Новый принцип работы электромобиля

20.07.10 | Рубрика: Потребители энергии. Просмотры: 4 710

Мало кто знает, что электромобиль впервые появился еще в 1838 году в Англии. Он существенно старше привычного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Поначалу он опережал последний по скорости и объему выпуска, но не смог стать серьезным конкурентом. Основная причина, по мнению авторов, – недостатки питания от электроаккумуляторов.

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 процентов 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 около 40 процентов химической энергии топлива. При большом распространении аккумуляторных электромобилей им просто не будет хватать электроэнергии. Не следует забывать, что суммарная установочная мощность двигателей всех автомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира.

Проблема топливных элементов

Проблемы снимаются 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 инфраструктура топливозаправочного хозяйства. КПД топливных элементов при этом все равно очень высок – около 50 процентов. Такие топливные элементы и конверторы разработаны, в частности, и российскими предприятиями.

Однако электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка – высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных как на максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные для топливных элементов. Это, во?первых, невозможность рекуперации энергии при торможении, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть они не могут заряжаться электроэнергией, а во?вторых – низкая удельная мощность топливных элементов.

При огромной удельной энергии топливных элементов (порядка 400… 600 Вт-ч/кг) удельная мощность при экономичном разряде не превышает 60 Вт/кг. Это делает массу топливных элементов для реальных мощностей, необходимых автомобилям, очень большой. Например, для электромобиля с максимальной потребной мощностью 100 кВт и электробуса с максимальной потребной мощностью 200 кВт это соответствует массам топливных элементов 1670 и 3330?кг. Если прибавить массы тяговых электродвигателей, примерно равные 150 и 400?кг, то получаются массы силовых агрегатов, совершенно неприемлемые для легкового электромобиля и требующие пятитонного прицепа для электробуса.

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, так как лучшие современные конденсаторные накопители, доступные для автомобильной техники, имеют удельные энергетические показатели около 0,55 Вт-ч/кг и 0,8 Вт-ч/литр. Гораздо эффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергии супермаховика, соединенного с обратимой электромашиной.

Супермаховик

Оригинальную схему гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом предложила, изготовила и испытала фирма BMW (Германия). Несомненным преимуществом данного технического решения является наличие только одной электромашины, что снижает массу и приближает его к автомобильным схемам. Тип маховика фирма BMW не уточняет, поэтому используемый накопитель условно назван просто «маховичным».

Здесь источник тока через преобразователи и систему управления связан с обратимой электромашиной, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля. Электромашина через сложный дифференциальный механизм с мультипликатором связана с маховиком накопителя и главной передачей. В результате масса источника тока, например топливного элемента, может быть выбрана исходя из удельной энергии, а не удельной мощности, что снижает ее для электромобиля и электробуса с пробегом, соответственно, 400 и 600?км до 100… 150 и 700… 1000?кг. Это вполне приемлемо для данных транспортных средств.

Однако непременным недостатком всех схем с электроприводом остается наличие тяжелого и сложного обратимого электродвигателя. Это отражается на экономичности привода и его массе, включая систему преобразователей тока. Мощная электромашина неэкономична при работе на малых мощностях, характерных для разгона (зарядки) маховичного накопителя. Кроме того, в схеме, помимо главной передачи, присутствует сложный по конструкции и управлению дифференциальный механизм с мультипликатором и тремя системами фрикционного управления (муфтами или тормозами), что усложняет и удорожает привод.

Новая концепция

Новая концепция электромобиля, предложенная проф. Н. В. Гулиа, 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 и автобусов для установки силовых агрегатов электромобилей и электробусов.

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, транспортное средство может быть оснащено источником как 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.

Схема электромобиля

Как и в других гибридных схемах электромобилей, источник электроэнергии в новом варианте 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.

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 упомянутых выше легкового электромобиля и электробуса это равно 15 и 20 кВт. Благодаря высокой частоте вращения разгонного электродвигателя – до 35000 об/мин для легкового электромобиля и 25000 об/мин для электробуса, что соответствует частоте вращения разгоняемых супермаховиков для накопителей этих машин, масса их весьма мала (15 и 30?кг).

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.

Преимущества электромобиля

Каковы же преимущества электромобиля новой концепции? Это более высокая эффективность использования топлива и экологическая безопасность. По сравнению со средним КПД преобразования химической энергии в механическую – порядка 10… 15 процентов у тепловых двигателей на автомобилях (не следует путать с КПД тепловых двигателей на оптимальном режиме – 30 процентов у бензиновых двигателей и 40 процентов у дизельных), этот КПД у топливных элементов с конвертором – 50 процентов, а у кислородно-водородных топливных элементов – 70 процентов. 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.

По сравнению с наиболее передовыми конструкциями гибридных систем электромобилей с топливными элементами и маховичными накопителями, например со схемой, предложенной и осуществленной фирмой BMW, преимуществом новой концепции являются меньшие габаритно-массовые показатели и высший КПД электромашины. Это обусловлено тем, что в новой схеме электромашина не универсальная, обратимая, а узкоспециализированная, разгонная, загруженная практически постоянной мощностью, почти на порядок меньше максимальной даже при высоких частотах вращения. Вторая выгода – в отсутствии сложного дифференциального механизма с тремя фрикционными муфтами или тормозами, переключающими режимы. Третья – в том, что 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. И последнее преимущество, о котором уже говорилось, – почти традиционная автомобильная схема и соизмеримые габаритно-массовые показатели нового энергетического блока с существующими двигателями. Что позволяет легко заменять один вид источника энергии на другой, получая при этом как автомобиль (с обычной или гибридной схемой двигателя), так и гибридный экономичный электромобиль.

Источник: Энергетика и промышленность России