Что Определяет Значение кВт·ч/100 км? По Следам Потерь Эффективности

Значение кВт·ч/100 км показывает, какое количество энергии автомобиль потребляет из батареи для преодоления 100 километров пути. Это значение определяется каждым звеном цепочки потерь на пути от батареи до колёс - КПД двигателя и инвертора, нагрузкой на отопление и охлаждение, аэродинамическим сопротивлением и сопротивлением качению. Даже на одном и том же автомобиле, с одной и той же батареей и на одной и той же дороге разные условия могут серьёзно менять это значение.

Глядя на таблицу расхода электромобиля, вы на самом деле читаете последнюю строку энергетического потока. Каждый киловатт-час, выходящий из батареи, совершает путешествие через инвертор к двигателю, а от двигателя - к колёсам; по пути он расходуется в виде тепла, магнитных потерь и сопротивления, с которым шины давят на дорожное покрытие. В этой статье мы проследим это путешествие от начала до конца и через цепочку потерь объясним, почему один и тот же автомобиль может показывать 14 в один день и 22 кВт·ч/100 км на следующий.

От батареи до колёс: где теряется энергия?

Электрическая силовая установка структурно эффективнее бензиновой; однако "эффективная" не означает "без потерь". Каждое звено цепи вносит свой вклад. Внутреннее сопротивление батареи, коммутационные потери инвертора, электрические и магнитные потери в двигателе, механическое трение в трансмиссии - всё это превращает часть энергии, взятой из батареи, в тепло.

Самое затратное звено цепи - двигатель. Кулоновская эффективность литий-ионных батарей превышает 99%, то есть батарея практически ничего не теряет в виде тепла. С двигателем иначе: омические (медные) потери в обмотках, потери в железе магнитной цепи и потери, которым подвергаются сами магниты в двигателях с постоянными магнитами, ограничивают преобразование электрической энергии в механическую. Двигатель преобразует около 80% электроэнергии в механическую; теоретический максимальный тепловой КПД бензинового двигателя с сотнями и даже тысячами движущихся деталей остаётся в диапазоне 35-40%, и до колёс доходит лишь 15-30% энергии топлива. Это одно сравнение обобщает, почему расход электромобиля в целом низкий.

Инвертор, расположенный между двигателем и батареей, преобразует постоянный ток в подходящий для двигателя трёхфазный переменный, а потери напрямую отражаются на запасе хода. Коммутационные потери означают, что при каждом включении и выключении полупроводников часть энергии переходит в тепло; чем выше КПД инвертора, тем лучше запас хода и тепловые характеристики. Тот же инвертор критически важен и при рекуперативном торможении, поскольку во время рекуперации энергия течёт в обратном направлении - от двигателя к батарее через ту же силовую электронику.

Как Тип Двигателя Влияет на КПД?

В электромобилях есть два основных семейства двигателей: синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронные (индукционные) двигатели. Разница коренится в физическом принципе - скольжении ("slip"). В синхронном двигателе ротор вращается синхронно, шаг за шагом, с вращающимся магнитным полем статора; в асинхронном же ротор намеренно отстаёт от поля статора, чтобы создавать крутящий момент, и эта разница проявляется как потери в цепях ротора. По этой причине синхронные двигатели с постоянными магнитами обычно эффективнее на несколько пунктов - указывается, что разница составляет порядка 2–3%.

Асинхронный двигатель, в свою очередь, имеет свои преимущества: он самозапускающийся, обеспечивает надёжную работу на высоких оборотах и не несёт затрат на магниты. Поэтому многие производители предпочитают гибридную компоновку: синхронный двигатель для основной тяги, где КПД критичен, и асинхронный двигатель для вторичной оси. Знание того, какой тип двигателя установлен в автомобиле, при чтении показателей расхода частично объясняет разницу в один-два кВт·ч между двумя автомобилями одного класса в таблице.

Скорость и Аэродинамика: Фактор, Быстрее Всего Повышающий Расход

Главная причина того, что электромобиль на трассе потребляет больше энергии, чем в городе, - простое правило физики: аэродинамическое сопротивление растёт пропорционально квадрату скорости. Когда вы удваиваете скорость, сопротивление воздуха возрастает в четыре раза, а мощность, необходимая для его преодоления, растёт ещё быстрее. Поэтому электромобили на высоких скоростях становятся неэффективными экспоненциально, и показатель трассы в таблице запаса хода всегда выше городского значения.

Масштаб конкретен: аэродинамическое сопротивление может вносить до 50% в общее потребление на скоростях трассы. Снижение сопротивления на 10% улучшает эффективность на трассе примерно на 5% - это объясняет, почему так важны различия в дизайне переднего бампера или колпаков колёс. Следствие этого правила таково: теоретически самая эффективная скорость электромобиля очень низка. Потому что постоянные потребители, такие как кондиционер, отопление и электрические системы, на низких скоростях занимают сравнительно большую долю; с ростом же скорости сопротивление становится доминирующим. На практике самый эффективный диапазон - средняя зона, где постоянные потребители уже «растворились», а сопротивление ещё не взорвалось.

Шины, Диски и Сопротивление Качению

По мере снижения скорости сопротивление воздуха уменьшается, и главную роль берёт на себя сопротивление качению. Шины могут влиять на запас хода электромобиля в диапазоне 20–40%. У бензинового автомобиля в шинах теряется около 5% энергии, тогда как у электромобиля этот показатель достигает 16% - поскольку общая энергия у электромобиля и так невелика, доля каждой потери велика.

Своё дело делает и давление в шинах: каждый PSI ниже рекомендуемого давления увеличивает сопротивление качению и отнимает больше энергии у батареи. Размер дисков создаёт разницу, отражающуюся даже в официальных документах производителя. У Hyundai Ioniq 6 с той же батареей 77.4 кВтч переход с 18 дюймов на 20 дюймов - то есть рост размера дисков всего на 11% - привёл к падению эффективности на 14%. Большие диски означают большее пятно контакта и более жёсткую боковину по сравнению с шинами толстого профиля; сочетание небольшого диска и толстого профиля по-прежнему даёт максимальный запас хода.

• Поддерживайте рекомендуемое давление в шинах; каждый недостающий PSI отражается на расходе батареи.
• Снег, грязь и холодное покрытие дороги увеличивают сопротивление качению.
• При выборе дисков существует прямой компромисс между дизайном и запасом хода.

Отопление и охлаждение салона: невидимое потребление

У бензинового автомобиля отопление салона обходится почти бесплатно за счёт отработанного тепла двигателя. У электромобиля такой роскоши нет: кондиционер, отопление и все вспомогательные системы питаются напрямую от высоковольтной батареи. То есть часть значения кВтч/100 км вообще не доходит до колёс; она уходит на нагревательный элемент и компрессор. Среднему автомобилю в холодную погоду требуется 4–8 кВт тепловой мощности - это мощность, сопоставимая с тяговой мощностью двигателя, и на низких городских скоростях она легко может удвоить расход.

Влияние холода измеримо. При температурах около точки замерзания средняя потеря запаса хода составляет около 20% и растёт по мере похолодания. В одном исследовании при -7°C запас хода полностью электромобиля упал на 41%; в аналогичных условиях у бензинового автомобиля снижение составило 10%. Потеря запаса хода на холоде не имеет одной причины: отопление салона, высокое внутреннее сопротивление холодной батареи и возросшее сопротивление качению вносят вклад в один и тот же счёт. Тепловой насос - основная технология, облегчающая этот счёт; по сравнению с нагревательным элементом она может увеличить запас хода в холодных условиях на 8–10%.

Сильная жара также повышает расход: в диапазоне 46–50°C потребление энергии возрастает до 28% по сравнению с 26–30°C. Нагрузка на компрессор и усилия термоменеджмента по охлаждению батареи - главные причины этого. В оптимальном температурном диапазоне - примерно от 10 до 30°C - электромобили используют весь свой запас хода и даже больше; этот диапазон наиболее близок к референсным условиям, при которых измеряются официальные показатели расхода.

Почему город побеждает трассу? Роль рекуперативного торможения

В автомобиле с бензиновым двигателем светофор - это полный разграт энергии; в электромобиле же торможение - это процесс рекуперации энергии. Рекуперативное торможение преобразует кинетическую энергию автомобиля в электричество, заставляя двигатель работать как генератор, и записывает её обратно в батарею. До 60-70% пойманной кинетической энергии может вернуться в батарею; 25-40% событий торможения могут быть восстановлены рекуперативным путём. При смешанной городской и автомагистральной езде восстановление оценивается примерно в 22% для полностью электрических автомобилей. В режиме «старт-стоп» этот показатель ещё более значителен, а при спуске с горки батарея действительно возвращает энергию.

Результат противоположен классической привычке: многие модели в городском режиме достигают на 15-25% лучшей энергоэффективности, а на автомагистрали эффективность падает на 10-30%. Большая часть разницы между городским и трассовым значением кВтч/100 км у одного и того же автомобиля объясняется именно этим - в городе торможения возвращают энергию, а на трассе наша единственная задача - преодолеть сопротивление воздуха.

Разница между официальным значением и реальным

Значение кВтч/100 км из каталога получается по определённому протоколу испытаний, при измеренной температуре и с определённой комбинацией дисков и шин. Реальная дорога рассказывает другую историю: скорость движения, наружная температура, отопление салона, давление в шинах, нагрузка и стиль вождения приписывают одному и тому же автомобилю разные значения. Производители прямо об этом предупреждают: запас хода может значительно меняться в зависимости от температуры, рельефа, возраста батареи и нагрузки. Отклонение до 41% при -7°C показывает масштаб этого предупреждения.

При чтении показателей расхода полезно держать в уме следующую картину:

Практические способы снижения значения

Если вы знаете цепочку потерь, значит, знаете, с чего начать её улучшение. На первый план выходят три пункта: контроль скорости, управление нагрузкой на салон и контроль состояния шин. Снижение постоянных расходов с помощью теплового насоса, снижение сопротивления качению при правильном давлении и, по возможности, на дисках меньшего диаметра, ограничение скорости на автомагистрали для уменьшения аэродинамической нагрузки - все три вместе дают измеримую разницу на одном и том же автомобиле. Также следует учитывать, что 12-15% энергии, добавляемой в батарею, теряется в процессе зарядки; расход возникает не только при движении, но и на пути от розетки к батарее.

Подводя итог: кВтч/100 км - это не свойство автомобиля, а результат работы системы. Батарея, двигатель, инвертор, шины и воздух - все пять оставляют свой след в этой цифре. Когда вы понимаете, почему значение меняется, прогноз запаса хода перестаёт быть лотереей; он становится измеримой инженерной задачей.

Источники

• Эффективность имеет значение: всё об эффективности электромобилей
• Преимущества и особенности электромобилей
• Использование энергии для транспорта: электромобили
• Влияние низких температур окружающей среды на характеристики BEV
• Исследование: насколько тепловые насосы увеличивают запас хода электромобиля
• Как температура и скорость влияют на запас хода электромобиля
• Как температура влияет на запас хода электромобиля
• Электромобили: объясняем потери при зарядке
• Как шины влияют на запас хода вашего электромобиля
• Как оптимизировать запас хода вашего электромобиля
• Потери на картах эффективности электромобилей: обзор
• Подробный взгляд на потери в электродвигателях электромобилей
• Инверторы в электромобилях: функции, типы и эффективность
• Влияние экстремальной жары на энергопотребление электромобиля
• Разработка системы рекуперативного торможения
• Понимание рекуперативного торможения в электромобилях