CC BY
91
УДК 629.3-504
ВИБІР ОПТИМАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ КОМПОНЕНТІВ ЕЛЕКТРОСИЛОВОЇ УСТАНОВКИ ГІБРИДНОГО АВТОМОБІЛЯ
О.В. Бажинов, професор, д.т.н., О.С. Панікарський, доцент, к.т.н., В.С. Боженов, асистент, ХНАДУ
Анотація. Розроблена концепція дешевої реконструкції існуючих автомобілів під гібридний привід. Реконструкція полягає в з ’єднанні двигуна внутрішнього згоряння з електродвигуном, який живиться від свинцево-кислотних акумуляторів і суперконденсатора. Такий шлях модернізації дозволить швидко налагодити випуск гібридних автомобілів в Україні в підтримку програми енергозберігаючих технологій.
Ключові слова: гібридний автомобіль, електродвигун, суперконденсатор.
Вступ
В умовах динамічного розвитку економіки європейських країн важливим моментом є упровадження енергозберігаючих технологій. У кожній країні автомобільний транспорт є самою енергоємною сферою У зв’язку з цим економіка будь-якої країни, імпортуючої паливо, є залежною від світових цін на енергоносії, отже, рівень життя населення залежить від спрямованості політики країн експортерів палива. Другим фактором є погіршення екологічних умов, пов’язаних зі збільшенням енергонасиченості нашого середовища, у якому ми проживаємо. Найбільший рівень забруднення повітряного басейну відзначається у міській зоні на перехрестях вулиць і доріг. Причиною цього є автомобілі, оскільки робочий процес їх двигунів на перехідних режимах не є оптимальним за викидом шкідливих речовин.
У зв’язку з цим актуальним стає широке упровадження гібридних автомобілів з силовими установками «двигун внутрішнього згоряння + електродвигун та акумулятор енергії». Завдяки економічній витраті палива, покращенню екологічної безпеки та високим динамічним показникам прискорення такі автомобілі знаходять все більше прихильників. Виробництво таких автомобілів в свою чергу потребує збільшення технічних та економічних витрат, що неминуче позначається на кінцевій ціні автомобіля. З одного боку, гібридний автомобіль покращує екологічні умови у районі мешкання населення, а з іншого -його виробництво потребує додаткових енергетичних витрат. Очевидно, має бути оптимальне рішення між завданням створення дуже економічного автомобіля та ціною конкретної моделі, у
виробництво якої вкладені капітальні і енергетичні витрати.
Аналіз публікацій
Прикладом рішення, де економічність досягається будь-якою ціною, є Toyota Ргіш. Незважаючи на те, що Toyota Ргіш неодноразово визнавалась передовим рішенням науки та техніки в автомобілебудуванні, виникає питання, чи доцільне масове виробництво таких автомобілів. По-перше, чи компенсує економія палива у процесі експлуатації витрати енергоресурсів на встановку електросилових агрегатів? По-друге, чи раціональна ціна автомобіля з точки зору споживача? За який час окупиться різниця у ціні автомобіля та його негібридного аналога? У результаті покупець вирішує ефективність покупки гібридного автомобіля.
З даних журналу «Авто-Центр (Україна)»: «З досліджень, проведених у США, за аналогічний чистий автомобіль покупець готовий переплатити. Проте небагато. Більшість респондентів відмітили, що купили б гібридний автомобіль, якщо б він коштував на 10 % більше від аналогічного з бензиновим або дизельним двигуном».
Тепер розглянемо, які ж технічні напрямки і підходи до конструкції гібридного автомобіля можуть зацікавити масового покупця. Представником одного з напрямків є Toyota Ргіш. Його стислі технічні данні: бензиновий двигун 57 кВт, синхронний електродвигун потужністю 50 кВт, напруга живлення електродвигуна 500 В, напруга нікельметалгідридної батареї 201,6 В, потужність генератора-стартера 20 кВт [1].
Цей напрямок можна характеризувати такими особливостями: електродвигун має потужність, порівняну з бензиновим двигуном; для його живлення слугує потужна нікельметалгідридна батарея енергоємністю 1,3 кВт-години з перетворювачем напруги, для заряду батареї та старту бензинового двигуна наявний потужний стартер-генератор. Дані автомобілі можуть рухатись тривалий час тільки на електротязі, а також використовувати одночасно обидва двигуни.
Представниками другого напрямку є Honda Insight та Honda Civic Hybrid. У Honda Insight 1,0-літровий трициліндровий бензиновий двигун
із безпосереднім упорскуванням палива, змінними фазами газорозподілення та поршнями з віх-ревою камерою згорання, які дозволяють працювати на збіднілій суміші. Між двигуном та п’ятиступінчатою коробкою передач знаходиться електродвигун, який до 50 кВт бензинового двигуна додає ще 6 кВт. Завдяки електродвигуну автомобіль має гарні динамічні показники. Якщо максимальний обертовий момент 90 НМ бензинового двигуна тільки при 4800 об./хв, то у парі з електродвигуном має 112 НМ вже при 1500 об./хв. При гальмуванні машини та роботі на холостому ході електродвигун переходить у режим генератора, підзаряджаючи акумулятори 144 В та ємкістю 6,5 А-год, вагою близько 30 кг. Якщо Honda Insight - малогабаритне купе, то Honda Civic Hybrid - цілковитий седан. Параметри силової установки його: бензиновий двигун потужністю 70 кВт та електродвигун 15 кВт, акумуляторна батарея 158,4 В енергоємністю 0,87 кВт-год та максимальною потужністю 13,8 кВт. Цей напрямок можна характеризувати такими особливостями: прискорення автомобіля відбувається спільно двигуном внутрішнього згоряння та електродвигуном. Електродвигун виконує функцію генератора при гальмуванні і руху по шосе. Акумулятор малої енергоємності.
Розглянемо результати економічності: Honda Civic Hybrid з автоматичною коробкою передач витрачає по місту 4,7 л / 100 км., ціна авто складає 22900 євро, а Toyota Prius - відповідно 4,4 л / 100 км, при ціні 24700 євро. Із наведених вище даних робимо висновок, що необов’язково конструювати складну систему аналогічну Toyota Prius, а достатньо забезпечити прискорення автомобіля на старті за допомогою невеликого електродвигуна та акумулятора. Відповідно, такий гібридний автомобіль буде не набагато дорожче прототипу. В Україні Honda Civic Hybrid продається на 4000 $ дорожче негібридної Honda Civic.
Аналогічну Honda Civic Hybrid систему зробили французькі фірми Citroen та Peugeot. Їх Citroen С4 Hybrid та Peugeot 307 Hybrid HDi оснащені дизельним двигуном 1,6 л (66 кВт) і електродвигуном 16 кВт, який живиться від 244 В нікельметалгід-ридної батареї. Втрата палива складає 3,4 л/100 км.
Розглянемо, чи є шляхи здешевлення реконструкції автомобіля у гібридний за невеликі гроші.
Мета та постановка задачі
Автори ставлять за мету розробити елементи електросилової установки для реконструкції серійних автомобілів під гібридний привід за мінімальних витрат коштів.
Вітчизняний напрямок створення гібридного автомобіля
Основними дорогими елементами такої електросилової установки є нікельметалгідридні акумулятори та електродвигун. Для спрощення і здешевлення такої переробки автори пропонують застосовувати масово вироблювані складові: електродвигун постійного струму потужністю 7-9 кВт і стартерні свинцево-кислотні батареї, 4 шт. по 12 В і ємністю не менше 90 А-год, яким допомагає суперконденсатор 70-100 Ф [2, 3], а також блок управління електродвигуном. Електродвигун з’єднується з двигуном внутрішнього згоряння за передній виліт колінчастого вала за допомогою зубчатого ременя (паралельно ременю генератора). Безумовно, застосування свинцевих кислотних акумуляторів збільшує масу електросилової установки порівняно з металгідридними акумуляторами вдвічі, строк експлуатації свинцевих кислотних акумуляторів вдвічі менше ніке-льметалгідридних. Проте і ціна модернізації автомобіля буде у 2-2,5 рази менше. Отже, модернізація автомобіля обійдеться покупцю всього лише 1500-2000 $. І це цілком узгоджується з мріями покупців мати гібридний автомобіль на 10% дорожче базової моделі. В альтернативному випадку покупець буде віддавати перевагу дизельним економічним моделям, таким як: Volkswagen Fox (4,3 л/100км); ціна - 11550 € Volkswagen New Beetl (4,6 л /100км), ціна - 18730 €: Volkswagen Golf (4,6 л /100км), Citroen С3 (5,3 л /100 км), ціна - 13700 €.
Розглянемо тепер технічні характеристики запропонованої електроустановки порівняно з працюючою на автомобілі Honda Civic Hybrid.
Таблиця 1 Порівняльні характеристики акумуляторів енергії
Параметр Рекомендований варіант Honda Civic Hybrid
Імпульсна потужність 800 А • 24 В = 19200 Вт 13800 Вт
Номінальна потужність 500 А -24 В = 12000 Вт 10000 Вт
Запас енергії 200 А-год.-24 В = 4800 Вт-год 870 Вт-год
Вага акумуляторів 100 кг 29 кг
Зменшити розміри свинцево-кислотної батареї не вважається можливим через те, що ці батареї за стандартом розраховані на 180 повних циклів заряд-розряд, а нікельметалгідридні відповідно на 1000 циклів. У зв’язку з цим необхідно при експлуатації свинцево-кислотної батареї не розряджати її більш ніж на 50 % від ємності. У цьому випадку батареї роблять у режимі, близькому до стандартного, та вони розраховані на 4-5 років.
Наш аналіз є правомірним, оскільки у США вже випускаються гібридні автомобілі з електроприводом від свинцево-кислотних батарей, наприклад пікап GMC Sierra Hybrid. Його дані: двигун 5,3 л, 295 к.с. (220 кВт), до швидкості 13 миль/год йому допомагає електродвигун потужністю
14 кВт, який живиться через перетворювач від 4-х 12 В стартерних кислотних акумуляторів і ємністю 50-55 A-год. Економія палива складає 13 % за ЕРА-циклом.
Важливим аргументом на користь стартерних свинцево-кислотних акумуляторів є те, що у випадку ремонту батареї немає проблем з заміною непрацюючого блоку. А також за рахунок паралельного з’єднання батареї відбувається їх резервування, завдяки цьому не може бути повної відмови працездатності.
На завершення порівняємо рівень викиду в атмосферу шкідливих речовин. Порівняння проведемо за усередненими значеннями викидів двоокису вуглецю, що впливає на самопочуття людей з серцево-судинними та легеневими хворобами, а також викликає всесвітнє потепління клімату: Honda Civic Hybrid -109 г на км; Toyota Prius -104 г на км; Citroen С4 Hybrid -90 г на км; Honda Insight - 80 г на км.
З порівняння можна зробити висновок, що викид двоокису вуглецю не залежить від конструкції гібридного приводу, а залежить від витрати палива. Отже, необхідно вибрати концепцію більш дешевої гібридної силової установки з метою скорішого застосування гібридного автотранспорту.
Але використання стартерних свинцево-кислотних акумуляторів має ряд недоліків. По-перше: для ефективного співвідношення енергоємність - вага треба використовувати акумулятори великої ємності від 90 до 190 А-год. В такому разі напруга живлення становить від 25 до 50 В при кількості акумуляторів не більше чотирьох. При цьому струм для живлення електродвигуна 10-20 кВт становить 1000-2000 А. Регулювати оберти двигуна при такому струмі важко. Доцільніше було б зробити перетворювач напруги 24-48 В у напругу 120-220 В. Але такий перетворювач при потужності 10-20 кВт повинен мати коефіцієнт корисної дії не нижче 80 %. По-друге: свинцево-кислотні акумулятори не допускають заряд-
ний струм більше ніж 1,0 С20А (де С20 - ємність при 20-годинному розряді), а оптимальним є струм 0,5 С20А. Розрядний струм на старті становить 4С20А без використання конденсаторів і 3С20А при використанні паралельно включених суперконденсаторів. Таким чином, при використанні гібридного автомобіля тільки для експлуатації по місту за робочий день акумулятор буде розряджено, оскільки він не встигне підзарядити-ся. Якщо автомобіль експлуатуватимуть за змішаним циклом, проблем не виникає. Таким чином, необхідно мати зарядний пристрій потужністю приблизно 10 кВт для підзарядки акумулятора. Малогабаритні пристрої такої потужності зараз серійно не випускаються.
Тож необхідно або мати малогабаритний пристрій для підзарядки акумулятора, або вмонтувати зарядний пристрій в електросиловий блок автомобіля. Другий варіант доцільніше, оскільки в гібридному автомобілі залишається занадто мало місця для багажу.
Комбіновані пристрої типу перетворювач напруги - зарядний пристрій намагались розробити і раніше [4], але вони розраховані на невелику потужність на рівні 100 Вт. Порівняно з 10 кВт це занадто мало.
Автори вирішили експериментально промоделю-вати перетворювач напруги - зарядний пристрій на предмет забезпечення задовільного ККД. Для цього була зібрана схема, вона містить мультивібратор на двох високошвидкісних ключах К1, К2, зібраних на дискретних елементах для одержання низького вихідного опору. Низький вихідний опір
1 значний струм, необхідні для керування потужними польовими транзисторами VT1-VT4. Вихідний каскад був зібраний за двотактною схемою на спарених польових транзисторах IRFPS3810. Вихідний трансформатор був перероблений із
2 кВт-го ЛАТРу (рис. 1).
Вхід 220В
Л/
Рис. 1. Принципова схема перетворювача напру ги - зарядного пристрою
Перемикач П 1-1, П 1-2 перемикає схему з режиму перетворювача напруги в режим випрямляча зарядного пристрою (УД1, VД2) зі стабілізатором напруги СН. В результаті експериментів виявлено, що ККД залежить від частоти генерації перетворювача (рис. 2).
Максимальний ККД до 82 % був на частотах 160180 Гц (напруга живлення 20 В, потужність 450 Вт). При менших частотах ККД падав через недостатність індуктивності первинної обмотки трансформатора, яка не забезпечувала передачу енергії. При більших частотах спад ККД обумовлений збільшенням втрат на шунтування енергії викиду на імпульсі первинної обмотки стабілітронами, вмонтованими в польові транзистори.
f
Рис. 2. Залежність ККД від частоти роботи перетворювача напруги
Це видно по наявності плато на індуктивному викиді (рис. 3).
В
Î
80
U 60 40 20
0.005c
Зі збільшенням частоти генерації доля втрат збільшується на одиницю часу. Вплив цього недоліку можна зменшити, якщо застосувати більш високовольтні транзисторні збірки з робочою напругою більше 100 В, що дозволить підвищити частоту генерації і потужність, що передається. Робота перетворювача на частотах 400 Гц - 1000 Гц дасть змогу створити комбінований пристрій приводу електродвигуна на 10 кВт і зарядний пристрій від мережі 220 В, 50 Гц в одному блоці. В такому пристрої не будуть застосовані дорогі магнітні матеріали з високою магнітною проникливістю.
Такий комплексний підхід дозволить сконструювати комплект електросилової установки для гібридного автомобіля, який коштуватиме 5000 -7500 грн. і це буде до вподоби покупцеві.
Висновки
У результаті аналізу техніко-економічних можливостей сучасного рівня автомобільної техніки і проведених експериментів зроблено такі висновки для впровадження гібридного автотранспорту на Україні: необхідно розробити такий комплект електродвигуна з регулюючим приводом і акумуляторами, який коштуватиме не більше 7500 грн, щоб зацікавити покупця. Для цього необхідно застосувати свинцево-кислотні акумуляторні батареї напругою 25 - 50 В великої енергоємності, але масою не більше 120 кг. Перетворювач напруги повинен бути комбінованим з зарядним пристроєм. Можливість побудови такого комбінованого пристрою доведена експериментально.
Література
2
3
Stappen H.J.Watt-kampf //Auto-motor und sport.
- 2006. - №11. - С.43-46.
Сурин Е.И. Емкостные накопители энергии
для систем пуска ДВС // Автомобильная промышленность. - 1999. - №5. - С. 14—16. Калмыков В.И., Костюченко С..М., Рожкова С.Э., Быков А.М. Анализ работы системы электростартерного пуска ДВС в граничных режимах // Автомобильный транспорт / Сб. науч. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2001. -Вып.7-8. -С.81-84.
4. Богославец Л.Д. Преобразователь напряжения
- зарядное устройство // Электрик. - 2005. -№8. - С.31-32.
Рис. 3. Форма імпульсів на первинній обмотці трансформатора
Рецензент: О.П. Алексієв, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 11 липня 2006 р.
