Τα ηλεκτρικά οχήματα ( αγγλικά : electric vehicle ) ή ηλεκτρικά αυτοκίνητα αναφέρονται σε όλα τα προσωπικά τροχοφόρα οχήματα που μπορούν να χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια για την κίνηση ηλεκτρικών κινητήρων ως ισχύ . Σύμφωνα με την ταξινόμηση του συστήματος ισχύος , τα ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να χωριστούν περαιτέρω σε αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα ή ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία (BEV), υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEV) και οχήματα κυψελών καυσίμου (FCEV). Ο όρος «ηλεκτρικά οχήματα» με βιομηχανικούς όρους αναφέρεται συνήθως σε ηλεκτρικά οχήματα plug-in (PIEV), δηλαδή σε αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα και υβριδικά οχήματα plug-in (PHEV), αλλά με την ευρεία έννοια, μπορούν επίσης να περιλαμβάνουν ηλεκτρικά οχήματα εκτεταμένης αυτονομίας (REEV), ηλιακά οχήματα και οχήματα κυψελών καυσίμου.
Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης (οχήματα καυσίμων), από την άποψη της ενεργειακής πυκνότητας , 1 kg (2,2 lb ) βενζίνης περιέχει περίπου 43 MJ (12 kW·h ) χημικής ενέργειας , ενώ 1 kg μπαταριών ιόντων λιθίου μπορεί να αποθηκεύσει μόνο 0,15 kW·h (0,54 MJ) ηλεκτρικής ενέργειας , η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από το ίδιο βάρος των ορυκτών καυσίμων. Ωστόσο, το μέγεθος και το βάρος των ηλεκτρικών κινητήρων είναι επίσης πολύ χαμηλότερα από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης και δεν απαιτούν βοηθητικά συστήματα όπως σωλήνες λαδιού, αντλίες λαδιού και συστήματα εξάτμισης, κάτι που μπορεί να εξοικονομήσει πολύ χώρο και βάρος σχεδιασμού. Επιπλέον, οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων μπορούν θεωρητικά να φορτιστούν σε περιοχές που καλύπτονται από το ηλεκτρικό δίκτυο και το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται είναι πολύ χαμηλότερο από το κόστος που μετακυλίεται στους καταναλωτές από τη βιομηχανία πετρελαίου μέσω της εξόρυξης , της διύλισης , της μεταφοράς και των πωλήσεων . Το δυναμικό για διάδοση είναι τεράστιο. Ωστόσο, επειδή η ιστορία της μεγάλης κλίμακας ανάπτυξης ηλεκτρικών οχημάτων είναι ακόμη σχετικά σύντομη, η υπάρχουσα τεχνολογία μπαταριών εξακολουθεί να έχει περιορισμούς και η δημοτικότητα των δημόσιων σταθμών φόρτισης είναι ακόμη πολύ χαμηλότερη από αυτή των βενζινάδικων (τα οχήματα καυσίμων έχουν πλεονέκτημα πρώτης κίνησης σχεδόν ενός αιώνα στη διάδοση), το άγχος της αυτονομίας που προκύπτει αποτελεί επί του παρόντος το κύριο εμπόδιο για τη διάδοση των ηλεκτρικών οχημάτων.
Τα ηλεκτρικά οχήματα είναι οχήματα νέας ενέργειας , με χαμηλότερες συνολικές εκπομπές αερίων ουράς (τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα είναι ουσιαστικά μηδενικές εκπομπές, αλλά οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας που τα τροφοδοτούν ενδέχεται να παράγουν εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και ατμοσφαιρική ρύπανση ), πιο αθόρυβα κατά την οδήγηση, πιο ευαίσθητα, ανώτερης απόδοσης μετατροπής ενέργειας και χωρίς εξάρτηση από βενζινάδικα (υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχουν αξιόπιστες και βολικές εγκαταστάσεις φόρτισης ή οικιακή ενέργεια ). Επιπλέον, αν και η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών είναι πολύ μικρότερη από αυτή του καυσίμου, η απόδοση μετατροπής ενέργειας του κινητήρα από τη δεξαμενή /μπαταρία στους τροχούς ποικίλλει σημαντικά, με τα βενζινοκίνητα οχήματα να έχουν απόδοση μετατροπής ενέργειας 14~33%, τα πετρελαιοκίνητα οχήματα 28~42% και τα ηλεκτρικά οχήματα πάνω από 86%.Αυτό σημαίνει ότι αν και η ενεργειακή πυκνότητα των ορυκτών καυσίμων είναι πολύ υψηλότερη από αυτή των μπαταριών, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας μετατρέπεται σε άχρηστο έργο ( θόρυβος , κραδασμοί και κινητική ενέργεια καυσαερίων κ.λπ. ) και σπαταλιέται, και λόγω του προβλήματος της απορριπτόμενης θερμότητας , ο κινητήρας πρέπει να είναι εξοπλισμένος με ένα δυσκίνητο σύστημα ψύξης που καταλαμβάνει χώρο και βάρος , ενώ οι ηλεκτροκινητήρες δεν έχουν αυτό το πρόβλημα. Επιπλέον, επειδή η καύση καυσίμου δεν είναι πλήρως ελεγχόμενη, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης δεν είναι αποδοτικός σε χαμηλές ταχύτητες και το όχημα πρέπει να διατηρεί την ταχύτητα ρελαντί όταν είναι σταματημένο για να αποτρέψει το σβήσιμο , επομένως απαιτείται κιβώτιο ταχυτήτων και συμπλέκτης για τη μετατροπή της ροπής . Η ισχύς εξόδου και η ροπή του ηλεκτροκινητήρα σχετίζονται βασικά γραμμικά με την ηλεκτρική ισχύ εισόδου και μια κίνηση μίας ταχύτητας μπορεί να επιτύχει το αποτέλεσμα ενός κιβωτίου ταχυτήτων συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης.
Μετά την εμφάνιση της ηλεκτροκίνησης κατά τη Δεύτερη Βιομηχανική Επανάσταση , η τεχνολογία επαναφορτιζόμενων μπαταριών βασιζόταν κυρίως σε μπαταρίες μολύβδου-οξέος , μπαταρίες χρωμίου-νικελίου και μπαταρίες υδραργύρου .
Η ενεργειακή τους πυκνότητα, η τάση εξόδου και το ρεύμα τους δεν μπορούσαν να καλύψουν τις πρακτικές ανάγκες της οδήγησης οχημάτων. Επομένως, για μεγάλο χρονικό διάστημα, τα ηλεκτρικά οχήματα περιορίζονταν σε ηλεκτρικές ατμομηχανές που βασίζονταν σε εναέρια καλώδια ή τρίτες ράγες για τροφοδοσία , σε σιδηροδρομικές μεταφορές όπως τραμ / τρόλεϊ και μονόδρομους , και σε ελαφρά οχήματα ενός ατόμου όπως ηλεκτρικές ατμομηχανές και ηλεκτρικά ποδήλατα που μπορούσαν να ταξιδεύουν μόνο σε χαμηλές ταχύτητες και μικρές αποστάσεις. Μετά την είσοδο στη δεκαετία του 2000 , η ενεργειακή πυκνότητα των μονάδων αποθήκευσης ενέργειας που αντιπροσωπεύονται από μπαταρίες λιθίου επιταχύνθηκε, λύνοντας εν μέρει το πρόβλημα αντοχής που μαστίζει τα ηλεκτρικά οχήματα για σχεδόν έναν αιώνα. Έχουν εμφανιστεί νέες μάρκες ηλεκτρικών οχημάτων που αντιπροσωπεύονται από Κινέζους κατασκευαστές νέων αυτοκινήτων όπως η Tesla και η BYD , και ορισμένοι παραδοσιακοί κατασκευαστές οχημάτων καυσίμου (κυρίως Γερμανοί και Κορεάτες , και ένας μικρός αριθμός Ιαπώνων ) επιταχύνουν επίσης τον μετασχηματισμό τους στην έρευνα και ανάπτυξη και παραγωγή ηλεκτρικών οχημάτων. Οι οικονομίες κλίμακας που επιφέρει η πρόοδος της τεχνολογίας κατασκευής, η βελτίωση της βιομηχανικής αλυσίδας και η αύξηση της παραγωγής έχουν επίσης μειώσει σημαντικά το κόστος των εξαρτημάτων των ηλεκτρικών οχημάτων (ιδίως των μπαταριών), και ακόμη και η τιμή ολόκληρου του οχήματος μπορεί να είναι η ίδια ή και χαμηλότερη από αυτή των οχημάτων καυσίμων.
Ταυτόχρονα, η κατασκευή υποδομών όπως σταθμοί φόρτισης , σταθμοί αντικατάστασης μπαταριών και εγκαταστάσεις υποστήριξης κυψελών καυσίμου (όπως σταθμοί ανεφοδιασμού υδρογόνου ) για ηλεκτρικά οχήματα επιταχύνεται επίσης. Στην ηπειρωτική Κίνα , τις Ηνωμένες Πολιτείες και σε ευρωπαϊκές χώρες και περιοχές όπως η Νορβηγία και η Φινλανδία , έχει παρασχεθεί πολιτική υποστήριξη σε ποικίλους βαθμούς, συμπεριλαμβανομένων επιδοτήσεων μετρητών , δανείων με χαμηλό επιτόκιο και δωρεάν γης για κατασκευή εργοστασίων. Ταυτόχρονα, ορισμένες χώρες και περιοχές έχουν θεσπίσει νομοθεσία για τη σταδιακή κατάργηση της πώλησης οχημάτων ορυκτών καυσίμων, προκειμένου να μειωθεί η ατμοσφαιρική ρύπανση και να μετριαστεί η κλιματική αλλαγή . Σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας , έως το 2023, τα ηλεκτρικά οχήματα αναμένεται να αντιπροσωπεύουν σχεδόν το ένα πέμπτο των παγκόσμιων πωλήσεων αυτοκινήτων.
Βασική ΤεχνολογίαΤο κλειδί για την τεχνολογία των ηλεκτρικών οχημάτων βρίσκεται στα «τρία ηλεκτρικά στοιχεία», δηλαδή στον κινητήρα , την μπαταρία και τον ηλεκτρονικό έλεγχο . Παρόλο που και άλλα εξαρτήματα του οχήματος είναι επίσης σημαντικά, ως όχημα , οι πιο σημαντικές πτυχές των ηλεκτρικών οχημάτων είναι αυτές οι τρεις πτυχές που σχετίζονται στενά με την κίνηση και τη λειτουργία του οχήματος.
Κύρια άρθρα: Ηλεκτροκινητήρας και Κινητήρας έλξης Διαφορετικές μάρκες ηλεκτρικών οχημάτων έχουν διαφορετικά σχέδια κινητήρων. Για παράδειγμα, τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα που παράγονται από την Tesla χρησιμοποιούν συνήθως ασύγχρονους κινητήρες , ενώ τα Nissan Leaf και Chevrolet Bolt χρησιμοποιούν σύγχρονους κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, και ορισμένα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα και υβριδικά οχήματα plug-in που παράγονται από την BYD χρησιμοποιούν κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες . Σε σύγκριση με τους βενζινοκινητήρες και τους πετρελαιοκινητήρες , οι ηλεκτρικοί κινητήρες μπορούν να παράγουν υψηλότερη ροπή και δεν χρειάζεται να βασίζονται σε κιβώτια ταχυτήτων και συμπλέκτες για να αντιμετωπίσουν τις αλλαγές ροπής κατά την επιτάχυνση και το ρελαντί . Η ταχύτητα απόκρισης κατά την επιτάχυνση είναι επίσης καλύτερη από αυτή των οχημάτων καυσίμου (τα οχήματα καυσίμου συνήθως έχουν μια ορισμένη υστέρηση λόγω της λειτουργίας του κιβωτίου ταχυτήτων). Ο κινητήρας ενός ηλεκτρικού οχήματος μπορεί επίσης να συνδυαστεί με αναγεννητική πέδηση για την ανάκτηση της παραγόμενης ροπής με τη μορφή ηλεκτρικής ενέργειας και την αποθήκευσή της σε σφόνδυλο , μπαταρία ή υπερπυκνωτή , ανακτώντας έτσι ενέργεια ενώ παράλληλα ενισχύουν το αποτέλεσμα πέδησης, επεκτείνοντας αποτελεσματικά τα χιλιόμετρα του οχήματος.
Επειδή η απόδοση μετατροπής ενέργειας των ηλεκτρικών κινητήρων υπερβαίνει κατά πολύ αυτήν των διαφόρων παραδοσιακών κινητήρων εσωτερικής καύσης που βασίζονται στην αρχή των εμβολοφόρων κινητήρων , και η παραγόμενη θερμότητα που αποβάλλεται είναι πολύ μικρή, δεν υπάρχει ανάγκη για ένα μεγάλο σύστημα ψυκτικού - ψυγείου για την ψύξη του κινητήρα, κάτι που μπορεί να εξοικονομήσει πολύ χώρο και βάρος για άλλα μέρη του οχήματος. Ταυτόχρονα, όταν τα ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούν σχεδιασμό κίνησης δύο τροχών , δεν χρειάζονται άξονα μετάδοσης κίνησης για την κατανομή της ροπής στους εμπρός και πίσω τροχούς. Εάν πρόκειται για τετρακίνηση , μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο σχεδιασμός ενοποιημένου ηλεκτρονικού ελέγχου των εμπρός και πίσω κινητήρων, και δεν υπάρχει ανάγκη για άξονα μετάδοσης κίνησης, κάτι που εξοικονομεί επιπλέον χώρο για το πλαίσιο και το πιλοτήριο. Ορισμένα ειδικά σχεδιασμένα ηλεκτρικά οχήματα (όπως το Yangwang U8 ) μπορούν ακόμη και να χρησιμοποιήσουν τέσσερις κινητήρες για την κίνηση τεσσάρων τροχών ξεχωριστά, έτσι ώστε κάθε τροχός να μπορεί να λειτουργεί ανεξάρτητα και να μπορεί να αντιμετωπίζει πιο ευέλικτα το σύνθετο έδαφος.
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των ηλεκτρικών κινητήρων έναντι των παραδοσιακών κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι η προστασία του περιβάλλοντος και η οικονομία . Παρόλο που οι τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας ποικίλλουν σε διαφορετικές περιοχές , γενικά, το λειτουργικό κόστος των ηλεκτρικών κινητήρων ανά 100 χιλιόμετρα εξακολουθεί να είναι καλύτερο από αυτό της οικονομίας καυσίμου των αυτοκινήτων . Επιπλέον, τα ηλεκτρικά οχήματα είναι ενεργειακά αποδοτικά, με χαμηλότερη ηχορύπανση κατά τη λειτουργία . Η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται δεν βασίζεται σε ορυκτά καύσιμα όπως τα οχήματα καυσίμων , αλλά μπορεί να είναι εν μέρει ή και πλήρως ανανεώσιμη . Πολλοί χρήστες ηλεκτρικών οχημάτων μπορούν ακόμη και να χρησιμοποιήσουν ιδιωτική φωτοβολταϊκή φόρτιση. Επιπλέον, τα ηλεκτρικά οχήματα δεν απαιτούν καύση και δεν παράγουν εκπομπές αερίων ουράς .
Ακόμα κι αν υπολογιστούν τα αέρια του θερμοκηπίου και η ατμοσφαιρική ρύπανση που προκαλούνται από τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας , το αποτύπωμα άνθρακα που παράγεται είναι πολύ μικρότερο από τη βιομηχανία πετρελαίου στην οποία βασίζονται τα οχήματα καυσίμων . Υπάρχουν πολλοί οργανισμοί και άτομα που αντιτίθενται στα ηλεκτρικά οχήματα, οι οποίοι συχνά σπέρνουν φόβο, σύγχυση και αμφιβολία και θεωρούν τη ρύπανση που προκαλείται από την παραγωγή ηλεκτρικών οχημάτων και την παραγωγή ενέργειας ως το περιβαλλοντικό κόστος των ηλεκτρικών οχημάτων, αλλά συχνά αποφεύγουν να μιλήσουν για το περιβαλλοντικό κόστος που προκαλείται από την κατασκευή οχημάτων καυσίμων και την εξόρυξη/διύλιση πετρελαίου, το οποίο είναι μόνο υψηλότερο σε σύγκριση.
Μπαταρία Nissan Leaf
Η μπαταρία CTB blade της BYD παρουσιάστηκε στο Διεθνές Σαλόνι Αυτοκινήτου της Γερμανίας το 2023 Κύριο άρθρο: Μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος Οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων (EVB) είναι συνήθως μπαταρίες που μπορούν να συνδεθούν στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας για φόρτιση και αναπλήρωση ενέργειας . Γενικά σχεδιάζονται για να έχουν μεγάλη χωρητικότητα με μεγάλη προδιαγραφή κιλοβατώρας , επομένως οι πιο συνηθισμένες είναι οι μπαταρίες λιθίου με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα . Σε αντίθεση με τις μπαταρίες αυτοκινήτων που είναι υπεύθυνες για την εκκίνηση , το άναμμα και την ανάφλεξη (SLI) στα παραδοσιακά οχήματα καυσίμων , οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων πρέπει να είναι σε θέση να παράγουν συνεχώς υψηλότερη ισχύ για μεγάλο χρονικό διάστημα, επομένως πρέπει να είναι μπαταρίες βαθιάς εκφόρτισης που μπορούν να αποφορτιστούν βαθιά, επομένως χρειάζονται υψηλότερη αναλογία ισχύος προς βάρος . Επειδή η τρέχουσα τεχνολογία μπαταριών εξακολουθεί να μειονεκτεί όσον αφορά την ειδική ενέργεια σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υγρά ορυκτά καύσιμα (βενζίνη και ντίζελ), το άγχος της αυτονομίας που προκαλείται από αυτό έχει γίνει το μεγαλύτερο εμπόδιο για τη διάδοση των ηλεκτρικών οχημάτων, αν και οι μελλοντικές μπαταρίες στερεάς κατάστασης έχουν τη δυνατότητα να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό.
Τα πρώτα ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούσαν μπαταρίες μολύβδου-οξέος , ακολουθούμενες από μπαταρίες νικελίου-καδμίου , μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου και περιστασιακά μπαταρίες τηγμένου άλατος όπως μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα και μπαταρίες νικελίου-χλωριδίου. Ωστόσο, λόγω της χαμηλής αντοχής τους, τα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρίες ουσιαστικά εγκαταλείφθηκαν από την αγορά μετά την δημοτικότητα των βενζινοκίνητων οχημάτων τη δεκαετία του 1920. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1990, η δημοτικότητα διαφόρων φορητών ηλεκτρονικών προϊόντων (όπως φορητοί υπολογιστές , tablet , PDA , smartphones κ.λπ.) και προσωπικών ελαφρών οχημάτων (όπως ηλεκτρικές μοτοσικλέτες , ηλεκτρικά ποδήλατα και ηλεκτρικά σκούτερ κ.λπ.) έχει οδηγήσει στη βελτίωση της τεχνολογίας και της απόδοσης των μπαταριών. Οι μπαταρίες λιθίου έχουν υψηλή χωρητικότητα, υψηλή πυκνότητα ισχύος και σχεδόν καθόλου φαινόμενο μνήμης .
Μπορούν να φορτιστούν/εκφορτιστούν σε οποιαδήποτε κατάσταση ισχύος . Τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν επίσης επωφεληθεί από αυτό. Επί του παρόντος, οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου και οι μπαταρίες πολυμερών ιόντων λιθίου . Μέχρι το 2018, ηλεκτρικά οχήματα με πλήρη ηλεκτρική αυτονομία άνω των 400 χιλιομέτρων (250 μίλια) (όπως το Tesla Model S ) έχουν εμπορευματοποιηθεί και οι τεχνολογίες που προέρχονται από μπαταρίες έχουν επίσης εφαρμοστεί σε διαφορετικούς τομείς οχημάτων.
Το κόστος κατασκευής και προμήθειας πρώτων υλών ( μετάλλευμα λιθίου και άλλα στοιχεία σπάνιων γαιών ) των μπαταριών λιθίου αποτελούσε πάντα πρόβλημα (αν και από το 2019 , το κόστος μονάδας των κυψελών μπαταριών για ηλεκτρικά οχήματα έχει μειωθεί κατά 87% σε σύγκριση με το 2010), και όταν υποστούν ζημιά ή βραχυκυκλωθούν , είναι επιρρεπείς σε θερμική διαρροή και πυρκαγιά , γεγονός που αποτελεί μεγάλο κίνδυνο για την ασφάλεια. Επί του παρόντος, η πιο γρήγορα αναπτυσσόμενη μπαταρία ηλεκτρικών οχημάτων είναι η μπαταρία λιθίου-σιδήρου φωσφορικού που αντιπροσωπεύεται από την μπαταρία blade της BYD .
Αν και η ενεργειακή πυκνότητα δεν είναι τόσο υψηλή όσο αυτή των μπαταριών ιόντων λιθίου, έχει πλεονεκτήματα στην ασφάλεια, τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και την απόδοση βαθιάς φόρτισης/εκφόρτισης, και χρησιμοποιείται επίσης ευρέως στην αποθήκευση ενέργειας με φωτοβολταϊκά και σε άλλους τομείς.
Επειδή η ενεργειακή χωρητικότητα και η ισχύς εξόδου των μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων υπερβαίνουν κατά πολύ εκείνη των παραδοσιακών οχημάτων, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την υποστήριξη πολλών ενσωματωμένων ηλεκτρικών συσκευών που είναι δύσκολο να εξοπλιστούν ως στάνταρ στα παραδοσιακά οχήματα , όπως ψυγεία ποτών, οθόνες ψυχαγωγίας και ηλεκτρικά θερμαινόμενα καθίσματα, δηλαδή τα λεγόμενα «τρία κύρια στοιχεία» των νέων ενεργειακών οχημάτων, δηλαδή « ψυγεία , έγχρωμες τηλεοράσεις και μεγάλοι καναπέδες » . Επιπλέον, πολλά νέα ηλεκτρικά οχήματα υποστηρίζουν επίσης λειτουργίες V2G , οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εφεδρική τροφοδοσία για την άμεση τροφοδοσία άλλων ηλεκτρικών συσκευών και ηλεκτρικών εργαλείων κατά τη διάρκεια διακοπών ρεύματος , ταξιδιών σε εξωτερικούς χώρους και έκτακτων αναγκών .