XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электромобили сегодня и завтра
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Автомобили на сегодняшний день являются одним из популярных и комфортных вариантов перемещения. Однако, несмотря на огромное количество преимуществ, они имеют целый ряд недостатков. Один из самых главных недостатков заключается в том, что автотранспорт наносит большой ущерб окружающей среде – до 63 %. Также бензиновые автомобили являются довольно дорогим видом транспорта. Последнее время нефтепродукты стремительно дорожают. Эти факты привели к тому, что развитые страны стали разрабатывать и выпускать менее расточительные и более экологичные автомобили. В этой статье мы постараемся объяснить, что представляет собой транспорт будущего, которое уже становится настоящим – электромобили.
Еще до начала массового производства электромобилей некоторые энтузиасты самостоятельно внедряли в свои автомобили электрические силовые установки. И в этом нет ничего удивительного: при должном желании и владении необходимыми навыками сделать из обычного автомобиля электрический действительно не так уж и трудно.
Цель проекта: доказать, что автомобиль возможно переделать в электромобиль.
Цель предопределила необходимость постановки следующих задач:
1.Собрать всю необходимую информацию по устройству электромобиля и автомобиля.
2. Изучить особенности и проблемы в переоборудовании электромобиля в автомобиль.
3. Провести исследование на наличие возможности сделать электромобиль из автомобиля.
4. Опровергнуть или подтвердить гипотезу.
Актуальность: Покупка электромобиля в современном мире является довольно затруднительной, поэтому я решил найти способ более экономичный, по-моему мнению.
Проблема проекта: Импорт электромобилей значительно снижен в современных реалиях и покупка электромобиля стала затруднительной.
Методы исследования: Сбор и анализ информации из различных источников.
Объект исследования: автомобиль и электромобиль.
1.1 Что такое электромобиль
Электромобиль — автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от независимого источника электроэнергии, а не двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и электрической передачей, а также от троллейбусов и трамваев.
Электромобиль обладает рядом неоспоримых достоинств: отсутствие выхлопных газов, которые наносят вред окружающей среде и живым организмам, низкая стоимость эксплуатации (так как электроэнергия гораздо дешевле автомобильного топлива), высокий КПД электродвигателя (составляет 90-95 %, а КПД бензинового двигателя всего 22-42 %), высокая надежность и долговечность, простота конструкции, возможность подзарядки от обычной розетки, низкая взрывоопасность при ДТП, высокая плавность хода. Но не стоит думать, что электромобили лишены недостатков. Среди изъянов данного типа автомобиля можно упомянуть несовершенство аккумуляторов- они либо работают при слишком высоких температурах (более 300 °С), либо имеют слишком высокую стоимость, благодаря наличию в них дорогостоящих металлов. Более того, подобные аккумуляторы имеют высокую степень саморазряда и их подзарядка занимает очень много времени по сравнению с зарядкой топливом. К тому же, проблемой является утилизация аккумуляторов, которые содержат различные ядовитые компоненты и кислоты, отсутствие соответствующей инфраструктуры для зарядки аккумуляторов, возможность возникновения перегрузок в электрических сетях в момент массовой подзарядки от бытовой сети, что может неблагоприятно сказаться на качестве энергоснабжения.
1.2 История создания электромобиля
Электромобиль появился раньше, чем автомобиль на двигателе внутреннего сгорания, и чем сам двигатель внутренного сгорания. Ещё в 1828 году венгерский изобретатель Аньош Йедлик смастерил передвигающуюся на электрической энергии тележку, больше напоминающую скейтборд, нежели автомобиль. Впрочем, изобретение Йедлика послужило мощным толчком в развитии данного направления инженерии. Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан в 1841 году.
На Международной электрической выставке 1881 года в ноябре в Париже электромобиль был представлен публике Густавом Труве.
В 1885 году владелец петербургской мастерской «Сила и свет» инженер-электрик Г. А. Щавинский сконструировал электромобиль.
В 1899 году в Санкт-Петербурге русский дворянин и инженер-изобретатель Ипполит Романов создал первый русский электрический омнибус на 17 пассажиров. Его общая компоновка была заимствована у английских кэбов, где извозчик располагался на высоких ко́злах позади пассажиров. Экипаж был двухместным и четырёхколёсным, передние колёса по диаметру были больше задних. На первом электромобиле использовался свинцовый аккумулятор системы Бари, имевший 36 банок (вольтовых столбов). Он требовал подзарядки каждые 60 вёрст (64 км) Суммарная мощность автомобиля составляла 4 лошадиные силы. Разработка экипажа была заимствована у моделей американской фирмы «Моррис-Салом», которая выпускала автомобили с 1898 года. Электромобиль изменял скорость движения в девяти градациях от 1,6 до 37,4 км/ч. Романов также разработал схему городских маршрутов для этих прародителей современных троллейбусов и получил разрешение на работу. Однако найти нужные инвестиции не смог, поэтому дело не получило развитие. До этого Ипполитовым был создан электромобиль, получивший прозвище «кукушка».
1.3 Как устроен электромобиль
Традиционный электромотор состоит из неподвижной части (См. приложение 1) — статора, а также подвижного компонента — ротора. При подключении к сети в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, пронизывающее обмотку ротора и наводящее в нем ток индукции. После этого возникает вращающий момент, приводящий ротор в движение. Электрическая энергия, поступающая на обмотки, преобразуется в механическую энергию вращения. В качестве трансмиссии, как правило, используют одно- или двухступенчатый планетарный редуктор, принцип действия которых схож с классической автоматической коробкой передач.
Источником энергии являются подзаряжаемые аккумуляторные батареи, которые на новейших автомобилях могут обеспечивать автономный пробег до 1000 километров (например, у Mercedes-Benz EQXX). Время пополнения запаса батареи зависит от ее емкости, а также от типа и мощности зарядного устройства — оно может варьироваться от получаса до нескольких суток.
Приложение 1
-
-
Первый современный электромобиль
-
Первым серийным электромобилем можно считать GM EV1(См. приложение 2), который поступил в массовое производство В 1997 году.
В первом поколении были установлены обычные свинцово-кислотные аккумуляторы. Запас хода составлял 120 км. Было произведено 660 экземпляров. На втором поколении EV-1 устанавливались никель-металл-гидридные аккумуляторы. Запас хода увеличился вдвое — до 240 км. Было произведено 457 экземпляров. Всего было произведено 1117 шт. EV-1. В 2003 году программа была закрыта. Электромобили изъяты у пользователей и уничтожены. В музеях осталось два экземпляра. Ещё один уцелевший экземпляр нашли в декабре 2019 года на парковке в Атланте, Джорджия.
Электромобили предоставлялись владельцам в лизинг по ценам от 33 995 $ до 43 995 $. Ежемесячный платёж составлял от 299 $ до 574 $. Представитель General Motors заявлял, что стоимость EV-1 для General Motors составляет примерно 80 000 $, включая расходы на исследовательские работы и др. платежи.
Большая часть стоимости электромобиля приходится на стоимость аккумуляторных батарей. Можно сказать, что владелец электромобиля покупает запас топлива, так как стоимость пробега электромобиля несопоставимо мала по сравнению со стоимостью пробега автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.
Приложение 2
2.1 Что такое автомобиль
Автомобиль — моторное безрельсовое дорожное или внедорожное, чаще всего автономное, транспортное средство, используемое для перевозки людей или грузов, имеющее от четырёх колёс.
Основное назначение автомобиля заключается в совершении транспортной работы. Автомобильный транспорт в промышленно развитых странах занимает ведущее место по сравнению с другими видами транспорта по объёму перевозок пассажиров. Современный автомобиль состоит из 15—20 тысяч деталей, из которых 150—300 являются наиболее важными и требующими наибольших затрат в эксплуатации и обслуживании. Понятие включает: легковой автомобиль, грузовой автомобиль, автобус, троллейбус, бронетранспортёр, но не включает сельскохозяйственный трактор и мотоцикл.
2.2 История создания автомобиля
В 1769 году французский изобретатель Кюньо испытал первый образец машины с паровым двигателем, известный как «малая телега Кюньо», а в 1770 году — «большую телегу Кюньо». Сам изобретатель назвал её «Огненная телега» — она предназначалась для буксировки артиллерийских орудий.
В 1791 году русским изобретателем Иваном Кулибиным была изготовлена «самокатная повозка».
Появление лёгкого, компактного и достаточно мощного двигателя внутреннего сгорания открыло широкие возможности для развития автомобиля. В 1885 году немецкий изобретатель Готтлиб Даймлер, а в 1886 году его соотечественник Карл Бенц изготовили и запатентовали первые самодвижущиеся экипажи с бензиновыми двигателями. В 1895 году Бенц изготовил первый автобус с ДВС. В 1896 году Даймлер изготовил первое такси и грузовик. В последнем десятилетии XIX века в Германии, Франции и Англии зародилась автомобильная промышленность.
В первой четверти XX века широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В 1900 году примерно половина автомобилей в США была на паровом ходу, в 1910-х в Нью-Йорке в такси работало до 70 тыс. электромобилей.
В том же 1900 году Фердинанд Порше сконструировал электромобиль с четырьмя ведущими колёсами, в которых располагались приводящие их в движение электродвигатели. Через два года голландская фирма Spyker выпустила гоночный автомобиль с полным приводом, оснащённый межосевым дифференциалом.
Первый гоночный автомобиль был оснащён двигателем мощностью 35 л. с. и был доставлен Эмилю Еллинеку от DMG 22 декабря 1900 года. Этот «Мерседес» был разработан Вильгельмом Майбахом, главным инженером DMG, и включал инновационные конструкторские решения: длинную колёсную базу, широкую колею и низкий центр тяжести, стальную раму, сотовый радиатор и рулевое колесо. Лёгкий и высокопроизводительный двигатель достигал 75 км/ч и мог набирать от 300 до 1000 оборотов в минуту. В нём было 4 цилиндра и соотношение каждого цилиндра на ход поршня составлял 116×140 мм. Объём — 5918 см³. Для каждой пары цилиндров стоял свой карбюратор, два распределительных вала и контролируемые впускные клапана, низковольтное магнето зажигания.
Братья Стэнли производили около 1000 автомобилей в год. В 1909 году братья открыли первую в Колорадо гостиницу люкс-класса и от железнодорожной станции до гостиницы гостей возил паровой автобус, что стало фактическим началом автомобильного туризма. Фирма Stanley выпускала автомобили на паровом ходу до 1927 года. Несмотря на ряд достоинств паровые автомобили сошли со сцены к 1930-м годам из-за своей неэкономичности и сложностей при эксплуатации.
Немалый вклад в широкое распространение автомобильного транспорта внёс американский изобретатель и промышленник Генри Форд, с 1913 года внедривший конвейерную систему сборки автомобилей.
2.3 Первые современные автомобили
После Второй мировой войны в автомобильном дизайне воцарился революционный несущий цельнообъемный кузов полностью понтонного типа, практически первым в мире крупносерийно выпускавшимся представителем которого стал советский легковой автомобиль ГАЗ-М-20 «Победа».
Автомобилизация окончательно оправилась от последствий ориентирования на военные нужды в 1949, в год, когда в Соединенных Штатах были показаны высококомпрессионый двигатель V8 и новые кузова от марок Дженерал Моторс, Олдсмобиль и Кадиллак. В Великобритании автомобильный рынок разбудили такие автомобили, как Моррис Минор и Ровер П4, а также Форд Консул 1959 г. с цельным кузовом на амортизационной подвеске. В Италии Энцо Феррари начинал свою 250-ю серию, а Лянча в то же самое время выпустила революционную Аурелию (англ.) с V-образным шестицилиндровым двигателем.
На протяжении 1950-х повышалась мощность двигателя и росла скорость транспорта, дизайн становился более комплексным и искусным, а автомобили распространялись по всему миру. Миниатюрные машины Mini Алека Иссигониса и 500-ка Фиата заполоняли всю Европу, в то время как в Японии подобные машины лёгкого класса были поставлены на колёса впервые. Легендарный Volkswagen Beetle пережил Гитлеровскую Германию, чтобы взбудоражить рынок миниатюрных автомобилей Америки и мира. Также новый класс псевдоспортивных автомобилей Gran Turismo (GT), как и серия Ferrari America (англ.) стал популярен в Европе и затем в мире. Крайняя роскошь, воплощенная впервые в американском Cadillac Eldorado Brougham, появилась вновь после длительного перерыва и вместе с большими габаритами, двигателями и вычурным дизайном с аэродинамическими формами и элементами стала характеризовать золотой век американского (т. н. плавникового) автодизайна.
2.4 Ведущие мировые бренды автомобилестроения
VolkswagenAG — немецкий автомобильный концерн. Штаб-квартира находится в городе Вольфсбурге, Германия. Концерн назван по марке Volkswagen (в переводе с нем. — «народный автомобиль»). Компания Volkswagen Aktiengesellschaft, известная под аббревиатурой VAG, возглавляет концерн, в который на конец 2021 года входило более 1500 дочерних компаний, совместных предприятий и партнёрств. Компания выпускает автомобили под брендами Volkswagen, Audi, SEAT, Skoda, Bentley, Bugatti, Lamborghini, Porsche, Scania, MAN и Navistar, а также мотоциклы Ducati(Cм. Приложение 3). Контрольный пакет акций Volkswagen AG принадлежит компании Porsche Automobil Holding SE.
В списке крупнейших публичных компаний мира Forbes Global 2000 за 2022 год концерн Volkswagen AG занял 25-е место, а в списке Fortune Global 500 — 8-е место.
Приложение 3
3.1 Как начать переоборудование
Чтобы самому сделать электромобиль, нужно две вещи: хорошо знать строение автомобиля и обладать достаточным авантюризмом. Если вам не нравятся или не по карману те электромобили, что есть на сегодняшний день в продаже, или вы принципиально хотите сделать свой собственный, готовьтесь выложить как минимум 8000 долларов за переделку обычного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания в электрический. И это не считая стоимости донора, который будет переделываться в «электричку», а также трудозатрат, которые тоже составят изрядную долю бюджета.
В интернете можно найти несколько поставщиков, продающих почти готовые комплекты для переоборудования автомобилей в электрокары, но они разработаны для конкретных марок и моделей, к тому же к ним потребуется докупить ещё и дополнительные детали, которые не входят в комплект поставки. В итоге стоимость такого «свапа» может возрасти как минимум до 20 000 долларов в зависимости от автомобиля, выбранных деталей и сложности проекта.
Что входит в комплект по переделки автомобиля в электромобиль:
BLDC-мотор (безщёточный безредукторный мотор на постоянных магнитах, требуемой мощности)
Контроллер такой же мощности. Контроллер - это сложное электронное устройство, которое:
- преобразует постоянный ток из батареи в 3-х фазный переменный для питания электродвигателя (мотор-колеса),
- является регулятором уровня мощности (скорости либо момента), подаваемой в мотор, в зависимости от положения ручки газа.
Про типы BLDC-контроллеров можете прочитать по этой ссылке.
Батарея (аккумуляторная батарея, собранная из ячеек и соединённых с БМС (платой защиты ячеек от презаряда\переразряда). Чаще всего используют тяговые литий-железо-фосфатные ячейки, которые выглядят так.
Управление: педаль газа либо ручка газа, тормозные рычаги (электронный тормоз), кнопка круиз-контроля (постоянная зафиксированная скорость), кнопка реверса (обратный ход). Педаль/ручка газа является обязательной, остальные -вспомогательные.
3.2 Какой автомобиль подойдет для “электрификации”
Ещё один важный пункт, который нужно учесть, пока будете переделывать обычное авто в электромобиль. Энтузиасты «электричек» обычно предпочитают компактные транспортные средства для переделок — как правило, это старые модели с небольшим количеством электроники. Они способны обеспечить больший запас хода от одной зарядки и лучшее ускорение, чем большие и тяжёлые автомобили. Самыми популярными вариантами для конверсии в электрокары являются такие малолитражки, как Chevrolet Aveo, Geo Metro, Honda Civic и Volkswagen Golf. Менее распространённые варианты — спорткары Fiat 124 Spider, Mazda MX-5 и Toyota MR2. Американцы даже используют пикапы вроде Chevrolet S-10 и Ford Ranger. Минивэны, внедорожники и седаны считаются неудачным выбором из-за габаритов и большой массы. Большинство «свапов» выполняются на автомобилях с механической коробкой передач. Поскольку электрический двигатель сразу выдаёт 100% мощности, необходимости в нескольких передачах просто нет.
Подходящий для “электрификации” автомобиль должен быть исправен и в целом быть в хорошем состоянии — проверьте рулевое управление, подвеску и тормоза. А вообще, прежде чем делать из обычного автомобиля электрический стоит выполнить тщательную диагностику.
3.3 Выгодно ли это?
Очевидно, что нет. Если вы не заядлый энтузиаст, который хочет, скажем так, вдохнуть новую жизнь в классический автомобиль при помощи электричества, то гораздо проще и дешевле будет купить подержанный электромобиль.Услуга по конвертированию автомобиля в электромобиль стоит от 2,3 млн рублей и выше, занимает 9-15 недель. При этом не уточняется, берет ли на себя фирма заботы по легализации такой переделки и внесению правок в ПТС.
Заключение
В заключение хотелось бы сказать, что переоборудование автомобиля в электромобиль очень сложная и дорогостоящая вещь. Самый простой способ - это купить поддержанный электромобиль, но если хочется приложить усилия и самому это произвести, то придется потратить не мало усилий и средств.Если вы хотите путешествовать на далекие расстояния, стоит просто забыть о возможности сооружать электрический автомобиль на базе обычной машины. Нынешнее время требует нового подхода к транспорту. Многие водители заметили, что стали тратить на поездку на машине чрезмерно много денег из-за подорожания бензина и увеличения стоимости обслуживания автомобиля. Поэтому часто звучат идеи о том, что нужно переходить на электромобили. Конечно, переделка обычной машины в электрическую будет занимать определенное время и стоить денег, но покупка готового электромобиля окажется гораздо дешевле.
В России вполне можно переделать обычный автомобиль в электрический, с этим не возникнет больших проблем. Неприятности могут быть в том случае, если ваша переделка окажется некачественной и небезопасной. В такой ситуации ГИБДД не сможет выдать разрешение на эксплуатацию транспортного средства по дорогам общего пользования, и ваши деньги будут попросту потрачены зря. Поэтому такие проекты лучше всего выполнять совместно со специалистами или получать консультации на каждом этапе.
Список литературы
-
TechInsider: официальный сайт. - URL: https://www.techinsider.ru (Дата обращения 25.04.2023)
-
Википедия: официальный сайт. - URL: https://ru.wikipedia.org (Дата обращения 01.03.2023)
-
ДРОМ: официальный сайт. - URL: https://news.drom.ru (Дата обращения 11.04.2023)