Гибридные транспортные средства
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
General Motors - электромобиль EV-1 (версия 1999 г.)
Компания General Motors, возможно, открыла для автомобильной промышленности эру разработок электрических транспортных средств с 1960-х гг., а совсем недавно сделала серьезный вклад в размере почти пятисот миллионов долларов в программы разработок своих моделей Impact и PrEView. Как прямое следствие этих инициатив, на свет появился автомобиль EV-1 (рис. 17.7) — первый в мире электромобиль, специально сконструированный для промышленного производства: компания General Motors а также первой, которая стала его про давать в США в 1996 г. Продвигаемый на рынок как элегантное двухместное купе, EV-I имеет коэффициент лобового сопротивления всего 0,19, специальную конструкцию шасси из алюминия (на 40% легче, чем стальная) и панели кузова из композитных материалов. Скорость автомобиля регулируется с помощью электроники. При весе всего 1350 кг автомобиль развивает максимальную скорость до 128 км/ч (80 миль/ч) - хотя прототип EV-1 фактически удерживает мировой рекорд скорости по земле для электрических транспортных средств в 293 км/ч (183 миль/ч). EV-1 может достигнуть скорости 96 км/ч (60 миль/ч) из состояния покоя менее чем за 9 с. Ключ к успеху EV-1 кроется в его электрической силовой установке, базирующейся на трехфазном индукционном моторе переменного тока мощностью ЮЗ кВт (137л,с), с интегральной односкоростной передачей с двойной редукцией на ведущие передние колеса. Мотор не требует никакою обычного обслуживания при пробеге более чем 160 ООО км (100 ООО миль).
Пакет батарей использует 26 свинцово-кислотных необслуживаемых батарей на 12 В, обеспечивая полное напряжение 312 В и дальность поездки 112 км (70 миль) на цикл зарядки в городских условиях и 144 км (90 .миль) на свободной дороге. Однако в течение 1998 г. были поэтапно введены в производство новые никель-металл-гидридные батареи (NiMH), что позволило почти удвоить дальность электромобиля, доведя се до 224 км < 140 лишь в городе и 252 км (160 миль) на шоссе. Инновационная регенеративная тормозная система помогает увеличить эту дальность еще в большей степени благодаря преобразованию энергии, получаемой при торможении, обратно в электричество, чтобы частично перезарядить пакет батарей. Полная перезарядка может быть безопасно вы полнена при любых погодных условиях и занимает 3-4 часа при использовании стандартных зарядных устройств на 220 В или 15 часов при использовании бортовых зарядных устройств на ПО В. Низкая стоимость электричества в бытовых условиях означает, что эксплуатационные расходы относительно невелики но сравнению с автомобилями на обычном ископаемом топливе. Регенеративное торможение достигается при использовании смешанной комбинации передних гидравлических дисковых тормозов и задних электрически управляемых тормозных барабанов и электрического тягового двигателя. Во время торможения электрический двигатель производит регенеративное электричество, которое затем используется, чтобы частично перезаряжать пакет батарей. EV-1 поступает в продажу с системами управления сцеплением, автоматического регулирования скорости и антиблокировки тормозов. Автомобиль снабжен двойными воздушными подушками, электрическими стеклоподъемниками, AM/FM приемником с проигрывателем CD /кассета, системой контроля давления шин и многочисленными другими приспособлениями.
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.