Автомобиль Тесла, принцип работы

Автомобиль Тесла – это электромобиль нового поколения. Из этой статьи вы узнаете, из чего состоит Тесла и принцип ее работы на примере Tesla model S.

Tesla model S

Из чего состоит автомобиль Тесла

Давайте мысленно откинем кузов и рассмотрим основные узлы автомобиля.

Под кузовом можно увидеть асинхронный двигатель (он же индукционный) и инвертор

инвертор и асинхронный двигатель

в живую это выглядит примерно вот так:

инвертор и асинхронный двигатель вживую

А также платформу из литий-ионных батарей, которая устанавливается на днище автомобиля

батарея на автомобиль Тесла

Всем этим делом управляет электроника, которая встроена в бортовую панель автомобиля Тесла

бортовая панель Тесла

Двигатель Тесла, принцип работы

Самым главным узлом в автомобиле является асинхронный двигатель, который разработал великий ученый Никола Тесла. Давайте разберем принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора и ротора

статор и ротор асинхронного двигателя

Как же работает асинхронный двигатель? Асинхронный двигатель – это трехфазный двигатель переменного тока с вращающимся магнитным полем.

вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле образуется в обмотках статора. Оно в свою очередь приводит в движение ротор.

подключение асинхронного двигателя к трехфазному питанию

Также нельзя забывать тот факт, что в асинхронном двигателе скорость вращения самого ротора будет меньше, чем скорость вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре двигателя.

Но и это еще не все. Частота вращения такого двигателя зависит от частоты переменного тока, поступающего на его обмотки. Чем больше частота, тем быстрее будет вращается двигатель. Поэтому, управляя частотой, мы можем управлять вращением двигателя, а следовательно, и скоростью самого автомобиля. То есть все управление автомобилем сводится к тому, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный трехфазный и возможностью менять частОты переменного трехфазного тока. Это простое преобразование постоянного тока в переменный ток нужной частоты делает автомобили Тесла простыми и надежными.

Почему асинхронный двигатель лучше, чем ДВС

График зависимости крутящего момента (Н⋅м) от оборотов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) выглядит примерно вот так:

График зависимости крутящего момента от оборотов в ДВС

Поэтому, соединять вал двигателя ДВС напрямую с колесами – так себе идея.

В этом случае требуется трансмиссия и коробка передач

трансмиссия и коробка передач в автомобилях с ДВС

Также не забывайте, что линейное движение поршней должно быть преобразовано во вращательное движение. Это очень трудоемкий процесс, так как приходится балансировать весь двигатель, чтобы было как меньше вибраций при работе.

принцип работы двигателя ДВС

Да и для того, чтобы запустить такой двигатель, нам также понадобится стартер. А как вы знаете, без аккумулятора стартер не заведется. Ну или “с толкача”).

Еще один минус ДВС в том, что выдаваемая им мощность очень неравномерна, поэтому надо использовать маховик.

К очевидным минусам ДВС можно также добавить его высокую стоимость, выбросы выхлопных газов в окружающую среду, высокую стоимость топлива, ограниченный ресурс, так как очень много трущихся деталей, низкий КПД, сильный шум, большой вес, замена расходников, а также, как мы уже говорили, требуется обязательно коробка переключения передач.

Зависимость крутящего момента от оборотов электродвигателя на автомобилях Тесла выглядит так

Скорость вращения двигателя может быть от нуля и до 18 000 оборотов в минуту! Как вы видите, почти во всем диапазоне эта зависимость почти равномерная. Значит, нет надобности в трансмиссии и коробке передач.

Если даже сравнивать ДВС и асинхронный двигатель, то можно увидеть существенную разницу весе и выдаваемой мощности. Отношение веса к выдаваемой мощности у ДВС 0,8 кВт/кг, а у асинхронного двигателя 8,5 кВт/кг. Разница более, чем в 10 раз!

сравнение двигателя ДВС и асинхронного двигателя

Платформа из аккумуляторных батарей

Асинхронный двигатель надо чем-то питать. Поэтому, в автомобилях Тесла используется блок-платформа из литий-ионных аккумуляторов. Этот блок из батарей выдает постоянный ток.

платформа из аккумуляторных батарей в автомобилях Тесла

Такой блок состоит из маленьких простых li-ion батареек

Литий-ионные аккумуляторы в аккумуляторной платформе автомобилей Тесла

Решетка, которая частично держит батарейки, также является радиатором, по которой бежит антифриз

радиатор для аккумуляторных батареек

такой тип радиатора очень эффективен, так как он охлаждает все батарейки равномерно.

Все эти батарейки собираются в небольшие модули

модуль из батареек

Платформа состоит из нескольких таких модулей

В живую это выглядит примерно вот так:

аккумуляторная платформа автомобилей Тесла

Антифриз, который охлаждает платформу из батарей, охлаждается в передней части автомобиля на автомобильном радиаторе

радиатор, охлаждающий батарейки

Также можно увидеть, что тяжелая платформа из батареек близко находится к земле, поэтому низкий центр тяжести улучшает управляемость и стабильность автомобиля.

низкий центр тяжести в автомобилях Тесла

Стоимость такой батареи-платформы более 12 000 долларов, а вес более полтонны. Пока что платформа-батарея является самой дорогой частью автомобиля. Да и вообще, проблема всех электрокаров – это дорогие аккумуляторы. Если ученые разработают дешевые и очень емкие аккумуляторные батареи, то придет конец эпохе ДВС.

Инвертор

Как же нам преобразовать постоянный ток, который выдает нам большая аккумуляторная батарея Тесла в переменный ток, который требуется для асинхронного двигателя? Вот здесь в дело вступает инвертор

Он не только преобразовывает постоянный ток в переменный, но также и контролирует скорость вращения двигателя и его мощность, а следовательно, скорость автомобиля и его ускорение.

Коробка передач

Как же передается вращение от двигателя к колесам?

Для этого используется коробка передач

коробка передач в автомобилях Тесла

В автомобилях Тесла используется простая односкоростная коробка передач, так как крутящий момент двигателя почти равномерный на всех оборотах.

Если разобрать коробку, то можно увидеть ее простую конструкцию

Вращение вала двигателя приводит к вращению шестеренки, которая передает вращающий момент на колеса автомобиля

Даже обратный ход достигается тем, что инвертор меняет две фазы на асинхронном двигателе местами, и двигатель будет вращаться в другую сторону.

Рекуперативное торможение

В автомобиле Тесла всего две педали и подножка для левой ноги, чтобы было куда ее девать при вождении)

педали в автомобиле Тесла

На самом же деле управлять автомобилем можно всего с помощью одной педали: педали газа. На английский манер такой способ вождения электрокаров называется one pedal driving. Почему это возможно на электрокарах?

Давайте для начала разберемся, как вообще происходит торможение в простом автомобиле на ДВС?

Когда мы нажимаем педаль тормоза, у нас тормозные колодки прижимаются к тормозным дискам, и автомобиль начинает тормозить. Куда уходит вся кинетическая энергия движущегося автомобиля? Она превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. Можете потрогать тормозные диски после длительного торможения. Они будут очень горячие.

Но вот в автомобилях Тесла торможение происходит совсем по другому принципу. Да, там тоже имеются тормозные колодки и диски, но они используются намного реже, чем у авто с ДВС. Как происходит торможение в Тесла? Как только вы отпускаете педаль газа, автомобиль начинает останавливаться, то есть активируется система рекуперативного торможения. В этом случае двигатель превращается в генератор электрической энергии. Куда уходит энергия от торможения? Если в простых автомобилях она уходила в тепло, то здесь двигатель в роли генератора начинает подзаряжать аккумуляторы. То есть можно сказать, что вся кинетическая энергия автомобиля превращается в электричество и запасается в аккумуляторах. Но почему же происходит процесс торможения? Дело в том, образующееся магнитное в обмотках статора будет тормозить ротор, поэтому и происходит торможение вала двигателя.

Для полной остановки электромобиля потребуется педаль тормоза, которую нажимают в самом конце остановки. Отсюда следует, что тормозные колодки на Тесле надо менять в разы реже, чем на автомобиле с ДВС.

Безопасность автомобиля Тесла

Думаю, вы все в курсе, что электромобили намного безопаснее, чем авто с двигателями ДВС. На момент написания этой статьи известны 2 случая со смертельным исходом. В обоих случаях была вина именно водителей.

В передней части автомобиля можно увидеть багажник для перевозки груза. Также этот багажник служит для смягчения удара при лобовом столкновении

передний багажник в автомобилях Тесла

Автопилот Тесла

По-моему, это самая крутая вещь, которую воплотила в жизнь команда Илона Маска. Автопилот использует систему обратной связи из 8 камер, которые охватывают угол обзора все 360 градусов на дальности в 250 метров, 12 сенсоров, которые помогают в опасных ситуациях, а также помогают парковаться, и есть также функция Summon, которая помогает перемещать автомобиль, например, из гаража, либо вывести с парковки с помощью мобильного приложения.

Автопилот Тесла может полностью водить автомобиль в автономном режиме. Он также может предупреждать владельца об опасных ситуациях на дороге.

Краш-тест

По результатам краш-тестов Тесла получает твердую пятерку. Подробнее об этом можно прочитать в этой статье.

краш-тест автомобиля Тесла

Да и вообще, вся линейка автомобилей Тесла признана самыми безопасными автомобилями в мире.

Преимущества автомобиля Тесла

Электричество вместо топлива. Заправлять автомобиль электричеством намного дешевле, чем жидким топливом. Давайте сделаем простые расчеты…

Самые мощные батареи, которые устанавливаются на Теслу – это 100 кВт⋅час. Запас хода при этом составляет что-то около 500 км. Итак, 1 кВт⋅час для Москвы стоит где-то около 6 руб. Итого, чтобы заправить наш авто, потребуется 100 х 6 = 600 рублей. Итого 600/500=1,2 руб/км.

Что с бензином? Простой ВАЗ типа Гранты будет кушать примерно 7 литров на 100 км пути. Литр бензина на момент, пока пишется статья, составляет по Москве 43 рубля. Итого, чтобы на 100 км пути потребуется около 300 рублей. 300/100=3 руб/км

В принципе, почти то же самое соотношение получается и по всему миру.

цена за одну милю

О чем это говорит? Да о том, что заправлять автомобиль электричеством обходится почти в 3 раза дешевле, чем бензином.

Экологичность. После сжигания горючего жидкого топлива в атмосферу выбрасывается масса продуктов горения, которые очень сильно вредят окружающей среде. Отсюда разные болезни, особенно у жителей мегаполисов. Электричество в этом плане не выдает никаких вредных веществ в атмосферу.

Да, некоторые защитники могут сказать, для того, чтобы получить электричество, нам надо опять же сжигать газ, уголь, строить атомные реакторы, строить плотины и тд. Но чтобы получить бензин, надо строить нефтеперерабатывающие заводы, нефтепроводы, надо заниматься траспортировкой бензина на АЗС и тд. Не проще ли тянуть провода с какой-нибудь ГЭС?

Кстати, некоторые продвинутые страны очень приветствуют электромобили и снимают с них транспортный налог.

Бесшумность. Звук электродвигателя почти незаметен, поэтому в Тесле вы не услышите никакого рева мотора, так как стоит электродвигатель). Максимум, что вы можете услышать – это гул покрышек при езде.

Отзывчивость педали газа. Педаль газа в Тесле очень отзывчива к нажатию и СРАЗУ же воздействует на динамику разгона и торможения. В этом случае говорят, что при разгоне “вдавливает в кресло”. На Тесле так оно и есть. Современный Tesla Roadster вообще разгоняется до сотки за 1,9 секунд!

Автопилот. О нем я говорил выше в статье.

Безопасность. Пока что автомобиль Тесла признан самым безопасным авто в мире, получив наивысший рейтинг.

Нет коробки передач. Крутящий момент двигателя на требуемых оборотах до 18 000 почти везде одинаков. Поэтому, коробка передач для Теслы не требуется.

Низкая цена обслуживания. Так как Тесла не имеет коробки передач, а также мало изнашиваемых деталей, то ее обслуживание в разы дешевле, чем у автомобиля с ДВС. В автомобиле с ДВС обязательно надо менять масло в коробке, масло в двигателе, тормозные колодки, каждые 3-4 года покупать новый аккумулятор.

Программное обеспечение. В Тесле сидят не только конструкторы, но также и программисты. Поэтому, автомобили Тесла могут похвастаться самым передовым программным обеспечением и контролем за силовыми частями цепи, то есть за аккумуляторами, инвертором, двигателем. Все это вкупе работает как часики. Также компания не забывает обновлять программное обеспечение по “воздуху”.

Недостатки электромобилей Тесла

Долгое время зарядки. В то время, как простой автомобиль с ДВС можно заправить буквально за 5 минут, Тесле поребуется около часа. Но и здесь опять же есть подвижки. В настоящее время компания стремится к тому, чтобы сделать время заряда как можно меньше. Для этого она строит так называемые Supercharger stations по всему миру. Эти заправочные станции, как говорят в Тесле, будут совершенно бесплатны, а ваш автомобиль сможет зарядиться на 80% за 30 минут! То есть пока вы пьете кофе, ваш авто уже будет снова готов покорять просторы) Полная зарядка на таких заправочных станциях длится около полутора часов. Пока что таких заправочных станций не так много, но я считаю, что ситуация все равно будет меняться в лучшую сторону.

заправка Supercharger

Высокая стоимость. Цены на новые модели Теслы в бомж комплектации в Америке начинаются от 43 000 $. По нашим деньгам это около 2 800 000 рублей. В Москве цены начинаются от 3,5 млн рублей. Не очень то и дешево для электрокара.

Будущее компании Тесла

Есть ли у компании будущее? Здесь большой вопрос. Все понимают, что будущее должно быть за электрокарами, но также не забывайте, что мы живем в абсолютно другом мире – в мире капитализма, где основная цель большинства людей – это деньги. Поэтому, чтобы посмотреть, как идут дела у компании, мы рассмотрим его с точки зрения инвестора, который готов или не готов вложиться в эту компанию.

Итак, на рисунке ниже мы видим график стоимости акций компании Тесла на июнь месяц 2019 года.

график стоимости акций Тесла

Как вы могли заметить, начиная с 2013 года акции полетели вверх. Где-то приблизительно в это время началась поставка первых автомобилей. Инвесторы увидели перспективу и кинулись покупать акции, что послужило их дальнейшему росту. Если акции в среднем стоили около 30$ за штуку, за пару лет их цена взлетела до 200$ за штуку! То есть акции Тесла подорожали почти в 6 с лишним раз!

Но все ли так гладко в компании? Для этого надо посмотреть финансовый отчет по годам.

прибыль компании Тесла по годам

Как вы видите, из года в год компания получает убыток, то есть как говорится по-русски, работает в минус.

Как же сейчас обстоят дела у компании? Для этого открываем квартальные отчеты

квартальный отчет компании Тесла за 2018-2019 год

Видим, что за 3 и 4 квартал 2018 года компания получила неплохую прибыль, но за первый квартал 2019 года опять “ушла в минус”. Чего ожидать дальше, пока никто не знает, хотя Илон Маск уверяет, что с компанией все будет хорошо. Выпускаются новые модели, покоряются новые рынки. Ну что же, поживем – увидим.

Материал подготовлен по видео:

Краш-тест Tesla Model S

Совсем недавно для многих из нас одним из главных желаний было иметь иномарку. Неважно какую — старую, в любом состоянии, но это было мечтой. Сейчас иномаркой никого не удивишь, теперь мы стали более избирательны, смотрим на престижность бренда, комплектацию, ну и начинаем поглядывать на безопасность.

В Европе и США краш-тесты стали обычной, необходимой процедурой уже ни один десяток лет, тогда как в нашей стране это, можно сказать, редкость. Ну что же, давайте посмотрим как себя показала Tesla Model S.

Краш-тест Tesla Model S «по-американски»

На первом видео мы видим результат краш-теста Tesla Model S «по-американски» от NHTSA (Национальная администрация безопасности дорожного движения) по программе US-NCAP (New Car Assessment Program — программа оценки новых автомобилей). Суть теста заключается в полном фронтальном ударе о недеформируемое препятствие.

Полный фронтальный удар хоть и считается устаревшей методикой, так как при лобовом столкновении в реальной жизни автомобили редко находятся точно друг напротив друга, а обычно с некоторым смещением, но по этой методике оцениваются компоненты пассивной безопасности, при этом повреждения автомобиля не отслеживаются.

Главными критериями оценки считаются показатели датчиков манекенов в голове, груди, ногах во время работы элементов пассивной безопасности (подушки, ремни, подголовники). Автомобиль разгоняют до скорости 56 км/ч с 2-я манекенами на передних сидениях, после чего происходит фронтальный удар о жёсткий бетонный барьер. Шкала оценки 5-бальная. Тесла Model S 2013 получает максимальную оценку.

Имитация бокового удара в движущийся авто

На втором видео всё аналогично, но удар боковой. В стоящий автомобиль с двумя манекенами сбоку на скорости 61 км/ч врезается тележка веса среднего авто (1370 кг) с деформируемым алюминиевым буфером. При этом тележка движется под углом 27 градусов, но сам корпус врезается в автомобиль перпендикулярно. Это достигается за счёт повёрнутых всех 4х колёс тележки. Таким способом имитируется боковой удар в движущийся авто. И снова Tesla Model S получает 5 балов. Суммарная оценка по двум тестам также 5.

Независимые тесты безопасности

Model S тестировали и по методике EuroNCAP (European New Car Assessment Programme — европейская программа оценки новых автомобилей). Эта организация проводит независимые тесты безопасности популярных авто, продаваемых в Европе. Таким образом мы можем взглянуть на результаты тестов по разным технологиям и сделать соответствующие выводы.

По методике EuroNCAP автомобиль подвергают смещённому фронтальному удару на скорости 64 км/ч о деформирующееся алюминиевое препятствие, перекрывающее 40% ширины автомобиля, в водительскую сторону. Такой удар считается более реалистичным, так как большинство лобовых столкновений происходят в часть автомобиля, ведь водители предпринимают попытки уйти от столкновения.

Испытание предназначено для оценки прочности конструкции автомобиля. Сила удара должна направляться на те части, где она может быть эффективно поглощена. Передняя часть автомобиля должна сминаться по определённому алгоритму, обеспечивая наименьшую деформацию салона. Рулевое колесо и педали должны смещаться минимально, чтобы не нанести серьёзных травм.

Безопасность

• Передние подушки: Водитель + пассажир
• Преднатяжители ремней: Водитель + пассажир
• Ограничитель нагрузки: Водитель + пассажир
• Подушки коленей: Нет
• Боковые подушки: головы (передние и задние), грудь/таз (только передние)
• Передние подголовники: Пассивные
• Отключение подушки безопасности пассажира: Вручную
• Крепления для детских кресел: 2й ряд, стандартно
• Сигнал непристёгнутого ремня: Водитель, пассажир, 2й ряд.
• Электронная система стабилизации: ESC, стандартно, всегда включена
• Пешеходы: Система приподнимания капота
• Система контроля скорости: Интеллектуальная, только предупреждение, стандартно
• Система контроля нахождения на полосе: Предупреждение пересечения линии разметки, стандартно
• Автоматическое торможение: Нет, не доступно.

Далее проводится боковой удар тележкой с деформирующейся поверхностью, движущейся со скоростью 50 км/ч под углом 90 градусов к автомобилю.

Но это ещё не всё. Европейцы пошли дальше и имитируют боковое столкновение со столбом/деревом. Платформу с автомобилем боком разгоняют до скорости 29 км/ч и бьют о неподвижный столб диаметром 25,4см.

Затем – безопасность пешеходов. Из пушки выстреливают головой манекена по капоту, лобовому стеклу со скоростью 40 км/ч. Валик, имитирующий тело пешехода и часть ноги ударяют о бампер и край машины также на скорости 40.

И последнее – тест салазок сидений и ремня безопасности при ударе сзади. Каков итог?

При фронтальном и боковом ударах максимально можно заработать по 16 баллов, ещё 2 балла к боковому краш-тесту можно добыть за наличие специальных подушек для защиты головы. Чтобы автомобиль получил 5 звёзд — необходимо преодолеть барьер в 33 балла по итогам 3х тестов.

Водитель и взрослый пассажир (31 балл, 82%)

При фронтальном ударе салон остался нетронутым. Считанная с датчиков манекена-пассажира информация показала превосходную защиту всех частей тела, кроме головы. Кинематический анализ показал, что подушка безопасности пассажира имеет недостаточную энергоёмкость для полного гашения удара, по этому голова манекена ударилась о переднюю панель смяв подушку «до дна».

К слову сказать, в Tesla провели исследование данного факта и обнаружили ошибку в калибровке программного обеспечения поставщика подушки безопасности. Euro NCAP был проинформирован о том, что эта ошибка была устранена на всех автомобилях, поступающих в продажу. Хотя параметры с датчиков манекена и не вышли за пределы опасных, но за защиту головы пассажира баллы были снижены.

Также данные с датчиков манекенов показали хорошую защиту коленей и бёдер водителя и пассажира. Tesla показала , что подобный уровень защиты будет обеспечен для пассажиров разных размеров и на разных местах.

При боковом тесте Model S набрала максимальное количество баллов за хорошую защиту всех частей тела. При ударе о столб датчики манекена зафиксировали предельную нагрузку на грудную клетку, рёбра.

При тесте на удар сзади защита была оценена как хорошая для передних и задних сидений.

Пассажир-ребёнок (38 баллов, 77%)

В динамических испытаниях Model S набрала максимальный балл за детскую безопасность. Оба манекена сидели обращёнными назад и показали хорошую защиту при фронтальном ударе. При боковом ударе оба манекена оставались в пределах «защитной раковины», вероятность контакта с интерьером автомобиля была минимизирована.

Подушка безопасности переднего пассажира может быть отключена через меню пользователя, позволяя сажать ребёнка на переднее сиденье спиной вперёд. Однако, при отключении подушки в интерфейсе программы не хватает объяснения последовательности действий на различных языках, по этому систему не засчитали.

Пешеходы (24 балла, 66%)

Тесла Model S оснащена «активным» капотом. Когда система обнаруживает, что машиной был ударен пешеход, приводы приподнимают капот, чтобы обеспечить большее расстояние до твёрдых частей, находящихся под ним. Защита пешехода на достаточном уровне на большей части капота Tesla, плохой результат показали только стойки и низ лобового стекла. Бампер обеспечил хорошую защиту для ног пешеходов, а передняя кромка капота показала хороший результат только при ударе по центру, по бокам результаты хуже.

• Удар по голове 13,9 баллов
• Удар по тазу 4,1 баллов
• Удар по ногам 5,8 баллов

Системы безопасности

Система стабилизации, предупреждение о не пристёгнутых ремнях на передних и задних местах, система предупреждения об уходе с полосы — всё это входит в базовую комплектацию Model S, что соответствует требованиям Euro NCAP. Также Model S имеет систему информирования о превышении скорости, которая может распознавать ограничения скорость в конкретных местах и предупреждать об этом водителя. Но Model S не имеет автоматической системы предотвращения столкновения.

Итоги

По двум разным системам тестирования Tesla Model S показала отличные результаты, особенно если учесть, что недостаток подушки безопасности переднего пассажира был устранён. Очевидно, что безопасности в Тесле уделяют очень много внимания не смотря на то, что при создании серийного электромобиля существует множество других трудностей.

По результатам обеих систем тестирования автомобиль завоевал 5 звёзд. Стоит отметить, что 5 звёзд EuroNCAP в 2014 году — это действительно выдающийся результат, так как каждый год требования ужесточаются и былые отличники в современном тесте станут уже, скорее, хорошистами или и того хуже, двоечниками.

Источник Источник Источник http://www.ruselectronic.com/tesla-car/
Источник Источник Источник http://www.tesla-club.ru/ru/articles/ustroystvo-avtomobilya-model-s/crash-test-tesla-model-s/