איך פועלות מכוניות חשמליות?

עם הטיפול החלק וההאצה המהירה שלהם, כלי רכב חשמליים (EV) הם דרך מושכת להימנע ממחירי דלק גבוהים או להפחית את ההשפעה הסביבתית של כלי רכב המונעים בגז. העלות המוקדמת שלהן עשויה להיות גבוהה יותר ממכוניות דלק בממוצע, אבל יש כמה דגמים מתחת ל-40,000 דולר , זיכוי מס פדרליים כדי לרכך את המכה, ותשתית טעינה המשתפרת בהתמדה כדי לעזור להרגיע את חרדת הטווחים. אבל איך הם באמת עובדים?

היסודות של מכוניות חשמליות

בניגוד לרכב טיפוסי מנוע בעירה פנימית (ICE) שפועל על גז, רכבי EV אינם דורשים בעירה נפיצה באמצעות דלק שרוף כדי להפיק את האנרגיה הדרושה לנוע. במקום זאת, הם משתמשים באנרגיה חשמלית המאוחסנת בחבילות הסוללות שלהם כדי לסובב את המנוע החשמלי (או המנועים) המחוברים לגלגלים ולהניע את המכונית קדימה. ככזה, לרכבי רכב חשמליים יש פחות חלקים נעים מרכב גז ובדרך כלל דורשים פחות תחזוקה (ללא החלפות שמן).

ישנם מספר סוגים שונים של רכבים שיכולים להתאים כ-EV, החל מהיברידיות פלאג-אין ועד לרכבים המונעים על ידי סוללות, ואפילו מכוניות המונעות על ידי תאי דלק מימן . בעוד שהיברידיות משתמשות בכמות קטנה של חשמל, הן עדיין נחשבות בדרך כלל לכלי רכב מונעי גז, אם כי יעילים יותר. נתמקד במיוחד כיצד פועלים כאן כלי רכב חשמליים.

המדע מאחורי הסוללה

לכל EV יש ערכת סוללות המורכבת מקבוצות של סוללות ליתיום-יון, או תאים, המספקות את הכוח הדרוש לכל דבר, מהזזת המכונית ועד הפעלת מיזוג האוויר. זה בדרך כלל ממוקם בתחתית הרכב בין הגלגלים.

סוללה של מכונית חשמלית נטענת בדיוק כמו סוללת הליתיום-יון בטלפון הסלולרי שלך, רק בקנה מידה גדול בהרבה. אתה מחבר אותו לרשת דרך שקע או עמדת טעינה, והוא שואב אנרגיה עד שהוא נטען. כמה אנרגיה יכולה להכיל סוללה של EV תלויה בקיבולת שלה, הנמדדת בקילווואט-שעה (קוט"ש). ככל שהמספר גבוה יותר, כך הקיבולת גבוהה יותר, וככל שתוכל לנסוע רחוק יותר ב-EV בטעינה אחת.

גדלי הסוללה שונים עבור כל EV, ודגמים רבים מציעים גם אפשרויות גודל מרובות (ככל שהסוללה גדולה יותר, המכונית יקרה יותר). לדוגמה, יונדאי קונה אלקטריק 2024 הקרובה מגיעה עם אפשרות סוללה קטנה יותר לנסיעות קצרות (48.6kWh עבור 197 מיילים של טווח) וגדולה יותר (64.8kWh) עם טווח של 260 מיילים. לרכבים גדולים וממוקדי ביצועים כמו הטנדר Rivian R1T יש קיבולת סוללה כפולה או יותר. Rivian מציעה שלושה גדלי סוללות שונים – הפארק הסטנדרטי (טווח של 270 מייל, 105 קילוואט), החבילה הגדולה (טווח 321 מייל, 135 קילוואט), והחבילה המקסימלית (טווח של 410 מייל, 180 קילוואט).

מה שהופך את העניינים למורכבים עוד יותר, יש כיום שני סוגים עיקריים של רכבי EV בשוק. בעבר, לרוב כלי החשמל מתוצרת ארה"ב היו סוללות ניקל קובלט מנגן (NCM), שהן צפופות באנרגיה ומציעות הספק וטווח גבוה. לאחרונה, יצרניות רכב עברו בשקט לסוג חדש של סוללות, הנקראות ליתיום ברזל פוספט (LFP), בדגמי הבסיס שלהן. טסלה, פורד וריביאן אימצו אותם מכיוון שהם עולים פחות – ללא קובלט וניקל יקרים – ומשיגים אותו טווח משוער של EPA. עם זאת, סוללות LFP מאבדות טווח מהר יותר במזג אוויר קר ויש להן פחות כוח. לכן, סוללות NCM עדיין נחשבות בדרך כלל לאופציה רצויה יותר, אופציה פרימיום השמורה לגזרות מהדרג העליון.

בסופו של דבר, שני סוגי הסוללות עדיין פועלים בדרך כלל על אותם עקרונות בסיסיים. בניגוד לחשמל המגיע משקע טיפוסי בקיר, הם מוציאים זרם ישר (DC). על מנת ליצור כוח סיבובי, יש להמיר את ההספק הזה לזרם חילופין (AC). כאן נכנס לתמונה העיצוב של המנוע של EV.

עיצוב המנוע

המנוע החשמלי של EV לא צריך ללחוץ ולהצית בנזין כדי להזיז את גלגלי המכונית. במקום זאת, הוא משתמש באלקטרומגנטים בתוך המנוע המופעלים על ידי הסוללה כדי ליצור כוח סיבובי.

בתוך המנוע שני סטים של מגנטים. סט אחד מחובר לציר המסובב את גלגלי המכונית, והשני נמצא בתוך הבית המקיף את הציר הזה. שתי קבוצות המגנטים טעונות כך שהקוטביות שלהן זהה, והן דוחות אחת את השנייה. כוחם של המגנטים הנדחפים זה מזה מסובב את הציר, מסובב את הגלגלים ומניע את המכונית קדימה.

על מנת לשמור על מצב דחייה קבוע בין המגנטים, הקוטביות שלהם צריכה להשתנות כל הזמן כשהפיר מסתובב. אחרת, הם בסופו של דבר היו מסתובבים בחזרה לנקודה שבה הם ימשכו במקום להדוף אחד את השני ולהינעל במקומם. כוח AC עושה זאת באופן אוטומטי, כל הזמן לסירוגין בין חיובי לשלילי. אבל מכיוון שהכוח מהסוללה של EV הוא DC, יש צורך במכשיר הנקרא מהפך כדי להמשיך ולהפוך את הקוטביות של המגנטים.

מהפך של EV הופך את הקוטביות במהירות, בסביבות 60 פעמים בשנייה, כדי לשמור על כוח הסיבוב. ממיר DC נפרד משמש להפניית חשמל למערכות רכב אחרות (חימום, מידע בידור ותאורה) שאינן דורשות זרם חילופין. הנהג יכול לשנות את תדירות הזרם הנשלח למנוע, וככל שהתדירות גבוהה יותר כך הקוטביות מתהפכת בתדירות גבוהה יותר. זה יוצר כוח סיבובי יותר, או מומנט, ומסובב את הגלגלים מהר יותר.

אמנות הטעינה

עם מכוניות המונעות בגז, אתה ממלא את המיכל ויוצא החוצה. עם רכבי EV, יש שלוש רמות שונות של עמדות טעינה בארה"ב, מהאיטית ביותר (רמה 1) ועד המהירה ביותר (רמה 3).

• מטענים ברמה 1 הם שקעי קיר טיפוסיים של 120 וולט, והם שימושיים ביותר בבתים פרטיים שבהם אתה יכול להתנקות במשך הלילה. זה איטי: טעינה של 8 שעות מוסיפה כ-40 מיילים של טווח; טעינה מלאה יכולה לקחת 20 שעות או יותר.
• תחנות רמה 2 עולות ל-240 וולט ומספקות בכל מקום בין 10-25kW לטעינה מלאה תוך כשמונה שעות. זה הופך אותם לפתרון הנפוץ לטעינת לילה בבית או במקומות כמו בתי מלון. תחנות רמה 2 של טסלה ידועות בשם Destination Chargers (לעומת Superchargers). אם אין לך את התקע המתאים, יהיה צורך להתקין שקע 240 וולט או עמדת טעינה ביתית כדי להטעין רכב חשמלי בביתך.
• תחנות טעינה מהירה DC ​​(DCFC) ברמה 3 מספקות את מירב הכוח; הם יכולים לטעון סוללת EV לסביבות 80% בתוך כ-30-60 דקות, תלוי במהירות הטעינה של התחנה (50-350kWh), מהירות הטעינה המרבית שהרכב יכול לתמוך בו, וגורמים חיצוניים כגון מזג האוויר (מזג אוויר קר מאוד יכול לקחת יותר זמן ).

כל רכבי החשמל מגיעים עם כבל ברמה 1 שמתחבר לרכב בקצה אחד ושקע סטנדרטי בקיר בצד השני, מלבד טסלה, שהפסיקה לכלול מטענים ברמה 1 בשנת 2022. זוהי התחלה מצוינת לבעלי רכבי רכב חדשים. בזמן שהם מעריכים אם הם צריכים להתקין מטען ברמה 2 עבור מהירויות טעינה ביתיות מהירות יותר .

מטענים ברמה 3 אינם זמינים להתקנה בבית, מכיוון שהם שואבים כוח משמעותי מעבר למה שיכולה לתמוך בקיבולת החשמל של הבית. הם ממוקמים בדרך כלל לאורך כבישים מהירים עבור מטיילי כביש, כמו גם ברחבי העיר ובעיר. מותגים כמו Electrify America, EVGo וטסלה Superchargers נפוצים. לאחרונה, מספר גדל והולך של יצרניות רכב הודיעו שהם יעברו ליציאת הטעינה של טסלה , וירכיבו אותו בכלי הרכב שלהם לאחר 2025. זה למעשה יהפוך את מגדשי העל של טסלה לתחנות הרצויות עבור רוכשי EV רבים.

יש ויכוחים האם שימוש בתחנות טעינה מהירה ברמה 3 כל הזמן יכול להשפיע לרעה על הסוללה של ה-EV שלך. חבר המושבעים עדיין לא בעניין הזה, אם כי מחקר שנערך לאחרונה לא מצא שום השפלה נוספת בטסלות הנטענות באופן שגרתי בהשוואה לאלו שלעיתים רחוקות, מדווחת אלקטרק . לעת עתה, כנראה שכדאי פשוט להשתמש במה שהכי הגיוני עבורך בהתבסס על המקום שבו אתה גר ומה אתה יכול להרשות לעצמך.

בהתחשב בזמן שלוקח להטעין, הגישה האופטימלית ביותר היא להעלות את הטעינה באופן שגרתי במהלך היום כאשר חונה בבית, בעבודה או בכל מקום אחר שהרכב חונה במהלך היום – בעבודה, בריצה או בחדר הכושר. . זה מונע מהסוללה לאבד יותר מדי טעינה במהלך היום ופירושו פחות זמן טעינת הרכב או ישיבה בתחנת טעינה.

רכבי רכב חשמליים מגיעים גם עם מערכת בלימה רגנרטיבית הרותמת אנרגיה קינטית מעצירת המכונית ומעבירה חלק ממנה בחזרה למארז הסוללות כדי להישמר כאנרגיה חשמלית. זה לא יטעין לגמרי את ה-EV שלך אבל יכול לעשות אותו הרבה יותר יעיל בנסיבות הנכונות.

כמה רחוק יכול להגיע רכב חשמלי בטעינה?

הדאגה הנפוצה ביותר של EV היא חרדת טווח . האם רכב חשמלי יקבל את אותו קילומטראז' בטעינה כמו שמכונית גז מגיעה על מיכל מלא? התשובה היא: תלוי.

טווח EV הממוצע בזמן כתיבת שורות אלה הוא 220 מיילים , על פי נתונים שנצברו על ידי מאגר כלי רכב חשמליים. אבל הקצוות העליונים והתחתונים של הספקטרום משתנים מאוד, מ-114 מיילים ב-Mini Cooper EV 2023 (אם כי הדור הבא של Mini Coop עשוי להבטיח יותר ) ועד לטווח של 500+ מייל של Lucid Air . משתנים מרובים יכולים להשפיע על טווח זה, הן ברגע והן לאורך חיי הרכב.

גודל הסוללה של EV הוא אחד הגורמים המשמעותיים ביותר בכל הנוגע לטווח. אך לא משנה מה הקיבולת שלו, ניתן לצמצם את טווח הנסיעה של רכב חשמלי על ידי נסיעה מתמשכת בכביש מהיר, האצות מהירות תכופות, שימוש יתר בטעינה מהירה, מזג אוויר קיצוני והזדקנות טבעית לאורך זמן.

מכוניות חשמליות מודרניות הופכות לאופציה תחרותית יותר מדי שנה, מה שגורם ליותר נהגים לעבור אליהן. בארה"ב, רכבי EV מהווים 7% ממכירות המכוניות החדשות . במקומות אחרים, כמו אירופה, הם מגיעים ל-21% נכון לאוגוסט 2023 – ו-85% עצומים בנורבגיה. ובכל זאת, תשתית הטעינה דורשת קצת עבודה . התרחיש הטוב ביותר עבור נהגי רכבי רכב הוא טעינה בבית ובעבודה, מה שבעצם דוחה כל מושג של "טיול מיוחד כדי למלא את המכונית" לנחלת העבר.

למרות שיש להם כמה פיתולים לפתור, והם לא יצילו אותנו משינויי אקלים בעצמם, רכבי רכב חשמליים יכולים להיות חלק מתנועה מקיפה יותר לחשיבה מחדש על תחבורה ובניית חלופות ירוקות יותר.