Как устроена Tesla
Электромобиль Tesla Roadster, запущенный в космос Илоном Маском больше года назад, на момент написания данной статьи находится на расстоянии 369 млн. км от Земли (вот уж действительно рекордный пробег) и со скоростью 81 220 км/ч приближается к Марсу. Что «ждёт под капотом» представителей иноземных цивилизаций, если они когда- нибудь встретят его на бескрайних просторах вселенной?
Если «сердцем» традиционных автомобилей считается двигатель внутреннего сгорания, так как это самый технологичный и дорогостоящий агрегат конструкции, то «сердцем» данного электромобиля логично считать его аккумуляторную батарею.
Литий- ионная аккумуляторная батарея находится в днище автомобиля, вследствие чего автомобиль имеет очень низкий центр тяжести, а значит и прекрасную управляемость. Батарея установлена на быстросъемных кронштейнах и её замена занимает порядка полутора минут. Стоимость — 45000 долларов.
Конструктивно аккумуляторная батарея состоит из 16 параллельно соединенных блоков, которые надежно защищены от внешних воздействий прочным водонепроницаемым корпусом. Масса аккумулятора — 540 кг, выдаваемое напряжение — 400 В, емкость — 85 кВт/ч, запас хода при этом составляет около 400 км. В каждом из 16 блоков уложены по 74 накопительных элемента по виду очень напоминающих обычную батарейку.
Эти «батарейки» производит «Panasonic» и всё, что связано с технологией их производства, является тайной «за семью печатями». Всего их 7104, емкость каждого 3400 мА*ч.
Также при сборке аккумуляторов используются комплектующие из КНР, Мексики, Индии и других стран, финальная сборка производится в США. Гарантия завода — 8 лет.
В США для зарядки Тесл существует достаточно обширная сеть зарядных станций, медленная зарядка занимает около получаса и является бесплатной, а быстрая (замена батареи на заряженную) — 1,5 минуты и стоит 80 долларов.
Напряжение с аккумуляторных батарей снимается инвертором (у тебя дома он есть в стиральной машине и сплит- системе), в инверторе в зависимости от поставленной контроллером (читай- педали газа) задачи преобразует ток в переменный и питает им электродвигатель.
Электродвигатель, используемый в Тесле, не является каким-то передовым и уникальным.
Используется трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором, первый экземпляр которого был испытан ещё в 1883 году Николой Теслой.
Не обошлось, конечно, без новшеств: система охлаждения — водяная через полый ротор. Сам двигатель очень технологичный — ротор практически целиком выполнен из меди, что позволяет повысить КПД. Частота вращения двигателя может достигать 16000 об/мин. Во время торможения двигатель используется как генератор и позволяет вернуть часть энергии на подзарядку батарей. Передача всего одна, двигатель механически связан с колесами.
На автомобили ставят двигатели разной мощности, самый мощный выдает — 310 кВт (416 л. с.) и паровозные 600 Н*м крутящего момента.
Существуют различные варианты комплектаций электродвигателями.
Версии, в которых электромотор установлен еще и в передней оси, являются полноприводными. Самая мощная Тесла имеет два двигателя общей мощностью 772 л.с. (259 л.с. на передней оси, 503 на задней), разгон до сотни занимает — 3,4 секунды.
Такая компоновка силовой установки позволяет создать просторный салон, машина имеет два багажника — спереди и сзади.
В салоне — торжество роскоши и цифровых технологий, вместо традиционной приборной панели — дисплей, на который можно вывести любую интересующую информацию об автомобиле. Материалы отделки салона отличного качества.
В США и странах Западной Европы, несмотря на высокую цену, машина расходится огромными тиражами, сказывается многое: и инновационность машины, и её экологичность, и финансовые льготы, предоставляемые властями многих стран при покупке электромобилей. В нашей стране Тесла — большая редкость, которую можно встретить только в крупных федеральных центрах.
Источник
Минусы электромобилей Тесла
1. Продолжительное время подзарядки
А вот тут электрокары проигрывают своим оппонентам работающим на горючем. Последние, можно заправить практически за пять минут, а вот электромобиль Тесла при «скоростной» зарядке будет заряжаться почти час. Однако инженеры компании постоянно работают над уменьшением времени отведённого на зарядную процедуру. С этой целью они разместили по всему миру свои фирменные Supercharger stations, позволяющие заправить электрическую машину на 80% за полчаса, причём совершенно бесплатно. Если же вы захотите зарядить своё авто под завязку, то можно рассчитывать где-то на 1,5 ч.
2. Высокая цена
В принципе, удивительного здесь ничего нет — высокие технологии всегда стоили не мало. Самая скромная комплектация, в США затянет на ценник от 43 тыс. долларов, это 2,8 млн. руб. Речь идёт о новой машине, но в любом случае, даже для электромобиля такая себестоимость для многих не приемлема.
Как выглядит электрический двигатель Tesla?
Любой знаток автомобильной марки Tesla знает, что название компании выбрано не случайно. Tesla Motors (Тесла Моторс) названа в честь создателя двигателя Николы Тесла, жившего в 19 веке. Практически каждый автомобиль, который производит компания Tesla – от родстера до модели S и Х, оснащается 3-фазным асинхронным двигателем переменного тока, концепцию которого и придумал легендарный изобретатель.
В течение десятилетий после изобретения электродвигатель Николы Тесла работал от стационарной 3-фазной электрической розетки переменного тока. Примерно в 1990 году инженер-индивидуалист Алан Коккони разработал один из ранних портативных инверторов –устройство, которое превращает постоянный ток (DC) в батарее электромобиля в переменный ток (AC), необходимый для работы асинхронного двигателя.
Комбинация инвертор/электродвигатель была впервые использована на электроавтомобиле General Motors EV1. Позже итальянский физик Джузеппе Коккони создал улучшенную версию этой трансмиссии, которая появилась на автомобиле AC Propulsion Tzero. Но до серийного производства этого автомобиля не дошло. Зато на эту электромашину обратил внимание будущий соучредитель компании Tesla Motors Мартин Эберхард, основавший компанию в честь великого физика Николы Тесла вместе с Марком Тарпеннингом, к которым позже присоединился Илон Маск.
В итоге компания Tesla получила лицензию на технологию электромотора автомобиля tZERO для своего родстера. Так на автомобилях Tesla появился асинхронный двигатель, который, кстати, претерпел ряд изменений и улучшений.
Прелесть асинхронного двигателя в том, что он не требует постоянных магнитов. Постоянные магниты достаточной мощности для вращения двигателя электроавтомобиля обычно изготовлены из редкоземельных материалов. А, как известно, редкоземельные магниты имеют огромную первоначальную стоимость. Также такие магниты имеют свойство размагничиваться. Но главное, что цены на редкоземельные материалы зависят от их добычи, что приводит к большим биржевым колебаниям цен.
Двигатель Тесла, принцип работы
Самым главным узлом в автомобиле является асинхронный двигатель, который разработал великий ученый Никола Тесла. Давайте разберем принцип работы асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора и ротора
Как же работает асинхронный двигатель? Асинхронный двигатель – это трехфазный двигатель переменного тока с вращающимся магнитным полем.
Вращающееся магнитное поле образуется в обмотках статора. Оно в свою очередь приводит в движение ротор.
Также нельзя забывать тот факт, что в асинхронном двигателе скорость вращения самого ротора будет меньше, чем скорость вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре двигателя.
Но и это еще не все. Частота вращения такого двигателя зависит от частоты переменного тока, поступающего на его обмотки. Чем больше частота, тем быстрее будет вращается двигатель. Поэтому, управляя частотой, мы можем управлять вращением двигателя, а следовательно, и скоростью самого автомобиля. То есть все управление автомобилем сводится к тому, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный трехфазный и возможностью менять частОты переменного трехфазного тока. Это простое преобразование постоянного тока в переменный ток нужной частоты делает автомобили Тесла простыми и надежными.
Переменный ток
DC — постоянный ток, AC — переменный ток
Прежде чем научиться использовать переменный ток, его необходимо сначала получить. В общем-то о переменном токе физики знали уже давно (со времён открытия электромагнитной индукции) и Тесла его как таковой не открывал, но тогда все полагали, что переменный ток — это попросту «мусор», который вряд ли как-то получится использовать. Тесла же был другого мнения и сразу увидел весь потенциал переменного тока.
Постоянный ток непрерывно течёт в одном направлении; переменный ток меняет своё направление 50 или 60 раз в секунду и у него можно изменять напряжение до высоких уровней, минимизируя при этом потери мощности на больших расстояниях. Позже напряжение переменного тока можно понижать, чтобы использовать его на заводах или в жилых домах. Тесла понял, что будущее принадлежит переменному току.
Тесла описал свои двигатели и электрические системы в статьей «Новая система двигателей переменного тока и трансформаторов», которую он презентовал в Американском институте инженеров-электриков в 1888 году. Именно тогда Джордж Вестингауз заинтересовался разработками Теслы, и однажды он посетил его лабораторию и поразился увиденному. Никола Тесла построил модель многофазной системы из понижающих и повышающих трансформаторов переменного тока, а также двигателя переменного тока. Так началось партнёрство Ветсингауза и Теслы. Позже Никола Тесла получил 40 патентов на свои изобретения в США, а Вестингауз выкупил их все, чтобы обеспечить себя богатством, а Америку переменным током.
Ниже мы как раз и поговорим об этих машинах и о том, как в США внедрялась многофазная система электроснабжения.
Почему асинхронный двигатель лучше, чем ДВС
График зависимости крутящего момента (Н⋅м) от оборотов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) выглядит примерно вот так:
Поэтому, соединять вал двигателя ДВС напрямую с колесами – так себе идея.
В этом случае требуется трансмиссия и коробка передач
Также не забывайте, что линейное движение поршней должно быть преобразовано во вращательное движение. Это очень трудоемкий процесс, так как приходится балансировать весь двигатель, чтобы было как меньше вибраций при работе.
Да и для того, чтобы запустить такой двигатель, нам также понадобится стартер. А как вы знаете, без аккумулятора стартер не заведется. Ну или “с толкача”).
Еще один минус ДВС в том, что выдаваемая им мощность очень неравномерна, поэтому надо использовать маховик.
К очевидным минусам ДВС можно также добавить его высокую стоимость, выбросы выхлопных газов в окружающую среду, высокую стоимость топлива, ограниченный ресурс, так как очень много трущихся деталей, низкий КПД, сильный шум, большой вес, замена расходников, а также, как мы уже говорили, требуется обязательно коробка переключения передач.
Платформа из аккумуляторных батарей
Асинхронный двигатель надо чем-то питать. Поэтому, в автомобилях Тесла используется блок-платформа из литий-ионных аккумуляторов. Этот блок из батарей выдает постоянный ток.
Такой блок состоит из маленьких простых li-ion батареек
Решетка, которая частично держит батарейки, также является радиатором, по которой бежит антифриз
такой тип радиатора очень эффективен, так как он охлаждает все батарейки равномерно.
Все эти батарейки собираются в небольшие модули
Платформа состоит из нескольких таких модулей
В живую это выглядит примерно вот так:
Антифриз, который охлаждает платформу из батарей, охлаждается в передней части автомобиля на автомобильном радиаторе
Также можно увидеть, что тяжелая платформа из батареек близко находится к земле, поэтому низкий центр тяжести улучшает управляемость и стабильность автомобиля.
Стоимость такой батареи-платформы более 12 000 долларов, а вес более полтонны. Пока что платформа-батарея является самой дорогой частью автомобиля. Да и вообще, проблема всех электрокаров – это дорогие аккумуляторы. Если ученые разработают дешевые и очень емкие аккумуляторные батареи, то придет конец эпохе ДВС.
Коробка передач
Как же передается вращение от двигателя к колесам?
Для этого используется коробка передач
В автомобилях Тесла используется простая односкоростная коробка передач, так как крутящий момент двигателя почти равномерный на всех оборотах.
Если разобрать коробку, то можно увидеть ее простую конструкцию
Вращение вала двигателя приводит к вращению шестеренки, которая передает вращающий момент на колеса автомобиля
Даже обратный ход достигается тем, что инвертор меняет две фазы на асинхронном двигателе местами, и двигатель будет вращаться в другую сторону.
Рекуперативное торможение
В автомобиле Тесла всего две педали и подножка для левой ноги, чтобы было куда ее девать при вождении)
На самом же деле управлять автомобилем можно всего с помощью одной педали: педали газа. На английский манер такой способ вождения электрокаров называется one pedal driving
. Почему это возможно на электрокарах?
Давайте для начала разберемся, как вообще происходит торможение в простом автомобиле на ДВС?
Когда мы нажимаем педаль тормоза, у нас тормозные колодки прижимаются к тормозным дискам, и автомобиль начинает тормозить. Куда уходит вся кинетическая энергия движущегося автомобиля? Она превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. Можете потрогать тормозные диски после длительного торможения. Они будут очень горячие.
Но вот в автомобилях Тесла торможение происходит совсем по другому принципу. Да, там тоже имеются тормозные колодки и диски, но они используются намного реже, чем у авто с ДВС. Как происходит торможение в Тесла? Как только вы отпускаете педаль газа, автомобиль начинает останавливаться, то есть активируется система рекуперативного торможения. В этом случае двигатель превращается в генератор электрической энергии. Куда уходит энергия от торможения? Если в простых автомобилях она уходила в тепло, то здесь двигатель в роли генератора начинает подзаряжать аккумуляторы. То есть можно сказать, что вся кинетическая энергия автомобиля превращается в электричество и запасается в аккумуляторах. Но почему же происходит процесс торможения? Дело в том, образующееся магнитное в обмотках статора будет тормозить ротор, поэтому и происходит торможение вала двигателя.
Для полной остановки электромобиля потребуется педаль тормоза, которую нажимают в самом конце остановки. Отсюда следует, что тормозные колодки на Тесле надо менять в разы реже, чем на автомобиле с ДВС.
Как работает электродвигатель?
Принцип работы электродвигателя «Тесла» такой.Он начинается с аккумулятора в автомобиле, который подключен к двигателю. Электрическая энергия подается на статор через аккумулятор. Катушки внутри статора (изготовленные из проводящей проволоки) расположены на противоположных сторонах сердечника статора и действуют как магниты. Поэтому когда электрическая энергия от автомобильной батареи подается на двигатель, катушки создают вращающиеся магнитные поля, которые тянут проводящие стержни снаружи ротора вдоль него. Вращающийся ротор — это то, что создает механическую энергию, необходимую для поворота шестеренок автомобиля, которые, в свою очередь, вращают шины.
В электромобиле нет генератора переменного тока. Как же заряжается аккумулятор? Когда нет отдельного генератора переменного тока, двигатель в электромобиле действует и как двигатель, и как и генератор. Это одна из причин, почему электромобили настолько уникальны. Как упоминалось выше, аккумулятор запускает двигатель, который подает энергию на шестерни, которые вращают шины. Этот процесс происходит, когда нога находится на ускорителе — ротор тянется вдоль вращающегося магнитного поля, требуя большего крутящего момента. Но что происходит, когда отпускают ускоритель?
Когда нога сходит с акселератора, вращающееся магнитное поле останавливается, и ротор начинает вращаться быстрее (в отличие от того, чтобы его тянуть вдоль магнитного поля). Когда ротор вращается быстрее, чем вращающееся магнитное поле в статоре, это действие перезаряжает батарею, действуя как генератор переменного тока.
Автопилот Тесла
По-моему, это самая крутая вещь, которую воплотила в жизнь команда Илона Маска. Автопилот использует систему обратной связи из 8 камер, которые охватывают угол обзора все 360 градусов на дальности в 250 метров, 12 сенсоров, которые помогают в опасных ситуациях, а также помогают парковаться, и есть также функция Summon, которая помогает перемещать автомобиль, например, из гаража, либо вывести с парковки с помощью мобильного приложения.
Автопилот Тесла может полностью водить автомобиль в автономном режиме. Он также может предупреждать владельца об опасных ситуациях на дороге.
Автопилот Tesla
А вот эта технология выводит модели известного элитного производителя электрических автомобилей совсем на другой уровень. Автопилот задействует систему обратной связи состоящей из восьми камер, охватывающих угол обзора в 360 градусов на расстоянии 250 м. Присутствуют двенадцать сенсоров, которые могут сослужить добрую службу при возникновении опасных ситуаций, а кроме того, помогают в процессе парковки. Имеется и функция Summon, помогающая перемещать электрокар, к примеру, из гаража, также его можно вывести из места парковки воспользовавшись мобильным приложением. Система автопилотирования может управлять машиной в полностью автономном режиме, к тому же в её обязанности входит предупреждение водителя об небезопасных обстоятельствах на дороге.
Недостатки электромобилей Тесла
Долгое время зарядки
. В то время, как простой автомобиль с ДВС можно заправить буквально за 5 минут, Тесле поребуется около часа. Но и здесь опять же есть подвижки. В настоящее время компания стремится к тому, чтобы сделать время заряда как можно меньше. Для этого она строит так называемые Supercharger stations по всему миру. Эти заправочные станции, как говорят в Тесле,
будут совершенно бесплатны
, а ваш автомобиль сможет зарядиться
на 80% за 30 минут
! То есть пока вы пьете кофе, ваш авто уже будет снова готов покорять просторы) Полная зарядка на таких заправочных станциях длится около полутора часов. Пока что таких заправочных станций не так много, но я считаю, что ситуация все равно будет меняться в лучшую сторону.
Высокая стоимость
. Цены на новые модели Теслы в бомж комплектации в Америке начинаются от 43 000 $. По нашим деньгам это около 2 800 000 рублей. В Москве цены начинаются от 3,5 млн рублей. Не очень то и дешево для электрокара.
Достоинства электромобилей Тесла
1. Заправка электроэнергией более выгодна, чем заправка горючим
Причём выгода весьма существенная и для полного понимания этого обстоятельства, мы проведём некоторые не сложные расчёты.
Возьмём за пример самые мощные аккумуляторы, которые можно встретить на электромашинах Тесла — 100 кВт⋅ч. Такой девайс будет обеспечивать запас хода приблизительно около 500 километров. В Москве стоимость 1 кВт⋅ч составляет около 6 руб. Для заправки нашей 100-киловаттной Теслы понадобится всего 600 руб.: 100×6=600. Делим сумму 600 руб. на пробег 500 км и получаем стоимость 1,2 руб. за 1 км пробега.
А как обстоят дела с бензином? Здесь мы возьмём за пример автомобиль массового производства — Lada Granta, потребляющий 7 л горючего на 100 км пути. При приблизительной стоимости бензина в Москве 43 рубля за литр, на сто километров дороги придётся потратить около трёх сотен рублей: 300/100=3 руб. на 1 км. В общем-то, практически такое же соотношение можно наблюдать по всему земному шару.
Все эти расчёты говорят о том, что заправка транспортного средства электрической энергией обойдётся почти в три раза дешевле, чем если расходовать бензин.
2. Экологическая чистота
Электрокары превосходят машины оборудованные ДВС не только технически, они ещё и окружающую среду не загрязняют. Для человека атмосфера вздобренная вредными выбросами не проходит бесследно: дают о себе знать самые различные заболевания, которые больше всего угрожают гражданам проживающим в мегаполисах. Электромобили в этом плане не наносят никакого вреда — у них просто нет выхлопа. В некоторых странах, в борьбе за чистоту экологии, правительство освобождает владельцев электрических автомобилей от уплаты транспортного налога.
