Нова концепція електромобіля

Нурбей Гуліа, Сергій Юрков

Електромобіль -- транспортний засіб, ведучі колеса якого наводяться від електромотора питомого електробатареей, з'явився вперше у 1838 році в Англії. Електромобіль істотно старше автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння. Спочатку він випереджав автомобіль по швидкості і об'єму випуску, але не зміг стати серйозним конкурентом автомобілю. На наш погляд, це відбувається, в основному, через недоліків електромобілів, що живляться від електроаккумуляторов.

Всупереч існуючій думці про високій економічності акумуляторних електромобілів, аналіз показує, що хімічна енергія палива, що спалюється на електростанціях, використовується для руху транспортного засобу лише на 15% і менше. Це відбувається через втрати енергії в лініях електропередачі, трансформаторах, перетворювачах, зарядний пристрій для акумуляторів і самих акумуляторах, Електромашина, як у тяговому, так і в генераторному режимах, а також в гальмах при неможливості рекуперації енергії. Для порівняння, дизельний двигун на оптимальному режимі перетворює в механічну енергію близько 40% хімічної енергії палива. При великому поширенні акумуляторних електромобілів, а особливо з урахуванням сказаного, їм просто не буде вистачати електроенергії, виробленої електростанціями світу. Не слід забувати, що сумарна настановна потужність двигунів всіх автомобілів набагато перевищує потужність усіх електростанцій світу.

Паливні елементи

Проблеми знімаються при живленні електромобілів від так званих первинних джерел електроенергії, що виробляють енергію безпосередньо з палива. У першу чергу, такими джерелами є паливні елементи (ПЕ), які споживають кисень і водень. Кисень можна забирати з повітря, а водень, в принципі, можна запасати в стислому або зрідженому вигляді, а також у так званих гідридах. Але реальніше його отримувати зі звичайного автомобільного палива прямо на електромобілі за допомогою конвертора. Ефективність паливних елементів дещо знижується, але зате не змінюється вся інфраструктура паливозаправного господарства. ККД паливних елементів при цьому все одно дуже високий - близько 50%. Такі паливні елементи та конвертори розроблені, зокрема, і російськими підприємствами, з якими співпрацюють автори статті.

Однак електромобіль з живленням від паливних елементів не позбавлений загального недоліку -- високої маси тягових електродвигунів транспортних засобів, розрахованих як на максимальні потужність і крутний момент, так і на максимальну частоту обертання. При цьому додаються і специфічні недоліки, характерні для паливних елементів. Це, по-перше, неможливість рекуперації енергії при гальмуванні, так як паливні елементи не є акумуляторами, тобто вони не можуть заряджатися електроенергією, а по-друге, низька питома потужність паливних елементів.

При величезній питомої енергії паливних елементів (близько 400 ... 600Вт * год/кг), питома потужність при економічному розряді не перевищує 60Вт/кг. Це робить масу паливних елементів для реальних потужностей, необхідних автомобілів, дуже великий. Наприклад, для електромобіля з максимальною потрібної потужністю 100кВт і електробуса з максимальною потрібної потужністю 200 кВт, це відповідає масам паливних елементів 1670 і 3330кг, відповідно. Якщо додати маси тягових електродвигунів, приблизно рівні 150 і 400кг, відповідно, то виходять маси силових агрегатів, абсолютно неприйнятні для легкового електромобіля, і що вимагають п'ятитонного причепа для електробуса.

Робляться спроби зниження маси паливних елементів з використанням як проміжних джерел енергії конденсаторних накопичувачів енергії, що володіють високою питомою потужністю. Проте, і цей шлях досить ефективний ", так як найкращі сучасні конденсаторні накопичувачі, доступні для автомобільної техніки, мають питомі енергетичні показники близько 0,55 Вт * год/кг і У такому випадку для накопичення всього 2кВт * год енергії (це значення рекомендовано фахівцями як для електромобілів, так і для електробусов), буде потрібно близько 3000кг або 2,5 м3 конденсаторів, що нереально. Менші значення запасаємося енергії істотно знижують динамічні якості машини. Крім того, при короткому замиканні потужні конденсатори можуть загорітися, що дуже небажано для транспорту. Набагато ефективніше використання в якості проміжного накопичувача енергії супермаховіка, сполученого з оборотної електромашин.

Відомі схеми

Супермаховік -- маховик, виготовлений навивки з волокон або стрічок на пружний центр. Питома енергія супермаховіка на порядок більше значень цього параметра для кращих монолітних маховиків, до того ж він має властивість безпечного розриву, не дає осколків [1].

Такі схеми здійснені у новітніх дослідних зразках гібридних електромобілів фірм Mechanical Technology Inc. (США), EDO Energy (США), і відомої Ліверморської національної лабораторії (LLNL, США) [2]. Питома енергія супермаховіков з кевлара і графіту, досягає сотень Вт * год/кг, знижує його необхідну масу до декількох кілограмів (при питомій енергії 200Вт * год/кг, для накопичення 2кВт * год буде потрібно супермаховік масою всього 10кг). Однак Електромашина накопичувача, необхідна тут крім тягового двигуна, і розрахована на максимальну потужність і тому дуже важка, знижує ефективність цієї схеми. До того ж вона, як і тяговий двигун має бути оборотної (і мотором, і генератором), що додатково ускладнює привід.

Оригінальну схему гібридного силового агрегату з маховічним накопичувачем і електромеханічним приводом запропонувала, виготовила і зазнала фірма "BMW" (Німеччина). Безперечною перевагою даного технічного рішення є наявність тільки однієї електромашини, що знижує масу і наближає його до автомобільних схемами (рис.1). Тип маховика фірма "BMW" у звіті [3] не уточнює, тому що використовується накопичувач умовно названий просто «Маховічним».

Рис. 1. Схема гібридного силового агрегату з маховічним накопичувачем і електромеханічним приводом фірми "BMW" (Німеччина):

1 - джерело струму; 2 - система управління; 3 - оборотна Електромашина; 4 - диференціальний механізм; 5 - мультиплікатор; 6 - маховічний накопичувач; 7 - головна передача

Джерело струму 1 через перетворювачі і систему управління 2 пов'язаний з оборотної електромашин 3, розрахованої на максимальну потужність електромобіля. Електромашина 3 через складний диференціальний механізм 4 з мультиплікатором 5 пов'язана з маховиком 6 накопичувача і головною передачею 7. У результаті маса джерела струму 1, наприклад, паливного елемента, що може бути обрана виходячи з питомої енергії, а НЕ питомої потужності, що знижує її для електромобіля і електробуса з пробігом, відповідно, 400 і 600км до 100 ... 150 і 700 ... 1000кг. Це цілком прийнятно для даних транспортних засобів.

Однак неодмінним недоліком всіх схем з електроприводом залишається наявність важкого і складного оборотного електродвигуна. Це позначається на економічності приводу і його масі, включаючи систему перетворювачів струму. Потужна Електромашина неекономічна при роботі на малих потужностях, характерних для розгону (зарядки) маховічного накопичувача. Крім того, в схемі, крім головної передачі, присутній складний за конструкцією і управління диференціальний механізм з мультиплікатором і трьома системами фрикційного управління (муфтами або гальмами), що ускладнює і здорожує привід.

Концепція електромобіля

Нова концепція електромобіля, запропонована проф. Н. В. Гуліа, полягає в максимальному наближенні та уніфікації пристроїв електро-і автомобіля. Це дозволяє гранично спростити і зменшити масу силового агрегату транспортного засобу, збільшити його ККД і ефективність рекуперації енергії, а також зробити можливим використання існуючих шасі автомобілів та автобусів для установки силових агрегатів електромобілів і електробусов. Остання обставина має суттєво здешевити машини, максимально уніфікувати їх виробництво з можливістю оперативно змінювати співвідношення кількості машин різних типів і програму їх випуску. Крім того, за бажанням замовника, транспортний засіб може бути оснащений як джерелом механічної енергії (звичайним або гібридним тепловим двигуном), так і електричної (паливні елементи з супермаховіком), з установкою замінних агрегатів в тому ж руховому відсіку при повному збереженні всієї трансмісії.

Така трансмісія повинна бути розрахована на перспективу, і включати вже не ступеневу, а безступінчату коробку передач. Такі коробки передач вже досить широко випускаються на основі ремінних воротарів з різними типами ременів ( «тягнуть» і «штовхають»), і використовуються на автомобілях фірм Nissan, Honda, Fiat, Subaru та ін

Московський державний індустріальний університет (МГИУ) в співдружності з АМО ЗиЛ веде роботи з розробки безступінчатим коробки передач на основі нового планетарного дискового варіатора [4]. Плавне коробка передач на основі дискового варіатора нової концепції може використовуватися як на легкових, так і на вантажних автомобілях (у тому числі і сідельних тягачів) та автобусах.

Новий варіатор, розрахований на високі значення крутного моменту досить низькооборотний двигунів автобусів, дає можливість застосувати нову концепцію електромобіля на потужних електробусах. Слід зауважити, що для даної схеми не виключається використання безступінчатим коробки передач будь-якого типу, що має достатню економічність, малі габарити і масу, співмірні з існуючими коробками передач.

Схема електромобіля

Схема електромобіля нової концепції представлена на рис.2. Як і в інших гібридних схемах електромобілів, джерело електроенергії вибирається виходячи з критерію питомої енергії, що при винятково високому значенні цього параметра забезпечує малі маси, а також обсяги паливних елементів. У даній схемі в як проміжний джерела енергії використаний супермаховік з тими ж енергетичними та масовими параметрами, що й в інших гібридних схемах з маховічним накопичувачем.

Рис. 2. Схема електромобіля нової концепції

Принциповим відмінністю даної концепції електромобіля від інших гібридних схем є відбір потужності від джерела електроенергії незворотною електромашин - спеціалізованим розгінним електродвигуном малої потужності, відповідної ефективної питомої потужності джерела електроенергії. Для згаданих вище легкового електромобіля і електробуса це відповідає 15 і 20кВт. Завдяки високій частоті обертання розгінного електродвигуна - до 35000об/мін для легкового електромобіля і 25000об/мін для електробуса, що відповідає частоті обертання розгону супермаховіков для накопичувачів цих машин, маса їх досить мала, відповідно 15 і 30 кг (це звичайні показники для вітчизняних конструкцій авіаційного призначення).

Джерело енергії і розгінний електродвигун можуть бути об'єднані в один енергетичний блок, подібний за масою і габаритами з демонтується з шасі двигуном і його системами. Паливний бак і система харчування в принципі можуть бути записано з додаванням конвертора для одержання водню з палива. Таким чином, в енергетичному блоці хімічна енергія палива перетворюється в механічну у вигляді обертання вала, абсолютно так само, як і в теплового двигуна. Функцію зчеплення виконує вимикач, що підключається електромотор до джерела енергії.

Таким чином, за бажанням замовника в руховий відсік може бути встановлений будь-який перетворювач хімічної енергії палива в механічну - тепловий двигун або новий енергетичний блок. Далі все, як і в звичайному автомобілі, вал енергетичного блоку з'єднується з коробкою передач, в даному випадку безступінчатим. Така коробка передач вже в недалекому майбутньому замінить менше ефективні ступінчасті навіть на звичайних автомобілях. У результаті ми отримуємо електромобіль нової концепції максимально уніфікований зі звичайним автомобілем.

Які ж переваги електромобіля нової концепції? У порівнянні з автомобілем це незрівнянно більш висока ефективність використання палива та екологічна безпеку. У порівнянні із середнім ККД перетворення хімічної енергії в механічну - близько 10 ... 15% у теплових двигунів на автомобілях (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 у киснево-водневих паливних елементів - 70%. Шкідливі вихлопи у паливних елементів практично відсутні. Приблизно такі ж переваги у електромобілів нової концепції в порівнянні з акумуляторними електромобілями, з тією різницею, що шкідливі викиди останніх мають місце не на самій машині, а на електростанціях.

У порівнянні з найбільш передовими конструкціями гібридних систем електромобілів з паливними елементами і маховічнимі накопичувачами, наприклад, схемою запропонованою і здійсненої фірмою "BMW", перевагою нової концепції є менші габаритно-масові показники і вищий ККД електромашини. Це обумовлено тим, що в новій концепції Електромашина не універсальна, оборотна, а вузько спеціалізована, розгінна, завантажена практично постійною потужністю майже на порядок менше максимальної і при високих частотах обертання. Друга перевага полягає у відсутності складного диференціального механізму з трьома фрикційними муфтами або гальмами, перемикати режими. Третя перевага полягає в тому, що процес регулювання частот обертання і моментів від супермаховіка до провідних коліс здійснюється не електроприводом, а механічним варіатором, які мають вищий ККД. Особливо це стосується процесу рекуперації енергії при гальмуванні, в результаті якого кінетична енергія машини переходить в супермаховік. Ні по частотної повноті передачі цієї енергії, ні за ККД цього процесу, електротрансміссія не йде ні в яке порівняння з механічним варіатором. І Останнім перевага, про яку вже говорилося - майже традиційна автомобільна схема і сумірні габаритно-масові показники нового енергетичного блоку з існуючими двигунами, що дозволяють легко замінювати один вид джерела енергії на іншій, отримуючи при цьому як автомобіль (з звичайною або гібридної схемою двигуна), так і гібридний економічний та динамічний електромобіль нової концепції.

Електробус

На рис.3 представлена схема міського електробуса нової концепції. Ця схема надає пристрою більшу гнучкість, ніж у зображеної на рис.2 структурній схемі.

Рис. 3. Схема міського електробуса нової концепції:

1 - джерело струму; 2 - електродвигун; 3 - механізм реверсу; 4 - скринька відбору потужності; 5 - планетарний дисковий варіатор; 6, 7 - карданні передачі; 8 - головна передача; 9 - конічна зубчаста передача; 10 - супермаховічний накопичувач

Тут блок супермаховічного накопичувача 10, забезпечений своїм редуктором 9, розташований незалежно від інших агрегатів і м'яко підвішений на рамі для зменшення і без того невеликих гіроскопічних зусиль при горизонтальному розташуванні супермаховіка. За допомогою коробки відбору потужності 4 і карданних передач 7 цей блок може зв'язуватися з варіатором 5 як незалежно, так і спільно з електродвигуном 2. Цей електродвигун може бути з'єднаний з варіатором 5 і незалежно від супермаховіка, і грати роль повноцінного тягового двигуна, в основному, на стаціонарних режимах руху. Незважаючи на те, що електродвигун 2 в цьому випадку трохи збільшується за потужністю і масі, енергоємність супермаховічного накопичувача може бути істотно знижена, реально до 0,5 кВт • ч. Це дозволяє виготовляти супермаховік з такого стабільного і порівняно дешевого матеріалу, як сталева вуглецева дріт. Вихід з ладу (розрив) супермаховіка настільки безпечний, що важкого захисного кожуха, суттєво перевищує за масою сам маховик, і необхідного при маховику з вуглепластиків, не потрібно. Варіатор дозволяє тягового електродвигуну працювати в ефективному діап?? оне що крутять моментів і частот обертання, передаючи тільки частина потужності, необхідної для руху електробуса, що сприятливо для його роботи.

Слід помітити, що проблема створення ефективного електромобіля, вже давно актуальна в технічно розвинених країнах світу, набуває особливої актуальності в даний час в Росії, завдяки новим програмам розробки електромобілів, в яких беруть участь і автори цієї статті.

Список літератури

ГуліаН.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 fahrzeug-und motorentechnik. 15 ... 17 Oktober 1991. Eurogress Aachen. - 47 p.

ОтроховВ.П., ГуліаН.В., ПетраковаЕ.А., ЮрковС.А. Плавне коробка передач для ЗіЛ-5301 //Автомобільна промисловість. - 1998. - № 7.