аа

Силовая электроника №1'2004

Тенденции в развитии электро- и гибридных автомобилей с использованием электропривода

В. А. Скворцов
Александр Берестов


Изобретение паровой машины Джеймсом Ваттом создало предпосылку для создания средств автономного передвижения. Недостаток технологии, выразившийся в значительном весе и размерах силовой установки, не позволял сделать транспортное средство действительно автономным. Успех железнодорожного транспорта, привязанного к специально построенным дорогам, не распространился на омнибусы. Компактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) позволил избавиться от привязки к специально построенному пути и разрешил проблему автономности. В то же время успехи в производстве и распределении электроэнергии, наряду с прогрессом в создании химических источников тока (ХИТ), в том числе аккумулирующего типа, предоставили альтернативу автомобилю — электромобиль и гибридный автомобиль.


Высокие тяговые характеристики электропривода, наряду с отсутствием шума и неприятного выхлопа, позволяли электромобилю успешно конкурировать с автомобилем. Автономные передвижные объекты (АПО) для передвижения по суше представлены двумя основными типами: авто- и электромобилями. Другие типы, такие, как электровозы, тепловозы, трамваи, троллейбусы, транспорт на магнитной подвеске имеют тем или иным способом ограниченную автономность. Они привязаны либо к специально построенному пути, либо к специально построенной системе энергоснабжения, либо к тому и другому одновременно.

Что же является первичным источником энергии для упомянутых выше систем? Для ДВС — это органическое топливо, хранимое в специальном резервуаре и пополняемое на сети заправочных станций. В электромобиле это сохраненная в ХИТ электроэнергия. Высокие удельные показатели топлива как энергоносителя, по сравнению с ХИТ, позволило автомобилям вытеснить электромобили в область, где недостатки ДВС ограничивали применение последнего.

Тем не менее специфические свойства электроэнергии привели к постепенному появлению на автомобиле автономной электросети для вспомогательных целей: систем освещения, систем зажигания, систем старта ДВС, систем вентиляции и так далее. Для пополнения запаса электроэнергии на автомобиле появился генератор, обслуживающий первичный источник электроэнергии — аккумуляторную батарею.

В настоящее время мы имеем две основные системы электропривода АПО, разделяемые по признаку используемого источника энергии. В традиционном автомобиле механическая энергия, вырабатываемая ДВС, используется для перемещения и, при необходимости, преобразуется в электрическую для снабжения вспомогательных устройств собственных нужд (УСН). В традиционном электромобиле электроэнергия, запасенная ХИТ, посредством электромотора преобразуется в механическую, используемую для перемещения, и так же используется для УСН.

Рассмотрим различные типы автономных подвижных объектов с точки зрения устройств энергоснабжения и назначения последних. Сложившаяся структура АПО с ДВС приведенана рис. 1.

Рис. 1. Структура энергосистемы традиционного автомобиля с ДВС
Рис. 1. Структура энергосистемы традиционного автомобиля с ДВС

Здесь основным источником механической энергии является ДВС, используемый для движения, механически связанный с трансмиссией (ТР) (сцепление, коробка передач и прочее), необходимой для передачи механической энергии на движитель — обычно колеса. Для запуска и обслуживания ДВС, обеспечения условий перевозки пассажиров или груза существуют дополнительные устройства. Отметим основные:

СТ — стартер для пуска двигателя (сообщение начальной механической энергии); 

ХИТ — буферный источник электроэнергии аккумулирующего типа;

Г — генератор, преобразовывающий часть энергии ДВС в электроэнергию;

УСН — устройства обеспечения собственных нужд (освещение, вентиляция, развлечения и так далее).

В отличие от автомобиля, структура электромобиля содержит меньше узлов, значимых с энергетической точки зрения (рис. 2).

Рис. 2. Структура энергосистемы электромобиля
Рис. 2. Структура энергосистемы электромобиля

Основной источник энергии — ХИТ, К — контроллер, управляющий потоком электроэнергии к электроприводу, который преобразовывает электроэнергию в механическую, используемую для перемещения. Вне зависимости от типа применяемого в электромобиле ХИТ можно выделить энергетически важный компонент: ЗУ — зарядное устройство, сопрягающее первичную распределительную сеть и ХИТ. Зарядное устройство может быть установлено как на автомобиле, так и вне его, например, в зоне обслуживания. УСН выполняют те же функции, что и в автомобилях с ДВС.

Естественно существование промежуточного класса автомобилей, так называемых гибридных автомобилей, использующих, по определению, более одного метода получения механической энергии для передвижения [1], например ДВС и электропривод. Существует четкая классификация гибридных автомобилей [1, 2], показанная на рис. 3–5.

Рис 3. Последовательный гибридный АПО
Рис 3. Последовательный гибридный автомобиль
Рис. 4. Параллельный гибридный АПО
Рис. 4. Параллельный гибридный автомобиль
Рис. 5. Комбинированный гибридный АПО
Рис. 5. Комбинированный гибридный автомобиль

Различают два основных типа гибридных автомобилей: последовательные и параллельные, их структуры представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно. В последовательном гибридном автомобиле (рис. 3), электродвигатель приводит генератор, который снабжает электроэнергией мотор или заряжает батарею. Таким образом, механическая энергия ДВС не используется непосредственно для перемещения.

В параллельном гибридном автомобиле (рис. 4) как ДВС, так и электропривод вырабатывают механическую энергию непосредственно для перемещения.

Комбинированные гибридные автомобили (рис. 5), соединяют преимущества параллельного и последовательного типов. При этом ДВС используется в оптимальном режиме. Недостаток комбинированного гибрида — завышенная стоимость, отдельный генератор и повышенная сложность управления потоком механической энергии.

Основным недостатком последовательного гибридного автомобиля является снижение КПД при двойном преобразовании потока энергии на пути от двигателя к движителю. Типичным представителем электромобиля является General Motors EV1, гибридного автомобиля — Toyota Prius и Honda Insight.

В зависимости от доли электроэнергии, используемой для перемещения, гибридные автомобили разделяют на силовые, умеренные, собственно гибридные и подзаряжаемые (табл. 1). При этом силовой гибрид ближе всего к автомобилю, а подзаряжаемый гибрид — к электромобилю. Соответственно изменяются и функциональные возможности автомобиля.

При рассмотрении задачи перемещения, решаемой автомобилем, приходится учитывать экологические аспекты. Следует отметить следующее:

1. АПО с ДВС имеет значительный запас хода благодаря высоким удельным показателям энергоносителя, при этом выбросы ДВС в атмосферу на единицу произведенной энергии превосходят таковые для стационарных электростанций.

2. Электромобиль не дает выбросов в атмосферу (как минимум в месте его использования), однако недостаточная энергоемкость и высокая цена аккумуляторов сужает области применения электромобилей.

3. Область применения электромобилей — это закрытые помещения, зоны отдыха, места проведения спортивных состязаний.

4. Гибридные автомобили совмещают достоинства автомобиля с ДВС и электромобиля, расширяя область применения последних и одновременно уменьшая абсолютный уровень выбросов.

Неправомерно классифицировать автомобили по относительной мощности установленного электрооборудования. Тем не менее развитие преобразовательной техники и, соответственно, качественное и надежное управление потоком электроэнергии позволило внедрить электроприводы в те области, где ранее использовались механические передачи: вентилятор электродвигателя, насосы систем питания, смазки и охлаждения и так далее. Самое примечательное состоит в том, что значительное превышение мощности генератора над мощностью стартера вынудило автопроизводителей к совмещению функций в так называемом интегрированном стартер-генераторе (ИСГ). При установке на АПО с ДВС интегрированного стартер-генератора оказалось возможным использовать его для расширения диапазонов регулирования скорости и момента электропривода в переходных режимах. Таким образом, при наличии ИСГ автомобиль с ДВС автоматически становится гибридным. Логично было бы предположить, что подобная ситуация стала бы предпосылкой для дальнейшего внедрения гибридного электропривода. Однако этого не происходит. Что же препятствует внедрению электропривода в автомобили? Вероятнее всего, это традиции. Электрооборудование автомобиля воспринимается как нечто дополнительное к собственно автомобилю. Электрификация многих узлов производится только на автомобилях класса люкс. Она заключается в замене механических приводов традиционных автомобилей с ДВС на электроприводы в таких узлах, как рулевое управление, тормозная система и т. д. Причем замена проводится без изменения самой функциональной структуры узлов: просто электроприводы удобнее механических, хотя исполняют те же роли, что до того исполняли гидронасос, компрессор или механическая передача. Оснащение АПО вышеуказанным оборудованием приводит к значительному увеличению мощности системы генерации электроэнергии, что опять же приводит к необходимости использования ИСГ.

Основным фактором совершенствования ДВС становится экологический. Другими словами, выхлоп уменьшается за счет увеличения КПД и совершенствования процесса переработки продуктов сгорания. При этом, по заявлению компании General Motors [5], комплекс мер для удовлетворения требований экологии достигает $3000 на автомобиль. Последняя цифра сопоставима как со стоимостью собственно 6-цилиндрового ДВС объемом 3 литра, так и со стоимостью «гибридизации» [2]. Однако системы с ИСГ находятся в стадии внедрения без увеличения доли электроэнергии, а идентичные по структуре гибридные автомобили выпускаются серийно уже 6 лет.

В зависимости от класса автомобиля, установленная мощность УСН составляет несколько десятков киловатт [4], что, по сути, является движением в сторону гибридизации. УСН позволяют совершенствовать как параметры ДВС, так и потребительские свойства автомобиля. Типовые УСН и их характеристики приведены в таблице 2 [4].

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод — практически все автомобили с установленным ИСГ являются параллельными гибридными автомобилями с ограниченной установленной мощностью ХИТ.

С другой стороны, технологии ХИТ аккумуляторного типа не стоят на месте. Новые типы — Ni-H с хранением водорода в гидридах, Li-Poly и Li-Ion при сравнительно нетоксичных составляющих позволили увеличить удельную энергоемкость в десятки раз по сравнению с наиболее массовым кислотно-свинцовым аккумулятором. На данном этапе наиболее оправданной по удельным стоимостным показателям является электрохимическая система Ni-H. При существующем технологическом заделе емкость литиевых систем не возрастет в ближайшем будущем более чем на 10–15% (по оценкам Intel). Более того, прогресс в технологии свинцового аккумулятора позволил серийно выпускать электромобиль с коммерчески достаточными пробегом и временем перезаряда.

Во всех структурах АПО можно выделить одну общую часть электрической подсистемы (рис. 6).

Рис. 6. Структура энергообмена в электросистеме АПО
Рис. 6. Структура энергообмена в электросистеме автомобилей

Применительно к АПО наименее проработанными элементами являются преобразователь и мотор. Потребительские свойства автомобилей определяются совокупными свойствами всех трех узлов электросистемы. Невозможно получить необходимые параметры движения АПО, основываясь только на характеристиках электромотора.

Рассмотрим основные типы электродвигателей, используемых в электроприводе автомобилей. Это электроприводы постоянного тока, трехфазные асинхронные и синхронные электродвигатели. Электроприводы обычно подразделяют по схеме включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря — последовательного, параллельного и, при питании обмотки возбуждения от независимого источника — независимого возбуждения.

Преимущество электроприводов постоянного тока последовательного возбуждения состоит в способности создавать высокий крутящий момент при пуске, что обуславливает их широкое распространение в электроприводе малых АПО — электрокаров и машин для гольфа. К недостаткам следует отнести нелинейность зависимости между моментом и скоростью, сложность при реверсе, динамическом и генераторном торможении. Электродвигатель параллельного возбуждения имеет жесткуюнагрузочную характеристику, но из-за низкого пускового момента не применяется для электропривода в автомобиле. Электродвигатель независимого возбуждения позволяет варьировать характеристики в пусковом и рабочем режимах, осуществлять динамическое и генераторное торможение путем управления небольшим, относительно тока якоря, током обмотки возбуждения. Сходными параметрами обладают и трехфазные синхронные электродвигатели. АПО с трехфазными асинхронными электродвигателями либо находятся в стадии прототипов, либо уже сняты с производства, как EV1 от General Motors. В серийно выпускающихся гибридных автомобилей, например, Тойота Prius, используется именно синхронный электродвигатель переменного тока [6]. Для электромобилей меньшего класса и пробега, где стоимость является одним из определяющих факторов, используются электропривод постоянного тока с независимым возбуждением.

Гибкость в управлении электродвигателя с независимым возбуждением достигается за счет использования преобразователя или контроллера. При этом, в зависимости от области применения, характеристики электропривода могут быть настроены путем изменения алгоритма управления. Появляется возможность не только настроить алгоритм управления преобразователя с точки зрения потребительских свойств [7], но и учесть ограниченность запаса электроэнергии и особенность применяемого ХИТ, то есть достичь максимально возможного пробега при заданном заряде аккумуляторной батареи, равно как и увеличить срок службы последней.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_01_85.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо