Светът живее в интересни времена, което в пълна сила важи и за автомобилната индустрия. Нещата тук се развиват изключително динамично, като основен акцент се поставя почти изцяло на електрификацията. Ако само допреди няколко години автомобилните производители и подпомагащите ги индустрии все още разработваха нови технологии за двигатели с вътрешно горене, то към днешна дата техният край се вижда и то в съвсем обозримо бъдеще. 2035 г. вече е доста близо, а тогава в ЕС ще бъде забранена продажбата на автомобили, използващи изкопаеми горива. А още по-рано ще бъде наложен новият стандарт за максимално количество изхвърляни вредни емисии от ауспуха Евро 7. Дори споровете около датата на въвеждане му, която (засега) се очаква да бъде през 2027 г., ще свали летвата на изискванията толкова ниско, че на практика вече нито един двигател с вътрешно горене няма да може да ги покрие. Това автоматично означава, че след влизането в сила на поредната рестрикция от автосалоните вече няма да можем да си купим каквато и да било кола с двигател не само на бензин и дизел, но и на пропан бутан или метан. Буквално през последните няколко седмици не един и двама експерти от автомобилния свят коментираха, че Евро 7 е на път да убие малките градски коли с двигатели с вътрешно горене, тъй като дори те няма да могат да покрият най-високият стандарт за излъчване на вредни емисии. Алтернативата? И те стават хибриди или пък изцяло електрифицирани.
Добрата новина е, че и в двата случая технологиите вече са налични и само ще трябва да се приложат. Да не говорим, че към днешна дата има немалко представители на този клас автомобили, които вече се предлагат с хибридни двигатели или са изцяло електрифицирани. Въпросът за цената обаче е друга тема.
Обществото и в частност шофьорите все още далеч не са единодушни по отношение на бъдещата пълна електрификация на превозните средства. Докато едни ревностно я защитават, други са на мнение, че тя крие много проблеми – необходимост от огромни инвестиции не само в технологии, но и в зарядна инфраструктура. Следствието от това повишаване на цените, както на самите автомобили, така и на разходите за зареждането им с електроенергия, води до повишаване разходите на ток за потребителите, създаването на редица неудобства в реалния живот на средностатистическия гражданин и др.
Има обаче и група реалисти, които смятат, че всички тези проблеми са решими, като най-важният е електромобилите да станат достатъчно добра алтернатива на конвенционалните коли, както по отношение на цената, така и при употребата им. Тук отново са на ход учените и развойните екипи, които да направят така, че да няма човек, който да контрира придобиването/употребата на кола на ток с доводи, че не може да я зареди пред жилището си, нито пък някъде другаде за 5 минути. Или… поне за колкото време се сипва гориво на бензиностанцията. Само така ще се докаже и как с електромобила може да се изминат стотици километри, които не са проблем за дизеловата и бензиновата алтернатива с пълен резервоар. Да, това трябва да се наложи като тренд – без дълго спиране за зареждане на батерията при междуградските пътувания. Решението на този въпрос би отворило много врати пред колите с батерии.
За да се случат тези неща, автопроизводителите и работещите с тях учени, инженери, университети, научни институти и т.н. от години работят в няколко направления, чрез които да увеличат пробега и да съкратят времето за зареждане на електромобилите. И вече постигат някои успехи. В общи линии през последните 10-ина години колите на ток успяха да увеличат не с малко пробега си и да понамалят времето за зареждане на батериите от цяла нощ до няколко часа. Въпреки това обаче все още не успяват (с много редки изключения зависещи от доста фактори) да достигнат възможностите на конвенционалните автомобили. Затова в последно време разработките са насочени в посока повишаване на ефективността на електромоторите, за да харчат по-малко енергия, увеличаване на капацитетите на батериите, намаляване на теглото и на първите, и на вторите. Това е нужно, за да може е-колата да използва по-малко енергия, респективно зарядът да стигне за по-дълго, усъвършенстване на рекуператорите, които преобразуват кинетичната енергия при инерция или натискане на спирачката в електрическа и връщат поне малко от изразходения ток обратно в батерията. Чрез всички тези подобрения електромобилите ще станат по-ефективни, по-икономични, съответно и по-удобни за употреба и конкурентни на тези с двигатели с вътрешно горене.
Необходимостта от иновативни разработки за подобряване на ефективността на електромоторите на е-колите се осъзнава от всички производители. Същото се отнася и за батериите, зарядните станции, както и за други компоненти и аспекти на електромобилността. Затова и немалко от тях от няколко години насам започнаха да обединяват усилия дори със своите конкуренти, за да достигнат до така необходимата еволюция. Примери много: в алианса Renault-Nissan-Mitsubishi изглежда логично трите компании да обединяват усилия за създаване на нови технологии, но паралелно с това французите си партнират и с Mercedes-Benz. А преди няколко месеца подписаха тристранен меморандум с Valeo и Valeo Siemens eAutomotive.
Други конкуренти на автопазара – Ford и Volkswagen, също обединиха усилия за разработката на по-ефективни и по-добри електромобили с по-голям пробег. Пример тук е партньорството между Toyota и Stellantis, General Motors както и Honda, BMW, а и Jaguar Land Rover, Mazda и Toyota. Някои от изброените партньорства се изразяват в съвместна работа върху нови технологии, други са за производство на един или повече конкретни модели електромобили, трети се отнасят до сътрудничество на определени пазари, четвърти – до паралелна развойна дейност и размяна на технологии, пети предвиждат създаване на нови компании, които да разработват и произвеждат компоненти, необходими за електромобилността. В същото време автопроизводителите създават партньорства и с компании извън автомобилния сектор. Като примери могат да се посочат Stellantis и Foxconn, Honda и Sony, Great Wall и Xiaomi, Toyota и Panasonic, Hyundai и Apple и др.
От всички тези партньорства се очаква да се появят на бял свят не само по-ефективни електромотори и батерии, но също и съпътстващи е-мобилността технологии, услуги, софтуер, хардуер, по-добра зарядна инфраструктура и т.н.
В автомобилният сектор всички са на мнение, че въвеждането на нови технологии в електромоторите, както и разработването и пускането в производство на такива, работещи на нов принцип, ще доведе до още по-голямо разпространение на колите на ток, тъй като ще ги направи по-ефективни – съответно и по-желани от потребителите. Затова разработки в тази посока не липсват. Една от последните обявени такива се отнася до т. нар. аксиални електромотори. Те са разработка на германската компания YASA и върху тях се работи в сътрудничество с Mercedes-Benz. Не е ясно обаче дали това партньорство ще продължи дълго, тъй като в началото на т.г. от германския производител на премиум автомобили обявиха стратегията си от 2024 г. да започнат да произвеждат изцяло сами електромоторите за своите е-коли. По непотвърдена информация върху технологията аксиален електромотор работят и в конкурента BMW.
Според наличната към момента информация аксиалният електромотор от една страна използва по-малко енергия за отдаването на единица мощност, а от друга е по-лек, благодарение на което консумацията на ток също пада. Вследствие на това в самата е-кола ще трябва да бъдат инсталирани по-малки батерии, което също ще повлияе положително на общото й тегло. Според предварителните данни електромобил, оборудван с аксиален електромотор, ще има с около 7% по-дълъг пробег с едно зареждане. В същото време е-колата ще бъде и с около 10 на сто по-лека от аналогичната с традиционен електромотор, което също ще повлияе положително на необходимата енергия за изминаване на единица разстояние и съответно максималния пробег.
В същото време разработката на YASA е с маслено охлаждане. Твърди се, че по този начин моторът става както по-ефективен, така и значително по-малко рисков откъм потенциално прегряване и повреди. Не на последно място аксиалният електромотор е по-компактен от традиционния, изцяло плосък е и заема далеч по-малко място в купето на електромобила.
През миналата година с нов изключително компактен и ефективен електромотор се похвалиха и японците от Yamaha Motors. И тук отново е използвана технологията на масленото охлаждане, макар да става дума за традиционен електромотор, а не аксиален. Друга иновация на компанията от страната на изгряващото Слънце е обединяването на електродвигателя, редуктора и инвертора в общ блок, откъдето идва и увеличаването на ефективността, и намаляването на размерите и теглото. Нещо повече, от Yamaha предлагат варианти новият им компактен електрически двигател да може да се комбинира по двойки, тройки и дори четворки, което значително увеличава мощността на електромобила и го прехвърля в категорията на хиперавтомобилите.
Всъщност конфигурирането на няколко двигателя в един автомобил не е съвсем иновация, а технология, която се използва от години. Типичен пример са хибридите, при които в най-честия случай двигателят с вътрешно горене задвижва предния мост, а електромоторът се грижи за задните колелета. От друга страна има и чисти електромобили, които използват повече от един мотор. При някои от тях, както и при хибридите, се разпределя задвижването на предния и задния мост. При други пък отделен електромотор се поставя за задвижване на ляво и на дясно колело. С развитието на технологиите по отношение на намаляването на размерите и теглото на електромоторите е твърде възможно все по-често производителите да избират за задвижване комбинация от няколко по-малки електрически двигателя, вместо един по-голям.
Друга посока, в която се работи по отношение на електромоторите на бъдещето, е поета от споменатото по-горе партньорство между Renault, Valeo и Valeo Siemens Eautomotive. От началото на 2022 г. трите компании обединиха усилия с цел намаляване на използването и дори изолирането на редкоземни елементи от производството на електромотори. Очаква се, от една страна, това да доведе до намаляване на производствените разходи, респективно да се отрази върху цената на крайния продукт – електромобила. От друга, плановете са така да се стигне до производството на по-ефективен електромотор. По отношение на второто трите компании строго си разделиха задачите по отношение на основните компоненти на електрическия двигател. Френският автопроизводител ще разработи нов ротор по технология, наречена EESM (електрически възбуден синхронен двигател). От друга страна Valeo и Valeo Siemens Eautomotive ще създадат нов статор, който ще използва намотка от медни проводници с повишена плътност на медта вместо магнити. Благодарение на иновативните ротор и статор новият електромотор ще бъде по-ефективен от съществуващите в момента. Това ще се постигне благодарение на подобрените енергийни характеристики чрез повишаване на възможностите му да генерира повече мощност без за целта да е необходима повече енергия.
Замяната на магнитите в електромоторите с медни намотки е заложена в разработката и на германската компания Mahle. Паралелно с това роторът и статорът на новия електромотор нямат физически контакт един с друг. Това повишава ефективността и отдаваната мощност, а паралелно намалява и консумацията на електроенергия. В същото време електромоторът е и по-лек. Според Mahle, благодарение на използваните
иновативни технологии в техният нов двигател той става абсолютно необслужваем, а същевременно и с много по-дълъг срок на живот спрямо алтернативите. Не на последно място и е по-евтин за производство. От компанията признават, че повечето от отделните използвани технологии не са новост, но тяхното постижение е, че за първи път биват използвани заедно в един продукт.
Един от световните лидери в производството на електромотори за всякакви сектори на икономиката – японската Nidec, също наскоро започна своя разработка на нов тип такъв продукт. Подобно на идеята на Yamaha, тук също основната цел е да се комбинират няколко основни компонента в единна конфигурация. По-конкретно разработката предвижда събирането на електромотор, инвертор и трансмисия в общ блок. И тук се залага на явно вече по-надеждното маслено охлаждане, но същевременно магнитите остават. Последните обаче са с намалени размери и тегло, като са произведени с използването на значително по-малко редкоземни елементи. Крайният резултат ще е с около 20% по-лек единен компонент, който паралелно ще генерира с толкова повече мощност и въртящ момент. От това пък ще дойде и намаляване на теглото на електромобила, а и на консумацията му на ток. Като бонус към разработката идват и леко намалените нива на шум.
Естествено изброеното дотук далеч не изчерпва всички разработки в сферата на електромоторите за автомобилите на ток. Такива правят още редица големи и не чак толкова разпознаваеми компании, а по целия свят има и много специално създадени за целта стартъпи. Става ясно обаче в коя посока са насочени визиите на разработчиците за технологичното развитие на тези основни компоненти на електрическите коли.
Не по-малко важни, дори напротив, са иновациите при батериите. Реално това е най-обемната, най-тежката и най-критичната част на всеки електромобил. Още преди години стана ясно, че оловните акумулатори, които масово се използват в конвенционалните автомобили, не са вариант за електрическите. Именно защото са прекалено обемни и тежки. В момента най-масово се залага на литиево-йонните батерии. При тях тези проблеми частично за решени, но не достатъчно. Ако литиево-йонната батерия при смартфона, таблета и лаптопа не създават критично голямо тегло, то за задвижването на една е-кола нещата далеч не стоят така. Поради тази причина производителите търсят нови технологични решения, които да доведат до по-малки, по-леки и съхраняващи по-голямо количество електроенергия батерии.
И тук, както при електромоторите, има различни разработки на отделни компании, партньори, научни звена, стартъпи и др. Една от обещаващите идва от Швеция – съвместна на учените от Кралския институт по технологии в Стокхолм и Техническия университет в Гьотеборг. Става дума за т.нар. безмасови структурни композитни батерии
които могат да се използват на практика във всяка област, а не само при колите на ток. Но пък заради основните си свойства са изключително подходящи именно за тях. Постигнатата от шведските учени към момента енергийна плътност е 24Wh/kg, което е с около 20% повече в сравнение с използваните в момента литиево-йонни батерии. Но целта на разработката е на следващия етап да бъдат постигнати 75Wh/kg, което вече неколкократно ще изпревари характеристиките на най-масово използваните към днешна дата батерии в е-колите. Нещо повече, тук не става дума просто за батерия, а за материал, който може да съхранява енергия. Вследствие на което той може да бъде използван за изграждане на купето на автомобила, като така самото то ще съхранява електроенергията. Така отпада нуждата от големи и обемисти батерии, които да заемат пространство и да увеличават теглото на превозното средство. Вместо това ще бъдат постигнати основните цели – намаляване на теглото и увеличаване на капацитета, а оттам и значително удължаване на пробега на електромобила с едно зареждане.
В Австралия пък има обещаваща разработка на графен-алуминиева батерия. Тя е на компанията GMG в партньорство с Австралийския институт за биоинженеринг и нанотехнологии към Университета на Куинсленд. Според тях новата батерия притежава тройно по-голям капацитет от най-добрите съществуващи към момента литиево-йонни батерии и тези на алуминиева основа, по-лека е, по-безопасна, по-евтина и по-лесна за рециклиране. От друга страна разработката решава и друг проблем – бързото зареждане, тъй като в това отношение качествата й са 60 пъти по-добри в сравнение с най-качествените литиево-йонни батерии. Други преимущества на разработката на австралийците са липсата на редкоземни елементи в структурата на клетките, както и отпадането на необходимостта от подгряването или охлаждането им. Всъщност подобни проекти се развиват в още няколко университета и научни института по света.
Американски стартъп пък работи усилено за подобряването на характеристиките на литиево-йонните батерии и вече постига сериозни успехи. Иновативната технология на компанията Enovix подобрява значително свойствата им в две основи направления – скоростта на зареждане и дълговечността им. По отношение на първото, благодарение на иновативния дизайн на клетките, те могат да се зареждат от 0 до 100% за около 10 минути
а „пълненето“ им до 80% изисква малко повече от 5. Което е напълно съизмеримо с времето, което шофьорите на бензинови и дизелови коли прекарват на бензиностанциите. Паралелно с това разработката на Enovix позволява сравнително голямо запазване на свойствата на батерията след дълъг период на експлоатация. По-конкретно от стартъпа твърдят, че дори и след 1000 цикъла на зареждане и разреждане тяхната батерия ще запази до 93% от първоначалния си капацитет.
Още по-добри резултати обявява израелският стартъп StoreDot. Неговата разработка се базира на замяна на някои от химичните елементи, използвани в отделни компоненти на батериите, както и внедряването на нанотехнологии в тях. Резултатът е зареждане от 0 до 100% за 5 минути. От компанията твърдят, че така отпада необходимостта да се търсят и разработват технологии за увеличаване на капацитета и намаляване на обема на съществуващите литиево-йонни акумулатори, тъй като 5-минутното зареждане е напълно достатъчно, за да може електромобилът спокойно да продължи пътя си където и да се намира и накъдето и да е тръгнал. Паралелно с това израелският стартъп отбелязва, че поради не толкова голямата промяна в технологията неговият продукт може да се произвеждат в съществуващите в момента заводи и поточни линии без да е необходимо от изграждането на нови. Доказателство, че технологията eXtreme Fast Charge на StoreDot е обещаваща, може да се намери във факта, че виетнамският производител на електромобили VinFast инвестира в разработката на стартъпа 80 млн. долара, а израелският стартъп вече има и поръчки от големи компании, сред които и Mercedes-Benz.
С това списъкът на новите обещаващи разработки далеч не се изчерпва. Собствени такива правят и не един и двама автомобилни производители, някои финансират чужди разработки, други са готови да купят готовите нови продукти. При всички положения към днешна дата не можем да кажем кои точно ще са батериите на бъдещето – дали това ще са подобрени литиево-йонни, дали ще са графен-алуминиеви или нещо, непознато към момента за широката публика. Тенденцията обаче е ясна – ще са по-щадящи природата, с по-голям капацитет, по-малки и по-леки. Към повечето от тези разработки сериозен интерес проявяват и инженерите на популярната Tesla. Там фокусът на колите също е насочен към удължаване на пробега и намаляване на теглото на машините.
Освен кардинални решения, редица компании от различни автомобилни и периферни на този бизнес играчи търсят и по-малки временни или преходни решения за подобряване на качествата на електромобилите, намаляване на разхода им на електроенергия и съответно удължаване на пробега. Някои компании, като Bridgestone, разработват специални гуми, които притежават качества за намаляване на съпротивлението, чрез което да се удължи пробегът на един автомобил на ток. Други предлагат допълнително оборудване за е-колите, което да оптимизира разхода им. Трети се борят с един от враговете на батериите – студът, който способства за разреждането им дори електромобилът да е в покой.
Още миналата година китайският производител на електромобили NIO пък пусна в експлоатация своята разработка – пунктове за бърза замяна на изтощена батерия със заредена. В тях това отнема наистина толкова време, колкото пълненето на един резервоар с гориво. И изглежда едно от неудобствата за шофьорите на електромобили е решено, поне временно, докато не се намерят по-ефективни решения. А какви ще бъдат те, вероятно ще видим съвсем скоро, тъй като редица от споменатите разработчици обещават само в рамките на някоя от близките години технологиите им да влязат в масово производство.
