Представление об автомобиле с электрическим приводом

Электрические автомобили

Электрическая тяга

Введение

Давление общества, направленное на создание транспортных средств, не использующих ископаемое топливо, постоянно увеличивается. Действительно, последние законодательные акты установили необходимость производства транспортных средств с нулевой эмиссией выбросов (zero emis­ sion vehicle — ZEV). Развитие концепций электрического автомобиля все еще находится в состоянии « свободного парения », но некоторые из основных авто производителей уже сегодня имеют в наличии электрические автомобили для продажи широкой публике, В 1990 г. компания General Motors объявила, что ее электромобиль (electric vehicle — EV) Impact может ускоряться до 10ft км/ч всего за 8 с, имеет максимальную скорость 160 км/ч (100 миль/ч) и пробег 240 км между заправками Эксплуатационные расходы были вдвое больше, чем у эквивалентного по характеристикам автомобиля на ископаемом топливе, но эти расходы постепенно снижались. Автомобиль имел снижающие сопротивление шины абсолютно новой конструкции и тормоза, которые при включении действовали как генераторы (регенеративное торможение). Автомобиль снабжался энергией от 397-килограммого набора усовершенствованных свинцово-кислотных батарей с гелевым электролитом (32 штуки по 10 В), и имел два небольших электрических мотора переменного тока для привода передних колес, Время перезарядки составляло около 2 часов, но оно могло быть сокращено до I часа в случае крайней необходимости. Это было очень впечатляюще, но на этом развитие не остановилось. В последующих разделах некоторые из проблем будут рассмотрены более подробно, но самой теме «электрические автомобили» посвящено и продолжает посвящаться множество книг. Эта глава служит введением в технологию, которая определенно станет когда-нибудь ведущей в индустрии автомобильного моторостроения. В разделе «Примеры для изучения» среди прочего рассмотрены два электромобиля, находящихся в настоящий момент в эксплуатации.

Представление об автомобиле с электрическим приводом

Па рис. 17.1 показана общая блок-схема электрического автомобиля. Отметим, что батареи для питания двигателя часто имеют напряжение несколько сотен вольт, тогда как для системы «нормального» освещения и других систем все еще требуется источник с более низким питанием 12/24 В. Некоторые из показанных компонентов являются необязательными.

Батареи электромобиля

При конструировании электрического автомобиля возможен выбор из множества вариантов, но, рискуя чрезмерно упростит!» суть проблемы, скажем. что самым важным выбором пишется тип батарей. В табл. 17.I представлен выбор батарей (на момент написания книги), и он позволяет оделять некоторые сравнении. Более подробная информации о некоторых батареях и тенденциях ах развития представлена в гл. 5. В настоящее время главное преимущество свинцово-кислотных батарей - зрелая технология их изготовления, используемая в автомобильной промышленности. Недостатком таких батарей является их сравнительно низкая номинальная мощность, Натрий- серная батарея представляется хорошим конкурентом, но она имеет намного большую стоимость и тре6ует применения новых технологий, чтобы справиться с иными эксплуатационными режимами типа высоких температур. Существенные разработки ведутся и в отношении батарей на основе лития. Однако на сегодня большинство батареи в широкой эксплуатации — это батареи свинцово - кислотные или на основе никеля.

Приводные моторы

Существует выбор между несколькими вариантами приводного мотора. Основной выбор - между моторами переменного и постоянного тока. Электромотор переменного тока предоставляет массу преимуществ с T04tci зрения управления, но требует применения инвертора для преобразования постоянного тока батарей. Электромотор постоянного тока номинальной мощностью 50 кВт с шунтирующей обмоткой возбуждения— распространенный выбор для малых транспортных средств, но моторы перемет ого тока, вероятно, станут со временем наиболее популярными. Приводные моторы могут быть классифицированы как моторы переменного или постоянного тока, но трудно описать различия между мотором переменного тока и бесщеточным моторам постоянного тока.

Моторы переменного тока

Вообще говоря, все моторы переменного тока ус­ троены по одному и тому же принципу. Трехфазная обмотка распределяется по контуру статора из ламинированного железа и образует вращающееся магнитное поле, за которым «следует» ротор. Скорость вращения этого поля и, следовательно, ротора может быть вычислены по формуле:

Асинхронный мотор

Асинхронный мотор обычно используется с ротором типа «беличья клетка», составленным из множества пар полюсов. Трехфазный статор мотора может иметь обмотку «треугольник» или «звезда» (рис. 17.2). Вращающееся магнитное поле в статоре вызывает э.д,с. « роторе, который представляет из себя замкнутую цепь, таким образом в цепи ротора индуцируется электрический ток. Этот ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с первоначальным полем статора, что приводит к вращению ротора. Степень проскальзывания (различие в скорости ротора и поля) примерно 5%, когда мотор работает в оптимальном режиме.

Будущее электромобилей

Концепция электрического автомобиля не нова, так как существенная часть технологии батареи была развита в конце 19-го столетия, и немало таких автомобилей было изготовлено уже к 19(10 и Хотя некоторые модели и достигали относительно высоких скоростей, соответствующих тому времени, электрический автомобиль был в общем то медленным и дорогим в эксплуатации. Дальность его поездок была также ограничена зависимостью от возможности перезарядки батарей. Многие из этих проблем были преодолены, но не все. Стоимость осе еще остается проблемой, но «стоимость» — понятие относительное, и если поразмышлять над последствиями загрязнения среды, то «стоимость», возможно, не покажется столь высокой. Хотя достижения технологии батарей и увеличили дальность поездок электромобилей, максимальная скорость круиза ограничена, так же как и множество принадлежностей, которые могут быть установлены на автомобиль. С другой стороны, электрический автомобиль, как ожидают, будет механически более надежным и долговечным, нежели его эквивалент, работающий на ископаемом топливе.

Введение

Концепция транспортного средства с комбинированным источником энергии достаточно очевидна. Двигатели внутреннего сгорания (internal combustion-1C) создают опасную эмиссию и имеют низкую эффективность при частичной нагрузке. Электромобили их производят никакой эмиссии, но имеют ограниченную дальность действия. Решение состоит в том, чтобы объединить лучшие свойства обоих типов и минимизировать худшие. В таком объединении — принцип системы гибридного двигателя. Один из вариантов эксплуатации такого транс­ портного средства заключается в том, чтобы использовать электропривод к режиме медленного движении в городе и использовать 1С-двигатель на открытой дороге. Это могло бы стать самым подходящим способом для того, чтобы уменьшить загрязнение и городах. Достаточно продуманные системы управления фактически позволяют реализовать еще лучший вариант, а именно, чтобы при определенных условиях к электромотор, и двигатель могли применяться одновременно.

Типы гибридных приводов

На рис. 17.6 показаны возможные варианты гибридного привода. Можно также использовать раз­ личные типы двигателя внутреннего сгорания, например, бензиновый, дизельный или даже газотурбинный. Расположение двигателей может быть как последовательное, так и параллельное. Есть основание считать, что параллельное расположение будет более популярно из-за его большей гибкости. Однако последовательная система позволяет двигателю на ископаемом топливе работать на постоянной скорости на электрогенераторе. Эго делает использование двигателя внутреннего сгорания более эффективным. Но процесс двойною преобразования энергии (механической в электрическую, затем снова в механическую) менее эффективен, чем пря­ мой привод трансмиссии транспортного средства. Другое преимущество последовательного соединения разнотипных двигателей заключается в том, что трансмиссия (коробка передач) не является существенной проблемой в этом случае.

Резюме

Гибрид, или транспортное средство с комбинированным источником энергии, вероятно, станет популярным. Кажется, что такой автомобиль является идеальным и очевидным компромиссом, пока осуществляется дальнейшее развитие технологии электропривода и батарей. В будущем может стать возможным создание двигателя на ископаемом топливе, который при работе на постоянной мощности будет иметь если не нулевой уровень выбросов, то весьма близкий к нулю. Тогда при объединении такого двигателя с очень эффективной системой электродвигателя и аккумулятор­ ной батареи может быть создан и приемлемый ZHV (транспортное средства с нулевой эмиссией). Сегодня общепризнано, что никакой чудо- батареи не появится, по крайней мере, в обозримом будущем. Плотность энергии ископаемого топлива на порядок превышает плотность энергии для любого типа батареи. Это обстоятельство вселяет еще большую веру в гибридный проект.

Примеры для изучения

Nissan-Altra

Компания Nissan подтвердила стоимость своего электромобиля АНп! после успеха начальных испытаний в СШ А на протяжении 1998 г. Altra - маши­на с кузовом «универсал», созданная для американского рынка, а электромобильная версия является первой моделью с нулевой эмиссией от компании Nissan, предназначенной к продаже вне Японии (рис. 17.8).

Altra имеет охлаждаемый водой синхронный электрический мотор' с постоянными магнитами, в котором впервые использован очень эффективный сплав «неоднм-железо-бор» (Nd-Fc-B). Сплав был найден случайно, когда был неправильно понят заказ на материалы! В автомобиле используется электродвигатель компании Hitachi один из самых мощных в мире, развивающий мощность 62 кВт (84 л.с.) и крутящий момент 159 Н м с максимальной скоростью вращения ротора 13 ООО об/мин. Средняя скорость мотора 8000-9000 об/мин, и отношение мощности к весу 39-килограммового двигателя 1,6 кВт/кг одно из лучших для EV машин. Энергию обеспечивает пакет литий- ионных батарей, разработанный компанией Sony Corporation. Пакет выдаст номинальное выходное напряжение 345 В от 12 модулей по 8 элементов, причем каждый вырабатывает питание 36 8 при полной зарядке и 20 В, когда элемент разряжен. Вес брутто пакета батарей составляет 350 кг, и он имеет плотность энергии 90 (Вт/ч)/кг в диапазоне нормальных температур. Срок службы аккумулятора оценивается в 1200 циклов (до снижения к.п.д. на 5%), ко компания Nissan заявила* что батареи без существенных потерь выдерживали более 2000 циклов. Пакет батарей смонтирован в алюминиевом поддоне с двойными стенками, привинченном к центру платформы между передними и задними осями ниже уровня пола; для его охлаждения используется специальная система вентиляции. Векторный контроллер, разработанный компанией Nissan, характеризуется наличием двух полностью идентичных центральных процессора Контроллер охлаждается водой и имеет диапазон входного напряжения 216-400 В. В контроллере собираются данные относительно степени заряженности батарей, стратегии вождения, истории движения, использования вспомогательных систем и работы системы регенеративного торможения, чтобы делать точные предсказания дальности пробега. Контроллер также управляет системой охлаждения батареи, обеспечивает коммуникацию между источником электропитания и контроллером литиево-ионных элементов и определяет стратегию зарядки, основанную на собранных данных. Батареи заряжаются с помощью индуктивной связи с внешним индуктивным зарядным устройством, которое представляет из себя плоскую пластину, вставляемую в порт зарядки в пере­ дней части автомобиля. Быстрая зарядка занимает пять часов и обеспечивает дальность поездки 193 км, хотя на занятых дорогах реальнее про­ ехать 135 км.

Altra имеет гидравлический усилитель рулевого приводи с электрическим, а не механическим, гидравлическим насосом, который работает только тог­ да, когда требуется увеличить усилие. Стандартная свинцово-кислотная батарея 12 В, которая заряжается через охлаждаемый водой преобразователь постоянного тока от главной батареи, обеспечивает энергией вспомогательные системы. Обогрев, вентиляция и кондиционирование воздуха потребляют 50% энергии обычной системы в режиме кондиционирования и 66% при обогреве салона. Для обеих систем используется хладагент R 134а; как и в случае с гидроусилителем руля, электрический насос, создающий повышенное давление, включается только по команде.

Регенеративная тормозная система работает в двух режимах:

♦ первый режим - запуск, когда водитель нажимает на педаль тормоза, система обеспечивает «чувство торможения, похожее на то, что имеется в обычном автомобиле»;

♦ второй режим - намного более важный, он используется, когда водитель применяет умеренное усилие торможения. Сама тормозная система имеет вид стандартной ABS с четырьмя каналами.

Особые требования к весу не сказались на пассивной и активной безопасности автомобиля по сравнению со стандартными транспортными средствами: в наличии стандартные передние воздушные подушки, усилители жесткости л верей, передний и задний бамперы ударного воздействия до 8 км/ч (5 миль/ч). Приборная панель - цифрового типа с большим тахометром. Семь ламп предупреждения дают водителю сигнал тревога о 50-ти потенциально опасных ситуациях с системами батарей или электродвигателя. Если возникают критические моменты, системы могут автоматически отключаться, чтобы избежать повреждения.

Nelco - гибридный двигатель

Идея гибридного двигателя получила интересное развитие в компании Netco. Система Nelco использует электропривод, который потенциально может использоваться на автомобилях совместно с двигателем внутреннего сгорания. Заявленные характеристики системы эквивалентны обычному автомобилю с приводом на передние колеса, но с потреблением топлива и размере только двух третей от обычного и сокращенной на две трети вред­ ной эмиссией. На рис. 17.9 показано параллельное расположение двигателя и мотора, используемое для этой системы. Создатели надеются, что транспортное средство с таким двигателем могло бы иметь дальность 800 км (500 миль) и максимальную скорость I60 км/ч (100 миль/ч). Основные используемые компоненты свинцово- кислотная батарея, выдерживающая глубокую раз­ рядку, бес щеточный электромотор постоянного тока с постоянными магнитами и роторный двигатель Morton.

Специальная батарея использует конструкцию пластин из свинцово-оловянной фольги, которой была развита для авиационной промышленности. Конструкция позволяет реализовать глубокую цикличность зарядки-разрядки к долгий срок службы, так как высокое внутреннее давление предотвращает потерю активного материала во время мощной разрядки. Тесты показали, что 18 батарей номиналом в 30 А/ч и 12 В могут обеспечить мощность 50 кВт в течение 5 минут. Хоукер Сияли (Hawker Siddcley) разработал плоскую решетку элементов, которые могут быть помещены под пассажирским купе автомобиля. Пакет имеет размеры 120x120x4 см. весит 170 кг и обеспечивает энергию около 7,5 кВт/ч. Батарея может выдержать 1100 циклоп разряда до 80-проентной глубины разгрузки (depth of discharge - DOD) и И 000 циклов 20-проиентиой DOD. Это как ожидают, составит продолжительность жизни самого транспортного средства. Причина такого «долго­ жительства» — система термального управления батареи, которая поддерживает свинцово-кислотные элементы при постоянной температуре в пределах 30-40 С, что является самой эффективной рабочей температурой. Роторные двигатели Norton приобрели известность благодаря выигрышам главных призов в мировых мотогонках. Этот двигатель имеет быстрый прогрев и начальный вращающий момент только 8 Нм. Используются два электрически каталитических конвертера с предварительным подогревом. Система инжекции подает в двигатель бедные смеси при высоких нагрузках. Двигательная установка установка обеспечивает постоянные выходные характеристики при помощи электрического мо­ тора, добавляющего недостающую мощность во время смены нагрузки. На рис. 17.10 показан поперечный разрез бессточного электромотора постоянного тока с постоянными магнитами. Фактически используемый мотор весит 45 кг и охлаждается жидкостью; в качестве хладагента используется масло, чтобы предотвратить образование льда. Мотором управляют сложные до конструкции инвертор и схема регулирования. Напряжение источника питания (батареи) 216 В преобразуется и постоянное стабилизированное напряжение 300 В для питания мотора. Питание на мотор подается с помощью трехфазного распределили мощности с трапециевидной или квадратной формой волны, фазы питания могут быть изменены, чтобы осуществлять торможение или ускорение. Положение педали акселератора задаст входной сигнал к модулю контроля, а датчик положения ротора на основе эффекта Холла обеспечивает сигнал обратной связи. Обратная связь по положению ротора должна гарантировать правильный порядок фаз возбуждения мотора.

Весь блок энергоснабжения весит около 100 кг, по сравнению о 200 кг для обычной системы. Бата­ реи, однако, добавляет еще 130 кг сверх нормы, но позволяют совершить 48-километровый {30-мил ) пробег, не прибегая к топливному двигателю.

Газотурбинный гибрид

Современный газотурбинный двигатель является весьма привлекательным для автомобильной промышленности. Он соответствует экологическим тенденциям к низкой эмиссии и малому потреблению топлива. Турбина как двигатель имеет множество полезных особенностей:

♦ хорошую тепловую эффективность;

♦ чистое сгорание топлива;

♦ высокое отношение мощности к весу;

♦ способность работать на различных видах топлива;

♦ плавные переходные процессы.

Эти преимущества могли бы сделать его естественным победителем над двигателем с возвратно-поступательным движением поршня. Однако

автомобильная газовая турбина находится все еще в младенческом состоянии, несмотря на многие технические достижения, сделанные со времен первого в мире газотурбинного автомобиля компании Rover «Джет-1». Технические проблемы, поставленные автомобильной газовой турбиной, остаются значительными и во многих отношениях становятся' еще более огромными. Это обусловлено, главным образом, успехами технологий горения, механики, аэродинамики, материалов и электротехники. Для гибридного электрического транспортного средства газотурбинный двигатель — наиболее подходящий. Он предоставляет широкие возможности для проектирования гибридных систем. Газовый турбинный двигатель имеет многие свойства, удовлетворяющие требованиям автомобильной промышленности. Например, он компактен и легок, что обеспечивает гиб кость в компоновке силовой установки. Он уменьшает все автомобиля, что. улучшает характеристики транспортного средства и его экономичность. Современная конструкция камеры сгорания бензинового двигателя обеспечивает ему очень низкую эмиссию всех загрязнителей, даже более низкую, нежели у дизельного двигателя. Улучшение эмиссии может быть достигнуто без использования каталитического конвертера. Описываемые преимущества бензинового двигателя становятся все более и более важными в условиях сегодняшнего рынка. По сравнению с эквивалентным поршневым двигателем, газовые турбины работают плавно и тихо; они могут функционировать на различных типах углеводородною топлива, и присущая им простота механической конструкции в результате оборачивается повышенной надежностью и увеличенным сроком службы. По сравнению с привычным поршневым двигателем, турбина до недавнего времени имела плохие показатели реакции при изменении мощности и экономии топлива при частичной нагрузке. Сказалось также естественное сопротивление переменам со стороны производителей автомобилей по причине их колоссальных: инвестиций в инфраструктуру производства и обслуживания существующего двигателя. Когда преимущества турбины объединятся с достижениями в гибридных электрических системах, этот волнующий союз создаст огромный потенциал для будущего гибридной техники.

Индуктивная зарядка

Nissan АИга, как было описано ранее в этой главе, использует индуктивную зарядку. В этом случае «штекер», связанный с внешним источником энергии, вставляется в «разъем» автомобиля. Риск удара током и возможность перегрева из-за «потери» соединения почти исключены. Индуктивная зарядка по принципу «наезд» — разработка, которая, возможно, будет полезна для прогресса в создании электрического транспортного средства. Принцип такой зарядки показан рис. 17.13. Катушка, которая формирует вторичную обмотку трансформатора, помешена на автомобиль в подходящем положении. Первичная об­ мотка трансформатора могла бы бить помещена в подвижную штангу, которая после парковки транспортного средства автоматически поднимается до уровня вторичной обмотки и обеспечивает магнитную связь со вторичной обмоткой.

Пример для изучения гибрида - Ford

Гибрид Ford Escapc (рис. 17.14), будучи запущенным в производство, станет одним из самых экономичных и практичных автомобилей (Super Ultra Vehicle — SUV) на рынке. Гибрид Escapc обеспечит расход luiLiMt») меньше, чем <3 н на 100 км (пробег 35-40 .миль на галлон) при городском движении. Он удовлетворит инструкциям реагирования эмиссии Евро IV в Европе прежде, чем они вступят в силу в 2004 г., и пройдет сертификацию стандартов штага Калифорнии; как автомобиль с супер низкой эмиссией (Super Ultra Low Emission Vehicle — SULEV) и как автомобиль с практически нулевой эмиссией (Partial Zero Emission Vbhlclc — PZEV). По оценкам, гибрид Escape должен поступить в демонстрационные залы дилеров в конце лета 2004 г'. обратную связь в реальном времени о параметрах моделей. Остальные 10 автомобилей проходят стандартные испытания по собственным программам компании Ford, включая проверку эмиссии краш- тест. Focus FCV, как ожидают, покажет 250-320 км (160-200 миль) рабочего пробега на одной заправке -г существенное увеличение относительно преды­ дущих моаслсй транспортных средств с топливными элементами. Показатели этой модели сравнимы с более обычным, у которых максимальная скорость достигала только 80 миль/ч (130 км/ч)'.

Гибрид Escape разработан так, чтобы обеспечить то же самое время ускорения и функциональные возможности, что и модель с двигателем V-6 На 200 л.с. Он использует комбинацию топливо- сберегающего , бензиновый двигатель с четырьмя цилиндрами и электрический мотор. В результате достигается в среднем вдвое большая экономия топлива, чем у модели V-6 Escapc. Используя регенеративное торможение, гибрид возвращает существенную часть того, что в другом случае было бы просто «потерянной энергией*. Гибрид Escape - полный гибрид, способный двигаться на приводе от двигателя внутреннего сгорания и/или от электрического мотора - в зависимости от того, что дает наиболее эффективную экономию топлива. Гибридные электрические транспортные средства используют комбинацию электрических аккумуляторных батарей и двигателя внутреннего сгорания, чтобы повысить эффективность работы. Батареи дают электричество, чтобы приводить в действие элсктэнчсский тяговый мотор, л двигатель включается в работу по мере необходимости, чтобы перезаряжать батареи или обеспечивать дополшгтельную мощность для ускорения. Гибрид Escape будет иметь электрическую трансмиссию и топливо-ейерегающий четырех!ишншропый двигатель. При наличии регенерн питого торможе­ ния и способности двигателя к почти мгновенной остановке в режше старт-стопа (благодаря мощному комбипирэванному стартер- генератору), гибрид Escape с передним приводом колес, как ожидается, обеспечит пробег 14,7-16,8 км на литр

(35-40 миль на галлон) топлива в городском цикле движения. Мотор-жнераюр останавливает двигатель внутреннего сгорания, когда транспортное средство катится {с блокированным двигателем) или останови­ лось, это обеспечивает экономию топлива, которое обычно 1>асходу;1ея на поддержание холостого хода. Как только требуется дополнительная мощность, например, когда водитель нажимает на педаль акселератора по время остановки, мотор-генератор, по­ мещенный между двигателем и передачей, мгновен­ но запускает двигатель (менее чем за 0,2 с). Гибрид Escapc, как ожидают, будет способен проехать более 800 км (50(1 миль) на одном баке топлива. Модель 2003 г. Ford Focus PZEV {автомобиль с практически с нулевой эмиссией) (рис. 17.15} без ухудшения качества работы отвечает даже строго­ му стандарту нтата Калифорния на частично ну­ левую эмиссию. Он приводится в действие четы- рехиилиндровым двигателем с объемом 2,3 л и имеет мошнос7ь на валу 148 л.с. (N0 кВт) и вра­ щающий момент 206 Н*м (рис. 17.16).

Модель Focui FCV преисганлиег первый в аягомо- бильной промышленности «гибридный автомобиль с топливным элементом*. Модель имеет увеличен­ ный пробег и демонстрирует качественную работу гибридной силовой установки, которая использует полный набор греимуществ от применения топлив­ ного элемента (см. рис. 17.16). Пять из t5 автомоби­ лей, произведенных в 2002 г., находятся « стадии со­ вместных исследований с ключевыми клиентами. Эти исследования обеспечивают компании Ford.

Двигатели 8 колесах - GM

Инженеры компании GM разработали потенци­ ально выдающуюся технологию, названную «мо­ торами на осях колес». Ее развитие могло бы принципиально помочь потребителям принять передовые технологии транс­ портных средств. Два мотора на осях колес сзади переднеприводного транспортного средства с че­ тырьмя цилиндрами MOiyr увеличить вращающий момент при старте до 60%. Кроме того, дополни­ тельный вращающий момент появляется немедлен­ но. Это означает, что четмрехиилшшронмй дви­ гатель мог бы быть выполнен с характеристиками двигателя с шестью цилиндрами. Моторы на осях колес развивают мощность примерно ло 25 кВт и весят IS кг каждый. Традиционные транспортные средства передают энергию от двигателя к колесам посредством ме­ ханизма сцепления, коробки передач и карданных налов. Более 10% мощности, производимой дви­ гателем, теряется в этом процессе. Система GM использует гибридное электрическое транспорт­ ное средство, чтобы сгенерировать электроэнер­ гию, которая направляется непосредственно к моторам. Это минимизирует объем потеря иной энергии. Моторы на осях колес создают ярлшшо- щнй момент, который доступен мгновенно и пол­ ностью, тогда как обычным двигателям требуется время, чтобы разогнаться. Моторы на осях колес, помимо этого, позволя­ ют создать более высокий уровень тяги и контро­ ля проскальзывания колес, улучшить руление и показатели работы транспортного средства. Спо­ собность управлять каждым колесом отдельно со значительно лучшей реакцией, чем это могут сде­ лать существующие системы управления тягой, приносит дополнительные выгоды. 1 !апример. по­ павший в грязь автомобиль будет легко сдвинуть с места достаточно применить тяговое усилие к шине, которая имеет сцепление с дорогой!

Инфраструктура водорода

Одним из видов «топлива будущего* является водо­ родом, потому что он производит нулевую эмиссию, особенно когда используется в гошшвных элементах. Число эксплуатируемых транспортных средств на базе топливных элементов из числа вссх выпу­ щенных скоро (книга написана в 2003 г.), как

ожидается, достишег одного миллиона1. Эти транс­ портные средства, прежде всего, будут эксплуатиро­ ваться в США и Канаде, но и Европа не намного позади. Подходящая инфраструктура заправки водо­ родом скоро станет совершенно необходимой. Для того чтобы расширить рынок транспортных средств на основе топливных элементов, должна сушесгвовагь стабильная поддержка со стороны правительства созданию инфраструктуры водород­ ного питания. По оценкам, Калифорния, ведущий в отношении чистоты воздуха штат США, будет нуждаться к 2015 г, где-то в 1900 станциях заправки водородом. Трудно предсказать, как быстро транспортные средства с топливными элементами окажутся иа потребительском рынке. Вероятно, что они будут сначала востребованы некоторыми нетерпеливыми клиентами. Однако интересно отмстить, что разви­ тие технологии транспортного средства - только залог успеха. Если нигде нет удобного места для заправки горючим, тогда потребители (вы, и я) ни­ чего менять не будем!

Электрические автомобили

Электрическая тяга

Введение

Давление общества, направленное на создание транспортных средств, не использующих ископаемое топливо, постоянно увеличивается. Действительно, последние законодательные акты установили необходимость производства транспортных средств с нулевой эмиссией выбросов (zero emis­ sion vehicle — ZEV). Развитие концепций электрического автомобиля все еще находится в состоянии « свободного парения », но некоторые из основных авто производителей уже сегодня имеют в наличии электрические автомобили для продажи широкой публике, В 1990 г. компания General Motors объявила, что ее электромобиль (electric vehicle — EV) Impact может ускоряться до 10ft км/ч всего за 8 с, имеет максимальную скорость 160 км/ч (100 миль/ч) и пробег 240 км между заправками Эксплуатационные расходы были вдвое больше, чем у эквивалентного по характеристикам автомобиля на ископаемом топливе, но эти расходы постепенно снижались. Автомобиль имел снижающие сопротивление шины абсолютно новой конструкции и тормоза, которые при включении действовали как генераторы (регенеративное торможение). Автомобиль снабжался энергией от 397-килограммого набора усовершенствованных свинцово-кислотных батарей с гелевым электролитом (32 штуки по 10 В), и имел два небольших электрических мотора переменного тока для привода передних колес, Время перезарядки составляло около 2 часов, но оно могло быть сокращено до I часа в случае крайней необходимости. Это было очень впечатляюще, но на этом развитие не остановилось. В последующих разделах некоторые из проблем будут рассмотрены более подробно, но самой теме «электрические автомобили» посвящено и продолжает посвящаться множество книг. Эта глава служит введением в технологию, которая определенно станет когда-нибудь ведущей в индустрии автомобильного моторостроения. В разделе «Примеры для изучения» среди прочего рассмотрены два электромобиля, находящихся в настоящий момент в эксплуатации.

Представление об автомобиле с электрическим приводом

Па рис. 17.1 показана общая блок-схема электрического автомобиля. Отметим, что батареи для питания двигателя часто имеют напряжение несколько сотен вольт, тогда как для системы «нормального» освещения и других систем все еще требуется источник с более низким питанием 12/24 В. Некоторые из показанных компонентов являются необязательными.

Батареи электромобиля

При конструировании электрического автомобиля возможен выбор из множества вариантов, но, рискуя чрезмерно упростит!» суть проблемы, скажем. что самым важным выбором пишется тип батарей. В табл. 17.I представлен выбор батарей (на момент написания книги), и он позволяет оделять некоторые сравнении. Более подробная информации о некоторых батареях и тенденциях ах развития представлена в гл. 5. В настоящее время главное преимущество свинцово-кислотных батарей - зрелая технология их изготовления, используемая в автомобильной промышленности. Недостатком таких батарей является их сравнительно низкая номинальная мощность, Натрий- серная батарея представляется хорошим конкурентом, но она имеет намного большую стоимость и тре6ует применения новых технологий, чтобы справиться с иными эксплуатационными режимами типа высоких температур. Существенные разработки ведутся и в отношении батарей на основе лития. Однако на сегодня большинство батареи в широкой эксплуатации — это батареи свинцово - кислотные или на основе никеля.

Приводные моторы

Существует выбор между несколькими вариантами приводного мотора. Основной выбор - между моторами переменного и постоянного тока. Электромотор переменного тока предоставляет массу преимуществ с T04tci зрения управления, но требует применения инвертора для преобразования постоянного тока батарей. Электромотор постоянного тока номинальной мощностью 50 кВт с шунтирующей обмоткой возбуждения— распространенный выбор для малых транспортных средств, но моторы перемет ого тока, вероятно, станут со временем наиболее популярными. Приводные моторы могут быть классифицированы как моторы переменного или постоянного тока, но трудно описать различия между мотором переменного тока и бесщеточным моторам постоянного тока.

Моторы переменного тока

Вообще говоря, все моторы переменного тока ус­ троены по одному и тому же принципу. Трехфазная обмотка распределяется по контуру статора из ламинированного железа и образует вращающееся магнитное поле, за которым «следует» ротор. Скорость вращения этого поля и, следовательно, ротора может быть вычислены по формуле:

Асинхронный мотор

Асинхронный мотор обычно используется с ротором типа «беличья клетка», составленным из множества пар полюсов. Трехфазный статор мотора может иметь обмотку «треугольник» или «звезда» (рис. 17.2). Вращающееся магнитное поле в статоре вызывает э.д,с. « роторе, который представляет из себя замкнутую цепь, таким образом в цепи ротора индуцируется электрический ток. Этот ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с первоначальным полем статора, что приводит к вращению ротора. Степень проскальзывания (различие в скорости ротора и поля) примерно 5%, когда мотор работает в оптимальном режиме.