Новая концепція електромобіля

Новая концепція электромобиля

Нурбей Гулиа, Сергій Юрков Электромобиль — транспортний засіб, провідні колеса якого наводяться від електромотора питаемого электробатареей, з’явився вперше у 1838 року у Англії. Електромобіль істотно старше автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння. Спочатку вона випереджав автомобіль за швидкістю й обсягом випуску, але з зміг стати серйозним конкурентом автомобілю. На думку, це відбувається, переважно, через недоліків електромобілів, питаемых від электроаккумуляторов.

Вопреки поширеній думці про високої економічності акумуляторних електромобілів, аналіз показує, що хімічна енергія палива, спалюваного на електростанціях, використовується для руху транспортний засіб всього на 15% і менше. Це наслідок втрат енергії в лініях електропередачі, трансформаторах, преобразователях, зарядних пристроях для акумуляторів та тіла акумуляторах, электромашинах, як і тяговом, і у генераторному режимах, соціальній та гальмах при неможливості рекуперації енергії. Порівняйте, дизельний двигун на оптимальному режимі перетворює в механічну енергію близько сорока% хімічної енергії палива. При великому поширенні акумуляторних електромобілів, а особливо з урахуванням сказаного, їй бракуватиме електроенергії, вироблюваної електростанціями світу. Не слід забувати, що сумарна настановна потужність двигунів усіх автомобілів значно перевищує потужність всіх електростанцій мира.

Топливные элементы

Проблемы знімаються при харчуванні електромобілів від про первинних джерел електроенергії, які б виробляли енергію безпосередньо з палива. У перший чергу, такими джерелами є паливні елементи (ПЕ), споживають кисень і водень. Кисень можна забирати з повітря, а водень, у принципі, можна запасати стислому чи скрапленому вигляді, соціальній та про гидридах. Але реальніше його отримувати зі звичайного автомобільного палива безпосередньо в електромобілі з допомогою конвертора. Ефективність паливних елементів кілька знижується, але зате не змінюється усю інфраструктуру топливозаправочного господарства. ККД паливних елементів у своїй дуже високий — близько 50%. Такі паливні елементи і конвертори розроблено, зокрема, і російськими, підприємствами, з якими співпрацюють автори статьи.

Однако електромобіль з харчуванням — від паливних елементів не позбавлений загального нестачі - високої маси тягових електродвигунів транспортних засобів, розрахованих як на максимальні міць і крутний момент, і на максимальну частоту обертання. У цьому додаються і специфічні недоліки, характерні для паливних елементів. Це, по-перше, неможливість рекуперації енергії при гальмуванні, оскільки паливні елементи є акумуляторами, тобто вони що неспроможні заряджатися електроенергією, а по-друге, низька питома потужність паливних элементов.

При величезної удільної енергії паливних елементів (порядку 400…600Вт· ч/кг), питома потужність при економічному розряді вбирається у 60Вт/кг. Це масу паливних елементів для реальних потужностей, необхідних автомобілям, дуже великий. Наприклад, для електромобіля з максимальною потребной потужністю 100кВт і электробуса з максимальною потребной потужністю 200кВт, це відповідає масам паливних елементів 1670 і 3330 кг, відповідно. Якщо додати маси тягових електродвигунів, приблизно однакові 150 і 400 кг, відповідно, то виходять маси силових агрегатів, цілком неприйнятні для легкового електромобіля, і потребують п’ятитонного причепа для электробуса.

Делаются спроби зниження маси паливних елементів з допомогою як проміжних джерел енергії конденсаторних накопичувачів енергії, які мають високої удільної потужністю. Проте, і недостатньо ефективний, так як кращі сучасні конденсаторные нагромаджувачі, доступні для автомобільної техніки, мають удільні енергетичні показники близько 0,55Вт· ч/кг і 0,8Вт· ч/литр. У разі для накопичення всього 2кВт· ч енергії (це значення рекомендовано фахівцями як електромобілів, так электробусов), потрібно майже 3000 кг чи 2,5 м³ конденсаторів, що нереально. Менші значення запасаемой енергії істотно знижують динамічні якості машини. З іншого боку, при короткому замиканні потужні конденсатори можуть спалахнути, що дуже небажано для транспорту. Значно ефективнішим є використання кронштейна як проміжного нагромаджувача енергії супермаховика, з'єднаний з оборотного электромашиной.

Известные схемы

Супермаховик — маховик, виготовлений навивкой з волокон чи стрічок на пружний центр. Питома енергія супермаховика набагато більше значень даного параметра для кращих монолітних маховиків, при цьому він має здатність безпечного розриву, не що дає осколків [1].

Такие схеми здійснено у найновіших досвідчених зразках гібридних електромобілів фірм Mechanical Technology Inc.(США), EDO Energy (США), і відомої Ліверморській національної лабораторії (LLNL, США) [2]. Питома енергія супермаховиков з кевлара і графіту, досягає сотень Вт· ч/кг, знижує його необхідну масу за кілька кілограмів (при удільної енергії 200Вт· ч/кг, для накопичення 2кВт· ч знадобиться супермаховик масою всього 10кг). Проте електромашина нагромаджувача, необхідна тут крім тягового двигуна, і розрахована на максимальну міць і тому так важка, знижує ефективність цієї схеми. До того вона, як і тяговий двигун мусить бути оборотного (і мотором, і генератором), що додатково ускладнює привод.

Оригинальную схему гібридного силового агрегату з маховичным накопичувачем і электромеханическим приводом запропонувала, виготовила і пережила фірма «BMW «(Німеччина). Безсумнівним перевагою даного технічного рішення служить наявність лише однієї електромашини, що знижує масу чуток і наближає його до автомобільним схемами (мал.1). Тип маховика фірма «BMW «в звіті [3] не уточнює, тому використовуваний нагромаджувач умовно названо просто «маховичным».

.

Рис. 1. Схема гібридного силового агрегату з маховичным накопичувачем і электромеханическим приводом фірми «BMW «(Германия):

1 — джерело струму; 2 — систему управління; 3 — поправна електромашина; 4 — диференціальний механізм; 5 — мультиплікатор; 6 — маховичный нагромаджувач; 7 — головна передача Источник струму 1 через перетворювачі і системи управління 2 пов’язані з оборотного электромашиной 3, розрахованої на максимальну потужність електромобіля. Електромашина 3 через складний диференціальний механізм 4 з мультиплікатором 5 пов’язані з маховиком 6 нагромаджувача і головною передачею 7. Через війну маса джерела струму 1, наприклад, паливного елемента, то, можливо обрано з удільної енергії, а не удільної потужності, що знижує її для електромобіля і электробуса з пробігом, відповідно, 400 і 600 км до 100…150 і 700…1000кг. Це дуже прийнятно для даних транспортних средств.

Однако неодмінним недоліком всіх схем з електроприводом залишається наявність важкого і складного обратимого електродвигуна. Це позначається на економічності приведення й його масі, включно з системою перетворювачів струму. Потужна електромашина неекономічна під час роботи на малих потужностях, притаманних розгону (зарядки) маховичного нагромаджувача. З іншого боку, у схемі, крім головною передачі, присутній складний за конструкцією й управління диференціальний механізм з мультиплікатором й трьома системами фрикційного управління (муфтами чи гальмами), що ускладнює й робить дорожчим привод.

Концепция электромобиля

Новая концепція електромобіля, запропонована проф. Н. В. Гулиа, полягає у максимальному наближенні та уніфікація пристроїв електроі автомобіля. Це дозволяє гранично спростити і применшити масу силового агрегату транспортний засіб, збільшити його ККД і ефективність рекуперації енергії, і навіть уможливити використання існуючих шасі автомобілів і автобусів для установки силових агрегатів електромобілів і электробусов. Остання обставина має істотно здешевити машини, в у максимальному ступені уніфікувати виробництво з можливістю оперативно змінювати співвідношення кількості машин різних типів і програму їх випуску. З іншого боку, за бажання замовника, транспортний засіб то, можливо оснащено як джерелом механічної енергії (звичайним чи гібридним тепловим двигуном), і електричної (паливні елементи з супермаховиком), із установкою замінюваних агрегатів у тому руховому відсіку за повної збереженні всієї трансмиссии.

Такая трансмісія повинна бути розрахована з перспективи, і включатимуть не ступінчасту, а бесступенчатую коробку передач. Такі коробки передач вже досить випускаються з урахуванням ремінних вариаторов з різними типами ременів («тягнуть» і «що штовхають»), й закони використовують автомобілями фірм Nissan, Honda, Fiat, Subaru і др.

Московский державний індустріальний університет (МГИУ) в співдружності з АМО ЗиЛ веде роботи з розробки бесступенчатой коробки передач з урахуванням нового планетарного дискового вариатора [4]. Бесступенчатая коробка передач з урахуванням дискового вариатора нової концепції придатна як на легкових, і на вантажних автомобілях (зокрема і сідельних тягачах) і автобусах.

Новый вариатор, розрахований високі значення крутящего моменту досить низкооборотных двигунів автобусів, дає можливість застосувати нову концепцію електромобіля на потужних электробусах. Слід зазначити, що з даної схеми й не виключається використання бесступенчатой коробки передач будь-якого типу, має достатню економічність, малі габарити й безліч, сумірних із існуючими коробками передач.

Схема электромобиля

Схема електромобіля нової концепції представлена на мал.2. Як і інших гібридних схемах електромобілів, джерело електроенергії вибирається з критерію удільної енергії, що з виключно високому значенні цього параметра забезпечує малі маси, і навіть обсяги паливних елементів. У цьому схемою в ролі проміжного джерела енергії використаний супермаховик з тими самими енергетичними і масовими параметрами, що у інших гібридних схемах з маховичным накопителем.

.

Рис. 2. Схема електромобіля нової концепции Принципиальным відзнакою даної концепції електромобіля з інших гібридних схем є відбір потужності джерела електроенергії необоротною электромашиной — спеціалізованим розгінним електродвигуном малої потужності, відповідної ефективної удільної потужності джерела електроенергії. Для згаданих вище легкового електромобіля і электробуса це відповідає 15 і 20кВт. Завдяки високої частоті обертання розгінного електродвигуна — до 35 000об/мин для легкового електромобіля і 25 000об/мин для электробуса, що він відповідає частоті обертання разгоняемых супермаховиков для накопичувачів цих машин, маса дуже мала, відповідно 15 і 30 кг (це звичайні показники для вітчизняних конструкцій авіаційного назначения).

Источник енергії і розгінний електродвигун можуть бути до одного енергетичний блок, подібний щодо маси і габаритам з демонтируемым з шасі двигуном та її системами. Паливний бак і системи харчування у принципі можуть бути збережені з додаванням конвертора щоб одержати водню з палива. Отже, у енергетичному блоці хімічна енергія палива перетвориться в механічну як обертання валу, цілком як і, як і в теплового двигуна. Функцію зчеплення виконує вимикач, подключающий електромотор до джерела энергии.

Таким чином, за бажання замовника в руховий відсік може бути встановлений будь-який перетворювач хімічної енергії палива на механічну — теплової двигун чи новий енергетичний блок. Далі усе як й у звичайному автомобілі, вал енергетичного блоку сполучається з коробкою передач, у разі бесступенчатой. Така коробка передач вже у майбутньому замінить менш ефективні ступінчасті навіть у звичайних автомобілях. У результаті отримуємо електромобіль нової концепції в у максимальному ступені уніфікований зі звичайним автомобилем.

Каковы ж переваги електромобіля нової концепції? У порівняні з автомобілем це незрівнянно вища ефективність використання палива й екологічна безпеку. Порівняно з середнім ККД перетворення хімічної енергії в механічну — порядку 10…15% у теплових двигунів автомобілями (не слід плутати з ККД теплових двигунів на оптимальному режимі - 30% у бензинових двигунів і 40% у дизельних), цей ККД у паливних елементів з конвертором — 50%, а й у кислородно-водородных паливних елементів — 70%. Шкідливі вихлопи у паливних елементів немає. Приблизно таку ж переваги у електромобілів нової концепції проти аккумуляторными електромобілями, з тією відмінністю, що шкідливі викиди останніх мають місце не самісінькому машині, але в электростанциях.

По порівнянню з найпередовішими конструкціями гібридних систем електромобілів з паливними елементами і маховичными накопичувачами, наприклад, схемою запропонованої і здійсненого фірмою «BMW », перевагою нової концепції є менші габаритно-массовые показники і вищий ККД електромашини. Це обумовлена тим, що у нової концепції електромашина не універсальна, поправна, а вузько спеціалізована, розгінна, завантажена практично постійної потужністю, на менший максимальної і за високих частотах обертання. Друге перевагу залежить від відсутності складного диференціального механізму із трьома фрикционными муфтами чи гальмами, переключающими режими. Третє перевагу у тому, що регулювання частот обертання і моментів від супермаховика до головних коліс здійснюється не електроприводом, а механічним вариатором, у яких вищий ККД. Особливо це ж стосується процесу рекуперації енергії під час гальмування, в результаті чого кінетична енергія машини перетворюється на супермаховик. Ні по частотною повноті передачі цієї енергії, ні з ККД цього процесу, электротрансмиссия не йде витримає жодного порівняння з механічним вариатором. І останнє перевагу, про яке вже говорилося — майже традиційна автомобільна схема і порівнянні габаритно-массовые показники нового енергетичного блоку з двигунами, дозволяють легко заміняти одна частка джерела енергії в інший, одержуючи у своїй як автомобіль (з звичайній чи гібридної схемою двигуна), і гібридний економічний і динамічний електромобіль нової концепции.

Электробус

На рис. 3 представлена схема міського электробуса нової концепції. Ця схема надає влаштуванню більшої гнучкості, ніж у зображеною на мал.2 структурної схеме.

.

Рис. 3. Схема міського электробуса нової концепции:

1- джерело струму; 2 — електродвигун; 3 — механізм реверсу; 4 — коробка відбору потужності; 5 — планетарний дисковий вариатор; 6, 7 — карданні передачі; 8 — головна передача; 9 — конічна левередж; 10 — супермаховичный накопитель Здесь блок супермаховичного нагромаджувача 10, обладнаний своїм редуктором 9, розташований незалежно від інших агрегатів і м’яко підвішений на рамі зменшення і того невеликих гироскопических зусиль при горизонтальному розташуванні супермаховика. З допомогою коробки відбору потужності 4 і карданних передач 7 цей блок може зв’язуватися з вариатором 5 як незалежно, і що з електродвигуном 2. Цей електродвигун то, можливо з'єднаний із вариатором 5 і незалежно від супермаховика, і роль повноцінного тягового двигуна, в основному, на стаціонарних режимах руху. Попри те що, що електродвигун 2 у разі кілька збільшується в потужності і масі, енергоємність супермаховичного нагромаджувача може істотно знижена, реально до 0,5кВт· ч. Це дозволяє виготовляти супермаховик з такої стабільного і порівняно дешевого матеріалу, як сталева углеродистая дріт. Вихід із ладу (розрив) супермаховика настільки безпечний, що важкого захисного кожуха, істотно перевищує щодо маси сам маховик, і вартість необхідного при маховику з углепластиков, непотрібен. Вариатор дозволяє тяговому электродвигателю працювати у ефективному діапазоні крутящих моментів і частот обертання, передаючи тільки п’яту частину потужності, яка потрібна на руху электробуса, що сприятливо щодо його работы.

Следует помітити, що проблему створення ефективної електромобіля, віддавна актуальна в технічно розвинених країн світу, набуває як ніколи актуальними нині у Росії, завдяки новим програмам розробки електромобілів, у яких беруть участь автори даної статьи.

Список литературы

ГулиаН.В. Накопичувачі енергії. — М.: Наука, 1980. — 150с.

Electric & hybrid vehicle technology «95. The international review of electric and hybrid vehicle design and development. UK & International press. — 1995. — 304с.

Der neue elektro — 3er von BMW — glied einer langen entwicklungskette. Kolloquium fahrzeugund motorentechnik. 15…17 Oktober 1991. Eurogress Aachen. — 47 p.

ОтроховВ.П., ГулиаН.В., ПетраковаЕ.А., ЮрковС.А. Бесступенчатая коробка передач для ЗиЛ-5301 // Автомобільна промисловість. — 1998. — № 7.