CC BY
204
УДК 629.113/115
НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ Ю.М. Зайцев; В.В. Семынин, Дальрыбвтуз, Владивосток
Представлен вариант технического решения в максимальном приближении и унификации устройств электро- и автомобиля согласно новой концепции.
Электромобиль - транспортное средство, ведущие колеса которого приводятся от электромотора, питаемого электробатареей.
Вопреки бытующему мнению о высокой экономичности аккумуляторных электромобилей, анализ показывает, что химическая энергия топлива, сжигаемого на электростанциях, используется для движения транспортного средства всего на 15 % и менее. Это происходит из-за потерь энергии в линиях электропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах для аккумуляторов и самих аккумуляторах, электромашинах как в тяговом, так и в генераторном режимах, а также в тормозах при невозможности рекуперации энергии. Для сравнения, дизельный двигатель на оптимальном режиме преобразует в механическую энергию примерно 40 % химической энергии топлива. При большом распространении аккумуляторных электромобилей, а особенно с учетом сказанного, им просто не будет хватать электроэнергии, вырабатываемой электростанциями мира. Не следует забывать, что суммарная установочная мощность двигателей всех автомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира.
Топливные элементы
Проблема решается при питании электромобилей от так называемых первичных источников электроэнергии, вырабатывающих энергию непосредственно из топлива. В первую очередь, такими источниками являются топливные элементы (ТЭ), потребляющие кислород и водород. Кислород можно забирать из воздуха, а водород, в принципе, можно запасать в сжатом или сжиженном виде, а также в так называемых гидридах. Но реальнее его получать из обычного автомобильного топлива прямо на электромобиле с помощью конвертора. Эффективность топливных элементов несколько снижается, но зато не меняется вся инфраструктура топливозаправочного хозяйства. КПД топливных элементов при этом все равно очень высок - порядка 50 %.
Однако электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка - высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств.
При огромной удельной энергии топливных элементов (порядка 400...600 Втч/кг) удельная мощность при экономичном разряде не превышает 60 Вт/кг. Это делает массу топливных элементов для реальных мощностей, необходимых автомобилям, очень большой.
Делаются попытки снижения массы топливных элементов с использованием в качестве промежуточных источников энергии конденсаторных накопителей энергии, обладающих высокой удельной мощностью. Однако и этот путь недостаточно эффективен. Гораздо эффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергии супермаховика, соединенного с обратимой электромашиной.
Известные схемы
Супермаховик - маховик, изготовленный навивкой из волокон или лент на упругий центр. Удельная энергия супермаховика на порядок больше значений данного параметра для лучших монолитных маховиков, к тому же он обладает свойством безопасного разрыва, не дающего осколков.
Удельная энергия супермаховиков из кевлара и графита, достигающая сотен ватт в час на килограмм, снижает его необходимую массу до нескольких килограммов (при удельной энергии 200 Втч/кг, для накопления 2 кВтч потребуется супермаховик массой всего 10 кг).
Несомненным преимуществом данного технического решения является наличие только одной электромашины, что снижает массу и приближает его к автомобильным схемам (рис. 1).
Рис. 1. Схема гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом: 1 - источник тока; 2 - система управления;
3 - обратимая электромашина; 4 - дифференциальный механизм;
5 - мультипликатор; 6 - маховичный накопитель; 7 - главная передача
Источник тока 1 через преобразователи и систему управления 2 связан с обратимой электромашиной 3, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля. Электромашина 3 через сложный дифференциальный механизм 4 с мультипликатором 5 связана с маховиком 6 накопителя и главной передачей 7. В результате масса источника тока 1, например, топливного элемента, может быть выбрана исходя из удельной энергии, а не удельной мощности.
Концепция электромобиля
Новая концепция электромобиля состоит в максимальном приближении и унификации устройств электро- и автомобиля. Это позволяет предельно упростить и уменьшить массу силового агрегата транспортного средства, увеличить его КПД и эффективность рекуперации энергии, а также сделать возможным использование существующих шасси автомобилей для установки силовых агрегатов электромобилей. Последнее обстоятельство должно существенно удешевить машины, в максимальной степени унифицировать их производство с возможностью оперативно менять соотношение количества машин различных типов и программу их выпуска. Кроме того, по желанию заказчика, транспортное средство может быть оснащено как источником механической энергии (обычным или гибридным тепловым двигателем), так и электрической (топливные элементы с супермаховиком), с установкой заменяемых агрегатов в том же двигательном отсеке при полном сохранении всей трансмиссии.
Такая трансмиссия должна быть рассчитана на перспективу и включать уже не ступенчатую, а бесступенчатую коробку передач.
Бесступенчатая коробка передач на основе дискового вариатора новой концепции может использоваться как на легковых, так и на грузовых автомобилях, в том числе и седельных тягачах.
Схема электромобиля
Схема электромобиля в новой концепции представлена на рис. 2. Как и в других гибридных схемах электромобилей, источник электроэнергии выбирается исходя из критерия удельной энергии, что при исключительно высоком значении этого параметра обеспечивает малые массы, а также объемы топливных элементов. В данной схеме в качестве промежуточного источника энергии использован супермаховик с теми же энергетическими и массовыми параметрами, что и в других гибридных схемах с маховичным накопителем.
Рис. 2. Схема электромобиля новой концепции
Принципиальным отличием данной концепции электромобиля от других гибридных схем является отбор мощности от источника электроэнергии необратимой электромашиной - специализированным разгонным электродвигателем малой мощности, соответствующей эффективной удельной мощности источника электроэнергии. Для легкового электромобиля это соответствует 15 и 20 кВт. Благодаря высокой частоте вращения разгонного электродвигателя - до 35000 об/мин для легкового электромобиля, что, в свою очередь, соответствует частоте вращения разгоняемых супермаховиков для накопителей этих машин, масса их весьма мала, соответственно 15 и 30 кг (это обычные показатели для отечественных конструкций авиационного назначения).
Источник энергии и разгонный электродвигатель могут быть объединены в один энергетический блок, сходный по массе и габаритам с демонтируемым с шасси двигателем и его системами. Топливный бак и система питания в принципе могут быть сохранены с добавлением конвертора для получения водорода из топлива. Таким образом, в энергетическом блоке химическая энергия топлива преобразуется в механическую в виде вращения вала, совершенно так же, как и у теплового двигателя. Функцию сцепления выполняет выключатель, подключающий электромотор к источнику энергии.
Таким образом, по желанию заказчика в двигательный отсек может быть установлен любой преобразователь химической энергии топлива в механическую - тепловой двигатель или новый энергетический блок. Далее как в обычном автомобиле, вал энергетического блока соединяется с коробкой передач, в данном случае бесступенчатой. Такая коробка передач уже в недалеком будущем заменит менее эффективные ступенчатые даже на обычных автомобилях. В результате мы получаем электромобиль новой концепции, в максимальной степени унифицированный с обычным автомобилем.
Каковы же преимущества электромобиля новой концепции? По сравнению с автомобилем это несравненно более высокая эффективность использования топлива и экологическая безопасность. По сравнению со средним КПД преобразование химической энергии в механическую - порядка 10...15 % у тепловых двигателей на автомобилях (не следует путать с КПД тепловых двигателей на оптимальном режиме - 30 % у бензиновых двигателей и 40 % у дизельных) этот КПД у топливных элементов с конвертором - 50 %, а у
кислородно-водородных топливных элементов - 70 %. Вредные выхлопы у топливных элементов практически отсутствуют. Примерно такие же преимущества у электромобилей новой концепции по сравнению с аккумуляторными электромобилями, с той разницей, что вредные выбросы последних имеют место не на самой машине, а на электростанциях.
Преимуществами новой концепции являются следующие:
- меньшие габаритно-массовые показатели и высший КПД электромашины, обусловленные тем, что в новой концепции электромашина не универсальная, обратимая, а узкоспециализированная, разгонная, загруженная практически постоянной мощностью, почти на порядок меньше максимальной и при высоких частотах вращения;
- в отсутствии сложного дифференциального механизма с тремя фрикционными муфтами или тормозами, переключающими режимы;
- процесс регулирования частот вращения и моментов от супермаховика до ведущих колес осуществляется не электроприводом, а механическим вариатором, имеющим высший КПД. В особенности это касается процесса рекуперации энергии при торможении, в результате которого кинетическая энергия машины переходит в супермаховик. Ни по частотной полноте передачи этой энергии, ни по КПД этого процесса электротрансмиссия не идет ни в какое сравнение с механическим вариатором;
- традиционная автомобильная схема и соизмеримые габаритномассовые показатели нового энергетического блока с существующими двигателями позволяют легко заменять один вид источника энергии на другой, получая при этом как автомобиль (с обычной или гибридной схемой двигателя), так и гибридный экономичный и динамичный электромобиль новой концепции.
Следует заметить, что проблема создания эффективного электромобиля приобретает особую актуальность в настоящее время в России благодаря новым программам разработки электромобилей.
Библиографический список
1. Гулиа Н.В. Накопители энергии. М.: Наука, 1980. 150 с.
2. Electric & hybrid vehicle technology' 95. The international review of electric and hybrid vehicle design and development. UK & International press. 1995. з04 с.
3. Der neue elektro - 3er von BMW - glied einer langen entwicklungskette. Kolloquium fahrzeug- und motorentechnik. 15...17 Oktober 1991. Eurogress Aachen. 47 p.
4. Отрохов В.П., Гулиа Н.В., Петракова Е.А., Юрков С.А. Бесступенчатая коробка передач для ЗиЛ-5301 // Автомобильная промышленность. 1998. № 7.
