Нурбія Гулиа, Сергій Юрков
Електромобіль - транспортний засіб, провідні колеса якого наводяться від електромотора питаемого електробатареей, з'явився вперше в 1838 році в Англії. Електромобіль істотно старша автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння. Спочатку він випереджав автомобіль за швидкістю та обсягом випуску, але не зміг стати серйозним конкурентом автомобілю. На наш погляд, це відбувається, в основному, через недоліки електромобілів, що живляться від електроакумуляторами.
Всупереч існуючій думці про високої економічності акумуляторних електромобілів, аналіз показує, що хімічна енергія палива, що спалюється на електростанціях, використовується для руху транспортного засобу всього на 15% і менше. Це відбувається через втрати енергії в лініях електропередачі, трансформаторах, перетворювачах, зарядний пристрій для акумуляторів і самих акумуляторах, електромашин, як у тяговому, так і в генераторному режимах, а також в гальмах при неможливості рекуперації енергії. Для порівняння, дизельний двигун на оптимальному режимі перетворює на механічну енергію близько 40% хімічної енергії палива. При великому поширенні акумуляторних електромобілів, а особливо з урахуванням сказаного, їм просто не буде вистачати електроенергії, вироблюваної електростанціями світу. Не слід забувати, що сумарна настановна потужність двигунів всіх автомобілів набагато перевищує потужність усіх електростанцій світу.
Паливні елементи
Проблеми знімаються при харчуванні 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 і конвертори розроблені, зокрема, і російськими підприємствами, з якими співпрацюють автори статті.
Однак електромобіль з живленням від паливних елементів не позбавлений загальної нестачі - 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 величезної питомої енергії паливних елементів (порядку 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 100 кВт 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 потребують п'ятитонного причепа для електробуса.
Робляться спроби зниження маси паливних елементів з використанням в якості проміжних джерел енергії конденсаторних накопичувачів енергії, що володіють високою питомою потужністю. Однак, і цей шлях недостатньо ефективний, оскільки кращі сучасні конденсаторні накопичувачі, доступні для автомобільної техніки, мають питомі енергетичні показники близько 0,55 Вт · год / кг і 0,8 Вт · год / літр. У такому випадку для накопичення всього 2кВт · год енергії (це значення рекомендовано фахівцями як для електромобілів, так і для електробус), буде потрібно близько 3000кг або 2,5 м3 конденсаторів, що нереально. Менші значення енергії, що запасається 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 супермаховика, сполученого з оборотною електромашини.
Відомі схеми
Супермаховик - маховик, виготовлений навивкою з волокон або стрічок на пружний центр. Питома енергія супермаховика на порядок більше значень даного параметра для кращих монолітних маховиків, до того ж він має властивість безпечного розриву, що не дає осколків [1].
Такі схеми здійснені в новітніх дослідних зразках гібридних електромобілів фірм Mechanical Technology Inc. (США), EDO Energy (США), і відомої Ліверморської національної лабораторії (LLNL, США) [2]. Питома енергія супермаховиков 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 потрібно супермаховик масою всього 10кг). Однак електромашина накопичувача, необхідна тут крім тягового двигуна, і розрахована на максимальну потужність і тому досить важка, знижує ефективність цієї схеми. До того ж вона, як і тяговий двигун повинна бути оборотного (і мотором, і генератором), що додатково ускладнює привід.
Оригінальну схему гібридного силового агрегату з маховиковий 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 використовується накопичувач умовно названо просто «маховиковий».
Рис. 1. Схема гібридного силового агрегату з маховиковий накопичувачем і електромеханічним приводом фірми "BMW" (Німеччина):
1 - джерело струму; 2 - система управління; 3 - оборотна електромашина; 4 - диференціальний механізм; 5 - мультиплікатор; 6 - маховиковий накопичувач; 7 - головна передача
Джерело струму 1 через перетворювачі і систему керування 2 пов'язаний з оборотною 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, 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 .. .1000 кг. Це цілком прийнятно для даних транспортних засобів.
Однак неодмінною 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) маховичного накопичувача. Крім того, у 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. Гулиа, полягає в максимальному наближенні та уніфікації пристроїв електро-і автомобіля. Це дозволяє гранично спростити і зменшити масу силового агрегату транспортного засобу, збільшити його ККД та ефективність рекуперації енергії, а також зробити можливим використання існуючих шасі автомобілів та автобусів для установки силових агрегатів електромобілів і електробус. Остання обставина має суттєво здешевити машини, в максимальному ступені 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 оснащено як джерелом механічної енергії (звичайним або гібридним тепловим двигуном), так і електричної (паливні елементи з супермаховиков), з установкою замінних агрегатів у 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 варіаторів з різними типами ременів («тягнуть» і «штовхають»), і використовуються на автомобілях фірм Nissan, Honda, Fiat, Subaru і ін
Московський державний індустріальний університет (МГИУ) в співдружності з АМО ЗІЛ веде роботи по розробці безступінчатим коробки передач на основі нового планетарного дискового варіатора [4]. Безступінчата коробка передач на основі дискового варіатора нової концепції може використовуватися як на легкових, так і на вантажних автомобілях (у тому числі і сідельних тягачах) і автобусах.
Новий варіатор, розрахований на високі значення крутного моменту досить низькооборотних двигунів автобусів, дає можливість застосувати нову концепцію електромобіля на потужних електробуса. Слід зауважити, що для даної схеми не виключається використання бесступенчатой 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 виключно високому значенні цього параметра забезпечує малі маси, а також обсяги паливних елементів. У даній схемі в якості проміжного джерела енергії використаний супермаховик з тими ж енергетичними та масовими параметрами, що і в інших гібридних схемах з маховиковий накопичувачем.
Рис. 2. Схема електромобіля нової концепції
Принциповою 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 розганяються супермаховиков для накопичувачів цих машин, маса їх дуже 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 демонтуються з шасі двигуном і його системами. Паливний бак і система харчування в принципі можуть бути збережені з додаванням конвертора для отримання водню з палива. Таким чином, в енергетичному блоці хімічна енергія палива перетворюється в механічну у вигляді обертання валу, абсолютно так само, як і в теплового двигуна. Функцію зчеплення виконує вимикач, підключає електромотор до джерела енергії.
Таким чином, за бажанням замовника в руховий відсік може бути встановлений будь-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 менш ефективні ступінчасті навіть на звичайних автомобілях. У результаті ми отримуємо електромобіль нової концепції в максимальному ступені уніфікований зі звичайним автомобілем.
Які ж переваги електромобіля нової концепції? У порівнянні з автомобілем це незрівнянно вища ефективність використання палива і екологічна безпека. У порівнянні з 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 маховиковий накопичувачами, наприклад, схемою запропонованої 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 менша від максимальної і при високих частотах обертання. Друга перевага полягає у відсутності складного диференціального механізму з трьома фрикційними муфтами чи гальмами, переключающими режими. Третя перевага полягає в тому, що процес регулювання частот обертання і моментів від супермаховика до ведучих коліс здійснюється не електроприводом, а механічним варіатором, що мають вищий ККД. Особливо це стосується процесу рекуперації енергії при гальмуванні, в результаті якого кінетична енергія машини переходить в супермаховик. Ні по частотній повноті передачі цієї енергії, ні по ККД цього процесу, електротрансміссія не йде ні в яке порівняння з механічним варіатором. І остання перевага, про який вже говорилося - майже традиційна автомобільна схема і сумірних габаритно-масові показники нового енергетичного блоку з існуючими двигунами, дозволяють легко замінювати один вид джерела енергії на іншій, отримуючи при цьому як автомобіль (зі звичайною або гібридною схемою двигуна), так і гібридний економічний і динамічний електромобіль нової концепції.
Електробус
На рис.3 представлена схема міського електробуса нової концепції. Ця схема надає пристрою більшої гнучкості, ніж у зображеній на рис.2 структурної схемою.
Рис. 3. Схема міського електробуса нової концепції:
1 - джерело струму; 2 - електродвигун, 3 - механізм реверсу; 4 - коробка відбору потужності; 5 - планетарний дисковий варіатор; 6, 7 - карданні передачі; 8 - головна передача; 9 - конічна зубчаста передача; 10 - супермаховичного накопичувач
Тут блок супермаховичного 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 супермаховика. 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 супермаховика, 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 супермаховичного накопичувача може бути істотно знижена, реально до 0,5 кВт · год Це дозволяє виготовляти супермаховик з такого стабільного і порівняно дешевого матеріалу, як сталева вуглецева дріт. Вихід з ладу (розрив) супермаховика настільки безпечний, що важкого захисного кожуха, істотно перевищує за масою сам маховик, і необхідного при маховику з вуглепластиків, не потрібно. Варіатор дозволяє тягового електродвигуна працювати в ефективному діапазоні крутних моментів і частот обертання, передаючи тільки частина потужності, необхідної для руху електробуса, що сприятливо для його роботи.
Слід зауважити, що проблема створення ефективного електромобіля, вже давно актуальна у технічно розвинених країнах світу, набуває особливої актуальності в даний час в Росії, завдяки новим програмам розробки електромобілів, в яких беруть участь і автори даної 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 divss. - 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. Безступінчата коробка передач для ЗіЛ-5301 / / Автомобільна промисловість. - 1998. - № 7.