Современный электромобильный транспорт. Перспективы развития

С каждым годом набирают популярность электромобили. В связи с постоянно развивающимися технологиями, что делают их производство и эксплуатацию с каждым годом дешевле, а также с постоянным ростом цен на топливо для обычных автомобилей (бензин и дизель). Грузовые электрокары активно используются промышленными предприятиями  для погрузки и разгрузки грузов. Пожалуй, пока еще главным недостатком электромобилей на просторах СНГ является отсутствие специализированных заправок для таких автомобилей.

История развития электромобильного и гибридного транспорта

Сложившийся в начале 1960-х годов довольно небольшой среднесуточный пробег автомобилей в городах (примерно 100 км), а также небольшая средняя скорость движения – 60 км/час способствовали развитию электромобильного транспорта. Также не последнюю роль в этом прогрессе сыграл и мировой энергетический кризис 1970-х.

Для питания электромобилей применяли свинцовые аккумуляторы, обладающие рядом недостатков. Даже тот фактор, что их емкость возросла до 45 Вт*ч/кг  не смог убрать их главные недостатки, а именно:

• Необходимость утилизации батарей из-за наличия ядовитых веществ;
• При резком старте электромобиля аккумуляторы теряли значительный запас энергии;

Созданные как альтернативные свинцовым аккумуляторы натриево-серные оказались довольно дорогими, из-за наличия в них серебра и лития. Они довольно энергоемкие и позволяют продолжать движение без подзарядки до 150 км. Но в связи с большой стоимостью широкого применения в электромобилях не нашли.

Многие эксперты утверждают, что для поездок без подзарядок на расстояние более 150 км необходим переход на еще более совершенный тип аккумуляторов по сравнению с литий-ионными, например таких как литий-воздушные, серно-литьевые и так далее. Однако разработка батарей, которые будут удовлетворять необходимым требованиям, находится лишь в процессе исследования и появление их на рынке произойдет не скоро.

Механические потери в коробке передач и трансмиссии (сокращение до 10%) были решены японской компанией – Mitshubishi. Компания Mitshubishi Motor разработала мотор-колесо со встроенным электродвигателем. В конце ХХ века экспериментальные образцы электромобилей создавались практически во всех промышленных странах. В СССР ГосНИИ также разработал для эксплуатации довольно эффективный электромобиль:

Где:

1. – акселератор;
2. – выключатель;
3. – розетка для зарядки батарей;
4. – вспомогательный аккумулятор;
5. – электродвигатель тяговый;
6. – трансмисионный редуктор;
7. – контейнеры с тяговыми батареями;

Также не стоит забывать, что на ряду с электротранспортом  развивались и гибридные транспортные средства, которые для создания крутящего момента использовали не только электродвигатель, но и двигатель внутреннего сгорания – ДВС. Гибридные автомобили сократили загрязнение окружающей среды, а также существенно снизить расход жидкого топлива. Один из таких «гибридов» компании «Даймлер-Бенц» показан ниже:

Где:

1. – контейнеры, в которых находятся тяговые батареи;
2. – блоки, осуществляющие управление и защиту;
3. – редуктор;
4. – тяговый электропривод;
5. – вспомогательный электродвигатель и вентилятор охлаждения;
6. – дизель-генераторная установка;
7. – компрессор для усиления рулевого управления;
8. – вентиляция батарейного отсека;

Энергетическая и экологическая эффективность электрического и автомобильного транспорта

Под эффективностью энергетической транспорта принято считать в виде количества энергии, затраченной на его механическое передвижение. Энергию механического движения измеряют в мега джоулях на километр (МДж/км), а экологическую в виде количества граммов выброшенного в атмосферу углекислого газа CO₂ (CO₂, г/км). Для проведения сравнения эффективности какого-то вида транспорта (электро- , автомобили, гибриды) необходимо сравнивать наиболее современные и совершенные модели транспортных средств.

Результаты такого сравнения приведены в таблице ниже:

Как мы можем увидеть из таблицы электро- и гибридные виды транспорта более эффективно используют исходные источники энергию по сравнению с ДВС. Экологическая и полная эффективность значительно выше у электро- и гибридных машин, чем у двигателей внутреннего сгорания. Поэтому они отлично подходят для перевозок в городских условиях, где перевозки осуществляются с небольшой скоростью и на относительно небольшие расстояния.

Современный электромобиль

В настоящее время существует большое количество мнений по поводу электромобилей, причем зачастую диаметрально противоположных. Одни утверждают, что автомобили, использующие электрическую тягу в скором времени полностью заменят транспорт с двигателями внутреннего сгорания, а другие утверждают, что этого не будет и электромобиль никогда не сможет заменить автомобиль. Но многие эксперты предполагают, что в скором времени электромобили станут основным видом внутригородского транспорта. Так как в городе основные недостатки такого вида транспорта как малый запас хода и аккумуляторные батареи с ядовитыми веществами, которые отправляются после конца срока службы на вторичную переработку, безопасную для окружающей среды, становятся менее существенны, по сравнению с магистральными показателями. Современный электромобиль для передвижения по городу должен иметь относительно небольшую максимальную скорость движения 70-100 км/час, небольшой вес (не более 400-500 кг с полезной нагрузкой до 200 кг), электродвигатель, имеющий мощность номинальную порядка 4-6 кВт с пиковой мощностью достигающей 20 кВт, а также минимальный запас хода не менее 100-150 км.

Новые технологии в электромобилестроении

К сожалению даже не смотря на большой прогресс в развитии элетромобильного транспорта, в наше время этот вид транспорта все еще уступает по своим характеристикам автомобилям с ДВС. Если отследить всю цепочку работы электромашин, а это – электростанция — зарядное устройство – аккумулятор – преобразователь -электропривод – то суммарный КПД такой системы будет ниже более чем в два раза по сравнению с ДВС.

Поэтому значительная часть проблем, связанных с пробегом и увеличением КПД может быть решена с помощью использования первичных источников энергии, то есть топливных элементов (ТЭ), которые используя кислород и водород могут вырабатывать энергию напрямую из топлива. Как и в ДВС кислород забирается непосредственно из воздуха, а водород можно запасать в сжиженном или сжатом виде, хотя его также можно синтезировать с обычного автомобильного топлива с помощью конвертера. При получении водорода из автомобильного топлива эффективность ТЭ немного снизится, но это даст возможность сохранить сеть заправочных станций. Причем при снижении эффективности ТЭ их КПД все равно останется примерно 50%.

Также были попытки применить конденсаторы большой емкости (ионисторы) для запасания энергии, выработанной ТЭ. Но эти попытки потерпели неудачу в связи с тем, что даже в лучших, образцовых моделях, удельная их мощность была порядка 0,8 Вт*ч/л. А для накопления 2 кВт*ч энергии требовалось 3 тонны ионисторов с объемом 2,5 м³.

Именно из-за этого в ведущих лабораториях мира ионистоы пытаются заменить изобретенным 50 лет назад русским ученым Н. В. Гулиа устройством, получившим название супермаховика. Супермаховик может запасать энергии в тысячу раз больше, чем обычный маховик. Удельная энергия для супермаховика из графита и кевлара достаточно велика для накопителя. Чтоб накопить 2 кВт*ч энергии необходим супермаховик массой всего 10 кг.

Электробус с супермаховиком

Электробус, разработанный на основе концепции с супермаховиком показан ниже:

Где:

1. – представляет собой источник тока;
2. – электродвигатель тяговый;
3. – реверсный механизм;
4. – коробка для отбора мощности;
5. – дисковый планетарный вариатор;
6. и 7 – передачи карданные;

• – передача главная;
• – зубчатая коническая передача;
• – накопитель супермаховичный;

Накопитель супермаховичный 10 снабжается своим редуктором 9 и расположен в электробусе независимо от других его агрегатных частей и мягко подвешивается на раме с целью уменьшения гироскопических усилий, которые возникают при горизонтальном расположении маховика. С помощью коробки для отбора мощности 4 и карданных передач 7 происходит связь накопителя 10 с вариатором 5 как независимо, так вместе с тяговым электродвигателем (ТЭД) 2. При этом ТЭД может соединятся с вариатором 5 независимо от супермаховика и выполнять роль полноценного тягового электродвигателя (как правило, в стационарных режимах работы).

Энергоемкость супермаховика 10 может быть существенно снижена (до 0,5 кВт*ч), что позволит произвести его изготовление из такого материала как стальная проволока. В таком случае разрыв супермаховика будет безопасным настолько, что позволит обойтись без тяжелого защитного кожуха. Отличительной особенностью такого электробуса является то, что установка дискового вариатора 5 позволит ТЭД 2 работать в довольно эффективном диапазоне частот вращения, а также крутящих моментов, что довольно благоприятно воздействует на его работу.