Hf
   
     

 

 
 

 
 

Начались испытания первого варианта электромобиля пока без кузова
 

Гибридный электромобиль будущего

 
 

 

Электровелогибрид

Гибридный электромобиль

 

 
  Гибридный электромобиль  
  Гибридный электромобиль  
  Гибридный электромобильГибридный электромобильГибридный электромобиль  
     
     
     
     

 

Многое из того, что приведено далее не мысли автора, а боль и исследования множества энтузиастов электромобилей - честь им и уважение

К.т.н.   Корженевский С.В.

Электромобиль появился раньше автомобиля, но до сих пор он не стал массовым и пока проигрывает соревнование с автомобилями. Много надежд возлагается на электромобиль в связи с экологическими проблемами и энергетическим кризисом. Много публикаций и репортажей в средствах массовой информации создали некоторую перманентную надежду. Вот-вот он появится и решит все проблемы. Однако, он не появляется, а значит существуют объективные причины этого.  

Проблемы и развенчание мифов на пути перехода  к электромобилю

1.Ограничения инфраструктуры распределения электроэнергии

Сложившаяся в настоящее время структура потребления электроэнергии,  технология распределения  и транспорт электроэнергии не рассчитан на появление даже ограниченного количества электромобилей, сравнимых по потребляемой энергии, с обычными автомобилями. Большая мощность аккумуляторных батарей (80..150 кВт/ч) требует зарядных устройств  с токами значительно превосходящими, те на которые сейчас рассчитаны  существующая бытовая электросеть. Поэтому нельзя зарядить традиционный электромобиль от обычной розетки. Она на это не рассчитана и просто не выдержит, а значит вместе с электромобилем нужно создавать и инфраструктуру заряда его мощных батарей. Кроме этого большой вес батарей и малая дальность пробега сводят к нулю эффективность электромобиля равного по весу и объему обычному автомобилю.   Все это объективно свидетельствует  о необходимости легкого гибридного электротранспортного средства предназначенного для поездки на работу или за покупками в магазин. Аккумуляторы такого ТС  (Транспортное Средство)  имеют   мощность  2..10кВт/ч и их зарядка возможна от обычной бытовой сети преимущественно ночью, что благоприятно скажется на равномерности энергопотребления и увеличению эффективности существующей инфраструктуры распределения и транспортировки электроэнергии.  

2.Электромобиль пока лишний в мире топливных ТС

Электромобиль это простота, экономичность и  экологичность.  Но, несмотря на уступающие электромотору технические характеристики топливный ДВС (Двигатель Внутреннего Сгорания) все-таки победил. Быстрая заправка, большая мощность, удобство в эксплуатации ДВС не позволили развиваться  электромобилю. Автомобиль с ДВС заставил строить для себя сети автозаправок и нефтеперегонные заводы, прокладывать трубопроводы и открывать новые месторождения. В этой системе электромобиль, как замена обычного автомобиля, существовать не способен  по объективным экономическим причинам. Электромобиль должен быть таким, чтобы его экономические показатели были достаточны для конкуренции и компенсации потерь от замены автомобиля.

3.Электромобиль не является экологически чистым

Электромобиль как замена обычного автомобиля (т.е. тяжелый электромобиль сравнимый по массе с обычным автомобилем)  нанесет гораздо больший вклад в загрязнение окружающей среды, чем автомобиль с ДВС. Если автомобилю на 100 км потребуется 10 литров высококалорийного топлива, то на тот же пробег электромобилю потребуется в два раза больше низкокалорийного топлива вроде каменного угля или газа, которые необходимо сжечь с выбросом гораздо большего количества углекислого газа, и доставить электроэнергию с потерями к месту заряда электромобиля. Если учесть все потери преобразования энергии, то окажется что на самом деле КПД электромобиля,  ниже автомобиля с ДВС и близок к КПД паровоза позапрошлого века. Просто если автомобиль сам сжигает бензин и сам едет, то для электромобиля сначала придется сжечь каменный уголь, мазут или газ на тепловой электростанции, подать перегретый пар на турбину с генератором, получить электроэнергию, передать через сеть линий электропередач и трансформаторных подстанций к зарядному устройству и зарядить аккумулятор. И на каждом этапе терять часть энергии.  КПД электромобиля на пути «От угля до колеса» окажется еще ниже, чем у автомобиля «От нефти  до колеса». Другое дело если это легкий в 5…10 раз меньший по массе электромобиль, который использует для  зарядки аккумуляторов возобновляемые источники энергии или генератор с ДВС малой мощности, работающий в оптимальном режиме.

4.Основное препятствие – аккумулятор энергии

Одним из основных препятствий для массового внедрения электромобилей является отсутствие аккумулятора достаточной емкости. Время пробега на одной зарядке является решающим фактором при покупке электромобиля. Но, не только удельная емкость аккумулятора является ключевым параметром . Одним из главных характеристик  автомобиля является его динамика — возможность быстро набирать скорость. А это означает, что аккумулятор должен будет с минимальными потерями за секунды выдавать и получать ток в тысячу ампер и более, но аккумулятор — это химический источник энергии. А любому химическому процессу требуется время. Пока безынерционных химических аккумуляторов нет. Однако ток, который может выдать современный аккумулятор как раз, достаточен для разгона легкого электромобиля. Для небольших мощностей аккумуляторов 2…3 кВт/ч возможно применение дополнительно суперконденсаторов, которые могут относительно быстро заряжаться и практически мгновенно разряжаться, увеличивая динамику легкого электромобиля.

5.Проблемы рекуперации

Рекуперация – преобразование энергии торможения в электроэнергию называется чуть ли не одним из главных преимуществ электромобиля и позволяет снизить общие затраты на электроэнергию.  Рекуперация - часть процесса торможения в электромобиле. В городском цикле ТС движется с частыми остановками. Режим движения - короткий разгон и движение накатом до кратковременного торможения перед светофором.  Электромобиль в такой ситуации практически не потребляет энергию, в отличие от автомобиля, мотор которого постоянно должен потреблять топливо. Только в самом конце пути, когда до впереди стоящей машины или перекрестка остаются метры - водитель
понемногу начинает использовать торможение. Именно в этот момент можно хотя бы какую-то часть энергии забрать обратно в рекуператор. Но реальный расчет показывает, что торможение 400 кг с 10 км/час до полной остановки может выдать около 100 Вт в самом идеальном случае. С учетом того что КПД электродвигателя в режиме генератора небольшой и хорошо если до рекуператора после всех преобразований дойдет хотя бы половина от полученной энергии. Итого — 50 Вт. При последующем разгоне еще какая-то часть от этой  запасенной энергии потеряется по пути к электродвигателю. Так что если к разгонным 5 киловаттам добавится 50 Вт сохраненной энергии при  рекуперации — это составит всего 1% от общего потребления в самом лучшем случае. И это при значительном  усложнении  конструкции электромобиля, а  значит еще и веса, за счет дополнительных узлов и устройств рекуперации  энергии. В конечном счете, окажется, в целом рекуперация энергетически убыточна.      Другой вариант это экстренное торможение или затяжной спуск. В этом случае можно получить значительную экономию. Однако при экстренном торможении на первый план выходит безопасность, а при рекуперативном торможении тормозной путь будет явно больше обычного, что недопустимо. Таким образом, выходит, что в городском режиме и при малой скорости рекуперация безопасна, но неэффективна, а в дорожном режиме и на высокой скорости — эффективна, но очень опасна.
6.Проблемы двух энергосистем
В любой стране существуют две разветвленные энергосистемы. Каждая из них связывает воедино получение энергии, распределение и доставку потребителям. Первая – сеть органического топлива. Месторождения, трубопроводы, нефтеперегонные заводы, автозаправочные станции. Вторая - электроэнергосистема . Электростанции, генераторы, линии электропередач, трансформаторы. По объему передаваемой энергии топливная энергосистема превышает электроэнергосистему в десятки раз.  Кроме того, электроэнергосистема является в большинстве своем надстройкой над энергосистемой топливной, поскольку большая часть электрической энергии является продуктом переработки угля, мазута или газа. Автомобиль  является потребителем энергии из топливной энергосистемы, электромобилю же предлагается получать энергию из электрической энергосистемы. Массовое применение электромобилей означает, что транспорт перейдет из более мощной топливной энергосистемы в заведомо более слабую -электрическую. А, следовательно, это потребует электромобиль с высокими экономическими показателями для компенсации потерь при таком переходе.
7.Проблемы  мотор-колеса
Применение мотор-колес может дать сразу несколько преимуществ. Это и возможность более точно управлять крутящим моментом и тормозами на каждом отдельном колесе, это и упрощение конструкции, отказ от многих узлов и агрегатов обычного автомобиля.  Но мотор-колесо обладает недостатками. Они получаются либо громоздкими, либо тяжелыми и не обеспечивают достаточной надежности в тяжелых дорожных условиях. Кроме того, большая неподрессоренная масса такого колеса приводит к гораздо худшей управляемости машины на неровной дороге. А вот для мотоциклов и велосипедов применение мотор-колес  возможно. У них диаметр колеса больше и электрическая часть находиться на значительном расстоянии от дороги. У автомобиля все гораздо ближе. Даже небольшая лужа или грязь могут существенно сказаться на надежности работы мотор-колеса. Кроме того, мотор-колесо обречено работать на скоростях, равных скорости колеса. То есть от 0 до 700-1000 об/мин, в то время как нормальный рабочий диапазон электромотора гораздо шире и может достигать 20000 об/мин. Высокооборотные двигатели имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем тихоходные той же мощности. А это означает, что мотор-колесо обречено быть большим, тяжелым и дорогим. Например, обычный высокооборотный электродвигатель на 2 КВт может стоить меньше 50 евро и весить около 2 кг, в то время как мотор-колесо на 2 КВт стоит 5000 евро и весит 17 кг. И все  только из-за того, что мотор-колесо вынуждено работать на низких скоростях. Если же применить обычный высокооборотный электродвигатель с простейшим редуктором, то это позволит не только упростить конструкцию этого узла и уменьшить вес, но и увеличить надежность, так как можно использовать уже хорошо зарекомендовавшие себя электродвигатели для массового применения. В качестве компромисса возможно объединение в единый блок обычного высокооборотного электромотора и колеса. Такая конструкция уже зарекомендовала свою высокую надежность в карьерных самосвалах и «Луноходах». При использование мотор-колеса для легкого электромобиля целесообразно применение колес большого диаметра типа мотоциклетных и использование готовых испытанных решений.
8. Проблема цены электромобиля.
Цена является одним из главных  аргументов в пользу электромобиля, однако, реальные предложения на рынке показывают другое.  Электромобиль всегда значительно дороже автомобиля при сравнимых потребительских свойствах.  Значит, для завоевания рынка он должен быть значительно дешевле автомобиля.

     Курс на легкий гибридный электротранспорт

Обоснование и объективная потребность

За последние 30 лет масса автомобилей выросла  с 600 -700 кг до 1500-2000 кг. Достижения в области повышения КПД  двигателей внутреннего сгорания (ДВС) таким образом, не привели к сокращению энергетических затрат. Нет сомнения, что объемы потребляемой энергии  транспортными средствами будет и дальше расти за счет арифметического роста их числа. Ограниченные запасы органического топлива уже сейчас позволяют оценить точку общемирового системного транспортного кризиса. Показательно появление одноместных и  двухместных городских микроавтомобилей (микрокаров) массой 500-600 кг. Однако возможно  дальнейшее снижение и достижима масса и 300 кг (Twike). Для легких конструкций меньшая пассивная безопасность является важным фактором, однако необходимо учитывать небольшие скорости передвижения по городу. 
Енергетические затраты на преодоление сопротивления воздуха существенно зависят от площади поперечного сечения. Для ее уменьшения необходимо размещать в двухместных микрокарах водителя и пассажира друг за другом по схеме тандем. Отказ от выступающих зеркал заднего вида и переход на видеокамеры также уменьшит энергозатраты. Коэффициент лобового сопротивления существенно влияет на показатель затрат энергии. Его реально достижимое значение составляет 0,15 и ниже. Скорость же в квадратичной зависимости приводит к увеличению затрат.  
Сопротивление качение также существенно влияет на энергозатраты. Для оптимизированных шин коэффициент сопротивления качению  достигает  0.0025.  Для типовых мотоциклетных шин  коэффициент сопротивления качению лежит в диапазоне от 0.005 до  0.008, для автомобильных  от 0.010 до  0.015.  Таким образом, для легкого транспортного средства необходимо применять оптимизированные мотоциклетные шины большого диаметра и снизить за счет этого сопротивление качения.
Компьютерное управление трансмиссиями, рекуперация и  поддержка оптимального стиля езды для экономии  энергозатрат является дополнительным резервом в конструктивных решениях. Гибридные ТС с реализацией такого подхода демонстрируют существенное уменьшение расхода топлива. Гибридная силовая установка показывает большую среднюю загрузку ДВС.  Чисто электрические легкие ТС показывают меньшие энергозатраты в десятки раз (0,3 ... 0,5 МДж/км).  Для сравнения обычный автомобиль тратит 3.5 …5 МДж/км, а внедорожник до 10МДж/км.
Многократно проведенные исследования показывают, что для поддержания равномерного движения легкого ТС на скорости  40 км/ час необходимо 40 Вт. Мускульная сила нетренированного человека позволяет на велоприводе долговременно развивать мощность в 50-80 Вт. Использование  возобновляемой энергии человека также позволит снизить расход органического топлива для передвижения ТС.
Таким образом, комбинация способов снижения энергозатрат и использование возобновляемых природных источников, позволяет создать транспортное средство будущего уже сейчас.

Каким должен быть идеальный электромобиль

1. Электромобиль должен быть только сверхэкономичным с зарядкой от возобновляемых природных источников, бытовой сети или собственного генератора с ДВС.

2.Электромобиль должен быть легким. Именно этот фактор будет решающим в создании электромобиля ближайшего будущего. Электромобиль не должен потреблять в сутки больше, чем способна дать существующая энергосистема. А это значит, что в создании электромобиля придется бороться за каждый грамм веса и каждый процент КПД. Если удастся создать небольшой городской электромобиль мощностью не более нескольких киловатт с зарядкой от бытовой сети - тогда можно рассчитывать на успех электромобиля.

 3. Электромобиль в первую очередь должен быть предназначен для поездок по городу. Никаких гонок за скоростью. За увеличение скорости вдвое придется платить увеличением мощности вчетверо. А это увеличение энергозатрат, увеличение массы источников энергии и так далее по восходящей спирали. Поэтому попытки автокорпораций создать электромобиль на базе автомобиля и со сравнимыми характеристиками обречены на провал и дальше концептов не продвигаются.

 4. Электромобиль во время остановки стоянки или движения с малой скоростью должен накапливать энергию. Электромобиль и автомобиль в пробке стоят одинаково, только автомобиль энергию тратит, а электромобиль ее в это время накапливает.

5.  Электромобиль должен иметь 1-2 места. Сегодня автомобиль массой в одну две тонны перевозит одного, реже – двух человек. Это означает, что 95% энергии автомобиля уходит на то, чтобы везти самого себя. Энергетически выгоднее иметь два маленьких электромобиля на семью, чем один большой.
6. Электромобиль должен иметь минимальное лобовое сопротивление. Сидеть пассажиру рядом с водителем удобнее, но когда энергетическая составляющая будет становиться все дороже,  очевидной станет другая компоновка, когда пассажир и водитель сидят друг за другом по схеме тандем и площадь миделя уменьшается в два раза. Аэродинамическое сопротивление также должно быть минимальным и конструкция кузова должна быть близкой по форме к капле без выступающих частей и зеркал заднего вида.
7. Кузов электромобиля должен быть несущим легким и жестким. Такое сочетание может обеспечить только современные композитные материалы типа стеклопластиков и углепластиков, а также технологии зарекомендовавшие себя в яхтостроении и авиации.
8. Электромобиль должен иметь коробку передач и редукторы на колесах. Это позволит снизить требования к запасу мощности электродвигателей, увеличить их максимальные обороты повысить эффективность и расширить диапазон преодолеваемых препятствий и дорожных условий.
9. Электромобиль должен иметь минимальное сопротивление качения, а также максимально возможный накат (расстояние пробега по инерции), а значит автоматически отключаемые редукторы и трансмиссии.
10. Электромобиль должен иметь классическую систему тормозов, систему АБС и систему пассивной безопасности.
11. Электромобиль должен иметь модульную компоновку.  Наиболее совершенной является модульная компоновка в составе – колесо, электромотор, аккумулятор, рекуператор, велопривод, солнечные батареи, электрогенератор с ДВС.

Конструкцию гибридного электромобиля удовлетворяющего во многом указанным критериям можно посмотреть здесь.

Гибридный электромобиль Гибридный электромобиль Гибридный электромобиль Гибридный электромобиль
Гибридный электромобиль Гибридный электромобиль    

 

------------А он все таки едет---------