146657 (Новые виды транспорта), страница 2

Рисунок 1.1. Схема гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом фирмы "BMW" (Германия):
1 – источник тока; 2 – система управления; 3 – обратимая электромашина; 4 – дифференциальный механизм; 5 – мультипликатор; 6 – маховичный накопитель; 7 – главная передача

Источник тока 1 через преобразователи и систему управления 2 связан с обратимой электромашиной 3, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля. Электромашина 3 через сложный дифференциальный механизм 4 с мультипликатором 5 связана с маховиком 6 накопителя и главной передачей 7. В результате масса источника тока 1, 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 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, по желанию заказчика, транспортное средство может быть оснащено как источником 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.

Такая трансмиссия должна быть рассчитана на перспективу, и включать уже не ступенчатую, а бесступенчатую коробку передач. Такие коробки передач уже достаточно широко выпускаются на основе ременных вариаторов с различными типами ремней («тянущих» и «толкающих»), и используются на автомобилях фирм Nissan, Honda, Fiat, Subaru и др.

Московский государственный индустриальный университет (МГИУ) в содружестве с АМО ЗиЛ ведет работы по разработке бесступенчатой коробки передач на основе нового планетарного дискового вариатора. Бесступенчатая коробка передач на основе дискового вариатора новой концепции может использоваться как на легковых, так и на грузовых автомобилях (в том числе и седельных тягачах) и автобусах.

Новый вариатор, рассчитанный на высокие значения крутящего момента достаточно низкооборотных двигателей автобусов, дает возможность применить новую концепцию электромобиля на мощных электробусах. Следует заметить, что для данной схемы не исключается использование бесступенчатой коробки передач любого типа, имеющей достаточную экономичность, малые габариты и массу, соизмеримые с существующими коробками передач.

Схема электромобиля новой концепции представлена на рис. 1.2.

Рисунок 1.2. Схема электромобиля новой концепции

Как и в других гибридных схемах электромобилей, источник электроэнергии 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 соответствует 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, соответственно 15 и 30 кг (это обычные показатели для отечественных конструкций авиационного назначения).

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.

Таким образом, по желанию заказчика в двигательный отсек может быть установлен любой преобразователь химической энергии топлива в механическую – тепловой двигатель или новый энергетический блок. Далее все, как и в обычном автомобиле, вал энергетического блока соединяется с коробкой передач, в данном случае бесступенчатой. Такая коробка передач уже в недалеком будущем заменит менее эффективные ступенчатые даже на обычных автомобилях. В результате мы получаем электромобиль новой концепции в максимальной степени унифицированный с обычным автомобилем.

Каковы же преимущества электромобиля новой концепции? По сравнению с автомобилем это несравненно более высокая эффективность использования топлива и экологическая безопасность. По сравнению со средним КПД преобразования химической энергии в механическую – порядка 10...15% у тепловых двигателей на автомобилях (не следует путать с КПД тепловых двигателей на оптимальном режиме – 30% у бензиновых двигателей и 40% у дизельных), этот КПД у топливных элементов с конвертором – 50%, а у кислородно-водородных топливных элементов – 70%. 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, схемой предложенной и осуществленной фирмой "BMW", преимуществом новой концепции является меньшие габаритно-массовые показатели и высший КПД электромашины. Это обусловлено тем, что в новой концепции электромашина не универсальная, обратимая, а узко специализированная, разгонная, загруженная практически постоянной мощностью, почти на порядок меньше максимальной и при высоких частотах вращения. Второе преимущество заключается в отсутствии сложного дифференциального механизма с тремя фрикционными муфтами или тормозами, переключающими режимы. Третье преимущество состоит 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, позволяют легко заменять один вид источника энергии на другой, получая при этом как автомобиль (с обычной или гибридной схемой двигателя), так и гибридный экономичный и динамичный электромобиль новой концепции.

На рис. 1.3 представлена схема городского электробуса новой концепции. Эта схема предоставляет устройству большую гибкость, чем в изображенной на рис. 1.2 структурной схеме.

Рисунок 1.3. Схема городского электробуса новой концепции:
1– источник тока; 2 – электродвигатель; 3 – механизм реверса; 4 – коробка отбора мощности; 5 – планетарный дисковый вариатор; 6, 7 – карданные передачи; 8 – главная передача; 9 – коническая зубчатая передача; 10 – супермаховичный накопитель

Здесь блок супермаховичного накопителя 10, снабженный своим редуктором 9, расположен независимо от остальных агрегатов и мягко подвешен на раме для уменьшения и без того небольших гироскопических усилий при горизонтальном расположении супермаховика. С помощью коробки отбора мощности 4 и карданных передач 7 этот блок может связываться с вариатором 5 как независимо, так и совместно с электродвигателем 2. Этот электродвигатель может быть соединен с вариатором 5 и независимо от супермаховика, и играть роль полноценного тягового двигателя, в основном, на стационарных режимах движения. Несмотря на то, что электродвигатель 2 в этом случае несколько увеличивается по мощности и массе, энергоемкость супермаховичного накопителя может быть существенно снижена, реально до 0,5 кВт·ч. Это позволяет изготовлять супермаховик из такого стабильного и сравнительно дешевого материала, как стальная углеродистая проволока. Выход из строя (разрыв) супермаховика настолько безопасен, что тяжелого защитного кожуха, существенно превышающего по массе сам маховик, и необходимого при маховике из углепластиков, не требуется. Вариатор позволяет тяговому электродвигателю работать в эффективном диапазоне крутящих моментов и частот вращения, передавая только часть мощности, необходимой для движения электробуса, что благоприятно для его работы.

Но как бы там ни было - электромобили пользуются спросом. Более того, есть места, где они совершенно вне конкуренции. Скажем, поля для популярной в мире игры в гольф. Инвентарь и обслуживающий персонал перемещают на электромобилях упрощенной конструкции, порой без крыши, дверей, с облегченным, часто укороченным, кузовом, без систем безопасности - всего того, что заметно увеличивает массу автомобилей. Упрощенные машины хороши и для перевозок в закрытых помещениях: на складах, в цехах, где вредные выбросы нежелательны. Широко используют такие электромобили-тележки для перевозки туристов на курортах, в национальных парках, но здесь им труднее конкурировать с автомобилями.

Полноразмерные машины, предназначенные для движения по улицам городов, приживаются с трудом, хотя не исключено, что в скором будущем ситуация может измениться. А причину этому нужно искать... в климате американского штата Калифорния.

Выхлопные газы автомобилей под воздействием солнечных лучей образуют особо ядовитые вещества, так называемый смог. Для перенасыщенного машинами солнечного штата это - проблема номер один. Поэтому калифорнийские нормы токсичности выхлопа традиционно строже, чем в других штатах США, не говоря уже о Европе. Теперь здесь принят закон о постепенной замене автомобилей электромобилями: в 2003 году их должно быть - 10% от общего числа машин, а в 2010-м - 15%.

Многие ведущие автомобильные фирмы работают над электромобилями, тем не менее на выставках чаще увидишь машины малоизвестного происхождения. В выборе двигателя мнения конструкторов расходятся: используют и моторы постоянного тока, и переменного, например, асинхронный со специальными преобразователями и сложной системой регулирования. Напряжение питания также различно. Явное предпочтение отдают никель-кадмиевым батареям и свинцовым, в которых используется не жидкий электролит, а гель. Иногда применяют системы жидкостного охлаждения двигателей и поддержания теплового режима аккумуляторов.

Самый популярный в мире электромобиль изготовляют... в Польше. Уже выпущено более 200 тысяч штук. Электромобили "Мелекс" - упрощенного типа, на 2, 4 и 6 мест, рассчитаны на индустрию спорта и развлечений (назовем хотя бы тот же гольф), для складских работ, как цеховой транспорт. При собственной массе около 880 кг полезная нагрузка - 320, а с прицепом - более 900. Запас хода - 70 км. Максимальная скорость - до 23 км/ч - выдает назначение машины.

Другая фирма из Восточной Германии "Транспорт-Системтехник" создала 10 прототипов такси. Пятиместная машина с пластмассовым кузовом весит всего 600 кг, развивает 80 км/ч, имеет запас хода 140 км. Батареи - никель-металлогидридные. Конструкторам удалось сделать относительно просторную внутри машину при длине всего 2,5 м. САКСИ (то есть такси из Саксонии) обещают выпускать серийно через два года (рис.1.4).