Электромобили

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 emission vehicle — ZEV). Развитие концепций электрического автомобиля все еще находится в состоянии «свободного парения», но некоторые из основных автопроизводителей 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 100 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-килограммового набора усовершенствованных свинцово-кислотных батарей с гелеевым 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 1 часа в случае крайней необходимости. Это было очень впечатляюще, но на этом развитие не остановилось.
Электромобили

Представление об автомобиле с электрическим приводом

На рисунке 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 компонент являются необязательными.

Общая блок-схема электрического автомобиля

Рис. Общая блок-схема электрического автомобиля

Батареи электромобиля

При конструировании электрического автомобиля возможен выбор из множества вариантов, но, рискуя чрезмерно упростить суть проблемы, скажем, что самым важным выбором является тип батареи.

В таблице представлен выбор батарей, он позволяет сделать некоторые сравнения.

Таблица. Характеристики батарей

Тип батареи Обозначение Плотность энергии, (Вт/ч)/кг Диапазон рабочих температуру, «С Число циклов, 80-процентная глубина разряда
Свинцово-кислотная Pb-Acid 27-33 1 0-60 450-600
Никель-кадмиевая NiCd 35-64 10 От -20 до 60 500-2000
Никель-метоллгидридная NiMH 50-51 8 От -20 до 60 500
Никель-железная NiFe 51 8 От -20 до 60 1000
Цинк-бромистая ZnВг 56 5 500
Никель-цинковая NiZn 73-79 3,5 От -20 до 60 600
Литиево-ионноя Li-ion 90 От -20 до 60 1200-2000
Натрий-серная NaS 79-81 6,5 300-380 1000
Серебро-цинковая AgZn 117-139 15 100
Boздошно-цинковоя Zn-Air 144-161 15 От -20 до 40 150

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 требует 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 батарей 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 точки 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 переменного 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 мотором постоянного тока.

Моторы переменного тока

Вообще говоря, все моторы переменного тока устроены по одному и тому же принципу. Трехфазная обмотка распределяется по контуру статора из ламинированного железа и образует вращающееся магнитное поле, за которым «следует» ротор.

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». Вращавшееся магнитное поле в статоре вызывает э.д.с. в 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.

Асинхронный мотор с ротором «беличья клетка», составленным из множества пар полюсов

Рис. Асинхронный мотор с ротором «беличья клетка», составленным из множества пар полюсов

Синхронный мотор с постоянным возбуждением

Этот мотор имеет роторную обмотку, называемую индуктором, которая представляет собой катушку, намагничиваемую источником постоянного тока через два контактных кольца. Магнитное поле «цепляется» к вращающемуся магнитному полю и создает постоянный крутящий момент. Если скорость вращения меньше, чем n, возникают колебания крутящего момента, и через мотор может начать течь сильный ток, Этот мотор нуждается в специальных мерах для первоначального запуска. Его преимущество, однако, состоит в том, что он работает как идеальный генератор (на него очень похож обычный генератор переменною тока автомобиля). Схема синхронного мотора приведена на рисунке.

Схема синхронного мотора

Рис. Схема синхронного мотора

Электронно-управляемые моторы

Моторы, управляемые с помощью электроники (electronically controlled — ЕС), занимают место между мотором переменного тока и мотором постоянного тока. Принцип действия такого мотора подобен принципу действия синхронного мотора, описанного выше, кроме ротора, который содержит постоянные магниты и, следовательно, не имеет никаких контактных колец. Его иногда называют бесщеточным мотором. Ротор управляет датчиком, который обеспечивает обратную связь со средствами управления с мощными электронными компонентами. Эта система управления создает вращающееся поле, частота которого определяет скорость мотора. Когда мотор используется как приводной двигатель, необходима коробка передач, чтобы гарантировать, что поддерживается достаточная скорость мотора, что обусловлено специфическими особенностями его вращающего момента. Некоторые «философские школы» полагают, что если мотор питается напряжением прямоугольной волны, что — мотор постоянного тока, а если питается напряжением синусоидальной волны — переменного тока. Это составляет «проблему» для описания моторов, питаемых трапециевидными сигналами!

ЕС-мотор - посередине между моторами переменного и постоянного тока

Рис. ЕС-мотор — посередине между моторами переменного и постоянного тока

Мотор постоянного тока — последовательная (сериесная) обмотка

Мотор постоянного тока — хорошо проверенное устройство, которое использовалось много лет на электрических транспортных средствах типа молоковозов и вилочных грузоподъемников. Его главный недостаток заключается в том, что через щетки и коммутатор должен протекать сильный ток.

Мотор постоянного тока с сериесным (последовательным) возбуждением характеризуется высоким вращающим моментом при низких скоростях. На рисунке показано, как можно управлять мотором с сериесным возбуждением, используя тиристор, и также обеспечить простое регенеративное торможение.

Мотором с последовательной (сериесной) обмоткой

Рис. Мотором с последовательной (сериесной) обмоткой можно управлять, используя тиристор, этот мотор может также обеспечить простое регенеративное торможение

Двигатель постоянного тока — шунтирующая обмотка с параллельным возбуждением

Чтобы изменить скорость данного мотора, его полями можно управлять или добавляя сопротивление, или используя прерывистый режим питания. Крутящий момент во время запуска может стать проблемой, но проблему можно преодолеть выбором подходящего контроллера. Этот мотор также подходит для регенеративного торможения при увеличении в соответствующий момент силы магнитного поля. Некоторые системы привода EV меняют только силу поля для нормального движения, и это может быть проблемой вследствие большого тока при медленных скоростях движения.

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 1900 г. 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 все еще остается проблемой, но «стоимость» — понятие относительное, и если поразмышлять над последствиями загрязнения среды, то «стоимость», возможно, не покажутся 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.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (оцени первым)
«Калашников» представил концепт электромобиля Концерн «Калашников» представил концепт-кар CV-1, на базе которого компания планирует создать электромобиль, способный конкурировать с ведущими мировыми производителями. CV-1 построен на кузове «ИЖ-21252» и является «стендом для тестирования» сложных технологий. Представитель «Калашникова» София ...
Тест Nissan Leaf. Реальный запас хода, технические проблемы Команда SRT уже проводила тест-драйв элекртомобиля Nissan Leaf. Но тогда остался один вопрос: сколько же километров пробега преодолеет Leaf на одной полной зарядке? Мы не любим голословных заявлений, поэтому провели два заезда, на трассе и в городе, оба раза разрядив подопытный Лиф со 100% до ну...
✪Устройство автомобиля Авто⚡сайт №❶
Google+ ()