CC BY
85
УДК 656.13
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОБУСОВ И ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ
М.А. Вахрушев1, Е.М. Генсон2
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
614990, Россия, Пермь, Комсомольский пр., 29
В статье проанализированы эксплуатационные показатели электробусов с аналогичными автобусами, работающими на дизельном топливе. Рассмотрены технологии организации ТО и Р. Сделаны выводы о целесообразности использования электрической силовой установки на коммерческом транспорте.
Ключевые слова: электробус, особенность эксплуатации электробусов и коммерческого электротранспорта.
ANALYSIS OF THE OPERATION FEATURES OF ELECTRIC BUSES AND TRUCKS WITH
AN ELECTRIC POWER PLANT
M.A. Vakhrushev, E.M. Genson
Perm National Research Polytechnic University, 29, Komsomolsky Ave., Perm, 614990, Russia The article analyzes the performance indicators of electric buses with similar buses running on diesel fuel. The technologies of the organization of maintenance and repair are considered. Conclusions are drawn about the appropriateness of using an electric power plant on commercial transport. Keywords: electrobus, feature of operation electrobuses, commercial vehicle
На сегодняшний день в России активно распространяется электрический транспорт. Помимо экологических преимуществ, ряд исследователей выделяют и экономическую целесообразность эксплуатации данного подвижного состава. Кроме частных электрических автомобилей в Москве и ряде других регионов страны начинают эксплуатировать полностью электрический общественный транспорт. Главной отличительной чертой электробуса перед автобусом с двигателем внутреннего сгорания являются более высокая производительность и экологич-ность. Он имеет низкий уровень шума, легок в управлении, обладает высокой надежностью и долговечностью. Эксплуатация электробусов выглядит намного выгоднее, чем строительство трамвайных путей и прокладывание сетей для троллейбусов. Важно обратить внимание на конструктивные особенности электробусов. Силовые установки электробусов имеют гораздо больший коэффициент полезного действия (до 85-95%) по сравнению с ДВС (до 45%) [1]. У автобусов, оснащенных двигателями внутреннего
сгорания, происходят потери КПД в трансмиссии, карданных валах и мостах. Электродвигатели динамически уравновешены. Возможность установки плоского пола выделяет еще одно преимущество электробуса перед автобусом с ДВС для обслуживания людей с ограниченными возможностями. Это достигается благодаря отсутствию в электробусах трансмиссии, мостов, карданных валов и системы выпуска отработавших газов. Кроме того, это отвечает последним требованиям законодательства в сфере транспорта.
С экономической точки зрения эксплуатация электробусов более выгодна ввиду более длительного срока эксплуатации и меньших затрат на обслуживание подвижного состава.
Объектами исследования были выбраны автобус МАЗ-203085 (полная масса 18000 кг) и электробус КАМАЗ-6282-12 (полная масса 18800 кг) со схожими весогабаритными и тяговыми характеристиками
1 Вахрушев Матвей Александрович - студент кафедры «Автомобили и технологические машины», тел.: +7(999) 125-93-73, e-mail: vaxrushev.m@list.ru;
2Генсон Евгений Михайлович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и технологические машины», тел.: +7(919) 444-00-88, e-mail: genson@pstu.ru.
В ходе анализа скоростных характеристик силовых установок объектов исследования (рис. 1, 2) установлено, что пиковая мощность рассматриваемого электродвигателя выше на 10%. Электродвигатель обладает постоянным
Р, кВт
Рисунок 1
Рисунок 2
В результате проведенного литературного обзора установлен ряд преимуществ электрического транспорта перед традиционным. Однако, существует ряд особенностей, которые ставят под сомнение эксплуатацию электробусов в Российской Федерации:
- актуальность в разработке и создании электробусов, способных адаптироваться к изменениям метеорологических условий, в том числе, к понижению температуры воздуха;
- потребность в сети электрических заправок или станций проката аккумуляторных батарей;
- плановое перепрофилирование сервисных центров по обслуживанию бензиновых и дизельных автобусов на электробусы с сохранением качества выполненных работ.
крутящим моментом в сравниваемом диапазоне частот вращения, что позволяет разрешить такую проблему, как провалы при наборе скорости.
Одним из важнейших факторов, влияющих на эксплуатационный ресурс электробусов, является температура, при которой происходит эксплуатация высоковольтной батареи, а также температура, которая выделяется в результате высокой внутренней генерации работы такой батареи. Все это приводит к уменьшению ресурса работы, а именно, к потере емкости и мощности высоковольтной батареи.
На основании закона Вант-Гоффа, с возрастанием температуры на каждые 10оС скорость химической реакции возрастает в 2 - 4 раза [3]. Так, повышение температуры обеспечит повышение производительности, но скорость химических процессов также увеличится, что снижает срок службы высоковольтной батареи (рис. 3).
250 200 150 100 50 0
п, об\мин
500 1000 дизельный Р, кВт
1500 2000 2500 3000 электродвигатель Р, кВт
- Сравнение мощности электродвигателя ZF ЛУЕ130-400УЛС и дизельного двигателя ОМ
906ЬЛ
М, Н*м
1200 1000 800 600 400 200 0
450
п,об\мин
1000
2000
3000
4000
электродвигатель
дизельный двигатель
Сравнение крутящего момента электродвигателя ZF ЛУЕ130-400УЛС и дизельного двигателя ОМ 906ЬЛ [2]
0
0
3500
&.1 2000 1 1500 ^ 1000 | 500 0
10
20
30
40
50
60
Температура окружающей среды, X
0
Рисунок 3 - Зависимость жизненного цикла свинцово-кислотной АКБ от температуры эксплуатации
Оптимальная температура для никель-металлгидридной батареи является 15 - 22 оС. Работа АКБ в экстремальных условиях температуры, во время зарядки или разрядки отрицательно влияет на ее производительность.
Благодаря инновационным открытиям в электротехнической индустрии и множества разработок в области привода на электротяге, разработан совершенно новый вид аккумулятора - ионисторы (суперконденсаторы), в качестве источника электрической энергии для электробусов. По этой причине понятие электробуса как «транспортного средства (транспортной машины), работающего на аккумуляторных батареях...», либо как «аккумуляторного автобуса.» на сегодняшний день становится архаичным.
Общегородская эксплуатация электробусов на сегодняшний день осуществляется в нескольких регионах России. Наиболее широкое применение электробусы получили в Москве. Правительство Москвы планомерно внедряет в автобусные парки Москвы электробусы КА-МАЗ-6282-12 и ЛиАЗ-6274. В 2020 году закупили более 300 электробусов, а начиная с 2021 года, столица планирует полностью перейти на экологически чистый вид транспорта, приобретая 600-800 единиц электробусов ежегодно. Полный переход на электротранспорт в Москве планируется к 2030 году.
Запас хода электробуса ЛиАЗ-6274 и КАМАЗ 6282-12 при разной интенсивности движения равен 40-70 км. Электробусы приводятся в действие при помощи литий-титанатных батарей, подзарядка которых в свою очередь занимает от 4 до 18 минут. Подключение к ультрабыстрой зарядной станции реализовано с помощью пантографа. Время ночной зарядки от сети 380В составляет 4-6 часов [4].
Классификация электробусов по принципу зарядки выглядит следующим образом:
- электробусы, подзаряжающиеся во время езды,
- электробусы, использующие ночную зарядку,
- электробусы, практикующие быструю зарядку на штатных и конечных пунктах стоянки общественного транспорта [5].
Электробусы, использующие подзарядку аккумуляторов во время езды схожи с модернизированными троллейбусами. Основная особенность такого транспортного средства заключается в том, что оно способно преодолевать затруднённые участки пути без контакта с сетью, а в оставшееся время подзаряжаться от нее.
Количество электробусов, использующих ночную зарядку, на сегодняшний день ограниченно, в виду высоких материальных затрат на их содержание и обслуживание. Как правило, электробусы, практикующие ночную зарядку, в дневное время обслуживают городской пассажиропоток, а ночью во время стоянки заряжаются в специализированных депо (зарядные станции). Время полного восполнения заряда аккумуляторов составляет до 6,5 часов. Основным минусом электрических машин с ночной зарядкой является их существенная масса, которая достигается благодаря огромной массе и размерам аккумуляторного оборудования. Возведение мощных стационарных станций для единовременной зарядки десятков единиц электробусов в ночное время - является еще одним недостатком. Выгода в использовании данных моделей электробусов заключается в экономии бюджета города, в противном случае ушедшей бы на строительство троллейбусной инфраструктуры
Особенность эксплуатации электробусов с быстрой зарядкой на штатных и конечных остановках общественного транспорта заключается в необходимости подвода электроэнергии к остановкам и возведение определённого количества подстанций на территории города для
заряда аккумуляторов. У данного способа существует ряд недостатков: высокая застроенность города объектами технической инфраструктуры; риск выхода из строя электрического оборудования подстанций, что особенно опасно для плотно населённых районов города; потребность в большом количестве наемных водителей и техники; образование очередей на конечных станциях электробусов на подзарядку, и как следствие их простаивание. Однако, важным преимуществом становится снижение загрузки электробусов разной технической начинкой и, как следствие, уменьшение их массы и повышение маневренность в движении.
В результате проведенного анализа эксплуатации электробусов в городе с миллионным населением установлено, что электробус обладает экологичностью троллейбуса, автономностью и маневренностью автобуса, а при использовании выделенной полосы, скоростью трамвая.
При оценке эффективности использования коммерческого транспорта был проведен анализ транспортных средств категории N3 (для грузоперевозки общей массой более 12 т). В частности, в материалах международной научно-практической конференции 2019 года «Автомобиле и тракторостроение» [6], приведено сравнение и анализ современных коммерческих автомобилей и электротягачей.
В качестве объектов исследования были выбраны электротягач Mercedes-Benz eActros 18eeL и серийный дизельный собрат Mercedes Actros-1841. Цифра 18 в обозначении модели указывает на то, что эти автомобили одной весовой категории (N3) с допустимой полной массой 18 тонн. Электрогрузовик имеет запас хода до 200 км из-за аккумуляторов, которые делают его тяжелее на 2,1 тонну по сравнению с дизельным одноклассником. Следовательно, серийный дизельный аналог Mercedes Actros-1841 может перевозить на 2,1 тонны больше полезного груза из условия такой же общей массы. При этом, при штатном 560-литровом топливном баке и среднем путевом расходе топлива 35 л/100 км, обеспечивая запас хода до 1600 км.
С другой стороны, из расчета равного запаса хода до 200 км, дизельному аналогу достаточно иметь топливный бак объемом всего 70 литров с соответствующим уменьшением собственной массы на 490 кг и, соответственно, возможным увеличением грузоподъемности на такую же величину. То есть, в аналогичных условиях, дневная производительность дизельного Mercedes Actros-1841 будет больше на 518 т-км/день, чем электрогрузовика Mercedes-Benz eActros 18eeL.
По основным технико-экономическим характеристикам, возможной
производительности и эффективности современные электрические коммерческие автомобили и электротягачи категории N3 существенно уступают серийным дизельным аналогам.
Полностью электрическими могут быть развозные коммерческие автомобили, а также коммунальная техника (мусоровозы, пылесосы и т.п.), с ограниченным дневным пробегом до 150 км и ограниченной скоростью до 60-70 км/ч. Однако это не означает, что их эффективность будет выше, чем эффективность автомобилей с двигателями внутреннего сгорания: главная задача такой техники - решить не экологическую проблему в целом, а проблему загазованности мегаполиса. Примером такой техники может послужить отечественный электромобиль GAZelle e-NN. Инженерная разработка компании, которая позволяет устанавливать электропривод на все модификации коммерческих автомобилей «Газель», от бортового грузовика до микроавтобуса. Машины оснащены синхронным электродвигателем на постоянных магнитах мощностью 136 л.с. Емкость батареи - 48 киловатт-часов. Расчетная дальность хода - 120 км. Производство GAZelle e-NN на Горьковском автозаводе планируют запустить в 2021 году [7].
На заключительном этапе работы был выполнен анализ особенностей организации станции технического обслуживания (СТО) электробусов и коммерческих автомобилей с электрической силовой установкой.
Первоочередной задачей существующих СТО является перерасчёт бизнес-планов автосервиса с учётом объема работ с электрическими транспортными средствами. Расходов по применению ГСМ станет меньше, и, следовательно, снизятся доходы от работ, упадет спрос на реализацию ГСМ и запасных частей.
Для обслуживания электробусов потребуется меньшее количество нового оборудования и оснастки на постах, но возникнет потребность в строительстве цехов по диагностике и обслуживанию аккумуляторных батарей и электрических агрегатов. В первую очередь, необходимо приобретение диагностического оборудования, специализированного инструмента и индивидуальных средств защиты от поражений электрическим током высокого напряжения для механиков. Компания Bosch сотрудничает с автосервисными предприятиями, планирующими переоборудование для обслуживания электрического транспорта, предоставляя для них оборудование [8]. Уменьшение оборота, и, соответственно, запаса, ГСМ и сопутствующих запасных частей ведет к сокращению площадей, занимаемых под склады СТО. За счет сокращения сроков технического обслуживания электробусов и объема их текущего и капитального
ремонта значительно возрастет пропускная способность основных рабочих постов в ремонтных зонах СТО. При расчете на аналогичный парк электрических транспортных средств, модернизированный автосервис необходим с наименьшим числом постов. На сегодняшний день сервисные центры по обслуживанию электробусов распространены только в московском регионе.
В результате проведенного исследования, получены следующие выводы:
1. Эксплуатация электрического транспорта имеет ряд недостатков, которые не позволяют ему сейчас полностью вытеснить традиционные автомобили с рынка. Батарея электротранспорта быстро теряет свой ресурс, а замена после выхода из строя экономически нецелесообразна, т.к. ее стоимость занимает более половины структуры стоимости всего транспортного средства. К наиболее значимым недостаткам также относятся малый запас хода, что является весомым показателем в России с низкой плотностью населения и большими расстояниями между городами, и проблемы с воздействием низких и высоких температур. Без устранения данных недостатков электрический транспорт не сможет оказать полноценную конкуренцию классическому транспорту.
2. Экологическая и экономическая целесообразность использования электротраспорта присутствует лишь в некоторых отраслях народного хозяйства. Установлено, что применение магистральных тягачей на электрической тяге экономически нецелесообразно, ввиду ограниченной дальности хода и снижения эффективной грузоподъемности.
3. Установлено, что при переходе на обслуживание электрического транспорта в автосервисных предприятиях будет наблюдаться значительное снижение выручки за счет уменьшения нормативных работ по ТО и Р подвижного состава. СТО необходима модернизация производственно-технической базы и расширение перечня оказываемых услуг по диагностике и ремонту электрооборудования транспортных средств.
Литература
1. Надич О.А., Карев В.Ф Преимущества эксплуатации электробусов // В сборнике: Современные тенденции развития науки. Материалы Международной (заочной) научно-практической конференции. под общей редакцией А.И. Вострецова. 2018. С. 85-88.
2. Оспанбеков Б.К., Ютт В.Е. Повышение энергетической эффективности и эксплуатационных показателей электромобилей: дисс. ... канд. техн. наук: 05.09.03. -Москва, 2017.-46с. [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https://www.müt.ш/content/Диссер-тация.pdf?id_wm=770923 (дата обращения 10.10.2021)
3. Асоян А.Р., Солнцев А.А., Никитин Д.А., Никитина Л.В., Багрин -В.А., Федюшкина О.В. Влияние температуры на работу и жизненный цикл аккумуляторной батареи на основ LI-ионных электрохимических элементов // В сборнике: Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта. Сборник научных трудов, посвященный 85-летию кафедры ЭАТиС МАДИ, по материалам 79-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. 2021. С. 75-80.
4. Еварестов В.М., Максимов В.А., Поживилов Н.В., Сидоров К.М. Обзор внедрения электробусов КА-МАЗ-6282 или ЛИАЗ-6274 в автобусные парки города Москвы // В сборнике: Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта. Сборник научных трудов кафедры ЭАТиС, посвященный 90-летию МАДИ, по материалам 78 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. Под общей редакцией А.А. Солнцева. Москва, 2020. С. 32-37.
5. Тебекин М.Д. Перспективы использования электробусов в качестве городского общественного транспорта // В сборнике: Информационные технологии и инновации на транспорте. Материалы VI Международной научно-практической конференции. Под общей редакцией А.Н. Новиков. 2020. С. 262-269.
6. Мальцев Н.Г. К вопросу оценки характеристик современных коммерческих автомобилей и электротягачей категории №3 // В сборнике: Автомобиле- и тракторостроение. Материалы Международной научно-практической конференции. отв. ред. Д. В. Капский. 2019. С. 93-99.
7. Иванов С. Дилерам показали электрическую «Газель». 2021. [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https://insideevs.ru/news/506867/gazelle-enn-electric-van/\ (дата обращения 10.10.2021).
8. Великанова М.В., Фарафонов Ф.В. Особенности организации СТО электробусов // Актуальные научные исследования в современном мире. 2020. № 6-1 (62). С. 101-106
