Современное автомобилестроение. Электромобили — срыв покровов

в 14:05, , рубрики: automotive, embedded, Анализ и проектирование систем, инженерные системы, силовая электроника, транспорт будущего, Урбанизм, электромобили, Энергия и элементы питания
Современное автомобилестроение. Электромобили — срыв покровов - 1

«Какой компонент электропривода в современных электромобилях имеет наивысшую плотность в виде количества ноу-хау на единицу объёма?»

Если задать этот вопрос, то с очень высокой вероятностью одна часть отвечающих назовёт таким компонентом силовую батарею. Оставшаяся часть в качестве ответа приведёт электродвигатель.

И обе стороны окажутся неправы.

Необходимое предисловие

Как и многое на нашей планете, изнутри вселенная автомобилестроения в общем и электромобиля в частности выглядит несколько иначе, чем видится стороннему наблюдателю на первый взгляд.

Автор имел возможность в течение последних дюжины лет пронаблюдать со стороны R&D-отделов немецких машиностроительной и автомобильной промышленностей, как бурно и, порою, неожиданно могут развиваться новые технологии. Переплетаться с уже отработанными на практике решениями, развиваться по спирали, отскакивать назад — в общем, это вот всё, так нежно и трепетно любимое рыцарями клавиатуры и стрелки осциллографа.

Заранее подчёркиваю: все утверждения и описания в последующем тексте не стоит рассматривать как полнейшие и всеобъемлющие.

Наоборот — многое здесь осознанно упрощено и сведено к обобщению для максимального охвата аудитории. Раз уж берёмся за разумное, доброе и вечное, то сеять — так, значит, сеять щедрыми жменями!

Покатились! (привет, Гётеборг!)

Электропривод: ху из ху, и чьё ху длиннее

В разработке электропривода для электромобилей есть одно интересное соотношение.

По сложности компонентов в общей (упрощённой!) схеме электропривода — батарейная экосистема/инвертор/электродвигатель — ресурсозатраты в процентах будут представляться примерным соотношением 20% / 70% /10%.

Конечно, не хотелось бы ни в коем случае преуменьшать значение батареи и электродвигателя — но по количеству составляющих и по функциональности они проще и гораздо менее «айтишнее», чем преобразователь напряжения.

Дело в том, что современный инверторный преобразователь — это по сути промышленная embedded-система с операционной системой реального времени (RTOS), с суровыми требованиями по: наработке на отказ, по требованиями функциональной и пассивной безопасности, по пыле-/влагозащищённости, по надёжности коммуникации, по быстродействию, по автономности, по условиям работы в состоянии вибрации и температурным нагрузкам, по защищённости от электромагнитных воздействий и много-много чего ещё — и оно к тому же преобразовывает весьма мощные энергетические потоки, на которых, в случае, например, «Теслы», можно качественно прожарить и вкусно приготовить молодого бычка.

Пару слов о гибридных авто

Сразу оговорюсь: тема электромобильности сейчас снова бурно развивается во все стороны после некоторого затишья в 2014-2016 годах (новый виток интереса от всех участников + явный интерес правительств + дизельгейт + рывок в батареях и т.д.).

Поэтому классификации и термины регулярно подправляются/расширяются/дополняются и просто — «радостно обогащаются» маркетологами.

Но в общем классическом виде вполне можно утверждать, что гибрид — это конфигурация, где авто имеет полноценный ДВС, приводящий одну (или более :) ось, дополнительно к которому для выдачи реального момента действует электропривод (батарея + инвертор + электромашина).

И здесь существует куча подмножеств.

В зависимости от того, как электромашина поддерживает ДВС, она может:

  • Сидеть прямо на оси ДВС-поршней и поддерживать её момент напрямую — а потом этот «усиленный» момент через коробку передач классически отводится уже на приводимую ось(-и).

  • Может быть заведён (скорее всего через относительно простой дифференциал) на приводимую от ДВС колёсную ось уже за коробкой передач и поддерживать момент на оси непосредственно.

  • Может сидеть механически отдельно от ДВС на другой оси, тогда ДВС приводит (чаще всего) переднюю ось, а электропривод — заднюю ось.

.
Есть ещё варианты, как именно запитывать ходовую батарею (в зависимости от её объёма, например).

Но такие вот «классические» гибриды, у которых есть внешние интерфейсы (гнёзда для штекеров) для зарядки от зарядных станций — они обычно и называются plug-in hybrid.

Подчеркну — по моему скромному мнению сюда достаточно неверно относить электромобили с range extender, ибо ДВС в них не несёт момент ни на одну из осей — и обычно маленький и не мощный. Но юридически циркуляром Евросоюза они также относятся к гибридным электрическим транспортным средствам.

Гибрид — электромобиль или тварь дрожащая?

По уже вполне сложившейся традиции, да и исходя из юридической практики — под определением «электромобили» я бы советовал всем читающим понимать не только «чистое электроприводное решение», но и все варианты гибридных версий электрифицированных транспортных средств.

Всё потому, что с инженерной точки зрения нет абсолютно никакой принципиальной разницы в обобщённой стурктуре электропривода, если автомобиль имеет на борту любого размера силовую электробатарею, силовой инвертор (описанный выше) и электрическую машину.

Процессы, происходящие в электроприводе, будут практически всегда одинаковы.

Мало того — в автомобилях с водородными топливными ячейками для приведения транспорта в движение используется та же самая комбинация: силовая электробатарея + инвертор + электромашина. Просто силовой аккумулятор запитывается здесь не от ДВС или зарядной станции, а от топливного элемента.

Сравнение топологий «чистый ДВС» vs. «чистый электромобиль»

Последующее утверждение зависит, конечно, от конкретно взятой модели, но достаточно точно и в общем можно утверждать следующее.

При сравнении неполноприводных «чистого ДВС» и «чистого EV», при принятии «равенства» топливного бака и большой электробатареи из «ДВС выпадает»:

  • ДВС + стартер-генератор + MCU (ЭБУ двигателя и стартер-генератора) + коробка передач + GCU (ЭБУ коробки передач / gear box / Getriebe) + жидкостная система охлаждения ДВС.

При этом (в общем!) EV взамен имеет:

  • Инвертор + электродвигатель + дифференциал (или что-то вроде, достаточно простое механически) + жидкостная система охлаждения батареи-И-инвертера-И-электродвигателя (да, обязательно все три устройства) + BCU (ЭБУ батареи) + AC/DC-конвертер/выпрямитель (он же зарядный конвертер для зарядки от «домашней» розетки или «обычной» зарядки) + опционально DC/DC-конвертер (для запитки всей внутренней слаботочной сети электроники 12/24/48 вольт).

Следует отметить, что, в принципе, DC/DC-конвертер и ECU (одна или несколько — точно не скажу) для зарядки от внешних электросетей могут быть совмещены в одном корпусе друг с другом или с «большим» ходовым инвертером — но это всё равно отдельные электронные единицы в топологии электромобиля, со своими вероятностями отказа (однако, в общем меньшими, чем у механических частей).

От классического свинцово-кислотного аккумулятора на 12 вольт пока никто не отказывается по очень многим причинам. Немного подробностей от разработчика maybe_im_a_leo вот здесь.

Несколько замечаний:

  • На потенциальные споры: когда высчитывают КПД всей цепочки «батарея-инвертор-электродвигатель» в сравнении с ДВС — часто забывают о необходимости учёта рекуперации, повышающей общий КПД электропривода.

  • Если мы говорим о «полноприводных» версиях EV с электромотором на каждую ось (т.е. минимум 2 штуки электродвигателей в автомобиле), то в общем случае там будет и минимум два инвертора — по инвертору на каждую комбинацию двигатель-ось.

  • Уже несколько десятилетий при торможении двигателем в ДВС при высоких значениях оборотов вала отключается зажигание топливной смеси («свечи не горят») — что при долгом движении с горки при пересчёте на 100 км увеличивает КПД для ДВС-авто. Хотя грубая прикидка, конечно же, явно показывает, что при равных внешних «с горочных» условиях относительное увеличение КПД от рекуперации в EV всё же в несколько раз выше относительного увеличения КПД от «гашения свечей» в ДВС.

  • EV в среднем требует гораздо больше высококачественной меди и редкоземельных материалов, чем ДВС-авто. Фактор «в несколько раз больше редкоземельных материалов» особенно заметен, если EV приводится в движение синхронными электродвигателями — а это, всё-таки, почти все массовые электромобили и гибриды, кроме пары уже выпущенных в серию Мерседесов и кроме всех базовых комплектаций Тесл. При этом, однако, в «прокачанной» версии Model 3 один из дополнительных двигателей тоже синхронный.
Пришло время для обещанных голых моделей!

Современное автомобилестроение. Электромобили — срыв покровов - 2
Бесстыдно обнажённая Tesla в шоуруме компании, центр г. Нюрнберг.

Современное автомобилестроение. Электромобили — срыв покровов - 3
Передний мост голой модели. «Wechselrichter» (справа вверху) — это именно обсуждаемый инвертор

Мы заряжаем или нас заряжают

Использование электромобилей (по крайней мере в их «чистом» варианте без ДВС) невозможно без заряжания оных.

Что происходит, как нетрудно догадаться, не только с помощью штекеров, беспощадно подключаемых к зарядным гнёздам транспортного средства, но и посредством соответствующей инфраструктуры. И инфраструктура сия — это не только красивые зарядные столбы, один из вариантов которых можно наблюдать на  трогательной иллюстрации ниже, но и многое, очень многое иное.

Современное автомобилестроение. Электромобили — срыв покровов - 4

Здесь сделаем небольшую ремарку.

<Ремарка пошла>

Конечно же, если речь идёт о зарядном процессе «из домашней розетки», то там всё вполне просто. Пользователь берёт соответствующий кабель, одним штекером вонзает его в классическую домашнюю однофазную розетку, а другим — в разъём в автомобиле. И зарядный ток, радуясь полученной свободе, классически медленно и неотвратимо течёт по проводам.

(и снова-снова радостно упрощаем, ибо даже такая «простая» штука, как розетка, таит в себе много чего интересного, о чём можно почитать, например, вот здесь у пользователя idiv )

</Ремарка пришла>

Но в общем для суперчарджеров и универсальных многоинтерфейсных зарядных станций (с несколькими стандартами коннекторов) требуется ещё такой себе немаленький шкаф с силовой электроникой (в реальности там не только силовая электроника, а всё ещё сложнее — привет, idiv и lingvo :) — а ещё во многих случаях (особенно для мест с несколькими зарядными столбами и/или суперчарджерами) требуется отдельная подводящая линия электропередач и трансформаторная подстанция. Это всё — место, место, место…

А ещё верная статья от товарища marks и много уже дополнительно проведённых исследований.

Для примера: если не позаботиться о модернизации электросетей, то уже при нынешнем темпе развития событий даже такой экономически развитый регион как округ «большого Мюнхена» через 3 года начнёт испытывать уютные локальные блэкауты.

О небывалой революционности текущего момента

Каждый раз, когда в этих наших инновационных интернетах ещё раз воздаётся хвала революционности современного емобильного хайпа, автор идёт на кухню и готовит себе чашку душистого чая.

После чего зачёрпывает малую толику кумкватового варения, берёт заваренный ароматный напиток и садится за расслабленное чтение.

Объектом литературного интереса здесь выступает исследование электромобильного транспорта, проводившееся Рейнско-Вестфальским техническим университетом Ахена (знаменитый RWTH) по заказу немецкого Объединения автомобильной промышленности (VDA). Группа научных сотрудников рассматривала и анализировала уже вополощённые в металл исследовательские и серийные автомобильные транспортные средства, а также рассматривала весь спектр как уже имеющихся; так и только ещё изучаемых соответствующих технологий.

Электронная версия книги доступна по ссылке на сайте VDA.

Очень, ну просто очень интересная работа, изданная в октябре 1993 года.

Делаем паузу

На сегодня прервёмся.

А напоследок хотелось бы напомнить/заметить, что в текущем сообществе:

  • товарищ LittleSquirrel имеет огромный практический опыт по разработке современных робомобилей (да-да, именно ADAS — и если восторженный читатель очень-очень вежливо его попросит… :);

  • товарищ maybe_im_a_leo трудится на ниве разработки силовой электроники у одного, достаточно часто упоминаемого на Хабре, автопроизводителя ;) ;

  • товарищ teymurberman очень давно работает в самых глубинах embedded-кода немецкой автомобильной промышленности (teymurberman — было прикольно найти твой аккаунт за минуту во время стояния в очереди в кассу :)

  • товарищ parakhod обладает массой знаний по хитрым стендам моделирования для европейской автомобильной промышленности в частности — и embedded-разработке для оной промышленности в общем;

  • товарищ nad_oby в своё время до покупки их «Интелом» работал в «Mobileye» (компьютерное зрение) — но самое интересное ему, наверное, рассказывать низзя;

  • товарищ old_gamer недавно самоотверженно катался для всех на «Тесле» — и интересны апдейты, шо оно там, и как;

  • товарищ mrKron опубликовал немало статей, связанных одновременно с IoT и автомобильной тематикой;

  • за вдохновение в стилистике написания статей отдельное спасибо товарищам Boomburum, Milfgard и Meklon! =D

Кого забыл упомянуть — не взыщите, к замечаниям и комментариям автор всячески открыт.

К моменту публикации на написание статьи было потрачено достаточно много времени (см. индекс-адрес и привет DmitrySpb79 :) — но даже так в текст вошла только малая доля того, с чего можно и нужно сорвать простыню недосказанности.

И, наверное, статья будет ещё дополняться в течение последующего времени.

Посему — до новых встреч. И когда-нибудь мы с вами ещё поговорим, чем же так важны и могущественны автопоставщики, а не только OEM. ;)

Автор: kababok

Источник

* - обязательные к заполнению поля