Обговорення електричного автомобіля (трохи елементарної фізики
Електричний автомобіль (з акумуляторами)
Вимоги до енергії автомобіля
Енергоспоживання автомобіля обумовлене опором повітря, тертям підшипників і, можливо, кондиціонером.
Для невеликого автомобіля (наприклад, 106), що рухається зі швидкістю 100 км/год (27 м/с), 7 кіловат (кВт) потрібно для опору повітря, 3 кВт для тертя кочення та від 1 до 2 кВт (електричного) для кондиціонер. Потужність, необхідна для подолання тертя кочення, є лінійною функцією швидкості, тоді як потужність, що відповідає опору повітря, зростає із збільшенням потужності трьох.
Тому ми можемо бачити, що потужність невеликого автомобіля становить близько 10 кВт при 100 км/год. Можна подумати, що при 30 км/год той самий автомобіль споживає близько 3 кВт. Насправді така швидкість, що відповідає поїздкам у містах, є лише середньою, що відображає періоди гальмування та прискорення, а реальне споживання набагато вище.
Характеристика теплової машини
Автомобільний двигун важить близько 100 кг. До цього слід додати вагу паливного бака, близько 40 кг.
Літр бензину може забезпечити 10 кВт-год теплової енергії. Тому ми могли повірити, що літр бензину дозволить проїхати 100 км зі швидкістю 100 км/год. Але. максимальна врожайність становить 23% (бензин) до 28% (дизель). Ці врожаї досягаються рідко: холодні двигуни, неоптимізовані швидкості. Щодо міського водіння, реальна ефективність оцінюється приблизно в 10%. Слабкість цього реального повернення в основному пов'язана з прискореннями. Крім того, споживання припиняє зменшуватися нижче 60 км/год (оскільки двигун повинен працювати .). Як результат, мало транспортних засобів споживають менше 5 л/100 км зі швидкістю 100 км/год і менше 7,5 л/100 км у місті. До цього додає кондиціонер (1/3 споживання в місті, 1/6 на дорозі).
Який стан техніки стосується акумуляторів?
Існує п’ять основних критеріїв оцінки батарей:
-Миттєва потужність, яку вони можуть забезпечити. Також миттєва потужність, яку вони можуть поглинути під час гальмування, визначає тривалість їх підзарядки. Він вимірюється в одиницях заряду: акумулятор, який підтримує струм, що в 0,33 рази перевищує його ємність (0,33 ° С) (вимірюється в Амперах), залишаючись ефективним, можна зарядити за 3 години. Це характеристики літієвих батарей у виробництві. Така батарея може витримати, на піку, більший струм, ніж ці 0,33 С. Літієві батареї можуть досягати 1С, навіть 1,5С, без надто великих втрат ефективності.
-Кількість накопиченої енергії на одиницю ваги (питома енергія), виміряна у Вт-годинах/кілограм (Вт/кг). Наприклад, для свинцевих акумуляторів 30 Вт/кг, для NiCd (зникає через токсичність кадмію), 40 Вт/кг, для NiMh (нікель-металгідридних) акумуляторів від 40 до 45 Вт/кг, для Li-батарей від 160 до 170 Вт/кг.
-Закупівельна ціна за ват-годину потужності (наприклад, $/Вт): $ 0,3/Вт для свинцевих акумуляторів, $ 1/Вт для Ni-Cd батарей, $ 2/Вт для Ni-MH акумуляторів. Перші літій-іонні акумулятори коштують $ 2/Вт; ми виробляємо його при 0,3 $/Вт/год, за рахунок певного падіння енергії до 120 Вт/кг. Китайці передові в цій галузі.
-Кількість циклів заряду-розряду можливо, для свинцевих батарей 1000 циклів, для NiMH також 1000 циклів. В даний час літій-іонні акумулятори обмежені приблизно 500 циклами (телефони або ноутбуки); сподіваємось, що для автомобільних застосувань ми можемо отримати задовільний компроміс за більш ніж 1000 циклів.
-Доцільність, питання безпеки, переробка. Літієві батареї стали предметом 20 років роботи і досягають зрілості щодо цих аспектів. Літій доведеться відновлювати, що не надто дорого і в достатку. Автомобільні свинцеві акумулятори майже систематично переробляються.
Яке майбутнє електромобіля?
-Інтерес електричного руху полягає у зменшенні забруднення міст (8 500 смертей на рік у Франції), зменшенні нашої залежності від нафти та зменшенні викидів вуглекислого газу, якщо електроенергія виробляється або за рахунок відновлюваних джерел енергії, або за рахунок ядерної енергії, або за рахунок викопного палива (вугілля) з секвестрацією вуглекислого газу.
-Майбутнє електричного автомобіля в коротко- та середньостроковій перспективі невіддільне від характеристик літієвих акумуляторів через вимоги цього режиму пересування.
-Безщіточні двигуни використовуються разом з електронними регуляторами, які мають чудову енергоефективність і дуже легкі. Їх вага значно нижча, ніж маса теплового двигуна та його бака. При еквівалентній загальній вазі ми могли б мати близько 200 кг акумуляторів.
-Ми можемо відновити кінетичну енергію під час гальмування, щоб зарядити акумулятор.
-З літієвими акумуляторами здається можливим проїхати 200 км із максимальною швидкістю 120 км/год.
-Для управління перевантаженнями під час уповільнення та прискорення в місті ми можемо додати 20-кг «суперконденсатор», здатний зберігати 100 кДжоулів електроенергії.
-Для проблеми опалення взимку потрібно від 1 до 2 кВт. Можна розглянути можливість використання теплового насоса, який також забезпечує ефективне кондиціонування повітря.
-Оптимальне використання електромобілів, швидше за все, буде міським, а скутери або невеликі машини врешті-решт будуть орендувати самообслуговування. На великих відстанях головну роль, безсумнівно, збережуть машини з гібридним рушієм або громадський транспорт.
Розрахунок вартості
-В даний час ціна бензину на насосі становить близько євро (особливо через податки). Електричний автомобіль отримує субсидії (3050 євро до кінця 2004 року вираховується із ціни придбання, плюс податковий кредит у розмірі 1525 євро до кінця 2005 року). Ціна електроенергії, яка мало оподатковується, становить близько 80 євро за нічну ставку МВт-год, що становить 2 євро за "повну" 25 кВт-год. Акумулятор, який би подолав 200 км, зарядившись 500 разів, призвів би до загальної пройденої відстані 100 000 км та до витрати 7 000 літрів бензину на тепловий двигун. Таким чином, інвестиція в акумулятор стає вигідною вартістю менше 7000 євро. При 0,3 $/Вт ціна батареї на 25 кВт-год становить 6000 євро. Звідси інтерес, який виявляють деякі виробники (Bolloré, Dassault).
Для складання повного енергетичного балансу необхідно враховувати інші фактори, крім простої електричної ефективності двигуна. Основним із цих факторів є ефективність первинного виробництва електроенергії. Тоді виникають втрати (близько 8%) в лініях електропередачі, в комутаційному трансформаторному випрямлячі, який подає струм на акумулятор (близько 10%), і в електроніці та електродвигуні (ще 10%). Ефективність зарядки акумулятора становить близько 0,9 (від 0,92 до 0,85). Тому ми повинні помножити ефективність електричного генератора на 0,65 для загальної ефективності. У випадку ядерної електроенергії загальна теплова ефективність становить близько 24%. На газових установках із комбінованим циклом ми можемо очікувати 35%. Навіть у цьому випадку зменшення викидів вуглекислого газу є значним, оскільки газ викидає на 25% менше СО2, ніж бензин, а середня ефективність автомобільного двигуна навряд чи перевищує 15%.!
Як ми вже говорили вище, в короткостроковій перспективі електромобілі будуть в основному "другими автомобілями", зарезервованими для міських маршрутів, але анонсуються нові акумулятори, які заряджаються набагато швидше і можуть розширити область їх використання. Розвиток електричного парку буде здійснено швидше, оскільки ціни на нафту залишатимуться високими.
Якими можуть бути наслідки переходу на "все електричне" в галузі індивідуального транспорту? ?
-Щодо потреб в електриці: Щодня ми можемо підрахувати, що автомобіль проїжджає 40 км. Для 29 мільйонів транспортних засобів та 10 кВт-год/100 км це вимагає 170 мільйонів кВт-год. При 10-годинній зарядці вночі (не пікові години) це представляє 10 діючих електростанцій.
-Скільки це економить на бензині? У рік ми знаходимо на 7 л/100 км близько 30 мільйонів тонн нафти. Це значна частина 40 мільйонів тонн нафти, витрачених на транспорт протягом року. Пам’ятайте, що Франція спожила 92 мільйони тонн нафти у 2003 році.
Тут виявляється, що технічний розвиток дозволяє досягти прогресу у вирішенні екологічної проблеми. Якби ми просували цей тип програм на європейському рівні, ми б зробили набагато більше, ніж усі вітрогенератори, для боротьби з парниковим ефектом. Але це вже трохи пізно, якщо порівняти зусилля Китаю.
Розрахунок потужності, споживаної автомобілем
Є два основних джерела тертя при постійній швидкості:
-Аеродинамічний опір, який чинить силу:
F у Ньютоні (SI), a = 1,2 кг/м2, S = 1,8 м2 для невеликого автомобіля (3 для 4x4), v - у м/с, k - коефіцієнт аеродинаміки: 0,32 - 0,36 для добре профільованого автомобіля, більше 0,5 для 4х4. Якщо ви хочете їхати зі швидкістю 100 км/год (27 м/с), вам потрібна потужність для невеликого автомобіля:
-тертя кочення, яке чинить силу:
mg - маса транспортного засобу (10 000 Н для розумного транспортного засобу), b - коефіцієнт тертя. Для добре накачаних шин b = 0,012, тобто F = 120 Н, а потужність становить 3 кВт при 100 км/год.