CC BY
35Применение электрического привода наземного транспортного средства
В.И. Ерохов,
профессор МГТУ «МАМИ», д.т.н., А.В. Николаенко,
ректор МГТУ «МАМИ», профессор, к.э.н
Ключевые слова: электрический привод, топливный элемент, электрохимический генератор, электромобиль, концепция, анод, катод, экономическая и экологическая эффективность.
Application of the electric drive of the ground vehicle
V.I. Erokhov, A.V. Nikolaenko
Keywords: an electric drive, a fuel element, the electrochemical generator, an electromobile, the concept, the anode, the cathode, economic and ecological efficiency.
В.И. Ерохов, профессор МГТУ «МАМИ», д.т.н.:
Изложена методология проектирования и расчета электрического привода наземного транспортного средства. Разработана классификация существующих и перспективных электромобилей. Объяснен механизм работы электрического химического генератора и основного его компонента - топливного элемента. Разработана принципиальная и конструктивная схема электрохимического генератора и электромобиля в целом. Предложен метод расчета основных элементов электрохимического генератора энергии. Приведены результаты оценки эффективности электромобиля нового поколения.
The methodology of designing and calculation of an electric drive of a ground vehicle is stated. Classification of existing and perspective electromobiles is developed. The mechanism of work of the electric chemical generator and its basic component of a fuel element is explained. The basic and constructive scheme of the electrochemical generator and an electromobile as a whole is developed. The method of calculation of basic elements of the electrochemical generator of energy is offered. Results of an estimation of efficiency of an electromobile of new generation are resulted.
Жесткий регламент мировых стандартов по ограничению содержания двуокиси углерода (СО2) в отработавших газах (ОГ) стимулирует создание новых источников энергии. Снижение выбросов СО2 в ОГ является главной проблемой современной автомобилизации.
Перспектива развития современных наземных транспортных средств (НТС) связана с использованием электрической энергии в качестве энергоносителя, применяемой на протяжении всей истории автомобилестроения. Электрический привод на автомобильном транспорте всегда относили к числу наиболее перспективных силовых установок. В начале ХХ в. количество электромобилей превышало в два раза парк автомобилей с традиционными двигателями. Во многих странах мира создан
значительный парк электромобилей, насчитывающий свыше 140 типов.
В нашей стране и за рубежом в последние годы ведется поиск оптимальных решений создания принципиально новых, экологически чистых транспортных силовых установок. В современных условиях автомобилизации и жестких экологических требований электромобили просто незаменимы для определенной категории транспортных работ и перевозки пассажиров. Применение электрического привода наиболее эффективно решает проблему повышения экологической безопасности НТС.
Основным препятствием на пути широкого внедрения электропривода является несовершенство источника электрической энергии и нерешенность многих аспектов системы электронного управления НТС.
В мировой практике автомобилестроения существуют различные точки зрения на упомянутые основополагающие и взаимосвязанные проблемы. Сущность технических решений электрического привода по известным причинам имеет закрытый характер. Публикации и патенты носят преимущественно рекламный характер.
В МГТУ «МАМИ» выполнен комплекс работ по обоснованию применения электрического привода электромобиля и формированию предпосылок для решения проблемы.
Задачами исследования является разработка классификации существующих и перспективных современных электромобилей, общей концепции, современной методологии проектирования и расчета электромобиля нового поколения, алгоритма управления электроприводом
I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.
автомобиля, принципиальной и конструктивной схемы электрохимического генератора и электромобиля в целом, блок-схемы электропривода электромобиля нового поколения, его экономической и экологической эффективности.
В основу классификации современных электромобилей положены конструктивные особенности и тип электрического привода. Разработанная классификация позволяет идентифицировать НТС в зависимости от типа электрического привода.
Электромобили представляют собой транспортные средства, базирующиеся на традиционной схеме путем применения аккумуляторных батарей (АБ). Традиционный электромобиль обладает повышенной массой, снижающей его грузоподъемность в 1,5 раза по сравнению с базовой модификацией и эффективность электропривода. Перспективным является использование электродвигателя с автономным источником электрического тока.
Гибридные автомобили, предусматривающие сочетание традиционного и электрического источников энергии, представляют собой промежуточный тип современного электромобиля, не требующего зарядки АБ от внешних источников.
Тяговый электродвигатель обеспечивает НТС дополнительную мощность, не расходуя традиционное топливо и не загрязняя окружающую среду. Традиционный ДВС позволяет развивать высокую скорость движения на уровне современных автомобилей.
Топливные элементы, используемые на электромобилях, относят к новым электрохимическим источникам энергии, получившим название топливных химических элементов (ТХЭ).
Солнечный электромобиль находится на стадии концептуального поискового технического решения.
Гибридные системы могут иметь последовательную, параллельную и комбинированную конструктивные схемы гибридных силовых установок.
■ Гибридная установка последовательного типа обеспечивает одновременный привод ведущих колес от ДВС и тягового электродвигателя.
Традиционный ДВС в составе гибридной установки используют для зарядки АБ, питающей электродвигатель. Схема гибридной установки повторяет силовую установку электромобиля, дополненную генератором с приводом от ДВС, работающим в зоне максимальной топливной экономичности. Электрический ток, вырабатываемый генератором, обеспечивает зарядку АБ и питание обмотки тягового электродвигателя. Последовательная схема электромобиля работает одновременно с генератором. Тяговую характеристику обеспечивает электродвигатель, питаемый от АБ или генератора.
■ Гибридные установки параллельного типа используют тяговый электродвигатель в качестве дополнительного для увеличения суммарной мощности энергетической установки и генератора для зарядки высоковольтной АБ. В параллельной схеме выходные валы мотор-генератора и ДВС жестко связаны между собой. Движение автомобиля возможно с приводом только от тягового электродвигателя.
■ Гибридная схема смешанного типа (сплит-система) обладает функциями гибридной установки последовательного и параллельного типов, содержит ДВС, совмещенный с электродвигателем, и комплексную систему управления. Гибридная схема управляет расходом топлива в зависимости от скорости движения НТС. При этом на низких скоростях работает электродвигатель, а в обычном режиме - традиционный ДВС. Электронная система контролирует взаимодействие двух источников энергии, механическая суммирует потоки мощности от двух двигателей, обеспечивая возможность независимой их работы.
Концепция современного электромобиля нового поколения в методологическом плане ориентирована
на соблюдении содержания СО2 в ОГ. Планируемая с 2012 г. норма выброса парниковых газов (СО2) составит 135 г/км, а в недалеком будущем снизится до 90 г/км, что требует принципиально новых технических решений. Выброс СО2 пропорционален расходу топлива и содержанию в нем углерода.
При полном сгорании 1 кг углерода выделяется 3,67 кг диоксида углерода. Важным условием выполнения жестких норм является применение энергоносителей с низким содержанием углерода в базовом топливе. Применение спиртов, содержащих в 2 раза меньше углерода, и метанола заметно снижает выброс СО2. Высокое содержание водорода в газовом топливе обеспечивает более полное сгорание горючей смеси. При сгорании 1 кг метана выделяется 2,8 кг СО2, а бензина или дизельного топлива - 3,1 кг СО2. Удельные выбросы СО2 при использовании природного газа (ПГ) на 30 % меньше в сравнении с базовым топливом.
Недостатком традиционных методов преобразования скрытой химической энергии является невысокий КПД. Большие потери энергии происходят на стадии превращения теплоты в механическую работу. КПД транспортных установок в городских условиях составляет 10___15 %.
Концепция электрического привода представляет собой совокупность теоретических, методологических и технических решений традиционного и электрического приводов современного электромобиля. В основу разработанной концепции положены новые представления об особенностях адаптированного электрохимического генератора, обеспечивающего прямое преобразование химической энергии топлива и окислителя в электрическую. Разрабатываемая теория получения и хранения водорода и окислителя на борту электромобиля частично может быть ориентирована на конверсию метанола.
Для повышения технического уровня традиционного ДВС в составе гибридной установки МГТУ «МАМИ»
разработал электронную систему впрыска топлива, лазерную систему зажигания, газораспределительный механизм с изменяемыми фазами, систему управления на основе нейро-технологии, методологию применения альтернативных видов топлива и программного обеспечения современного ДВС. Основные технические решения защищены патентами РФ. Мощность бензинового двигателя составляет 40 % мощности комбинированной установки. Двигатель комбинированной силовой установки развивает высокий крутящий момент в широком диапазоне частот вращения.
В результате выполненного комплекса работ сформулирована концепция совершенствования бензинового ДВС существующих и перспективных конструкций.
Традиционные ДВС оснащены ГРМ с нерегулируемыми фазами, которые ухудшают экологические параметры ДВС. Автомобильные ДВС в условиях интенсивного движения и в составе гибридной установки должны иметь несколько уменьшенную продолжительность впуска за счет смещения угла в сторону запаздывания его открытия и закрытия. ДВС при работе на установившихся режимах для эксплуатации на равнинной местности должны иметь более развитые фазы. Применение ГРМ с переменными фазами обеспечивает снижение расхода топлива на 25 %, улучшение топливной экономичности на 10 % на режимах малых и средних нагрузок, снижение уровня токсичности ОГ, а также шума автомобиля.
Выявленные особенности и закономерности смесеобразования и сгорания позволили разработать оптимальные алгоритмы ЭВМ. Структура типичной нейронной сети управления шаговым двигателем содержит входной, скрытые и выходной уровни.
Система рециркуляции ОГ обеспечивает снижение выброса Шх на 60_70 % и максимальной температуры цикла из-за уменьшения свежего
заряда и увеличения его теплоемкости. Рециркуляция ОГ включается после прогрева охлаждающей жидкости до температуры 35_40 °С и осуществляется во всем диапазоне частичных нагрузок. Содержащаяся в составе ОГ двуокись азота (N,0) способствует ускорению протекания предпламенных химических реакций, в результате которых сокращается период задержки воспламенения.
Рециркуляция ОГ обеспечивает возврат 10_20 % продуктов сгорания на впуск в цилиндры. Попав в цилиндры, ОГ в начале сгорания действуют как активные центры, но одновременно увеличивают количество балластных компонентов, замедляя реакцию окисления, и снижают температуру ОГ. Бензиновый ДВС с упомянутыми техническими решениями в составе гибридной установки обеспечивает соблюдение жестких экологических и топливно-экономических показателей современных автомобилей.
Замена нефтяных топлив на экологически чистые является одним из радикальных средств решения экологических проблем транспортной энергетики. Наиболее эффективно применение двухтопливной системы для снижения содержания парникового газа СО2. Подобные технические решения целесообразно применить в разработанной схеме гибридного автомобиля (рис. 1).
Электродвигатель, способный к кратковременным перегрузкам с хорошей тяговой характеристикой, не нуждается в сложной трансмиссии. Несмотря на простоту технического решения за этой схемой будущее [1]. Важной задачей является повышение энергоемкости батарей, которая предопределяет запас хода электромобиля. Для электромобиля, эквивалентного базовому автомобилю, достаточно иметь мощность двигателя 15 кВт. При этом масса батареи должна составлять 300 кг. Батарея позволяет
Характеристики аккумуляторных батарей
Тип аккумуляторной батареи Удельная энергоемкость, Вм/кг Удельная батаре кг стоимость и, руб. кВт^ч Число циклов заряда
Свинцово-кислотная 33 60 3000 1000
Никель-кадмиевая 33 300 10500 3000
Никель-железная 22 120 5250 1000
Цинк-хлорная 110 60 450 150
Цинк-воздушная 66 60 10800 250
Натрий-серная 150 60 300 100
Литий-серная 110 180 900 230
Литий-ионная 120 180 (900 1000
Серебряно-цинковая 88 120 10500 200
Никель-цинковая 55 240 4500 2000
пройти до перезарядки 60...80 км со скоростью 40...80 км/ч. В мире разработано и эксплуатируется не менее 25 типов различных аккумуляторных батарей. Удельная энергоемкость и срок некоторых АБ приведены в таблице.
Размеры и массу АБ определяют из условий обеспечения необходимого запаса хода и максимальной скорости движения электромобиля.
САБ - ^удС^УлБ >
где GАБ - масса АБ, кг; - удельный расход энергии на 1 >км полной массы при заданной скорости движения, кВт^ч/т^км; Gэ - полная масса электромобиля, т; I - заданный запас хода, км; уАБ - удельная масса аккумуляторной батареи, кг/кВт^ч.
Энергоемкость свинцово-кислот-ных, никель-кадмиевых и железо-никелевых батарей составляет 35.50 Вт^ч/кг. Наибольшую энергоемкость имеют натрий-серные батареи, но срок службы их самый короткий. Через 100 циклов заряда-разряда они выходят из строя. В перспективе их энергоемкость может возрасти до 300 Вт-ч/кг, срок службы до 2 тыс. циклов. Основным преимуществом никель-кадмиевых аккумуляторов является быстрая зарядка (несколько минут). Зарядка свинцово-кислотной продолжается 4.8 ч. Цинк-воздушная, цинк-хлорная батареи недолговечны, а серебряно-цинковая наиболее дорогая.
Одно из основных преимуществ никель-цинковых аккумуляторных батарей состоит в том, что при равной массе они в 2.2,5 раза мощнее известных свинцово-кислотных. Если удельная энергоемкость последних обычно 26 Вт^ч/кг, то у батарей новой конструкции 60 В>ч/кг. Поставлена задача в перспективе обеспечить энергоемкость 70 Вт^ч/кг. Применение литий-ионных аккумуляторных батарей обеспечивает снижение их массы до 350 кг.
Для преобразования постоянного тока от АБ в переменный используют инвертор. Первый запуск автомобиля при умеренной температуре окружающего воздуха и достаточной
зарядке АБ осуществляется от своего электромотора. Электронные инверторы практически без потерь позволяют преобразовывать постоянное напряжение аккумуляторной батареи в требуемое напряжение электродвигателя.
Электронные приборы регулируют силу тока, изменяя крутящий момент, блок управления - момент вращения коленчатого вала (КВ) и скорость автомобиля на всех режимах движения. На электромобилях с двигателем переменного тока электронный инвертор преобразует постоянное напряжение аккумуляторной батареи в трехфазное переменное с изменяемой частотой.
В качестве тягового применяют электродвигатель переменного тока - асинхронный или синхронный с постоянными магнитами. Асинхронные электродвигатели обладают значительно более высокой надежностью и примерно вдвое дешевле. Синхронные имеют в 1,5 раза более высокий максимальный крутящий момент М, который определяют по формуле
М=к1В, где к - постоянная электродвигателя; I - сила тока; В - напряженность магнитного поля.
Напряжение и в обмотке двигателя пропорционально частоте вращения ротора п и напряженности магнитного поля
и = кпВ.
Частота вращения ротора пропорциональна напряжению цепи и определяет скорость движения электромобиля. Изменяя напряжение в обмотках двигателя, регулируют скорость электромобиля.
Новый этап развития электромобилей связан с созданием гибридных автомобилей, а затем электромобилей, работающих на топливных химических элементах. Соединение недостатков традиционного ДВС и электромобиля может стать существенным сдерживающим фактором широкого применения электромобилей нового поколения. В ближайшей перспективе энергетические
источники на автомобильном транспорте связаны с развитием электрохимических источников энергии. В мировой практике электромобили на топливных элементах (ТЭ) относят к новым научным разработкам.
Перспективным направлением является использование электродвигателя с автономным источником электрического тока. Разработанная комбинированная энергетическая установка обеспечивает получение электрической энергии непосредственно из ТЭ (водород и кислород), минуя стадия сгорания.
В МГТУ «МАМИ» по аналогии с известной системой Toyota Prius разработана прогрессивная система «Сплит», содержащая компоненты последовательной и параллельной схем и дополненная дифференциалом. Электронная система управления контролирует взаимодействие двух типов двигателей. При невысоких скоростях движения работает электродвигатель, а в загородном режиме - совместно ДВС и электропривод. Разработанная специалистами МГТУ «МАМИ» механическая система гибридного автомобиля [2] суммирует потоки мощности от двух двигателей, обеспечивая возможность их независимой работы. Смешанная система экспериментального образца полноприводного автомобиля с гибридно-силовой установкой (ГСУ) многоцелевого автомобиля обеспечивает минимальный расход топлива в городском цикле на уровне 8,2 л/100 км (базовый автомобиль 17,4 л/100 км). Даже существенное снижение расхода топлива (практически в два раза) в городском цикле не позволяет экспериментальному образцу приблизиться к нормам токсичности ОГ. Применение упомянутых оригинальных технических решений не решает проблемы повышения экологической безопасности бензинового двигателя. Для автомобилей массой свыше 3 т применение гибридных автомобилей неэффективно, так как расход топлива в городском цикле не должен превышать 3,4 л/100 км.
Рис. 2. Принципиальная схема гибридной установки с параллельным потоком энергии: 1 - ведущие колеса; 2 - раздаточная коробка (планетарная передача); 3 - ДВС; 4 - генератор (Мву, 5 - инвертор; 6 - силовой аккумулятор; 7- электрическая связь; 8 - электродвигатель (Ж2); 9 - планетарный редуктор; 10 - главная передача; 11 - трансмиссия; 12 - механическая связь; Э - электрическая связь; М - механическая связь
Гибридная установка НТС (рис. 2) имеет генератор 4 (Л^) и электродвигатель 8 (Мв2), который через MG1 может работать в генераторном режиме, используя для этого ДВС. Ток, вырабатываемый MG1, обеспечивает зарядку аккумуляторной батареи или электрическое питание MG2. Гибридная силовая установка содержит современный ДВС 3, технологически совмещенный с электродвигателем 8. ДВС развивает высокий крутящий момент в широком диапазоне частоты вращения КВ. При торможении и движении автомобиля накатом электродвигатель работает в режиме генератора, возвращая энергию в АБ.
Топливный химический элемент представляет собой электрохимический генератор (ЭХГ) для прямого преобразования химической энергии углеводородного топлива в электрическую на борту автомобиля. ТХЭ содержит гальванический элемент в виде анода и катода, разделенных электролитом (проводник ионов), обеспечивающий окислительно-восстановительную реакцию путем непрерывной подачи водорода и кислорода. Электрическая энергия
генерируется путем подачи топлива на анод, а на катод поступает окислитель.
Особенность работы ЭХГ заключается в разделении на катализаторе анода атома водорода на протоны и электроны. В дальнейшем протоны проходят через мембрану к катоду, а электроны поступают во внешнюю цепь, так как мембрана пропускает только протоны. На катализаторе молекула кислорода соединяется с электроном и протоном с образованием воды.
Реакция окисления внутри ТЭ аналогична процессу горения. ТЭ не изнашиваются, не выделяют вредных веществ и работают бесшумно. ТХЭ производит электрическую энергию до полного расходования топлива (водород) и окислителя (кислород) и не требует при эксплуатации подзарядки источника энергии.
Окисление водорода происходит с образованием электрического тока путем формирования потока электронов. Электролитом служат щелочные, твердополимерные мембраны, расплав карбонатов или других солей, заключенных в пористую
керамическую матрицу. Комплекс химических реакций позволяет получить непосредственно электрический ток при окислении натрия, магния. Топливо расщепляется внутри элемента с образованием водорода и СО, поддерживающих протекание токообразующей реакции в элементе.
Топливный элемент работает при поступлении исходного топлива на анод водородосодержащего топлива (метан, ГСН, синтетический газ, метанол, дизельное топливо). В блоке происходят следующие реакции:
СН4+Н20 СО + ЗН2;
СН + Н20 <-> СО2 + Н2;
СН3ОН + Н20 <-> С02 + ЗН2; с + н2о<-+ СО+Н2.
Со стороны катода поступает кислород (из воздуха). С электродов снимается разность потенциалов. Излишки водорода вступают в реакцию. Реальный КПД ТЭ - 65 %. Использование ЭХГ позволяет поднять КПД до 90.95 % по электроэнергии. В ТХЭ электрическая энергия генерируется до тех пор, пока на анод поступает топливо, а на катод - окислитель.
Электрохимический генератор содержит ТЭ, системы кондиционирования, подготовки топлива и окислителя, утилизации отходов. В ЭХГ с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы: Я2 <->2Я+ + 2е".
Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне элемента. Подаваемый на катод О2 переходит в электролит и реагирует на поверхности электрода с участием катализатора. В процессе реакции водорода и кислорода образуется вода и электрический ток. В ТЭ со щелочным электролитом (концентрированные гидроксиды натрия
или калия) протекают аналогичные химические реакции.
Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают электродвижущую силу (ЭДС) около 1 В. Для создания большой мощности топливный элемент собирают из множества ячеек. Включение элемента в нагрузку обеспечивает поступление электронов к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.
К наиболее распространенным относятся ТЭ с щелочным электролитом - раствором КОН. В качестве материала электродов применяют никель, устойчивый в щелочных растворах. Рабочая температура ТЭ составляет 80_95 °С, электролитом является 30%-ный раствор гидрокси-да калия. Щелочные ТЭ работают на чистом водороде. Для ускорения реакции в пористые электроды вводят платину. Пластина ТЭ площадью 1 м2, содержащая 40 г платины, способна вырабатывать 5 кВт электроэнергии. В топливном элементе со щелочным электролитом используют только чистый водород и кислород [3-5]. Наличие СО2 в воздухе и техническом водороде сопровождается карбонизацией щелочи по уравнению
2 КОН + СО, <-> К,СО, + Н,0.
Впервые сущность ТЭ (рис. 3) описал английский исследователь Гроув. Катализатор 2 представляет собой наночас-тицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Мембрана изготавливается из полимера нафиона толщиной 0,1 мм. Катализатор 2 обеспечивает эффективность химических реакций. Анод и катод связаны электрической цепью 4. Для отвода продуктов реакции предусмотрен штуцер 7. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны образуют отрицательный потенциал и перемещаются к катоду во внешнюю цепь.
В результате реакции во внешней цепи протекает постоянный электрический ток, то есть происходит прямое преобразование химической энергии реакции в электрическую: 2Н2 + О2 = 2Н2О + + Электрический ток + + Тепловая энергия. ЭДС можно рассчитать по уравнению химической термодинамики
Рис. 4. Топливный элемент с ионообменной мембраной:
1 - топливная полость; 2 - штуцер подачи топлива; 3 - катализатор; 4 - анод; 5 - ионообменная мембрана (твердый электролит); 6 - катод; 7 - штуцер подачи окислителя; 8 - полость окислителя; 9 - нагрузка (потребитель); 10 - электрическая цепь; 11 - штуцер для удаления продуктов реакции
Ав
хр
пР
где ДОхр - изменение энергии Гиббса в результате протекания химической реакции; п - число электронов на молекулу реагента; F - постоянная Фарадея (96484 Кл/моль).
Расчет ЭДС для реакции водорода и воды в жидком состоянии при давлении О2 и Н2, равного 100 кПа, дает значения Е = 1,23 В.
э '
Теоретический КПД преобразования энергии можно представить по уравнению
Рис. 3. Топливный элемент с электролитом: 1 - анод; 2,5- катализаторы; 3- электромотор; 4 - электрическая цепь; 6 - катод; 7 - штуцер отвода продуктов реакции
Ав,
Лт =
— ХР
АН
хр
где АН - изменение энтальпии
" хр
в результате протекания химической реакции (тепловой эффект реакции).
Объединяя большое число элементов, получают мощную установку, в которой постоянный ток преобразовывают в переменный. Наибольшее распространение получил ТЭ с мембранами протонного обмена (с полимерным электролитом). Рабочая температура составляет 80_95 °С. В качестве электролита используется твердая ионообменная мембрана (рис. 4).
ТХЭ состоит из анода 4 и катода 6, разделенных ионообменной мембраной 5, пропускающей только протоны, штуцера 2 подвода топлива на анод 4 и штуцера 7 подачи окислителя, а также штуцера 11 удаления продуктов реакции. Для ускорения химической реакции применяют катализаторы. Поступающий в ТЭ водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода Н-. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой 9.
Анодная реакция
2Н2 + АОН~ - 4е -> 4Н20
Катодная реакция
02 + 2Н20 + 4е —> 40Н~.
В последние годы проявляется интерес к ТЭ с твердым полимерным электролитом (ионообменной мембраной). В качестве материалов электролитов используют графит, а катализатора - платину и ее сплавы.
Разновидностью топливного элемента с протонообменной мембраной является прямой метаноловый топливный элемент. В топливном элементе топливо не разлагается с выделением водорода, а используется в нем напрямую. Работа ТЭ основана на реакции окисления метанола на катализаторе до СО2. Прямое электроокисление метанола на аноде имеет вид СН3ОН + Н20 -> С02 + 6Н+ + бе".
Реакция на катоде имеет вид 502 +6Н+ +6е~ ->ЗН20.
Общая реакция метанола для топливного элемента имеет вид СН3ОН + 1,5 02 —> С02 + 2НгО.
Для ускорения реакции углеводородного топлива приходится повышать рабочую температуру топливного элемента. Наиболее надежной и доступной для производства электромобилей является свинцово-кис-лотная батарея с ее малой энергоемкостью. Стоимость современного ТЭ существенно выше, чем стоимость свинцово-кислотных батарей. ТЭ работает при температуре 55_75 °С.
Для начала движения и при движении на малых скоростях используют только электромотор. При наборе скорости АБ направляет свою энергию на блок управления электропитанием. ЭБУ направляет энергию на электродвигатели, расположенные в задней и передней частях автомобиля и позволяющие автомобилю плавно трогаться с места. Рабочее напряжение батареи 270 В.
Топливный элементхарактеризует-ся напряжением, мощностью и сроком службы. Напряжение и топливного элемента меньше ЭДС из-за омического сопротивления К электролита и электродов, поляризации катода ДЕк и анода ДЕ
и = Е3- т - (АЕК + ДЯа),
где I - сила тока, А; К - сопротивление, Ом.
Поляризация электродов обусловлена замедлением процессов, протекающих на электродах, и равна разности потенциалов электрода под током Е! и при отсутствии тока Е==0.
АЕ = Е1-Е1=0.
Поляризация электродов возрастает с увеличением плотности тока ¡, то есть тока, отнесенного к единице площади поверхности электрода 5: ¡ = 1/5.
При одном и том же токе можно снизить его плотность и поляризацию, применяя пористые электроды с высокоразвитой поверхностью (до 100 м2/г). В пористом электроде происходит контакт газа (реагента), электролита (ионного проводника) и электронного проводника. Процессы в пористых электродах достаточно сложны.
Для ускорения реакций в пористые электроды вводят катализаторы, обладающие высокими активностью и длительностью срока службы, а также приемлемой стоимостью. Наиболее широкое использование получила платина, палладий, никель и некоторые полупроводниковые материалы. Пористые электроды представляют собой сложную структуру, в которой протекают электрохимические реакции. Анализ макрокинетики электродных процессов позволяет оптимизировать структуру и толщину электродов.
Напряжение ТЭ снижается с увеличением тока [4] и для большинства лежит в пределах 0,8_0,9 В. Реальный КПД топливного элемента г|р ниже теоретического и определяется по уравнению
Л0 =
ЛЯ
где пр - реальное количество электронов на молекулу реагента.
Реальный КПД ниже теоретического пр < Пт в связи с неполным использованием реагентов и их расходом на собственные нужды установок с ТЭ. Все факторы, увеличивающие напряжение, повышают КПД. От напряжения также зависит и мощность Р = и1.
В процессе работы характеристики ТЭ постепенно ухудшаются, что обусловлено дезактивацией и износом катализаторов, коррозией основ электродов, изменением структуры электродов и другими причинами. Ухудшение характеристик ТЭ ограничивает срок их службы. Для увеличения наработки ТЭ применяют химически стойкие катализаторы (платиновые металлы и оксиды металлов) и основные электроды (графит и никель).
Двигатель комбинированной силовой установки развивает высокий крутящий момент в широком диапазоне частот вращения. Полная его мощность необходима только при трогании с места и преодолении подъемов [6]. Остальное время двигатель работает с неполной нагрузкой. Потери, возникающие при преобразовании электрической энергии в механическую, достигают минимальных значений. При торможении и движении накатом электродвигатель работает в режиме генератора, возвращая энергию в АБ. Мощность бензинового двигателя составляет 40 % мощности комбинированной установки.
Развитие технологии ТЭ позволяет повысить технический уровень современного электромобиля.
Литература
1. Ставров О.А. Электромобили. М.: «Транспорт». 1968. - 100 с.
2. Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Круташов А.В., Карпухин К.Е., Авруцкий Е.В. Экспериментальный многоцелевой гибридный автомобиль // Автомобильная промышленность. - 2006. - № 7. - С. 3.
3. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат. 1991. -264 с.
4. Макрокинетика процессов в пористых средах. М.: Наука. 1971. - 164 с.
5. Лаврус В.С. Источники энергии. М.: Наука и техника. 1997. - 560 с.
6. Мирзоев Г.К., Казаров А.П. Разработка электромобилей ОАО «АвтоВаз» // Журнал автомобильных инженеров. - 2010. - № 1. - С. 18-25.
