После "Запорожца" - о "Тесле".

     Неделя выдалась суматошная, однако раз обещал, нужно писать статью. Попробую в ней суммировать все, что удалось узнать по модной сейчас и широко разрекламированной теме – электромобиле «Тесла», в основном его устройстве и устройстве его узлов, а также  экологичности его содержания и производства и дальнейших перспективах электромобилей при настоящем уровне развития энергетики и науки.

    Итак, автомобили «Тесла», действительно, на сегодняшний день являются наивысшим достижением техники в области электромобилей. Подчеркиваю, техники, а не науки, потому что практически все узлы  автомашины были изобретены или сконструированы уже очень давно и известны всем конструкторам.

   Я не буду говорить о кузове автомашины, ибо это, в общем –то, дело больше дизайнеров и технологов, и каждый может судить о нем сам. Речь в основном пойдет о силовом агрегате, системе управления автомобилем и рекуперации электроэнергии, а также о главном узле – аккумуляторе. При этом прошу иметь в виду, что доступа к какой то документации по автомашине у меня нет, все почерпнуто из имеющихся в интернете статей.

    Итак. Двигатель автомашины – асинхронная трехфазная машина перменного тока, питается напряжением, видимо, 220 или 380 вольт между фазами. Этот двигатель был сконструирован еще самим Тесла, но важная деталь – он использовал двухфазную систему, при которой необходимо 4 провода для передачи мощности, и требуемый ток  по каждой фазе будет больше, чем при трехфазной системе, при одинаковой мощности. Двигатель Тесла был доработан Доливо-Добровольским, предложившим вместо двух фаз использовать три, и сейчас  практически в том же виде используется в промышленности.

   Мотор в «Тесле» - четырехполюсный, то есть, обмотки каждой фазы состоят из двух катушек. Это сделано для того, чтобы понизить обороты двигателя по сравнению с двухполюсным , одновременно увеличив крутящий момент на валу двигателя. Для тех, кто знаком с обычными промышленными двигателями, могу сказать, что это примерно то же самое, что обычный двигатель на 1470 оборотов  по своей схеме. Важная деталь – статор двигателя состоит из медной «беличьей клетки», что повышает КПД двигателя, уменьшая потери на нагрев статора по сравнению с алюминиевыми конструкциями.

     При тех мощностях и нагрузках, при которых работает двигатель, он сильно греется, поэтому оборудован жидкостной системой охлаждения. Описания устройства этой системы интернете я не обнаружил, но не думаю, что там что то необычное.

    Передача с вала двигателя на колеса практически прямая, так как тяговые характеристики электродвигателей как нельзя лучше соответствуют требованиям автомобилистов.

    Дело в том, что ротор электродвигателя вращается со скоростью, зависящей от частоты питающей сети, для двухполюсного двигателя эта скорость будет равна (в минуту)  частоте, умноженной на 60, то есть , при частоте питания двигателя 10 гц скорость вращения будет 600 оборотов в минуту.  Для четырехполюсного двигателя скорость будет в два раза меньше, в нашем случае – 300 оборотов (в действительности чуть меньше, есть такая величина, которая называется скольжением двигателей, но это неважно, разница будет в 1-1,5 процента). Это вращение называется синхронным вращением со скоростью сети.

    И вот тут мы подходим к крутящему моменту двигателя. При старте двигателя, пока он стоит, он потребляет огромное количество энергии, но при этом имеет на валу максимальный крутящий момент, многократно превышающий номинальный. По мере раскручивания двигателя потребление энергии начинает падать, снижается и крутящий момент, и когда скорость становится синхронной, потребление падает до величины, позволяющей компенсировать потери – электрические и механические, и поддерживать постоянную скорость вращения. Таким образом, тяговая характеристика ЭДВ растет, если принудительно попытаться его удержать, вместе с потреблением, что прекрасно соответствует необходимой для автомобиля характеристике.

    Из всего этого становится ясно, что питается двигатель не прямо от батареи, а через преобразователь (инвертор) который преобразует энергию постоянного тока. Получаемого от аккумулятора, в трехфазный ток регулируемой частоты, при этом частота регулируется с помощью педали акселератора – при нажатии педали частота растет, если отпустить – падает. Естественно, с ростом частоты растут обороты двигателя, а с ними – и скорость автомобиля.

    Малогабаритные инверторы большой мощности – относительно новая конструкция, прежде всего потому, что мощные силовые ключи, позволяющие коммутировать без потерь мощности в десятки и сотни киловатт и имеющие малые размеры, сконструированы недавно, где – то на рубеже 21 века.

    Они , кстати, имеют широкий спектр мощностей и широко используются в промышленности для регулировки оборотов различных двигателей – прессов, конвееров, различных устройств автоматики и так далее. Мощности варьируются от десятых долей киловатта до сотен киловатт, скажем, для мощных прессов используются инвертора на 250 киловатт, выдающиеся частоты до 400 гц.

    Таким образом, двигатель и инвертор – давно известные и отработанные узлы электромобиля, примененные в «Тесле», которые широко применяются как  в промышленности, так и в электромобилях других фирм.

    Несколько другое положение с аккумуляторной батареей, применяемой в «Тесле». Вообще, в настоящее время уже полностью отработаны и практически доведены до совершенства все основные узлы электромобилей – кроме источника энергии. Примерно до начала 2000х годов для электромобилей применялись щелочные или свинцовые аккумуляторы, имеющие, как правило, большой вес при относительно небольшой емкости, что не позволяло получить достаточно значимый пробег автомобиля. Кроме того, эти аккумуляторы обладают так называемым «эффектом памяти», выражающимся в том, что если вы несколько раз проведете неполный цикл заряд – разряд аккумулятора, то он начинает терять часть емкости, что связано с уменьшением его пробега.

Кроме того, автомашина не должна стоять без зарядки и пробега длительное время, так как это тоже ведет к потере емкости аккумулятора.

    Следует отметить, что всеми этими недостатками обладают в той или иной мере и применяемые в «Тесле» литий –ионные аккумуляторы, за исключением одной – у них намного лучшее соотношение вес- емкость, то есть, они могут накапливать намного больше электроэнергии при том же весе.

    Теперь перейдем к батарее, установленной на автомобиле «Тесла». По документам, ее емкость 85 квт*часов при напряжении 400 вольт. Довольно высокое напряжение –  это одна из особенностей батареи, а исходя из приведенной емкости квт*часах, можно определить ее в ампер*часах как 212 ампер*часов, то есть, батарея может отдавать ток в 212 ампер в течении часа. При этом вторая отличительная особенность батареи – она собрана из параллельно включенных 16 блоков, собранных в свою очередь из элементов относительно небольшого размера, практически таких же, как в батареях ноутбуков. Каждый элемент батареи, как и любая другая литий –ионная батарея, отдает 3,6 вольта, таким образом, чтобы получить 400 вольт, нужно последовательно включить 111 таких элементов.

     Согласно имеющимся в интернете данным, в аккумуляторе 7104 таких элементов, зная, что они разделены на 16 блоков , получаем, что в одном блоке 444 аккумулятора, то есть, получается. Что в каждом блоке -4 параллельно включенных цепочки по 111 батарей, а во всей батарее – 64 таких цепочки. Отсюда можно определить емкость одного элемента – 3.3 ампер*часа, то есть, действительно обычный элемент для питания ноутбука!

    Отсюда можно сделать вывод, что в батарее также должен быть контроллер заряда – разряда, так как прямое включение параллельно батарей не очень благоприятно сказывается на их работе, так как строго одинаковыми их характеристики сделать невозможно, да и стареют они по разному. В результате одни элементы заряжаются или разряжаются быстрее других, и цепочки начинают выдавать разное напряжение, в результате чего в батарее возникают уравнительные токи, идущие зачастую в противоположном основному току направлении, приводящие к излишнему нагреву и напрасной потере мощности батареей. То же самое и в отношении заряда – при параллельном и последовательном  включении достаточно трудно обеспечить синхронную одинаковую зарядку элементов. 

    Следует отметить, что литий-ионные батареи имеют по крайней мере два недостатка, имевшиеся у остальных аккумуляторов – они не терпят перезарядки, а также у них, хоть и в меньшей мере, имеется «эффект памяти», приводящий к потере емкости.  Если первый недостаток легко устраняется автоматизацией заряда. То для устранения второго обязательно необходимо достаточно часто производить полную СТАНДАРТНУЮ зарядку батареи, и полную ее разрядку . Кроме того, любое технически сложное устройство имеет тем меньшую надежность, чем из большего количества элементов оно состоит, так что насколько надежной будет батарея из 7000 элементов, можно только гадать. Хотя изготовители автомашины дают гарантию в 8 лет, правда, какие конечные характеристики батареи в конце гарантии, нигде не указано. По крайней мере в интернете.

     Заряжаться батарея может токами от 5 до 80 А. При токе 80 А время полного заряда составляет порядка 5 часов, соответственно, с уменьшением тока это время пропорционально увеличивается. При токе 12 ампер, который является максимально допустимым  сейчас в бытовых сетях, заряжать батарею придется сутки. Поэтому дома необходимо иметь зарядную станцию с током хотя бы 40 ампер, что позволит зарядить аккумулятор полностью за одну ночь.

     Из сказанного видно, что обордование для домашней зарядки «Теслы» - обязательная опция для автомобиля, зарядить его нормальным зарядом на уличной станции невозможно, эту возможность нужно иметь ввиду как резервный вариант  при опасности «недотянуть» до дома или нужного места на имеющемся заряде.

   Правда, сейчас на зарядных станциях «Тесла» есть услуга по замене аккумулятора, когда взамен заряда вам просто меняют разряженную батарею на полностью заряженную.

     Теперь о системе рекуперации электроэнергии. Эта система автоматически вытекает из устройства и принципа работы примененного элетродвигателя. Дело в том, что если во время работы асинхронного  двигателя понизить частоту питающей сети, то он начнет тормозится со снижением оборотов , а выделяющаяся при торможении энергия будет возвращена в сеть, откуда ее можно направить в аккумулятор. Это и происходит во время езды – при разгоне двигатель с повышением частоты набирает обороты, потребляя электроэнергию, а  если отпустить педаль акселератора, частота питания понижается, обороты снижаются, и потребленная на разгон энергия возвращается в аккумулятор, к сожалению, не полностью, а частично – часть ее все –таки будет утеряна, однако рекуперация  остается важной функцией системы питания.

    Правда , нужно учесть, что при таком построении скорость автомобиля жестко связана с положением педали акселератора – при нажатии на педаль автомобиль разгоняется, при отпускании – тормозится, двигаться «накатом», как в обычном авто, здесь, видимо, не получится.

    Если отпустить педаль до конца, автомобиль затормозится достаточно энергично, однако, для полного торможения в экстренных случаях все таки придется применить тормоза, которые у «Теслы» все таки имеются.

    В заключение, повторяю, что все, что здесь изложено, написано на основании материалов об этом автомобиле, изложенных в различных статьях в интернете, и в рекламных материалах «Тесла».