Реклама

  • Возможности повышения 5 эффективного кпд поршневых двс

     

    7.2 Электромобили

    Радикальным подходом к вопросу улучшения экологической обстановки является широкое внедрение электромобилей. В отличие от автомобилей с гибридными силовыми установками, здесь предполагается полностью устранить традиционные поршневые двигатели, заменив их электродвигателями соответствующей мощности.

    Электромобили нельзя назвать инновационной разработкой, поскольку их применение началось ещё на заре автомобилизации, задолго до широкого внедрения поршневых ДВС. Первые экспериментальные дорожные электромобили появились ещё в 1840-х годах, но наиболее широко они распространились только в конце 19 - начале 20 века. К 1900 году более половины всех автомобилей в США имело электрический привод.

    Совершенствование электродвигателей и аккумуляторных батарей позволяло электромобилям выдавать впечатляющие для того времени показатели. Так, электромобиль Morrison. созданный Уильямом Моррисоном в 1891 году и предположительно считающийся первым электрическим экипажем в США, оснащался электродвигателем мощностью 4 л. с. и имел максимальную скорость 32 км/час. Машина предназначалась для перевозки 6-12 пассажиров, весила около 2 тонн, а запас хода составлял 80 км (рис. 7.11).

    Рис. 7.11 Электромобиль Morrison, 1891 год

    Электромобили Babcock и электрические фаэтоны Bailey. выпускаемые в 1910-х годах, имели рекордный запас хода до 160 км на одном заряде аккумуляторов (рис. 7.12).

    1 мая 1899 года в предместье Парижа, бельгийский гонщик-изобретатель Камилл Жанатци на самодельном электромобиле ^ La Jamais-Contente (от французского «Вечно недовольная») первым в истории преодолел 100-километровый рубеж скорости с результатом в 105,9 км/ч. Рекордный электромобиль имел форму снаряда, а суммарная мощность электромоторов составляла 100 л. с. (рис. 7.13).

    Рис. 7.12 Электромобили Babcock. 1909 год (слева)

    и Bailey. 1909 (справа)

    Рис. 7.13 Электромобиль La Jamais-Contente («Вечно недовольная»),

    впервые развивший скорость свыше 100 км/ч, 1899 год

    Тем не менее, несмотря на бурное развитие электромобилей в начале 20 века, уже к 1910 году их доля рынка вместе с паромобилями снизилась до 1%. Подавляющее большинство автомобилей начали оснащать быстро совершенствующимися поршневыми ДВС, использующими в качестве топлива очень дешёвые на тот момент продукты переработки нефти.

    Ухудшение экологической обстановки в крупных городах в 60-е годы 20 века вынудило исследователей вновь вернуться к электромобилям. Также причиной возобновления интереса стал рост цен на нефтепродукты, спровоцированный топливными кризисами, а жёсткие ограничения выбросов токсичных компонентов, внедряемые в последние 20 лет, вынудили большинство мировых автопроизводителей начать работы в этом направлении [4].

    Электромобили обладают следующими преимуществами:

    1. Отсутствие вредных выбросов в месте использования (перенос экологически вредных процессов выработки энергии к месту расположения электростанций).

    2. Возможность использования для выработки электроэнергии практически любых источников энергии (использование энергии атомных электростанций, гидроэлектростанций, солнечных электростанций и тепловых электростанций, работающих на более дешёвом и доступном топливе (уголь, газ, биомасса, торф).

    3. Упрощение конструкции автомобиля (в первую очередь двигателя и трансмиссии), а, следовательно, и процесса его эксплуатации и обслуживания.

    4. Низкий уровень шума

    5. Возможность рекуперации энергии торможения.

    При очевидной привлекательности такого решения в реальных условиях внедрение электромобилей сопряжено с рядом принципиальных трудностей:

    1. Необходимость запасания и хранения на борту большого количества электроэнергии в аккумуляторных батареях, которые к настоящему времени имеют либо значительно меньшие, чем углеводородное топливо показатели удельной запасённой энергии (а, следовательно, для приемлемого пробега на одной зарядке такая батарея будет иметь большую массу и габариты), либо очень дороги. Как следствие – высокая цена и малый пробег от одного заряда (пробег без подзарядки современных электромобилей примерно равен пробегу электромобилей 1910-х годов).

    2. Длительное время зарядки аккумуляторов (до 6 - 8 часов от бытовой электросети) по сравнению с заправкой топливом. Необходимость разворачивания специальных зарядных станций (в том числе в городах с плотной застройкой)

    3. При широком распространении электромобилей прогнозируется нехватка электроэнергии, что повлечёт строительство большого количества новых электростанций и, как следствие, повышение тарифов на электроэнергию.

    4. Экологически небезопасное производство аккумуляторных батарей и необходимость их утилизации.

    5. Низкий суммарный КПД системы «топливо – электроэнергия–механическая энергия на валу электродвигателя автомобиля». КПД производства механической энергии, с учётом выработки и транспортировки электроэнергии составляет примерно 15%, тогда как КПД дизельного ДВС находится в пределах 40% [4]. Кроме того, как показали исследования Британской ассоциации по аренде и лизингу автомобилей (BVRLA ), 3-х годичная эксплуатация серийного электромобиля Nissan Leaf со всеми льготами обходится примерно на 5000 фунтов стерлингов дороже, чем аналогичного автомобиля с дизельным двигателем [5].

    6. Увеличение расхода электроэнергии из-за необходимости обеспечивать вспомогательные устройства, например климатическую установку, которая в традиционном автомобиле использовала тепло, отводимое системой охлаждения ДВС [4].

    Компоновка электромобилей

    За последние 100 лет принципиальная схема электромобиля практически не поменялась (рис. 7.14).

    Рис. 7.14 Компоновочная схема электромобиля [4]

    Силовая установка состоит из трёх основных элементов: Тяговых высоковольтных аккумуляторных батарей, блока управления и электродвигателя. Блок управления, в зависимости от положения управляющих органов водителя, регулирует подачу электроэнергии от тяговых батарей на привод электродвигателя. При замедлении автомобиля переключает двигатель в генераторный режим, обеспечивая рекуперацию кинетической энергии.

    В современных электромобилях такая простейшая компоновка дополняется узлом зарядки батарей, дополнительными источниками питания, защитными устройствами и т. д. (рис. 7.15)

    Рис. 7.15 Блок-схема современного электромобиля [4]

    На рис. 7.15 цифрами обозначено:

    1. Зарядное устройство. Обеспечивает подключение электромобиля к электросети, преобразует переменное напряжение в постоянное для заряда тяговых и вспомогательных аккумуляторных батарей.

    2. Устройство защиты. Блок реле и предохранителей, которые включены между аккумуляторной батареей и потребителями.

    3. Тяговая аккумуляторная батарея.

    4. Блок управления.

    5. Вспомогательная аккумуляторная батарея. Обычно имеет напряжение 12В. Обеспечивает работу вспомогательных устройств с малым потреблением энергии (осветительных приборов, панели приборов, стеклоподъемников, и т. д.)

    6. Система климат-контроля салона. Является потребителем с большим расходом электроэнергии и обычно питается от тяговых батарей. Состоит из кондиционера и электроотопителя.

    7. Электронный контроллер электродвигателя. Формирует требуемый вид напряжения питания, таким образом управляя числом оборотов и крутящим моментом двигателя.

    8. Электродвигатель.

    9. Механическая трансмиссия (использоваться при необходимости совместно с некоторыми видами электродвигателей).

    10. Органы управления электромобилем.

    11. Колеса электромобиля.

    Электродвигатели и контроллеры

    Для управления тяговыми электродвигателями необходимо изменять обороты двигателя и крутящий мо­мент на валу в соответствии с воздействиями водителя и изменяющимися условиями движения, ограничивать максимальный ток. Для этих целей используется электронный контроллер электродвигателя, который должен обеспечивать:

    Плавное регулирование оборотов двигателя.

    Рекуперация энергии при торможении.

    Защита от перегрузок и перегрева.

    Реверс.

    В электромобилях используются электроприводы постоянного и переменного тока. В приводах постоянного тока используются традиционные коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением. Обороты регулируются с помощью импульсных преобразователей постоянного напряжения. В бесколлекторных двигателях постоянного тока значительно снижается необходимость в обслуживании.

    Двигатели переменного тока недороги, практически не нуждаются в обслуживании. Для их управления нужны сложные трехфазные инверторы, формирующие напряжение переменной частоты.

    Простота техобслуживания.

    Малый вес и габариты.

    Способность выдерживать перегрузки и загрязнение.

    Безопасность.

    Для удовлетворения этих требований производителями электромобилей специально разрабатываются электродвигатели под конкретный автомобиль в соответствии с его массогабаритными характеристиками. Обычно на электромобилях используются электродвигателя следующих типов:

    1. Трехфазные асинхронные электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором. Управление скоростным режимом двигателя осуществляется за счёт специального контроллера, изменяющего частоты питающего напряжения. Такая конструкция практически не требует обслуживания. КПД двигателя зависит от оборотов. Момент на валу изменяется при переключении обмоток статора с треугольника на звезду и обратно. При соединении обмоток статора в треугольник двигатель развивает большие обороты, что необходимо при равномерном движении (например, по шоссе). При соединении в звезду увеличивается момент на валу двигателя, чем обеспечиваются такие режимы движения как трогание с места, ускорение, движение на подъем. Переключение обмоток звезда-треугольник аналогично переключению скоростей в коробке передач.

    2. ^ Электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Имеют хорошие скоростные и тяговые характеристики. Поскольку обороты такого двигателя пропорциональны напряжению питания, проще организовать управление скоростным режимом. По сравнению с двигателями переменного тока у двигателей постоянного тока более низкий КПД, сложнее конструкция, ниже максимальные обороты, они нуждаются в регулярном обслуживании, более чувствительны к перегрузкам. На электромобилях с двигателями постоянного тока устанавливают многоскоростные механические коробки передач.

    В двигателях постоянного тока, используемых на электромобилях, обмотки возбуждения и ротора включаются последовательно. При трогании момент на валу такого двигателя большой, но падает с ростом оборотов. Такая характеристика удовлетворительна для езды по городу, но малопригодна для движения по шоссе. Поэтому па некоторых электромобилях используются электродвигатели со смешанным (последовательно-параллельным) включением обмоток возбуждения.

    3. ^ Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока состоят из ротора на базе постоянных магнитов и трех - или четырехсекционной обмотки на статоре. Электронный коммутатор поочередно возбуждает секции обмотки так, чтобы возникающее магнитное поле постоянно приводило в движение ротор с магнитами. Позиция ротора определяется системой управления с помощью датчика положения.

    Преимуществами такой схемы перед обычными электродвигателями постоянного тока является отсутствие стираемых щеток, искрения в коллекторе, его эффективность и надежность. Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока особенно эффективны при езде с высокой постоянной скоростью. Основной недостаток - высокая стоимость. При размещении на электромобиле обычно оборудуются одноступенчатой коробкой передач (редуктором) [4].

    Бортовые источники электроэнергии

     



  • На главную