Электрокары и гибриды
Если речь заходит об электрическом транспорте, то обычно подразумеваются легковые автомобили вроде Tesla Model S, Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV, Kia Soul EV, BMW i3 и так далее. Вы когда-нибудь видел электрический пикап? Или хотя бы внедорожник? И это неспроста: производители стараются сделать машины с электродвигателями как можно более компактными и легкими (хотя это не в полной мере относится к Model S, но с ней вообще отдельная история), поскольку каждый киловатт энергии в них на вес золота, а большая масса требует больших затрат на передвижение в пространстве. Для этого лучше подходят многолитровые дизельные или бензиновые моторы. Да, в мире существуют гибридные модификации автобусов и грузовиков, но в них ключевую роль играет все же ДВС. Однако теперь немецкий концерн Daimler AG, владеющий маркой Mercedes-Benz, представил прототип полностью электрического большегрузного автомобиля Urban eTruck. Серийное производство модели должно начаться в течение пяти лет.
Новинка основана на трехосном тягаче с полностью перестроенной силовой установкой. Традиционные компоненты были заменены двумя электромоторами, которые интегрированы непосредственно в колеса задней оси. По данным немецких инженеров, автомобиль развивает 335 лошадиных сил и 1 000 Н·м. Огромная литий-ионная батарея обладает емкостью 212 кВт⋅ч. По меркам легковых машин это невероятно много: даже Tesla Model S, которая является рекордсменом среди электрокаров, предлагает аккумулятор максимум на 90 кВт⋅ч. Благодаря этому Urban eTruck способен проехать до 200 километров. В целом такого запаса хода должно быть достаточно для использования автомобиля в пределах города.
 |
 |
Одним из преимуществ Urban eTruck является модульная структура батарей: в зависимости от требований к автономности производитель может добавлять или убирать отдельные блоки для достижения необходимой емкости и дальности хода. Инновационный грузовик предполагается заряжать от распространяющихся по Европе зарядных станций стандарта Combined Charging System (CCS) Type 2 с максимальной мощностью до 100 кВт. В этом случае потребуется около двух-трех часов на пополнение заряда АКБ до 100 %.
 |
 |
Daimler AG планирует запустить серийный выпуск электрического тягача в начале следующего десятилетия. Ожидается, что он будет адаптирован для нагрузки до 26 тонн. А еще немцы собираются предложить клиентам более компактный грузовик Fuso Canter E-Cell. Он располагает батареей емкостью 48 кВт⋅ч и электромотором, выдающим 147 лошадиных сил и 650 Н·м. При использовании того же коннектора CCS Type 2 зарядка такой машины с 0 до 80 % потребует не больше часа. Правда, и проехать компактный грузовик сможет меньше — до 100 километров. В немецком концерне заявили, что Fuso Canter E-Cell уже прошел дорожные испытания в Германии и Португалии.
Своими планами на светлое электрическое будущее поделилась еще одна немецкая компания: сразу два неназванных источника в Audi заявили изданию Reuters о стремлении производителя существенно нарастить вложения в разработку электрокаров. При этом планы стоят поистине грандиозные: уже к 2025 году четверть всех продаж бренда с четырьмя кольцами на логотипе должно приходиться на машины без двигателей внутреннего сгорания. В запасе у Audi еще девять лет, однако не будем забывать, что сегодня существует всего две подобные модели: Audi R8 E-tron и Audi A3 e-tron. По большому счету обе можно считать лишь робкими экспериментами на поприще экологически чистых транспортных средств.
На самом деле стремительное переориентирование немецкого производителя на выпуск электрических машин не вызывает удивления. И это вовсе не проявление гуманного подхода к окружающей среде: просто именно таким образом менеджмент компании решил бороться с последствиями громкого экологического скандала, разразившегося осенью прошлого года. Его ключевым участником стал концерн Volkswagen AG. Мошенническое программное обеспечение, которое позволяло обходить тесты на содержание вредных веществ в выхлопных газах, применялось и на автомобилях Audi.
Если учесть, что в 2015 году немецкая компания продала около 1,8 миллиона новых легковушек, то при сохранении спроса на текущем уровне около 450 000 машин из общего объема должны быть полностью электрическими к 2025 году. Эти планы могут показаться слишком амбициозными, но напомним, что Tesla Motors собиралась производить по 500 000 электрокаров в год уже к 2018-му.
Пока европейский рынок и производители Старого Света отстают в плане внедрения инноваций. Согласно статистике, из 14 202 024 новых машин, зарегистрированных в Европейском союзе и Европейской ассоциации свободной торговли лишь 186 170 явлюятся электрическими. Еще 234 170 оборудованы гибридными силовыми установками. Таким образом, доля электрокаров составила всего 1,3 %. И хотя в 2015 году спрос на такие машины подскочил сразу на 55 %, за истекший период 2016-го рост составил всего 15 % (данные предоставлены JATO Dynamics). А еще по объему выпуска инновационных моделей BMW, Mercedes-Benz и Audi занимают 12, 14 и 22 место в мире, плетясь далеко позади Toyota, Honda, Lexus и Nissan.
Возможно, изменившаяся инвестиционная стратегия компании из Ингольштадта позволит переломить нерадостный для нее тренд. Согласно новым данным, около трети всех затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы до 2025 года будет приходиться на разработку электромобилей, систем автопилотирования и цифровых сервисов. При этом источники Reuters сообщили, что ради высвобождения финансовых средств в столь непростое для концерна время под сукно могут лечь некоторые традиционные проекты. Пока к ним причислили лишь разработку двигателей и трансмиссий для конкретных стран.
Одной их первых полностью электрических моделей должен стать кроссовер Audi Q6, построенный по образу концепта Audi e-tron quattro. Предполагается, что суммарная мощность трех электромоторов такой модели должна составить 435 лошадиных сил, а с 0 до 100 км/ч среднеразмерный паркетник сможет ускоряться всего за 4,6 секунды.
Вероятно, именно с прицелом на существенный рост продаж электрических моделей Audi в Китае будут возведены заводы Volkswagen по производству тяговых батарей. При этом немецкий концерн надеется на помощь партнеров в лице Panasonic и компаний из Поднебесной: освоить столь масштабный проект в одиночку будет очень непросто. А вот Jaguar Land Rover, Ford и BMW решили пойти по несколько иному пути: они начали в предварительном режиме обсуждать возможность создания союза по выпуску аккумуляторов для электрокаров и гибридов. Об этом сообщает британская газета The Times.
Сегодня Ford Motor Company закупает батареи для модели Focus Electric у LG, BMW сотрудничает с Samsung, а вот Jaguar Land Rover пока вообще не выпускает электрокаров, поэтому именно эта компания больше остальных заинтересована в создании союза. Ожидается, что совместными усилиями удастся не только ускорить разработку электрических машин, но и снизить себестоимость тяговых аккумуляторов.
Согласно закулисным слухам, сейчас британский концерн разрабатывает электрический кроссовер на базе Jaguar F-Pace. Предполагается, что он может получить имя I-Pace. А поскольку пока ни Ford, ни BMW не планируют представлять аналогичную модель, то конкуренции между тремя компаниями не предвидится.
Любопытно, что Jaguar Land Rover, Ford и BMW когда-то были связаны друг с другом. Так, бренд Land Rover принадлежал немцам с 1994 по 2000 года. При этом на стыке тысячелетий покупателем британской внедорожной марки оказался Ford. Собственно, именно американская компания, которая еще с 1989 года владела Jaguar Cars, и создала концерн Jaguar Land Rover. Правда, из-за финансового кризиса в 2008 году он был продан индийской Tata Motors.
Пока не ясно, какие батареи будут производиться на совместном заводе Jaguar Land Rover, Ford и BMW. Скорее всего, это будут стандартные литий-ионные модули, которые можно будет компоновать в аккумуляторы разных размеров. При этом вряд ли от новой фабрики стоит ожидать внедрения прорывных технологий: ее ключевой задачей будет снижение стоимости АКБ, а не улучшение их характеристик.
Между тем ученые уже давно ищут способ повысить емкость и КПД аккумуляторов. Не первый год высказываются предположения, что прорыв в этом направлении должны обеспечить литий-кислородные батареи (их также называют литий-воздушными). Ранее публиковались данные, согласно которым, такие источники энергии будут примерно в 5-15 раз эффективнее традиционных литий-ионных аналогов. Однако их внедрению препятствуют проблемы с безопасностью и долговечностью. К тому же они теряют до трети собственной емкости из-за чрезмерного нагрева во время работы. Возможно, в перспективе данные недостатки удастся побороть: в этом направлении существенно продвинулся профессор ядерной науки и техники Джу Ли (Ju Li) из американского консорциума Battelle Energy Alliance и Массачусетского технологического института (MIT). На текущем этапе команда исследователей под его руководством все еще продолжает работать над улучшением характеристик литий-кислородных АКБ. Если их эксперименты закончатся успехом, новые элементы питания могут появиться не только в автомобилях, но и в портативной электронике, в том числе в смартфонах и планшетах.
Участие в разработке также принимают специалисты Аргоннской национальной лаборатории и Пекинского университета. Новый подход к созданию литий-кислородных батарей описан в журнале Nature. Ученые решили использовать в аккумуляторе катод на основе «нанолития» — он позволяет обойти традиционные проблемы литий-воздушных АКБ.
Традиционные литий-воздушные батареи получают кислород из окружающего воздуха, чтобы тот запускал химическую реакцию с литием. Этот же кислород высвобождается во время зарядки. В новом варианте используются аналогичные реакции с участием лития и кислорода, однако при этом ни на одном из этапов кислород не находится в газообразном состоянии. Он постоянно остается частью твердотельного соединения, проходя через три окислительно-восстановительных состояния: Li2O, Li2O2 и LiO2. Все они смешиваются друг с другом в виде стекла. Таким образом удается снизить потерю напряжения в пять раз: с 1,2 до 0,24 В. При этом лишь 8 % энергии преобразуется в тепло. Профессор Джу Ли уверен, что новая технология позволит сделать литий-воздушные аккумуляторы не только более эффективными, но и безопасными, поскольку во время цикла зарядки и разрядки они практически не будут нагреваться.
Новый подход позволяет избежать еще одной проблемы. Во время преобразования кислорода из газообразного состояния в твердое и обратно его объем существенно изменяется. По данным разработчиков, этот процесс сильно изнашивает токопроводящие элементы в АКБ, что существенно сокращает общий срок службы. Экспериментальные модели на основе «нанолития» и твердотельного кислорода лишены этого недостатка.
Под «нанолитием» ученые понимают крохотные частицы в нанометровом масштабе, которые содержат как литий, так и кислород в виде стекла, заключенного в плотную матрицу из оксида кобальта. В таком виде удается осуществить химические реакции с переходами между Li2O, Li2O2 и LiO2 с участием только твердотельных элементов. В обычном состоянии частицы «нанолития» очень нестабильны — именно поэтому исследователи использовали матрицу из оксида кобальта. Этот губкообразный материал с порами в несколько нанометров не только стабилизирует частицы, но и выступает в качестве катализатора их трансформации.
Согласно данным Джу Ли, традиционные литий-кислородные элементы требуют громоздких и технически сложных систем по удалению влаги и углекислого газа из воздуха: они не должны контактировать с компонентам АКБ (напомним, что кислород берется непосредственно из окружающей среды). Новые твердотельные батареи лишены этой проблемы, поскольку они полностью герметичны. К тому же они не требуют поступления газообразного воздуха из атмосферного воздуха.
Удивительно, но и на этом преимущества новой технологии не ограничиваются. Обычно аккумуляторные батареи боятся перезарядки: во многих случаях возникают необратимые изменения или даже происходит взрыв. При этом в новом виде литий-кислородных элементов в этом случае химическая реакция естественным образом самоограничивается: при перегрузке она «переходит в другую форму, которая предотвращает дальнейшую активность». Джу Ли заявил, что они «пытали» экспериментальный образец в течение 15 дней, подавая 100-кратную перегрузку, однако после опыта не было зарегистрированного никаких повреждений. В лабораторных условиях батарея прошла через 120 циклов зарядки-разрядки, после чего потеря емкости составила менее 2 %.
Катод в новых батареях весит существенно меньше, чем в традиционных литий-ионных. Вкупе с ожидаемой оптимизацией остальных компонентов ученые надеются повысить емкость новых АКБ примерно в четыре раза относительно современных аналогов. При этом Джу Ли отметил, что в рассматриваемом виде литий-кислородных аккумуляторов отсутствуют дорогостоящие элементы. Все эти факторы в перспективе позволят использовать новую технологию для питания электрокаров и электроники.
Пока Джу Ли не говорит о возможных сроках практической реализации многообещающего проекта. Он лишь надеется, что в течение года его команде удастся перейти от лабораторных опытов к первым действующим прототипам. Возможно, именно эта разработка позволит существенно улучшить эксплуатационные характеристики электрических и гибридных машин.
А вот в экспериментальном прототипе на базе Nissan Leaf используется вполне стандартная литий-ионная батарея. Правда, она обладает необычно высокой для японской легковушки емкостью — 48 кВт⋅ч. Это вдвое больше, чем у заводской версии. Самым интересным в этой истории является процесс создания уникальной версии: это не спецпроект самой компании, а результат вечерних посиделок технического центра Nissan в Барселоне.
Данный автомобиль получил имя «Кокон» в честь одноименного научно-фантастического фильма, вышедшего в 1985 году. В нем рассказывается история о том, как обитатели дома престарелых обнаружили омолаживающие свойства соседского бассейна. Вероятно, испанские сотрудники Nissan тоже считают модель Leaf уже несколько устаревшей, раз проводят такие параллели. На самом деле так и есть, поскольку популярному электрокару в текущем году исполняется шесть лет.
С технической точки зрения представленный экземпляр Nissan Leaf не столь радикально отличается от стандартной версии. Специалисты компании попросту установили дополнительный набор тяговых аккумуляторов, удвоив общую емкость (правда, еще в прошлом году была представлена новая модификация с батареей на 30 кВт⋅ч). Почему же японская компания не запустит такую версию в продажу? На самом деле «прокачанную» версию Nissan Leaf нельзя назвать практичной даже с учетом удвоенного запаса хода: дополнительные АКБ фактически лишили пятидверку не только багажника, но и заднего дивана. Вообще же электрокар строился для участия в испанской гоночной серии ECOseries. В отличие от традиционных заездов на скорость, здесь требуется продемонстрировать не минимальное время круга, а максимальную эффективность. Участникам необходимо не только пройти трассу за определенное время, но и затратить при этом минимальное количество энергии.
Уже совсем скоро должно выйти второе поколение Nissan Leaf. Ожидается, что оно получит аккумулятор емкостью 60 кВт⋅ч, то есть даже больше, чем у самопального «Кокона». Впрочем, пока это лишь предположения. Новинка может быть представлена в конце текущего года или начале следующего.
Источник:
