КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Существенный характер дополнительных положительных свойств автомобиля с расширенными функциональными возможностями по предложенной НТЦ"Автомобили с КЭУ" концепции даёт основание для перевода разработки в стадию ОКР. Вариант конструкции по схеме рис. 5.9 б) представлен на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Вариант конструкции КЭУ расширенных функциональных возможностей.

Подводя итог, можно констатировать следующее. Одной из причин сравнительно медленного распространения автомобилей с КЭУ является ориентация многих разработчиков на решение в первую очередь проблем экологичности автомобильного транспорта в условиях движения в городском цикле. Соответственно в более универсальных условиях эксплуатации автомобиля – при движении на магистральных дорогах с высокими скоростями, при движении на грунтовых дорогах, эффект использования автомобиля с КЭУ уже не оправдывает его более высокой стоимости. Ситуация, однако, может быть изменена, если расширить функции автомобиля с КЭУ в направлениях как повышения курсовой устойчивости на магистралях, так и повышения проходимости при движении в сложных дорожных условиях. Значение этих направлений расширения функций особенно воз-

растает в связи с характерными для большинства регионов России климатическими условиями – продолжительным зимним периодом, заснеженными дорогами, порой с участками обледенения. Сочетание традиционного привода от ДВС с раздельным приводом колёс от ОЭМ, запатентованное НТЦ, позволяет решить перечисленные задачи на более высоком техническом уровне, с большей энергетической эффективностью, чем известные решения ряда ведущих автомобильных производителей, основанные на использовании лишь механических устройств с электронным управлением.

91

Примеры аналогичных конструкций зарубежных производителей представлены на рис. 5.11 и 5.12.

Рис. 5.11. Модуль электрического привода колес Borg Warner с несимметричной тягой

Рис. 5.12. Электрический привод колес Schaeffler с несимметричной тягой

92

6. НАКОПИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В КЭУ

Согласно прогнозам мировое производство автомобилей с электроприводом будет расти и к 2020 году такие транспортные средства, большинство из которых автомобили с КЭУ, могут занять почти половину глобального рынка новых автомобилей. Такому бурному развитию электромобильных технологий будет способствовать прогресс в области создания новых, более совершенных накопителей энергии.

(В контексте данного учебного пособия будем рассматривать только накопители электрической энергии– аккумуляторные батареи (АКБ).)

На сегодняшний день основными накопителями электрической энергии, применяемыми на серийных автомобилях с КЭУ, являются: необслуживаемые тяговые свинцово-кислотные, никельметаллгидридные и литий-ионные аккумуляторы. Наибольшие перспективы имеет технология литий-ионных накопителей, к настоящему моменту получившая большое распространение в качестве источников питания портативной техники.

Выбор подходящего аккумулятора энергии базируется на анализе параметров аккумуляторов разных типов, важнейшими из которых являются удельная энергоемкость и удельная мощность, а также цена. Кроме того, стоит принимать во внимание и другие параметры, такие как: способность работать при низких температурах, длительность жизненного цикла, экологичность при производстве и утилизации, безопасность в эксплуатации и др.

На основе проведенного анализа существующего состояния мирового рынка аккумуляторов и перспектив его дальнейшего развития можно сформулировать требования, которым должен удовлетворять аккумулятор электрической энергии, пригодный для использования на транспортных средствах без ограничений и компромиссов, что, в случае его создания, приведет к бурному развитию технологии автомобилей с электроприводом, в том числе с КЭУ.

Итак, "идеальный" аккумулятор должен иметь следующие параметры:

-цена за кВт·ч должна быть ниже 500 $;

-диапазон рабочих температур: -50 … +80;

-число циклов заряд-разряд (циклируемость): более 2000;

-способность к микроциклированию (неполной зарядке-разрядке);

-способность воспринимать перегрузки свыше 10С(С – емкость в А*ч);

93

-пожаро- и взрывобезопасность;

-экологичность в полном жизненном цикле;

-саморазряд не более 10% в месяц;

-КПД процессов заряда-разряда более 90%;

-простота контроля и управления.

Удельные характеристики должны удовлетворять следующим требованиям:

-удельная энергоемкость более 300 Вт·ч/кг;

-удельная мощность более 500 Вт/кг.

Здесь следует иметь в виду, что для автомобиля с КЭУ более важным является увеличение удельной мощности, так как на борту имеется еще один источник энергии– топливо. Улучшение этого показателя позволит повысить эффективность процесса рекуперации энергии при торможении с высоких скоростей движения автомобиля, а значит с большими мощностями и токами.

Что касается наиболее распространенных до недавнего времени тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов, установленных, к примеру, на экспериментальном автомобиле УАЗ-3153 с КЭУ МАМИКВАНТ (рис. 3.23), абсолютные значения удельных показателей (особенно энергоемкости) для этих накопителей невелики и сильно недотягивают до требований для "идеального" аккумулятора. Однако их зависимость друг от друга удовлетворительна– при увеличении удельной мощности, что требуется для обеспечения необходимой мощности рекуперациив в режиме зарядки батареи, удельная энергия, т.е. способность запасать полученное количество энергии, отнесенное к единице массы батареи, уменьшается незначительно. Основным

преимуществом накопителей данного типа является низкая -стои мость, что объясняется широкой распространенностью и освоенностью технологии производства. Такие аккумуляторы применяются в основном на технологическом электротранспорте, эксплуатирующемся на ограниченной территории складов и заводов с возможностью подзарядки их от стационарной электросети.

Самым массовым типом накопителя для автомобилей с КЭУ на сегодняшний день является никель-металлгидридный аккумулятор, который обладает приемлемыми значениями удельных показателей и циклируемости, а также дружественен к окружающей среде. Для ни- кель-металлгидридных батарей зависимость удельной энергоемкости от удельной мощности оптимальна – при увеличении удельной мощности в определенных пределах удельная энергия почти не уменьшается. Их теоретическая удельная энергоемкость вплотную подходит к

94

значениям для "идеального" аккумулятора транспортного средства. Кроме того, никель-металлгидридные элементы хорошо работают при низких температурах (до -20 °С), что актуально для автомобилей с КЭУ, эксплуатирующихся на территории России. К сожалению, производство и совершенствование NiMH-технологии в направлении увеличения удельной энергоемкости до настоящего момента сдерживается патентными ограничениями монополистов рынка.

Явными недостатками этих батарей являются:

-высокий саморазряд (до 10% в сутки);

-наличие "эффекта памяти", т.е. потеря емкости аккумулятором в связи с неполным его разрядом и последующим зарядом, что требует периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора);

-ограниченный срок эксплуатации (старение в пределах 3-5 лет).

Для никель-металлгидридных накопителей необходимо предусматривать систему охлаждения, т.к. они плохо переносят температуры свыше 30 °С.

Основной прогресс в ближайшее десятилетие будет наблюдаться в области создания литий-ионных накопителей. Это тип перезаря-

жаемых АКБ, в которых ионы лития движутся от отрицательного электрода (анода) к положительному электроду (катоду) в процессе разряда и наоборот при заряде.

Вкачестве материалов катода применяются следующие: LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4 и другие. В качестве материалов анода используются литированный графит и литированный твёрдый углерод (LiC6), а также титанат лития (Li4Ti5O12).

Вотличие от NiMH-батарей литиевые источники тока не имеют "эффекта памяти" и обладают низким саморазрядом, значительно превосходят их по удельным показателям, во многом соответствуя параметрам "идеального" аккумулятора. Из недостатков можно назвать следующие:

-недопускают перезаряда и перегрева, поэтому требуют специфичных алгоритмов зарядки и специальных зарядных устройств;

-плохо работают при отрицательныхтемпературах(быстро теряют емкость);

-подвержены старению (потеря 10% емкости в год);

-при увеличении тока заряда/разряда выше2С наблюдается резкая деградация аккумуляторов.

Указанные недостатки обусловлены в основном применением в качестве материала анода углерода.

95

И, пожалуй, главный фактор, до недавнего времени сильно ограничивавший применение этих аккумуляторов на автомобилях– цена вырабатываемой ими энергии, находящаяся на уровне выше 1000$ за кВт·ч.

Широкое распространение получила усовершенствованная конструкция: литий-полимерный аккумулятор (Li-pol). В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Обычные литийполимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток и применяются в портативной электронной технике, но существуют силовые элементы, способные отдавать ток в 10 раз превышающий значение ёмкости С.

Преимуществами Li-pol АКБ являются:

-адаптируемость к широкому диапазону форм накопителя и малая масса аккумулятора;

-отсутствие "эффекта памяти".

Удельная энергоемкость на единицу объема полимерных аккумуляторов на 20% больше по сравнению с обычными литиевыми АКБ, так как можно реализовать очень плотную упаковку из аккумуляторов, работающих в составе батареи.

Однако, имеются и современные, сравнительно недорогие и также хорошо освоенные в производстве типы силовых источников питания на основе лития– литий-железофосфатные (LiFePO4) аккумуляторы (рис. 6.1).Они отличаются более высокой безопасностью по сравнению с традиционными литиевыми накопителями. Обладают большей емкостью и высокими рабочими токами (3С и выше). Время заряда значительно сокращено, саморазряд отсутствует. Нижняя граница рабочей температуры таких аккумуляторов начинается от -10°С. Ресурс аккумулятора составляет порядка 1500 циклов.

Рис. 6.1. Литий-железофосфатный аккумулятор фирмы Winston Battery.

96

Постепенно увеличивается производство Li-ion аккумуляторов с анодом из титаната лития, имеющих большие преимущества, основными из которыхявляются:

-высокие токи заряда/разряда (до 10С);

-число зарядно-разрядных циклов превышает 10 000 (для тока 2С);

-не теряют емкость и работоспособность при отрицательных температурах (до -40 °С).

Единственным недостатком в сравнении с традиционнымиLiion аккумуляторами является примерно в два раза более низкое значение удельной энергоемкости. Но этот недостаток в данном случае может компенсироваться увеличением числа аккумуляторов в батарее, так как масса одного литий-ионного аккумулятора при тех же параметрах значительно меньше, чем свинцово-кислотного и никельметаллогидридного.

Данные аккумуляторы по зарядным/разрадным характеристикам близки с суперконденсаторарам, только суперконденсатор имеет в разы меньшую удельную энергоемкость.

Таким образом, Li-ion аккумуляторы с анодом из титаната лития выделяются сегодня по своим эксплуатационным свойствам из всего ряда освоенных промышленностью аккумуляторов. Однако, учитывая

относительно низкую стоимость и высокую безопасность,LiFePO4 аккумуляторы достаточно полно удовлетворяют требованиям ихис пользования на автомобилях с КЭУ.

На сегодняшний день по своим удельным показателям литийионные аккумуляторы являются лучшими, но в основном из-за высокой стоимости пока не получили широкого распространения на автомобилях с КЭУ. Кроме того, скорость внедрения электромобильных технологий сдерживается отсутствием общепринятых стандартов производства литиевых и других видов АКБ.

Комбинации аккумуляторов электрической энергии с суперконденсаторами также являются перспективными. Такое решение позволяет избежать ограничений по мощности зарядки, накладываемое аккумулятором, так как суперконденсатор воспринимает большую мощность, что является его главным преимуществом, и сразу передает ее в батарею, которая используется для хранения возвращенной энергии. В этом случае при подзарядке исключена возможность ее разрушения. К сожалению, на сегодняшний день стоимость таких технических решений высока для массового внедрения.

Что касается формы ячейки, то она может быть цилиндрической (рис. 6.2) либо призматической (рис. 6.2). Ячейки призматической

97

формы, при компоновке их в модуль, более плотно занимают пространство внутри него и поэтому являются более предпочтительными. Модули из отдельных аккумуляторных элементов оснащены собственной системой контроля параметров, а набор модулей в свою очередь образует бортовой накопитель электрической энергии или батарею (рис. 6.2), оснащенную системой термостатирования и управления. Количество ячеек в системе ,исоответственно, общая структура накопителя, определяются в основном двумя факторами: необходимостью обеспечения требуемой энергоемкости для достижения заданного автономного пробега на электротяге и уровнем бортового напряжения.

Рис. 6.2. Структура накопителя электрической энергии.

Несмотря на то, что основное внимание при разработке накопителя уделяется конструкции и химическим процессам аккумулятора, необходимо также совершенствовать весь блок накопителя, состоящего, как уже было отмечено, из системы контроля параметров и системы терморегулирования. Эти «вспомогательные» системы вносят ощутимый вклад в стоимость накопителя.

Мировое производство литий-ионных аккумуляторов для транспортных средств развивается. Лидирующее положение занимают Япония и Южная Корея. В последние годы большие инвестиции в эту область производятся в США. В России также есть проекты по организации производства литий-ионных аккумуляторов.

В целом, накопители электрической энергии на сегодняшний день обладают все еще низкой энергоемкостью и требуют длительного времени подзаряда. Все это ограничивает применение таких накопителей на электромобилях. Однако КЭУ, устанавливаемые на автомобилях, позволяющие подзаряжать накопители электрической энергии во время движения, снимают эти ограничения.

98

ЛИТЕРАТУРА

1.Баулина Е.Е. Экспериментальное определение опасных режимов смены привода автомобиля с гибридной силовой установкой. // Материалы 65-ой Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров" Международного научного симпозиума "Автотракторостроение – 2009". Книга 1. – М. – МГТУ "МАМИ", – 25-26 марта, 2009. – с. 42 – 47.

2.Баулина Е.Е. Методика повышения устойчивости и улучшения управляемости автомобиля с комбинированной энергетической установкой при изменении типа привода в процессе движения: Дисс. канд. техн. наук. – Москва, 2010 – 175 с.

3.Баулина Е.Е., Марсков Д.В., Авруцкий Е.В. К вопросу проектирования легкового автомобиля двойного назначения с гибридной силовой установкой параллельного типа. // Современные тенденции развития автомобилестроения в России: сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции – Тольятти – ТГУ – 2004. – с. 36 –

4.Баулина Е.Е., Бахмутов С.В., Круташов А.В., Серебряков В.В., Филонов А.И. Разработка комбинированной энергетической установки последовательно-параллельного типа для лёгких коммерческих автомобилей // Журнал ассоциации автомобильных инженеров. – 2014 –

№ 6. – с. 68 – 72.

5.Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Ломакин В.В., Круташов А.В., Карпухин К.Е., Баулина Е.Е. Автомобили с гибридными силовыми установками. Учебное пособие по направлению"Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы", М.: МГТУ "МА-

МИ", 2009. – 154 с.

6.Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Круташов А.В., Баулина Е.Е., Авруцкий Е.В., Карпухин К.Е. Комбинированная энергетическая установка полноприводного транспортного средства. // Патент № 2312030 на изобретение – 2007.

7.Бахмутов С.В., Павлушков Б.Э., Селифонов В.В., Серебряков В.В., Филонов А.И., Благушко Я.В., Маликов О.В., Баулина Е.Е., Куликов И.А., Карпухин К.Е. Комбинированная энергетическая установка гибридного автомобиля. // Патент №2457959 на изобретение от

10.08.2012 г.

99

8.Галиев Р.М. Обоснование и выбор параметров конструкции комбинированной энергосиловой установки легкового автомобиля: Автореферат … канд. техн. наук. – Набережные Челны, 2002 – 20 с.

9.Гусаков Н.В., Кисуленко Б.В. Техническое регулирование в автомобилестроении: Словарь – справочник. Под ред Б.В. Кисуленко. – М.: Машиностроение, 2008. – 272 с.

10.Иларионов В.А. Эксплуатационные свойства автомобиля: Теоретический анализ. - М.: Машиностроение, 1966. – 208 с.

11.Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Баулина Е.Е., Карпухин К.Е. Автомобиль с гибридной силовой установкой параллельного типа с раздельным приводом мостов от ДВС и ТЭД. // Материалы 49-ой МНТК ААИ"Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров" Международного научного симпозиума, посвященного 140-летию МГТУ "МАМИ", ч.2. – М. – МГТУ "МАМИ" – 23– 24 марта - 2005. – с. 8 – 13.

12.Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Круташов А.В., Баулина Е.Е., Авруцкий Е.В., Карпухин К.Е. Экспериментальный многоцелевой гибридный автомобиль // Автомобильная промышлен-

ность. – 2006. – № 7. – с. 5 – 8.

13.Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Круташов А.В., Баулина Е.Е., Авруцкий Е.В., Филонов А.И., Карпухин К.Е. Гибридные автомобили – столбовая дорога к экономичному и экологически чистому транспорту. // Журнал ассоциации автомобильных инжене-

ров. – 2007 – № 3. – с. 38 – 45.

14.Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Круташов А.В., Баулина Е.Е., Авруцкий Е.В., Филонов А.И., Карпухин К.Е. Гибридные автомобили – столбовая дорога к экономичному и экологически чистому транспорту (продолжение). // Журнал ассоциации автомобильных инженеров. 2007. – № 4. – с. 52 – 56.

15.Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Вайсблюм М.Е., Баулина Е.Е., Карпухин К.Е. Автомобиль с комбинированной силовой установкой. Результаты и методика испытаний. // Автомобильная промышленность. – 2007. – № 7. – с. 6 – 9.

16.Круташов А.В., Бахмутов С.В., Баулина Е.Е. транспортное средство с комбинированной энергетической установкой расширенных функциональных возможностей // Патент №2473432 на изобретение от 01.06.2011 г.

100