Электромобиль: устройство, принцип работы, инфраструктура

Энтони Джутон, Ксавье Рейн, Валери Совант-Мойно, Франсуа Орсини,  
Кристель Сабер, Седдик Бача, Оливье Бету, Эрик Лабуре

ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ:  
устройство, принцип работы, 
инфраструктура

TECHNOLOGIES  
des voitures Électriques

Motorisations, batteries, hydrogène, 
recharge et interactions réseau

Préfaces de Patrick Bastard, directeur
de la recherche, Groupe Renault
et Carla Gohin, vice-présidente
Recherche et Innovation, Stellantis

Anthony Juton, Xavier Rain, Valérie Sauvant-Moynot,  
François Orsini, Christelle Saber, Seddik Bacha,  
Olivier Bethoux, Éric Labouré

Москва, 2022

ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ: 
устройство, принцип 
работы, инфраструктура

Предисловия Патрика Бастарда, директора 
по исследованиям компании Groupe Renault,  
и Карлы Гохин, вице-президента по исследованиям 
и инновациям компании Stellantis

Энтони Джутон, Ксавье Рейн, Валери Совант-Мойно, 
Франсуа Орсини, Кристель Сабер, Седдик Бача,  
Оливье Бету, Эрик Лабуре

УДК   629.331
ББК   39.33
Д42

Д42   Энтони Джутон, Ксавье Рейн, Валери Совант-Мойно, Франсуа Орсини, 
 Кристель Сабер, Седдик Бача, Оливье Бету, Эрик Лабуре
Электромобиль: устройство, принцип работы, инфраструктура / пер. 
с франц. В. И. Петровичева. – М.: ДМК Пресс, 2022. – 440 с.: ил.

         ISBN 978-5-93700-101-6

Эта книга – результат работы большой группы исследователей и инженеров Groupe Renault. Рассмотрены различные варианты архитектуры автомобилей, водородные топливные элементы, детально описаны 
компоненты силовой установки электромобиля, аккумуляторы, зарядные станции, а также взаимодействие с энергосистемой. Рассказано об 
экосистеме электромобилей, экономических и экологических аспектах 
развития. 
Издание предназначено широкому кругу читателей, желающих лучше понять суть новой технологической революции – переход от бензинового и дизельного транспорта к электрическому. Также может быть 
полезно автолюбителям, рассматривающим приобретение электромобиля и желающим разобраться, что у него под капотом.

Copyright originally published in France as: Technologie des voitures électriques. Motorisations, 
batteries, hydrogène, interactions réseau By Olivier Bethoux, Valérie Sauvant-Moynot, Anthony 
Juton, Seddik Bacha, Christelle Saber, Xavier Rain, Eric Labouré, François Orsini

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения 
владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать 
абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство 
не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

ISBN 978-2-10-081806-8 (англ.) 
 © Dunod 2021, Malakoff
ISBN 978-5-93700-101-6 (рус.)   
 © Оформление, перевод на русский язык, 
   издание, ДМК Пресс, 2022

Оглавление

Предисловие от издательства .......................................................... 13
Благодарность ................................................................................... 14
Список сокращений .......................................................................... 15
Предисловие ...................................................................................... 16
Примечание переводчика ................................................................ 20
Введение ............................................................................................ 21
Электромобиль – будущее автомобильной отрасли? .................... 21

В.1. Электрифицированные транспортные средства: гибридные,  
электрические, водородные ........................................................................................... 22
В.1.1. Микрогибридизация с помощью стартер-генератора (S&S) ....................23
В.1.2. Частичные гибриды (MHEV) ........................................................................24
В.1.3. Полные гибриды (HEV) ................................................................................25
В.1.4. Заряжаемый от электросети гибридный электромобиль (PHEV) .............27
В.1.5. Электромобиль с увеличенным запасом хода на электроэнергии  
(EREV) .............................................................................................................28

В.1.6. Аккумуляторный электромобиль (BEV) ......................................................30
В.1.7. Электромобиль на топливных элементах (FCEV) .......................................30

В.2. Рынок электромобилей в 2020 г. ...............................................................31
В.3. Действительно ли электромобиль оказывает положительное 
воздействие на окружающую среду? ........................................................33
В.3.1. Городской транспорт ....................................................................................35
В.3.2. Электромобили среднего и премиум-класса..............................................36
В.3.3. Автобус ..........................................................................................................37
В.3.4. Коммунальные услуги – грузовые автомобили ..........................................37

В.4. Является ли электромобиль экономически выгодным? .........................39

В.4.1. Городской транспорт ....................................................................................39
В.4.2. Автомобили среднего и премиум-класса ...................................................40
В.4.3. Автобус ..........................................................................................................41
В.4.4. Коммунальные службы – грузовые автомобили ........................................41

В.5. Достаточно ли сырьевых ресурсов для массового развития 
электротранспорта? ...................................................................................42
В.5.1. Медь ...............................................................................................................42
В.5.2. Литий .............................................................................................................42
В.5.3.  Кобальт .........................................................................................................43
В.5.4. Редкоземельные металлы ............................................................................44

В.6. Заключение ............................................................................................................................. 45

Часть I 
Современное состояние и перспективы в области 
электромобилей ................................................................................ 47

Глава 1. Характеристики тягового электродвигателя ................... 48

 Оглавление

Глава 2. Текущие решения в области двигателей 
для электромобилей ......................................................................... 52

2.1. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами ..................52
2.2. Асинхронный электродвигатель ................................................................................. 58
2.3. Синхронный двигатель с фазным ротором .............................................67
2.4. Заключение ................................................................................................72

Глава 3. Современное состояние и перспективы технологий 
двигателей для электромобилей ...............................................................73

3.1. Магнитные материалы ..............................................................................73

3.1.1. Введение ........................................................................................................73
3.1.2. Магнитомягкие ферромагнитные материалы ...........................................73
3.1.3. Магнитотвердые ферромагнитные материалы: постоянные магниты ...76

3.2. Обмотка электромашин переменного тока .............................................78

3.2.1. Введение ........................................................................................................78
3.2.2. Укладка обмоток в выемки ..........................................................................78
3.2.3. Зубчатые обмотки .........................................................................................81

3.3. Способы охлаждения электрической машины ........................................83

3.3.1. Введение ........................................................................................................83
3.3.2. Воздушное охлаждение открытых электромашин .....................................85
3.3.3. Водяное охлаждение закрытых электромашин .........................................89
3.3.4. Охлаждение диэлектрической жидкостью (маслом) .................................90
3.3.5. Сравнение эффективности охлаждения электромашин  
в зависимости от конструкции и жидкостей ..............................................91

3.4. Нетрадиционные типы электромашин: синхронные машины  
с двойным возбуждением и машины с осевым потоком ........................93
3.4.1. Синхронные электромашины с двойным возбуждением .........................94
3.4.2. Электромашины с осевым потоком ............................................................95

3.5. Заключение ................................................................................................96

Глава 4. Силовая электроника и ее перспективы .......................... 97

4.1. Подробно об инверторе напряжения .......................................................97

4.1.1. Назначение инвертора .................................................................................97
4.1.2. Традиционное устройство и ключевые параметры инверторов ............100
4.1.3. Составные элементы стоимости оборудования .......................................101

4.2. Пределы возможностей текущих решений по интеграции ..................103

4.2.1. Уменьшение количества разъемов и электромагнитных помех .............104
4.2.2. Старение изоляторов и подшипников ......................................................106
4.2.3. Рабочее напряжение ...................................................................................107
4.2.4. Перспективы с точки зрения разделения обмоток электромашины ......108

4.3. Полупроводники с широкой запрещенной зоной .................................108

4.3.1. Сравнение физических свойств различных полупроводников  
силовой электроники ..................................................................................109

4.3.2. Направления исследований по интеграции компонентов  
с широкой запретной зоной в электромашины ........................................112

4.4. Заключение ..............................................................................................114

Оглавление  7

Часть II 
Современное состояние и перспективы совершенствования 
батарей электромобилей ................................................................ 115

Глава 5. Принцип работы и характеристики  
литий-ионной батареи ................................................................... 117

5.1. Общий принцип работы батарей ............................................................117
5.2. Энергия и мощность ................................................................................120
5.3. История создания литиевых батарей .....................................................121
5.4. Принцип работы литий-ионной системы ..............................................121
5.5. Выбор материала электродов ..................................................................123
5.6. Сепаратор и электролит ..........................................................................126

Глава 6. Производство литий-ионных батарей ............................ 127

6.1. Производство электродов........................................................................127
6.2. Сборка ячейки ..........................................................................................128
6.3. Завершение/тренировка ..........................................................................129
6.4. Сборка аккумуляторной батареи ............................................................130
6.5. Компромисс между мощностью и энергией ..........................................131
6.6. Система управления батареей ................................................................132
6.7. Вторичная переработка и выбросы CO2 .................................................................132

Глава 7. Характеристики современных батарей .......................... 135

7.1. Эффективность .........................................................................................135
7.2. Старение и срок службы батареи ............................................................136
7.3. Безопасность .............................................................................................137
7.4. Зарядка батареи ........................................................................................138
7.5. Стоимость .................................................................................................141
7.6. Производители аккумуляторов (ячеек) ..................................................142

Глава 8. Инновации и перспективы .............................................. 144

8.1. Технологические тенденции будущего ..................................................144
8.2. Перспективы совершенствования литий-ионных батарей ..................145
8.3. Твердотельные литиевые батареи ..........................................................147

8.3.1. Материалы...................................................................................................148
8.3.2. Промышленное производство твердотельных батарей ..........................150

8.4. Литий-серные (Li-S) батареи ...................................................................152
8.5. Литий-воздушные батареи .....................................................................154
8.6. Заключение ..............................................................................................155

Часть III 
Современное состояние и перспективы зарядных устройств 
электромобилей .............................................................................. 157

Глава 9. Инфраструктура и зарядные станции ............................ 159

 Оглавление

9.1. Стандартизация зарядной инфраструктуры ..........................................160
9.2. Инфраструктура зарядных станций электромобилей ...........................163

9.2.1. Обычная точка зарядки (переменный ток, от 1,8 до 22 кВт) ...................164
9.2.2. Точка быстрой зарядки (43 кВт переменного тока – 50 кВт  
постоянного тока  350 кВт) ...........................................................................................166

9.2.3. Станция быстрой зарядки ..........................................................................169

9.3. Автомобильные разъемы зарядного устройства и протоколы связи 
с электромобилем .....................................................................................172
9.3.1. Стандарт CCS Combo 2 ................................................................................174
9.3.2. Стандарт CHAdeMO ....................................................................................177
9.3.3. Другие форматы..........................................................................................178

Глава 10. Современные проводные зарядные устройства 
электромобилей .............................................................................. 180

10.1. Типы зарядных устройств .....................................................................181
10.2. Электромагнитная совместимость и безопасность зарядных  
устройств ...................................................................................................184

10.3. Примеры бортовых зарядных устройств ..............................................189

10.3.1. Электромобиль Nissan Leaf: автономное бортовое зарядное  
устройство, изолированное от сети ...........................................................189

10.3.2. Электромобиль Renault ZOE: бортовое нереверсивное зарядное 
устройство .................................................................................................................................190

10.3.3. SOFRACI: реверсивное бортовое зарядное устройство,  
интегрированное в тяговую цепь ..............................................................192

10.4. Станции быстрой зарядки постоянным током высокой мощности...194

10.4.1. Структурная схема зарядного устройства ...............................................194
10.4.2. Использование модульной силовой электроники .................................197
10.4.3 Зарядные кабели с жидкостным охлаждением .......................................198
10.4.4. Шина постоянного тока или шина переменного тока ...........................199

Глава 11. Перспективные технологии ........................................... 202

11.1. Новые технологии ..................................................................................202

11.1.1. Полупроводники с широкой запретной зоной .......................................202
11.1.2. Зарядка аккумуляторов от 800 В ..............................................................203
11.1.3. Совместимость фильтров подавления электромагнитных помех ........204

11.2. Перспективы развития зарядных устройств ........................................204

11.2.1. Стандарт ChaoJi как эволюция стандартов CHAdeMO и GB/T ...................204
11.2.2. Автоматическая зарядка ..........................................................................205
11.2.3. Бесконтактная зарядка .............................................................................207
11.2.4. Протокол Plug and Charge .........................................................................207
11.2.5. Технология V2G / связь с инфраструктурой ............................................208

Глава 12. Бесконтактная зарядка электромобилей ...................... 209

12.1. Некоторые примеры реализации бесконтактных зарядных  
систем ........................................................................................................210
12.1.1. Статическая зарядка .................................................................................210
12.1.2. Динамическая зарядка .............................................................................211

Оглавление  9

12.2. Стандарты инфраструктуры зарядки электромобилей .......................213
12.3. Физический принцип индукционной передачи энергии ...................214

12.3.1. Случай одиночной катушки .....................................................................214
12.3.2. Случай магнитного взаимодействия нескольких катушек ....................215

12.4. Физический принцип передачи энергии по индукции ......................215
12.5. Системы индукционной передачи электроэнергии ............................218

12.5.1. Общая архитектура системы передачи электроэнергии .......................218
12.5.2. Электрическая схема зарядного устройства и характерные формы 
сигналов .......................................................................................................219

12.5.3. Вывод уравнений и импедансов ..............................................................220
12.5.4. Реализация магнитной связи двух катушек ...........................................220
12.5.5. Размерный фактор силовой электроники  
и потери преобразователя ..........................................................................220

12.5.6. КПД передачи электроэнергии ................................................................221
12.5.7. Общие характеристики индукционной системы передачи энергии ....223

12.6. Заключение .............................................................................................225

Часть IV 
Электромобиль и электросеть ....................................................... 227

Глава 13. Новый потребитель электроэнергии ............................ 228

13.1. Преамбула ...............................................................................................228
13.2. Новая тема для многих заинтересованных сторон .............................229
13.3. Краткое содержание ...............................................................................230
13.4. Определения ...........................................................................................230

13.4.1. Подключение зарядного устройства к дому/зданию (V2H/B) ...............230
13.4.2. Работа в качестве резервного источника электроэнергии ....................231
13.4.3. Питание потребителей на природе, работа в качестве автономной 
генераторной установки (V2-Load) .............................................................231

13.4.4. Зарядка другого электромобиля (V2-Vehicle) .........................................231

Глава 14. Проблемы электросети ................................................... 232

14.1. Введение .................................................................................................232
14.2. Проблемы баланса между поставкой и спросом на электроэнергию ...234

14.2.1. Потребление электроэнергии электромобилями ...................................234
14.2.2. Потенциальные проблемы на уровне электрической системы ............236
14.2.3. Управление зарядкой электромобилей и интеграция в электросеть 
возобновляемых источников энергии .......................................................237

14.2.4. Вопросы динамики и краткосрочного баланса энергосистемы ............239

14.3. Потенциальные проблемы транспортной электросети ......................240
14.4. Интеграция электротранспорта в распределительную сеть ...............242

14.4.1. Точки зарядки, интегрированные в существующий объект 
электропотребления ...................................................................................243

14.4.2. Пункты зарядки, требующие создания нового подключения  
к электросети ...............................................................................................246

14.4.3. Пункты зарядки электромобилей для дальних поездок ........................248

 Оглавление

14.4.4. Развитие зарядной инфраструктуры, интегрированной в локальную 
электросеть  .................................................................................................249

14.4.5. Финансовые последствия интеграции электротранспорта ...................252

14.5. Островные электросети .........................................................................253
14.6 Инновационная экосистема на пути индустриализации ....................254

Глава 15. Возможности и их реализация ...................................... 255

15.1. Введение .................................................................................................255
15.2. Является ли технология электромобилей зрелой? ..............................255
15.3. Крупномасштабная интеграция возобновляемых источников  
энергии ......................................................................................................257
15.3.1. Масштабное собственное потребление ...................................................258
15.3.2. Местный уровень ......................................................................................258
15.3.3. Управление на уровне электросистемы ..................................................259

15.4. Предоставление сетевых услуг ..............................................................260

15.4.1. Общие положения .....................................................................................260
15.4.2. Национальный уровень – транспортная электросеть ............................260
15.4.3. Местный уровнь – распределительная сеть ............................................261
15.4.4. Местный уровнь – прочие функции ........................................................262

15.5. Реализация технических решений .......................................................264

15.5.1. Еще раз о функциях, которые необходимо реализовать .......................264
15.5.2. Распределение ролей ................................................................................265
15.5.3. Объекты, необходимые для реализации скоординированной  
сетевой услуги .............................................................................................266

15.5.4. Некоторые нормативные аспекты...........................................................268

15.6. Заключение .............................................................................................269

Часть V 
Современное состояние и перспективы дорожных  
транспортных средств на топливных элементах ........................ 271

Глава 16. Устройство и принцип работы системы топливных 
элементов ......................................................................................... 275

16.1. Топливный элемент для тягового применения ...................................275

16.1.1. Технические характеристики ...................................................................275
16.1.2. Принцип работы топливной ячейки и следствия из него .....................276

16.2. Компоненты топливного элемента ......................................................283

16.2.1. Мембрана ..................................................................................................284
16.2.2 Активный слой электрода .........................................................................285
16.2.3. Диффузионный слой электрода ...............................................................287
16.2.4. Биполярные пластины..............................................................................288

16.3. Система топливных ячеек .....................................................................289

16.3.1. Воздушный канал системы ......................................................................289
16.3.2. Водородный канал системы .....................................................................291
16.3.3. Канал электрического тока ......................................................................295
16.3.4. Тепловой канал .........................................................................................302