Тенденции в развитии транспортных средств с использованием электрического привода

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 приведена на рис. 1.

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

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 автомобиль

Рис. 4. Параллельный гибридный автомобиль

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 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.