Устройство Автомобиля Будущего. Конструкция электромобиляНовая концепция электромобиля. Cтатьи. Наука и техникаНурбей Гулиа, Сергей Юрков Электромобиль – транспортное средство, ведущие колеса которого приводятся от электромотора питаемого электробатареей, появился впервые в 1838 году в Англии. Электромобиль существенно старше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Поначалу он опережал автомобиль по скорости и объему выпуска, но не смог стать серьезным конкурентом автомобилю. На наш взгляд, это происходит, в основном, из-за недостатков электромобилей, питаемых от электроаккумуляторов. Вопреки бытующему мнению о высокой экономичности аккумуляторных электромобилей, анализ показывает, что химическая энергия топлива, сжигаемого на электростанциях, используется для движения транспортного средства всего на 15% и менее. Это происходит из-за потерь энергии в линиях электропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах для аккумуляторов и самих аккумуляторах, электромашинах, как в тяговом, так и в генераторном режимах, а также в тормозах при невозможности рекуперации энергии. Для сравнения, дизельный двигатель на оптимальном режиме преобразует в механическую энергию около 40% химической энергии топлива. При большом распространении аккумуляторных электромобилей, а особенно с учетом сказанного, им просто не будет хватать электроэнергии, вырабатываемой электростанциями мира. Не следует забывать, что суммарная установочная мощность двигателей всех автомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира. Топливные элементыПроблемы снимаются при питании электромобилей от так называемых первичных источников электроэнергии, вырабатывающих энергию непосредственно из топлива. В первую очередь, такими источниками являются топливные элементы (ТЭ), потребляющие кислород и водород. Кислород можно забирать из воздуха, а водород, в принципе, можно запасать в сжатом или сжиженном виде, а также в так называемых гидридах. Но реальнее его получать из обычного автомобильного топлива прямо на электромобиле с помощью конвертора. Эффективность топливных элементов несколько снижается, но зато не меняется вся инфраструктура топливозаправочного хозяйства. КПД топливных элементов при этом все равно очень высок – около 50%. Такие топливные элементы и конверторы разработаны, в частности, и российскими предприятиями, с которыми сотрудничают авторы статьи. Однако электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка – высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных как на максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные для топливных элементов. Это, во-первых, невозможность рекуперации энергии при торможении, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть они не могут заряжаться электроэнергией, а во-вторых, низкая удельная мощность топливных элементов. При огромной удельной энергии топливных элементов (порядка 400...600 Вт·ч/кг), удельная мощность при экономичном разряде не превышает 60 Вт/кг. Это делает массу топливных элементов для реальных мощностей, необходимых автомобилям, очень большой. Например, для электромобиля с максимальной потребной мощностью 100 кВт и электробуса с максимальной потребной мощностью 200 кВт, это соответствует массам топливных элементов 1670 и 3330 кг, соответственно. Если прибавить массы тяговых электродвигателей, примерно равные 150 и 400 кг, соответственно, то получаются массы силовых агрегатов, совершенно неприемлемые для легкового электромобиля, и требующие пятитонного прицепа для электробуса. Делаются попытки снижения массы топливных элементов с использованием в качестве промежуточных источников энергии конденсаторных накопителей энергии, обладающих высокой удельной мощностью. Однако, и этот путь недостаточно эффективен, так как лучшие современные конденсаторные накопители, доступные для автомобильной техники, имеют удельные энергетические показатели около 0,55 Вт·ч/кг и 0,8 Вт·ч/литр. В таком случае для накопления всего 2 кВт·ч энергии (это значение рекомендовано специалистами как для электромобилей, так и для электробусов), потребуется около 3000 кг или 2,5 м3 конденсаторов, что нереально. Меньшие значения запасаемой энергии существенно снижают динамические качества машины. Кроме того, при коротком замыкании мощные конденсаторы могут загореться, что очень нежелательно для транспорта. Гораздо эффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергии супермаховика, соединенного с обратимой электромашиной. Известные схемыСупермаховик – маховик, изготовленный навивкой из волокон или лент на упругий центр. Удельная энергия супермаховика на порядок больше значений данного параметра для лучших монолитных маховиков, к тому же он обладает свойством безопасного разрыва, не дающего осколков [1]. Такие схемы осуществлены в новейших опытных образцах гибридных электромобилей фирм Mechanical Technology Inc.(США), EDO Energy (США), и известной Ливерморской национальной лаборатории (LLNL, США) [2]. Удельная энергия супермаховиков из кевлара и графита, достигающая сотен Вт·ч/кг, снижает его необходимую массу до нескольких килограммов (при удельной энергии 200 Вт·ч/кг, для накопления 2 кВт·ч потребуется супермаховик массой всего 10 кг). Однако электромашина накопителя, необходимая здесь помимо тягового двигателя, и рассчитанная на максимальную мощность и поэтому весьма тяжелая, снижает эффективность этой схемы. К тому же она, как и тяговый двигатель должна быть обратимой (и мотором, и генератором), что дополнительно усложняет привод. Оригинальную схему гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом предложила, изготовила и испытала фирма "BMW" (Германия). Несомненным преимуществом данного технического решения является наличие только одной электромашины, что снижает массу и приближает его к автомобильным схемам (рис. 1). Тип маховика фирма "BMW" в отчете [3] не уточняет, поэтому используемый накопитель условно назван просто «маховичным». Рис. 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. Концепция электромобиляНовая 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 [4]. 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. Схема электромобиляСхема электромобиля новой концепции представлена на рис. 2. 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. Рис. 2. Схема электромобиля новой концепции 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. ЭлектробусНа рис. 3 представлена схема городского электробуса новой концепции. Эта схема предоставляет устройству большую гибкость, чем в изображенной на рис. 2 структурной схеме. Рис. 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. Следует заметить, что проблема создания эффективного электромобиля, уже давно актуальная в технически развитых странах мира, приобретает особую актуальность в настоящее время в России, благодаря новым программам разработки электромобилей, в которых участвуют и авторы данной статьи.
Источники информации:
Дата публикации: 6 февраля 2000 года n-t.ru Устройство электромобиляЭлектромобили становятся все более популярными в разных уголках нашей планеты. Это оказывает положительное влияние на состояние окружающей среды из-за отсутствия выбросов углекислого газа. Более того, на сегодняшний день уже созданы автомобили, которые по техническим характеристикам не уступают своим бензиновым собратьям. Так, например, автомобиль Tesla Model S способен разогнаться до 100 км/ч всего за 4,4 секунды. Конструкция электромобиляКонструкция электромобиля отличается тем, что вместо бензобака установлена аккумуляторная батарея, состоящая из двух сотен элементов, и электромотор. Коробка передач здесь не нужна, потому что вал двигателя может вращаться с той же скоростью, что и колеса. Электромобиль приводится в движение благодаря работе электродвигателя, который питается от тяговой батареи, состоящей из набора аккумуляторов. Инвертор преобразует постоянный ток батареи в переменный. За управление мотором и обеспечение режимов движения отвечает контроллер. Электродвигатели закреплены на задних колесах и состоят из ротора и статора. В статоре расположено несколько катушек, на них поступает переменный ток, в результате чего возникает магнитное поле, которое раскручивает ротор. Расстояние, которое сможет преодолеть электромобиль на одном заряде, зависит от того, какая на нем установлена силовая батарея. В среднем это от 150 до 250 км при спокойной манере вождения, а стоимость километра пробега в несколько раз ниже бензинового аналога. Для запаса энергии в электромобилях используются литий-ионные аккумуляторные батареи последнего поколения. Внутри такого аккумулятора разделенные изоляторами обкладки: пластины с графитом и феррофосфатом лития, к концам пластин припаиваются электроды. Графитовый анод — это плюс, а литиевый катод — это минус. Между ними заливается раствор электролита. При зарядке батареи ионы лития переходят в пластину с графитом, создавая на ней положительный потенциал. При подключении нагрузки запасенная энергия ионов лития высвобождается и создает электрический ток. В автомобильных аккумулятор обладает прочным корпусом и, как правило, литий заключен в наночастицы фосфата железа, поэтому, в случае замыкания обкладок, электролит начинает кипеть и образует химически неактивный и безвредный пар с отсутствием огня и разрушения корпуса. Главное отличие современных литий ионных батарей в том, что активный литий заключен в наночастицы феррофосфата. У них невысокая проводимость, поэтому не происходит лавинообразного разогрева, а, значит, использовать такие аккумуляторы в автомобилях куда безопаснее. Вот только что делать, когда заряд аккумулятора заканчивается? У электромобиля есть два разъема: через первый подается обычное напряжение 220 В и аккумулятор заряжается за 8 часов и второй, который рассчитан на 400 В постоянного тока. Через него заряд попадает внутрь батареи всего за 30 минут. Для человека, который впервые оказался за рулем электромобиля некоторые вещи могут казаться очень странными. Устройство электромобиля таково, что из-за отсутствия коробки передач ускорение происходит очень плавно, без потери мощности при переключении, но самое главное – это звук. Работа электромотора почти не слышна, лишь шелест покрышек по асфальту выдает движение. avtospiral.com Устройство электромобиля » составляющие электрического автомобиля.
Тема: что лежит в основе электрического автомобиля, устройство электромобиля.
Автомобиль, работающий на электрической энергии, не производящий шум и загрязнение, способный заряжаться от обычной электросети, имеющий на своей панели управления минимум рычагов и кнопок. Разве не это с подвигает автомобилистов отказываться от классических вариантов автомашин, работающих на горючим топливе? Если любому человеку, имеющим дело с авто, более или менее ясно и понятно устройство и общий принцип работы данного транспортного средства, то об устройстве электромобиля знают люди, знакомые с работой электричества.
Итак, что же лежит в основе устройства электромобиля? Общая система электрического автомобиля представлена несколькими основополагающими блоками. В первую очередь, это электродвигатель постоянного тока, источник электропитания в виде аккумуляторной батареи, контроллер (система управления работой двигателя), дополнительные устройства, обеспечивающие защиту, контроль, индикацию и прочие немаловажные функции. А теперь более разберём более подробней эти базовые элементы электромобиля.
Электродвигатель — главная тяговая часть, приводящая автомобиль в движение. Он должен быть постоянного тока, так как при таком типе легче осуществляется управление скоростью движения движка. Первым показателем при выборе электродвигателя является его номинальная мощность. Именно от неё зависит оптимальность, надёжность, качественность, экономность функционирования электрического автомобиля. Для легковых автомашин мощность электродвигателя должна быть в пределах 5-10 кВт (в зависимости от массы и тяговой возможности машины).
Также следует брать во внимание и следующий момент, это номинальная величина рабочего напряжения и силы тока электрического двигателя. Можно выбрать движёк с напряжением питания 100 вольт и током потребления 60 ампер, что даст мощность 6000 ватт. А можно выбрать напряжение 48 вольт и ток 125 ампер, что также даст 6000 ватт. Первый вариант более предпочтительней, так как в нём меньший ток, а значит и проще система управления.
Устройство автомобиля подразумевает оптимальное количество элементов электропитания, а именно аккумуляторов. Излишнее количество питающих элементов не только негативно сказывается на лишнем весе, что критично для работы машины, а ещё и обслуживании аккумуляторов, их размещения внутри автомобиля. Кроме того, учитывайте номинальный ток разряда, который не должен превышать указанный производителем. Длительное пренебрежение этим условием (резкие и длительные чрезмерно большие токи разряда аккумулятора) значительно сокращает срок службы питающих элементов. Да и на саму электрическую цепь электромобиля чрезмерный ток скажется негативно.
Среди перечисленных базовых частей электрического автомобиля в его устройстве немаловажную роль играет контроллер, который выполняет функцию регулятора частоты вращения электродвигателя. Это блок электронной схемы, стоящей между аккумулятором и электрическим двигателем. Его внешнее управление задаётся переменным сопротивлением, что связано с падалью газа. При нажатии на газ происходит изменение параметров резистора, а это учитывается контроллером, который в свою очередь меняет частоту и силу тока, подаваемого на двигатель. Данный контроллер можно собрать, как самому (принципиальных схем в интернете хватает), так и купить уже готовый. Причём покупной вариант будет намного надёжней и функциональней.
P.S. Устройство электромобиля намного проще в сравнении с классическим вариантом двигателя внутреннего сгорания. При электрическом способе тяги авто появляются множество различных возможностей, которые могут быть полезные для владельца автомобиля. Человек сам может обслуживать и дополнять свой автодевайс. electrohobby.ru Новый принцип работы электромобиля | BATTERY-INDUSTRY.RUНовый принцип работы электромобиля20.07.10 | Рубрика: Потребители энергии. Просмотры: 4 420  Загрузка...
Вопреки бытующему мнению о высокой экономичности аккумуляторных электромобилей, анализ показывает, что химическая энергия топлива, сжигаемого на электростанциях, используется для движения транспортного средства всего на 15 процентов и менее. Это происходит из?за потерь энергии в линиях электропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах для аккумуляторов и самих аккумуляторах, электромашинах (как в тяговом, так и в генераторном режимах), а также в тормозах при невозможности рекуперации энергии. Для сравнения: дизельный двигатель на оптимальном режиме преобразует в механическую энергию около 40 процентов химической энергии топлива. При большом распространении аккумуляторных электромобилей им просто не будет хватать электроэнергии. Не следует забывать, что суммарная установочная мощность двигателей всех автомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира. Проблема топливных элементовПроблемы снимаются при питании электромобилей от так называемых первичных источников электроэнергии, вырабатывающих энергию непосредственно из топлива. В первую очередь, такими источниками являются топливные элементы (ТЭ), потребляющие кислород и водород. Кислород можно забирать из воздуха, а водород, в принципе, можно запасать в сжатом или сжиженном виде, а также в так называемых гидридах. Но реальнее его получать из обычного автомобильного топлива прямо на электромобиле с помощью конвертора. Эффективность топливных элементов несколько снижается, но зато не меняется инфраструктура топливозаправочного хозяйства. КПД топливных элементов при этом все равно очень высок – около 50 процентов. Такие топливные элементы и конверторы разработаны, в частности, и российскими предприятиями. Однако электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка – высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных как на максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные для топливных элементов. Это, во?первых, невозможность рекуперации энергии при торможении, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть они не могут заряжаться электроэнергией, а во?вторых – низкая удельная мощность топливных элементов. При огромной удельной энергии топливных элементов (порядка 400… 600 Вт-ч/кг) удельная мощность при экономичном разряде не превышает 60 Вт/кг. Это делает массу топливных элементов для реальных мощностей, необходимых автомобилям, очень большой. Например, для электромобиля с максимальной потребной мощностью 100 кВт и электробуса с максимальной потребной мощностью 200 кВт это соответствует массам топливных элементов 1670 и 3330?кг. Если прибавить массы тяговых электродвигателей, примерно равные 150 и 400?кг, то получаются массы силовых агрегатов, совершенно неприемлемые для легкового электромобиля и требующие пятитонного прицепа для электробуса. Делаются попытки снижения массы топливных элементов с использованием в качестве промежуточных источников энергии конденсаторных накопителей энергии, обладающих высокой удельной мощностью. Однако и этот путь недостаточно эффективен, так как лучшие современные конденсаторные накопители, доступные для автомобильной техники, имеют удельные энергетические показатели около 0,55 Вт-ч/кг и 0,8 Вт-ч/литр. Гораздо эффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергии супермаховика, соединенного с обратимой электромашиной. СупермаховикОригинальную схему гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом предложила, изготовила и испытала фирма BMW (Германия). Несомненным преимуществом данного технического решения является наличие только одной электромашины, что снижает массу и приближает его к автомобильным схемам. Тип маховика фирма BMW не уточняет, поэтому используемый накопитель условно назван просто «маховичным».
Здесь источник тока через преобразователи и систему управления связан с обратимой электромашиной, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля. Электромашина через сложный дифференциальный механизм с мультипликатором связана с маховиком накопителя и главной передачей. В результате масса источника тока, 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 концепцияНовая 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, транспортное средство может быть оснащено источником как 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. Схема электромобиляКак и в других гибридных схемах электромобилей, источник электроэнергии в новом варианте 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 равно 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 (15 и 30?кг). 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. Преимущества электромобиляКаковы же преимущества электромобиля новой концепции? Это более высокая эффективность использования топлива и экологическая безопасность. По сравнению со средним КПД преобразования химической энергии в механическую – порядка 10… 15 процентов у тепловых двигателей на автомобилях (не следует путать с КПД тепловых двигателей на оптимальном режиме – 30 процентов у бензиновых двигателей и 40 процентов у дизельных), этот КПД у топливных элементов с конвертором – 50 процентов, а у кислородно-водородных топливных элементов – 70 процентов. 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 со схемой, предложенной и осуществленной фирмой BMW, преимуществом новой концепции являются меньшие габаритно-массовые показатели и высший КПД электромашины. Это обусловлено тем, что в новой схеме электромашина не универсальная, обратимая, а узкоспециализированная, разгонная, загруженная практически постоянной мощностью, почти на порядок меньше максимальной даже при высоких частотах вращения. Вторая выгода – в отсутствии сложного дифференциального механизма с тремя фрикционными муфтами или тормозами, переключающими режимы. Третья – 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. Что позволяет легко заменять один вид источника энергии на другой, получая при этом как автомобиль (с обычной или гибридной схемой двигателя), так и гибридный экономичный электромобиль. Источник: Энергетика и промышленность России Метки:: BMW, аккумуляторная батарея электромобиля, Гулиа, топливный элемент, электромобиль www.battery-industry.ru Устройство Автомобиля Будущего. Техника будущего. informatik-m.ruОбзор лучших компьютеризованных автомобилей будущего по версии ZOOM.CNewsВ настоящее время список электронных устройств, стандартно присутствующих в автомобиле, не ограничен одной лишь автомагнитолой. В современном автомобиле можно найти телевизор, бортовой компьютер, навигатор, видеорегистратор, устройства помощи при парковке, сигнализацию и многое, многое другое. Такое значительное разнообразие вполне логично требует некоторой унификации – особенно с учётом развития современных технологий, позволяющих объединять функциональность нескольких гаджетов в одном.
К объединению подталкивает и прогресс иной, не-автомобильной, электроники, в последнее время значительно изменивший основу быта человека. Миниатюризация и развитие коммуникационных технологий позволили смартфонам и планшетным компьютерам взять существенную долю функций, ранее свойственных персональным компьютерам. Доступ в интернет, имеющийся сейчас почти в любой точке обжитого цивилизованным человеком пространства, позволил связать воедино информационные потоки самых различных устройств: от мейнфреймов до кофеварок.
Таким образом, в настоящее время основной технической задачей автопроизводителей и производителей электроники стало превращение всей электроники автомобиля в единый комплекс с широким разнообразием функций и включение этого комплекса в общую информационную инфраструктуру – наравне с компьютерами, «умными» телевизорами, смартфонами, ноутбуками и роботами-пылесосами. Фактически, автомобиль должен не только средством передвижения, а удобным, функциональным и эффективным гаджетом. Автомобиль – приложение смартфона Самое простое решение, которое уже внедряется практически повсеместно – это возможность управления электроникой автомобиля с помощью смартфона и добавления смартфона в привычный список устройств для автомобиля. К примеру, компания Ford разработала технологию KeyFree Bluetooth, позволяющую автономно вводить пароли через канал Bluetooth. Технологией KeyFree Bluetooth можно оснастить любое устройство – включая и автомобиль. Тогда вместо ключа и блока управления сигнализацией владельцу машины достаточно будет иметь лишь смартфон с соответствующим приложением. Компания Nissan с 2010 года выпускающая электромобиль Leaf с самого начала озаботилась существованием приложения для iOS, позволяющего с помощью смартфона iPhone получать информацию о работе различных систем, контролировать уровень заряда, управлять климатом в салоне… В настоящее время соответствующие приложения доступны также для платформ Android и Blackberry.
Весьма успешны разработки на тему интеграции смартфонов и автомобилей у концерна Mercedes-Benz. Компания обещает что автомобили классов SL, S и CL с года будут комплектоваться бортовыми компьютерами с второй версией системы MBRace. Система MBRace 2 не только позволит интегрировать смартфоны с электроникой автомобиля, но и подключаться к интернету, напрямую (с компьютера) работая с социальными сетями, поисковиком Google и службой поиска местных заведений сферы обслуживания Yelp. C помощью смартфона и соответствующей утилиты, владелец автомобиля Mercedes-Benz с системой MBRace 2 сможет контролировать режим работы узлов машины, уровень топлива, состояние охранной системы. Будущие обновления MBRace 2 расширят список возможностей системы, например позволят владельцу с помощью смартфона подключаться к центрам техобслуживания Mercedes-Benz для резервации даты диагностики или ремонта. Причём, информация о типе неисправности мгновенно будет передаваться в техцентр бортовым компьютером. Но не только знаменитые автогиганты озабочены вопросом интеграции смартфотов и машин. Китайский автопроизводитель BYD разработал новую модель седана Su Rui, которая может дистанционно управляться специальным пультом управления, напоминающим геймпад приставки. Дистанционное управление работает в радиусе 10 метров от машины, позволяя руководить движением Su Rui на скорости до 2 километров в час. Поскольку основой электронной «начинки» автомобиля является бортовой компьютер с сенсорным дисплеем и соотвтствующим интерфейсом, китайцы уже в ближайшее время обещают доработать систему дистанционного управления, отвязав её от уникального пульта и позволив взять его функции обычному смартфону на Android.
Кстати, найти формы симбиоза со смартфоном автопроизводители хотят не только в отношении автомобилей. Весьма популярный в Европе транспорт – велосипеды и скутеры – тоже охвачены данной тенденцией. К примеру, компания Audi разработала электрический велосипед e-bike, который использует смартфон в качестве бортового компьютера. Электроника велосипеда настроена на работу в пяти режимах: чисто педальный режим Pure, режим помощи мотора Pedelec, режим движения от мотора с ограничением по скорости (не выше 50 километров в час), и режимы Power Wheelie и Balanced Wheelie – предназначеные для экстремальной езды с выполнением трюков. Всеми режимами можно управлять со смартфона, также с помощью смартфона можно управлять светодиодами велосипеда, регулировать высоту и угол седла и так далее… Менее известная, чем Audi калифорнийская компания Lit Motors разработала электроскутер закрытого типа Lit C-1, который имеет мощнейшую базу для интеграции со смартфонами – благодаря чему сами конструкторы называют его «iPhone на колёсах». Узнать истинность такого «титула» можно будет уже в году, когда Lit C-1 появится в продаже. Экологичные двигатели: автомобили будущего в настоящем Данный курс ориентирован в основном на самостоятельную работу старших школьников в рамках дополнительного образования технической направленности. Однако при определенных условиях его с успехом могут использовать в своей практике преподаватели математики, физики. Создание современных экологичных видов транспорта — одна из основных задач нашего времени. Она не менее важна, чем полеты в космос, энергосберегающие технологии и беспилотная авиация. Целью обучающего курса по теме Экологичные двигатели: автомобили будущего — в настоящем : является способствование интеллектуальному развитию детей в рамках дополнительного образования. Задачами обучающего курса по теме Экологичные двигатели: автомобили будущего — в настоящем являются развитие интереса к инженерным и рабочим профессиям, находящим применение в различных отраслях народного хозяйства. В состав курса входят следующие модули:
Модуль включает мультимедийные технологии обучения и интерактивные практики.
Модуль 2. Автомобильный двигатель: история и принципы устройства
Модуль 3. Классификация двигателей, в том числе – двигателей-гибридов
Модуль 4. Принципы действия двигателей. Схемы взаимодействия электромотора и ДВС
Модуль 5. Экономика экологичного автомобиля
Модуль 6. Экологичные двигатели в России: сегодня и завтра
Модуль 7. Перспективы и фантазии. Концепт-кары
Модуль 8. Проектная практическая работа
Данный курс рассчитан на мальчиков старших классов, со средним уровнем технической подготовки, у которых должен сформироваться устойчивый интерес к специальностям, имеющим отношение к рассматриваемой теме. Навыки, получаемые при выполнении практических упражнений, могут оказаться полезными при обучении различным рабочим специальностям. Электрический автомобильЭлектрический автомобиль, хотим мы этого или нет, является безусловным и неотвратимым будущим автомобилестроения, при этом будущим ближайшим. Многие производители по всему миру вкладывают значительные средства в разработку электромобилей, чему способствует неуклонный рост цен на нефтепродукты, необходимость снижения вредных выбросов от автомобиля, а также разработки устройств хранения энергии, технологий энергопотребления.
В настоящее время крупнейшими рынками электрических автомобилей являются США, Япония, Китай и ряд европейских стран (Франция, Нидерланды, Норвегия, Германия, Великобритания). Из производителей электрокаров выделяются компании Nissan (Leaf), Mitsubishi (I MiEV), Toyota (RAV4EV), Honda (FitEV), Ford (Focus Electric), Tesla (Roadster и Model S), Renault (Fluence Z.E. и ZOE), BMW (Active C), Volvo (C30 Electric). Наша страна пока находится в стороне и от производства и от потребления электромобилей, за исключением разработок отдельных энтузиастов (известная Lada Ellada не в счет, она построена на импортных комплектующих). Под термином «электрический автомобиль» или «электромобиль» понимается транспортное средство, которое приводится в движение одним или несколькими электрическими двигателями. При этом питание электромотора может осуществляться от аккумуляторной батареи, солнечной батареи или топливных элементов. Наибольшее распространение получила конструкция электромобиля с питанием от аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея требует регулярной зарядки, которая может осуществляться от внешних источников тока, путем рекуперации энергии торможения, а также от генератора на борту электромобиля. Генератор приводится от двигателя внутреннего сгорания. но такая схема, по сути, электромобилем уже не является, а относится к одной из разновидностей гибридного автомобиля. Работа по созданию электрических автомобилей ведется в двух направлениях - разработка новых моделей и адаптация серийных автомобилей. Последнее направление более предпочтительное, т.к. менее затратное. Выпускаемые электромобили в зависимости от предназначения можно разделить на три группы:
Устройство электрического автомобиляВ отличие от автомобиля с двигателем внутреннего сгорания электромобиль имеет более простую конструкцию, включающую минимальное количество движущихся частей, а значит более надежную. Основными конструктивными элементами электрического автомобиля являются: аккумуляторная батарея, электродвигатель, трансмиссия, бортовое зарядное устройство, инвертор, преобразователь постоянного тока, электронная система управления. Тяговая аккумуляторная батарея обеспечивает питание электродвигателя. На электромобиле, в основном, используются литий-ионная аккумуляторная батарея, которая состоит из ряда соединенных последовательно модулей. На выходе аккумуляторной батареи снимается напряжение постоянного тока порядка 300В. Емкость батареи должна соответствовать мощности электродвигателя. Одним из основных элементов электромобиля является электродвигатель. который служит для создания необходимого для движения крутящего момента. В качестве тягового электродвигателя используют трехфазные синхронные (асинхронные) электрические машины переменного тока мощностью от 15 до 200 и более кВт. В сравнении с ДВС электродвигатель имеет высокую эффективность и меньшие потери энергии. КПД электродвигателя составляет 90% против 25% у ДВС. Основными преимуществами электродвигателя являются:
В ряде конструкций электромобилей используется несколько электродвигателей, которые приводят отдельные колеса, что значительно повышают тяговую мощность транспортного средства. Электродвигатель может быть помещен непосредственно в колесо автомобиля, сокращая до минимума трансмиссию. Но такая схема электромобиля увеличивает неподрессоренные массы и ухудшает управляемость. Трансмиссия электромобиля достаточно проста и на большинстве моделей представлена одноступенчатым зубчатым редуктором. Бортовое зарядное устройство позволяет заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети. Инвертор преобразует высокое напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи в трехфазное напряжение переменного тока, необходимое для питания электродвигателя. Преобразователь постоянного тока обеспечивает зарядку дополнительной двенадцативольтовой аккумуляторной батареи, которая используется для питания различных потребителей электроэнергии (электроусилитель рулевого управления. электрический отопитель салона, кондиционер, система освещения. стеклоочистители. аудиосистема и др.) Электронная система управления выполняет в электрическом автомобиле несколько функций, направленных на обеспечение безопасности, энергосбережение и комфорт пассажиров:
Конструктивно система объединяет ряд входных датчиков, блок управления и исполнительные устройства различных систем электромобиля. Входные датчики оценивают положение педали газа, педали тормоза, селектора переключения передач, давление в тормозной системе, степень заряда аккумуляторной батареи. На основании сигналов датчиков блок управления обеспечивает оптимальное для конкретных условий движение электромобиля. Основные параметры работы электромобиля (потребление энергии, восстановление энергии, остаточный заряд аккумуляторной батареи) визуально отображаются на панели приборов. Эксплуатация электромобиляНесмотря на внешнее сходство и аналогичные органы управления, эксплуатация электромобиля существенным образом отличается от эксплуатации автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Именно эксплуатационные проблемы сдерживают массовое использование электромобиля, среди которых:
Высокую стоимость автомобиля во многом определяет цена аккумуляторной батареи. Несмотря на отличные эксплуатационные характеристики, литий-ионная аккумуляторная батарея очень дорогая в производстве и помимо этого имеет ограниченный ресурс (5-7 лет). Это заставляет разрабатывать новые источники тока (топливные элементы ), способы хранения энергии (суперконденсаторы, маховики ), совершенствовать конструкцию тяговых аккумуляторных батарей (литий-полимерные аккумуляторы ). Текущие расходы на содержание электрического автомобиля значительно ниже (в 3-4 раза) расходов на содержание автомобиля с ДВС и зависят, в основном, от стоимости электроэнергии. Эксплуатация электромобиля экономически выгодна в странах, где производство электроэнергии в меньшей степени зависит от ископаемого топлива. Одна из самых серьезных проблем эксплуатации электромобиля его невысокая степень автономности. Величина пробега электромобиля без подзарядки зависит от многих факторов: емкости аккумуляторной батареи, характера и условий движения, стиля вождения, степени использования вспомогательных систем. В настоящее время средняя дальность использования электромобиля составляет порядка 150 км при скорости движения 70 км/ч. При движении с большей скоростью, пробег резко уменьшается, например, при скорости 130 км/ч (нормальная шоссейная скорость) он составляет уже 70 км. Именно поэтому электромобиль в большинстве своем позиционируется как транспортное средство для городских поездок. Современные технологии позволяют увеличить степень автономности электромобиля до 300 и более км, среди которых следует отметить систему рекуперативного торможения (возвращает до 30% затрачиваемой энергии), аккумуляторы повышенной емкости, электронная оптимизация процессов движения. Неотъемлемым атрибутом эксплуатации электромобиля является необходимость периодической зарядки аккумуляторной батареи. которая занимает много времени. Решение данной проблемы реализуется по нескольким направлениям:
Реализация указанных направлений требует развития инфраструктуры (зарядных и обменных станций, мест парковки), стандартизации технических решений, разработки правил для поставщиков услуг. Источники: http://zoom.cnews.ru/publication/item/42020, http://www.spa.msu.ru/page_432.html, http://systemsauto.ru/engine/electric-car.html Комментариев пока нет! informatik-m.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Мало кто знает, что электромобиль впервые появился еще в 1838 году в Англии. Он существенно старше привычного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Поначалу он опережал последний по скорости и объему выпуска, но не смог стать серьезным конкурентом. Основная причина, по мнению авторов, – недостатки питания от электроаккумуляторов.
