Тема 10. Альтернативні
та гібридні автомобілі
Ціль: опанувати поняття про
загальні тенденції і напрямки створення ДТЗ особливих типів і схем ,
альтернативних існуючим автомобілям, та гібридних автомобілів.
Завдання: відпрацювати
навички прогнозування і визначення розвитку і розповсюдження ДТЗ особливих
типів і схем, альтернативних існуючим автомобілям, та гібридних автомобілів.
Лекція №16
1. Електромобілі.
2. Автомобілі на паливних елементах.
Реальна обмеженість запасів традиційних викопних палив для
двигунів внутрішнього згоряння і негативний вплив їх викидів на довкілля
постійно стимулюють вчених та винахідників до пошуку силових агрегатів для
наземних транспортних засобів, що споживали б енергію від альтернативних
носіїв. До таких силових агрегатів прийнято відносити: електродвигуни,
маховичні, на стиснутому повітрі та ¾
на паливних елементах.
Отже, електромобілем є автомобіль, що приводиться у рух одним або
кількома електродвигунами з живленням від акумуляторів, а не двигуном
внутрішнього згоряння. Електромобіль слід відрізняти від автомобілів з ДВЗ, що
мають електричну передачу, та тролейбусів. Підвидами електромобіля вважаються
електрокар (вантажний транспортний засіб для руху на обмежених і закритих
територіях) і електробус.
Основні переваги електромобіля:
1. Ідеальний характер
протікання швидкісної характеристики.
2.Можливість практично миттєвого реверсування і короткочасної
роботи з 3-5 кратним перевантаженням.
3. Оборотність (можливість роботи в режимах і двигуна, і
генератора).
5.Простота конструкції та управління (двохпедальне), висока
надійність і довговічність екіпажної частини (до 20-25 років), порівняно із
звичайним автомобілем. Тут слід додати наступне. Компанія Mitsubishi Motor розробила для легкових
автомобілів колесо із вбудованим електродвигуном ¾
мотор-колесо, що отримало назву MIEV
(Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle). Аналогічне мотор-колесо
розробила і Toyota. Прототип електромобіля Toyota Fine-T може повертати колеса перпендикулярно до осі
машини, що значно полегшує паркування. Крім того, застосування вентильних
(змінного струму), з магнітами на основі неодим-залізо-бор-матеріалів,
електродвигунів дало змогу суттєво покращити показники питомої потужності
останніх і довести їх до величин 0,6-0,8кВт/кг.
6. Універсальність споживаної електроенергії, з можливістю
підзарядки від звичайної побутової мережі, та відносна дешевизна
експлуатаційних витрат. Так, зокрема, Ford Ranger здатний
споживати 0,25 кВт×год
на 1км пробігу, Toyota Rav-4 ¾
0,19.
Основні недоліки:
1.
Конкурентна нездатність по запасу
ходу та вартості щодо звичайних автомобілів з ДВЗ. Наявні сьогодні високоємкі
акумулятори або занадто дорогі (срібло, літій), або неприйнятні за рядом інших
характеристик (наприклад, робоча температура натрій-сірчаних акумуляторів
>3000С), хоча й можуть забезпечити пробіг електромобілю, типу Mitsubishi Colt,
у 150км. Крім того, таким акумуляторам притаманний високий саморозряд.
2.
Все ще є великою проблемою
виробництво та утилізація акумуляторів, позаяк останні містять отруйні складові
(свинець, літій).
3.
Небезпека виникнення різкого
зростання навантаження на мережу і ризик локальних аварій у разі масової
одночасної зарядки електромобілів.
4.
Триваліший час зарядки АКБ, порівняно
із заправкою паливом автомобілів.
Перспективи.
Перш за все, роботи провідних компаній зосереджуються на
подальшому вдосконаленні і розвитку АКБ.
Одним з перспективних напрямків вважається застосування нікель-металгідридних
акумуляторів, та на основі поліпропілену. Проте продовжують масово
використовуватись і звичайні свинцево-кислотні акумулятори, енергоємність
котрих складає 40-45 Вт×год/кг,
що є практично не обслуговуваними.
У березні 2006р. Atairnano
і Boshart Engineering склали угоду про спільну
розробку електромобіля. В травні 2006р. успішно завершились випробування
акумуляторних батарей з Li4Ti5O12
електродами, що мають час зарядки 10-15хв. Розглядаються також питання
використання суперконденсаторів (іоністорів), що мають дуже малий час зарядки,
високу (32Вт×ч/кг)
енергоефективність (більше 95%) і ресурс циклів зарядки-розрядки.
Значно підвищити віддачу батареї можливо і простіше ¾ шляхом
створення електронних систем оперативного контролю стану та зарядки-розрядки.
Крім того, слід мати на увазі, що будь-який акумулятор має оптимальний режим
роботи (навантаження). Зокрема, АКБ добре працюють на усталених режимах та
плавному розгоні. При різких стартах вони втрачають багато енергії
непродуктивно на активацію хімічних реакцій. Тому доцільним є застосування
різноманітних стартових систем, наприклад, конденсаторних, а також рекуперації
енергії. За підрахунками експертів, економія електроенергії у цих випадках може
складати 25%.
Отже, як видно із вищезгаданого, сучасний електромобіль майже досяг
рівня класичного автомобіля за основними показниками, але про широке
впровадження найближчими роками мова ще не йде. Основна причина ¾ усе той
же недостатній комерційний запас ходу!
Значно підвищити запас ходу електромобіля можна було б у випадку
вирішення проблеми генерації електричного струму безпосередньо на борту такого
транспортного засобу. Причому, не лише підчас стоянки, але і (особливо) в
їздовому режимі. Додатковою привабливістю такого транспортного засобу могла б
бути так звана «зворотна» підзарядка. Тобто, коли такий транспортний засіб
використовувався б як генератор електроенергії для побутових потреб.
Після дослідження різноманітних способів генерації електричного
струму на борту автомобіля (хімічних, фотоелементних, бактеріологічних, ядерних)
практично всі провідні світові фірми-виробники автомобілів зосередились на
технології паливних елементів.
Сутність цієї технології, в загальному випадку, полягає у
використанні «акумуляторних батарей навпаки» — паливних елементів. Такі паливні
елементи складаються з корпусу-резервуара, заповненого спеціальним
електролітом, в який занурено електроди. При насиченні електроліту речовинами,
типу «паливо» і «окислювач» відбувається реакція їх взаємодії, що проходить
безпосередньо в зоні міжелектродного зазору. В результаті цієї реакції, без
стадії горіння, вивільняються позитивні та негативні заряди, що одразу ж
поглинаються відповідними електродами. Тобто, відбувається процес, протилежний
електролізу. Далі, вироблений таким способом струм направляється на підзарядку
акумуляторних батарей, від яких живляться тягові електродвигуни та інші системи
транспортного засобу. В якості палива може бути застосована люба горюча
речовина, але найкращі показники досягаються при використанні водню.
Застосування паливних елементів, в принципі, дає змогу забезпечити величину
комерційного пробігу таких транспортних засобів, адекватну у класичних
автомобілів з ДВЗ.
Тому, паралельно із вдосконаленням ”чистого” електромобіля провідні світові
автовиробники зосереджують свою значну увагу і на розвитку ДТЗ на паливних елементах. На сьогоднішній момент часу
практично всі провідні фірми-виробники мають у своїх арсеналах проекти таких
автомобілів на паливних елементах. Однак, за висновками різних, так званих
”незалежних” експертів, найбільш близькі до серійного виробництва зразки є у GM і Honda, загальні технічні
характеристики яких наведені у таблиці 16.1 нижче.
Як видно з усього сказаного, автомобілі на паливних елементах теж
дуже наблизились за своїми техніко-експлуатаційними показниками до класичних
автомобілів з ДВЗ. Проте, як і у випадку з “чистими” електромобілями, до всемірного їх
застосування ще неблизько. Цьому є кілька основних причин. Преш за все,
вартість виготовлення генераторного блоку (самих паливних елементів) таких
транспортних засобів, навіть у випадку крупносерійного виробництва, залишається
значно вищою, ніж автомобіля-аналога з ДВЗ. Це перешкоджає народженню масового
попиту на такі транспортні засоби, а, отже ¾ стримує
розвиток необхідної інфраструктури. Другою такою причиною є відсутність так
званого стандарту на концепцію структури силового агрегату автомобілів на
паливних елементах: різні фірми використовують балони для зберігання водню з
різною величиною тиску; деякі, взагалі, застосовують зріджений водень; одні
фірми використовують для окислення водню кисень з бортового резервуара, інші ¾ з
атмосферного повітря. Крім того, багато виробників продовжують робити ставку на
застосування бортових реформерів, в яких водень буде видобуватись із
традиційних видів палива нафтового походження, або альтернативних, на кшталт
ЗНГ, СПГ, чи спиртів.
Таблиця 16.1 ¾
Характеристики автомобілів на паливних елементах.
|
Параметри
|
GM Sequel |
Honda FCX Concept |
|
|
Тип
кузова |
5-дверний
універсал |
4-дверний
седан |
|
|
Кількість
місць |
5 |
4 |
|
|
Габарити,
мм |
довжина |
4994 |
4760 |
|
ширина |
1966 |
1865 |
|
|
висота |
1697 |
1445 |
|
|
колісна
база |
3040 |
Н.д. |
|
|
Споряджена
маса |
2170 |
|
|
|
Двигун,
кВт/Нм |
88/215,
розміщений поперечно під капотом, +2 двигуни по 25кВт у маточинах задніх
коліс |
129/256,
розміщений поперечно під капотом |
|
|
Трансмісія
|
Планетарний
редуктор 1:10,95 |
Відсутня |
|
|
Розгін 0-100км/год,
с |
<10 |
Н.д. |
|
|
Максимальна
швидкість |
145 |
160 |
|
|
Запас
ходу, км |
480 |
570 |
|
|
Вміст
паливних баків, кг |
8 |
5 |
|
|
Тиск Н2,
бар |
700 |
350 |
|
|
Потужність
батареї паливних елементів, кВт |
73 |
100 |
|
|
Потужність
АКБ, кВт |
65 |
Н.д. |
|
Література: [1.12],ст.22; 37-48; [
2.5]
Лекція №17
Гібридні автомобілі.
Як можна зрозуміти із вище сказаного, на сьогоднішній момент часу
найоптимальнішим шляхом суттєвого покращення екологічних та економічних
показників ДТЗ при їх помірних споживацьких цінах є створення так званого
”гібридного“ автомобіля. Основа гібридної технології на ДТЗ полягає у
використанні комбінованої силової енергоустановки, що включає в себе ДВЗ та
додатковий, екологічно чистий двигун іншого принципу дії. Це дозволяє знизити
витрати моторних палив, покращити тягово-швидкісні характеристики та досягти
норм ”Євро-5-6“ і жорсткіших. В якості такого додаткового двигуна може
використовуватись маховичний, пневматичний або електричний, що набув
переважного розповсюдження. Додаткова силова установка, хоча і має принцип дії,
відмінний від ДВЗ, покликана органічно доповнити його.
Покращення (10-80%) екологічних, паливно-економічних (20-90%) та
тягово-швидкісних (30-100%) характеристик досягається диференціацією
підключення типу силового приводу: на режимах перевантаження, неусталених, коли
споживання палива і токсичність ВГ у ДВЗ найвища, під’єднується або повністю
вмикається додаткова силова установка. Крім того, система керування самим ДВЗ
спеціально налаштовується на досягнення найекономічніших і найекологічніших
режимів.
На сьогоднішній момент часу найбільшого розповсюдження набули три
основні варіанти схем побудови електротрансмісії гібридних силових установок
автомобіля: послідовна, паралельна і послідовно-паралельна.
Послідовна схема, зображена на рис.17.1, характеризується тим, що
ДВЗ використовується лише для приводу для приводу генератора електричного
струму. Колеса ж автомобіля приводяться тяговими електродвигунами. При цьому
ДВЗ налаштований на усталений, оптимальний режим роботи, з мінімальною питомою
витратою палива та токсичністю ВГ. При цьому, силова взаємодія між елементами
здійснюється наступним чином.
ДВЗ 1 приводить генератор 2 (змінного струму), котрий, через
випрямлювач-інвентор 3, підзаряджає АКБ 4 і живить тяговий електродвигун 5.
Останній приводить у дію ведучі колеса 6. Електродвигун 5 забезпечує ДТЗ весь
необхідний силовий і швидкісний діапазони. Крім того, під час гальмування та
русі під ухил електродвигун 5 працює в режимі генератора.
Перевагами послідовної схеми є відсутність механічної трансмісії,
зниження питомої витрати палива і токсичності ВГ за рахунок стабілізації
режимів роботи ДВЗ. Недоліками ¾
зменшення ефективності і загального ККД за рахунок подвійного перетворення
енергії: механічної від ДВЗ ¾
у електричну і знову ¾
у механічну.
|
|
|
Рис.17.1 |
Паралельна схема, зображена на рис.17.2, характеризується тим, що
на ведучі колеса 6 передається сумарний крутний момент ДВЗ 1 і тягового
електродвигуна 5. Можливий варіант конструктивного виконання, коли кожен тип
двигуна приводить ”свій “ міст.
Перевагами цієї схеми є певне спрощення (збереження) трасмісії 2
від ДВЗ, вищий загальний ККД передачі, порівняно з попередньою схемою, а також
можливість застосування одного тягового електродвигуна замість двох, або
чотирьох. Як недолік можна зазначити обов’язкове ускладнення електричної
трансмісії для забезпечення її синхронної роботи з механічною.
|
|
|
Рис.17.2 |
У послідовно-паралельній схемі, рис17.3, планетарний механізм 2
розділяє потік потужності так, що співвідношення крутних моментів для приводу
ведучих коліс 7 і генератора 3 може плавно змінюватись. При цьому, гібридні
автомобілі, зібрані за цією схемою, за звичай комплектуються двома потужними
оборотними електромашинами 3 і 6, тому здатні рухатись як у комбінованому
режимі, так і лише на електричній тязі. Бортовий комп’ютер передбачає
можливість підзарядки АКБ 5 будь-якою з електричних машин. До недоліків даної
схеми слід віднести надмірну конструктивну складність.
|
|
|
Рис.17.3 |
Література: [1.12],ст.22; 37-48; [
2.5]
