CC BY
42Электромобили ОАО «АВТОВАЗ»
С.Н. Ивлев,
начальник отдела автомобилей с альтернативными энергоустановками
ОАО «АВТОВАЗ»,
Г.К. Мирзоев,
профессор, советник вице-президента ОАО «АВТОВАЗ», к.т.н.
Электромобиль - перспективное направление автомобильной промышленности, интерес к которому проявили отечественные производители. В статье описаны его преимущества, приведена техническая характеристика электромобиля разработки АВТОВАЗа.
Ключевые слова: электромобиль, гибридный автомобиль, асинхронный электродвигатель с постоянными магнитами, тяговая аккумуляторная батарея, удельные характеристики, постоянный ток, переменный ток, КПД, надежность, эффективность.
Development of the EV at JSC «AVTOVAZ»
Electric vehicle is the future technology in automobile industry. And our domestic manufacturers are developing it too. So, what are the main advantages of it?
Keywords: electric vehicle, hybrid electric vehicle, induction motor, synchronous electric motor with permanent magnets , traction battery, specific features, direct current, alternating current, energy conversion efficiency, reliability, efficiency.
В последние несколько лет наблюдается очередной всплеск интереса к электромобилям. Активизировались все процессы по разработке проектов, изготовлению прототипов и подготовке серийного производства электромобилей практически во всех развитых странах. Этот всплеск интереса к электромобилям далеко не первый в их достаточно долгой истории. Тому несколько причин.
Первая - это серьезный прогресс в развитии источников тока. Современные литиевые аккумуляторы уже способны обеспечить пробег между зарядками 150...300 км в реальных городских условиях движения, а это укладывается в ежедневный пробег 70.95 % автовладельцев во всем мире. Вторая - ресурс батареи таков, что его хватит на весь срок службы автомобиля, то есть не менее чем на 200.300 тыс. км. Это значит, что
несмотря на еще высокую стоимость аккумуляторов, батареи полностью окупаются в процессе эксплуатации, а цена будет падать по мере развития их массового производства. Третья причина - батареи, способные при ускоренном заряде за 15.30 мин восполнять 80 % своей энергии, практически не нуждаются в обслуживании и достаточно безопасны.
Ну и наконец последняя причина обусловлена экологическими проблемами: необходимость соблюдения все более жестких норм токсичности и выбросов диоксида углерода усложняет и делает дороже двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в то время как обстановка в крупных городах продолжает ухудшаться. Поэтому федеральные и муниципальные власти ряда стран или мегаполисов заключают договоры с производителями электромобилей о сотрудничестве,
инвестируют средства в производство электромобилей, строительство и обслуживание инфраструктуры их зарядки, а также предоставляют дотации и налоговые скидки покупателям таких машин. Можно привести следующие примеры: разработка в Германии федеральных программ по инвестированию 2 млрд евро в производство электромобилей, 10-летнему освобождению от автомобильного налога их покупателей и организации бесплатных парковок; соглашение между альянсом Renault-Nissan и городским советом Барселоны, который подтвердил намерения установить почти 200 станций подзарядки и смены батарей для электромобилей; принятие четырехлетней программы Еврокомиссии по продвижению электромобилей в странах Европы. Многие автомобильные фирмы уже серийно выпускают электромобили - BYD e6 Electric Vehicle, Ford TRANSIT connect electric, Nissan LEAF, Tesla Motors Roadster Sport 2.5, Mitsubishi i-MiEV, Smart Fortwo electric drive, THNK City. А в ближайшее время (2011 -2012 гг.) практически все ведущие мировые автопроизводители намерены выйти на рынок со своими моделями таких машин, среди которых BMW Active E, Coda Automotive Sedan, Ford Focus electric, Mitsubishi I, Peugeot Urban EV, Renault Fluence Z.E., Renault Kangoo Z.E., Renault Kangoo Maxi Z.E., Renault Twizy Z.E., Renault Zoé Z.E., Fiat 500 minicar, Audi e-tron, Honda Fit EV, Mazda BEV, Tesla Motors Model S, Toyota FT-EV, Toyota RAV4 EV, Volvo C30.
Производство серийных электромобилей явно идет по нарастающей, и уже в ближайшем будущем будет достаточно большой выбор современных транспортных средств на электрической тяге (табл. 1).
До недавнего времени в качестве тяговых электродвигателей в электромобилях использовались почти исключительно коллекторные электродвигатели постоянного тока, что объяснялось простотой систем управления ими. Существующая ранее элементная база силовой электроники не позволяла создавать компактные и надежные системы управления двигателями переменного тока.
«Транспорт на альтернативном топливе» № б (30) декабрь 2012 г.
т
'"ооии»«^
Таблица 1
Динамика продаж гибридных автомобилей (HEV), электромобилей с расширенным пробегом (EREV) и чистых электромобилей (ВБУ)
Электромобили 2007 2008 2009 2010 2011
Hybrid Electric Vehicle (HEV) 352,27 313,67 290,29 273,83 101,8
Extended Range Electric Vehicle (EREV) - - - 326 1,78
Battery Electric Vehicle (BEV) - - - 19 945
В настоящее время в качестве тяговых электродвигателей электромобилей, предназначенных для эксплуатации на дорогах общего пользования, применяются электродвигатели переменного тока двух основных типов: асинхронные (Inductor Motor) и синхронные с постоянными магнитами, часто называемые бесщеточными двигателями (Brushless Direct Current Motor). По сравнению с электродвигателями постоянного тока они имеют такие неоспоримые преимущества, как значительно более высокие удельную мощность, эффективность, надежность и долговечность. Переход на электродвигатели переменного тока был обусловлен появлением принципиально новых электронных компонентов, что сделало возможным максимально эффективное управление такими электродвигателями.
Асинхронные электродвигатели имеют значительно более простую конструкцию, более высокую надежность и, как минимум, вдвое дешевле. Главным преимуществом синхронных электродвигателей являются более высокие (в 1,5-2 раза) удельные характеристики максимальной мощности и крутящего момента за счет применения современных
высокоэффективных магнитов, правда, существенно повышающих стоимость конструкции, а также несколько больший КПД в зоне малых и средних частот вращения. Это обусловлено отсутствием необходимости тратить энергию для создания магнитного потока.
Долгое время тяговыми батареями в различных электромобилях служили специальные свинцово-кис-лотные аккумуляторы, обладающие низкими удельными показателями (30...40 Вт-ч/кг) и недостаточной долговечностью. Затем им на смену пришли щелочные аккумуляторы: никель-кадмиевые (45.60 Вт-ч/кг), а следом никель-металлгидридные (до 70 Вт-ч/кг). Но их характеристики при значительно большей стоимости также были далеки от требуемых.
В качестве аккумуляторных батарей в настоящее время наиболее перспективными считаются литий-ионные (от 90 до 120 Вт-ч/кг) и литий-полимерные (до 140 Вт-ч/кг) батареи, так как они, обладая приемлемой стоимостью, позволяют получить больший запас энергии в заданных габаритах. Дополнительным преимуществом литий-ионных батарей является отсутствие так называемого эффекта памяти, благодаря
чему максимальная отдаваемая энергоемкость батареи в процессе эксплуатации при неполном разряде не снижается (батарею не требуется постоянно доводить до состояния глубокого разряда). Кроме того, существует возможность совершенствования технологии их изготовления и увеличения допустимого зарядного тока, что позволяет сократить продолжительность заряда до 10.20 мин при использовании специальных зарядных станций.
Очень перспективны появившиеся сравнительно недавно литий-полимерные аккумуляторы, но они пока имеют недостаточно широкий диапазон рабочих температур и слишком высокую стоимость.
При выборе аккумуляторов для тяговой батареи необходимо принимать во внимание не только их энергетические и мощностные характеристики, но, учитывая высокую стоимость, и показатели по безопасности, надежности и долговечности, оцениваемые общим числом циклов зарядки-разрядки или суммарным пробегом, а также возможность размещения в отведенном для батареи пространстве.
В настоящее время разработкой и производством различных систем литиевых аккумуляторов для многих сфер применения занимаются десятки фирм по всему миру. В нашей стране также активизировались работы в этом направлении.Так, АК «Ригель» сейчас выпускает кобальтовые литий-ионные аккумуляторы и монтирует линию по производству перспективных литий-марганцевых аккумуляторов, разработанных в Китае.
Таблица 2
Технические характеристики тяговых электродвигателей переменного тока
Модель Тип Номинальные Максимальные Разме «м мм Масса, кг Цена, $
мощность, кВт напряжение, В частота вращения, мин-1 частота вращения, мин-1 мощность, кВт 3¿ н е м о м sO С
MES200-250W Асинхронный 30 240 2850 9000 71 240 91 235x391 73 6900
BRUSA HSM 6.17.12 Комбинированный 31 320 3500 11000 70 223 96 284x245 53 23200
Azure Dynamics AC55 Асинхронный 25 312 2000 8000 59 280 89 343x447 106 3500
I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (30) декабрь 2012 г.
Особо стоит отметить в России ООО «ЛИОТЕХ» (совместное предприятие китайской компании Thunder Sky и государственной корпорации «Российская корпорация нанотехно-логий»), созданное для реализации проекта по производству современных литий-ионных аккумуляторов с использованием фосфата железа. Немного уступая литий-кобальтовым аккумуляторам в удельной энергии из-за меньшего напряжения, новые аккумуляторы значительно выигрывают в максимально допустимой мощности при разрядке и зарядке. Последнее позволяет эффективно использовать рекуперацию энергии при торможении и ускоренный заряд от стационарных зарядных станций. При существенно более низкой стоимости эти аккумуляторы имеют большой диапазон рабочих температур, высокую безопасность и самый большой на данный момент срок службы, а число циклов заряда-разряда достигает 3000. Так, предварительные расчеты, сделанные для электромобиля на базе автомобилей семейства «Калина», показывают, что при среднем пробеге 120 км между зарядками, что соответствует менее 80 % глубины циклирования, суммарный пробег электромобиля на одном комплекте батарей составляет не менее 300 тыс. км. На ОАО «АВТОВАЗ» разработан проект электромобиля ВАЗ-1817 ELLADA на базе автомобиля «Калина» ВАЗ-1117 универсал.
Тяговый электродвигатель для электромобиля ВАЗ выбирался с учетом обеспечения максимальной скорости и динамики автомобиля снаряженной массой 1200.1250 кг с трансмиссией, имеющей постоянный коэффициент передачи. Для удовлетворения требований по динамике необходим электродвигатель с максимальными мощностью (не менее 60 кВт) и моментом (не менее 230 Н-м). При этом для движения со скоростью 110.120 км/ч в течение достаточно длительного времени необходимо, чтобы часовая мощность электродвигателя достигала 30.40 кВт. В результате анализа продукции зарубежных фирм, производящих электродвигатели, предпочтение было отдано асинхронному электродвигателю с
Основные характеристики электромобиля ВАЗ-1817 ELLADA
Снаряженная масса, кг...................................................................................................1250
Число мест..................................................................................................................................4
Максимальная скорость, км/ч......................................................................................130
Разгон до 100 км/ч, с.............................................................................................................14
Пробег по комбинированному циклу, км...............................................................150
Электродвигатель
тип.................................................................................................................Асинхронный
охлаждение.................................................................................................Жидкостное
максимальная мощность, кВт..................................................................................60
масса с трансмиссией, кг............................................................................................86
Батарея
тип................................................................................................Л итий-фосфат-железо
энергоемкость, кВт/ч...................................................................................................23
суммарная масса, кг...................................................................................................270
срок службы, цикл...................................................................................................3 000
Зарядное устройство...........................................................................................Бортовое
Время зарядки от бытовой сети, ч...................................................................................8
Система тормозов
гидравлическая..............................................................С вакуумным усилителем
электрическая.................................................................С рекуперацией энергии
жидкостным охлаждением MES200-250 (Швейцария), приемлемыми параметрами и ценой для единичных закупок (табл. 2).
Выбор тяговой аккумуляторной батареи проводился исходя из требуемой знергии, необходимого напряжения и удобства компоновки батареи в кузове автомобиля. В результате был выбран аккумулятор Thunder Sky LYP90AHA, емкостью 90 А^ч, производства Китая.
Дальнейшее развитие проекта электромобиля ELLADA на АВТОВАЗе связывается с совместной работой завода и ряда предприятий России по производству отечественных компонентов и комплектующих тягового электропривода, не уступающих по
своим характеристикам зарубежным аналогам. Это, конечно, тяговая аккумуляторная батарея ООО «ЛИОТЕХ», а также электродвигатель, контроллер управления, зарядное устройство, преобразователь постоянного тока и другие необходимые узлы, требуемые для установки на электромобиль.
Интерес отечественных производителей большой. И если его помножить на возможность поддержки федеральным правительством внедрения ряда льготных мероприятий в этой области для автопроизводителей и потребителей по примеру зарубежных стран, то будущее отечественного электромобиля может быть вполне перспективным.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (30) декабрь 2012 г.
