3.Возможные пути увеличения автономности экомобиля

Одним из путей увеличение автономности автомобиля является увеличение ёмкости аккумуляторной батареи, но следует отметить что данный вариант не является единственно возможным. Рассмотрим и другие возможные варианты, такие как: использование рекуперативного режима торможения, использование солнечных батарей и использование топливных элементов на водороде. Все перечисленные способы зарядки аккумуляторов «на ходу» являются экологически чистыми.

3.1. Рекуперативное торможение

Режим рекуперативного торможения распространён в технике. Он применяется для остановки электропоездов, трамваев и строительных кранов. Его сущность заключается в том, что электродвигатель переключается в генераторный режим и вследствие этого на колёса начинает действовать тормозящий момент. В экомобиле используется контроллер Curtis 1239E-7621, который предполагает использование режима рекуперативного торможения. Следует отметить, что для замедления транспортное средство будет использовать режим рекуперации, а для торможения и остановки – стандартную гидравлическую тормозную систему. Настройка совместной работы этих систем является отдельной задачей для проектирования.

По данным исследований применение рекуперации может увеличить пробег на одной зарядке на 6…15%. Для проектируемого экомобиля данная величина будет установлена в ходовых испытаниях.

3.2. Использование солнечных батарей

Современные монокристаллические солнечные панели имеют КПД более 20% и позволяют получать 150Вт энергии с 1м²[16]. Известно, что максимальная эффективность солнечной батареи достигается когда солнечный свет падает на поверхность перпендикулярно, либо под углом, близким к 90^О. Следовательно, оптимальными для расположения солнечных элементов являются поверхности крыши и капота автомобиля. Приблизительно площадь указанных элементов составляет 2м², значит суммарная мощность солнечных батарей составит 2*150=300 Вт. Используя инверторный преобразователь можно получить необходимое для зарядки напряжение 108В, тогда учитывая КПД 80% ток зарядки составит 2.2А. Рассчитаем время полной зарядки аккумулятора: Если учесть то, что световой день составляет менее половины суток, то полная зарядка аккумулятора займёт более 4х дней. Очевидно, что такого вариант зарядки не позволит ежедневно эксплуатировать автомобиль и может быть использован в качестве дополнения к другим видам зарядки аккумулятора.

Рисунок 10. Монокристаллическая солнечная панель.

3.3. Использование топливных элементов на водороде

Одним из перспективных направлений является получения электричества из водорода с использованием топливных элементов. Данная система состоит из системы хранения водорода и топливного элемента, преобразующего углеводородное топливо в электричество. Рассчитаем параметры данной установки для экомобиля.

Как было описано выше, автомобилю требуется источник энергии мощностью 40 кВт, следовательно мощность топливного элемента должна так же составлять 40 кВт. На сегодняшний день выпускаются топливные элементы гораздо меньшей мощности. Например, самая старшая модель H-5000 PEM FUEL CELL  5000W​  FCS-C5000 в линейке топливных элементов фирмы Horizon имеет мощность всего 5 кВт [17]. Соответственно если в экомобиле не использовать аккумуляторы для хранения энергии, то необходимо 8 таких топливных элементов. Такое техническое решение возможно, но на данный момент времени топливные элементы имеют очень высокую стоимость. В дальнейшем мощность топливных элементов будет возрастать, а их стоимость - снижаться и появится возможность подавать энергию с топливного элемента напрямую в электродвигатели минуя буферные аккумуляторы.

Рисунок 11. H-5000 PEM FUEL CELL  5000W​  FCS-C5000

Как уже описывалось выше, максимальная сила тока требуется автомобилю для динамичного разгона. Данный режим занимает небольшой промежуток времени, в основной период времени автомобилю требуется гораздо меньше энергии для движения. Предлагается использовать два топливных элемента суммарной мощностью 10 кВт и буферные аккумуляторные батареи, которые будут накапливать излишки энергии и выдавать их в момент разгона автомобиля. Если суммарная мощность топливных элементов окажется меньше требуемой, то аккумуляторы экомобиля будут постепенно разряжаться во время движения. Предлагается продолжать заряжать аккумуляторы используя топливные элементы во время стоянки автомобиля. Установив топливные элементы на экомобиль, можно уменьшить ёмкость аккумуляторной батареи.

Определим необходимый объём водорода для пробега 100 км. Расход водорода при максимальной нагрузке 65*2= 130 л/мин. Предположим, что автомобиль движется с постоянной скоростью 60 км/ч, тогда время работы топливного элемента составить 100/60≈1,7 час = 100 мин. Тогда необходимый запас водорода 130*100 = 13000 л. В одном баллоне объёмом 40 л содержится 6м³ водорода, значит необходимо 2 таких баллона. Металлогидридные системы хранения позволяют в 10 раз уменьшить необходимый объём баллона, следовательно для такой системы хранения объём будет равен 8 л [18]. Указано, что 1 л металлогидрида Н₂ вырабатывает 0,83 кВт*ч, значит израсходовав 8 л получим 8*0.83=6.64 кВт*ч. Согласно приблизительному, расчёту машина должна двигаться 1,7 часа и израсходовать 1,7*10=17 кВт*ч энергии. Для достижения данных показателей объём баллона необходимо увеличить в 2 раза. Он будет равен 8*2,5=20 л.

Рисунок 12. Система металлогидридного хранения водорода.

Если оставить ёмкость аккумуляторной батареи на прежнем уровне, то получим суммарный пробег в 250 км. Однако для этого необходимо будет полностью зарядить аккумулятор автомобиля и полностью заправить баллон с водородом.