Схемы управления электромобилем или электромобиль своими руками. Схема электромобиля
Принцип работы и устройство электромобиля
Электромобили двигаются под действием электричества, которое первоначально попадает к ним из обычной домашней электросети и запасается в автомобильных перезаряжаемых аккумуляторах.
Такому автомобилю не нужна коробка передач, применяемая в двигателях внутреннего сгорания. Потому что вал электродвигателя здесь присоединен прямо к колесу. Электричество питает мотор, и мотор крутит колесо, которое двигает машину. Сейчас сделаны опытные электромобили с одноразовым запасом энергии на борту, достаточным для 130-мильного пробега. Эти автомобили намного меньше загрязняют окружающую среду и работают значительно тише, чем автомобили, "кушающие" бензин. Пожалуй, главным недостатком электромобиля является то, что ему требуется шесть часов на полную зарядку аккумуляторов.
Автомобиль с автоматической коробкой передач
Если взглянуть на приборную панель электромобиля (рисунок выше), то видно, как просто сделан рычаг управления передачами, — по той причине, что в машине нет коробки передач. Все, что должны показывать приборы на панели, это число оборотов в минуту двигателя, скорость автомобиля и уровень зарядки электрической батареи.
Каким образом электрическая энергия вращает колеса
Принципиальная схема электромобиля
Электромобиль движется под действием электрической энергии, которую он первоначально запасает в своих аккумуляторах (рисунок ниже). При движении автомобиля электрическая энергия приходит на электромагнитный разъем. Оттуда под управлением водителя и сигналов от датчиков энергия поступает на электродвигатели, которые крутят колеса и заставляют автомобиль двигаться.
Подзарядка "севших" аккумуляторов электромобиля
Схема заряда аккумуляторов электромобиля
Электро-зарядное устройство автомобиля нужно для того, чтобы бортовые аккумуляторы накопили новую электрическую энергию взамен истраченной на движение автомобиля. Устройство получает энергию для зарядки через обычную электро-розетку, какие стоят в жилых домах.
Энергия передается прямо на колеса
Мощный постоянный магнит, находящийся внутри электродвигателя, позволяет вращать колесо без ведущего вала и шестеренок, применяемых в обычных автомобилях. Поэтому в электромобиле нет дифференциала, передаточных устройств с шестеренками и коробки передач. Энергия там идет от электродвигателя прямо на колеса.
В модели электромобиля "Дестини 2000" (Destiny 2000) сочетается применение солнечных панелей и аккумуляторов с кузовом из стекловолокна.
information-technology.ru
Как сделать электромобиль своими руками » общая схема электромобиля.
Тема: общая схема электромобиля — сделать электромобиль своими руками.
Давайте посмотрим и разберём общую электрическую схему электрического автомобиля. После чего у Вас появятся обобщённые представления, что к чему и куда именно двигаться в этом плане. Итак, электрика электромобиля состоит из нескольких принципиально важных частей. Это — электропитающий элемент (аккумуляторная батарея), электрический двигатель постоянного тока, блок управления работой двигателя (контроллер), потенциометр (реостат, реагирующий на нажатие педали газа и тормоза). Каждая из этих частей имеет важное принципиальное значение. Каждая часть должна быть правильно подобрана и должным образом настроена. От этого зависит работа электромобиля в целом. Это даст возможность ответить на вопрос — как сделать электромобиль правильно.
Поскольку общая мощность электрической системы (в первую очередь электродвигателя) для электромобиля лежит в пределах 5-10кВт, а то и больше, то будем исходить из этих данных. Электромотор выбираем под эту мощность. От напряжения питания мотора зависит конкретная схема контроллера и количество аккумуляторных батарей (тип соединения их между собой). Учтите, что не следует идти по принципу — чем больше мощности электродвигатель поставляю, тем лучше и сильнее будет автомобиль. Появятся дополнительные проблемы с аккумуляторами. Выберите оптимальный вариант, опираясь на имеющуюся массу машины, необходимых технических характеристик, скорости, дальность езды на одном цикле заряда и т.д.
Как сделать электромобиль своими руками в плане механики, это уже дело творчества и электромеханических навыком мастера. А мы разберём наиболее сложные элементы в этой системе с точки зрения электрики. И этой частью есть контроллер. Почему? Да потому, что именно от него зависят тонкости работы всего электромобиля. Контроллер представляет собой электрическую (электронную) схему, основная задача которой заключается в управлением частоты вращение электродвигателя. Если напрямую подключить аккумулятор к электродвигателю, то мы получим максимальные его обороты без возможности управлять скоростью движения. Это не правильно и нехорошо. Если управление производит обычным мощным переменным резистором, то в этом случае «срезаемая» электроэнергия будет попросту теряться на тепло. Экономией здесь не пахнет.
Как же сделать электромобиль своими руками всё таки? Наиболее приемлемый вариант управления скоростью электромобиля является специальная схема контроллера. Схема состоит из маломощного переменного сопротивления, непосредственной схемы задания частоты вращения (импульсная схема) и силовой части, которая и подаёт на электродвигатель нужное количество электроэнергии. Силовая часть может быт состоять из мощных тиристоров, симисторов, биполярных или полевых транзисторов. Важно то, что всё схема контроллера должна правильно реагировать на измерения переменного сопротивления и плавно выдавать ту необходимую порцию энергии, которая будет подаваться на электрический тяговый двигатель электромобиля.
В этой статье, как вы видите, приведены две электрические принципиальные схемы контроллеров. Общий принцип действия у них похожий. Различие лишь в том, что одна собрана по более упрощённой схеме и на одно напряжение питания, а вторая более сложнее и имеет в своём составе иные электронные элементы. Если нет желания самому возиться и изобретать схемы, то можно приобрести уже готовый преобразователь, не мороча себе голову с самоделками.
P.S. Прежде чем приступать к созданию своего электромобиля для начала обязательно продумайте все свои пожелания, а именно — каким именно должен обладать параметрами ваш будущий девайс. Это Вам позволит значительно сэкономить время, силы и финансы.
electrohobby.ru
Схемы управления электромобилем или электромобиль своими руками
Основой для всех электромобилей служат аккумуляторные батареи (батареи устанавливаются даже в машинах с гибридным приводом) и электрический двигатель. Естественно, что для управления современными электронными системами необходим микроконтроллер, который в зависимости от сигналов задания и управления регулирует скорость вращения электродвигателя. Для задания скорости автомобиля с электрическим приводом, в простейшем случае применяется потенциометр.
К электрической части машины также предъявляются определенные требования. Во-первых, это мощность и количество приводных электродвигателей. Здесь возможно несколько вариантов реализации. Самая простая схема – один электродвигатель мощностью в 5…10 кВт. Самый сложный вариант – по одному электродвигатели на каждое колесо. Подобная конструкция уже давно применяется на самосвалах большой грузоподъемности. Во-вторых, исходя из применяемого количества электродвигателей и с учетом потребляемой ими мощности, необходимо выбрать количество аккумуляторных батарей. При этом стоит учитывать, что чем больше батарей будет установлено в автомобиль, тем тяжелее он окажется, что отрицательно скажется на динамике и дальности езды автомобиля. При чересчур малом заряде аккумуляторов дальность поездок также будет ограничена.
Некоторые умельцы переделывают уже серийные авто с двигателем внутреннего сгорания и устанавливают в них электродвигатели. Сделать электромобиль своими руками, пусть и не с самыми выдающимися характеристиками, под силу каждому. Сейчас же попробуем разобрать, наверное, самую сложную часть электромобиля - систему управления на микроконтроллере.
Возможность управления электромобилем – основная задача, которую обеспечивает микроконтроллер. Если электродвигатель напрямую подключить к электродвигателю, то он будет вращаться практически на максимальных оборотах (скорость вращения определяется нагрузкой). Вариант с реостатным управлением электромобилем (аналогичная технология применяется в городском электрифицированном транспорте старых образцов) рассматривать не будем, так как потери в этом случае слишком велики.
Лучшим вариантом для управления скоростью вращения электромобиля, сделанного своими руками, будет управление с помощью изменения напряжения питания электродвигателя. Для этого необходимо собрать достаточно простую схему на базе микроконтроллера.
Помимо микроконтроллера схема содержит импульсный генератор для задания частоты вращения, переменный резистор и силовую часть (формирует напряжение на электродвигателе).
Выше приведены две принципиальные схемы системы управления электромобилем. Принципы действия этих схем похожи, однако построены они на различной элементной базе. Если нет желания изготавливать схему самостоятельно, то возможно купить уже готовый преобразователь.
Всего комментариев: 0
ukrelektrik.com
ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ СВОИМИ РУКАМИ
ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ СВОИМИ РУКАМИ
Всё более популярная тема создания электромобилей, постепенно вытесняет обычные бензиновые. Действительно, электромобиль гораздо проще в изготовлении, управлении и эксплуатации. К тому же ещё немаловажное достоинство - это экологичность. В данной статье мы и попытаемся рассмотреть вопрос самостоятельного изготовления электромобиля своими руками.
Но есть два узла, сборка которых вызывает некоторые трудности, особенно у неподготовленных радиолюбителей. Речь идёт об узле регулировки скорости двигателя и зарядном устройстве для мощных, как правило литий - ионных аккумуляторов. Сложность здесь заключается в значительных токах - более 50А. Ведь для легкового электромобиля нужен электродвигатель мощностью около 5 - 20 кВт. Различные микро - и ШИМ контроллеры применяемые в заводских моделях электромобилей слишком сложны в изготовлении и настройке, а простые схемы на КРЕНках никак не выдержат такие токи. Ниже предлагается несложные в сборке схемы регулятора и ЗУ подходящие для тех, кто хочет собрать электромобиль своими руками.
Основой данного регулятора скорости вращения от нуля до максимума, используется импульсная схема с изменением ширины прямоугольных импульсов напряжения, подаваемых на обмотку двигателя. Генератором и формирователем импульсов является микросхема HEF4069, причём желательно с индексом UB, имеющая полевые ключи на выходе логических элементов, раскачивающие Н - канальные мосфеты.
С выхода инверторов, сигнал управляет тремя запараллелеными полевыми транзисторами IRF540 или другими аналогичными с током более 25А. К стоку их, подключен двигатель постоянного тока мощностью несколько киловатт. Параллельно ему установлен диод, для защиты полевиков от обратных полуволн отрицательного напряжения возникающих в процессе работы.
Ещё одним узлом с большими коммутируемыми токами является блок ЗУ для аккумулятора. Как известно в электромобилях стоят аккумуляторы с напряжением 12 - 200 В (в зависимости от модели) и ёмкостью в пределах 100 - 500 А. Значит заряжать их нужно током около 10 - 50 А. Можно реализовать эту функцию на классическом транзисторном стабилизаторе с тремя мощными биполярными транзисторами MJ15003 включенными в параллель. Более совершенный вариант схемы смотрим ТУТ
А можно и на специализированной микросхеме L200, специально предназначенной для использования в стабилизаторах.
Так как максимальный выходной ток микросхемы L200 составляет 10 А, умощним микросхему так-же тремя параллельно включенными транзисторами MJ15004.
Думаю нет необходимости говорить о том, что радиаторы обязательны, причём очень большие радиаторы - рассеиваемая на них мощность может достигать сотни ватт. Эта схема может выдать ток до 40 А при входном напряжении 35 В. При выборе трансформатора и выпрямителя - лучше всего брать входное напряжение стабилизатора на 10-15 В больше выходного. Электролитический конденсатор фильтра должен быть где то 10000 - 40000 мкф 50 В. Аккумуляторы заряжаются таким зарядным устройством током, равным 10 - 20% от номинальной емкости литий - ионных аккумуляторов, примерно за ночь. Можно установить для электромобиля и батарею составленную из обычных свинцовых аккумуляторов, на опытных образцах это позволяло проехать на одной зарядке около 50 км со скоростью до 100 км/ч.
Это приблизительный вид электрооборудования и соединения всех электроузлов.
Конструкция электромобиля может иметь произвольный вид и все элементы располагаются в любом удобном месте корпуса авто. Аккумуляторы, с целью устойчивости электромобиля, обычно расположены в днище машины.
ФОРУМ по электрооборудованию автомобилей.
Схемы для авто
elwo.ru
Устройство электромобиля - как работает транспорт будушего?
Было время, когда современные бензиновые двигатели считались диковинной новинкой и все автолюбители с интересом брались за изучение их способа действия. Но прошло несколько десятков лет и сегодня уже никого не удивишь машинами, имеющими именно такой тип «сердца». Однако, производители транспортных средств не смогли долго сидеть без дела и придумали очередное новшество, имя которому электромобиль. На сегодняшний день, большинство представителей человечества, наверняка слышали о новом поколении автомобилей, правда, далеко не все понимают принцип их действия. Это и понятно, ведь в глобальном масштабе, такие машины еще не вошли в повседневную практику, а значит мало кто имел возможность ознакомится с устройством их работы. Так вот, если Вы разделяете мой интерес и хотите узнать, принцип действия нового вида транспортных средств, тогда уделите несколько минут времени на прочтение данной статьи.
1. Электромобили – история развития
Для начала разберемся, что ж такое электромобиль. Что бы не придумывать заумных терминов, скажем просто: это обычный автомобиль, у которого вместо двигателя внутреннего сгорания, электрический двигатель, получающий энергию от автономного источника (топливных элементов или аккумуляторов). Данное устройство не стоит путать с транспортными средствами, имеющими электрическую передачу, тролейбусами или трамваями, так как принцип его действия несколько иной, но об этом чуть позже.
Многие автолюбители будут удивлены, узнав, что свое развитие электромобиль начал почти 180 лет назад, за пол века до того как появились первые автомобили, а причиной их «рождения» стало открытие электромагнитной индукции. Понятное дело, что ученные практически сразу начали искать пути активного применения открытого явления. И вот, в 1841 году, к вниманию общественности было представлено первое электрическое транспортное средство – тележка, оборудованная электромотором.
По сути, это и был первый электромобиль, хотя некоторые ученные с этим не согласны, утверждая, что в период с 1830 до 1840 года, уже было представлено как минимум три похожих конструкции: первая Робертом Андерсоном, вторая – Робертом Девидсоном и третья – Томасом Девенпортом. Все они могли передвигаться со скоростью до 4 км/час, имели большой вес и были крайне неудобны в использовании. Ах если бы ученные тех времен, могли додуматься до изобретения современных аккумуляторных батарей, дело пошло бы гораздо быстрее. Но они встали на правильный путь, положив начало этого процесса!
Прошло каких-то 25 лет и в 1865 году француз Гастон Планте представил миру предка известного сегодня автомобильного аккумулятора. Конечно, он был далек от совершенства и не подходил для практического применения, однако, принцип его работы, дал толчок действиям других изобретателей. И вот, к началу 80-х годов ХIX века, начали создаваться достаточно емкие и сравнительно легкие аккумуляторы, а главное – такие устройства можно было заряжать. Это событие создало настоящий бум в мире электромобилестроения, а период с конца XIX до начала ХХ века, считают «золотым веком» развития электромобиля. Самое парадоксальное, что на фоне всех этих событий практически никто не верил в возможность использования двигателя внутреннего сгорания. Среднестатистическое транспортное средство того времени, имеющие электрическое питание, могло развивать скорость до 30 км/час, весь день ездило без подзарядки, а электромотор бесшумно работал в любых условиях, не требуя переключения передач.
Сейчас в это трудно поверить, но такая конструкция выгодно отличала электромобиль от грохочущего и капризного автомобиля, оставляющего после себя запах гари, бензина и требующего ручного переключения передач. Конечно, обеспеченные люди, которые могли себе позволить приобрести безлошадное средство передвижения, отдавали предпочтение первому варианту, тем более, что управлять им с легкостью могли женщины и пожилые люди.
А Вы знаете, кому принадлежат первые рекорды скорости? Правильно, и тут не обошлось без электрических машинок. В 1895 году, впервые провели официальные «гонки», в которых победил электромобиль француза Шарля Жанто, установив рекорд скорости - 63 км/час, а уже в 1899 году, неизвестная ранее новинка, не только достигла 100-километрового скоростного рубежа, но и превысила его. В этом случае, разогнавшись до 105 км/час, отличился электромобиль бельгийца Камилема Иенатци.
В том же 1895 году, русский инженер-изобретатель Ипполит Романов, создал первый электрический омнибус, вмещающий в себя 17 пассажиров. Идея конструкции машины, была позаимствована у английских кебов (извозчик размещался позади пассажиров, на высоких козлах). Такой экипаж мог быть двух- или четырехместным, а диаметр передних колес, превосходил задние. Первый в мире электромобиль использовал свинцовый аккумулятор системы Бари, который имел 36 вольтовых столбов и требовал подзарядки каждые 64 километра (60 верст). Разработку данного экипажа, переняли у американских моделей фирмы «Моррис-Салом», выпускающей автомобили с 1898 года.
Первое десятилетие ХХ века, принесло электромобилям еще большую славу. Где они только не использовались: в качестве такси, карет скорой помощи, пожарных автомобилей и других видов общественного транспорта, что стало возможным благодаря увеличившейся скорости и дальности поездок.
Однако, сторонники применения двигателей внутреннего сгорания не сидели сложа руки и занимались активным усовершенствованием своей идеи. Со временем, они смогли добиться желаемого результата – бензиновые двигатели стали вытеснять электрические. А помогло им в этом, сразу несколько факторов:
- во-первых были открыты богатые месторождения нефти, что быстро привело к массовому изготовлению дешевого бензина;
- во-вторых, началось строительство новых дорог и развитие сети старых, а это позволило совершать дальние поездки, для чего электромобили не были приспособлены; в-третьих, из-за сравнительно большого веса и намного меньших скоростных возможностей, интерес общественности к электромобилям заметно упал, а все внимание переключилось на более выгодные, в этом плане, автомобили.
Однако, главным фактором резкой популярности бензиновых двигателей, стала более совершена конструкция транспортного средства, которая, к тому же, обходилась значительно дешевле. Таким образом, к 1920 году, среди всех транспортных средств, электрические машины занимали только 1%, а в 1930 - их и вовсе перестали выпускать.
Вновь вернутся к вопросу электромобилестроения, человечество заставила проблема загрязнения окружающей среды и перспектива истощения нефтяных запасов. И вот, в конце 80-х – начале 90-х годов ХХ века, ряд компаний опять начали производство электрических машин, но предназначались они лишь для отдельных общественных городских служб: развозные фургоны, малочисленные автобусы и грузовики. Более серьезный интерес к вопросу массового использования (который присутствует и в наши дни), появился в конце 90-х годов прошлого века, когда в некоторых странах ужесточили законодательство о загрязнении окружающей среды. Первым современным электромобилем стал выпущеный в США - GM EV1 (1996-2003), однако, с тех пор, производство таких машин не останавливалось и сегодня есть возможность увидеть электромобиль на улицах Вашего города, правда, Вы можете даже не догадываться об этом, так как внешне он ничем не отличается от любого другого автомобиля.
2. Как работает электромобиль
Как мы только что отметили, бензиновые и электрические машины, внешне ничем не отличаются, а значит при встрече с таким «чудом техники», Вы можете и не понять, какой именно автомобиль (или лучше сказать, электромобиль) находится перед Вами. Единственной особенностью, выдающей электрическое транспортное средство в процессе движения, есть практически полное отсутствие звука работающего двигателя. Однако, при всей внешней схожести, принцип работы этих двух видов, существенно отличается. Начнем с того, что под капотом электромобиля вместо двигателя внутреннего сгорания находится электрический агрегат, получающий питание от аккумуляторных батарей. Они выполняют роль своеобразного «топливного бака» и обеспечивают электромотор необходимой рабочей энергией.
Также, в конструкции этого транспортного средства предусмотрен контроллер, являющий собой блок управления электродвигателем, который обеспечивает равномерную подачу тока в сеть между аккумуляторами и силовым агрегатом. Благодаря имеющимся в наличии переменным резисторам, формируется сигнал о количестве нужной энергии, после чего он поступает на контроллер. Когда электромобиль прекращает движение, работа данного устройства тоже останавливается, а при нажатии на педаль «газа» (акселератора) оно опять начинает обеспечивать подачу электрического тока на мотор. Для повышения безопасности, в педали акселератора электромобиля вмонтировано два потенциометра. Контроллер считывает с них импульсы и соответственно получаемым данным, совершает регулировку мощности силового агрегата. Если устройство зафиксирует между сигналами, хотя бы одно, даже самое незначительное отличие, то реакция на них будет полностью отсутствовать.
Частота подаваемых импульсов, равна 15000 раз в секунду, а учитывая, что человеческий орган слуха не способен ее улавливать, работа контроллера и электромотора остается для нас практически бесшумной.
Основой деятельности электрического двигателя является принцип электромагнитной индукции, который связывают с появлением электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока. Двигатель электромобилей переводит электрическую энергию в необходимую механическую, при чем коэффициент его полезного действия составляет 85-95%. Такая идея далеко не новая, а в основе любого подобного мотора лежит эффект, обнаруженный Майклом Фарадейем еще в 1921 году: при взаимодействии магнитного поля и электрического тока – возникает непрерывное вращение.
Как видите, принцип работы электромотора значительно отличается от ДВС, однако, что касается остальных составляющих конструкции электромобиля, то они практически такие же как и в бензиновом варианте: есть коробка передач, подушки безопасности, тормозная система и т.д.
3. Преимущества и недостатки электромобиля
Главное достоинство современных электромобилей – это выгодность эксплуатации. В первую очередь, намного дешевле обходится «топливо», ведь цены на бензин растут с каждым днем, а электрическая энергия, все таки, несколько доступнее. Даже тот факт, что одного заряда батареи хватает лишь на 50-60 километров, не является преградой, так как большинство людей за один день не проезжают и этого расстояния.
Конструкция электромобилей значительно проще: нужно всего лишь замкнуть электрическую цепь и контролировать уровень ее напряжения, при чем сложные механизмы, типа карбюраторов, инжекторов или фильтров полностью отсутствую, а это значит, что такие машины не нуждаются в частом и дорогом обслуживании. Бесспорным преимуществом электрокаров есть и отсутствие вредных выхлопных газов. Конечно, для зарядки аккумулятора требуется сжигать уголь, мазут или газ, но в общем счете, с точки зрения экологической ситуации, все это не так катастрофично, как эксплуатация беспрерывно пыхтящего автомобиля. К тому же, КПД электромоторов составляет 90-95%, что несомненно выше чем у ДВС с их 40-60%.
Еще одним фактом, выставляющем электромобили в выгодном свете, есть их бесшумный режим работы. Если для жителей маленьких городков, подобное преимущество не существенно, то для населения мегаполисов – это более чем весомый аргумент, ведь постоянный шум на улицах, хорошо слышен и в квартирах.
Тем не менее, нельзя сказать, что электрические машинки полностью «безгрешны». Самым главным их недостатком является ограниченность заряда батареи, запаса которой (без подзарядки) на длительные поездки не хватит. К тому же, они занимают слишком много места в салоне машины, а строк их эксплуатации не отличается долговечностью – через каждых два-три года детали придется менять. Учитывая, что стоят аккумуляторы немало, становится понятным, почему большинство автомобилистов считает их главным слабым звеном электрокаров. Еще одним минусом, эксперты называют низкие динамические характеристики, исходя из которых, электрические моторы до сих пор уступают бензиновым собратьям.
Также, существенной проблемой, актуальной в основном для жителей северных стран, есть отсутствие системы нормального обогрева салона. Дело в том, что обычный автомобиль, при нагревании двигателя, отдает тепло непосредственно внутрь кузова транспортного средства, за счет чего там создаются комфортные температурные условия (имеется ввиду холодная пора года). В случае с электромобилем, все несколько сложнее: электромотор не способен нагреваться, а значит ему нечего предложить салону и для обогрева последнего, приходится использовать дополнительную энергию.
Однако, все описанные недостатки – временное явление. Технический прогресс не стоит на месте и в скором времени, мы уже не вспомним о теперешних проблемах электромобилей, что в будущем позволит таким машинам стать еще популярнее.
4. Гибридные модели автомобилей
Вот, кажется, только поняли, что из себя представляет электромобиль, как тут еще одна диковинка – гибридное транспортное средство. На самом деле, здесь также нет ничего сложного, а название говорит само за себя - это автомобиль и электромобиль в одном флаконе. Другими словами, гибридное авто для своей работы использует более одного источника энергии. В современном мире, такими источниками, чаще всего, есть совместное использование электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания. Подобное решение ограждает ДВС от работы при малых нагрузках, а также позволяет реализовать рекуперацию кинетической энергии, повышая тем самым топливную эффективность всей установки. Вторым, существующим видом гибридных автомобилей есть машины, в которых ДВС совмещен с моторами, работающими на сжатом воздухе.
Обратите внимание! Средства передвижения, работающие на электромеханической трансмиссии (тепловозы, трактора, танки и т.д.) не считаются гибридами. Первый автомобиль, оснащенный гибридным приводом – это Lohner-Porsche, разработанный в 1900-1901 годах конструктором Фердиналом Порше. Первым американским разработчиком, считается Виктор Воук, который начал создавать гибридные автомобили в 60-х – 70-х годах.
На сегодняшний день, самым популярным в мире гибридным транспортным средством, является Toyota Prius. На рынки Украины, данная модель поступила в продажу лишь в апреле 2010 года, в то время как до осени того же года, ее владельцами по всему миру, стали более 2 млн. человек (мировой дебют состоялся в 1997 году). Сегодня, можно приобрести уже третье поколение Prius, но и это еще не конец: недавно стартовали продажи подзаряжаемой версии гибрида и версии с более вместительным багажником.
Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.
Была ли эта статья полезна?Да Нет
auto.today
какая она и с чем ее едят? » Гиброид.ру
Классическая схема электромобиля включает в себя высоковольтную аккумуляторную батарею, электродвигатель и устройство управления (контроллер). Электродвигатель может быть либо монотипный, либо для каждого ведущего колеса отдельно. Устройство управления предназначено для управления энергией АКБ и подачи ее к электродвигателю.
При разработке первой схемы электродвигателя считалось, что это будет последняя схема, а сам автомобиль будет предельно прост по сравнению с автомобилями, оснащенными ДВС. Считалось, что модернизации электромобилей сведутся лишь к усовершенствованию АКБ и электродвигателя. Однако, при создании трехзвенной схемы электромобиля возникли проблемы с устройством управления.Кроме того, несовершенной стала аккумуляторная батарея, точнее процесс ее зарядки. В результате пришлось жертвовать главным плюсом электромобилей – экологичностью. Чтобы сохранить экологические показатели пришлось вносить изменения в классическую схему электромобиля, а точнее искать новый тип источника тока. Были опробованы солнечные батареи, щелочные аккумуляторы и даже топливные элементы. Они предназначены для того, чтобы превратить энергию химической реакции в электрическую энергию. Топливные элементы имеют сравнительно небольшие габаритные размеры и вес, что позволило уменьшить габаритные размеры и самих электромобилей. Однако, такой тип энергии не нашел широкого применения из-за своей высокой стоимости.
Шло время – схемы электромобилей совершенствовались. Было решено установить на электромобиль обычный двигатель внутреннего сгорания. Однако работать двигатель будет не на ходовую часть, как в обычном автомобиле, а на мощный электрогенератор. Данный генератор через устройство управления, коробку передач и электродвигатель связан с ходовой частью электромобиля. Кроме того, возможна и немного усовершенствованная схема электромобиля данной модификации, когда на трансмиссию будут действовать два двигателя – электрический и внутреннего сгорания. В результате стремление уменьшить габаритные размеры электромобиля потерпело фиаско. Новая схема электромобиля не только имела большие габаритные размеры, но была сложной по сравнению с первой схемой электромобиля. Однако она позволила получить несколько режимов работы двигателя.
- Во-первых, так как двигатель работает на генератор, последний получает три режима работы – холостой ход, режим средней и полной нагрузки. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания может работать в стационарном режиме, то есть с постоянной частотой вращения коленчатого вала. Это позволило добиться не только снижению расхода топлива, но и заметному улучшению экологической составляющей показателей электромобиля.
- Во-вторых, двигатель внутреннего сгорания работает не только на ходовую часть автомобиля, но и на зарядку аккумуляторной батареи, что убрало необходимость зарядки батареи на специализированных станциях, так как заряд идет от генератора. В таком случае автомобиль даже режиме города может работать от аккумуляторной батареи.
При этом даже при торможении будет происходить рекуперация энергии, то есть возвращение части энергии. Теперь водителю нет необходимости волноваться о том, доедет ли автомобиль до зарядной станции. В любой момент он может перевести работу электромобиля из режима электродвигателя в режим двигателя внутреннего сгорания.
Учитывая все ошибки изменения схем электромобилей, в настоящее время применяется именно последняя схема. Применительно к данной схеме, современные автомобили принято называть не электромобилями, а гибридами.
hybroid.ru
Новая концепция электромобиля. Cтатьи. Наука и техника
Нурбей Гулиа, Сергей Юрков
Электромобиль – транспортное средство, ведущие колеса которого приводятся от электромотора питаемого электробатареей, появился впервые в 1838 году в Англии. Электромобиль существенно старше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Поначалу он опережал автомобиль по скорости и объему выпуска, но не смог стать серьезным конкурентом автомобилю. На наш взгляд, это происходит, в основном, из-за недостатков электромобилей, питаемых от электроаккумуляторов.
Вопреки бытующему мнению о высокой экономичности аккумуляторных электромобилей, анализ показывает, что химическая энергия топлива, сжигаемого на электростанциях, используется для движения транспортного средства всего на 15% и менее. Это происходит из-за потерь энергии в линиях электропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах для аккумуляторов и самих аккумуляторах, электромашинах, как в тяговом, так и в генераторном режимах, а также в тормозах при невозможности рекуперации энергии. Для сравнения, дизельный двигатель на оптимальном режиме преобразует в механическую энергию около 40% химической энергии топлива. При большом распространении аккумуляторных электромобилей, а особенно с учетом сказанного, им просто не будет хватать электроэнергии, вырабатываемой электростанциями мира. Не следует забывать, что суммарная установочная мощность двигателей всех автомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира.
Топливные элементы
Проблемы снимаются при питании электромобилей от так называемых первичных источников электроэнергии, вырабатывающих энергию непосредственно из топлива. В первую очередь, такими источниками являются топливные элементы (ТЭ), потребляющие кислород и водород. Кислород можно забирать из воздуха, а водород, в принципе, можно запасать в сжатом или сжиженном виде, а также в так называемых гидридах. Но реальнее его получать из обычного автомобильного топлива прямо на электромобиле с помощью конвертора. Эффективность топливных элементов несколько снижается, но зато не меняется вся инфраструктура топливозаправочного хозяйства. КПД топливных элементов при этом все равно очень высок – около 50%. Такие топливные элементы и конверторы разработаны, в частности, и российскими предприятиями, с которыми сотрудничают авторы статьи.
Однако электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка – высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных как на максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные для топливных элементов. Это, во-первых, невозможность рекуперации энергии при торможении, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть они не могут заряжаться электроэнергией, а во-вторых, низкая удельная мощность топливных элементов.
При огромной удельной энергии топливных элементов (порядка 400...600 Вт·ч/кг), удельная мощность при экономичном разряде не превышает 60 Вт/кг. Это делает массу топливных элементов для реальных мощностей, необходимых автомобилям, очень большой. Например, для электромобиля с максимальной потребной мощностью 100 кВт и электробуса с максимальной потребной мощностью 200 кВт, это соответствует массам топливных элементов 1670 и 3330 кг, соответственно. Если прибавить массы тяговых электродвигателей, примерно равные 150 и 400 кг, соответственно, то получаются массы силовых агрегатов, совершенно неприемлемые для легкового электромобиля, и требующие пятитонного прицепа для электробуса.
Делаются попытки снижения массы топливных элементов с использованием в качестве промежуточных источников энергии конденсаторных накопителей энергии, обладающих высокой удельной мощностью. Однако, и этот путь недостаточно эффективен, так как лучшие современные конденсаторные накопители, доступные для автомобильной техники, имеют удельные энергетические показатели около 0,55 Вт·ч/кг и 0,8 Вт·ч/литр. В таком случае для накопления всего 2 кВт·ч энергии (это значение рекомендовано специалистами как для электромобилей, так и для электробусов), потребуется около 3000 кг или 2,5 м3 конденсаторов, что нереально. Меньшие значения запасаемой энергии существенно снижают динамические качества машины. Кроме того, при коротком замыкании мощные конденсаторы могут загореться, что очень нежелательно для транспорта. Гораздо эффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергии супермаховика, соединенного с обратимой электромашиной.
Известные схемы
Супермаховик – маховик, изготовленный навивкой из волокон или лент на упругий центр. Удельная энергия супермаховика на порядок больше значений данного параметра для лучших монолитных маховиков, к тому же он обладает свойством безопасного разрыва, не дающего осколков [1].
Такие схемы осуществлены в новейших опытных образцах гибридных электромобилей фирм Mechanical Technology Inc.(США), EDO Energy (США), и известной Ливерморской национальной лаборатории (LLNL, США) [2]. Удельная энергия супермаховиков из кевлара и графита, достигающая сотен Вт·ч/кг, снижает его необходимую массу до нескольких килограммов (при удельной энергии 200 Вт·ч/кг, для накопления 2 кВт·ч потребуется супермаховик массой всего 10 кг). Однако электромашина накопителя, необходимая здесь помимо тягового двигателя, и рассчитанная на максимальную мощность и поэтому весьма тяжелая, снижает эффективность этой схемы. К тому же она, как и тяговый двигатель должна быть обратимой (и мотором, и генератором), что дополнительно усложняет привод.
Оригинальную схему гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом предложила, изготовила и испытала фирма "BMW" (Германия). Несомненным преимуществом данного технического решения является наличие только одной электромашины, что снижает массу и приближает его к автомобильным схемам (рис. 1). Тип маховика фирма "BMW" в отчете [3] не уточняет, поэтому используемый накопитель условно назван просто «маховичным».
Рис. 1. Схема гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом фирмы "BMW" (Германия): 1 – источник тока; 2 – система управления; 3 – обратимая электромашина; 4 – дифференциальный механизм; 5 – мультипликатор; 6 – маховичный накопитель; 7 – главная передача
Источник тока 1 через преобразователи и систему управления 2 связан с обратимой электромашиной 3, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля. Электромашина 3 через сложный дифференциальный механизм 4 с мультипликатором 5 связана с маховиком 6 накопителя и главной передачей 7. В результате масса источника тока 1, например, топливного элемента, может быть выбрана исходя из удельной энергии, а не удельной мощности, что снижает ее для электромобиля и электробуса с пробегом, соответственно, 400 и 600 км до 100...150 и 700...1000 кг. Это вполне приемлемо для данных транспортных средств.
Однако непременным недостатком всех схем с электроприводом остается наличие тяжелого и сложного обратимого электродвигателя. Это отражается на экономичности привода и его массе, включая систему преобразователей тока. Мощная электромашина неэкономична при работе на малых мощностях, характерных для разгона (зарядки) маховичного накопителя. Кроме того, в схеме, помимо главной передачи, присутствует сложный по конструкции и управлению дифференциальный механизм с мультипликатором и тремя системами фрикционного управления (муфтами или тормозами), что усложняет и удорожает привод.
Концепция электромобиля
Новая концепция электромобиля, предложенная проф. Н.В. Гулиа, состоит в максимальном приближении и унификации устройств электро- и автомобиля. Это позволяет предельно упростить и уменьшить массу силового агрегата транспортного средства, увеличить его КПД и эффективность рекуперации энергии, а также сделать возможным использование существующих шасси автомобилей и автобусов для установки силовых агрегатов электромобилей и электробусов. Последнее обстоятельство должно существенно удешевить машины, в максимальной степени унифицировать их производство с возможностью оперативно менять соотношение количества машин различных типов и программу их выпуска. Кроме того, по желанию заказчика, транспортное средство может быть оснащено как источником механической энергии (обычным или гибридным тепловым двигателем), так и электрической (топливные элементы с супермаховиком), с установкой заменяемых агрегатов в том же двигательном отсеке при полном сохранении всей трансмиссии.
Такая трансмиссия должна быть рассчитана на перспективу, и включать уже не ступенчатую, а бесступенчатую коробку передач. Такие коробки передач уже достаточно широко выпускаются на основе ременных вариаторов с различными типами ремней («тянущих» и «толкающих»), и используются на автомобилях фирм Nissan, Honda, Fiat, Subaru и др.
Московский государственный индустриальный университет (МГИУ) в содружестве с АМО ЗиЛ ведет работы по разработке бесступенчатой коробки передач на основе нового планетарного дискового вариатора [4]. Бесступенчатая коробка передач на основе дискового вариатора новой концепции может использоваться как на легковых, так и на грузовых автомобилях (в том числе и седельных тягачах) и автобусах.
Новый вариатор, рассчитанный на высокие значения крутящего момента достаточно низкооборотных двигателей автобусов, дает возможность применить новую концепцию электромобиля на мощных электробусах. Следует заметить, что для данной схемы не исключается использование бесступенчатой коробки передач любого типа, имеющей достаточную экономичность, малые габариты и массу, соизмеримые с существующими коробками передач.
Схема электромобиля
Схема электромобиля новой концепции представлена на рис. 2. Как и в других гибридных схемах электромобилей, источник электроэнергии выбирается исходя из критерия удельной энергии, что при исключительно высоком значении этого параметра обеспечивает малые массы, а также объемы топливных элементов. В данной схеме в качестве промежуточного источника энергии использован супермаховик с теми же энергетическими и массовыми параметрами, что и в других гибридных схемах с маховичным накопителем.
Рис. 2. Схема электромобиля новой концепции
Принципиальным отличием данной концепции электромобиля от других гибридных схем является отбор мощности от источника электроэнергии необратимой электромашиной – специализированным разгонным электродвигателем малой мощности, соответствующей эффективной удельной мощности источника электроэнергии. Для упомянутых выше легкового электромобиля и электробуса это соответствует 15 и 20 кВт. Благодаря высокой частоте вращения разгонного электродвигателя – до 35000 об/мин для легкового электромобиля и 25000 об/мин для электробуса, что соответствует частоте вращения разгоняемых супермаховиков для накопителей этих машин, масса их весьма мала, соответственно 15 и 30 кг (это обычные показатели для отечественных конструкций авиационного назначения).
Источник энергии и разгонный электродвигатель могут быть объединены в один энергетический блок, сходный по массе и габаритам с демонтируемым с шасси двигателем и его системами. Топливный бак и система питания в принципе могут быть сохранены с добавлением конвертора для получения водорода из топлива. Таким образом, в энергетическом блоке химическая энергия топлива преобразуется в механическую в виде вращения вала, совершенно так же, как и у теплового двигателя. Функцию сцепления выполняет выключатель, подключающий электромотор к источнику энергии.
Таким образом, по желанию заказчика в двигательный отсек может быть установлен любой преобразователь химической энергии топлива в механическую – тепловой двигатель или новый энергетический блок. Далее все, как и в обычном автомобиле, вал энергетического блока соединяется с коробкой передач, в данном случае бесступенчатой. Такая коробка передач уже в недалеком будущем заменит менее эффективные ступенчатые даже на обычных автомобилях. В результате мы получаем электромобиль новой концепции в максимальной степени унифицированный с обычным автомобилем.
Каковы же преимущества электромобиля новой концепции? По сравнению с автомобилем это несравненно более высокая эффективность использования топлива и экологическая безопасность. По сравнению со средним КПД преобразования химической энергии в механическую – порядка 10...15% у тепловых двигателей на автомобилях (не следует путать с КПД тепловых двигателей на оптимальном режиме – 30% у бензиновых двигателей и 40% у дизельных), этот КПД у топливных элементов с конвертором – 50%, а у кислородно-водородных топливных элементов – 70%. Вредные выхлопы у топливных элементов практически отсутствуют. Примерно такие же преимущества у электромобилей новой концепции по сравнению с аккумуляторными электромобилями, с той разницей, что вредные выбросы последних имеют место не на самой машине, а на электростанциях.
По сравнению с наиболее передовыми конструкциями гибридных систем электромобилей с топливными элементами и маховичными накопителями, например, схемой предложенной и осуществленной фирмой "BMW", преимуществом новой концепции является меньшие габаритно-массовые показатели и высший КПД электромашины. Это обусловлено тем, что в новой концепции электромашина не универсальная, обратимая, а узко специализированная, разгонная, загруженная практически постоянной мощностью, почти на порядок меньше максимальной и при высоких частотах вращения. Второе преимущество заключается в отсутствии сложного дифференциального механизма с тремя фрикционными муфтами или тормозами, переключающими режимы. Третье преимущество состоит в том, что процесс регулирования частот вращения и моментов от супермаховика до ведущих колес осуществляется не электроприводом, а механическим вариатором, имеющим высший КПД. В особенности это касается процесса рекуперации энергии при торможении, в результате которого кинетическая энергия машины переходит в супермаховик. Ни по частотной полноте передачи этой энергии, ни по КПД этого процесса, электротрансмиссия не идет ни в какое сравнение с механическим вариатором. И последнее преимущество, о котором уже говорилось – почти традиционная автомобильная схема и соизмеримые габаритно-массовые показатели нового энергетического блока с существующими двигателями, позволяют легко заменять один вид источника энергии на другой, получая при этом как автомобиль (с обычной или гибридной схемой двигателя), так и гибридный экономичный и динамичный электромобиль новой концепции.
Электробус
На рис. 3 представлена схема городского электробуса новой концепции. Эта схема предоставляет устройству большую гибкость, чем в изображенной на рис. 2 структурной схеме.
Рис. 3. Схема городского электробуса новой концепции: 1– источник тока; 2 – электродвигатель; 3 – механизм реверса; 4 – коробка отбора мощности; 5 – планетарный дисковый вариатор; 6, 7 – карданные передачи; 8 – главная передача; 9 – коническая зубчатая передача; 10 – супермаховичный накопитель
Здесь блок супермаховичного накопителя 10, снабженный своим редуктором 9, расположен независимо от остальных агрегатов и мягко подвешен на раме для уменьшения и без того небольших гироскопических усилий при горизонтальном расположении супермаховика. С помощью коробки отбора мощности 4 и карданных передач 7 этот блок может связываться с вариатором 5 как независимо, так и совместно с электродвигателем 2. Этот электродвигатель может быть соединен с вариатором 5 и независимо от супермаховика, и играть роль полноценного тягового двигателя, в основном, на стационарных режимах движения. Несмотря на то, что электродвигатель 2 в этом случае несколько увеличивается по мощности и массе, энергоемкость супермаховичного накопителя может быть существенно снижена, реально до 0,5 кВт·ч. Это позволяет изготовлять супермаховик из такого стабильного и сравнительно дешевого материала, как стальная углеродистая проволока. Выход из строя (разрыв) супермаховика настолько безопасен, что тяжелого защитного кожуха, существенно превышающего по массе сам маховик, и необходимого при маховике из углепластиков, не требуется. Вариатор позволяет тяговому электродвигателю работать в эффективном диапазоне крутящих моментов и частот вращения, передавая только часть мощности, необходимой для движения электробуса, что благоприятно для его работы.
Следует заметить, что проблема создания эффективного электромобиля, уже давно актуальная в технически развитых странах мира, приобретает особую актуальность в настоящее время в России, благодаря новым программам разработки электромобилей, в которых участвуют и авторы данной статьи.
Источники информации:
- Гулиа Н.В. Накопители энергии. – М.: Наука, 1980. – 150 с.
- Electric & hybrid vehicle technology' 95. The international review of electric and hybrid vehicle design and development. UK & International press. – 1995. – 304 с.
- Der neue elektro – 3er von BMW – glied einer langen entwicklungskette. Kolloquium fahrzeug- und motorentechnik. 15...17 Oktober 1991. Eurogress Aachen. – 47 p.
- Отрохов В.П., Гулиа Н.В., Петракова Е.А., Юрков С.А. Бесступенчатая коробка передач для ЗиЛ-5301 // Автомобильная промышленность. – 1998. – №7.
Дата публикации:
6 февраля 2000 года
n-t.ru
