Устойчивость конструкции электродвигателя, являющегося фундаментальной частью силовой установки электромобиля, также имеет решающее значение при анализе общей экологичности транспортного средства. В отчете IDTechEx «Электродвигатели для электромобилей 2025-2035: технологии, материалы, рынки и прогнозы» прогнозируется потребность в более чем 160 миллионах электродвигателей ежегодно к 2035 году. Цель данной статьи — рассмотреть некоторые ключевые факторы и компромиссы, которые необходимо учитывать при проектировании электродвигателей, если конечной целью является обеспечение устойчивости.
Влияние выбора материалов
В подавляющем большинстве случаев материалы, используемые в статоре электродвигателей для рынка электромобилей, очень похожи: стальные ламинаты и медные обмотки. Основное различие заключается в материалах ротора. Двигатели с постоянными магнитами из редкоземельных элементов составляют большую часть рынка, и, по данным IDTechEx, к 2023 году их доля на рынке электромобилей, по прогнозам, достигнет 85%.
Среди материалов, рассматриваемых для электродвигателей (сталь, алюминий, медь), редкоземельные элементы оказывают наибольшее воздействие на окружающую среду в расчете на килограмм, учитывая их потенциал в отношении истощения озонового слоя, глобального потепления, закисления, эвтрофикации и фотохимического образования озона. Хотя они составляют относительно небольшую часть двигателя (менее 1–2 кг), двигатели, содержащие редкоземельные элементы, как правило, оказывают большее воздействие на окружающую среду в расчете на киловатт мощности по сравнению с альтернативами без них, даже несмотря на то, что для безмагнитных двигателей обычно требуется большее количество других материалов, таких как медь. Однако безмагнитные двигатели могут потребовать дополнительных этапов производства, что может увеличить энергопотребление в процессе изготовления.
Рисунок 1: Анализ IDTechEx воздействия на окружающую среду материалов, используемых в различных двигателях коммерческих электромобилей. Источник: IDTechEx
Повышение удельной мощности и эффективности для улучшения экологической устойчивости
Проще говоря, более эффективный двигатель означает меньшие потери энергии на привод транспортного средства. Это приводит к уменьшению потребления электроэнергии из сети, что, в зависимости от сети, может значительно сократить выбросы CO2. Кроме того, более эффективный двигатель позволяет использовать меньшую по размеру батарею для достижения того же запаса хода, тем самым снижая расход материалов и общее воздействие аккумуляторной системы на окружающую среду.
Другой аспект — удельная мощность. Двигатель с более высокой удельной мощностью будет использовать меньше материала для достижения той же мощности. В качестве крайнего примера высокой удельной мощности можно привести осевой двигатель: опрошенные IDTechEx специалисты заявили, что мощность в 190 кВт может быть достигнута с использованием менее 1,2 кг магнитов, или ~6,3 грамма/кВт. Сравните это с современным радиальным двигателем, который весит около 10 граммов/кВт.
Нам нужно больше двигателей?
Исследование компании IDTechEx показало, что среднее количество двигателей, используемых в электромобилях в 2023 году, было на 13% выше, чем в 2015 году, поскольку все больше автомобилей выводится на рынок с двух-, трех- и четырехдвигательными конфигурациями. Разумеется, увеличение количества двигателей в автомобиле приведет к увеличению расхода материалов не только для самого двигателя, но и для всей сопутствующей электроники и компонентов системы терморегулирования.
Можно задаться вопросом: скольким потребителям на самом деле нужно более одного двигателя? Это, несомненно, желанная роскошь, и автопроизводители, как правило, предпочитают продавать автомобили с более высокими техническими характеристиками, которые обеспечивают большую прибыль. Это снижает экологичность автомобиля; однако, если это означает, что больше людей готовы покупать электромобили, это можно считать шагом в правильном направлении для окружающей среды в целом. IDTechEx считает, что ключевым шагом в оживлении роста рынка электромобилей станет доступность недорогих моделей (особенно в Европе), которые, вероятно, будут иметь одномоторную компоновку для снижения затрат.
Насколько важна устойчивость?
Устойчивое развитие является ключевой целью для большинства современных компаний, многие из которых ставят перед собой цели по достижению нулевых выбросов в недалеком будущем и имеют целые подразделения, занимающиеся снижением воздействия компании на окружающую среду. Поскольку автопроизводители стремятся сделать электромобили более прибыльными — транспортными средствами, которые станут важным фактором декарбонизации автомобильного транспорта, — экологичность компонентов электромобилей часто отходит на второй план по сравнению с такими факторами, как производительность, эффективность и цена. Кроме того, больше внимания часто уделяется материалам батарей, и это правильно, учитывая их количество по сравнению с двигателями. Это отражено в первых нормативных актах, таких как паспорт батареи в Европе, который требует отчетности о выбросах CO2 батареи. Первоначально основное внимание в области устойчивого развития будет уделяться именно этому аспекту, но в будущем двигатель может стать важным направлением для повышения экологичности транспортных средств.
По прогнозам IDTechEx, к 2035 году для рынка электромобилей потребуется более 160 миллионов электродвигателей, и примерно 30% автомобильного рынка в том же году будет использовать технологии, не связанные с редкоземельными элементами.
Автор: д-р Джеймс Эдмондсон, директор по исследованиям в IDTechEx
