АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Аккумуляторные батареи (или аккумуляторы) являются обязательной принадлежностью обычного автомобиля с ДВС. Они используются для запуска двигателя с помощью стартера и обеспечивают электроэнергией различные потребители при стоянке автомобиля с нерабо­ тающим двигателем. Для подзарядки аккумуляторной батареи и получения электроэнергии при движении автомобиля используется генератор, который приводится в действие от ДВС. Наибольшее распространение в качестве автомобильных получили свинцово-кислотные ак­ кумуляторы. Какова же эффективность такого источника энергии?

Энергия, получаемая при сгорании 1 кг бензина, примерно эквивалентна 12 кВт/ч, из которой 4,5 кВт/ч преобразуется в механическую энергию в обычном автомобильном ДВС. Стандартный автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор напряжением 12 В, ем­ костью 50 А-ч, накапливает энергии 0,6 кВт/ч и весит приблизительно 20 кг. Таким образом, для получения энергии эквивалентной 1 л бензина, с учетом неизбежных потерь при ее преобразовании, потребуется комплект аккумуляторных батарей весом примерно 160 кг. Понятно, что для обеспечения достаточного пробега без подзарядки аккумуляторный элект­ ромобиль с таким типом аккумуляторов будет иметь очень большой вес, и его эксплуатация становится малоэффективной.

В 70-годы XX века были начаты работы по разработке более эффективных аккумуляторов. В настоящее время существуют конструкции аккумуляторных батарей, которые являются более эффективными, чем свинцово-кислотные (никель-кадмиевые, ионно-литиевые и др.). Несмотря на то что энергоемкость этих аккумуляторов значительно выше, чем у свинцово-кислотных, стоимость всех этих аккумуляторов без исключения намного больше, хотя часть их стоимости компенсируется более долгим сроком службы (рис. 8.4).

Одной из возможных альтернатив аккумуляторной батарее является конденсатор, который эффективнее накапливает энергию и имеет лучшие показатели в отдаче энергии (аккумуля­ торы перегреваются, если энергию забирать от них слишком быстро). Батареи из больших конденсаторов способны накапливать значительные количества электроэнергии. Вместе с тем конденсаторы не подходят для долговременного аккумулирования энергии, они эффек­ тивны только при кратковременном ее сохранении, например для накапливания энер­ гии при торможении, перед тем как отдать ее при разгоне (так называемая рекуперация энергии). В 1997 г. фирма Honda продемонстрировала автомобиль с батареей конденсато­ ров, которая могла накапливать энергии достаточно, чтобы снабжать ею электродвигатель в 10 кВт в течение 12 с, т. е. достаточного времени для осуществления разгона на автостра­ де или для совершения обгона. Некоторые японские исследовательские группы предполага-

Рис. 8.4. Аккумуляторный электромобиль производства GM

ют использовать комбинацию эффективно­ го аккумулятора (никель-кадмиевого или ионно-литиевого) и высокомощного конден­ сатора для получения легкого, эластичного и мощного буферного накопителя энергии для гибридного автомобиля.

Своеобразным аккумулятором, запасаю­ щим механическую энергию, может служить баллон, в котором под высоким давлением находится воздух. Сжатый воздух, подавае­ мый при определенном давлении в цилиндры поршневого двигателя, может перемещать поршни, и их перемещение можно использо­ вать для движения автомобиля. Транспорт­

ные средства с воздушным двигателем или пневмоавтомобили не являлись редкостью во вто­ рой половине XIX в. и довольно широко использовались как грузовые автомобили и заводские автокары. Однако ограниченный запас хода таких автомобилей и опасность взрыва баллонов не позволили им успешно конкурировать с другими типами транспортных средств, что привело к практически полному их исчезновению. В наши дни к идее такого автомобиля снова верну­ лись. Французская компания Zero Pollution Motors в 2000 г. создала автомобиль e.Volution, ко­ торый приводится в действие двухцилиндровым двигателем, работающим на сжатом воздухе. Воздух находится в баллоне из углеродистого пластика под давлением 30 000 кПа и подается в двигатель с помощью форсунки с электронным управлением. Этот автомобиль может двигать­ ся с максимальной скоростью 96,5 км/ч. Запаса сжатого воздуха в баллонах с общим объемом в 300 л хватает на пробег 200 км. Заправка баллонов может производиться на компрессорной станции в течение 3 мин или от домашнего компрессора с электроприводом в течение 4 ч.

Таким автомобилям присущи недостатки, свойственные аккумуляторным автомобилям: низкая эффективность, малый запас хода и перенос загрязнений окружающей среды в местность, где находится электростанция. Вместе с тем, такие автомобили могут найти применение в го­ родах с неблагоприятной экологической обстановкой, поскольку выбросы вредных веществ от такого автомобиля практически равны нулю. Не случайно правительство Мексики заказа­ ло 40 000 автомобилей e.Volution для замены бензиновых и дизельных автомобилей-такси г. Мехико, где воздух сильно загрязнен.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Любой тип электрического транспортного средства нуждается в тяговом приводном электро­ двигателе, наличие его и является признаком электрического автомобиля. Когда гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах заменят автомобили с двигателями вну­ треннего сгорания, понадобится все больше и больше таких двигателей. Оптимизация их конструкции становится очень важной проблемой.

Одна из проблем, хотя и не самая важная, связанная с использованием первых электромо­ билей, заключалась в том, что на них устанавливались маломощные электродвигатели с еще более неэффективной системой управления, которые были шумными и имели плохую отдачу. Электрический силовой узел, приемлемый для электрокара, может быть не совместимым с легковым автомобилем. В начале 1990-х казалось, что выбор между электродвигателями пе­ ременного и постоянного тока окончательно сбалансировался. Электродвигатели переменного тока в основном имеют большую мощность, но требуют преобразования постоянного тока от ак­ кумулятора в переменный, питающий током электродвигатель. Прототипы электрических авто-

мобилей. которые появились к 2000 г. (в основном в Японии), применили синхронные двига­ тели переменного тока, хотя фирма Honda использовала бесщеточный мотор-генератор, уста­ новив его между двигателем и трансмиссией на своем гибридном автомобиле Insight, дошед­ шем до серийного производства. Большинство современных тяговых двигателей переменного тока работают при напряжении в пределах 70-120 В, что является результатом компромисса между размерами электродвигателя, его мощностью и электрической безопасностью. Основ­ ная часть современных электромобилей использует одноступенчатую трансмиссию за счет спо­ собности тягового электродвигателя развивать максимум крутящего момента при очень небольшой скорости. С помощью современной технологии и принудительного охлаждения элек­ тродвигатели могут обеспечивать очень высокое соотношение крутящего момента к весу. Дви­ гатель компании Zytec (Великобритания) создает крутящий момент 60 Н-м при весе всего 13 кг и является достаточно компактным, чтобы быть смонтированным практически в ступице колеса. Главное место в современной системе управления электродвигателями занимает электроника, а все современные электродвигатели не имеют щеток. На большинстве элект­ ромобилей сегодня используется электронное управление двигателями, основанное на вы­ сокочастотном принципе. Возможно более совершенной альтернативой станет векторное управление, которое было продемонстрировано японской фирмой Mitsubishi на своем кон­

цептуальном автомобиле и которое обеспечивает еще большую эффективность.

Электрические автомобили могут экономить энергию путем рекуперации (от лат. recu­ perator — снова получающий, возвращающий). Это достигается переводом тяговых электро­ двигателей в режим генератора, чтобы запасти часть кинетической энергии, которая теряется (переходит в тепло и рассеивается) во время торможения. Для обеспечения эффективной рекуперации требуется электронное управление, что в итоге позволяет существенно увеличить пробег электрических и гибридных автомобилей.

Таким образом, сегодня можно сказать, что аккумуляторные электромобили имеют право на жизнь, но в основном — в виде технологических транспортных средств с небольшими пробе­ гами. Более перспективными автомобилями являются электромобили на топливных элементах и гибридные автомобили, которые являются промежуточным звеном, которое необходимо при переходе от традиционных автомобилей с ДВС к топливно-элементным конструкциям.