Электромобили: устойчивая революция в транспорте

Введение

В отличие от бензинового автомобиля, электромобиль не легко развился в жизнеспособное средство транспорта. В начале XX века электромобиль активно изучали исследователи; однако легко массово производимый бензиновый автомобиль заглушил интерес к проекту. Исследования затихли с 1920 по 1960 год, пока экологические проблемы загрязнения и истощения природных ресурсов не разбудили потребность в более экологичном транспорте. Технологии, поддерживающие надежную батарею и вес необходимого количества батарей, повысили стоимость производства электромобиля. С плюсной стороны, автомобильная электроника стала настолько изощренной и компактной, что идеально подходит для применений в электромобилях.

История

Ранняя разработка автомобиля фокусировалась на электрической тяге, а не бензиновой. В 1837 Роберт Дэвидсон из Шотландии, вероятно, построил первый электромобиль, но только в 1890-х электромобили производили и продавали в Европе и Америке. В конце 1890-х на американских дорогах было больше электромобилей, чем с двигателями внутреннего сгорания.

Одним из самых успешных строителей электромобилей в США был Уильям Моррисон из Де-Мойн, Айова, начавший маркетинг в 1890 году. Другие пионеры — С.Р. и Эдвин Бейли, отец и сын, колесники из Эймсбери, Массачусетс, установившие электромотор и батарею на одну из своих карет в 1898 году. Комбинация была слишком тяжелой для кареты, но Бейли упорствовали до 1908 года, когда создали практическую модель, проезжающую ~50 миль (80 км) до перезарядки.

История электромобиля во многом — история развития батареи. Свинцово-кислотная батарея изобретена Г. Тюдором в 1890, Томас Эдисон разработал никель-железную батарею в 1910. Версия Эдисона увеличила производство электромобилей и грузовиков, сам изобретатель интересовался будущим электромобиля. Он объединил усилия с Бейли, когда они установили одну из его новых аккумуляторных батарей на свое ТС и продвигали её в серии публичных демонстраций. Компания Бейли производила электромобили до 1915 года, была среди более чем 100 электромобильных компаний, процветавших в начале века в США. Detroit Electric Vehicle Manufacturing Company выжила последней, прекратив работу в 1941 году.

Электромобили были популярны, потому что чистые, тихие и легкие в управлении; однако два развития так улучшили бензиновый автомобиль, что конкуренции не стало. В 1912 Чарльз Кеттеринг изобрел электрический стартер, устранивший ручную коловту. Одновременно Генри Форд внедрил конвейер для Model T. Конвейер был эффективнее и дешевле производства электромобиля. Цена бензинового авто упала достаточно, чтобы каждая семья могла позволить себе автомобиль. Только электрические троллейбусы, грузовики с частыми остановками и несколько других электрических ТС выжили после 1920-х.

В 1960-х интерес к электромобилю возродился из-за растущей стоимости и истощения нефти и обеспокоенности загрязнением ДВС. Возрождение электромобиля в конце XX века, однако, было изобилует техническими проблемами, серьезными вопросами стоимости и производительности, и пульсирующим публичным интересом. Сторонники отстаивают электромобили за низкое электрическое потребление и стоимость, низкие требования и затраты на обслуживание, надежность, минимальные выбросы (и выгоду для экологии), легкость управления и низкий шум.

Часть возрожденного интереса драйвилась регуляциями. Законодательство Калифорнии мандировало, что 2% новых авто в штате должны быть с нулевыми выбросами к 1998 году. Требование растет до 4% к 2003 году. Производители инвестировали в электромобили, предполагая, что публичный интерес последует за регуляцией и поддержит защиту воздуха и экологии. General Motors (GM) представила Impact в январе 1990. Impact имела макс. скорость 110 миль/ч (176 км/ч) и могла проехать 120 миль (193 км) на 55 миль/ч (88 км/ч) до перезарядки. Impact была экспериментальной, но позже в 1990 GM начала превращать тестовый авто в серийную модель. Батареи были слабостью — их нужно менять каждые два года, удваивая стоимость владения по сравнению с эксплуатационными расходами бензиновой модели. Зарядные станции не широко доступны, эти неудобства и стоимость отпугивали покупателей. В 1999 Honda объявила об прекращении производства своего электромобиля, введенного в мае 1997, ссылаясь на отсутствие публичной поддержки из-за тех же сдерживающих факторов.

Компоненты

В отличие от первичных батарей с ограниченным временем химических реакций, производящих энергию, вторичные батареи в электромобилях — перезаряжаемые накопительные элементы. Батареи размещают в Т-образной формировании по центру авто с верхом «Т» сзади для лучшего распределения веса и безопасности. Батареи для электромобилей делали из никель-железа, никель-цинка, цинк-хлорида, свинцово-кислотных.

Вес электромобиля — повторяющаяся проектная сложность. В электромобилях батарея и электрическая тяговая система обычно 40% веса авто, тогда как в ДВС-авто двигатель, система охлаждения и другие специфические узлы питания составляют только 25% веса.

Другие технологии в разработке могут дать альтернативы, более приемлемые для публики и с низкими (если не нулевыми) выбросами. Использование топливного элемента в гибридном автомобиле — самое перспективное развитие на горизонте на 1999 год. Гибридный автомобиль имеет две силовую установки — электрическую и ДВС. Они работают только в самых эффективных условиях для каждой: электрическая тяга для стоп-анд-го в городе на низких скоростях, бензиновая — для трасс и дальних дистанций. Электромотор экономит бензин и снижает выбросы, бензиновая часть делает неудобные зарядки менее частыми.

Топливные элементы имеют химический источник водорода, дающий электроны для генерации электричества. Этанол, метанол, бензин — эти химические источники; если используется бензин, топливные элементы сжигают его эффективнее ДВС. Прототипы топливных элементов успешно протестированы, японцы начали производство гибридного ТС в 1998. Другая будущая надежда — литий-ионная батарея с плотностью энергии в 3 раза выше свинцово-кислотной. В 3 раза больше запаса должно дать в 3 раза большую дальность, но стоимость производства все еще слишком высока. Литийные батареи сейчас самые перспективные, но ограниченные запасы сырья для всех этих типов батарей помешают конвертировать весь автопарк на электричество.

Сырье

Каркас электромобиля — космический рамы (space frame) — из алюминия для прочности и легкости. Колеса также из алюминия вместо стали — снова для экономии веса. Алюминиевые части отливают на литейном заводе в спецформах, уникальных для производителя. Рамы сидений и сердце руля из магния, легкого металла. Кузов — из ударопрочного композитного пластика, рециклируемого.

Батареи электромобиля — пластиковые корпуса с металлическими анодами и катодами и жидкостью — электролитом. Сейчас свинцово-кислотные батареи все еще самые распространенные, хотя другие комбинации жидкости и металлов доступны, никель-металл-гидридные (NiMH) — следующий вероятный источник питания. Батареи держат жидкость в впитывающих прокладках, не текущих при разрыве в аварии. Батареи делают специализированные поставщики. Электромобиль вроде GM EV1 содержит 26 батарей в Т-образном блоке.

Мотор или тяговая система имеет металлические и пластиковые детали, не требующие смазки. Также включает изощренную электронику, регулирующую поток энергии от батарей и контролирующую преобразование в тяговую силу. Электроника также ключевая для панели управления в консоли; бортовой компьютер управляет дверями, окнами, системой контроля давления в шинах, кондиционером, запуском, CD-плеером и другими удобствами обычных авто.

Пластики, пена, винил, ткани формируют кожу панели, обивку дверей и сиденья. Шины — резиновые, но, в отличие от стандартных, рассчитаны на более высокое давление, чтобы авто катилось с меньшим сопротивлением для экономии энергии. Шины также содержат герметик для автозакупорки утечек, тоже для экономии энергии. Самовосстанавливающиеся шины устраняют нужду в запасной, еще одна экономия веса и материала.

Ветровое стекло — солнечное стекло, предотвращающее перегрев салона на солнце и инею зимой. Материалы теплосбережения снижают энергозатраты от обогрева и кондиционирования на батареи.

Дизайн

Современные электромобили описывают как «производственные электромобили современной эры» для отличия от серии ложных стартов проектирования электромобиля на базе серийных бензиновых моделей и от «наборных» или частных инженерных электромобилей, которые могут быть веселыми и функциональными, но не производственными. С 1960-х по 1980-е интерес был глубок, но развитие медленно. Проектный тупик высокого энергопотребления батарей не решался адаптацией дизайнов. Наконец, в конце 1980-х автоинженеры переосмыслили проблему с нуля и начали проектировать электромобиль с нуля с серьезным учетом аэродинамики, веса и других энергоэффективностей.

Космическая рама, рамы сидений, колеса и кузов спроектированы для высокой прочности для безопасности и минимально возможного веса. Это означало новые конфигурации, обеспечивающие поддержку компонентов и окупации с минимальной массой и использованием высокотехнологичных материалов: алюминий, магний, передовые композитные пластики. Поскольку нет выхлопной системы, поддон полностью аэродинамичен с полным нижним панелированием. Все лишние детали устранили, сохраняя комфорт водителей и добавляя новые соображения, уникальные для электромобилей. Одной устраненной деталью была запасная шина. Деталь стержневой радиоантенны убрана — она создает лобовое сопротивление, крадущее энергию, и использует энергию для подъема/опускания. Добавленное соображение — пешеходная система предупреждения; тесты прототипов показали, что электромобили ездят так тихо, что пешеходы не слышат приближения. Водителем активируемые мигающие огни и звуки предупреждают пешеходов о приближении и работают автоматически на задней передаче. Солнечные ветровые стекла также важное дополнение для регулировки температуры салона и минимизации кондиционера и обогрева.

Среди множества других проектных и инженерных особенностей, которые должны учитываться при производстве электромобилей:

• Батареи, накапливающие энергию и питающие электромотор — наука сама по себе в дизайне электромобиля, изучаются многие опции для поиска самых эффективных, безопасных и экономичных батарей. Электромотор, конвертирующий электрическую энергию от батареи и передающий на привод. И постоянного тока (DC), и переменного тока (AC) моторы используются в этих тяговых системах, но AC моторы не используют щетки и требуют меньше обслуживания.
• Контроллер, регулирующий поток энергии от батареи к мотору, позволяет регулируемую скорость. Резисторы, используемые для этого в других электрических приборах, непрактичны для авто, потому что поглощают слишком много энергии сами. Вместо этого используют тиристоры (SCR). Они позволяют полную мощность от батареи к мотору, но импульсами, чтобы батарея не перегружалась и мотор не недополучал мощность.
• Любые тормоза можно использовать на электромобилях, но рекуперативные тормозные системы предпочтительны, потому что они рекуперируют часть энергии, теряемой при торможении, и направляют обратно в батарейную систему.
• Нужны два типа зарядных устройств. Полноразмерное для установки в гараже для ночной перезарядки, но портативное (удобное зарядное) — стандартное оборудование багажника для экстренной перезарядки بعيدًا от дома или станции. Для безопасности создали индукционное зарядное с палкой, вставляемой в переднюю часть авто. Оно использует магнитную энергию для перезарядки батарей и ограничивает риск поражения током.

Процесс производства

Процесс производства требовал столько же проектного внимания, сколько само ТС; и этот дизайн включал ручное мастерство и упрощение, а также некоторые хай-тек подходы. Сборщики работают в командах станций для командного духа и взаимной поддержки, детали хранят в модульных блоках — креформ-стойках из гибких пластиковых трубок и соединителей, легко заполняемых и перестраиваемых для разных деталей. На хай-тек стороне, каждая станция оснащена одним динамометрическим ключом с множеством головок; когда сборщик надевает нужную головку, компьютерные контролы станка выбирают правильный момент затяжки для крепежей, подходящих под эту головку.

Кузовной цех

Кузов электромобиля ручно собирают на шести станциях.

• 1 Детали алюминиевой космической рамы собирают в секции — субассембли из префабрированных деталей, сварных или склеенных. Клей — клеящее соединение, дающее более долговечную и жесткую связь, чем сварка. По завершении субассембли подвоха они склеивают друг с другом до готовности всего подвоха.
• 2 Субассембли верхней части кузова также склеивают в крупные секции. Готовые секции аналогично сваркивают или склеивают до готовности рамы кузова. Кузов добавляют к подвоху. Клей, использованный на протяжении поэтапной сборки рамы, затем отверждают прохождением кузова через двухстадийную печь.
• 3 Крышу крепят. Как и другие внешние части, она уже покрашена. Подвох и остальная рама покрывают защитными герметиками, готовый кузов перемещают в общую сборочную зону.

Общая сборка

Общая сборка рабочих компонентов и интерьера электромобиля завершается на восьми других станциях.

1. На первой сборочной станции устанавливают первый комплект сложной электроники электромобиля. Это включает проводку кузова и размещение Power Electronics Bay с Propulsion Control Module, интегрированным приводным блоком и малым радиатором. Интегрированный приводной блок состоит из асинхронного двигателя переменного тока и двухступенчатого редуктора с дифференциалом. Эти блоки предсобранны в своих собственных корпусах. Компоненты консоли управления также устанавливают.
2. Интерьер оснащают. Напольное покрытие, сиденья, ковровое покрытие, консоль и панель приборов размещают в авто. Процесс прост, потому что приборная панель и крышка консоли из литой стекловолокнисто-усиленной уретана, покрытой уретаном финишного качества и безбликовой поверхностью. Эти две детали прочны и не нуждаются в других поддержках, кронштейнах или монтажных пластинах. Сборка прямолинейна, производительность выше, потому что меньше деталей — меньше скрипов и стуков.
3. На третьей станции вставляют кондиционирование, обогрев и циркуляцию, систему заполняют.
4. Батарейный блок добавляют. Т-образный блок усаживают, поднимая тяжелый блок спецподъемником в авто. Блок крепят к шасси, как и оси с колесами и шинами. С обеими батареями и тяговым блоком на месте авто больше не нужно двигать со станций на спецпогрузчиках. Вместо этого его водят к оставшимся станциям. Систему включают и проверяют перед движением к следующей команде.
5. Устанавливают ветровое стекло, добавляют и проверяют другие жидкости. Дверные системы (с виниловым интерьером, подлокотниками, электроникой, окнами) также крепят, все соединения завершают и проверяют. Наружные панели добавляют. Как крыша и двери, они подготовлены и покрашены до привоза на станцию. Финальная обшивка крепят для завершения верхнего экстерьера.
6. На финальной станции проверяют и регулируют коллапс, болтят нижнюю панель подвоха. Процесс завершается последней комплексной проверкой качества. Давленная вода опрыскивает ТС 8 минут, все уплотнения проверяют на течь. На спектреке качества проверяют шум, скрип, стук на тест-драйве. Длинный тщательный визуальный осмотр завершает аудит качества.

Уникально для электромобиля — батарейный блок. Состоит из перезаряжаемых вторичных батарей как накопительных элементов. Батареи в Т-образной формировке по центру авто с верхом «Т» сзади для лучшего распределения веса и безопасности.

Контроль качества

Отрасль доказала, что станционный метод высокоэффективен для обеспечения контроля качества на протяжении сборочного процесса. Каждая станция имеет двух членов команды для поддержки и внутренних проверок своей части процесса. На относительно небольшой сборочной линии вроде этой для электромобиля (75 сборщиков на заводе GM) рабочие все знают друг друга, так что есть более широкий командный дух, поднимающий гордость и кооперацию. Следовательно, единственная крупная операция контроля качества завершает сборочный процесс и состоит из комплекса тестов и инспекций.

Уникально для производства электромобиля, работа авто тестировалась в финальных шагах сборки. У авто нет выхлопной системы и выбросов газов или загрязнителей, так что после установки батарейного блока и тягового блока авто можно водить внутри завода. Доказательство, что продукт работает за несколько шагов до финиша — успокаивающий контроль качества.

Побочные продукты/Отходы

Побочных продуктов от производства электромобилей нет. Отходы внутри сборочного цеха также минимальны или отсутствуют, потому что детали, компоненты и субассембли делались где-то еще. Обрезки и другие отходы рециклируют поставщики, большинство перерабатываемо.

Будущее

Электромобили критически важны для будущего автопрома и экологии; однако форма, которую электромобиль в конечном счете примет, и его принятие публикой все еще неопределены. Потребление убывающих нефтяных запасов, обеспокоенность воздушным и шумовым загрязнением, загрязнение от брошенных авто и сложности утилизации бензиновых авто — все движущие силы, толкающие к успеху электромобиля.