Сарвар Кадыров – Электромобили (страница 2)

Давайте рассмотрим работу по накапливанию энергии на примере бензина и свинцово-кислотного аккумулятора. Энергия, получаемая при сгорании 1 кг бензина, эквивалентна примерно 12 кВт/ч, из которой 4,5 кВт/ч переходит в механическую энергию в ДВС стандартной эффективности. Стандартный автомобильный 12-вольтовый свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 50 ампер/часов накапливает энергии 0,6 кВт/ч, а весит приблизительно 20 кг.

Таким образом, банк свинцово-кислотных аккумуляторов с запасом 4,8 кВт/ч, учитывая небольшие потери энергии при ее преобразовании, весит около 160 кг. Тщательно оптимизированная конструкция банка и его компонентов, возможно, уменьшит его вес до 100 кг.

Другими словами, чтобы хранить заданное количество энергии, батарея весит в 100 раз больше эквивалентного количества бензина, и автомобиль должен нести этот вес на себе, еще больше снижая эффективность. Серьезно исследовались концепции создания более совершенных аккумуляторов, и они дали возможность улучшить характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов в четыре раза, а это значит, что они будут весить в 25 раз больше, чем весит эквивалентный им бензин в баке.

Однако, поскольку борьба за сохранение окружающей среды стала серьезной силой в 70-е годы, разработке таких аккумуляторов были посвящены интенсивные исследования.

Результаты не были поражающими. В одном обзоре в конце 1990 года сообщалось, что число концептуальных автомобильных аккумуляторов, серьезно изучавшихся с конца 70-х, сократилось до шести вариантов, имеющих перспективу использования в обозримом будущем. Они включали в себя хорошо зарекомендовавшие себя свинцово-кислотные аккумуляторы и никель-кадмиевые аккумуляторы.

Оставшиеся четыре типа включали в себя никель-металлические гидриды, содо-никелевые хлориды, литий-углеродные и литий-полимерные (литий-ионные). Несмотря на то, что показатели этих аккумуляторов значительно лучше, чем у свинцово-кислотных, стоимость всех этих аккумуляторов, без исключения, намного больше, хотя на это можно возразить, что часть их стоимости компенсируется более долгим сроком службы.

На практике большинство производителей автомобилей оборудовали свои демонстрационные электромобили, гибридные и

автомобили с топливными элементами никель-металлическими гибридами и литий-ионными аккумуляторами. Эти два типа сегодня хорошо разработаны технически, но остаются очень дорогими, по сравнению со свинцово-кислотными, которые пока производятся в больших объемах.

Одной из возможных альтернатив аккумуляторной батарее является конденсатор, который лучше накапливает энергию и имеет лучшие показатели отдачи энергии (аккумуляторы перегреваются, если энергию забирать от них слишком быстро). Конденсаторы наиболее известны как очень маленькие детали электрических цепей, в которых они накапливают энергию вместо того, чтобы пропускать электрический ток. Батареи из больших конденсаторов способны накапливать значительные количества электроэнергии.

Вместе с тем конденсаторы не подходят для долговременного хранения энергии, они эффективны при кратковременном хранении – например, для накапливания энергии при торможении, перед тем, как отдать ее при разгоне.

В 1997 году Honda продемонстрировала автомобиль с батареей конденсаторов, которая могла накапливать достаточно энергии, чтобы снабжать ею электродвигатель в 10 кВт в течение 12 секунд, времени достаточного для разгона на автостраде или для совершения обгона.

Некоторые японские исследовательские группы предполагают использовать комбинацию эффективного аккумулятора, никель-металлического гибрида или литий-ионную и высокомощного конденсатора, для получения легкого, эластичного и мощного буферного накопителя для гибридного автомобиля.

3.Электродвигатели

Любой тип электрического транспортного средства нуждается в тяговом приводном электродвигателе, наличие его и является, по нашему определению, признаком электрического автомобиля. Когда гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах займут место ДВС, понадобится все больше и больше таких двигателей и их конструкция станет очень важна.

В начале 90-х казалось, что выбор между электромоторами переменного и постоянного тока окончательно сбалансировался. Моторы переменного тока в основном имеют лучшую эффективность, но требуют преобразователя, чтобы преобразовывать ток, получаемый от аккумулятора постоянного тока.

Прототипы электрических автомобилей, которые появились к 2000 году в основном в Японии, использовали синхронные двигатели переменного тока, хотя Honda использовала бесщеточный мотор-генератор, установив его между двигателем и трансмиссией на своем гибридном автомобиле Insight, дошедшем до производства.

Большинство современных тяговых двигателей переменного тока работают при напряжении в пределах 70—120 вольт, результате компромисса между размерами мотора, эффективностью и электрической безопасностью. Основная часть современных электромобилей использует односкоростной привод за счет способности электрического тягового мотора развивать максимум крутящего момента при оборотах, равных нулю, или при очень маленькой скорости.

С помощью «агрессивной» технологии и принудительного охлаждения электродвигатели могут обеспечивать очень высокое соотношения крутящего момента к весу. Двигатель британской компании Zytec создает крутящий момент 60 Н.м при весе всего 13 кг и может быть практически смонтирован в ступице колеса.

Ключевое место в современной системе управления электродвигателями занимает электроника, а все современные электродвигатели не имеют щеток. Большинство электромобилей сегодня используют электронное управление двигателями, основанное на высокочастотном «вертолетном» принципе, при котором средний уровень мощности определяется пропорционально времени (на стандартный импульс системы), на которое включается питание. Возможной и более совершенной альтернативой является векторное управление, которое было продемонстрировано Mitsubishi на концептуальном автомобиле и которое обеспечивает еще большую эффективность.

Электрические автомобили могут также экономить (регенерировать) энергию, «реверсируя» свои электродвигатели, чтобы запасти часть кинетической энергии, которая иначе будет потеряна (в действительности перейдет в тепло и будет рассеяна) во время торможения. Регенерация может также производиться под компьютерным управлением. В зависимости от условий движения она может играть положительную роль в улучшении экономии энергии на аккумуляторных и гибридных автомобилях.[2]

4.Гибридные узлы

Очевидным способом преодолеть ограниченный запас хода аккумуляторных электромобилей является использование небольшого двигателя и генератора на автомобиле для подзарядки аккумуляторных батарей во время движения. Исходя из других соображений, этот аргумент может быть оспорен созданием экономичного транспортного средства с низким значением вредных выбросов, использующего электрический двигатель, который получает энергию от приводимого двигателем генератора.

Размер первичного двигателя может быть выбран из необходимости получения средней мощности, требуемой автомобилю, а не максимальной, нужной для ускорения. При этом двигатель может работать в режиме наилучшей экономичности и токсичности выхлопных газов большую часть времени (или выключаться). Дополнительная мощность для разгона забирается от энергетического буфера.

В действительности гибридные автомобили могут быть разделены на два класса: последовательный гибрид, в котором вся энергия переводится в электричество, и параллельный гибрид, в котором первичный двигатель соединяется с ведущими колесами механически через трансмиссию, а поток электроэнергии передается параллельно – что выходит из названия.

Последовательный тип дает конструктору автомобиля наибольшую гибкость, потому что все соединения (за исключением привода от тягового двигателя к ведущим колесам) электрические и каждый узел может быть размещен где угодно и наиболее удобно. С другой стороны, при параллельном типе электродвигатель может быть сделан гораздо легче и меньше. В последовательном гибриде электродвигатель должен развивать полную движущую силу, в то время как в параллельном гибриде он нужен для обеспечения только 30% этой силы.

В течение долгого времени отношение к гибридному автомобилю определялось стоимостью применения двух силовых установок, двигателя внутреннего сгорания и электрической, вместо одной, а это означало, что такой автомобиль будет очень дорогим по сравнению с его соперниками.

Совсем недавно проведенный детальный анализ показал, что гибридный автомобиль может быть сделан конкурентоспособным, когда лишняя стоимость компенсируется лучшей экономичностью и низкими выбросами ОГ, которые являются результатом «управления энергией», заключающейся в гибкости системы, способной запасать, регенерировать и сохранять энергию, которая теряется в обычных ДВС. Эти новые разработки уже позволили Toyota и Honda освоить серийное производство и продажу гибридных автомобилей Prius и Insight.

4-дверный седан Prius снабжен гибридной системой Toyota (THS) и интегрированным приводом, который объединяет высокоэффективный 1,5-литровый ДВС и электромотор, приводимый через оригинальный разделитель мощности и бесступенчатую трансмиссию, с управляющей системой, которая гарантирует максимально возможное использование всей доступной энергии.