Дослідження сучасного стану електромобілів та шляхів покращення їх характеристик

Ковтун, Олексій Валентинович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9159
Title:	Дослідження сучасного стану електромобілів та шляхів покращення їх характеристик
Authors:	Лук'янченко, Олександр Юрійович Ковтун, Олексій Валентинович
Issue Date:	2023
Abstract:	Причина, по якій розповсюдження електромобілів неухильно розширюється навіть при низьких цінах на нафту - це екологічна політика країн по всьому світу. Електромобілі (ЕМ) підвищують енергоефективність та не вимагають прямого спалювання палива. Крім того, використання електроенергії, найрізноманітніших енергоносіїв сприяє досягненню різних цілей, пов'язаних із транспортом. До них відноситься підвищення енергетичної безпеки. США, Великобританія, Франція, Китай, Японія та інші країни активно просувають електромобілі, створивши форум лідерів для ініціативи «Електронні транспортні засоби». Джерелом енергії в електромобілі є акумуляторна батарея. Літій-іонний акумулятор вважається найкращим, однак щільність енергії не висока. Існують великі можливості для вдосконалювання конструкцій акумуляторних батарей та систем електромобілів.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9159
Appears in Collections:	274 Автомобільний транспорт (Автомобільний транспорт)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
КОВТУН.pdf Restricted Access		1.23 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
5 
 
ВСТУП 
 
Причина, по якій розповсюдження електромобілів неухильно 
розширюється навіть при низьких цінах на нафту - це екологічна політика країн 
по всьому світу. 
Електромобілі (ЕМ) підвищують енергоефективність та не вимагають 
прямого спалювання палива. Крім того, використання електроенергії, 
найрізноманітніших енергоносіїв сприяє досягненню різних цілей, пов'язаних із 
транспортом. До них відноситься підвищення енергетичної безпеки. США, 
Великобританія, Франція, Китай, Японія та інші країни активно просувають 
електромобілі, створивши форум лідерів для ініціативи «Електронні 
транспортні засоби». 
Джерелом енергії в електромобілі є акумуляторна батарея. Літій-іонний 
акумулятор вважається найкращим, однак щільність енергії не висока. Існують 
великі можливості для вдосконалювання конструкцій акумуляторних батарей 
та систем електромобілів. 
  
6 
 
РОЗДІЛ 1 ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗВИТОК ЕЛЕКТРОМОБІЛІВ 
 
1.1 Екологічні аспекти 
 
Для скорочення викидів від автомобілів в 1995 році ЄС прийняв 
трьохетапну стратегію. В рамках цього в 1998-1999 роках було досягнуто 
добровільної згоди з європейськими, корейськими та японськими 
автовиробниками, на частку яких доводиться 95 % продажів автомобілів, що 
вони обмежать викиди CO2 до 140 г СО2/км до 2012 року. На додаток до цього 
для скорочення викидів CO2 використовувалася Директива по маркуванню 
автомобілів CО2/car (1999/94/EC) для покращення інформації про споживачів і 
фіскальних заходів щодо просування ефективних автомобілів. У червні 2000 р. 
було створено схему для моніторингу викидів CO2 від нових автомобілів. 
Загальний цільовий показник викидів для трьох кроків було 120g CО2/км до 
2012 року. В 2001 році ЄС прийняв Директиву (2001/77/EC) про заохочення 
використання енергії з поновлюваних джерел. Директива 2003 року про 
заохочення використання біопалива та палива з відновлюваних джерел енергії 
на транспорті (2003/30/ЄС) вимагала, щоб до 2010 року 5,75% транспортного 
палива в державах-членах вироблялося з біопалива. 
У квітні 2009 року було прийнято нове законодавство (Постанова 
443/2009), що встановлює законні обмеження викидів CO2 для нових легкових 
автомобілів, оскільки виробники не виконували цільові показники, незважаючи 
на досягнутий прогрес. Було поставлено нову мету - 130g CСVkm до 2012 року 
для 65 % парку, а до 2015 року – 100 % парку. Це нове Регулювання замінило 
попередню добровільну угоду та схему моніторингу викидів, згадану раніше. 
Ще одна мета - 95 г CCVkm було встановлено на 2020 рік. Пропонується також 
прийняти додаткове законодавство, що встановлює нові обмеження для 
легкових транспортних засобів. Було показано, що опір коченню шин становить 
до 30 % викидів СО2 для типового автомобіля. Нові Правила конструкції шин 
(ЄС №661/2009) було введено для підвищення паливної ефективності в цій 
7 
 
області. Маркування шин, Регламент ЄС № 1222/2009 також спрямовано на 
підвищення паливної ефективності шляхом надання споживачам більш 
докладної інформації. В 2005 році ЄС почав Систему торгівлі викидами 
парникових газів (ВПГ) відповідно до Директиви 2003/87/EC. ETS є ще однією 
важливою політикою ЄС в області боротьби зі зміною клімату, зміна та 
досягнення цільових показників скорочення, необхідних відповідно до 
Кіотського протоколу. Це встановило схему торгівлі кредитами на викиди CO2 
між основними промисловими секторами, що виділяють парниковий газ, в 
державах-членах. Не всі галузі промисловості включені в схему. З тих пір дана 
схема була переглянута відповідно до Рішення 2009/29/ЄС про спільне 
використання зусиль. Сектори, які не підпадають під ВПГ, такі як транспорт, 
повинні досягати середнього скорочення викидів на 10 % до 2020 року. Однак, 
цей цільовий показник для несекторальних секторів відрізняється в кожній 
країні в діапазоні від -20 % (наприклад, Ірландія) до +20 % для Болгарії. 
Директива про чисті транспортні засоби (2009/33/ЄC) спрямована на 
розширення використання більш екологічно чистих і ефективних дорожніх 
транспортних засобів. Вона вимагає, щоб державні органи враховували повне 
використання, включаючи викиди, в процесі закупівель нових транспортних 
засобів. Існує також велике додаткове законодавство, що стосується шумового 
забруднення, якості повітря та викидів газоподібних і твердих часток із 
двигунів внутрішнього згоряння. ЄС поставив амбітні цілі по подальшому 
скороченню викидів і підвищенню енергоефективності. Поновлювані джерела 
енергії ЄС Директива (2009/28/ЄС) вимагає скорочення викидів парникових 
газів на 20 % у порівнянні з рівнем 1990 року, споживання енергії з 
поновлюваних джерел на 20 % і скорочення споживання первинної енергії на 
20 % за рахунок підвищення ефективності. Дана нова директива також вимагає, 
щоб для 10 % транспортного сектору енергія надходила з поновлюваних 
джерел. 
Найбільш перетворюючим впливом в електроенергетичній системі, який 
мають електромобілі, є їх здатність сприяти інтеграції ВДЕ в існуючу 
8 
 
енергосистему. Моделі, які оцінюють синергію між поновлюваними джерелами 
енергії, як правило, вітром, і ЕМ, вимірюють обсяг поновлюваних потужностей, 
які можуть підтримувати ЕМ або наслідки, які прийняття ЕМ виявляє на 
продуктивність системи та в електромережі, на додаток до значної частки 
поновлюваної генерації. 
Популярність електромобілів зросла через зростаючий вплив викидів 
парникових газів на навколишнє середовище. Глобальне потепління все ще 
ставиться під сумнів, але все більше людей в усьому світі поступово 
сприймають його як реальну проблему. Деякі припускають, що ліси та океани 
поглинають токсичні викиди так само швидко, як вони проводяться. Однак 
Агентство Сполучених Штатів по охороні навколишнього середовища 
(АПООС) опублікувало звіт в січні 2017 року, що доводить, що цей аргумент є 
неправильним. Інші стверджують, що глобальне потепління є природнім 
планетарним процесом, і АПООС (2017) погоджується з тим, що глобальне 
потепління - це процес, який підтримує на Землі прийнятну температуру. 
Проте, надлишок викидів викликав підвищення температури на 1,5° по 
Фаренгейту за останнє сторіччя, що викликає велику стурбованість, 
враховуючи, що льодовиковий період був всього на 5-9 градусів холодніше, 
чим сьогоднішній клімат. Збільшення викидів пов'язано із зростанням 
населення та збільшенням виробництва і споживання енергії та транспорту. З 
1990 по 2012 рік, всього за 22 роки, обсяг викидів парникових газів збільшився 
на 41% на міжнародному рівні (Samimi & Zarinabadi, 2012). Якщо ріст викидів 
буде тривати з такою експонентною швидкістю, у найближчі сторіччя 
доведеться мати справи із ще більш високим підвищенням температури та 
більш інтенсивними наслідками глобальної зміни клімату. Сполучені Штати 
становлять 4,5 % населення світу, але використовують 19,2 % всієї світової 
енергії; це другий по величині споживач енергії у світі, відразу після Китаю 
(Aslani & Wong, 2013). Багато невеликих країн почали зусилля по скороченню 
своїх викидів та виробництву енергії за допомогою поновлюваних технологій, 
але навіть якби 100 % виробленої енергії було "зеленим", їхній вплив був би 
9 
 
набагато менший, чим якщо б великі споживачі енергії скоротили більшу 
частину виробленої енергії. 
Коли електромобіль працює на електриці, він не виділяє відпрацьованих 
газів (також відомих як прямі). Якщо оцінювати тільки за цим фактором, ЕМ 
набагато більш екологічні, чим звичайні автомобілі з бензиновим двигуном, 
представлені сьогодні на ринку. 
Однак, при оцінці екологічності електромобіля також необхідно 
враховувати такі викиди, як парникові гази та забруднювачі повітря, які 
виділяються для виробництва та розподілу енергії, що використовується для 
живлення автомобіля. Виробництво електроенергії приводить до різної 
кількості викидів залежно від ресурсу. 
Всі електромобілі викидають у середньому близько 4450 фунтів 
еквівалента CO2 щороку. Для порівняння, звичайні бензинові автомобілі будуть 
викидати більш ніж у два рази більше в рік. Кількість викидів, за які відповідає 
електромобіль, у значній мірі залежить від географічного району та джерел 
енергії, що найбільш часто використовуються для виробництва електроенергії. 
 
1.2 Ситуація в сфері автомобільного виробництва. Впровадження 
нових технологій в автомобілебудуванні 
 
Автомобільна промисловість сприяє економічному розвитку країни, тому 
вона визнана в якості великого сектору економіки. Автомобільна промисловість 
складається з безлічі компаній, що спеціалізуються на виробництві автомобілів, 
а також компаній, що займаються маркетингом та дистрибуцією автомобільної 
продукції, такої як автомобілі, автобуси, фургони, вантажівки, мотоцикли, 
мопеди та моторизовані велосипеди. Світова автомобільна промисловість 
містить в собі кілька великих блоків виробників автомобілів, які співпрацюють 
із постачальниками на глобальному рівні. Трохи внутрішніх і зовнішніх 
факторів, включаючи політичний і соціальний тиск через четверту промислову 
революцію та зміни клімату, а також посилення міжнародних торговельних 
10 
 
конфліктів закликають до фундаментальних змін в автомобільній 
промисловості. Дійсно, в автомобільній промисловості відбуваються величезні 
зміни, небачені дотепер у всіх сферах. 
Зміни можуть привести до кризи або ж стати можливістю. Результати 
варіюються залежно від того, як ми реагуємо на зміни. Після першої 
промислової революції відбулися кардинальні зміни в сфері машинобудування 
аж до четвертої промислової революції. На даний момент не все перебуває в 
кризі. Якби це було так, то не було б ніякого історичного розвитку людства. 
Багато країн і компаній привели до нового розвитку та зростання в 
майбутньому. 
В період з 2005 по 2017 роки обсяг виробництва легкових автомобілів 
виріс на 50 %, з 63 до 93 мільйонів на рік. Після цього темпи зростання 
економіки також знижуються, але виробництво продовжує зростати.  
Промисловість очікує, що протягом наступних 40 років, різні типи 
автомобілів будуть змішані та замінені на природно екологічно чисті 
автомобілі. 
Впровадження новітніх технологій дало поштовх у розвитку сучасного 
автомобільного виробництва. Важливими складовими є електропривод, 
керування авто за допомогою електроприладів, а також зберігання енергії. На 
даний момент, передбачається оптимізація таких автомобільних частин, як 
трансмісія, нововведення в дизайні, матеріалах кузова та ін. Впровадження 
нових комплексних технологічних рішень стане справжнім технологічним 
проривом в автомобілебудуванні. 
Одна з найважливіших проблем у розвитку сучасного автовиробництва це 
оцінка якості та надійності одиниць, що випускаються. Незважаючи на віковий 
досвід, необхідний новий підхід до процесу оцінювання та відстеження 
похибок. А саме, необхідне створення нового комплексу інструментів в 
проєктуванні та виробництві автомобілів і електромобілів, зокрема. Що 
забезпечить адекватний необхідний рівень якості та надійності 
автотранспортних одиниць. 
11 
 
Для реалізації даного завдання, початком може бути введення новітніх 
методик та технологій в проєктуванні і виробництві вже відомих схем 
традиційних авто. Однак, варто враховувати зміни в інфраструктурі сучасного 
світу, з новими вимогами по експлуатаційній ефективності автотранспорту. 
Час глобалізації може стати перевагою для інтеграції з відомими 
компаніями, що пішли вперед з передовими технологіями в проєктуванні і 
виробництві. Інтеграція допоможе модернізувати виробничу базу, що вже має 
стандартизовану основу у виробництві. 
В перспективі сучасного світу, перехід від авто з ДВЗ до електромобілів, а 
далі до повністю екологічних електромобілів. В наступні роки, нові технології 
стануть пріоритетними в області машинобудування. Незважаючи на це, 
домінуючими технології не стануть, так як для автовиробників кардинальні 
зміни - це величезний ризик. Буде нелегко відмовитися від технологій, які 
пройшли вікове тестування. 
Незважаючи на великий історичний досвід в проєктуванні та виробництві 
автомобілів, ми перебуваємо на ранній стадії технологічного розвитку. 
Інновація самого виробничого процесу, тобто наскільки покращення 
процесу вплине на бізнес-цілі - це здатність постачальників розробляти та 
надавати більш розумні та легкі машини, які можна переміщати на виробничій 
лінії та легко застосовувати для інших платформ і завдань. Це залежить від 
нових технологій. Наприклад, лазерне зварювання є дуже важливим фактором в 
області зниження ваги транспортного засобу та може знизити масу транспорту 
до 22 %. Крім того, з його допомогою можна зварювати деталі, виготовлені з 
самих різних форм і матеріалів. Що стосується виробництва силових агрегатів, 
не тільки блоки двигуна заміняються алюмінієм протягом багатьох років, але 
виробники вже шукають нові матеріали, такі як чавун з компактним графітом. 
BMW, наприклад, розробила блок двигуна з магнієво-алюмінієвого 
композитного матеріалу в Ландсхуті. 
За рахунок впровадження технології обробки пластику, яка може 
проводитися серійно, і технології обробки, яка може бути прецизійною, 
12 
 
передових технологій формування, таких як форма, близька до чистової, яка 
знижує споживання енергії за рахунок зменшення обсягу обробки на заключній 
стадії виготовлення, а також витрати матеріалу завдяки цьому (досягнення 
нульових матеріальних втрат) стало дуже важливим фактором в процесі 
виробництва екологічно чистих автомобілів і обговорюється як частина 
основних стратегічних факторів компаній. На даний момент основна увага 
приділяється не тільки скороченню використання матеріалів, але і кількості 
операцій, необхідних для виробничого компонента. В Європі, наприклад, 
колінчатий вал виготовляється в середньому за 15 кроків, тоді як у Китаї він 
повинен пройти 25 кроків. Ріст витрат на робочу силу також сприяє 
автоматизації виробництва на ринках, що розвиваються, що вимагає 
використання обладнання з паралельною кінематикою для забезпечення 
високої гнучкості інтелектуальних складальних ліній. 
Виробники оригінального обладнання (original equipment manufacturer) 
повинні також враховувати соціально-політичні ринкові фактори при 
повторному застосуванні своїх виробничих процесів у майбутньому. 
Frost&Sullivan вважає, що ці загальні фактори скорегують майбутню стратегію 
та внесуть зміни в чотирьох областях: автомобілебудування, комплектуючі, 
виробничі процеси та виробничі технології. 
Передові методи виробництва, такі як прецизійне виробництво, 
інтелектуальні роботи - це тільки методологія ЕОМ-виробників, що прагнуть до 
цифрових фабрик, та «вершина айсбергу» майбутнього. Майбутнє фабрики 
зміниться в більш стійкій та інноваційній формі. З'являться нові тенденції, 
наприклад: розумні хмарні середовища, промислова кібербезпека і 
корпоративна екосистема. Обчислення в хмарному середовищі, які є гнучкими 
та налаштовуються через хмару в будь-який час і в будь-якому місці, будуть 
відповідати потребам конкретних підприємств у виробничій галузі. 
Кібертероризм може стати потенційним ризиком для безпеки виробництва в 
майбутньому та може приводити до зниження продуктивності та 
інтелектуальної власності. Планування ресурсів підприємства (ERP), керування 
13 
 
життєвим циклом продукту (PLM) і система керування виробництвом (MES) 
інтегровані та забезпечують значну оптимізацію життєвого циклу продукту, що 
дуже важливо в автомобілебудуванні. 
BMW Group восьмий рік підряд посідає перше місце в світовій 
автомобільній індустрії по індексу стійкості Доу-Джонса (DJSI). DJSI – це 
метод оцінки, розроблений Dow Jones і SAM, світовим лідером в області оцінки 
керування стійким розвитком. Він всебічно оцінює етичні аспекти, такі як 
екологічні показники та цінність, а також фінансові і соціальні показники. Як 
перша автомобільна компанія, що призначила в 1973 році фахівця з охорони 
навколишнього середовища, всі члени нинішньої ради директорів працюють 
над цілями та стратегіями керування сталим розвитком через Раду по стійкому 
розвиткові. 
Нещодавно BMW Group отримала найвищий бал (99 балів з 100) у всіх 
областях проєкту Carbon Disclosure Project (CDP) і була названа в «Global 500 
Leadership». Це найвищий бал не тільки для автомобільних компаній, але і для 
всіх компаній по всьому світу. 
У майбутньому самою передовою технологією по керуванню 
електромобілем і будь-яким іншим автомобілем, стане використання штучного 
інтелекту. Дане нововведення буде не тільки керувати електроустаткуванням, 
але також спростить апаратне керування. ШІ заощаджує час на обслуговування 
за рахунок перевірки якості та інтелектуального аналізу даних. Це 
нововведення знімає навантаження з оператора та підвищує ефективність. 
На автомобільних заводах штучний інтелект (ШІ) розширює можливості 
його використання в різних процесах і може бути легко інтегрований в 
виробничі процеси, а інтелектуальні технології аналізу даних та вимірювань 
об'єднані, щоб відкрити нові можливості для підвищення ефективності 
виробництва автомобілів. На заводі BMW у Мюнхені на виготовлення одного 
автомобіля йде близько 30 годин. За цей час кожна машина пропускає 
величезну кількість даних. Завдяки штучному інтелекту та інтелектуальному 
аналізу даних ці дані можуть використовуватися для інтелектуального 
14 
 
керування та аналізу виробництва, що ще більше спрощує виробничий процес і 
допомагає забезпечити найвищу якість для всіх клієнтів. Завдяки цьому 
співробітникам не доводиться виконувати одноманітні та повторювані 
завдання. Як і у всіх нововведеннях, ключовим фактором є ефективність. 
Варіанти штучного інтелекту та інтелектуального аналізу даних на даний 
момент тестуються в різних процесах на заводі BMW у Мюнхені. Модель АI 
уже була застосована до деяких процесів, для яких були перевірені процес і 
функція преса. У процесі пресування сталевий лист перетворюється в більш ніж 
30 000 корпусів в день. З 2019 року кожному корпусу було привласнено 
лазерний код, що дозволяє чітко ідентифікувати його. Цей код можна вибрати в 
системі «iQ Press». Система аналізує та записує окремі дані про матеріали та 
технологічні процеси, такі як товщина металів та шарів, температура і 
швидкість преса. Ці дані, що завантажуються в хмарне середовище в режимі 
реального часу, миттєво та повністю доступні для виробничих груп, щоб мати 
більш чітке уявлення про виробничий процес. Дані пресу iQ - важливий 
інструмент для них. Наприклад, при контролі якості немає необхідності 
докладно перевіряти кожну частину корпусу, і відбираються тільки ті, які 
вимагають дій. ШI дає можливість виявляти повторювані шаблони в процесі на 
основі зібраних даних і підтримує безперервну оптимізацію процесу. Таким 
чином, прес iQ не тільки підвищує ефективність виробничої системи, але також 
допомагає ще більше збільшити погодинну продуктивність процесу 
пресування. Крім того, корпусний робот оснащений більше ніж 600 
зварювальними затискачами. Якщо вам доведеться несподівано замінити 
затискачі, це може зайняти багато часу і буде збитково. Крім того, до багатьох 
роботів важко добратися, тому розбирання і заміна затискачів може зайняти 
кілька годин. Стан цих затискачів визначається людським оком. Фахівці з 
технічного обслуговування на заводі в Мюнхені тричі за зміну вимірювали 
рівень тертя і встановили датчик на кожному затискачеві для виявлення 
похибок. І дані, які вони генерують, постійно оцінюються ШІ, прогнозуючи 
потенційні збої системи. 
15 
 
Тепер процес контролюється цілодобово, що дозволяє ШІ визначати, чи є 
необхідність в технічному обслуговуванні. Це дозволяє більш ефективно 
виконувати плани заміни та планувати час простою технологічного процесу. 
Зокрема, пил в малярному цеху, незважаючи на систему очищення, змушує 
частки пилу прилипати до кузова, коли кузов рухається до лінії фарбування. 
Хоч людське око не помічає, частки можуть вплинути на якість лакофарбового 
покриття. Дотепер такі потенційні дефекти не виявлялися в процесі 
фарбування, а виявлялися тільки при огляді поверхні після завершення 
процесу, що вимагає доробки. Він знову повністю проходить процес 
фарбування. Однак всі системи фарбування тепер включають датчики, які 
можуть вимірювати рівень пилу та прогнозувати якість фарбування. Ви можете 
швидко дізнатись, коли змінні середовища невірні всередині камери 
фарбування або в буферній області. 
За останні кілька місяців додаткові спеціальні датчики, розроблені на 
заводі в Мюнхені, вимірювали рівень пилу на частинах кузова на початку 
процесу фарбування перед і після роликів. Якщо концентрація пилу занадто 
висока, корпус пропускається через лінію фарбування як є і повертається назад 
до процесу очищення. Більшість проектів ШI орієнтовані в першу чергу на 
автоматичне розпізнавання зображень. Тут модель ШI використовується для 
оцінки зображення компонента та порівняння його в мілісекундах із сотнями 
інших зображень в тій же послідовності. Потім система виявляє нестандартні 
деталі, наприклад, недоречні, встановлені або відсутні деталі. На заводі в 
Мюнхені виробнича група безпосередньо візуально визначає, чи правильно 
встановлені запобіжні штативи, кришки склоочисників та дверні пороги на 
кожному автомобілі, щоб попередити про небезпеку. Наприклад, ШІ позбавляє 
оператора від монотонних завдань, таких як забезпечення того, щоб штатив 
безпеки для транспортного засобу був розміщений в правильному положенні в 
багажнику. Тепер це виконується камерою з програмним забезпеченням, що й 
самонавчається, та може порівнювати зображення з камери в реальному часі з 
сотнями збережених зображень за мілісекунди та визначати стандартні 
16 
 
відхилення Крім того, навіть при наявності невеликих пухирців повітря в плівці 
дверного порога було багато випадків коли існуючі ворота камери не могли 
перевірити правильність встановлення дверного порога. Однак тепер ШІ може 
швидко визначити, чи все на своїх місцях, наприклад відстань, кут і т. п., 
Використовуючи мобільні обладнання для сканування кожної частини 
зображення одну за іншою по черзі та навіть визначення важкодоступних 
частин. 
Стверджується, що ці алгоритми різко скоротили час розроблення деяких 
процесів BMW, автономних транспортних систем і нейронних мереж для 
роботів. Крім того, нейронна мережа виявляє відхилення від цільового стану, 
порівнюючи живі зображення виробництва та логістики незалежно з базою 
даних зображень. Платформа також надає елементи інноваційного програмного 
забезпечення для маркування цифрових зображень, яке довело свою 
ефективність в багатьох додатках штучного інтелекту, з підтримкою, що 
дозволяє вивести програмне забезпечення штучного інтелекту на новий рівень 
розвитку. 
Таким чином, BMW розширює використання додатків штучного інтелекту 
в своїх виробничих процесах. Нові технології, такі як ШI, а також автономний 
робот, автономний транспорт і доповнена реальність (AR) були застосовані до 
кожного процесу, і ситуація відображалася в реальному часі, щоб сприяти 
підвищенню продуктивності. Це технологія найближчого майбутнього, яка 
виходить за рамки простого впровадження технології та шукає стійкі й 
найбільш ідеальні рішення. Тим часом, в BMW близько 1800 постачальників у 
більш ніж 4000 місць по усьому світу, і більше 31 мільйона запчастин 
поставляються на 30 виробничих підприємств BMW у кожному регіоні світу 
щодня. Крім того, завдяки цифровізації та інноваціям виробництво та логістика 
стають більш гнучкими і ефективними, а близько 10 000 автомобілів щодня 
доставляються клієнтам по всьому світу на виробничій лінії з використанням 
застосунку «Цифрова доставка». 
 
17 
 
1.3 Поточна технологія двигунів для електричного автомобіля 
 
Tesla створила самі високопродуктивні електромобілі у світі, встановивши 
потужні високоефективні асинхронні двигуни в моделі S і моделі X EVs. 
Асинхронний двигун Тесли застосував технологію пайки мідних стрижнів 
замість лиття під тиском алюмінію для ротора, щоб зменшити втрати та 
забезпечити ефективність охолодження через канал водяного охолодження 
статора і ротора для збільшення вихідної щільності. В цілому, приводний 
двигун для електромобілів намагається встановити об’єм двигуна з погляду 
ефективності, але у випадку Tesla замість збільшення потужності він був 
розроблений з погляду максимізації продуктивності охолодження, а не об’єму. 
GM встановив синхронний двигун з постійним магнітом на силовий агрегат 
Voltec другого покоління Voltec і застосував обмотку статора до кожної 
технології намотування шпильки лінії руху, щоб максимізувати швидкість і 
підвищити ефективність. Крім того, за рахунок застосування повітряного 
бар'єра вдалося знизити крутний момент зачеплення і зменшити завантаження. 
В Японії гібридний автомобіль Toyota Prius першого покоління був серійно 
випущений в другій половині 1997 року, що стало початком розробки 
екологічно чистих автомобілів, а гібридний автомобіль Honda Insight також був 
серійно випущений в 1999 році. В Японії зосереджена технологія гібридних 
електромобілів, а не чистих електромобілів. Як чистий електромобіль, в 2010 
році японський електромобіль Nissan "Leaf" був випущений у якості першого 
серійного електромобіля, і на сьогоднішній день він досяг показників продажу, 
еквівалентних 50 % світового ринку електромобілів. 
18 
 
 
Рисунок 1.1 – Привідний Двигун Tesla Model S (Асинхронний Двигун) 
 
 
Рисунок 1.2 - Привідний двигун GM Volt-ІІ (IPMSM/Котушка) 
 
BMW оснастила недавно розроблений гібридний синхронний двигун 
(HSM) моделлю двигуна, який можна розглядати як модифікований вбудований 
синхронний двигун з постійними магнітами та поліпшеними характеристиками 
за рахунок розміщення двох шарів постійних магнітів в роторі та ефективної 
конструкції повітряного бар'єра. Volkswagen також випустив електромобіль e-
19 
 
Golf з BMW i3. Двигун спроєктований майже так само, як і HSM. В Renault, 
електромобіль Fluence Z.E. був оснащений синхронним двигуном з обмоткою 
(WFSM), який не використовує постійні магніти. У випадку IPMSM (рис. 1.3) – 
використання рідкоземельних постійних магнітів високовартісне, при цьому 
характеристики керування на високій швидкості низького рівня. У випадку 
WFSM магнітне поле ротора може керуватися струмом, що вигідно для 
високошвидкісного керування. Однак, при цьому знижується ефективність 
роботи електродвигуна. 
 
 
Рисунок 1.3 – Привідний двигун BMW i3 і форма ротора (IPMSM) 
 
На даний момент Soul EV та Ionic EV продемонстрували світу масове 
виробництво та технологію чистих акумуляторних електромобілів з 
використанням двигунів IPMSM потужністю 80 кВт. Крім того, Ssang Yong 
Motor розробляє Tivoli EV. 
 
1.4 Проблеми кібербезпеки автомобілів 
 
В останні роки по всьому світу виготовляється та продається все більше 
підключених автомобілів, і хакери можуть використовувати потенційні 
вразливості, які можуть виникнути всередині і зовні таких автомобілів. 
Численні бортові системи, включаючи інформаційно-розважальні, телематичні 
та блоки керування двигуном (ЕБК), можуть бути точками входу для 
хакерських атак. Крім того, по мірі того як підключені автомобілі 
використовують все більш складне програмне забезпечення для забезпечення 
20 
 
розширених функцій, імовірність проникнення шкідливого коду в гальмівні 
системи та системи керування підключених автомобілів також зростає, що 
приводить до травм. 
Програма кібербезпеки Keysight Automotive поєднує обладнання, 
програмне забезпечення та послуги, необхідні для забезпечення безпеки 
транспортних засобів для виробників транспортних засобів і основних 
постачальників, враховує масштаб та складність технологій що швидко 
змінюються, скорочує час виходу на ринок і доповнює внутрішню діяльність по 
кібербезпеці між виробниками та основними постачальниками. 
Автомобільна кібербезпека повинна бути частиною розробки продукту з 
самого початку, включаючи весь життєвий цикл розробки та процес 
післяпродажного обслуговування. Для задоволення цих потреб Keysight надає 
комплексне рішення, що включає апаратне забезпечення, яке підключається до 
DUT через всі відповідні інтерфейси focus (наприклад, Wi-Fi, мобільний 
зв'язок, Bluetooth та ін.), і програмне забезпечення, яке імітує атаки, повідомляє 
про вразливості та надає рекомендовані дії. 
Щоб забезпечити запобігання Keysight також надає послуги підписки для 
баз, що розвиваються без даних загроз. Ця служба підписки містить приклади 
останніх атак безпеки, тактики запобігання та активних шкідливих програм. 
Служба також містить в собі часті випуски прикладних протоколів, такі як 
безперервні відновлення та покращення програмного забезпечення. 
Зиґфрід Гросс, віце-президент і генеральний директор Keysight Automotive 
and Energy Solutions, сказав: “В той час коли транспортні засоби в значній мірі 
покладаються на підключення та програмне забезпечення для підвищення 
зручності, вони також зазнають великий ризик потенційних атак, кіберзагрози”. 
Дана нова програма дозволяє виробникам автомобілів і основним 
постачальникам визначати, впроваджувати та розгортати безперервний, 
загальноорганізаційний підхід до тестування потенційних вразливостей для 
підвищення безпеки транспортних засобів. 
21 
 
1.5 Перспективи розвитку в області виробництва електромобілів 
 
Електромобілі - єдина альтернатива автомобільної промисловості. На 
даний момент автомобільна промисловість не стикається з альтернативою, крім 
електромобілів, у зв'язку із прискоренням міжнародних зусиль по захисту 
клімату, посиленням поінформованості споживачів про навколишнє 
середовище та зростанню цін на нафту, що означає кінець традиційної ери 
автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння, які використовують бензин і 
дизельне паливо, і початок революції. 
Очікується, що в майбутньому електромобілі радикально змінять пов'язані 
з автомобілебудуванням технології та промислову структуру, не тільки 
замінять двигун внутрішнього згоряння існуючих автомобілів 
електродвигунами і оснастять акумулятори замість паливних баків, але і 
стануть винаходом зовсім нового автомобіля. 
По мірі того, як виробництво та поширення електромобілів стане 
повноцінним, близько 50 % існуючих продуктів, пов'язаних з автомобілями, 
будуть загублені, а традиційні автомобільні деталі (наприклад, обладнання 
впорскування дизельного палива Bosch, потужний двигун BMW, трансмісійне 
обладнання ZF, вихлопне обладнання Eberspaecher і т.д.), які зараз сильні в 
Німеччині, зникнуть в найближчі кілька десятиліть. У міру нашого розширення 
відбувається перерозподіл ресурсів між традиційними автомобілями та 
електромобілями, і тенденція до електромобілів вже стає незворотною. 
Готова автомобільна промисловість і індустрія автомобільних запчастин 
вже витрачають мільйони євро щодня, щоб стимулювати розроблення та 
виробництво електромобілів, що приводить до перерозподілу ресурсів, який 
скорочує інвестиції в існуючий автомобільний сектор. 
Точно так само, як механічні друкарські машинки були замінені 
ноутбуками та смартфонами через 20-30 років, необхідні нові стратегії та 
інфраструктура, щоб упоратися зі швидкою технологічною, промисловою і 
міждержавною реорганізацією після настання нової ери електромобілів. 
22 
 
"Wirtschaftswoche" розробила Індекс електромобілів (EVI), прогнозний 
показник між країнами, у відповідь на німецьке відділення McКinsey, 
глобальної консалтингової фірми, щоб спрогнозувати частку реєстрації нових 
електромобілів у кожній країні та допомогти розробити національну політику 
підтримки і стратегії просування бізнесу в галузі. 
EVI оцінює в цілому дев'ять позицій, беручи до уваги фактори попиту та 
пропозиції на електромобілі в кожній країні, і представляє прогноз рівня 
використання електромобілів на 2025 рік для кожної країни. 
У майбутньому McКinsey буде оновляти індекс EVI кожний квартал, 
беручи до уваги підтримку електромобілів кожною країною. 
Оскільки електромобілі все ще перебувають на ранніх стадіях з погляду 
попиту та пропозиції відповідний ринок не сформувався в повному обсязі, і 
частка від загального числа нових зареєстрованих транспортних засобів 
електромобілів становить менше 0,1 % (за станом на 2009 рік поширеності 
електромобілів) 
В Данії стимул до придбання – 33 % від ціни нового автомобіля оплачує 
держава. Звільнення від реєстраційного податку при покупці електромобіля, є 
найвищим у світі за станом на 2019 рік, а частка реєстрації нових автомобілів 
становить всього 0,074 %. У США передбачені такі зручності, як впровадження 
системи безкоштовного паркування. В Португалії – паркування та 
спеціалізовані смуги для електромобілів. 
Сполучені Штати інвестують більше 22 мільярдів євро в дослідження та 
розробку електромобілів та розширення інфраструктури протягом наступних 
п'яти років, щоб активно підтримувати розробку та виробництво 
електромобілів, а Китай і Франція інвестують близько 3,4 мільярди євро та 
2,2 мільярди євро відповідно. 
В результаті через п'ять років Японія і США будуть робити більше 200 000 
електромобілів на рік, а частка електромобілів в автомобільному виробництві, 
як очікується, перевищить 4 %. 
На даний момент вартість зарядки електромобілів становить близько 1-3 
23 
 
євро за 100 км, але в майбутньому продуктивність і економія палива 
електромобілів покращаться, перевищивши економію палива існуючих 
автомобілів. 
Враховуючи вищевказані фактори, очікується, що Сполучені Штати 
досягнуть найвищого рівня в 38 % і очолять світовий ринок електромобілів. 
Сполучені Штати будуть здійснювати масштабну програму підтримки 
електромобілів в розмірі 22 мільярдів євро протягом наступних п'яти років, що 
в сім раз більше, чим у Китаї, і приблизно в 36 разів більше, чим у Німеччині, 
відповідно до програми уряду розвинути електромобілі. 
Крім того, очікується, що Франція підвищить рівень проникнення 
світового класу після Сполучених Штатів через агресивну політику уряду в 
галузі освіти, такий як група Renault-Nissan і Peugeot Citroеn (PAS), а також 
агресивної стратегії електромобілів в автомобільній промисловості та оплати 
допомоги в придбанні. 
З іншого боку, в Німеччині екологічна поінформованість споживачів і 
технологічні інновації в автомобільній промисловості відносно низькі через 
високий рівень споживання електроенергії. Умови продажів відносно не 
сприятливі через слабку підтримку виробництва (близько 600 мільйонів євро, 
тільки 3 % від частки США). 
Данія має відмінні умови з боку попиту, але через найвищі у світі витрати 
на електроенергію (0,27 євро/кВт·год) економія експлуатаційних витрат 
(близько 56 %) є низькою в порівнянні з іншими країнами. 
Конкурентоспроможність сектору електромобілів залишається на середньому 
рівні. 
Країни по усьому світу розвивають інтенсивну конкуренцію на ринку 
електромобілів. Електромобілі задовольняють як економічністю, так і 
екологічністю, і оскільки вони впливають на інші галузі, уряд і автомобільні 
компанії працюють над створенням нових ринків, щоб забезпечити відповідні 
технології та стандарти. 
Впровадження електромобілів та заходи підтримки в кожній країні 
24 
 
знижують вартість батарей на первісному етапі, і акумуляторна промисловість 
підводиться до скорочення витрат швидкими темпами за рахунок досягнення 
економії. В Сполучених Штатах, Японії та Китаї уряд вже продає від 10000 до 
20000 електромобілів на рік, забезпечуючи агресивне будівництво 
інфраструктури, а також субсидії і податкові пільги [43] 
США повідомили про введення 2 мільйонів автомобілів до 2025 року і 
впровадили систему допомоги в покупці до 7500 доларів за автомобіль для 
споживачів, які купують електромобілі, включаючи гібридні автомобілі, що 
підключаються. Японія підтримала поставку 500000 електромобілів до 
2025 року та субсидії в розмірі 1390 000 ієн (близько 5,5 мільйонів тенге) на 
кожний автомобіль. 
Китай, який стоїть за бензиновою автомобільною промисловістю, 
оголосив, що вкладе 15 мільярдів доларів у розробку чистих електромобілів до 
2025 року, пропустивши етап екологічно чистих автомобілів, таких як гібридні 
автомобілі. 
В Австралії комерційний електромобіль за назвою "Електрон", заснований 
на Hyundai, почав випускатися в 2008 році і експортується в Нову Зеландію. 
Японія лідирує на ринку гібридних автомобілів, в конкурсі на розробку 
екологічно чистих автомобілів оголосила про "Автомобільну стратегію 
наступного покоління", спрямовану на зниження ризику технологічного 
розвитку екологічно чистих автомобілів. До 2030 року планується збільшити 
темпи поставок нових електромобілів до 20-30%.  
Уряд Японії та компанії, засновані на передових технологіях 
електромобілів інвестують в інфраструктуру заряджання електромобілів. З 
2009 року за підтримки уряду було проведено демонстраційний проект, що 
супроводжувався обслуговуванням інфраструктури місцевими органами влади. 
Була надана підтримка приватним компаніям в автономній експлуатації 
зарядної інфраструктури в рамках підготовки до повного періоду поставок. В 
якості інфраструктурної стратегії підтримується запланована та централізована 
інфраструктура підготовки ринку електромобілів з метою поширення 2 
25 
 
мільйонів загальних зарядних обладнань і 5000 швидких зарядних обладнань, а 
реалізація повномасштабного випуску машин полягає в створенні чистих 
електромобілів (EVS) та гібридних автомобілів (PHEV) із кращими 
параметрами роботи та зв'язком із приватним сектором. 
З іншого боку, очолювана Японією стратегічна міжнародна стандартизація 
намагається просувати "Міжнародну стандартизацію методів оцінки 
продуктивності та безпеки батарей", "Міжнародну стандартизацію роз’ємів і 
систем зарядки", "Зміцнення системи огляду стандартизації для цивільного 
співробітництва" і "Навчання талантів в області стандартизації". 
В цей час Китай є найбільшим у світі джерелом викидів парникових газів 
із серйозним забрудненням навколишнього середовища, і на частку 
вуглекислого газу, що викидається транспортними засобами, доводиться 10 % 
від загального обсягу викидів вуглекислого газу. Тому розвиток електромобілів 
необхідний у відповідь на поглиблення забруднення навколишнього 
середовища.  
З іншого боку, електромобілі рівною мірою перебувають на стартовій лінії. 
Технологічний розрив з розвиненими країнами невеликий, і очікується, що в 
майбутньому ринок буде швидко зростати, що дозволить індустрії 
електромобілів взяти ініціативу у свої руки. Крім того, швидка урбанізація 
просунулася відповідно до економічного розвитку. Між містами стало менше 
використання автомобілів, більш короткі поїздки на роботу та зосереджене 
населення, що створює гарні умови для розвитку ринку електромобілів. Крім 
того, технологія виробництва акумуляторів, яка є ключовою частиною 
електромобілів, також є першокласною, а багаті запаси рідкісноземельних 
елементів, необхідні для виробництва акумуляторів, є досить 
конкурентоспроможними з погляду витрат. Вольт GM оцінюється в 40 000 
доларів. Через зростання Китаю, найбільшого у світі автомобільного попиту, 
ера електромобілів відкриється швидше, чим очікувалося, і Китай, швидше за 
все, займе лідируючі позиції в області електромобілів. Якщо подивитися на 
політику китайського уряду по підтримці електромобілів, то з початку 2000-х 
26 
 
років виявляє цікавість до технологій, пов'язаних з електромобілями, і сприяє 
розвитку технологій, вибираючи їх у якості одного з великих проєктів у країні. 
Китайський уряд офіційно використовує термін "транспортні засоби на 
поновлюваних джерелах енергії", який в основному відноситься до 
електромобілів. На додаток до розвитку технологій ми вже надаємо підтримку в 
поширенні, і з 2019 року було проведено демонстраційні проекти в більш ніж 
20 містах, приділяючи особливу увагу державному сектору. З 2020 року п'ять 
міст, включаючи Шанхай, Чанчунь, Шень Чжень, Ханчжоу і Хебей, також 
субсидіювали придбання електромобілів населенням. На додаток до 60 000 
юанів у вигляді субсидій центрального уряду, виставочне місто Шень, де 
перебуває BYD, підтримує в цілому 120 000 юанів на придбання 
електромобілів, включаючи 60 000 юанів у вигляді муніципальних субсидій. 
Ціна електромобіля BYD e6 складає близько 300 000 юанів, який субсидіюється 
на 120 000 юанів і продається за 180 000 юанів [47]. 
 
В 2010 році Державна рада представила "План енергозбереження та нової 
енергетичної автомобільної промисловості", який буде реалізовано з 2011 по 
2020 рік, у якому електромобілі та гібридні автомобілі були визначені як нові 
енергетичні автомобілі, а електромобілі були обрані в якості наступного 
покоління китайської індустрії розвитку. Щоб пожвавити використання 
електромобілів, планували інвестувати 100 мільярдів юанів до 2020 року в 
стратегічний розвиток майбутнього автомобільного сектору, а саме в сферу 
зарядної інфраструктури. 
Зарядні обладнання розширюються в містах, які проводять демонстраційні 
проєкти загального постачання і енергетичні компанії також розробляють і 
реалізують загальнонаціональний ряд планів постачання зарядних станцій. На 
шосе між Пекіном і Тенцзинем планується побудувати десяти зарядних станцій 
[19]. 
  
27 
 
Висновки по розділу 
 
Розглядаючи темпи розвитку в автомобільній промисловості, можна 
виділити наступні фактори, що виявляють найбільший вплив на розвиток: 
- екологічні аспекти, що вимагають уваги до кількості викидів 
відпрацьованих газів; 
- обмеженість енергоносіїв; 
- постійне зростання рівня технологій в області автомобілебудування; 
- стрімке зростання розвитку транспорту та його технічної бази; 
- забезпечення достатнього рівня якості та надійності електромобілів. 
Опираючись на вищевикладені факти, необхідно розвивати транспортну 
промисловість в напрямку електромобільного автовиробництва, відповідно до 
екологічних вимог. Електромобілі вже знайшли широке застосування і 
займають особливе місце в великих бізнес моделях. Найбільший попит даного 
типу авто спостерігається в західних країнах.  
На даний момент активно впроваджуються нові технологічні рішення, що 
забезпечують зростання ефективності транспорту з використанням 
електротехнічних технологій. Використання нових матеріалів у виробництві, 
розширення технічної бази сервісного обслуговування, збільшення кількості 
зарядних і ремонтних станцій та ін. 
Незважаючи на позитивний прогноз, мають місце істотні проблеми, 
пов'язані із процесом проєктування, експлуатаційною ефективністю та 
виробництвом. Згідно зі статистикою зростання експлуатаційної складової, 
вирішенням вищезгаданих проблем стане курс на забезпечення якості та 
надійності відповідних автомобільних комплексів і сервісне обслуговування. 
ЕМ вносять значний вклад в енергозбереження, скорочення викидів CO2 і 
енергетичну безпеку за рахунок високої економії палива та різних джерел 
енергії. Однак, найбільш актуальною проблемою є  
  
28 
 
РОЗДІЛ 2 ДЖЕРЕЛА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТУ 
 
2.1 Нікель-метал-гідридний акумулятор 
 
Нікель-металгідридна батарея (Ni-МН battery, MH розшифровується як 
металгідрид) -  батарея, яка замінила кадмієвий катод в звичайній нікель-
кадмієвій (Ni-Cd) батареї сплавом для зберігання водню. 
В останні роки, для батарей важливо необхідний невеликий розмір та вага 
електронного обладнання, висока щільність енергії, тривалий термін служби та 
ін. Підвищення продуктивності звичайних нікель-кадмієвих батарей або 
свинцево-кислотних батарей майже досягло межі. Активно ведеться розробка 
електромобілів в якості одного з екологічно чистих автомобілів з метою 
зниження забруднення повітря, викликаного відпрацьованими газами 
автомобілів, Ni-MH батареї мають більшу щільність енергії в порівнянні з 
нікель-кадмієвими батареями, що не мають екологічно чистих невеликих 
високопродуктивних батарей, а також екологічно чистих більших 
високопродуктивних батарей. 
Батарея Ni-МН являє собою заміну полюса Сd у звичайній батареї Ni-Cd 
сплавом для зберігання водню. Сплавом для зберігання водню на катоді 
використовується гідроксид нікелю (Ni(OН)2/NiООН). На аноді 
використовується лужностійкий нейлоновий нетканий матеріал, 
поліпропіленовий нетканий матеріал і поліамідний нетканий матеріал. Крім 
того, в якості електроліту використовується 5~8% водний розчин КОН для 
досягнення максимальної іонної провідності. 
Ni-МН акумулятори мають наступні переваги та недоліки. 
Переваги: 
- напруга батареї становить 1,2~1,3 В, така ж, як у батареї Ni-Cd, тому 
вони сумісні; 
- щільність енергії в 1,5-2 рази вище, чим в Ni-Cd акумуляторів; 
- швидка зарядка та розрядка, а також відмінні низькотемпературні 
29 
 
характеристики; 
- можлива герметизація, стійка до перезарядження та надмірного розряду; 
- виділяє незначну кількість забруднюючих речовин; 
- немає короткого замикання або ефекту пам'яті через ріст дендритів; 
- використання твердого електроліту із провідністю іонів водню також 
можливо з батареєю твердого типу; 
- тривалий термін служби циклу заряду-розряду. 
Недоліки: 
- характеристики високої швидкості розряду не так гарні, як у батареї Ni-
Cd; 
- велика швидкість саморозряду; 
- існує невеликий ефект пам'яті. 
При виборі сплавів для зберігання водню для електродів склад сплаву 
виступає в якості самого великого фактора, який може визначати 
характеристики батареї, такі як ємність батареї, тиск, що витримує батарея, 
характеристики швидкого заряду і розряду, термін служби, характеристики 
низької температури, характеристики саморозряду і т.д. 
1) Реверсивна ємність для зберігання водню. 
Це не проста кількість зберігання водню, але оборотна кількість зберігання 
водню повинна бути більшою, щоб прийняти відповідну силу водневого 
зв'язку. Тому ентальпія утворень гідриду звичайно становить 8~10 ккал/моль H2 
[10], що є мірою сили водневого зв'язку. 
2) Стійкість до окислення 
При перезарядженні кисень, що утворюється в аноді, використовує 
реакцію рекомбінації на поверхні катода, щоб придушити підвищення тиску 
батареї під час перезаряду. Коли електрод окислиться в окисній атмосфері такої 
батареї, це приводить до зниження продуктивності батареї. Тобто ефективність 
зарядки електрода знижується, утворюється газоподібний водень, знижується 
каталітична ємність або здатність електрода до рекомбінації газу. Крім того, 
ефективність розряду знижується за рахунок збільшення перенапруги в момент 
30 
 
розряду. Надмірне окислення приводить до зниження загальної 
електропровідності та скорочує термін служби електродів. 
3) Корозійна стійкість у розчині лугу 
Надмірне окислення або корозія знижує витрату електроліту та знижує 
продуктивність батареї і термін служби батареї, а продукт корозії сплаву, що 
утворюється в результаті реакції корозії, знижує перенапругу аноду при 
виділенні кисню, отруюючи анод, тому ефективність зарядки знижується і 
збільшує швидкість саморозряду анода. При зміні ступеня окислення продукту 
корозії (наприклад, VОx), що легко розчиняється в електроліті, відомо, що він 
збільшує саморозряд, утворюючи окисно-відновний механізм [11]. Однак 
плівка, яка інгібує корозію, не повинна інгібувати проникність водню. 
4) Швидкість дифузії водню та каталітична здатність до окислення 
водню в сплавах 
Для збільшення розрядної здатності з високою швидкістю швидкість 
дифузії водню до межі розподілу сплав/електроліт, де відбувається електродна 
реакція всередині сплаву, повинна бути високою, а також поверхнева 
каталітична ємність для окислення водню на цій межі повинна бути великою. 
На реакцію водню та іонів ОН - на межі розподілу сплав/електроліт впливають 
характеристики оксиду, що присутній на поверхні сплаву, тобто пористість 
оксиду, товщина, електропровідність, каталітична здатність та ін. Тому 
характеристики оксиду будуть суттєво впливати на здатність до високого 
розряду. 
5) Здатність утворювати водневі гази та гідриди 
Газоподібний водень, який утворюється в аноді під час надмірного 
розряду, повинен бути розкладений на водень в атомарному стані та 
поглинений катодом. Крім того, навіть якщо рекомбінація кисню під час 
перезаряду відбувається дуже швидко, особливо під час швидкої зарядки, 
утворення водню на катоді уникнути неможливо. Коли заповнення закінчиться, 
щоб зменшити тиск генерованого водню, молекулярний водень із поверхні 
електрода повинен бути легко розкладений на атомарний водень і поглинений 
31 
 
катодом. 
6) Початкова активація 
Оскільки сприятлива для кисню сила сплаву, використаного на поверхні 
електрода в зібраному стані, велика, в процесі виробництва в атмосфері може 
утворюватися щільна оксидна плівка. При заряджанні та розрядці відбувається 
розширення та стискання сплаву. В порошку сплаву виникають тріщини, площа 
поверхні електрода збільшується зі створенням нової поверхні з меншою 
кількістю оксиду, електрод активується. Крім того, якщо є компонент сплаву, 
який легко розчиняється в електроліті, такий як оксид V, структура оксиду на 
поверхні електрода шляхом розчинення оксиду являє собою мікропористу 
структуру, яку водень може краще передавати при початковій активації [11]. 
7) Простота виготовлення електродів 
Слід враховувати виробництво сплавів, виробництво порошків сплавів, 
простоту виготовлення електродів та ін. У випадку з великою батареєю це дещо 
менше, але при розробці в якості електрода для невеликої батареї, оскільки 
вона вимагає процесу масового виробництва, простота виготовлення електрода 
є важливим чинником при визначенні вартості батареї. 
8) Вартість 
Батарея Ni-МН має багато переваг, але все ще є проблеми, які необхідно 
вирішити, і останнім часом були проведені дослідження, спрямовані на 
вирішення цих проблем. Проблеми й напрямки досліджень, які потребують 
вирішення для практичного використання Ni-МН акумуляторів, полягають у 
наступному. 
По-перше, необхідно збільшити продуктивність розряду на одиницю ваги 
та на одиниці об'єму. Розробляється новий тип сплаву для зберігання водню для 
збільшення розрядної ємності електрода MH. Розробляється електрод MH 
високої ємності більше 400 мА·год, а не сплав на основі AB5 з граничною 
ємністю, удосконалюється електрод на основі AB2. Однак вартість серії AB2 
сплавів Zr-V-Ni-Cr-Ti-M (M:Mn, Co, Fe, Al, Cu) доволі висока, тому 
дослідження слід проводити в напрямку заміни дорогих матеріалів. З іншого 
32 
 
боку, вважається, що для збільшення ємності нікелевого електрода важливо 
розробити гідрооксид нікелю високої щільності та однорідного розміру. 
По-друге, швидкість саморозряду батареї повинна бути знижена. 
Насправді, швидкість саморозряду розроблених на даний момент батарей, як 
правило, перевищує 20 % за тиждень. Тому, якщо батарея залишається 
протягом тривалого часу без використання з такою високою швидкістю 
саморозряду, електрод вироджується, і батарея не може бути використана.  
По-третє, внутрішній тиск батареї повинен бути зменшений. Збільшення 
внутрішнього тиску батареї виникає, коли швидкість генерації газу на електроді 
висока в порівнянні із швидкістю споживання. В загальному випадку реакція 
генерації водню та кисню на нікелевому електроді при перезаряді відбувається 
через зниження ефективності зарядки електрода MH під час початкової 
активації та зарядки. Генерація водню при низькій ефективності зарядки може 
бути вирішена шляхом розробки складу, який підвищує ефективність зарядки 
електрода MH. Необхідно знайти відповідний алгоритм зарядки, щоб зменшити 
генерацію газу, що виникає при перезаряді. Крім того, при використанні 
акумулятора для електромобіля необхідно зробити швидку зарядку, щоб 
скоротити час зарядки, тому необхідно визначити спосіб зарядки, щоб звести до 
мінімуму утворення газу під час швидкої зарядки. 
Четверте: необхідно збільшити термін служби батареї. Існує ряд причин, 
які скорочують термін служби батареї, серед них металевий водневий електрод 
окислюється киснем, що утворюється в нікелевому електроді зарядного 
термінала. Термін служби батареї зменшується, металевий водневий електрод 
може зменшити ємність металевого водневого електрода, вступаючи в реакцію 
з воднем у металевому водневому електроді з утворенням води. Тому, щоб 
збільшити термін служби батареї, необхідно провести дослідження того, як 
зменшити генерацію газу або рекомбінувати генерований газ. Фактично, сплав 
MH підвищив ефективність заряджання, покривши його міддю, що дозволяє 
протікати мікроструму. Також проводилися дослідження з рекомбінації 
генерованого газу. 
33 
 
По-п'яте, вартість батареї повинна бути знижена. Для зниження вартості 
батареї необхідно розробити батарею з використанням недорогого 
електродного матеріалу. 
 
2.2 Літій-іонний акумулятор 
 
В якості акумулятора електромобіля використовуються літій-іонні батареї, 
так як вони мають найкращі показники. Першою в світі літій-іонною батареєю 
стала батарея компанії Sony Energy Tech, яка дала їй назву «літій-іонна 
батарея» (рис. 2.1). 
 
 
Рисунок 2.1 – Структура літій-іонного акумулятора 
 
Літій-іонні акумулятори складаються з чотирьох компонентів: анода, 
катода, сепаратора та електроліту. Анод складається з оксиду літію (Lі+О), де 
зустрічаються літій (Li) та кисень (О). При заряджанні іони літію (анод),  
переміщаються до катода, а при розряджанні іони літію повертаються до анода 
та виробляється енергія. 
Коли літій-іонний акумулятор розряджається (заряджається або 
розряджається), іони літію переміщаються між позитивним і негативним 
електродами. Багато з анодних і катодних матеріалів, що використовуються в 
34 
 
літій-іонних батареях, мають шарувату структуру та можуть накопичувати іони 
літію між шарами. Енергія отримується шляхом вилучення негативного заряду 
з батареї у вигляді електронів. 
Коли енергія подається ззовні, матеріал катода приймає електрони. Для 
компенсації цього негативного електрода іони літію позитивного електрода 
направляються до негативного електроду. Цей процес є реакцією зарядки  
Іони літію переміщаються, щоб накопичувати або розряджати енергію. 
Існує безліч матеріалів, доступних у якості катодів (рис. 2.2). На сьогодні 
найбільш розповсюдженим матеріалом є натуральний чорний графіт, який має 
шарувату структуру. Для графіту ємність становить приблизно 300 мАгод, що 
більше, чим в анода, але для розробки більш енергоємних літій-іонних батарей, 
сплавів Sn, кремнію (Si) та металевого літію існують різні варіанти з низькими 
робочими напругами та високою ємністю. Однак, у випадку анода різниця між 
теоретичною ємністю (~250 мАгод/г) та робочою напругою (~4,3 В) при 
розробці анодного матеріалу наступного покоління в порівнянні з LiМnО2 
(LMO) та LiСoО2 (LCO) шаруватої структури, що традиційно використовується 
на даний момент, невелика. Матеріал анода реагує повільніше всього в реакції 
літій-іонних батарей і має невелику ємність, тому саме матеріал відіграє значну 
роль у визначенні ємності, потужності та терміну використання батареї. 
Розробка високоефективних анодних матеріалів в літій-іонних батареях 
останнім часом стала найбільш важливою ключовою областю досліджень. 
Літій-іонні акумулятори, що використовуються в електромобілях, мають 
першорядне значення для забезпечення безпеки та надійності. У цей час умови 
використання автомобільних літій-іонних акумуляторів (C/LMO) 
рекомендуються для розряду від -20° до 55 °C та заряджання в діапазоні від 
0 °С до 45 °C. Зокрема, літій-іонні акумулятори з катодами LTO можуть 
розряджатися при температурі не нижче -30 °C. 
Автомобільні літій-іонні акумулятори звичайно використовуються в 
діапазоні робочих напруг від 1,5 В до 4,2 В. 
 
35 
 
 
Рисунок 2.2 - Реверсивна ємність і реакційний потенціал матеріалу катода 
 
Коли температура використання досягає 90~120 °С, плівка SEI (тверда 
міжфазна фаза електроліту) починає термічно розкладатися, а коли вона 
перевищує 120 °С, починає відбуватися горіння газу. 
При досягненні надзвичайно низької напруги або стану надмірного 
розряду електроліт зменшується, і відбувається горіння газу, що створює 
загрозу небезпечної ситуації. Коли напруга дуже висока чи перевантажена, 
синтез відбувається на аноді, у результаті чого виділяється значна кількість 
теплоти. Крім того, металевий літій накопичується на поверхні катода, ємність 
все більше зменшується, а при розкладанні електроліту блокується внутрішній 
ланцюг і виникають проблеми з безпекою. 
Літій-іонні батареї мають перевагу в тому, що вони можуть бути 
невеликими та тонкими по розміру і товщині, зберігати енергію з високою 
щільністю та навіть з високою напругою. Оцінюється така батарея, як краща 
технологія для акумуляторних батарей. Оскільки саморозряд відбувається 
навіть тоді, коли вона не використовується, ступінь саморозряду невеликий, 
тому він широко використовується в різних портативних електронних 
обладнаннях через його високий ступінь використання. Через високу щільність 
енергії він все частіше використовується в оборонній промисловості, системах 
автоматизації та авіабудуванні. Навантажувальні характеристики літій-іонних 
елементів або батарей досить хороші. Він дає постійні 3,6 В на гніздо перед 
тим, як відключитись при використанні останнього заряду. 
36 
 
Немає необхідності в заправленні: деякі акумуляторні батареї необхідно 
заправляти при першій зарядці. Одною з переваг літій-іонних акумуляторів є те, 
що вони не мають особливих вимог для роботи та поставляються готовими до 
використання. 
Все ж літій-іонні батареї поступово зміщуються на задній план, тому що на 
їх заміну приходять твердотільні акумуляторні батареї. Створення подібного 
акумулятора стало проривом в області акумуляторів для електромобілів. 
Початком стало відкриття Майкла Циммермана, що працює в області 
твердотільних акумуляторів. Його відкриття дозволило збільшити ємність 
батарей, зробити їх безпечними та позбутися кобальту, незважаючи на те що 
відсутність останнього робило батарею вибухонебезпечної. 
Необхідно було позбутися рідкого електроліту. Але впровадити успішно 
твердий електроліт, до відкриття Циммермана, не вдавалося протягом багатьох 
років. Циммерман створив полімерний вогнестійкий матеріал на основі 
поліфенілсульфіду, який може проводити електрони при кімнатній температурі. 
Сам матеріал може піддаватися механічній обробці, він досить міцний і здатний 
протистояти впливу багатьох хімічних речовин. 
Літій-іонні акумулятори доволі складні в переробці, в основному через 
різні анодні матеріали. 
Інновації в області утилізації батарей можуть полегшити нестачу 
матеріалів чи зростання цін і знизити вартість ключових матеріалів. 
Дослідження показали, що перероблені анодні матеріали (NMC) можуть 
знизити витрати з 25$/кг до 10 $/кг. 
Були проведені дослідження, щоб визначити, чи достатні запаси літію. 
Літій становить всього 3 % від ваги літієвих батарей. 450 кілограмовий 
акумулятор від Chevy Volt містить близько 13 кг літію. На даний момент літій 
не дістається при переробці літій-іонних акумуляторів. Якщо витрати 
продовжать зростання, літій може бути відновлений переробниками. 
В 2020 році, компанія Tesla випустила твердотільний акумулятор Quantum 
Scape з величезною ємністю та швидкістю зарядки. Твердотільна батарея - це 
37 
 
саме те, що потрібно: щільно стиснуте розташування твердих матеріалів, а не 
м'яка консистенція, яка становить типову літій-іонну батарею. Цей 
твердотільний склад і конструкція утворюють електрохімічний пристрій, який 
обіцяє неймовірні результати. 
Компанія стверджує, що розроблювачі усунули всі проблеми 
твердотільних батарей. Однієї з таких проблем є термін служби, тепер батареї 
зберігають більше 80 % ємності після 800 циклів (386 тис. км.). 
Безсумнівно, результат, який представила Tesla можна по праву вважати 
проривом в області акумуляторів. 
Але не тільки Tesla вела роботу над створенням твердотільних 
акумуляторів з великою ємністю та продуктивністю, навесні 2020 року 
компанія Samsung представила свій прототип твердотільної батареї. 
Вчені працювали з такими проблемами як термін служби та безпека 
батареї. Вони запропонували використовувати в якості анода композитний шар 
зі срібла та вуглецю, що дозволило збільшити ємність, термін служби та 
загальну безпеку прототипу твердотільного акумулятора. Прототип 
відрізняється своїми габаритами, він виявився на 50 % менший за об’ємом 
відносно літій-іонної батареї. 
Даний акумулятор дозволить проїжджати електромобілям до 800 км без 
підзарядки, а батарея буде мати більше 1000 циклів (зарядки/розрядки). 
 
  
38 
 
2.3 Порівняльний аналіз літій-іонної батареї та твердотільної 
батареї 
 
2.3.1 Деградація літій-іонної акумуляторної батареї 
 
На даний момент літій-іонна батарея є оптимальною технологією для 
зберігання енергії електромобіля. Перевагами даної батареї є тривалий строк 
зберігання заряду, низька швидкість саморозряду, висока потужністю та 
відсутністю ефекту пам'яті. 
В літій-іонній батареї виникає як зворотна, так і незворотна втрата ємності. 
Зворотна може бути викликана саморозрядженням самого гнізда, значення 
досягає до декількох відсотків на місяць. Повна ємність гнізда досягається 
шляхом повної підзарядки автомобіля. 
Незворотна втрата ємності відбувається тоді, коли гніздо ушкоджене. 
Літій-іонні акумулятори мають обмежений календарний термін служби. Втрата 
потужності батареї відбувається через циклічний рух автомобіля. Циклуванням 
обумовлюється поява внутрішнього опору. Однак це не єдина причина появи 
внутрішнього опору, але згодом на межі розподілу електрод-електроліт на аноді 
утворюється пасивуючий шар твердого електроліту. Такий шар формується на 
початкових етапах. Структура гнізд захищає електроліт від подальшого 
розкладання при взаємодії графіту з електролітом. Все-таки згодом шар 
твердого електроліту зростає та приводить до стрімкого збільшення 
внутрішнього опору. Процес супроводжується високими температурами, 
високими струмами та напругою в гніздах. 
Зарядка при високих струмах і низьких температурах може привести до 
літієвого залипання, коли літій осідає на поверхні анода. Що, в свою чергу, 
приводить до втрати активності літію в елементі, а також може привести до 
короткого замикання. 
Перезаряд або глибокі розряди батареї, а також перевищення верхньої 
точки температури прискорюють деградацію батареї. Однак, дані обмеження 
39 
 
керуються та передбачаються за допомогою Battery Management system (BMS).  
 
2.3.2 Оптимізація конструкції одного гнізда на прикладі літій іонної 
батареї 
 
Найважливішим аспектом в конструкції літій-іонних елементів є здатність 
максимізувати щільність енергії, при певній масі об’єму. Загальноприйнята 
класична конструкція гнізд батареї полягає у використанні більш товстого 
електрода, щоб одержати високу щільність енергії. Нижче проведений 
експериментальний аналіз та чисельне моделювання для вивчення того, які 
властивості електрохімічного гнізда впливають на продуктивність 
акумуляторної батареї. 
Було проведено безліч дослідницьких робіт, таких як вплив розміру часток 
на продуктивність, вивчення сажі та вуглецевих трубок та впровадження 
останніх як провідникових добавок, а також дослідження їхнього впливу на 
енергетичну ємність та стабільність прохідного циклу. 
Маркс Дойл та його група використовували чисельне моделювання для 
вивчення залежності між провідністю та числом переносу літій-полімерних 
часток. Незважаючи на те, що розуміння того, як окремі компоненти впливають 
на продуктивність гнізд, збільшилося, повністю максимізувати ефективність не 
вийшло, тому що не були об'єднані всі складові. Щоб визначити оптимальну 
конструкцію гнізда, необхідно провести детальний процес проєктування, який 
містить у собі всі змінні проєктування, а також першочергово враховувати 
зв'язок між параметрами та їх взаємодією на компоненти під час самого циклу. 
Джон Ньюман оптимізував конструкцію гнізда, збільшивши товщину 
позитивного електрода та пористості, використовуючи спрощену модель зони 
протікання реакції. Обмеживши зворотність включення молекул літій-іонів 
вузькою зоною в позитивному електроді, він одержав рішення аналітичним 
методом, потім зв'язав залежність ємності енергії з параметром: 
 
40 
 
T Uktdis
rz = 2        (2.1) 
q + Ls
 
де  U - потенціал розімкнутого ланцюга,  
k - провідність електроліту,  
tdis - час розряду батареї,  
Ls - товщина сепаратора,  
q - щільність ємності активного матеріалу.  
Зафіксувавши час розряду, вдалось з'ясувати оптимальні значення 
товщини та пористості електрода. 
Подальші дії по оптимізації включали розробку залізофосфатного літій-
іонного елемента при збереженні постійного співвідношення ємності та 
пористості негативного електрода, а також з'єднання літій-іонних батарей з 
конденсаторами для роботи гібридного електромобіля. 
В дослідженні з оптимізації швидкості циклування, розміру часток, 
дифузійної здатності та провідності з використанням модельного 
формулювання кількісно оцінили продуктивність гнізда залежно від 
відношення часу розряду до часу дифузії. Оптимізація просторового розподілу 
пористості може знизити внутрішній опір на 15-33 % у порівнянні з 
рівномірним розподілом. Гольмон та ін. пішли ще далі і змінили як просторову 
пористість, так і розподіл часток в розмірах, використовуючи багатомасштабну 
модель. Вони виявили, що при зміні як пористості, так і розподілу часток в 
розмірах покращення енергетичної ємності становить менше 2 % у порівнянні 
із гніздом з оптимізованою постійною пористістю та розміром часток. Відомий 
випадок використання методу параметризації вектора керування для 
послідовної оптимізації товщини та пористості електродів за допомогою 
переформульованої моделі для підвищення обчислювальної ефективності. 
Застосування чисельної оптимізації до проєктування батарей все ще 
перебуває в стадії зародження. 
Висока обчислювальна вартість моделі, основаної на фізиці, та відсутність 
повного математичного описання процесів, що відбуваються в батарейній 
41 
 
системі, перешкоджають впровадженню схем оптимізації при проєктуванні 
батарей. Одним із способів зниження обчислювальних витрат на оптимізацію 
батареї є прискорення моделювання моделі гнізда. Зокрема, були отримані 
апроксимації для прискорення розрахунків дифузії твердої фази. Досягається 
додаткове підвищення ефективності обчислень шляхом покращення 
розрахунків моделі в напрямку, нормальному до міжфазної поверхні 
електрода/сепаратора. Зниження обчислювальних витрат також може бути 
досягнуто за рахунок мінімізації кількості оцінок функцій. 
Для вирішення проблеми оптимізації батареї використовуються різні 
методи. Враховуючи нелінійний характер проблем батареї та обчислювальні 
витрати (оцінка кожної функції займає порядку декількох хвилин), схема 
оптимізації на основі градієнта, яка використовує похідні для визначення 
напрямків пошуку, добре підходить для вирішення такого завдання завдяки 
своїй чисельній ефективності та точності. 
В процесі проєктування в якості змінних повинні також розглядатися 
транспортні властивості матеріалу. Проєкт повинен включати всі супутні 
параметри літій-іонного гнізда із вставними з'єднаннями для обох електродів. З 
врахуванням цієї мети представлена чисельна структура, яка поєднує алгоритм 
оптимізації з детальною моделлю конструкції гнізда. 
Мета: 
1) Максимізувати щільність енергії літій-іонного елемента залежно від 
необхідної потужності. 
2) Визначити конструкцію електрода при різних швидкостях розряду. 
3) Визначити чутливість проєктних змінних продуктивності гнізд. 
Щільність енергії гнізда обчислюється з використанням трапецієподібного 
наближення до інтеграла за часом розряду: 
 
1 tcut n
E Vk+1 +Vk
cell = V
M ∫ cell (t)Idt ≈ I∑ (tk+1 − tk )     (2.2) 
cell 0 k=0 2
 
42 
 
де  I - постійний струм гнізда,  
  k - коефіцієнт тимчасового кроку,  
n -  кількість тимчасових кроків, необхідних для досягнення напруги 
відсічення, Mcell - клітинна маса, обчислюється: 
 
  M cell = M + + M sep + M − + M misc      (2.3) 
 
де  M+ і M- - маса активних матеріалів позитивного та негативного 
електродів,  
 Msep - маса електроліту,   
 Mmisc - маса всіх інших неенергетичних матеріалів, наприклад 
струмознімачі. Маса кожного компонента залежить від його товщини та 
пористих властивостей різних матеріалів, що входять до його складу. 
Таблиця 2.1 - Властивості та параметри матеріалу літій-іонного елемента 
Параметри Li-ion 
Матеріал катода Шпінель Mn2O4 
Стехіометричний параметр катода 0,2 
Кулонівська ємність катодного матеріалу 148 мА·год 
Щільність катодного матеріалу 4280 кг/м3 
Об'ємна частка інертного наповнювача 0,1 
Матеріал анода Графіт MCMB 2528 
Стехіометричний параметр катода 0,9 
Кулонівська ємність анода 372 мА·год/г 
Щільність анодного матеріалу 2260 кг/м3 
Об'ємна частка інертного матеріалу в аноді 0,05 
Матеріал електроліту LiPF6 у диетилкарбонат 
Початкова концентрація солі 1000 моль/м3 
Інертний наповнювач Полівіниліденфторид 
Температура навколишнього середовища 298 К 
 
Щоб максимізувати щільність енергії наближену до твердотільної батареї, 
вибираються 12 розрахункових змінних, перерахованих в табл. 2.2. 
 
  
43 
 
Таблиця 2.2 – Розрахункові змінні та їх межі для оптимізації одного гнізда 
Змінна Нижня межа Верхня межа 
Швидкість циклування 0,1 10 
Товщина сепаратора 10 100 
Розмір часток катода 0,2 20 
Товщина катода 40 250 
Пористість катода 0,1 0,6 
Диф. здатність катода 10-6 10-11 
Провідність катода 1 100 
Розмір часток анода 0,5 50 
Товщина анода 40 250 
Пористість анода 0,1 0,6 
Диф. здатність анода 10-16 10-11 
Анодна провідність 1 100 
 
Хоча швидкість циклування є робочою умовою, а не змінною конструкції 
гнізда, необхідно дозволити їй вільно змінюватися в межах проєктного 
простору, щоб задовольнити вимоги до живлення. 
Методика моделювання та наступна оптимізація не обмежуються якими-
небудь конкретними умовами експлуатації. Можливість вільної зміни 
швидкості циклу дозволяє нам одержати оптимальну конструкції гнізд для 
відповідності різним прикладним вимогам. 
 Серед 5 змінних електрода пористість, товщина, і, до деякої міри, розмір 
часток можуть контролюватися в процесі виробництва, в той час як дифузійна 
здатність та провідність є властивостями матеріалу. Однак існують істотні 
відмінності в значеннях коефіцієнтів переносу. 
Щоб досягти оптимальності, гніздо повинно збалансувати енергетичну 
ємність із вимогами до іонного, в той же час мінімізуючи омічні втрати. Серед 
12 розрахункових змінних швидкість циклування визначає щільність струму а, 
отже, гальваностатичні граничні умови. 
Низька швидкість циклування необхідна для максимізації щільності 
енергії, тому що вона зменшує омічні втрати. Товщина сепаратора визначає 
кількість електроліту в області сепаратора. З п'яти змінних електрода товщина 
та пористість визначають кількість активних матеріалів, доступних для процесу 
44 
 
інтеркаляції літій-іонів, і кількість електроліту, доступного для іонного 
транспорту. Товщина та пористість електродів разом з товщиною сепаратора 
визначають масу гнізда і, отже, її щільність енергії. Дифузійна здатність і 
провідність є транспортними параметрами, які впливають на надлишкову 
концентрацію в гнізді, в той же час як розмір часток впливає на щільність 
енергії, змінюючи довжину дифузійного шляху та площу міжфазної поверхні. 
Діапазон провідності для обох електродів високий у порівнянні із 
провідністю чистих активних матеріалів в кожному електроді. Ці значення 
відображають підвищену електронну провідність після додавання вуглецевих 
добавок в тверду матрицю. Клітинна модель явно не враховує вплив вуглецевих 
добавок на ефективний транспорт. 
Однак, використання високої провідності дозволяє створювати теоретичні 
гнізда, які мають продуктивність, більш репрезентативну в порівнянні з тією, 
що може бути отримана на практиці. Було проведено дев'ять різних оптимізацій 
при кожному обмеженому енергоспоживанні. 
Оптимізація ініціюється з випадкових точок проєктування, щоб зменшити 
імовірність збіжності оптимізації до локальних оптимумів. Через випадковий 
характер початкових точок і допусків збіжності оптимізації існують деякі 
відмінності між результатами з погляду кількості необхідних ітерацій та 
оптимальних рішень. Результати різних запусків оптимізації в сукупності 
представлені у вигляді графіків. Поле представляє діапазон, а лінія в центрі 
представляє медіану. 
При відсутності потреби в живленні гнізда максимальної щільності можна 
добитися з використанням малого струму розряду, що дасть мінімальне омічне 
падіння. Напруга гнізда повинна бути якнайближче до напруги розімкнутого 
ланцюга, в результаті чого, конструкція гнізда буде мати максимальну товщину 
та мінімальну пористість через низьку вимогу до швидкості переносу іонів. 
Максимальна щільність енергії виникає в лівому нижньому куті 
розрахункового простору, що приводить до простого оптимального рішення, в 
якому швидкість циклування та розмір часток позитивного електрода 
45 
 
перебувають на своїх нижніх границях. 
На рис. 2.3 наведена найпростіша діаграма, де швидкість циклування та 
розмір часток єдині змінні. 
 
 
Рисунок 2.3 – Контурний графік щільності енергії в залежності від збільшення 
швидкості циклування та розміру часток 
 
Максимальна щільність енергії досягається при мінімальній швидкості 
циклування та розмірі часток. Тому значима проблема проектування гнізд 
повинна враховувати, як на конструкцію гнізд впливають вимоги до живлення. 
У міру збільшення потреби в електроенергії проєктний простір, здатний 
задовольнити цю вимогу, стає меншим. У цьому випадку щільність потужності 
в основному залежить від швидкості циклування. 
Графічне відображення простору проєктування та цільової функції ясно 
показує, що швидкість циклування повинна збільшуватися в міру збільшення 
потужності, в той час як конструкція гнізда з максимальною щільністю енергії 
має найменший розмір часток незалежно від необхідної потужності. 
Завдання оптимізації розширене до повного простору проєктування з 12 
змінних проєктування. Потенціал використання структури оптимізації на основі 
градієнта при проєктуванні гнізда демонструється шляхом максимізації її 
46 
 
гравіметричної щільності енергії при різних питомих потребах в потужності. 
Обмежена споживана потужність збільшується з 50 Вт/кг/м2 із кроком 50 
Вт/кг/м2 до 1500 Вт/кг/м2. В цей момент подальше збільшення потужності 
можливе тільки за рахунок розширення верхньої границі швидкості 
циклування. Конкуруючі ефекти збільшення потужності та зменшення енергії 
при більш високій потужності утворюють фронт Парето. У цьому випадку 
фронт Парето формується з безлічі точок з максимально досяжною 
енергетичною ємністю гнізда для кожного необхідного рівня потужності. 
 
2.3.3 Порівняння структури літій-іонної батареї та твердотільної 
батареї 
 
 
Рисунок 2.4 - Основні шари літій-іонної батареї та батареї із твердотільним 
електролітом 
 
На рис. 2.4 відображені структури літій-іонної та твердотільної батареї. 
Звичайний літій-іонний акумуляторний елемент складається із трьох основних 
шарів: позитивний електрод або катод, негативний електрод або анод і 
пористий полімерний сепаратор, що розділяє електроди. А також два 
електричні контакти по одному на кожному електроді. Електроди зроблені з 
часток матеріалу, здатного накопичувати енергію. Все гніздо залите рідиною, 
47 
 
яка служить електролітом, через середовище якого проходять іони літію. 
 
 
Рисунок 2.5 - Частки катодного електрода 
 
Кожна катодна частка складається з літій утримуючого оксиду металу: 
оксиду літію, нікелю, марганцю, кобальту. Дані елементи утворюють стабільну 
структуру, що втримує іони літію, коли акумулятор перебуває в розрядженому 
стані. Частки проходять через пори в сепараторі, на шляху до анода, там літій 
попадає в частку анода, що зазвичай складається з шарів вуглецю. 
В твердотільній літій-металевій батареї є 2 основних шари: катод і 
позитивний електрод з електричним контактом та твердотільним керамічним 
сепаратором, який заміняє пористий полімерний сепаратор, що 
використовується в звичайних літій-іонних батареях. В місці, де раніше був 
анод тепер тільки електричний контакт, частки залишають катод, подорожуючи 
по атомним решіткам до непористого твердотільного керамічного сепаратора. 
Як тільки літій проходить через сепаратор, він осаджується між сепаратором і 
електричним контактом. Анод з металевого літію дозволяє зберігати енергію в 
меншому об’ємі, але забезпечує більш високу щільність енергії в порівнянні із 
звичайною літій-іонною батареєю. 
Розглянувши структуру, можна підсумувати, що твердотільна батарея 
більш компактна в плані розташування в електромобілі. А також найменш 
схильна до загоряння завдяки виключенню зі складу рідкого електроліту, що 
випаровується при нагріванні. 
 
48 
 
2.3.4 Чутливість при оптимальних умовах 
 
Потім розрахункові змінні оптимальних конструкцій гнізд для різних 
вимог до потужності кількісно оцінюються з погляду їх чисельних значень і 
впливу на оптимальні конструкції. У табл. 2.3 наведено чутливість щільності 
енергії відносно змінних в оптимумах. Зверніть увагу, що, оскільки існує 
оптимальна проектна точка для кожної необхідної потужності гнізда, було б 
занадто громіздко показувати чутливість кожної змінної для всіх оптимальних 
точок. Отже, середню чутливість по всіх оптимумах наведено в табл. 3.3, щоб 
дати якісне порівняння відносного впливу змінних на щільність енергії. 
Дослідження чутливості показують, що морфологічні параметри, такі як 
товщина кліток і розміри часток, виявляють набагато більший вплив на 
щільність енергії, чим параметри переносу, такі як коефіцієнти дифузії та 
провідності. В середньому вплив транспортних параметрів на порядок нижче, 
чим вплив інших параметрів. 
Таблиця 2.3 – Конструктивні змінні та їх чутливість при оптимальних 
конструкціях 
Змінна Оптимізаційні проектні 
значення Середня чутливість, % 
Швидкість циклування 0,2-0,94 2,3 
Товщина сепаратора 10 0,25 
Розмір часток катода 0,2 0,34 
Товщина катода 133,4-250 0,34 
Пористість катода 0,13-0,54 0,3 
Диф. здатність катода 1,09·10-2-10-11 0,028 
Провідність катода 80,03-100 0,043 
Розмір часток анода 0,5 0,054 
Товщина анода 67,3-163,7 1,3 
Пористість анода 0,14-0,33 0,37 
Диф. здатність анода 1,66·10-12-10-11 0,029 
Анодна провідність 1,3-100 0,029 
 
У табл. 2.3 наведені діапазони розрахункових змінних для відповідних 
вимог до живлення гнізда. Залежно від вимог до потужності змінюються 
49 
 
конструктивні змінні, однак товщина сепаратора та розміри часток електрода 
незмінно сходяться до їхніх мінімальних меж. 
Товщина сепаратора сходиться до мінімальної межі для оптимальної 
конструкції гнізда. Сепаратор не робить внеску в фізичну модель гнізда, тому 
що там не відбувається ніяких електрохімічних реакцій. Призначення іонів в 
сепараторі полягає винятково в переносі зарядів з одного електрода на іншій. 
Тому товщина сепаратора впливає тільки на вагу гнізда, яка повинна бути 
зведена до мінімуму, щоб максимізувати щільність енергії. В практичній 
конструкції гнізда повинна бути мінімальна товщина сепаратора, щоб запобігти 
короткому замиканню через дендритні нарости на електродах. 
Бажані менші розміри часток, так як вони значно скорочують довжину 
дифузійного шляху іонів літію в електродах, а також збільшують площу 
поверхні розподілу. Достатня площа міжфазної поверхні розділу важлива для 
забезпечення адекватної швидкості переносу іонів між двома фазами. 
Розмір часток в електроді неоднорідний, але має розподіл по розміру та 
співвідношенню сторін. Вплив розподілу часток по розмірах було досліджено 
Дарлінгом та Ньюманом. Автори показали, що електроди з розподілом часток 
по розмірах мають більший твердофазний опір та більш тривалий час 
релаксації, чим електрод з рівномірним розміром часток. Частки різних 
розмірів також мають різну щільність пакування в порівнянні з однорідними 
частками і ці розбіжності в розмірах впливають на пористість електрода. 
Можна оптимізувати пористість електрода для максимального використання, 
змінивши розподіл часток по розмірах. Однак такого точного контролю над 
просторовим розподілом всередині електрода важко досягти на практиці, і 
виграш в щільності енергії незначний у порівнянні з оптимально 
спроєктованим гніздом з рівномірним розподілом пористості. 
 
  
50 
 
2.3.5 Товщина та пористість електрода 
 
Розглянемо морфологічні змінні електрода при оптимальних рішеннях. На 
рис. 2.7 показано оптимальні значення товщини та пористості електрода при 
зміні швидкості розряду. 
 
 
Рисунок 2.7 - Зміни товщини електрода та пористості оптимальних конструкцій 
гнізд в залежності від потужності 
 
При збільшенні швидкості розряду важливіше використовувати більш 
тонкий та пористий електрод для виконання вимог до швидкості переносу. 
Комбінація зменшеної товщини електрода та збільшеної пористості зменшує 
кількість активних матеріалів у гнізді і, отже, знижує енергетичну ємність 
гнізда. 
На рис. 2.7 показано, що оптимальна конструкція гнізда потребує більш 
товстий та пористий позитивний електрод в парі з більш тонким, менш 
пористим негативним електродом. Це пов'язано з різницею в об'ємних 
кулонівських ємностях між двома електродами (633 мА·год/см3 проти 841 
51 
 
мА·год/см3). Тому, позитивний електрод товстіше негативного, щоб 
збалансувати ємність заряду. Більш висока пористість потрібна в товстому 
електроді, щоб забезпечити адекватну швидкість переносу іонів, що, у свою 
чергу, приводить до того, що електрод стає ще товстіший. Це показує, що для 
досягнення оптимальної щільності енергії необхідно, щоб товстий електрод або 
мав дуже високий коефіцієнт переносу, або був виготовлений із дрібних часток, 
щоб відповідати вимогам масопереносу та максимізувати ефективність 
упакування активних матеріалів. 
Співвідношення позитивних та негативних речовин, задано: 
 
Y L
= +ε +ρ+
M       (2.4) 
L−ε −ρ−
 
де  L - це товщина, електрода,  
ε - масова частка активних матеріалів,  
ρ - щільність твердого тіла, 
знаки + і - позначають позитивний і негативний електроди відповідно. 
 
Оптимальні масові співвідношенню перебувають в проміжку від 2,77 до 
2,85, як показано на рис. 2.8. Оптимальним співвідношенням є 2,8. Результати 
оптимізації також показують, що оптимальне співвідношення маси для добре 
спроєктованого гнізда не є постійним значенням, а є лінійною функцією 
потужності гнізда, хоча загальна зміна співвідношення маси становить менше 
3 %. Від позитивного до негативного коефіцієнт ємності заряду електрода 
також показаний на рис. 2.8 і представлений у такий спосіб: 
 
q + ∆
YC =Y y
M       (2.5) 
q −∆ x
 
де  q - кулонівська ємність активного матеріалу, мА·год,  
Δy і Δх - зміни стехіометричних коефіцієнтів в катоді і аноді. 
52 
 
 
Рисунок 2.8 - Співвідношення маси активного матеріалу та ємності заряду для 
оптимальної конструкції гнізд 
 
Для всіх оптимізованих гнізд існує баланс між співвідношенням 
позитивних і негативних зарядів. Це результат збереження заряду. Якщо 
прийняти до уваги стан заряду, що залишився в гнізді при напрузі відсічення, 
фактичний коефіцієнт ємності варіюється від 0,99 до 1,02. Невеликий 
дисбаланс у співвідношеннях потужностей максимізує діапазон заряду батареї 
SOC, протягом якого напруга гнізда перевищує напругу відсічення, і згодом 
максимізує кількість корисної енергії, виділеної під час гальваностатичного 
розряду. В практичних конструкціях гнізд негативний електрод часто має 
більшу ємність, щоб забезпечити повне використання позитивного електрода та 
компенсувати втрату циклованого літію через побічні реакції, такі як утворення 
шару розділу твердих електролітів (SEI). Такі побічні реакції не включені в 
поточну модель, і їх вплив на поведінку кліток ігнорується. Близькість 
коефіцієнтів ємності до одиниці для оптимальних конструкцій гнізд при будь-
яких вимогах до потужності підтверджує підхід, що вимагає балансу заряду в 
електродах для попереднього проєктування гнізд. 
53 
 
2.3.6 Провідність і дифузійність 
 
При запуску оптимізації з різних початкових точок, значення дифузії та 
провідності не сходяться до певних значень при оптимальних конструкціях. 
 
 
Рисунок 2.9 - Варіації дифузії при оптимальних конструкціях гнізд 
 
Дифузія повинна бути високою при оптимальних конструкціях гнізд, щоб 
полегшити рух іонів. 
Діапазон значень провідності, використаний у дослідженні, відображає 
катод, вже легований вуглецевими добавками, що підвищують провідність. 
Однак, у даному діапазоні продуктивність гнізда не чутлива до змін. Діапазони 
дифузії при оптимальних конструкціях гнізд наведено на рис. 2.10, де показані 
зміни дифузії у всьому діапазоні дифузії. У всіх випадках значення 
дифузійності оптимальних конструкцій сходяться близько до верхньої межі, 
причому значення варіюються від 1012 до 1011 м2/с. 
 Враховуючи, що межа дифузії охоплює 5 порядків величини, оптимальні 
діапазони досить малі. Продуктивність літій-марганцевих батарей пов'язана з 
безрозмірним часом τ, який визначається як відношення між часом розряду tdis 
54 
 
та часом дифузії tdif [29], тобто: 
 
t 2
τ = dis ; t r
=        (2.6) 
t dif
dif Ds
 
де  r і Ds - радіус твердих часток і об'ємна дифузія в позитивному електроді. 
 
 
Рисунок 2.9 - План розподілу дифузії при оптимальній конструкції гнізд 
 
Конструкції гнізд, для яких τ більше одиниці, демонструють дуже незначне 
збільшення енергетичної ємності при подальшому збільшенні дифузійної 
здатності. Усі оптимальні конструкції сходилися до найменших розмірів 
часток, заданих нижньою межею, і, отже, це приводить до дуже великого τ, 
навіть при високих швидкостях циклу, так що гнізда обмежені дифузією тільки 
тоді, коли об'ємна дифузія близька до нижньої межі 10-16 м2/с. 
Для вивчення впливу дифузійності на щільність енергії в оптимальних 
розрахункових точках проводиться одномірне розгорнення дифузійності з 
фіксованими всіма іншими розрахунковими параметрами. Відмінності між 
55 
 
щільністю енергії та максимально досяжними значеннями побудовані в 
залежності від об'ємної дифузії та безрозмірного часу τ на рис. 2.10. Показаний 
вплив дифузії на щільність енергії при чотирьох репрезентативних швидкостях 
розряду. Значення безрозмірного часу τ при оптимальних конструкціях гнізд 
для всіх чотирьох гнізд набагато більше одиниці. Оскільки значення τ 
зменшується зі зменшенням дифузійності, щільність енергії гнізда також 
зменшується, але зменшення не є значним. 
 
 
Рисунок 2.10 - Зміна щільності енергії залежно від нормованої дифузійності 
 
Згідно рис. 2.10, зниження щільності енергії становить більше 1 % тільки 
тоді, коли анод τ близький до значення одиниці, що відповідає зниженню 
дифузійності на три порядки від її оптимальних значень. На рис. 2.10 показано, 
що вплив дифузійності на щільність енергії збільшується по мірі збільшення 
потреби в енергії гнізда. Цього слід очікувати, оскільки більш висока 
потужність гнізда вимагає більш високої ефективної швидкості дифузії, яка 
56 
 
прямопропорційна об'ємній дифузії. 
Ціль проведеного тут аналізу полягає в тому, щоб кількісно оцінити вплив 
дифузійності на продуктивність кліток. Результати табл. 2.3 і рис. 2.10 
показують, що гнізда з неоптимальною дифузією піддаються лише невеликому 
зниженні щільності енергії, якщо можна гарантувати оптимальність інших 
розрахункових змінних. 
 
2.3.7 Практична оптимізація батареї 
 
Результати дослідження дали теоретичні рекомендації з оптимізації 
продуктивності батареї. Максимізація щільності енергії літій-іонного елемента 
батареї вимагає комбінації оптимального інженерного проєктування, що 
забезпечується за допомогою чисельної оптимізації, а також точного 
виробничого контролю над проєктними параметрами. Оптимальне 
співвідношення маси часто згадувалося в експериментальних і імітаційних 
дослідженнях як ключ до максимізації ємності батареї. Це в основному функція 
ємності заряду активних матеріалів, однак вона також залежить від інших 
аспектів, таких ємність, що залишилася, при напрузі відключення та кількість 
літію, втраченого в шарі стику твердого електроліту. 
Врахування додаткових факторів приводить до відхилення відношення мас 
від оптимального, заданого балансом ємності заряду, і точне значення може 
бути отримане за допомогою результатів оптимізації. Морфологічні зміни, 
викликані навантаженнями зовнішнього тиску на батарею, необхідно 
враховувати, щоб забезпечити правильний розподіл пористості електрода для 
задоволення вимог до масопереносу. 
Стискання електродів через складання батареї або механічного 
навантаження може змінити склад пористості на цілих 40 %. Тому важливо 
змоделювати зовнішнє середовище акумуляторного блоку, щоб гарантувати, 
що властивості електродів після складання максимально наближені до 
теоретичних рекомендацій із проєктування. Контроль якості електродних 
57 
 
матеріалів є ключовим аспектом забезпечення високої щільності енергії. 
Процесорний час і кількість ітерацій, необхідних для досягнення збіжності, 
наведено на рис. 2.10. Через рандомні початкові точки кількість ітерацій, 
необхідних для досягнення збіжності, значно відрізняється. Середній час 
процесора зменшується по мірі збільшення енергоспоживання гнізда. 
Оптимізація для гнізда 50 Вт/кг/м2, що відповідає циклічній швидкості в 0,2 с, в 
середньому потрібно 62 години для досягнення конвергенції; в той же час як 
гнізду 1500 Вт/кг/м2 (9 с) потрібно близько 26 годин. Це пов'язано з тим, що 
малопотужне гніздо вимагає більше часових кроків для досягнення напруги і, 
отже, вимагає більш тривалого процесорного часу на оцінку функції. 
 
 
 
specific power density (W/kg/m2) 
Рисунок 3.9 - Кількість ітерацій та час оптимізації залежно від спожитої 
потужності 
 
Висновки до другого розділу 
 
Вивчивши докладно акумуляторні батареї, можна зробити висновок, 
акумулятор автомобіля - одна з перших необхідних частин при запуску 
автомобіля. Вона служить першим джерелом електроенергії для пускового 
двигуна, щоб запустити акумулятор.  
Батареї - важливий винахід у сучасному світі, тому що вони портативні та 
58 
 
зручні. Швидкість розробки батареї збільшується, і вважається, що потенціал 
для вироблення енергії безмежний. 
Основною характеристикою батареї є її питома енергія, якщо говорити про 
масу, або щільність, якщо мова йде про об’єм. Літій-іонні акумулятори в 
порівнянні з іншими мають найбільшу питому енергію та високу щільність 
енергії. Однак зі збільшенням щільності енергії, зменшується показник питомої 
енергії. Отже, високоенергетичні елементи підходять для застосування в 
електромобілях, де процес розряду батареї розподіляється на тривалий період і 
потрібен достатній діапазон пробігу авто. 
В даному дослідженні розробляється нова чисельна структура, з метою 
автоматизувати проектування гнізд та забезпечити математично оптимальні 
конструкції. 
Тут показана конструкція гнізда, що враховує як морфологічні, так і 
транспортні параметри, і кількісно визначені чисельні співвідношення зміни 
оптимальних параметрів електрода залежно від спожитої потужності.  
Усі оптимальні конструкції батареї мають мінімальний розмір часток і 
товщину сепаратора, щоб мінімізувати довжину дифузійного шляху та 
зменшити масу неенергетичного компонента. 
Поточна структура здатна одержати математично оптимальні конструкції 
та забезпечити точні морфологічні параметри електродів, необхідні для 
досягнення максимальної щільності енергії. 
  
59 
 
РОЗДІЛ 3 РОЗРОБКА ДИЗАЙНА ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ, ОРІЄНТОВАНОГО 
НА ДИЗАЙН АВТОМОБІЛЯ 
 
3.1 Передумови до змін у дизайні електромобіля 
 
Існує необхідність вивчення конструкції автомобілів з двигунами 
внутрішнього згоряння минулих років. Це пов'язане з тим, що автомобілі тісно 
пов'язані з технологічними змінами та соціальними змінами, а дизайн найбільш 
швидко пристосовується до технологічних і соціальних змін. У суспільстві 
технологічного і соціального хаосу, яке швидко міняється, як це відбувається 
зараз, важко передбачити рух тільки в напрямку технологічного і соціального 
розвитку автомобіля. Звичайно, поява нових автомобільних технологій вимагає 
більших дослідницьких зусиль для прогнозування нових конструкцій, які 
можуть бути застосовані до цих технологій. Метою дослідження є активізація 
електромобілів, яка стоїть на початковому етапі трансформації в 
автомобільному дизайні. Початок змін в електромобілях - це також початок 
змін в автомобільному дизайні. Автомобільні компанії пропонують від 
невеликого до широкого діапазону дизайнерських рішень для автомобіля. 
Проектування електромобілів - це новий сенс для автомобільних 
дизайнерів. Інакше кажучи, важливість дизайну електромобілів росте більше, 
ніж технічна. Причина цього складається в тому, що електромобілі мають 
більш низький бар'єр входу, чим автомобілі з двигунами внутрішнього 
згоряння, і дизайнерські відмінності, а не технічні відмінності, покажуть 
реакцію ринку. Обумовлено це тим, що незважаючи на популяризацію 
електромобіля, даний вид транспорту однаково не часто виявляється на 
дорогах. 
Введення нового іміджу електромобілів є важливою частиною. В історії 
автомобілебудування автомобільні компанії другого рівня, які тільки почали 
свою діяльність (у Китаї), або ті, хто прагне вийти на автомобільний ринок, 
одержують таку можливість автомобільні компанії, що й існують, можуть 
60 
 
створити новий сектор ринку. Наприклад, якщо ви були дизайнером в 
Volkswagen, перейшли в Volvo Cars і стали дизайнером у якості глави Volvo 
electric car Polestar, це спростовує важливість дизайну. Конструкція 
електромобіля така ж, як і в стартової лінії. 
 
3.2 Методи дослідження 
 
Розвиток автомобільних технологій, очевидно, є зміною в автомобільному 
дизайні. В автомобільній техніці технологічний розвиток двигунів 
внутрішнього згоряння пов'язаний з розташуванням двигуна, і коли ви 
розумієте конструкцію автомобіля, формується і бачення авто в цілому. 
Приклад можна побачити на рисунку 9. 
Форма та пропорції автомобіля обрізалися протягом тривалого часу, і 
автомобіль був розділений відповідно до його використання. Багато 
автомобільних дизайнерів розуміють розташування двигуна тільки по 
зовнішньому вигляду автомобіля. Причина цього є в тому, що автомобіль із 
двигуном внутрішнього згоряння має функціональні особливості відповідно до 
положення двигуна, які видадуться формами, і дизайнер не випускає 
функціональні особливості відповідно до положення двигуна і природно 
впроваджує їх у стиль автомобіля. 
Зміна зовнішньої форми автомобіля, що пов'язана з положенням двигуна, 
який є двигуном внутрішнього згоряння, є майже остаточною. Досліджується 
діапазон від зміни форми автомобіля, пов'язаного з формою кузова по 
положенню двигуна, до прогнозування зміни положення акумулятора в 
електромобілі. В цьому дослідженні автономні автомобілі були виключені зі 
сфери дослідження. Вивчивши конструкцію автомобілів із двигунами 
внутрішнього згоряння, ми прогнозуємо зміни в конструкції електромобілів на 
основі технічного дослідження електромобілів. 
Коли конструкція автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння сильно 
класифікована, її можна розділити на ходову частину (шасі) та кузов (кузов). 
61 
 
Ходова частина автомобіля поділяється на раму, двигун, силову передачу, 
підвіску, рульове керування, гальмування, освітлення, а зовнішня частина 
автомобіля відповідає кузову автомобіля як частини скелету і каркаса. Зокрема, 
положення двигуна в конструкції цих автомобілів є найбільш впливовою 
частиною дизайну автомобіля. 
Класифікація по положенню і способу приводу двигуна автомобіля 
підрозділяється на спосіб приводу на передні колеса (тип FF), спосіб приводу 
на задні колеса переднього двигуна (тип FR), спосіб приводу на задні колеса 
заднього двигуна (тип RR), повний привід (тип 4WD). Тоді підхід до дизайну 
трохи відрізняється. Слід переглянути проектні показники, такі як висота 
виступаючого капота, яка була збережена через радіатор, розташований перед 
двигуном. Природно, такі поняття, як FF, FR і midship, також повинні бути 
заповнені. 
Можна розділити автомобілі на класифікацію у відповідності до типу 
двигуна автомобіля та класифікацію відповідно до розташування та способу 
приводу двигуна. Бензин, дизельне паливо, зріджений газ, гібридні, електричні 
і т.п. поділяються залежно від використання палива. Автомобіль, оснащений 
двигуном внутрішнього згоряння, що працюює на бензині, є бензиновим 
автомобілем, автомобіль, оснащений двигуном внутрішнього згоряння, що 
працюють на легкому маслі, є дизельним автомобілем, автомобіль, оснащений 
двигуном внутрішнього згоряння, що працює на зрідженому газі, є автомобілем 
на зрідженому газі, економічний автомобіль, що використовує два джерела 
живлення, є гібридним автомобілем, автомобіль з акумуляторною батареєю, та 
однак, зміна конструкції з установкою палива не виявляє істотного впливу на 
тип існуючого автомобіля, крім електромобілів, або класифікацію відповідно до 
розташування двигуна та способа приводу. 
62 
 
 
Рисунок 3.1 - Розташування двигуна 
 
На наведеному вище рисунку кольорова частина виділяє припустиме 
розташування двигуна автомобіля 
Структура автомобіля є важливим чинником в дизайні автомобіля. 
Розташування двигуна пов'язане з метою використання. 
Різниця у формуванні, видима по зовнішньому вигляду, в остаточному 
підсумку проявляється як різниця в структурі. 
В автомобільному дизайні найбільш впливовою є класифікація по 
положенню та приводу двигуна, яка становить досить велику частину 
автомобіля. Однак, в принципі, немає істотної конструктивної різниці між 
двигуном внутрішнього згоряння та зміною конструкції автомобіля. 
 
3.3 Дизайн електромобіля 
 
Електромобіль, як випливає из назви, - це автомобіль, який рухається 
тільки на електричній енергії. Немає вихлопних газів та шуму від існуючих 
автомобілів. В останні роки через зростання забруднення навколишнього 
середовища та нестачу ресурсів, на ринку тверда конкуренція за розробку 
електромобілів відповідних до екологічних аспектів. 
Насправді електромобілі історично розвивалися в той час, коли вони були 
63 
 
схожі на автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння. Він був вперше 
розроблений в 1873 році, і навіть першим, хто подолав 100 км/год, був 
електромобіль, а не автомобіль із двигуном внутрішнього згоряння. Однак 
електромобілі на той момент минулого були слабкі по продуктивності через 
технічні обмеження, і було багато серйозних проблем, таких як висока вартість, 
важка батарея та тривалий час заряджання, в той час як автомобілі із двигунами 
внутрішнього згоряння були оснащені відмінною продуктивністю та швидкістю 
завдяки системам масового виробництва і безперервним поліпшенням. 
Електроніка в той час не була дослідженою наскільки, щоб змагатися по 
продуктивності зі швидким розвитком двигуна внутрішнього згоряння. 
Зрештою, електромобілі втратили свою конкурентоспроможність і зникли з 
ринку. 
Двигун внутрішнього згоряння, генерує тепло, яке робить двигун гарячим. 
Решітка радіатора, обладнання, яке буде прохолоджувати гарячий двигун, і дві 
вихлопні труби, одна з яких повинна випускати після спалювання викопного 
палива. Ці два фактори є важливими факторами в створенні іміджу дизайну 
автомобіля. Адже в електромобіля немає вихлопної труби, що вже є відмітною 
рисою в дизайні. 
 
3.4 Особливості дизайну 
 
Після інциденту з дизельгейтом Volkswagen електромобілі вже викликали 
в багатьох цікавість і зайняли певне місце на ринку авто споживачів. Стала 
з'являтися потреба в оригінальному дизайні електромобілів, а не в 
автомобільному дизайні через структурну асоціацію існуючих автомобілів з 
двигунами внутрішнього згоряння. 
Електромобілі - це область, в якій дизайн має нескінченний потенціал для 
розвитку в майбутньому, оскільки автомобільні компанії прагнуть розвиватися. 
Сама більша проблема з електромобілями - це батареї, які є джерелом енергії. 
Мінімальна вага, невисока вартість та короткий час зарядки акумулятора є 
64 
 
необхідними умовами для практичного використання електромобілів. Крім 
того, зарядні станції повинні бути більш популярними. Експерти стверджують, 
що "електромобілі тепер не є машинами уяви. В усьому світі продаж 
електромобілів стрімко зростає з кожним роком. Перевага електромобілів в 
тому, що це "чисті автомобілі, які не виділяють вихлопних газів", але насправді 
це не так. Положення двигуна існуючого автомобіля з двигуном внутрішнього 
згоряння є важливим чинником при проектуванні. 
Зміни в деталях впуску та капота, а також вихлопні труби є важливими 
конструктивними елементами конструкції, але у випадку електромобілів вони 
відсутні в конструктивних елементах через конструктивні причини двигуна 
внутрішнього згоряння. 
Чим більше точка капота розташована позаду, тим більше може бути 
двигун і тем менше внутрішній простір. 
Машинне відділення настільки велике, що природно створюється образ 
високої продуктивності. Для автомобільних компаній BMW вони мобілізують 
технології та засоби, щоб розмістити точки капота набагато далі назад для 
одержання високопродуктивного простору. Однак самі електромобілі не мають 
відносно великого машинного відділення, тому формування автомобіля разюче 
відрізняється. 
По-перше, це можна вважати високої енергоефективністю. Бензинові 
автомобілі споживають тільки близько 30% енергії, якої має бензин, і 
використовують її як рушійну силу, але електромобілі перетворять близько 80% 
електричної енергії в рушійну силу. Є певні втрати в процесі виробництва або 
поставки електроенергії, але дуже мало втрат енергії. Крім того, зарядка з 
використанням недорогої нічної електрики коштує всього близько однієї 
десятої бензинового автомобіля, який може похвастатися низькою витратою 
палива. Енергія вітру або використання електроенергії, виробленої сонячною 
енергією і т.п. 
По-друге, немає необхідності в передачі. Бензинові автомобілі повинні 
регулювати швидкість і кількість оборотів з трансмісією, тому що ефективність 
65 
 
двигуна може бути перетворена в рушійну силу, і залежить від кількості 
обертів. Однак у випадку електродвигунів існує невелика різниця в 
ефективності перетворення потужності в потужність приводу незалежно від 
кількості обертів. Так що в передачі немає необхідності. Коли вам потрібна 
більша потужність, ви можете поставляти більше енергії. 
По-третє, електромобілі мають дуже потужне прискорення при 
коливаннях. Це пов'язане з тим, що двигун може виявляти велике зусилля при 
запуску обертання з нерухомого стану. Потужне прискорення коливань - 
відмінна особливість електромобілів. 
Що важливо в автомобільному дизайні, так це те, що, коли визначається 
призначення автомобіля, відповідно визначається і структура автомобіля. 
Структура заданого автомобіля - це робота зі створення важливої форми 
автомобільного дизайну. Інакше кажучи, все починається з фізичної форми 
формувального елемента, з якого складається кузов автомобіля. Крім того, 
дизайн автомобіля починається з важливого положення двигуна в двигуні 
внутрішнього згоряння, унікального формувального образа автомобіля, який є в 
кожної автомобільної компанії, і роботи дизайнера, щоб виявити пропорції 
автомобіля. 
Пропорційність автомобіля - це не зміна технології залежно від положення 
двигуна, а скоріше унікальний формувальний образ, який є в кожної компанії, і 
важлива основна маса автомобіля, базова рама автомобіля, а також поділ 
простору по положенню і пропорційності елемента дизайну. Зміна технології в 
деталях є характерним чинником, що визначають стиль багатьох автомобілів. 
Невелика технічна відмінність або технічна перевага, створена з технічних 
причин, необхідним для водіння автомобіля, може здатися важливою 
формуючою частиною дизайну автомобіля через різницю в пропорціях, яка є 
елементом дизайну автомобіля. Ця зміна в тонкій автомобільній технології не 
випускається з виду положенням двигуна та метою використання, але 
формуючим вираженням автомобільного дизайнера. 
 
66 
 
3.5 Зміни в дизайні автомобілів. Вплив на електричні автомобілі 
 
На початку диверсифікованості автомобільних технологій проблема 
дизельних автомобілів, викликана інцидентом з маніпуляцією вихлопними 
газами Volkswagen, стала серйозною проблемою в усьому світі, і в міру того, як 
проблема забруднення повітря, викликаного різким зростанням кількості 
автомобілів в Китаї, на інтерес до електромобілів сильно вплинула проблема 
екологічно чистих автомобілів. Зокрема, у випадку зі звичайними 
електромобілями, автомобіль Tesla Ілона Маска у США, який призначений для 
пасажирів, сигналізував про початок швидких змін через розширення ємності 
акумулятора за рахунок високої продуктивності та більшого розміру 
автомобіля у вигляді спортивного автомобіля. Такі технічні перетворення були 
виявлені в багатьох місцях у конструкції автомобілів, сигналізуючи про 
початок змін в період технічних перетворень. Відповідно до таких змін 
автомобільний дизайн зміниться на вільну та чуттєву форму з активацією 
електромобілів. 
У випадку електромобілів, а не існуючого ринку автомобілів із двигунами 
внутрішнього згоряння, вихід на ринок набагато простіше. 
Томас Інгенлат, виконавчий директор Polstar, сказав, що Polstar 2 був 
"побудований відповідно до моделі Tesla 3". Volvo та китайська Geely 
інвестують в Polstar 755 мільйонів доларів. Volvo була придбана Geely в 2010 
році. Polstar робить автомобілі на новому заводі в Ченду, Китай. Ця новина 
відразу стала важливим ключем до розуміння важливості дизайну в 
електромобілях. 
Передбачається, що проектування електромобілів буде мати аналогічний 
процес. У випадку Volkswagen Golf у Німеччині найпростіше виразити, що 
існуючий автомобіль перетвориться в електромобіль (е- golf) на рамі для Golf. 
Крім того, перетворення гібридних автомобілів в електромобілі також є 
новою частиною дизайну нового електромобіля, не наносячи збитку іміджу 
існуючого автомобіля із двигуном внутрішнього згоряння. Є приклади, коли 
67 
 
представницька компанія перетворила іонний гібридний автомобіль Hyundai в 
електромобіль, а також EQC Mercedes Benz і e-tron Audi, які використовують 
пропорції існуючих автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння. Його 
нелегко відрізнити від існуючих автомобілів. 
Він також розроблений і розроблений винятково для електромобілів, щоб з 
самого початку перетворити та відрізнити від існуючих автомобілів з ДВЗ. 
Інакше кажучи, у випадку нового електромобіля, який не є звичайним 
зображенням автомобіля, представницькою компанією є BMW i-3. BMW i-3-це 
серійний електромобіль із іншою мовою дизайну, чим у існуючого ДВЗ. В 
останні роки електромобілі Honda EV були представлені на Токійському 
автосалоні з двома концепт- карами. І це небагато відрізняється від Tesla Motors 
в Сполучених Штатах, яка із самого початку робить електромобілі не 
традиційним способом. 
Якщо Тесла, то це перший електромобіль, який буде застосований до 
британської Lotus Elan, невеликої автомобільної компанії з ручним керуванням, 
яка робить існуюче скловолокно, а потім буде застосований до електромобілів 
із власним дизайном. Крім того, високопродуктивний електромобіль Faraday 
Future також готовить електромобілі для ринку. 
 
3.6 Аналіз майбутнього напрямку формувания електромобілів 
 
Компанією трансформації що найшвидше розвивається не випадково стала 
Tesla, серед усіх існуючих компаній на ринку. 
Після інциденту з маніпуляцією викидами Volkswagen у Німеччині 
автомобільні компанії почали діяти всерйоз. Крім того, Китай, який, схоже, вже 
не має ніяких шансів із двигунами внутрішнього згоряння, перебуває в центрі 
досліджень електромобілів на ранній стадії, тому темпи змін в електромобілях в 
майбутньому прискоряться. 
Як видно з описаних раніше змін в індустрії камер, автомобілі з ДВЗ 
представлені звичайною конструкцією склянної коробки. Дизайн скляної 
68 
 
коробки - це скляна коробка, тому функція інтер'єру видна, і функція може бути 
виведена тільки з зовнішньої форми. Однак у випадку електромобілів може 
бути представлений дизайном чорного ящика (Black box design 10). Дизайн 
чорного ящика - це чорний ящик, який не видний всередині, що ускладнює 
асоціацію функції з формою. Той факт, що такі внутрішні функції та зовнішні 
форми не аналогічні тим, які перетерпіли ці зміни, в основному обумовлений 
цифровим перетворенням продуктів. 
Конструкція скляної коробки являла собою автомобіль, який був 
розроблений відповідно до тонких технічних змін в звичайному авто, а 
технологія використання електродвигуна в двигуні внутрішнього згоряння 
дозволила створити новий дизайн (дизайн чорного ящика), який повністю 
змінив раму. Інакше кажучи, "форма", що з'явилася в дизайні продукту в 
минулому, слідує за функцією. Термін"форма" іде за чуттєвістю, "форма іде за 
інтуїцією". Це стало ситуацією, яку можна було б застосувати як Стефан 
Сагмейстер (1962 -) Графічний дизайнер Стефан Сагмейстер (1962 -) 
Історія візуального дизайнера BEAUTY=FUNCTION стала епохою, коли 
слово BEAUTY=FUNCTION широко використовувалося в дизайні. 
Зміни в дизайні інтер'єру електромобілів: дизайн від численних кнопок до 
сенсорних екранів стає досить простим. Пройшло вже багато часу з тих пір, як 
це явище з'явилося в електроніці. 
У випадку сучасних автомобілів вони складаються зі змішаних функцій 
(аналогових і цифрових), але вони розуміються як перехідні явища. Нинішні 
автомобілі з аналоговими кнопками та цифровими сенсорними екранами 
одночасно, імовірно, поступово пройдуть перехідний період і будуть замінені 
повністю сенсорними екранами. У цьому випадку важливість UX і UI, які на 
даний момент займають важливе місце в смартфонах, буде ще більше 
підкреслена в автомобільному дизайні. Це вже було випробувано, коли 
мобільні телефони були перетворені в смартфони. 
Навіть модернізація електромобілів працює як смартфон у випадку з Tesla 
Motors. Зовнішня форма електромобіля усе більш спрощується, а дизайн 
69 
 
інтер'єру автомобіля, як очікується, буде спрощений по зовнішньому вигляду. 
Це значно змінить дизайн автомобіля. Він зміниться швидше та значно, 
чим звичайні зміни. 
Точно так само, як швидкість змін у звичайних автомобілях з двигунами 
внутрішнього згоряння прискорилася, розвиток технологій автомобільної 
промисловості підвищив формованість автомобільних кузовів, що ще більше 
підвищило ступінь волі автомобільного дизайну. Зі змінами в майбутній 
технології електромобілів вже почалася поява досконало іншого типу 
мобільних засобів від нинішніх автомобілів з двигунами внутрішнього 
згоряння. Однак, коли ми бачимо, що високі технології також є продуктом 
потреб суспільства та навколишнього середовища, прогнози на майбутнє мають 
сенс, коли ми розглядаємо не тільки розвиток технологій, але і зміни в 
людському суспільстві. Ця зміна буде все більш складним процесом для 
операторів готових автомобілів, таких як традиційні автомобілі із ДВЗ У цьому 
випадку ринок електромобілів буде нагадувати ринок смартфонів. Смартфони 
вже є ультратонкими високопродуктивними комп'ютерами, а електромобілі 
слід розуміти як комп'ютери з колесами. Електромобілі створять новий ринок 
для переміщення комп'ютерів для організації людського життя. І це 
дослідження, нарешті, почалося як дослідження дизайну чистих 
електромобілів, за винятком автономних автомобілів, оснащених rider, але 
технологічний потік автономного водіння також може передбачити ще одну 
зміну пізніше. 
Тому ми можемо ретельно та всебічно передбачити наступні кілька змін. 
Першим прогнозом був випадок проходження існуючому формату, переходу 
від існуючої аналогової камери до цифрової камери через технологічні зміни. 
Існуючі аналогові камери були закріплені у вигляді камер через їхнє 
функціональне положення через важливість плівки. Через це засвоєна форма 
використання багатьма людьми створила стереотип, який має нинішня камера. 
Звичайно, ми пробували різні морфологічні експерименти в середині, але 
форма камери великого стебла не змінилася. З тих пір фільм перейшов у 
70 
 
цифровий формат без необхідності в різних форматах. Проте, він продовжує 
форму існуючої аналогової камери. І ще один прогноз заключається в тому, що 
у випадку Білла Могріджа, засновника IDEO Design у США, перший у світі 
дизайн ноутбука ("Grid Computer", випущений в 1982 році) був розроблений з 
врахуванням ваги зовнішнього (епідермального) дизайну, але в невеликому 
ЖК-Вікні, прикріпленому до ноутбука, всі зосередилися на важливості дизайну 
інтерфейсу, а пізніше IDEO design збільшив вагу дизайну програмного 
забезпечення (UX, UI).) Оскільки зміна в тонкому дизайні також є великою 
різницею, зміна зовнішнього дизайну кожної компанії мобільних телефонів, 
акцент на важливості (патентна боротьба Apple та кругле представництво 
мобільних телефонів Samsung), але загальний споживач не відчув великої 
різниці. Blackberry на середній чотирьохядерній клавіатурі також з'явився як 
перехідне дизайнерське вираження і з тих пор відійшов від споживчого вибору. 
Це, імовірно, важливий приклад аналогічного явища, застосовуваного до 
електромобілів. 
23-го лютого 2021 року компанією Hyundai Motor Group представлено 
новий автомобіль Hyundai Motor's Іoniq 5. Перша модель, заснована на 
платформі електромобілів Hyundai Motor Group E-GMP. Це автомобіль, який 
викликав великий інтерес як амбіційна робота Hyundai Motor Group, яка є 
повноцінним просуванням в епоху електромобілів. 
Презентація нового авто проводилася онлайн, тому модель ще не була 
повністю продемонстрована світу. Дві з них виставлені в будинку штаб- 
квартири Hyundai Motor Company у Яндже-Донгу, Сеул. 
Однак автолюбителі вже оцінили дизайн новітнього електромобіля. Сам 
кузов нагадує обрис коня, але з більш різкими прямими лініями. Ionic має 
загальну довжину 4,635 м. А колісна база (колісна база), яка відноситься до 
відстані між осями передніх і задніх коліс, становить 3,0 метра. 
Електромобілі як і раніше потребують охолодження, і загальне керування 
тепловим режимом стає все більш важливим. Однак для цієї мети кількість 
повітря, яку необхідно ввести в автомобіль, варіюється, тому у випадку з Ioniq 5 
71 
 
в нижній частині переднього бампера було використано «інтелектуальний 
контролер повітряного потоку». 
Дизайн передньої частини автомобіля нагадує людське обличчя. Якщо 
фари - це двоє очей, решітка радіатора була ключовим елементом в дизайні 
передньої частини, як ніс або рот. 
Кожний бренд вибирає, які зміни він внесе в цей фактор. У той час як деякі 
Tesla мають передню конструкцію без великих решіток радіатора, є BMW, які 
збільшують розмір решітки радіатора. 
 
  
72 
 
ВИСНОВОК 
 
В даній роботі представлений аналіз основних проблем літій-іонної 
акумуляторної батареї. Визначені основні проблеми деградації батареї. 
Сформована модель, що визначає процес в акумуляторній батареї для 
оптимізації конструкції гнізда з метою підвищення щільності енергії. У ході 
проведення дослідження було визначено вплив змінних на щільність енергії та 
продуктивність гнізда літій-іонної батареї. 
Щоб побудувати залежності, були взяті наступні матеріали елементів: 
катод - оксиду марганцю, анод - графіт, а в якості електроліту - 
гексафторфосфат літію в диетилкарбонаті. За допомогою методу чисельної 
оптимізації на одному гнізді була розроблена нова чисельна структура, здатна 
забезпечити математично оптимальні конструкції гнізда. 
Результати оптимізації показали, що збереження малого розміру часток 
важливе для мінімізації довжини дифузійного шляху. У той же час однорідність 
розмірів часток також має вирішальне значення для забезпечення високої 
кулонівської ємності. Удосконалений виробничий процес для мінімізації 
контактного опору на межах розподілу струмознімач/електрод також відіграє 
ключову роль у мінімізації перенапруги, яка не може бути врахована в моделі 
гнізда на основі транспорту.
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
