CC BY
47
МЕХАТРОНИКА
УДК 629.341
РЕТРОСПЕКТИВА ОСНОВНИХ ЕТАП1В РОЗВИТКУ ЕЛЕКТРОМОБ1Л1В.
ЧАСТИНА 1
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Хар^вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Проведено анал1з тръох початкоеих emanie розвитку електромобтв. Показано, що neprni електромобт набули популярност\ заедяки npocmomi конструкци, зручност1 викорис-тання, безшумност1 роботы, eidcymnocmi бруду, високт Hadirnocmi. Розкрито основт причини р1зкого скорочення еиробництеа електромобтв на початку 30-х pp. XX ст.
Ключов1 слова: електромобть, акумуляторна батарея, електродеигун, енергоощадт технолога, електротранспорт.
РЕТРОСПЕКТИВА ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ. ЧАСТЬ 1
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Проведен анализ трех начальных этапов развития электромобилей. Показано, что первые электромобили были популярны благодаря простоте конструкции, удобству использования, бесшумности работы, отсутствию грязи и высокой надежности. Раскрыты основные причины резкого сокращения производства электромобилей в начале 30-х гг. XX в.
Ключевые слова: электромобиль, аккумуляторная батарея, электродвигатель, энергосберегающие технологии, электротранспорт.
THE RETROSPECTIVE OF MAIN STAGES OF ELECTRIC VEHICLES
DEVELOPMENT. PART 1
A. Gnatov, Prof., D. Sc. (Eng.), Sch. Argun, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. Analysis of three initial stages of development of electric vehicles is carried out. It is shown that the first electric cars were popular due to: simple design, ease of use, quiet operation, lack of dirt and high reliability. It outlines the main reasons for sharp reduction in the production of electric vehicles, which occurred in the early 30-s of the XX-th century.
Key words: electric car, battery, electric motor, energy-saving technologies, electric transport.
Вступ
Електричний автомобшь e безумовним i не-вщворотним майбутшм автомобшьно! про-мисловосп. Багато автовиробниюв в усьому свт вкладають значш кошти в розроблення саме електромобтв. Цьому сприяе пермане-нтне зростання цш на нафтопродукти, необ-
хщшсть зниження шкщливих викид1в вщ автотранспорту, а також те, що постшно роз-робляються HOBi пристро! збер1гання енергп та р1зного роду енергоефективш й енерго-ощадш технологи.
Hapa3i найбшьшими ринками електричних автомобшв e США, Япошя та Китай. Трош-
ки В1дстають В1д них европеисью кра1ни (Франщя, Нщерланди, Норвепя, Шмеччина, Великобриташя). Серед виробниюв електро-Kapiß видшяються таю компанп, як Nissan (Leaf), Mitsubishi (I MiEV), Toyota (RAV4EV), Honda (FitEV), Ford (Focus Electric), Tesla (Roadster, Model S, Model X, Model 3), Renault (Fluence Z.E., ZOE, Kangoo Z.E., Twizy), BMW (Active C, i3), Volvo (C30 Electric), Hyundai (Ioniq Electric), General Motors (Chevrolet Bolt), Mahindra (e2o Plus), Volkswagen (e-Golf), Opel (Ampera-e), Mercedes-Benz (B250e), Smart (ForTwo, ForTwo cabrio, ForFour), Citroen (Berlingo Electric), Fiat (500e), а також практично bcí китайсью автовиробники.
Анал1з публжацш
Перш1 електрокари швидко набули популяр-hoctí завдяки сво!й простой в експлуатацп, вщсутносп запах1в i меншому р1вню шуму, на вщмшу вщ машин, що працюють на бензин!. Такими автомобшями користувалися заможш люди, щоб пересуватися за míctom.
Вважалося, що основними иокуицями елект-poKapiß е жшки, бо електромобш були чис-тими, тихими, без вихлоиних газ1в. Але най-бшьш вагомим чинником було те, що в них не було аш заводно! рукоятки, на вщмшу вщ бензинових авто, аш котла, як в парових ав-томобшях. Навпъ в тогочаснш npeci робили наголос на тому, що електромобш створеш для жшок. Наприклад, на обкладинщ у вере-сневому журнал! «Вог» 1912 р. було написано: «Жшочий автомобшь - електричний» [1-7], рис. 1, а.
На рис. 1, б наведено зарядження електромо-бшя Columbia Mark 68 Victoria, який був ви-пущений компашею Pope Manufacturing 1906 р., i зарядний пристрш (1912 p.). Вар-TÍCTb цього електромобшя на той час стано-вила 1600 долар1в США - це було недешево, але bíh мав велию переваги: миттевий запуск двигуна, вщсутшсть коробки передач i зчеп-лення, практично повну безшумшсть i небу-валий на той час комфорт (внутршне елект-ричне осв1тлення та o6irpÍB hít).
KpiM того, покупщв приваблювала висока надшнють, на вщмшу вщ авто з ДВЗ. До того ж, щоб зробити щ електрокари бшьш при-вабливими для водив-чоловтв, на деяю ма-шини спещально встановлювали декоративш рад1атори [1, 2].
AW(
3 (AR"
тзь©
Elocíric
Рис. 1. Електромобшь як жшоче авто: а - об-кладинка журналу 1912 р.; б - автолед1 заряджае електромобшь Columbia Mark 68 Victoria
Мета i постановка завдання
Метою роботи е анатз дослщжень та розро-бок електричних транспортних засоб1в - еле-ктромобшв та подання ретроспективи поча-ткових еташв i'x розвитку.
Для досягнення поставлено! мети необхщно виршити таю завдання:
— провести анал1з перших трьох еташв розвитку електромобшв;
— стисло описати кожний з еташв з ч1тким рознесенням i'x у 4aci.
Основн1 етапи розвитку електромобьшв
Проводячи анал1з дослщжень щодо розроб-лення та створення електричних транспортних засоб1в (електромобшв), можна умовно видшити ш1сть еташв i'x розвитку [1-4]:
— перший - виникнення (1837-1895 pp.);
— другий - штенсивного розвитку i конку-ренцй (1896-1930 pp.);
— третш - локального використання (19311960 pp.);
— четвертой - широкого проведения дослщ-но-конструкторських po6iT i випуску велико! юлькосп дослщних зразюв i малих експери-ментальних серш електромобшв (19611982 pp.);
— п'ятий - певний спад po6ÍT, викликаний р1зкою змшою кон'юнктури на нафтовому ринку i невдачами в експлуатацп дослщних партш через недолши джерел струму (теля 1982-2010 pp.).
— шостий - вщродження електромобшв, пов'язане з виходом на масовий ринок елект-poKapiB таких вщомих ф1рм, як Tesla Motors (США), Nissan Motor Company (Япошя), BYD AUTO (Китай).
На першому eTani розвиток електромобшв вщбувався паралельно з автомобшями, що мали двигуни внутршнього згоряння (ДВЗ). Тод1 автомобш з ДВЗ ще не були серйозни-ми конкурентами електромобшв. Це було обумовлено тим, що конструкщя електромобшв була простшою i вони, як i автомобш з ДВЗ, використовувалися тшьки в мютах i здшснювали пересування в pafliyci 10-15 км. 1х швидюсть не перевищувала 20 км/год.
nepmi електромобш були звичайними BÍ3-ками, оснащеними електродвигуном. 1828 р. угорець Аньос Джедлш використовував еле-ктромотор у схожш конструкцп (рис. 2).
Рис. 2. Перший електромобшь - електров1зок
Одними з найперших електричних транспортних засоб1в були екшаж1, створеш 1837 р. американцями Девенпатором 1 Пейджем, а також шотландцем Р. Девщсоном. 1838 р. Б. С. Якоб1 почав проводити дослщи з двигу-ном, що живиться вщ батаре! гальвашчних елемент1в.
Изшше, 1884 р., Т. Перкер, вщповщальний за електрифшащю лондонсько! тдземки, спроектував 1 побудував свш електромобшь 1 самостшно розробив акумулятор для нього (рис. 3).
Рис. 3. Електромобшь Т. Паркера 1884 р.
1888 р. в США був представлений триколю-ний автомобшь. BiH мав десять свинцево-кислотних акумулятор1в виробництва Electrical Accumulator Company, яю важили близько 40 кг. Иого максимальна швидюсть станови-ла 8 миль за годину. Потужнють двигуна -0,5 кшських сил. Це був, швидше, триколю-ний електровелосипед (рис. 4).
Рис. 4. Одна з перших моделей електромобь ля з1 свинцевими акумуляторами
Другий етап характеризуеться значною кон-куренщею в галуз1 автомобшебудування. На цьому етат виробництво електромобшв стало пом1тно зростати 1 починаеться !х се-ршний випуск. Так, 1897 р. на вулицях Лондона з'явилися 1 устшно працювали елект-ромобш-таксг Зовш вони мало вщр1знялися вщ традицшних англшських кеб1в [5] (рис. 5).
Рис. 5. Лондонське такс1 у 1897 р.
Окремо треба зупинитися на розробках всес-вггньо ведомого Ф. Порше. Перше свое авто BiH зробив у вщ{ 23 рок1в 1889 p., i це був електромобшь пщ назвою Egger-Lohner C.2, або «Р1» (рис. 6) [б]. Ф. Порше використав електродвигун, який номшально в штатному режим! видавав 3 к.с., але 3i спещально роз-робленим пристроем «Перевантаження» по-тужнють авто сягала 5 к.с. Електромотор приводив задш колеса в рух через 12-сту-шнчасту коробку передач. Свинцево-кислот-Hi акумулятори забезпечували запас ходу -80,5 км (максимальна швидмсть - 30 км/год). Вага акумулятор1в становила 500,3 кг, за умови загально! ваги транспорту - 1359,4 кг.
Рис. 6. Перший автомобшь Ф. Порше, 1889 р.
У Францп 1906 р. було оргашзовано сершне виробництво легкових електромобшв, що мали запас ходу до 80 км i максимальну швидость руху до 30 км/год.
Перш1 pocifícbKi електромобш були створеш шженером I.B. Романовим 1899 р., а 1901 р. розробник побудував перший 15-м1сний еле-ктроомшбус (рис. 7).
Вже протягом другого етапу свого розвитку електромобш почали встановлювати швид-kíchí рекорди. Так, 1898 р. електромобшь досяг швидкосл 63,3 км/год.
Саме на електромобш вперше в cbítí був подолано руб1ж швидкосл 100 км/год. 1899 р. електромобшь La Jamais Contente у французькому míctí Ашер (поблизу Парижа) досяг швидкосл 105,882 км/год (рис. 8).
У цей перюд електромобш займали значну частку серед ycix транспортних засоб1в, що були в експлуатацп. Наприклад, у США до початку XX ст. з усього числа автомобшв 38 % мали електричш двигуни, 40 % - паро-bí, 22 % - бензинов!.
Рис. 7. Перш1 pocrncbKi електромобш: а - легковий 2-мюний електрокеб; б - 15-шсний елект-роомн1бус
Рис. 8. Електромобшь La Jamais Contente, 1899 p.
Для першого десятилггтя цього перюду хара-ктерний тдйом у розробленш й виробництш електромобшв, а полм деякий спад. У цей перюд сершне виробництво електромобшв було оргашзовано в Англп, Шмеччиш, США, Францп, Япони та шших крашах. Так, 1912 р. в США було випущено 6000 легкових 1 4000 вантажних електромобшв.
Електромобш мали в середньому запас ходу 50-80 км, а швидкють 20-35 км/год. Одноча-сно варто зауважити, що вантажш електро-
мобш мали вщносно велику вантажошдйом-шсть, яка шод1 перевищувала 6 т, а енерго-витрати на перемщення були досить мал1 -0,054-0,095 кВттод на 1 т-км повно! транс-портно! роботи (рис. 9) [7].
Для прикладу в табл. 1 наведено деяю техш-ко-експлуатацшш характеристики електромобшв розглянутого перюду [3].
Рис. 9. Електромобшь, вантажвка-рефриже-ратор чиказько! ф1рми Walker для тран-спортування морозива, 1920 р.
1918-1928 pp. спрощеш конструкцп електромобшв у вигляд1 електров1зюв знайшли широке застосування як технолопчний транспорт на машинобуд1вних пщприемствах (рис. 10).
Рис. 10. Одна з конструкцш електромобшя у вигляд1 електров1зка
У перш1 десятилггтя XX ст. шдвищилася конкурентоспроможшсть автомобшв з ДВЗ вщносно електромобшя. Це пояснюеться по-дальшим удосконаленням конструкцп порш-невих двигушв, що забезпечило швидюсть руху автомобшя бшьше шж 80 км/год, а запас ходу до 300 км. Це дозволило використо-вувати автомобшь за межами мюта [4].
Третш етап розвитку визначальний тим, що вже на початку 30-х рр. XX ст. виробництво електромобшв р1зко скоротилося. Лише в окремих крашах, таких як Великобриташя, Н1меччина 1 США, тривав !х випуск невеликими парт1ями.
Таблиця 1 Техн1чн1 характеристики електромобшв (за перюд 1916-1930 pp.)
Електромобш PiK випуску Корисне на-вантаження, кг Повна маса з вантажем, кг Батарея Запас ходу, км Максимальна швидюсть, км/год
енергоемшсть, кВттод вага, кг
Легковий 1923 244 2234 18,1 780 85 39
1926 210 1110 9,6 - 100 35
Електробус 1916 1650 5500 24,0 860 70 27
1924 2500 12000 60,5 3100 62 26
Фургон 1923 579 2700 16,2 800 67 30
Вантажний 1923 5972 12061 45,0 1600 55 22
1923 2000 4750 20,7 1100 - -
1924 1470 4554 26,9 1000 68 26,5
1924 6468 13835 52,5 2150 47 18
1926 1030 3645 17,2 900 75 20,7
1926 4070 9100 28,4 1500 58,7 17
1929 3500 8760 28,4 1560 60 26
Електромобш використовувалися там, де були потр1бш невелик! npo6irn i невисою швидкосп руху. 1939 р. кшькють електромобшв у Н1меч-чиш становила понад 9 тис., а до 1944 р. досяг-ла 20 тис. одиниць. Це було пов'язано з намь
ром уряду Н1меччини зменшити залежшсть вщ ¿мпортного нафтового палива.
На третьому еташ спостер1гаеться зростання виробництва електромобшв 1 в Англп. Так, з
1930 до 1960 рр. 1х кшьюсть зросла в 15 раз1в 1 досягла 26 тис. одиниць. Одночасно елект-ромобш ефективно використовувалися в процес1 централ1зовано1 доставки р1зних то-вар1в з торговельно! мереж1 до будинку по-купця, перевезення посилок 1 пошти тощо. Тобто там, де не потр1бш велию середньодо-бов1 пробки 1 висою швидкосп руху транспортних засоб1в.
Роботи щодо розроблення електромобшв велися також 1 в Радянському Союзг Так, 1935 р. на баз1 автомобшя ГАЗ-А був побу-дований перший радянський електромобшь. У цей же час в лабораторп електрично! тяги Московського енергетичного шституту шд кер1вництвом проф. В.Е. Резенфорда та ш-женера Ю.М. Галкша був створений двотон-ний електромобшь на баз1 автомобшя 31С-5.
1948 р. у Науково-дослщному автомобшьно-му 1 автомоторному шституп (НАМ1) були розроблеш 1 виготовлеш електромобш ван-тажошдйомшстю 0,5 т 1 1,5 т, чотири зразки яких використовувалися для перевезення пошти в Москв1 (рис. 11).
Г Яш
т у Шй jd| ШШШ-év
<1
б
Рис. 11. Електромобш НАМ1 ЛАЗ вантажо-шдйомшстю: а - 0,5 т; б -1,5 т
Пот1м 10 дослщних зразюв цих електромобь л1в, виготовлених Льв1вським автобусним заводом, експлуатувалися в перюд з 1952 до 1958 рр. в Леншград1 (Санкт-Петербурз1). Вони здебшьшого використовувалися для перевезення поштових вантаж1в. Деяю техш-ко-експлуатацшш параметри цих електромобшв наведено в табл. 2 [3, 8].
Таблиця 2 Техтко-експлуатацшт характеристики електромобшв HAMI
Параметр HAMI-750 HAMI-751
Вантажошдйомшсть, 500 1500
кг
Maca в спорядженому 1765 2640
стан1, кг
Maca тягово! акуму- 685 1100
ляторно! батаре!, кг
Запас ходу, км 55 70
Максимальний сере- 45-50 55-60
дн1и експлуатац1инии
запас ходу, км
Максимальна швид- 33 30
юсть руху, км
1957 р. в HAMI були розроблеш hobí зразки електромобшв Tiei' ж вантажошдйомносп, а через два роки HAMI спшьно з Ульяшвським автозаводом ím. B.I. Ленша був виготовлений дослщний зразок електромобшя вантажошд-йомшстю 0,8 т на 6a3Í автомобшя УАЗ-450. У цей же перюд був створений перший радянський електробус на 6a3Í тролейбуса СВАРЗ м!стк1стю 70-80 чол. (рис. 12) [9].
Рис. 12. Електробус, побудований для аеро-порту «Внуково» на 6a3Í тролейбуса СВАРЗ
1959 р. на баз1 УАЗ-450 \ УАЗ-450А була ро-зроблена модель Ульяшвського електромобь ля УАЗ-450ЕМ, що був призначений для об-слуговування аеродром1в. На електромобш застосовувалися тягов1 акумуляторш батаре!, розбш! на 2 секцп, встановлеш шд шдлогою кузова по обох бортах у спещальних ящиках [10]. Отже, у перюд з 1930 до 1960 рр. у Радянському Союз1 регулярно проводилися експериментальш дослщження з розробки та використання електромобшв у народному господарств1 краши, хоча широкого застосу-вання вони не отримали.
Пщсумовуючи вище зазначене, можна сказа-ти, що прототипи сучасних електромобшв почали конструювати ще до винаходу ДВЗ. Усього лише через кшька роюв теля вщк-риття М. Фарадеем 1831 р. явища електрома-гштно! шдукцп з'явилися електродвигуни, придатш для використання в електромобшях. У кшщ XIX 1 початку XX ст. електромобшь був одним з основних засоб1в пересування, устшно конкуруючи спочатку з каретами або возами на паровш тяз1, а пот1м з першими бензиновими автомобшями. Саме на еле-ктромобш вперше в свт був подоланий ру-б1ж швидкосп 100 км/год.
Такий шалений усшх перших електромобшв був обумовлений перевагами, яю вони мали пор1вняно з шшими засобами пересування. Це простота конструкцп, зручшсть використання, безшумнють роботи, вщсутнють бру-ду (мастил, стороншх запах1в), висока надш-шсть тощо. Наявнють ус1х цих переваг за-безпечило стр1мкий розвиток електромобше-будування на перших етапах. Але поряд з наявними перевагами перш1 електромобш мали 1 сво1 недолши. Основш з яких - це ма-лий запас ходу та зависока цша. Основним чинником в утвореш цши був досить кошто-вний блок акумуляторних батарей. Тому розвиток технологш, пов'язаних з ДВЗ, яю ви-користовувалися на автомобшях, прив1в до того, що таке авто стало значно привабливь шим. А масове виробництво ДВЗ забезпечи-ло досить низьку цшу автомобшя пор1вняно 3 електромобшем. Саме це й обумовило р1зке скорочення виробництва електромобшв на початку 30-х рр. XX ст.
Висновки
Проведено анал1з дослщжень та розробок електричних транспортних засоб1в - електромобшв та представлено ретроспективу початкових еташв !х розвитку.
Проведено стислий опис перших трьох еташв розвитку електромобшв з ч1тким визна-ченням 1х часового штервалу дп.
Розкрито основш причини р1зкого скорочення виробництва електромобшв, що е основ-
ною характеристикою третього етапу ïx розвитку.
Лггература
1. Электромобиль. Воспоминания о буду-
щем // Материалы сайта. - 2016. - Режим доступа: http: //www.startup.org.ua/ 2016/ 10/blog-post_19.html.
2. Украшсью електромобш: 70 роюв icTopiï
// Матер1али сайта. - 2014. - Режим доступа: http://ecotown.com.ua/news/ Ukrayinski-elektromobili-70-rokiv-istoriyi.
3. Этапы развития электромобилей и их
конструкции // Материалы сайта. - 2010. - Режим доступа: http://www.electro-machines. ru/content/ etapy-razvitiya-elektromobilei.
4. Щетина В.A. Электромобиль: техника и
экономика / В. А. Щетина, Ю.Я. Моргов-ский, Б.И. Центер, В.А.Богомазов. - Л. : Машиностроение, 1987. - 256 с.
5. Электротакси: три года испытаний // Ма-
териалы сайта. - 2013. - Режим доступа:
http://surfingbird.ru/surf/dWsxc4a34#.WA
o-VOuhpHw.
6. Первый электромобиль Фердинанда Пор-
ше выставлен в Музее // Материалы сайта. - 2013. - Режим доступа: https: //360carmuseum.com/ru/news/article/24.
7. Электромобили. История и эволюция машин на батареях // Материалы сайта. -2013. - Режим доступа: http: //www.silver.ru /programms/test_drayv_onlayn/editions-of-the-program/materials-Elektromobililstoriyai -evolyutsiyamashinnabatareyakh.
8. Бусыгин Б. Л. Электромобили / Б. Л. Бусыгин. - М.: Изд-во Московского автомоб.-дорожного ун-та, 1979. - 272 с.
9. Забытые страницы истории московского троллейбуса // Материалы сайта. - 2015. -Режим доступа: http: //nnm.me/blogs/ kissaveli/za-bytye-stra-nicy-isto-rii-mos-kov-skogo-trol-ley-busa.
10. Электромобили УАЗ // Материалы сайта. - 2016. - Режим доступа: http: //www.uaz. ru/ company/75/elektromobili-uaz.
Рецензент: B.I. Клименко, професор, к.т.н.,
ХНАДУ.
