так и последовательно. Батарея может заряжаться с помощью рекуперативного торможения. Отсутствует возможность подзарядки от сети. Пример: Toyota Prius.

2) Гибридный автомобиль с подзарядкой от электросети (PHEV).

Аналогичен HEV, однако батарею можно заряжать от внешнего источника электроэнергии. Пример: Chevrolet Volt.

3) Электромобиль на аккумуляторных источниках питания (Электрический автомобиль, BEV).

Используется только электродвигатель и перезаряжаемая батарея. Пример: Nissan Leaf, Tesla Model S. [3]

Различные типы (технологии) автомобилей можно ранжировать по «степени электрификации» (degree of electrification, DOE) (Рисунок 1).

Рисунок 1

Степень электрификации типов автомобилей (Degree of Electrification)

Источник — MIT, Electrification of the Transportation System, 2010

Электрические автомобили различаются по многим характеристикам, влияющим на конечный выбор потребителя. Основными показателями являются дальность хода без перезарядки, потребление энергии на единицу пути, пиковая мощность мотора (Таблица 1).

Источник — Element Energy Limited, Cost and performance of EV batteries, 2012

Типы используемых материалов в автомобильных батареях

Благодаря технологическому развитию в последние годы удалось увеличить емкость автомобильных батарей. С первоначального уровня емкости в 0,8 А·∙ч (18 650 ячеек цилиндрической формы с диаметром 18 мм и высотой 65 мм) удалось достичь 2,3 А·∙ч в 2005 году и более 2,6 А·∙ч в 2012 году. При этом была увеличена эффективность батарей в расчете на единицу массы — с 90 Вт·∙ч/кг до 200 Вт·∙ч/кг. [4]

К 2005 году улучшение технологического процесса достигло своего предела, и далее приступили к разработке и внедрению новых катодных материалов, используемых в литий-ионных аккумуляторах (Таблица 2). В 2012 году литий-ионные аккумуляторы занимали около 80% рынка аккумуляторов, однако основной объем их потребления все еще приходился на сферу электроники (телефоны, ноутбуки, фотоаппараты и т.д.).

С момента продажи первых литий-ионных ячеек в 1991 году их цена упала в разы и достигла 250 долл./кВт·∙ч в 2012 году. Ячейки, использующиеся в батареях на автотранспорте, имеют энергетическую плотность 100-180 Вт·∙ч/кг, емкость 40 А·∙ч и гарантийный период работы 10 лет. Осуществляются большие инвестиции в производство автомобильных аккумуляторов, лидерами в этой сфере являются азиатские страны, в том числе Япония, Республика Корея и Китай. Из остальных стран выделяются США и страны Западной Европы.

Таблица 2

Используемые и планируемые катодные материалы в устройстве ячеек автомобильных батарей

Источник — Element Energy Limited, Cost and performance of EV batteries, 2012

Гибридные электрические автомобили (HEV и PHEV)

В гибридных электрических автомобилях используется комбинация ДВС и электродвигателя. Главным преимуществом такого автомобиля по сравнению с автомобилями с ДВС является существенное сокращение расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу. Это достигается за счет ряда факторов:

• согласованная работа ДВС и электромотора;
• применение аккумуляторов большой емкости;
• использование энергии рекуперативного торможения, преобразующего энергию движения в электроэнергию;
• возможность зарядки батареи с использованием внешнего источника (в случае с PHEV).

Выделяют три различные схемы гибридных силовых установок в зависимости от типа взаимодействия ДВС и электродвигателя: [5]

1) последовательная схема;

2) параллельная схема;

3) последовательно-параллельная схема.

Последовательная схема гибридного автомобиля

При данной схеме автомобиль приводится в движение с помощью электродвигателя. ДВС соединен только с генератором, который питает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею.

В автомобилях с последовательной схемой силовой установки предусматривается возможность подключения к электрической сети. Такие автомобили называют Plug-inHybrid. Это подразумевает использование аккумуляторов увеличенной емкости (литий- ионные), приводит к уменьшению использования ДВС и снижению вредных выбросов.

Модели: Chevrolet Volt, Opel Ampera.

Параллельная схема гибридного автомобиля

В автомобилях с данной схемой электродвигатель и ДВС устанавливаются таким образом, что могут работать как самостоятельно, так и совместно. В них используется электродвигатель малой мощности (около 20 кВт, или 27 л.с.), который обеспечивает дополнительную мощность при ускорении автомобиля.

Модели: Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Elantra Hybrid, Honda Insight.

Последовательно-параллельная схема гибридного автомобиля

При данной схеме ДВС и электродвигатель соединены через планетарный редуктор. Мощность каждого из двигателей может передаваться на ведущие колеса одновременно в соотношении от 0 до 100% от номинальной мощности. Отличие от параллельной схемы заключается в появлении генератора, обеспечивающего энергией работу электродвигателя.

Модели: Ford Escape Hybrid, Toyota Prius, Lexus RX 450h.

Электрические автомобили (BEV, или EV)

Электрический автомобиль приводится в движение одним или несколькими электрическими двигателями, в качестве источника энергии использует только электричество. Питание электромотора может осуществляться от аккумуляторной батареи (наиболее распространено), солнечной батареи или топливных элементов. Аккумуляторная батарея заряжается за счет преобразования энергии торможения и из внешних источников.

Бесспорными преимуществами электрических автомобилей (BEV), в отличие от гибридных и с использованием ДВС, являются сравнительно низкие затраты на топливо и отсутствие вредных выбросов в атмосферу (Таблица 3). Затраты на топливо определяются стоимостью электроэнергии. Благодаря более простому строению электрические автомобили требуют меньшего объема текущих затрат при эксплуатации, в том числе на замену компонентов и смазочных материалов.

Таблица 3

Плюсы (+) и минусы (-) эксплуатации электрических автомобилей

Источник — Аналитический центр

Главными минусами электрических автомобилей пока остаются их высокая стоимость и низкая степень автономности, выражающаяся в небольшом пробеге на одном заряде.

Использующаяся литий-ионная аккумуляторная батарея очень дорогая в производстве и имеет ограниченный ресурс (5-10 лет). Величина пробега автомобиля зависит от емкости аккумуляторной батареи, характера и условий движения, степени использования вспомогательных систем. В настоящее время средняя дальность использования электрического автомобиля на одном заряде составляет 150-200 км при невысоких скоростях (70-80 км/ч), и она продолжает увеличиваться (уже есть модели с дальностью 300-400 км).

Существуют три способа зарядки аккумуляторной батареи электрических автомобилей:

• нормальная зарядка (от бытовой электросети мощностью 3-3,5 кВт, продолжительность полной зарядки — до 8 часов);
• ускоренная зарядка (на специальных станциях мощностью до 50 кВт, продолжительность полной зарядки — 0,5-1 час);
• замена разряженной батареи на заряженную (на специальных обменных станциях).

Географическая структура продаж

В настоящее время крупнейшими рынками электрических автомобилей (как и гибридных) являются США, Япония, Китай и страны Европы (Норвегия, Франция, Германия, Великобритания, Нидерланды) (Рисунок 2).

Рисунок 2

Географическая структура продаж гибридных (PHEV, А) и электрических (BEV, Б) автомобилей в мире в 2012 году

Источник — МЭА, Global EV Outlook, April 2013

Среди автопроизводителей в данном сегменте лидируют японские концерны (Nissan, Mitsubishi). Из американских компаний представлены Tesla, Ford, европейских — Renault, китайских — Chery, BYD (Таблица 4). Основным рынком сбыта электрических Renault является Франция, Tesla — США, Nissan Leaf — США, Япония.

Таблица 4

Продажи электрических автомобилей (BEV) по их видам

Источник — Аналитический центр на основе данных компаний и информационных агентств

В настоящее время в развитых странах большое внимание уделяется расширению сети зарядных станций для электромобилей. В период до 2015 года их количество должно возрасти в десятки раз, что обеспечит покрытие всех штатов США и стран Западной Европы.

В 2012 году в мире суммарно было продано около 110 тыс. гибридных электрических (PHEV) и электрических (BEV) автомобилей. Согласно прогнозу МЭА (Технологическая дорожная карта по EV/PHEV от 2011 года), в мире к 2020 году ежегодно будет продаваться 6,9 млн. автомобилей BEV и PHEV (суммарно), к 2030 году — уже 33,3 млн. штук, а к 2050 году — 106,4 млн. штук. Однако необходимо подчеркнуть, что прогноз сделан в соответствии со сценарием МЭА BLUE Map (климатический сценарий МЭА), поэтому прогноз может быть несколько завышенным.[6]

Список использованных источников

1 Системы современного автомобиля. Система рекуперативного торможения

2 Электрические автомобили. История развития

3 Массачусетский технологический институт. Electrification of the Transportation System, 2010

4 Element Energy. Cost and performance of EV batteries, 2012

5 Системы современного автомобиля. Гибридный автомобиль

6 Международное энергетическое агентство. Technology Roadmap: Electric and plug-in hybrid electric vehicles. Updated June 2011