Тема Автономные энергоустановки для транспорта



Скачать 174.44 Kb.

Дата22.05.2017
Размер174.44 Kb.
Просмотров145
Скачиваний0

Тема 2. Автономные энергоустановки для транспорта
Принципиально новым технологическим подходом к проблеме энергетической безопасности уже названа водородная или, точнее, атомно- водородная энергетика. Призыв «прицельно работать на перспективных направлениях энергетики — водородном и термоядерном» был выдвинут президентом России в Послании Федеральному Собранию
Использование автомобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Однако моторизация общества выдвигает ряд серьёзных социальных проблем, среди которых экология и сохранение природных ресурсов. Автомобили — основные потребители энергии и одни из главных источников загрязнения атмосферы. Наиболее энергоёмким и экологически опасным компонентом автомобиля является его энергетическая установка.
Главные направления совершенствования автомобильных энергоустановок в настоящее время определяются двумя важнейшими социально- экономическими проблемами:
● рациональное использование топлива нефтяного происхождения, в том числе замена его альтернативными энергоносителями;
● снижение вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду.
Существующие меры снижения токсичности отработавших недостаточны для выполнения перспективных норм и поэтому уже сейчас ведутся поисковые работы по созданию принципиально новых технологий, которые должны свести экологическую опасность автотранспортных средств в текущем столетии практически к нулевому уровню. Здесь следует обратить внимание на следующие перспективные альтернативные направления:
1. Использование альтернативных экологически чистых топлив не нефтяного происхождения и повышения их энергоёмкости.
2. Автомобили с водородными двигателями внутреннего сгорания различных типов.
3. Электромобили с комбинированным приводом.

4. Электромобили с электрохимическими генераторами, питаемыми водородом или водородным синтез газом, получаемым на борту транспортного средства за счёт каталитического разложения углеводородных топлив ненефтяного происхождения, например, метанола.
Одним из лучших решений может быть использование водорода или синтез- газа с большой концентрацией водорода как альтернативного топлива для энергетической установки автотранспортного средства.
Электромобиль – автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от автономного источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов и т. п.), а не двигателем внутреннего сгорания.
Электромобили отличаются низкой стоимостью эксплуатации. Ford Ranger потребляет 0,25 кВт·ч на один километр пути, Toyota RAV4 EV — 0,19 кВт·ч на километр. Средний годовой пробег автомобиля в США составляет 19 200 км (т. е. 52 км в день). При стоимости электроэнергии в США от 5 до 20 центов за кВт·ч стоимость годового пробега Ford Ranger составляет от $240 до $1050, RAV-4 — от
$180 до $970.
В России стоимость электроэнергии — порядка 12 центов (3.8 руб) за кВт·ч по дневному тарифу и около 3 центов (0.95 руб) за кВт·ч ночью. Таким образом, стоимость эксплуатации электромобиля в России будет существенно ниже, чем в
США, поскольку заряжаться он будет, скорее всего, ночью. КПД тягового электродвигателя составляет 88 — 95 %.

Рисунок 2-1. Электромобиль
Существует мнение, что низкий уровень шума электромобилей может создавать проблемы — пешеходы, переходя дорогу, зачастую ориентируются на звук автомобиля. Разумеется, резкий шум работающего мощного электродвигателя трудно с чем-то спутать, шум электроприводов троллейбуса (в основном воздушных компрессоров и вентиляторов в старых моделях), механических передач
(дифференциал и карданная передача), электрокара, поезда метро широко известен, так что электромобилю необходимо обычное для транспорта шумоподавление. Да и шум современного автомобиля на небольшой скорости очень мал, в основном это шум трения колёс об асфальт, гравий или другое покрытие. Однако при использовании маломощных двигателей, как, например, в трамваях, шум действительно практически отсутствует, и на некоторых выпускаемых электромобилях искусственно повышают уровень шума при скоростях до 30 км/ч.
Сравнение с автомобилями, оснащенными ДВС
Здесь стоит учесть, что ДВС могут питаться не только углеродосодержащим топливом, но и водородом.
Преимущества:


Отсутствие вредных выхлопов в месте нахождения автомобиля.

Более высокая экологичность ввиду отсутствия необходимости применения нефтяного топлива, антифризов, моторных масел, а также фильтров для этих жидкостей.

Простота техобслуживания, большой межсервисный пробег, дешевизна ТО и
ТР.

Низкая пожаро- и взрывоопасность при аварии. Простота конструкции

Возможность подзарядки от бытовой электрической сети (розетки), но такой способ в 5—10 раз дольше, чем от специального высоковольтного зарядного устройства.

Автомобиль с электроприводом — единственный вариант применения на легковом автотранспорте дешевой (по сравнению с нефтяным или водородным топливом) энергии, вырабатываемой АЭС, ГЭС и т. п.

Массовое применение электромобилей смогло бы помочь в решении проблемы «энергетического пика» за счёт подзарядки аккумуляторов в ночное время.

ТЭД имеют КПД до 90-95 % по сравнению с 22-42 % у ДВС.
Недостатки:

Аккумулятор электромобиля. Аккумуляторы хорошо работают при движении электромобиля на постоянных скоростях и при плавных разгонах. Проблемой является производство и утилизация аккумуляторов, которые часто содержат ядовитые компоненты (например, свинец или литий) и кислоты. Часть энергии аккумуляторов тратится на охлаждение или обогрев салона автомобиля, а также питание прочих бортовых энергопотребителей.

Для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов
(«автозарядные» станции).

Высокая стоимость литиевых батарей, или высокий вес достаточно ёмких свинцовых батарей.


Мощность, вырабатываемая всеми современными электростанциями, значительно меньше, чем мощность всех современных автомобилей.
Различные варианты реализации электромобиля
Электромобили, оснащенные аккумуляторными батареями. Аккумуляторные электромобили являются самым первым и простым видом электромобилей. Первые работоспособные модели были построены ещё в конце XIX века. Активно использовались в США вплоть до 20-х годов XX века. В течение 30-40 гг. наиболее активно применялись в Германии. С 1947 г. широко используются в Англии.
Принципиальная схема аккумуляторного электромобиля в общем случае следующая: аккумуляторная батарея через силовую электропроводку и систему регулирования (управления) тягового электродвигателя соединяется с ТЭД, который в свою очередь через карданный вал передаёт главной передаче крутящий момент.
Технико-экономические параметры данного типа электромобилей прежде всего зависят от характеристик применяемых аккумуляторных батарей. Величина желаемого пробега электромобиля на один заряд батареи (запас хода) прямо пропорциональна отношению веса аккумуляторной батареи к полному весу электромобиля. Зависимость веса батареи от грузоподъемности электромобиля значительно выше, чем зависимость веса карбюраторного двигателя от грузоподъемности автомобиля. Батареи располагаются на шасси электромобиля чаще всего таким образом, чтобы имелась возможность: осуществлять быструю замену батарей аккумуляторов, легкого доступа к выводным штырям и отверстиям для заливки электролита. Для этого чаще всего батареи располагают в двух ящиках по бокам электромобиля.
Электромобили, оснащенные топливными элементами. Характерной особенностью электромобилей оснащенных ТЭ является то, что масса энергосиловой установки не изменяется при изменении ее энергоемкости, а увеличение запаса хода может быть достигнуто за счет увеличения массы топлива в топливных баках (как в автомобилях с ДВС). Таким образом, с одной стороны ТЭ
(топливные элементы) позволяют существенно повысить запас хода электромобиля,
но с другой стороны топливо для них имеет высокую стоимость, а также может быть токсичным и при переработке в ТЭ выделять в атмосферу вредные вещества.
Комбинированные энергоустановки. В конце 60-х и начале 70-х годов был разработан ряд опытных образцов электромобилей с энергосиловыми установками типа «Аккумуляторные батареи — Топливные элементы»: В Англии на базе DAF 44 был создан электромобиль со смешанной системой питания от аккумуляторных батарей и от гидрозийно-воздушных ТЭ с удельной мощностью 160 Вт/кг. При разгоне основная нагрузка ложилась на батареи, в остальных режимах — на топливные элементы, подзаряжающие аккумуляторную батарею. В США на базе
Austin A-40 был изготовлен электромобиль с комбинированной системой, включающей щелочные водородно-воздушные элементы и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Запас хода достигал 320 км.
Электромобили на солнечных батареях. Существует множество конструкций электромобилей на солнечных батареях, так называемых «солнцемобилей», однако их общей проблемой является низкий КПД батарей (обычно порядка 10-15 %, передовые разработки позволяют добиться 30-40 %), что не позволяет запасать значительное количество энергии за день, сокращая суточный пробег; к тому же, солнечные элементы бесполезны ночью и в пасмурную погоду. Вторая проблема — дороговизна солнечных батарей.
Среди примеров солнцемобилей можно назвать прототипы Venturi Astrolab,
Venturi Eclectic (дополнительно оснащённый ветровой установкой), концепт-кар
ItalDesign-Giugiaro Quaranta (впрочем, энергии, которую накапливают солнечные батареи, хватает в нём разве что на питание бортовой электроники), итальянский
Phylla, а также SolarWorld GT, который в 2012 году совершил кругосветный марафон. Последний оборудован двумя мотор-колёсами Loebbemotor номинальной мощностью 1,4 кВт каждое (пиковая мощность — 4,2 кВт каждое, или в сумме —
11,42 лошадиные силы). Благодаря малой массе (карбоновый кузов позволил добиться веса 260 кг, сам кузов весит 85 кг) и аэродинамически совершенной форме кузова (Сх = 0,137), удалось добиться максимальной скорости 120 км/ч. Круизная скорость — 50 км/ч (при работе моторов на номинальной мощности), на ней

SolarWorld GT может проехать 275 км — больше, чем многие современные электромобили. Этот пробег обеспечивает 21-килограммовая литий-ионная батарея
ёмкостью 4,9 кВч.
Также существуют гибридомобили, которые приводятся в движение как солнечной энергией, так и педалями. В основном это самодельные машины, однако существуют проекты по серийному выпуску подобного транспорта, в частности,
SolarLab rickshaw и венгерский Antro Solo. Для поощрения производства солнцемобилей и их популяризации существуют соревнования вроде трансавстралийского ралли «Всемирный солнечный вызов». На подобных соревнованиях обычно состязаются студенты технических ВУЗов, создающие подобные модели в качестве дипломных работ.
Мировой лидер по производству электрического транспорта — Китай.
Помимо этого, небольшие электромобили упрощённой конструкции (электрокары, электропогрузчики и т. д.) широко применяются для перевозки грузов на вокзалах, в цехах и больших магазинах, а также как аттракцион. В данном случае все недостатки в виде малого запаса хода и скорости, высокой собственной стоимости батарей и массы, перекрываются преимуществами: отсутствием вредных выхлопов и шума, что принципиально важно для работы в закрытых людных помещениях.
Формально к электромобилям такие машины относить не принято из-за специфичности их применения.
Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей — малый спрос, обусловленный высокой стоимостью и малым пробегом от одной зарядки. Существует точка зрения, что широкое распространение электромобилей сдерживается дефицитом аккумуляторов и их высокой ценой. Для разрешения этих проблем многие автопроизводители создали совместные предприятия с производителями аккумуляторов. Например, Volkswagen AG создал совместное предприятие с Sanyo Electric, Nissan Motor с NEC Corporation, и т. д.

Рисунок 2-2. Гибридные автомобили
Гибридный автомобиль — автомобиль, использующий для привода ведущих колёс разнородную энергию.
Современными автопроизводителями часто используется схема, позволяющая совмещать тягу двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Это позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, что повышает топливную эффективность силовой установки. Однако схема сопряжения ведущих колёс и двигателя внутреннего сгорания может быть иной. Помимо топливно-электрических автомобилей гибридами также являются автомобили, в которых помимо ДВС имеется и двигатели, работающие на сжатом воздухе.
Рисунок 2-3. Гибридные автомобили
Иногда с гибридами ошибочно смешивают транспортные средства с электромеханической трансмиссией (например, тепловозы, некоторые трактора и танки).
Первоначально идея организации принципа «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач на электрические провода, была воплощена в железнодорожном транспорте и большегрузных карьерных самосвалах.

Причина применения такой схемы обусловлена огромными сложностями механической передачи управляемого крутящего момента на колеса мощного транспортного средства. Это обусловлено тем, что ДВС обладает определённой нагрузочной характеристикой (зависимостью отдаваемой мощности от частоты вращения вала), которая имеет оптимальные показатели только в узком интервале, как правило, смещённом в сторону высоких оборотов. Частично этот недостаток компенсируется за счёт применения коробки передач, однако она ухудшает общий
КПД за счёт собственных потерь. Кроме того, ДВС не может изменить направление вращения, чтобы обеспечить задний ход. Электродвигатель свободен от этих недостатков, обеспечивает мгновенный запуск и остановку, и не имеет нужды в холостом ходе, что позволяет исключить из конструкции сцепление.
Электродвигатель не требует никакой трансмиссии, и может быть размещён непосредственно в колесе (мотор-колесо).
Суть нового принципа заключается в том, что двигатель, работающий на обычном топливе, приводит в движение электрогенератор, и через систему управления нужное количество электроэнергии передаётся на электродвигатели, приводя в движение транспортное средство. Это похоже на электростанцию на электромобиле, вырабатывающую энергию для собственного движения. Суть схемы работы гибридного автомобиля аналогична, но значительно модифицирована, в первую очередь добавлением аккумуляторной батареи, только в отличие от электромобиля имеющей меньшую ёмкость, а следовательно, и вес.
Гибридный автомобиль сочетает в себе преимущества электромобиля и автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Это больший коэффициент полезного действия электромобилей (80-90% у электромобиля против 35-50% у
ДВС) и большой запас хода на одной заправке автомобиля с ДВС.
Типовые схемы
По методу подключения двигателя и накопителя к приводу:

Параллельная. Двигатель и накопитель соединены дифференциалом, который соединен с приводом колес. Используется в автомобилях с Integrated Motor

Assist (Honda). Характеризуется простотой (возможно применение вместе с механической коробкой передач) и низкой стоимостью.

Последовательная. Основной источник тока (самое распространённое решение двигатель внутреннего сгорания+электрический генератор) соединен только с накопителем, который в свою очередь соединён с тяговым электродвигателем.
В легковых автомобилях пока используется редко ([1] Ё-мобиль). Близкий принцип используется в электрической трансмиссии, которая применяется в случаях, когда необходимо передать большой момент с ДВС на колеса, например, в железнодорожном транспорте или карьерных самосвалах.

Последовательно-параллельная. Система может работать как последовательно, так и параллельно, в зависимости от режима работы. Реализовано в автомобилях с Hybrid Synergy Drive (Toyota), например, Toyota Prius.
По типам накопителей:

Электрические:
- На основе электрохимических аккумуляторов
- На основе инерционных накопителей

Механические:
- На основе пневматических аккумуляторов, гидроаккумуляторов с пневматическим накопителем.
- На основе инерционных накопителей.
Наиболее используемая схема для реализации последовательного гибрида
«двигатель внутреннего сгорания — накопитель электроэнергии (необязательно большой ёмкости) — электродвигатель». В случае накопителя большой ёмкости может питаться как горючим, так и зарядом электрического аккумулятора, (пример реализации - Chevrolet Volt) стоить отметить, что в качестве накопителя могу применяется другие вторичные источники тока например конденсаторы и ионисторы (суперконденсаторы). Главное преимущество гибридного автомобиля — снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера, начиная от своевременного отключения двигателя во время
остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации — использования электродвигателя как генератора электрического тока для пополнения заряда аккумуляторов. Кроме того в случае использования связки ДВС-генератор в качестве первичного источника тока, режим работы ДВС выбирается оптимальным по тому или иному признаку. В некоторых случаях может применяется микротурбина (обусловлено соотношением габаритов веса и мощности) Газотурбовоз, также применяется на некоторых видах пассажирского транспорта -из-за лучшей экологичности и низкого уровня шума
ЭКОбус.
Преимущества: экономная эксплуатация; экологическая чистота; хорошие ходовые характеристики; сохранение и повторное использование энергии; обычная заправка топливом.
-
Рисунок 2-4. Гибридный автобус
Рисунок 2-5. Гибридные грузовики
Водородный транспорт – это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства, как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами.

В настоящее время разнообразный транспорт несёт ответственность за 23 % техногенных выбросов парниковых газов в атмосферу Земли. По оценкам экспертов, уже через двадцать лет это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей.
Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д. В морском транспорте зачастую используются низкосортные, дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы
СО2 морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год. Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители, дефицит топлива, стремление различных стран достичь энергетической независимости.
Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания. В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензином. Если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым аналогом, но тогда значительно увеличится выход окислов азота из-за более высокой температуры в камере сгорания и возрастает вероятность подгорания клапанов и поршней при длительной работе на большой мощности. Кроме того, водород при температурах и давлениях, которые создаются в двигателе, способен вступать в реакцию с материалами двигателя и смазкой, приводя к более быстрому износу.
Обычный ДВС для работы на водороде не подходит, так как водород легко воспламеняется от высокой температуры выпускного коллектора. Обычно для работы на водороде используется роторный двигатель, так как в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного.
Основное преимущество внедрения топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД. Например, паровоз за 150 лет своей эволюции смог достичь
5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента — 45 % и более. Во время
испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании
Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 %. КПД классического свинцового аккумулятора выше — до 70-90 %. Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей — дороговизна и несовершенство аккумуляторов. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов.
На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.
В 2009 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель — снизить к
2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л. с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания.
Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают: Ford Motor Company — Focus FCV; Honda — Honda
FCX; Hyundai — Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power); Nissan
— X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power); Toyota — Toyota
Highlander FCHV; Volkswagen — space up и другие единичные экземпляры в
Бразилии, Китае, Чехии и т. д.
Водородная заправочная станция – оборудование для заправки водородом или водородной смесью HCNG транспорта на шоссе или дома. Топливо обычно отпускается в килограммах.

Рисунок 2-6. Водородные заправочные станции
Водородные заправочные станции можно разделить на три типа:

Мобильные

Стационарные

Домашние
Мобильные станции предназначены для заправки техники в местах, где нет другой водородной инфраструктуры. Например, военной техники, выставочных образцов и т.д.
Стационарные станции предназначены для продажи водорода, произведённого на самой станции, или в другом месте. Некоторые из них располагаются на химических производствах, где производят водород, или получают водород в виде побочного продукта основного производства.
Домашние заправочные станции создаются как решение проблемы отсутствия водородной инфраструктуры. Они могут производить 200 – 1000 кг водорода в год, что достаточно для заправки 1-5 автомобилей в сутки. Водород может производиться электролизом воды в ночное время. Это позволит сгладить пики потребления электроэнергии.
Honda испытывает свою бытовую установку под названием Домашняя энергетическая станция Honda. Установка в бытовых условиях производит водород из природного газа. Часть водорода используется в топливных элементах для
производства тепловой и электрической энергии для дома. Оставшаяся часть водорода используется для заправки автомобиля. Британская компания ITM Power
Plc разработала и испытала в 2007 г. бытовой электролизёр для производства водорода. Водород производится ночью, что позволит сгладить пики потребления электроэнергии. Электролизер мощностью 10 кВт производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода достаточно для 40 км пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. Компания планирует начать производство бытовых электролизеров в начале 2008 г. ITM Power достигла уровня себестоимости электролизеров $164 за 1 кВт.
Топливо. Подавляющая часть водородных заправочных станций продаёт газообразный водород. Из общего количества заправочных станций, построенных
2004—2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.
Ставку на жидкий водород сделала BMW. Её битопливный (водород/бензин)
BMW hydrogen 7 работает на жидком водороде. Председатель совета директоров и главный управляющий General Motors Рик Вагонер (Rick Wagoner) также считает жидкий водород более перспективным. General Motors на свой прототип HydroGen3
(Opel Zafira) устанавливает два бака: один для газообразного водорода, другой для жидкого.
Гибридный привод в мире. До недавнего времени, проблемой для внедрения гибридного привода в конструкции автобусов являлась высокая стоимость подобных схем, вызванная, в частности, ценой на силовую электронику, электрические машины и накопители электроэнергии. Однако в настоящее время, разработаны как экономически оправданные преобразовательные силовые устройства и электрические машины для автотранспорта, так и эффективные накопители электрической энергии. Все это позволяет создать экономически оправданную систему гибридного привода. В качестве базового варианта рассматривается дизельный двигатель, однако он может быть легко заменён на бензиновый или газовый ДВС. Комплект тягового электрооборудования может использоваться и с перспективными энергетическими установками на топливных
элементах, солнечных батареях и т.п. При этом изменения, которые должны быть внесены в схему, будут минимальны. Наиболее активные работы по созданию гибридных силовых установок и автобусов проведены североамериканскими производителями автобусов в сотрудничестве с крупными энергетическими компаниями и национальными лабораториями EPRI, General Electric, NREL, INEEL,
ISE Research и др. Разработка и производство ведется согласно государственным программам «The 21st Century Truck Program (21CT) and the U.S. Department of
Energy (DOE) Advanced Heavy Vehicle Hybrid Propulsion System R&D Program
(Heavy Hybrid Program). В 2002 году по заказу министерства энергетики США национальная лаборатория NREL провела анализ разработок гибридных грузовиков и автобусов различных типов с целью определения концепции построения гибридных силовых установок для городского и пригородного транспорта.
Принципы гибридного привода. Известно, что в городском цикле движения автобуса, особенно в крупных городах, при резко переменном характере нагрузок, частых остановках, многократных торможениях, двигатель автобуса работает далеко не в оптимальном режиме. Значительная часть топлива сжигается впустую, выбросы в атмосферу угарного газа, двуокиси углерода, других вредных веществ и твердых частиц превышают нормы экологичности работы транспортных средств.
Самым эффективным на сегодняшний день и ближайшую перспективу решением по экономии топлива и снижению уровня выброса вредных веществ является применение в городских маршрутных автобусах комбинированной (гибридной) энергетической системы – гибридного привода. Под гибридной энергоустановкой принято понимать наличие на транспортном средстве двух источников энергии – двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и накопителя энергии. Наиболее экономически и технически целесообразными являются дизель-электрические энергоустановки. Использование подобных автобусов позволяет добиться уникального уровня экономичности, экологической чистоты, при всё возрастающих требованиях по выбросам в атмосферу вредных веществ, и при этом обеспечить повышение комфортности и управляемости.
Применение гибридной энергоустановки позволяет: снизить в 10 раз уровни выбросов вредных веществ

( CO, CO2, NOx, HC и др.); обеспечить экономию топлива от 25% до 50 %; обеспечить запуск ДВС, генерацию и рекуперацию электроэнергии с накоплением и последующим использованием ее; использовать ДВС меньшей мощности ( до 30 % снижение мощности по сравнению с традиционной схемой) при сохранении момента на колесах; организовать работу ДВС в оптимальном по топливной эффективности и выбросам режиме; осуществить автономный ход на электротяге, используя только энергию накопителя; повысить комфортность автобуса (снизить шум, вибрацию, улучшить управляемость, создать «электронные КПП, АБС» и т.д.); повысить надежность и ресурс механической системы торможения и работы автобуса в целом. Гибридный привод РУСЭЛПРОМ Предприятия Российского электротехнического концерна
«РУСЭЛПРОМ» - ООО
«Русэлпром -
Электропривод» и ОАО «НИПТИЭМ» по заказу ООО «ЛиАЗ» (дивизион
«Автобусы» группы «ГАЗ») выполнили разработку комплекта тягового электрооборудования для городского маршрутного автобуса на основе новой модели низкопольного городского автобуса ЛиАЗ-5292. В ходе разработки пройдены необходимые этапы математического моделирования, разработки схемотехники и конструкции комплекта тягового электрооборудования (КТЭО), выполненного последовательной схеме: генератора, тягового двигателя, силовой и управляющей электроники, вспомогательных систем питания и охлаждения. Создан испытательный стенд для наладки и испытаний силовой электроники, электрических машин, отработки алгоритмов управления, программного обеспечения контроллеров электропривода и контроллера верхнего уровня для оптимального управления потоками мощности дизеля и накопителя в режимах тяги и торможения. Изготовлены и испытаны на стенде все составные части КТЭО и весь комплект в целом, включая накопитель энергии, выполненный на основе суперконденсаторов фирмы Maxwell. Весь комплект смонтирован на автобус ЛиАЗ-
5292, в составе которого проводятся заводские и полигонные испытания.
Экспериментальный образец такого автобуса, демонстрировавшийся на международном автомобильном форуме в Москве 8-12 сентября 2008 г. занял первое место и получил звание «Лучший автобус России 2008 года».

Рисунок 2-7. Экспериментальный образец автобуса ЛиАЗ-5292
Созданный комплект может легко адаптироваться под применение в современных и перспективных отечественных автобусах различных производителей, различных модификаций ( например, «Мичуринский автобус» модель 5277, НефАЗ-
5299, «Волжанин» модель Ситиритм-12, ПАЗ-3237, МАЗ-103, МАЗ-203).
Последовательная схема наиболее проста в разработке, внедрении, адаптации, оптимальна для городского маршрутного автобуса, экономически наиболее оправдана, что подтверждается опытом мировых и европейских производителей.
Городской автобус с КТЭО РУСЭЛПРОМ удовлетворяет как современным, так и перспективным требованиям: по экологичности работы транспортных средств не ниже Евро-4 по Правилам ЕЭК ООН № 49 (04); по экономичности – будет иметь транспортную норму расхода топлива не более 30 л/ 100 км при движении в городском цикле ( экономия не менее 25% по сравнению с базовым автобусом); по управляемости и комфортности – превышать базовый автобус по плавности разгона и торможения, характеристикам управляемости, шумности работы; по показателям надежности – иметь среднюю наработку на отказ не менее 100000 часов, вероятность безотказной работы КТЭО за время наработки 1000 часов не менее
0,995 при экспоненциальном законе распределения отказов по времени.
Разработанный для автобуса ЛиАЗ-5292 КТЭО включает: - тяговый асинхронный генератор (мотор – генератор) переменного тока (М-Г); - тяговый асинхронный
двигатель (ТАД); - силовые преобразователи с микропроцессорной системой управления (СП) для АМ-Г и ТАД; - буферный накопитель на основе электрохимических конденсаторов (ЭК) -суперконденсаторов; - контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой с органами управления и отображения информации в кабине водителя; - тормозной резистор с чоппером; - систему питания собственных нужд оборудования КТЭО.
Компоненты гибридного привода
Функциональная схема взаимодействия составных частей комплекта тягового электрооборудования, выполненного по последовательной схеме, имеет следующий вид:
Рисунок 2-7. Функциональная схема комплекта тягового электрооборудования, выполненного по последовательной схеме
Желтыми стрелками показано направление потоков мощности при разгоне и движении автобуса, коричневым цветом – направление потоков мощности при торможении и остановке, а также при запуске ДВС от накопителя энергии при помощи М-Г. Рассмотрим аргументы в выборе устройств для реализации отдельных элементов КТЭО. В качестве АМ-Г и ТАД разработаны, изготовлены и испытаны асинхронные машины. Предпочтение отдано асинхронным низковольтным трехфазным двигателям, так как они простоты по конструкции и обладают уникальными эксплуатационными качествами: имеют большой срок службы, просты в обслуживании и ремонте, отсутствие подвижных электрических контактов обуславливает их высокую надёжность. В качестве силовых преобразователей - СП
М-Г и СП ТАД использованы интеллектуальные интегральные модули трехфазного
мостового преобразователя SKAI фирмы Semikron. В состав силового интеллектуального модуля входят силовые ключи на IGBT-транзисторах с антипараллельными FRD-диодами, схемы защиты силовых ключей и формирователи импульсов управления (интеллектуальные драйверы), конденсатор шины постоянного тока, датчики тока, напряжения и температуры. Силовые ключи и технология прижимного контакта фирмы Semikron имеют лучшие характеристики в своем классе и лучшие показатели надежности, устойчивости к энерготермоциклам, что особенно важно для транспортных применений. Модуль имеет чрезвычайно малую внутреннюю паразитную индуктивность, что позволяет строить на нем преобразователь с повышенным напряжением звена постоянного тока (до 900В при IGBT на 1200В). Уникальная конструкция модуля SKAI, специально разработанного для применения в системе тягового привода на автотранспорте, имеет лучшее соотношение цена / качество и позволяет строить преобразователь с возможностью изменения направления передачи мощности – возбуждение асинхронного генератора, управление генератором в режиме двигателя при пуске дизеля и при торможении автобуса, управление тягой асинхронного двигателя и его генераторным режимом при торможении автобуса. Для управления модулями SKAI разработана плата микроконтроллера управления на базе аналого- цифрового сигнального процессора, в котором реализованы оригинальные алгоритмы векторного управления моментом и скоростью. На фото показано размещение блока силовой электроники (в режиме отладки) с СП М-Г, СП ТАД в заднем свесе автобуса ЛиАЗ-5292 со стороны салона:

Рисунок 2-8. Размещение блока силовой электроники заднем свесе автобуса ЛиАЗ-
5292 со стороны салона
Улучшение экономических и экологических показателей работы энергоустановки автобуса с КТЭО обусловлено качественно другим режимом работы ДВС в ее составе. Дизельный двигатель будет работать в стационарном режиме, оптимальном по экономии топлива и выбросам вредных веществ.
Применение дизеля меньшей мощности в гибридном автобусе по сравнению с серийным, возможность рекуперации энергии при торможении, движении накатом или сбросе скорости позволит сэкономить до 50% топлива. Управляемость гибридного автобуса и комфортность его обеспечивается скоростью реакции системы органов управления и электропривода на управляющие воздействия водителя, которая для электрической системы на порядок превышает скорость реакции механической или гидромеханической системы. Шумность тягового оборудования снизится за счет исключения механической связи между ДВС и колесами (половина элементов механической трансмиссии) и применения ДВС меньшей мощности по сравнению с традиционной схемой. Применение электронной системы управления тяговым приводом позволит реализовать функции управления и сервиса, недоступные на обычном транспортном средстве.

Мнения специалистов. По оценкам специалистов дивизиона «Автобусы» группы «ГАЗ» увеличение стоимости автобуса на стоимость КТЭО с учетом уменьшения стоимости дизеля меньшей мощности, удаления автоматической коробки передач и т.п. только за счет экономии топлива в 25 % окупится через 100 –
120 тыс. км пробега. А если учесть снижение эксплуатационных затрат на обслуживание, ремонт и расходные материалы, повышение ресурса работы дизеля, а также снижение уровня выбросов почти в 10 раз городской автобус с гибридной силовой установкой не зря считают пожалуй единственным экономически и технически оправданным путем получения экономии топлива и экологической чистоты на городском автомобильном транспорте. Совершенно очевидно, что создаваемый автобус с комплектом тягового электрооборудования для последовательной гибридной электромеханической трансмиссии будет конкурентоспособным по соотношению цена/качество не только на внутреннем, но и на внешнем рынке.
Рынок городских автобусов с гибридной установкой. Зарубежный рынок городских маршрутных автобусов с гибридной силовой установкой оценивается в
10 000 автобусов в год. При средней цене таких автобусов 400 тыс. ЕВРО ежегодный (начиная с 2010 года) объем продаж составит около 4 млрд. евро (около
150 млрд. рублей.
Опыт освоения водородных технологий на автомобильном транспорте
ФГУП «НАМИ» ведёт работы в области освоения водородных технологий на транспорте уже более двух десятилетий. В последние годы, учитывая актуальность водородной тематики в решении проблемы глобальной энергетической безопасности страны, эти исследования перешли на новый качественный уровень.
К актуальным разработкам следует отнести разработку двигателей внутреннего сгорания полностью или частично (с добавкой к основному топливу) работающих на водородном топливе, синтезируемом на борту транспортного средства из альтернативных энергоносителей (метанол или метан) или хранящемся на нём в компримированном, либо жидком состоянии. Достоинствами данных решений является их быстрая реализация в серийном производстве, использование
существующей транспортной инфраструктуры (в случае синтеза водорода на борту
АТС), значительное (до 45%) снижение выбросов вредных веществ и улучшение экономичности (до 15—20%) автомобиля. К недостаткам подобных схем следует отнести отсутствие инфраструктуры заправки автомобилей жидким или газообразным водородом, что, в принципе, является общим для всех этапов развития транспортной водородной энергетики.
Среднесрочными перспективными разработками являются автомобили с комбинированными энергоустановками на базе двигателя внутреннего сгорания, работающего на водородном топливе, синтезируемом на борту АТС. В этом случае двигатель работает на режимах близким к стационарным, что обеспечивает уменьшение выбросов токсичных компонентов с его отработавшими газами (до 60% по отношению к традиционному бензиновому двигателю), улучшает условия работы системы синтеза водорода, и, как следствие, снижение расхода топлива (до 40—45% по отношению к традиционному бензиновому двигателю). При разработке такого автомобиля должна быть создана электромеханическая трансмиссия и источники накопления энергии на борту автомобиля
(буферные накопители — тяговые аккумуляторы, суперконденсаторы).
К дальнесрочным проектам следует отнести автомобили с энергоустановками на базе топливных элементов. Их дальнесрочность определяется, в первую очередь, отсутствием компактных топливных элементов в Российской Федерации, с характеристиками, приемлемыми для автомобильного транспорта.
Однако, автомобиль с комбинированной энергоустановкой на базе водородного ДВС, является первым шагом на пути освоения АТС с топливным элементом. Его элементы — электромеханическая трансмиссия, буферные накопители, система получения водорода — являются универсальными для автомобилей с КЭУ, т. е. при разработке топливного элемента отечественной промышленностью, он может явиться заменой водородному ДВС. Опыт зарубежных исследователей показывает, что такой топливный элемент при цене за 1 кВт его энергии в размере 200—250 дол. США может быть создан не ранее, чем через 20—
25 лет.

Одной из последних разработок ФГУП «НАМИ» является принципиально новое транспортное средство (на шасси автомобиля ЗИЛ-5301) с энергетической установкой на базе топливных элементов, работающих на водороде.
Рисунок 2-9. Грузовой автомобиль на шасси ЗИЛ-5301 с комбинированной энергоустановкой на базе водородных топливных элементов


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал