Полная версия

Главная arrow Техника arrow Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электроприводами

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ГИБРИДНЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛВС

Состояние и развитие ГСУ

Бурное развитие автомобилестроения привело к экологическим проблемам, связанным с выбросами токсичных веществ, содержащихся в отработанных газах ДВС. Ведущие автомобилестроительные фирмы мира вкладывают огромные средства в разработки по уменьшению токсичности отработанных газов и снижению расхода топлива ДВС. Намечены тенденции проведения работ по созданию ДВС нового поколения с камерами обедненного сгорания; использованию новых видов топлива (природного газа, метанола) для поршневых ДВС, улучшающих их экологические свойства; использованию водорода в качестве топлива для ДВС и т. д.

Однако результаты дальнейших работ по улучшению характеристик ДВС не позволяют полностью решить проблемы экономичности топлива и снижения отработанных токсичных газов в связи с нерациональным использованием ДВС на борту автомобиля.

Номинальный КПД автомобиля с дизельным двигателем составляет примерно 30 % (КПД двигателя — 34 %, коробки перемены передач — 96, карданной передачи, заднего моста и подшипников колес — 97,5, шин — 94,5 %

Номинальный КПД автомобиля с бензиновым двигателем составляет примерно 21,2 % (КПД двигателя — 24 %, коробки перемены передач — 96, карданной передачи, заднего моста и подшипников колес — 97,5, шин — 94,5 %).

С учетом номинальных КПД автомобилей, средних значений коэффициента увеличения расхода энергии в условиях эксплуатации — 0,62 и потерь при добыче и транспортировке (принято всего лишь

  • 1,5 %) получается, что эффективность использования первичных энергоресурсов для автомобилей составляет (при затратах энергии на переработку нефти 19 %) 12]:
    • • для бензиновых автомобилей — 13,4 %;
    • • для дизельных автомобилей — 19,1 %.

Как известно, при подборе мощности ДВС обычно исходят из необходимости обеспечить приемлемые тягово-динамические и скоростные характеристики транспортного средства. Для того чтобы, например, легковой автомобиль полной массой 1,2... 1,5 т удовлетворял данным требованиям, на него устанавливают двигатель мощностью 50...70 кВт (70... 100 л.с). Но для равномерного движения с разрешенной в городе скоростью (60 км/ч) ему нужна мощность, не превышающая 6 кВт (8,4 л.с), а со скоростью 100 км/ч — 18 кВт (25 л.с).

Особенности работы автомобильных ДВС порождают недостатки. В частности, мощность, развиваемая ДВС, зависит от частоты вращения его коленчатого вала и, следовательно, от скорости движения автотранспортного средства. При малой частоте вращения эта мощность очень мала, а при работе на холостом ходу вовсе равна нулю, и лишь при больших частотах вращения ДВС развивает максимальную мощность. Для города характерны малые средние скорости движения автомобиля, и значит, ДВС работает на малых и средних частотах вращения коленчатого вала. А такие режимы, как известно, неэкономичны и неэкологичны. Механические коробки передач в какой-то степени компенсируют этот недостаток. Однако даже при большом числе передач они не всегда в состоянии обеспечить полную загрузку ДВС, т. е. его работу в режиме максимальной мощности. Существующие бесступенчатые коробки передач, которые позволяют ДВС работать постоянно на одних и тех же частотах и иметь постоянную заданную мощность, дороги и имеют низкий коэффициент полезного действия (КПД).

Далее, если рассмотреть движение АТС в городских условиях, то видна нерациональность использования энергии, вырабатываемой ДВС. При разгоне эта энергия расходуется на преодоление сил инерции, сил сопротивления качению, при равномерном движении — сил сопротивления качению и сопротивления воздуха. Движение накатом происходит за счет расходования кинетической энергии АТС. При торможении сила трения в тормозах превращает кинетическую энергию в тепловую, которая безвозвратно теряется. На остановках выработанная энергия ДВС не используется. Из пяти фаз цикла движения АТС (разгона, установившегося движения, наката, торможения, остановки) лишь на двух первых энергия расходуется, в трех других она либо не используется, либо теряется. ДВС работает на протяжении всех циклов со значительно изменяющимся коэффициентом загрузки, что приводит к существенному увеличению удельного расхода топлива и вредных выбросов в отработавших газах. Вернее, здесь не была учтена энергия, расходованная на питание электрооборудований автомобиля, которая не изменяет вышеприведенную картину использования энергии ДВС на борту автомобиля.

Анализ характера зависимости мощности, реализуемой на колесах автомобиля для целей тяги, от времени движения показывает, что эту мощность можно разделить на две составляющие (рис. 1.1):

  • • мощность, затрачиваемую на преодоление основного сопротивления движению автомобиля и сопротивления воздуха;
  • • мощность, затрачиваемую на приобретение автомобилем определенной скорости, т. е. на увеличение его кинетической энергии.
Зависимость мощности, реализуемой на колесах автомобиля от времени

Рис. 1.1. Зависимость мощности, реализуемой на колесах автомобиля от времени

движения на перегоне

Первая из этих составляющих изменяется в сравнительно узких пределах за время ездового цикла.

Вторая составляющая в несколько раз превышает первую по абсолютной величине и реализуется в течение сравнительно короткого промежутка времени, соответствующего разгону автомобиля.

Для реализации требуемой зависимости мощности от времени Рк(0 ДВС автомобиля должен быть выбран по пиковому значению мощности, причем все остальное время ездового цикла ДВС будет работать с недогрузкой по мощности, т. е. при ухудшенной топливной экономичности и при повышенной токсичности отработавших газов. Следовательно, ДВС будет иметь сравнительно большую массу и размеры, а коэффициент использования его мощности будет низким (0,35-0,5).

Таким образом, ясно, что применение мощных двигателей на автомобилях, эксплуатируемых в городе, где средние скорости движения невелики, крайне нерентабельно. Отсюда появились рациональные пути решения эколого-экономической проблемы автотранспорта:

  • • применение на автомобиле совместно с ДВС тягового электропривода (ТЭП), питаемого от накопителей энергии различной физической природы;
  • • полная замена ДВС тяговым электроприводом, имеющим высокий КПД (85...90 %), «нулевую» токсичность выбросов, обеспечивающим отсутствие шума.

Специалисты ведущих мировых автомобильных фирм и исследовательских организаций провели важные исследования по внедрению альтернативных источников энергии на борту АТС с тяговым электроприводом, результаты которых позволяют сформулировать следующие основные направления исследований.

  • 1. Создание гибридных силовых установок (ГСУ) с применением в них ДВС, функционирующих в оптимальных рабочих режимах, тяговых электроприводов и различных электрохимических (тяговых аккумуляторных батарей — ТАБ), электростатических (емкостных накопителей энергии — ЕНЭ), электромеханических (маховиковых накопителей энергии — МНЭ) буферных батарей.
  • 2. Внедрение альтернативных энергетических установок без использования ДВС:
    • • создание энергетических установок на базе ТАБ, автомобили с этими установками получили название электромобилей (ЭМ);
    • • создание комбинированных энергоустановок (КЭУ) с использованием электрохимических генераторов (ЭХГ) на основе топливных элементов (ТЭ) в качестве основного источника энергии и ТАБ, ЕНЭ или МНЭ — буферных накопителей энергии [1].

Рассмотрим КЭУ, состоящую из двух источников энергии:

  • • основного (ДВС, топливные или полутопливные элементы), рассчитанного главным образом на создание силы тяги, направленной на преодоление основного сопротивления движению и сопротивлению воздуха;
  • • пикового (электрохимического или механического аккумулятора и др.), обеспечивающего передачу энергии на ведущие колеса автомобиля в период пуска, разгона или на больших подъемах.

Рабочие режимы обоих источников энергии имеют функциональную связь, обеспечивающую их совместную работу с рациональным разделением функций в различные периоды ездового цикла.

Таким образом, КЭУ состоит из двух источников энергии с различными функциями. Первый (основной) источник допускает непрерывный и длительный отбор ограниченной по величине энергии. Второй (пиковый) источник обладает свойствами аккумулятора энергии. Ее запас может восстанавливаться перед началом дневной эксплуатации от зарядного агрегата, получающего питание от промышленной или аккумуляторной электрической сети. Пиковый источник энергии может заряжаться за счет не реализуемой на движение энергии основного источника при относительно легких условиях эксплуатации автомобиля, при выбеге, электрическом рекуперативном торможении и на стоянках, когда мощность основного источника может быть практически полностью использована для заряда пикового источника энергии. Пиковый источник отдает энергию на создание силы тяги при разгоне автомобиля или при движении на больших подъемах, когда мощности основного источника недостаточно для реализации требуемых тягово-скоростных показателей автомобиля.

Использование на автомобиле двух различных источников энергии с функциональной связью создает два новых качества, которые в принципе не могут быть получены при применении обычных установок автомобиля. Выбор при реализации одного из этих качеств зависит от конкретных требований, предъявляемых к КЭУ данного типа.

Одно из этих качеств заключается в возможности аккумулирования энергии основного источника в том случае, если развиваемая им мощность превышает мощность, реализуемую на тягу в определенных условиях движения. Это повышает коэффициент использования основного источника по мощности, что наряду с возможностью применения в КЭУ основного источника меньшей мощности, чем для обычного автомобиля, имеющего аналогичные технико-эксплуатационные характеристики, и определяет получение ряда эксплуатационных преимуществ при оборудовании автомобиля КЭУ.

Второе качество возникает при восстановлении запаса энергии пикового источника частично за счет внешнего источника энергии, что позволяет соответственно уменьшить энергию, снимаемую с основного источника в процессе эксплуатации, а следовательно, расход топлива первичным источником и выброс токсических веществ в атмосферу за ездовой цикл, если в качестве основного источника применен ДВС.

Таким образом, основными предпосылками использования КЭУ вместо традиционной энергетической установки автомобиля являются:

  • • возможность использования основного источника меньшей мощности, чем в обычной энергоустановке автомобиля (при прочих равных условиях);
  • • высокий коэффициент использования мощности основного источника;
  • • возможность экономии топлива основного источника;
  • • снижение количества выбрасываемых в атмосферу токсических веществ;
  • • аккумулирование энергии, освобождающейся при движении автомобиля на крутых и затянутых спусках, а также при торможении;
  • • возможность реализации высоких динамических показателей автомобиля;
  • • приемлемые массогабаритные показатели КЭУ.

Не всегда эти предпосылки можно реализовать в одной энергетической установке в ощутимом объеме, поскольку конкретные технические решения, необходимые для реализации определенных свойств, могут оказаться противоречивыми. Тем не менее, практика показала, что важнейшие предпосылки могут быть реализованы.

По сравнению с «чистыми» электромобилями автомобили с КЭУ имеют существенно больший запас хода, что значительно расширяет возможную сферу их применения. Использование КЭУ вместо аккумуляторной батареи электромобиля практически всегда позволяет снизить снаряженную массу автомобиля по сравнению со снаряженной массой электромобиля.

Степень реализации указанных предпосылок в некоторой мере зависит от предъявляемых к КЭУ требований, структуры КЭУ и конкретных технических характеристик основного и пикового источников энергии [3].

В настоящее время, несомненно, одним из направлений в работе по созданию автомобилей с предельно низкой токсичностью и высокой экономичностью является применение бортовых гибридных силовых установок, состоящих из ДВС, тягового электропривода и различных типов источников, накопителей энергии. Автомобиль с такими энергоустановками был назван «гибридным автомобилем» (ГА), исходя из принятого в англоязычной литературе термина «Hybrid electric vehicle (HEV)».

Основной особенностью ГСУ является наличие в ней не менее двух различных энергопреобразователей и двух различных систем накопления энергии [4, 5]. Механическая энергия, приводящая в движение транспортное средство, обеспечивается ДВС — преобразователем тепловой энергии сгораемого органического топлива (бензина, дизельного топлива и т. п.), а также тяговым электродвигателем (ТЭД) — преобразователем электрической энергии, выработанной бортовыми накопителями энергии.

Системы накопления энергии содержат топливный бак и не менее одного бортового накопителя электроэнергии (ТАБ, ЕНЭ или МНЭ).

Применение на автомобиле тягового электропривода и бортовых накопителей энергии (БНЭ) позволяет:

  • • реализовать оптимальные режимы работы ДВС, обеспечивающие минимальный удельный расход топлива, или минимальное содержание токсичных веществ в отработанных газах;
  • • восстанавливать часть затраченной энергии на ускорение путем рекуперации кинетической энергии АТС при торможении, движении накатом или на спусках;
  • • накапливать энергию ДВС, если развиваемая им мощность больше, чем требуемая на ведущих колесах, а БНЭ не полностью заряжены; накопленная энергия по мере необходимости используется в режиме тяги или обеспечивает питание другим бортовым электрооборудованиям;
  • • реализовать высокие энергетические и динамические показатели автомобиля при использовании систем индивидуального привода колес.

Важными характеристиками БНЭ, применяемых в ГСУ, являются их удельные значения мощности и энергоемкости. БНЭ с высокой удельной мощностью способны демпфировать все пиковые мощности, необходимые для обеспечения требуемых динамических качеств автомобиля, при этом ДВС может функционировать исключительно в оптимальных режимах. Высокая энергоемкость БНЭ дает возможность применить ДВС меньшей мощности; увеличить запас хода автомобиля с заглушенным ДВС, что существенно снизит выбросы токсичных газов при городских ездовых условиях [7, 8].

Разумеется, по сравнению с традиционными автомобилями с ДВС у ГА имеются недостатки: усложнение структуры системы тягового привода, увеличение числа оборудования на борту АТС, что приводит к повышению стоимости автомобиля и расходов на его обслуживание, ремонт, возможное снижение его надежности при эксплуатации. Тем более, БНЭ с удельной энергоемкостью, сравнимой с ДВС, в настоящее время нет. Все эти факторы пока удерживают широкомасштабное внедрение гибридных автомобилей [8].

Таким образом, успешность применения ГСУ зависит от технико-эксплуатационных показателей БНЭ, особенности которых будут рассмотрены ниже.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>