habrahabr

Математика электромобилей и их заряда

  • вторник, 25 февраля 2025 г. в 00:00:15
https://habr.com/ru/articles/884762/

Если вдруг вы, как я последний год, сидите и думаете "а не купить ли мне электромобиль?", то приглашаю почитать эту статью, где я поделился своими наблюдениями об электрической езде после покупки.

С недавних пор стал обладателем электромобиля Москвич 3е. Про модель говорить много не буду, т.к. это не автоблог, но уверен эксперты в комментах дадут мне понять степень ошибочности моего выбора. Из важного для статьи: 66квт⋅ч батарея, продавцы заявляют, что хватает на 410км.

Pasted image 20250221131548.png
Автомобиль на зарядке на трассе

Покупал его в Питере и перегонял в Москву в первый же день после покупки. Ехал по платной дороге, где есть куча времени и километров для экспериментов с изучением расхода. Пока ехал и родилась мысль об этой статье, чтобы облегчить принятие любого решения по поводу покупки электрички.

О чем и для кого статья?

Хочу поделиться важной информацией, которой мне не хватало до приобретения электрички и которая является очень важной для тех, кто планирует такую покупку. Речь пойдет про расход заряда электричками и ключевые моменты, которые нужно держать в голове, владея им. Про льготы и стоимость содержания я говорить не буду.

Мои выведенные расчеты актуальны именно для моей машины, но они легко конвертируются в любой другой электромобиль, т.к. законы сохранения энергии и механики работают одинаково для всех машин. Просто у более дорогих побольше аккумулятор и более эффективные двигатели, но пропорции расхода и зарядки сопоставимы.

Pasted image 20250221131949.png
Фото от Midjourney по запросу электрокара на зарядке в киберпанке

Вся эта математика справедлива и для двигателей в ДВС (бензин/газ/дизель). Только в случае с топливом потери от повышенного расхода конвертируются только в деньги. Заправить лишние 10 литров бензина это лишние 30 секунд времени, которые абсолютно незаметны при общем времени заправки 5-7 минут минимум. Вопросы экономии денег уже личное дело каждого.

С электрокаром потраченные лишние 10кВт⋅ч это лишние 12 минут при скорости зарядки 50квт, которая есть не на всех зарядках и не всегда доступна во время зарядки электромобиля. Тут одними деньгами не откупиться. Приходится платить деньгами и временем.

Pasted image 20250221134532.png
Пример статистики зарядки

Лично для меня время это крайне ценный ресурс. Я уважаю свое время и время других людей. И как раз таким людям рекомендую ознакомиться с этой статьей перед покупкой электромобиля. Постараюсь сделать все максимально сухо и по фактам.

Основной термин: кВт⋅ч

Мы все уже привыкли к километрам и литрам бензина, которые надо потратить на доставку нас в нашей машине на километры. Все достаточно просто. Производитель может легко пообещать 6л на сотню по трассе, а потом выяснится, что это только на скорости 90км/ч, а на комфортных 105 это уже 7-7.2л на сотню и так далее.

В электрокарах цифры немного другие и жить с ними приходится несколько иначе. Все крутится вокруг Киловатт-час (кВт⋅ч). Для простоты давайте просто считать это местным бензином с его литрами. Можно даже перевести бензин в кВт⋅ч с помощью значения удельной теплоты сгорания бензина:

  • 9.1 кВт⋅ч энергии содержится в литре бензина.

  • ДВС только 20-30% энергии от сгорания топлива использует для полезной работы (КПД)

  • 10 литров превращаются в примерно 20 квт⋅ч.

  • Бак на 50 литров это, грубо говоря, 100 кВт⋅ч полезной энергии для работы машины.

Pasted image 20250221134826.png

Можно было бы перевести кВт⋅ч в ампер-часы (как в телефонах), но для этого надо чтобы напряжение было статичным. В телефонах это 3.7 Вольт, а в машине колеблется до 300 до 400 и какое именно напряжение нужно использовать именно сейчас решает уже машина. Именно поэтому ампер-часы тут не уместны. А так кВт⋅ч это «сила_тока⋅напряжение⋅час».

Почему‑то, моя машина очень любит писать моментальный расход именно в амперах и вольтах, среднее потребление в кВт⋅ч/100км, а общую емкость в кВт⋅ч. Наверное, чтобы регулярно упражнялся в умножении: брал текущий расход ампер с напряжением, перемножал между собой и получал моментальный расход. Это издевательство надо мной, но я терпила человек терпеливый и буду послушно умножать в голове.

Pasted image 20250221134924.png
Отображения мгновенного расхода

Дальность хода электрички

Что мы имеем. Машина с 50 литров бензина это запас энергии ~100 квт⋅ч, а электрокар с емкостью 66 квт⋅ч это всего лишь 66 квт⋅ч! Уже на этом этапе расчетов я понял несостоятельность длинных поездок моей машины. За вычетом потерь до колес доходит, в лучшем случае, 50кВт⋅ч, в худшем (например в мороз) 35-40. Дальность хода минимум в 2 раза меньше чем у той же моей предыдущей калины 2015 года выпуска, бак которой 50 литров и средний расход был около 10 литров на 100км.

На этом этапе мы сталкиваемся с первым враньем моей приборной панели, а именно запасом хода на экране, в значении которого гордо красуется 410 км при полной зарядке. То есть машина, которая ест 10 литров на сотню проедет 500км на 100квт⋅ч запаса, а электрокар с запасом энергии в 2 раза меньше проедет всего на 20% меньше? Это похоже на нарушение закона о сохранении энергии!

Pasted image 20250221135128.png
Pasted image 20250221135128.png

Чтобы получить эти заветные 410км пути на одной зарядке нужно ехать 60км/ч по прямой. Примерно так, как понял я, проводятся замеры дальности хода. Так что, по-пацански, производитель меня не обманывает. Я действительно могу проехать такое расстояние на одном заряде. Ровно как на своей калине я мог проехать спокойно 800км на одном баке, если также ехать по прямой только 60 км/ч. Но лично я так не езжу. И не знаю тех, кто так ездит.

Стоит смириться сразу с фактом: электрокар имеет запас хода в 1.5-2 раза меньше, чем схожий по классу автомобиль с ДВС. Против физики никак не пойти. Против неё очень любят идти производители в своих рекламных продуктах, но в жизни так не работает.

Рекуперация

В электрокарах есть то, чего нет в обычных машинах - рекуперация. Когда мы набираем скорость, аккумулятор тратит свои силы на вращение колес. Когда мы тормозим, колеса крутят двигатель, он становится генератором и заряжает аккумулятор обратно. Этот процесс и называется рекуперацией. Не стоит думать, что это волшебная таблетка, но смысл в ней определенный есть.

Pasted image 20250221135304.png
Pasted image 20250221135304.png

Я езжу с включенным максимальным режимом торможения двигателем и это прикольно – можно управлять машиной одной педалью. Если заранее отпустить педаль, то машина начнет замедляться и заряжаться. Причем замедление такое же, каким я бы его реализовывал через педаль тормоза. Именно поэтому на электромобилях колодки меняются заметно реже, т.к. тормозит двигателем машина крайне эффективно.

При этом процессе возвращается только та энергия, которая была потрачена на разгон автомобиля. Сразу скажу, что возвращается далеко не вся энергия, а только 50-60% от затраченного. Но все равно приятно! В длительных спусках прикольно. Можно даже 1 процент себе вернуть, спускаясь с длинной горки. Правда перед этим было потрачено 2 на подъем, но об этом не будем.

Возьмем массу автомобиля 1500кг. И разгоним его до 60 км/ч. Переводя в джоули и формулу расчета кинетической энергии это 210 килоДжоулей или 0.06 кВт⋅ч. Мы только тронулись со светофора, а уже потратили 0.1% запаса аккумулятора! Радует что 0.05% вернется при следующем торможении двигателем! Моя машина потяжелее (2100кг) и разгон съедает побольше.

Именно в моей машине рекуперация включается после прогрева батареи, что занимает минут 20-30 при спокойной езде при температуре -10 градусов на улице. То есть, другими словами, при коротких поездках в городе зимой до рекуперации можно просто не добраться. При 0 и выше градусах она включается сразу.

Математика трат на постоянной скорости

Есть другая беда – сама поездка. Мы же разгонялись не только для того, чтобы сразу же остановиться? В городе часто именно так и бывает и именно поэтому электромобили выгодней в городе, т.к. часть потраченной энергии возвращается обратно и такой прелести в ДВС в принципе не может существовать. Сама поездка на той же скорости потребляет около 0.15 кВт⋅ч на 1 км пути. Или 15кВт⋅ч на 100км. Вот так мы и приходим к тем самым 400 км запаса хода!

Важный момент: все расчеты выше я делаю исходя из потребления энергии именно моим автомобилем. Другие электрокары могут быть более или менее прожорливы, у них может быть другой аккумулятор и цифры могут отличаться. Но точно отличаться будут не на порядок и примерную картину представить можно.

Pasted image 20250221135536.png
Средний расход, индикация моментального расхода на 60км/ч.

У меня в машине достаточно странная и неудобная индикация на головном дисплее. У меня отображается средний расход в кВт⋅ч, а моментальный только в виде силы тока и напряжения. Но я целеустремленный парень. Набрав нужную скорость и поняв, что ситуация стабилизировалась, я фиксировал значения напряжения с силой тока и перемножал их в своей голове, чтобы получить заветные киловатты.

Пока ехал из Питера домой у меня было пространство для экспериментов. Я пробовал ехать на разных скоростях и фиксировать среднее потребление заряда в процентах. Я понял, что мне не так важно сколько там киловатт уходит, а важно понимать именно количество уходящих процентов на отрезок пути. И получил следующие важные показатели:

  • 145км/ч. 1% = 1.4км;

  • 125км/ч. 1% = 2км;

  • 95км/ч. 1% = 3км;

  • 65км/ч. 1% = 4км.

Как видите зависимость совсем не линейная. Оно и логично, т.к. есть сопротивление воздуха, которое растет с ростом скорости квадратично, машине приходится больше пыхтеть и тратить сил на его преодоление. В мороз, при включенном подогреве аккумулятора, спокойно может уходить 1% на 1 километр пути.

Выведение этих цифр существенно облегчило мое понимание математики расхода из процентов в километры. В целом мне больше не нужны детали про джоули и ватты. Достаточно видеть остаток процентов, необходимых километров и можно жонглировать скоростью.

Именно так я и делал по дороге домой. Пока до зарядки было много километров, я ехал не быстрее 105 километров в час. Ближе к зарядке я скорость повышал, т.к. уже было скучно ехать медленно по такой хорошей трассе! А когда оставалось 20км и больше 30% зарядки я понимал, что точно не высажу аккумулятор при всем желании и уже совсем переставал себя ограничивать и ехал уже как было комфортно и интересно.

Pasted image 20250221140038.png
Pasted image 20250221140038.png

Я, конечно же, мог попасть в неприятную ситуацию в виде неработающей зарядки, но мне все время везло и я становился на зарядку без очередей. Тут есть риски, но "слабоумие и отвага" сопровождают меня по жизни – одна только покупка электрокара, живя в многоквартирном доме без платных зарядок рядом тому подтверждение. Делайте на это скидку, читая эту статью.

Про дальние поездки

Выехал я из Питера в 15.30, предварительно зарядившись до 100%. Приехал домой (юго-восток МО, недалеко от аэропорта Жуковский) в 3.30 утра. По пути у меня было 5 зарядок. 4 из них на трассе по ~50 минут, 1 на выезде из Москвы на 20 минут, чтобы заряда хватило чисто доехать до дома. Итого 12 часов общего времени.

Когда я проезжал этот же путь на машине с ДВС я преодолевал его за 8.5 часов. Потери 3.5 часа как раз на зарядки. Времени на поездку тратится на 40% больше. Замечу, что я не езжу очень быстро на ДВС. На электромобиле, в среднем, ехал еще медленнее, чем ехал бы на ДВС, т.к. иногда приходилось экономить заряд.

И тут приходим к важной интересности дальних поездок на электрокаре. Большая скорость не дает выигрыша по общему времени поездки, если пробег составляет более 200км в один конец. На ДВС время выигрывается ценой доплаты за дополнительный бензин в баке, а тут за скорость платишь деньгами и... ожидаем зарядки.

Разряжать электромобиль ниже 20% не стоит:

  • опасно (вдруг не найду зарядку)

  • медленно, т.к. зарядка до 20% (именно у меня) идет гораздо медленнее, чем с 20 до 80.

Тоже самое и про полную зарядку. С 80% до 100% заряжаться по времени столько же, сколько от 20% до 80%. Объясняют это заботой о батарее. Выходит выгоднее заряжаться чаще и в промежутке между 20% и 80%.

Зарядка с 20% до 80% занимает 45 минут на быстрой зарядке. По математике выше это 120 км на скорости 125 км/ч или 180 км на скорости 95 км/ч. Представим опыт: 2 электрокара выезжают из пункта А в пункт Б на расстоянии 500км. Один едет 95 км/ч, второй 125 км/ч. Для расчета времени пришлось вспомнить школьные задачи по математике.

У первого (95 км/ч) математика следующая:

  • На каждые 180км надо закладывать 45 минут зарядки

  • Средние 180 километров проходятся не за 1.89 часов, а за 2.65 часа.

  • Средняя скорость, с учетом зарядок, получается 67,9 километров в час

У второго (125 км/ч) математика следующая:

  • На каждые 120км надо закладывать 45 минут зарядки

  • Средние 120 километров проходится не за 0,96 часов, а за 1.71 часа

  • Средняя скорость, с учетом зарядок, получается 70,1 километров в час Понятно, что эти цифры все примерные и нужно учитывать, что не всегда можно ехать 125 км/ч (по правилам вообще только на некоторых платных трассах). Но если бы было можно ехать с такой скоростью всегда, то выигрыш получается всего 2.2 километра на каждый час.

По деньгам вторая машина будет заряжаться в 1.5 раза чаще и, следовательно, потратит на электричество в 1.5 раза больше. На двигателях с ДВС, если что, разница расходов по деньгам сопоставима, а по времени заправка отнимает не больше времени. Разница во времени будет заметно выше у электричек по итогам длительной поездки и это крайне важно учитывать.

Двигаясь на электрокаре на скорости 95км/ч, доезжаешь до точки назначения совсем чуть чуть позже чем на скорости 125км/ч, а по деньгам теряешь в 1.5 раза меньше. И к этому привыкнуть очень непросто. Точно также непросто ехать по шикарной трассе 95км/ч, когда все вокруг едут 120+ и наслаждаются дорогой.

Не буду вдаваться в детали, что 95км/ч гораздо безопаснее 125км/ч и не беру это в расчет. Не агитирую ни за один формат езды. Просто привожу цифры, которые на электрокаре нужно учитывать в голове постоянно. Почему то, прочитав кучу статей про электрокары, я к этой математике прийти не мог.

Про обогревы

Когда я еду на скорости 95км/x потребление аккумулятора находится на уровне 70 ампер при 350 вольтах напряжении. Если полностью остановиться и включить все обогревы на самый максимум, то потребление будет 7-8 ампер, но, обычно, комфортные дела зимой потребляют около 3-4 ампер на стоянке. Другими словами – мы жертвуем примерно 7-9% пробега при медленных скоростях и 3-5% при больших.

При морозах еще где то 7-8 дополнительных ампер уходит на обогреватель батареи и иногда можно на светофоре увидеть потребление 15А.

Pasted image 20250221140635.png
Потребление с включенным обогревателем батареи

На некоторых электричках есть возможность поставить дизельный отопитель и сделать так, чтобы он занимался нагревом всего, что нужно нагревать, а аккумулятор занимался ездой. Таким образом мы увеличиваем пробег за счет дополнительных трат на дизель. По деньгам экономия не случается и, по мне, такой апгрейд уместен больше для таксистов, где нормально потратить лишние 300 рублей на дизель ради лишних десятков километров пути.

Есть одна неприятная особенность, которая свойственна именно электрокарам. Если мы садимся в невероятно холодный автомобиль с ДВС, то нам надо его прогреть, чтобы можно было спокойно и комфортно ехать. На это обычно достаточно 10 минут и максимум 0.5 литра бензина. Дальше можно весь день спокойно ездить и не париться.

С электрокаром чуть сложнее. Вспомните как ведет себе телефон на морозе – быстро разряжается и страдает. Тоже самое будет с аккумулятором машины, если он будет холодным. Именно поэтому следует следить за температурой батареи, чтобы она эффективнее разряжалась. Когда температура на улице падает до уровня ниже -10 градусов, то около батареи включается дополнительный отопитель.

Этот нагрев аккумулятора забирает порядка 20-30% энергии и будет забирать до тех пор, пока не нагреет аккумулятор. Дальше он выключится и все нормализуется до тех пор, пока температура не упадет. Упасть температура она может даже на ходу, если ехать достаточно долго (много холодного ветра) на относительно небольшой скорости (60км/ч) и обогреватель может снова включиться.

В общем, если холоднее минус 10, то лучше просто не ездить на электрокаре или быть готовым к повышенному расходу электричества. На двигателях с ДВС такой ситуации у меня никогда не случалось.

Про зарядки

Бензиновыми заправками уже никого не удивить. Заправиться можно крайне много где. Когда я езжу на машине с ДВС, я езжу на пропане и даже пропановых заправок на М4 стало очень много – за 2024 год я по этой трассе ездил 5 раз и с газовыми заправками проблем не испытывал. С электричеством все гораздо сложнее.

Скриншот приложения для быстрых зарядок
Pasted image 20250221140942.png
Pasted image 20250221140942.png

Для начала надо поставить себе несколько приложений на телефон, авторизоваться в них и привязать карту. У меня их за первую же поездку стало 7 штук. Потом добавилось еще 2 и теперь у меня 9 приложений в папке "электро". Это моя будущая дополнительная боль при переезде на следующий телефон.

Pasted image 20250221140926.png
Зарядки в Москве

Дальше поставить приложение 2chargers, которое является агрегатором всех зарядок с их отображением на карте. С помощью этого приложения я искал зарядки на своем пути. Ставил маршруты от зарядки до зарядки. Хорошо, что есть кнопка по которой сразу строится маршрут в навигаторе.

Для себя понял, что я буду заряжаться в дальних поездках на каждой зарядке, т.к. электрозарядки обладают следующими свойствами:

  • Их мало. Я бы даже сказал очень мало;

  • На всех зарядках, где был я, есть только один провод каждого типа;

  • На этой зарядке может уже стоять машина с таким же коннектором, как у меня и стоять она там будет от 10 минут до часа;

  • На этой зарядке может быть сломан коннектор для моей машины и я могу попросту не зарядиться на ней.

Учитывая все это, выходит выгоднее останавливаться на каждой и иметь запас электричества в машине для движения вперед на встречу следующим зарядкам, если с текущей не повезло. Ну еще я для себя понял, что хорошо, что моя электричка это вторая машина в семье и основная машина с ДВС будет использоваться для дальних поездок. Прогресс конечно классно, но лучше попыхтеть топливом в дальней поездке и не париться.

Если же говорить про жизнь электрокара в городе, то тут могу сказать уверенно: если заряжать у себя машину негде, то покупать машину явно не стоит. Если вы живете в своем доме, то будет невероятно удобно, дешево и стабильно.

Если живете в квартире и рядом нет городской зарядки, то вас ждут страдания и мучения и, в редких перерывах между страданиями, вы будете ездить на электричке. В Москве страданий и мучения будет меньше, но все равно будут и их будет достаточно, чтобы разочароваться в этой идее.

Мне повезло и я договорился с собственниками нашего офиса, что оборудую себе зарядную станцию у входа и под меня выделят отдельное место. Сейчас я заряжаюсь просто с помощью удлинителя из окна и обычной розетки. От 220в машина с 0 до 100 будет заряжаться больше 30 часов!) Я уже заказал быструю зарядку от бытовой трехфазной сети и мой «Москвич» будет заряжаться за 6 часов с 0 до 100 по цене 7.5 рублей за киловатт-час.

Даже без быстрой зарядки жить можно, учитывая что у меня маленькие пробеги, а когда придет быстрая зарядка будет крайне удобно, учитывая что на работе я провожу более 8 часов каждый рабочий день, я точно буду за рабочий день из любого состояния заряжать свою машину до 100%. Но если в день вам ездить больше 200км, то крайне не рекомендую: зарядка может не всегда работать и быть свободной, а в особые морозы 200км может быть пределом вашего пробега!

Платные зарядки я буду использовать только при поездке в другой город, которые я планирую исключать делать на электромобиле только если ехать меньше 200км, а для остальных поездок у меня осталась машина с обычным двигателем внутреннего сгорания.

Цена этого "удовольствия"

Электрокары стоят дороже обычных тачек. Даже взять тот же Москвич 3. Новый бензиновый стоит 1.9 млн (близкий родственник купил такой недавно), новый электрический 3.9-4.1 млн. Более чем в 2 раза дороже! Лично я покупал с рук за 2.25 млн рублей, что тоже достаточно много!

Декларируется, что обслуживать электрокары сильно проще и дешевле, т.к. меньше сложных механизмов. Звучит даже логично, но проверить пока не могу. Надо много и долго поездить на ней, чтобы делать такие выводы.

Pasted image 20250221173006.png
В капоте в 2 раза больше места, чем в аналогичном бензиновом авто

Бесплатные платные дороги я испытал по дороге домой, предварительно заехав в офис автодора и зарегистрировав транспондер. Бесплатные парковки попробую в ближайший месяц несколько раз. Уверен, что для живущих в Москве это супер выгодное предложение. Особенно если работаешь там, где парковка стоит 400 рублей за час и находишься там весь день. Налог платить не придется, что тоже приятно.

Подведение итогов

Я не любитель быстрой езды и ездил всегда на машинах до 110 лошадиных сил — динамика достаточная для обычной езды, но погонять не удастся. Электрокар, конечно, гораздо быстрее. Я бы даже сказал невероятно быстрее чем обычные атмосферные 1.6 машины, на которых я всю жизнь перемещаюсь. Но не быстрее какой-нибудь супер зараженной машины с 200+ л.с под капотом.

Есть те, кто покупают электрички за скорость. Это сомнительная идея. Можно купить любой 200 сильный автомобиль, который будет разгонятся также быстро. "Вау-эффект" от ускорения уйдет примерно через 30 ускорений и это станет чем-то обыденным. А вот необходимость искать зарядки и смотреть на машину также, как на телефон с процентами зарядки придется всегда.

Надеюсь моя статья поможет вам передумать покупать электрокар или, наоборот, даст понять, что не все так страшно. Я окончательно убедился в своем выборе после кучи комментариев к посту про электрокары в моем телеграм-канале (https://t.me/gmoreva/885), где мне тоже написали много чего полезного.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
Электрокары — будущее?
43.2% Да162
21.33% Нет80
17.33% Даже если будущее, я с ДВС навеки!65
18.13% Посмотреть результаты68
Проголосовали 375 пользователей. Воздержались 30 пользователей.