В среде автомобилестроителей уже давно дискутируется вопрос о целесообразности широкого использования электромобиля вместо обычного классического автомобиля. Речь пока преимущественно идет о новых, еще не разработанных моделях автомобилей. Это эвристические модели будущего или концепткары.
Использование электромобиля вместо обычного автомобиля, какие преимущества и недостатки, бензоэлектромобили.
Классическая схема электромобиля включает в себя:
— Высоковольтную (не ниже 100 В) ходовую аккумуляторную батарею ХАКБ.
— Электродвигатель ЭД (либо монотипа, либо колесный — для каждого ведущего колеса отдельно).
— Устройство управления УУ (контроллер), которое управляет энергией ходовой АКБ при ее подаче к электродвигателю ЭД.
Классическая схема электромобиля.
Первоначально считалось, что такой электромобиль предельно прост и вся проблема сведется к разработке новых конструкций ходовой АКБ и электродвигателя ЭД. Но в этой трехзвенной модели не менее сложным оказалось создать устройство управления УУ. Кроме того, было совершенно не ясно, от чего и где можно будет подзаряжать ХАКБ.
Стали также подвергать критическому анализу главное преимущество электромобилей перед автомобилями — экологическое.
Сначала как аксиома было принято предположение, что электромобиль — абсолютно чистое транспортное средство, наподобие троллейбуса без проводов. Однако ходовые батареи и станции их обслуживания сами по себе могут стать источниками ядовитого загрязнения окружающей среды. Нетрудно себе представить, что будет с Москвой, когда хотя бы каждый третий из 3 млн столичных автомобилей станет электромобилем. В среднем 20 тыс. т сернокислотного электролита будут перемещаться по московским улицам.
В Москве ежедневно регистрируется до 20–30 аварий с крупными повреждениями автомобилей. При этом в московские реки будет выливаться около тонны серной кислоты в сутки. Значит, и в атмосфере прибавится загрязнений. К этому надо добавить, что ежедневная подзарядка ХАКБ для одного миллиона электромобилей потребует от Мосэнерго дополнительно электроэнергии еще столько же, сколько оно вырабатывает.
В настоящее время ведется ряд научных разработок в направлении поиска новых химических источников тока (ХИТ). Опробованы на электромобилях и щелочные аккумуляторы, и солнечные батареи, и топливные элементы.
Топливные элементы — это одноразовые химические источники тока (ХИТ), которые работают по принципу превращения энергии высокотемпературной химической реакции в электрическую энергию.
Топливные элементы обладают малыми габаритами и весом, интенсивной токоотдачей, но непродолжительны в действии. Широко применяются в специальной военной аппаратуре. Для электромобилей могут оказаться перспективными щелочные воздух-алюминиевые топливные элементы. В них «выгорает» листовой алюминий и в них можно легко и быстро сменить реагенты. Такой топливный элемент может быть многоразовым.
Однако применяемость его в электромобилях ограничена высокой стоимостью катализаторов, входящих в состав воздух-алюминиевых ХИТ. И сложностью реализации многократных остановок химической реакции на непродолжительное время (стояночный режим электромобиля). Однако с использованием перечисленных источников тока достичь для электромобиля уровня технических показателей автомобиля-прототипа пока не удается.
Из сказанного ясно, что классический электромобиль — это не автомобиль будущего. Теперь идет поиск других вариантов. Например, на автомобиль устанавливается обычный ДВС, но работает он не прямо на ходовую часть, а на мощный электрогенератор.
Схема бензоэлектромобиля.
Этот электрогенератор запитывает через электронное устройство управления электродвигатель, сочлененный через коробку переключения передач КПП с обычной ходовой частью автомобиля. Возможен и такой вариант компоновки узлов и агрегатов бензоэлектромобиля, при которой на трансмиссию будут работать два двигателя — бензиновый и электрический.
Какие преимущества это дает перед классическим автомобилем?
Во-первых, так как ДВС работает на электрогенератор, режимы ДВС тривиальны: холостой ход, средняя ходовая нагрузка (городской режим движения) и полная нагрузка. Этим трем режимам могут соответствовать три совершенно точных по исполнению своих функций режима работы системы впрыска топлива и электроискрового зажигания. Более того, бензиновый двигатель электромобиля может работать и в стационарном режиме. То есть с постоянным числом оборотов коленвала.
Одно это позволит получить не только экономию топлива, но главное — более чистый по составу выхлоп отработавших газов. Таким образом, двигатель, работающий без переходных режимов. Первое ожидаемое преимущество бензоэлектромобиля перед обычным автомобилем.
Во-вторых, электрогенератор будет работать не только на электропривод автомобиля, но и на заряд ходовой АКБ. Следовательно, может быть эффективно решена проблема подзарядки ХАКБ. В тех случаях, когда бензоэлектромобиль будет заезжать в центр города, ему не обязательно двигаться с работающим ДВС. Переключив электропривод на ХАКБ, можно достаточно долго перемещаться от энергии химического источника тока (ХИТ). Дополнительная подзарядка ходовой батареи при торможении может осуществляться и в режиме рекуперации.
Рекуперация — это возврат части энергии процесса движения для повторного использования.
Рекуперативное торможение электромобиля реализуется с помощью ходовой электрической машины. Она переводится из режима двигателя в режим генератора. Кинетическая энергия массы движущегося электромобиля преобразуется в электрическую с целью заряда ХАКБ.
Теперь водителю не надо будет беспокоиться — доедет ли его электромобиль до зарядной станции. Для бензоэлектромобиля емкость ходовой АКБ может быть значительно снижена. А значит, вес, габариты ХАКБ и литраж перевозимого по городу электролита можно будет свести к разумной норме. При меньших габаритах для ХАКБ на борту транспортного средства найдется аварийно безопасное место. Остается одна проблема — утилизация отработавших ХАКБ.
Что же может статься с бортовым оборудованием будущего бензоэлектромобиля?
Ясно, что роль бортовых электрических устройств резко возрастет. Особенно это касается устройств ходового электропривода и его управления. Некоторые системы видоизменятся. Например система стартерного пуска ДВС может стать другой. Так как пуск можно будет осуществлять от ходового электродвигателя и бортовой ХАКБ. Навесное оборудование ДВС (впрыск топлива, зажигание, утилизация отработавших газов) может упроститься. Так как число рабочих режимов ДВС будет ограничено.
Что касается навигационного и комфортного оборудования, оно может и не претерпеть изменений. Возможно, приобретут большее значение электросистемы внутрисалонной вентиляции. Изменится конструкция самого кондиционера. Будут установлены аварийные средства пожарной безопасности и защиты от короткого замыкания в электрических цепях больших токов.
Однако не исключено и такое развитие событий, при котором электромобильная схема силового привода все-таки не найдет широкого применения на легковых автомобилях. Альтернативой электромобилю может стать автомобиль с двигателем на водородном топливе. Или будет разработан настолько совершенный легкотопливный двигатель, что его замена на автомобиле станет нецелесообразной.
Так, если будет разработан бензиновый двигатель с чисто электронным управлением клапанами газораспределительного механизма, то в совокупности с уже разработанными микропроцессорными системами управления впрыском топлива, зажиганием и экологией двигателя, это позволит сократить расход бензина до 2,5 л/100 км пробега при объеме двигателя не менее 1600 см3. Такому бензиновому двигателю не может быть разумной альтернативы при его установке на легковом автомобиле в ближайшие 30-50 лет.
По материалам учебного пособия «Автомобильная электроника и электрооборудование»
Ю. А. Смирнов, В. А. Детистов.