Электромобили

решении проблемы с выбросами СО,. Топливные баки могут быть

заправлены метанолом точно так же, как бензиновые, но очевидно, что

нужна полностью новая сеть заправочных станций, распределение и

заправочные колонки.

Использование водорода может сделать систему на топливных

элементах гораздо проще, но возникнут огромные сложности при решении

вопросов в отношении того, как хранится топливо, передается и

13

распределяется, что потребует принятия серьезных мер безопасности.

Потенциально топливные элементы очень эффективны.

Еще в 1824 году французский ученый Карно доказал, что ДВС, работающий циклами расширения и сжатия, не может иметь

эффективность более 50% при преобразовании тепловой энергии

(являющейся химической энергией сгорающего топлива) в механическую.

Топливный элемент не имеет движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно.

Естественно, они будут иметь большую эффективность, чем 50%, и

особенно выгодны при низких нагрузках, на которых ДВС значительно

теряют свою эффективность.[2]

Рис.2. Схема автомобиля Nissan на топливных элементах

6.Рынок гибридных автомобилей

Несмотря на присутствие на рынке в течение многих лет, количество

гибридов все еще не превышает 2% продаж всех новых автомобилей —

согласно недавним данным Research & Market. Отмечено также, что в

Европе только 0,2% от всех автомобилей являются гибридами, причем

такая ситуация сложилась в связи с преобладанием дизельных

автомобилей. Доминирование дизельных автомобилей на европейском

рынке объясняется развитыми технологиями: прямого впрыска (Direct 14

Injection, DI), турбонаддув с переменной геометрией (Variable Geometry Turbocharging) и Common Rail Direct Injection (CRDI), а также высокой

экологичностью.

Многие специалисты R&M высказывают мнение, что спрос на

гибридные автомобили может значительно увеличиться в связи с их

топливной эффективностью и высокой скоростью роста цен на бензин.

Регуляция эмиссии также способствует стимулированию спроса, так как

правительства некоторых стран предлагают налоговые стимулирующие

факторы (налоговый кредит для покупателей). Так, согласно

исследованиям RNCOS, опубликованным в отчете “Global Hybrid Car Market Forecast to 2010”

• Глобальные продажи HEV будут увеличиваться с совокупным

среднегодовым темпом роста (Compound Annual Growth Rate, CAGR) порядка 12% в период 2008–2015 гг.

• Продажи гибридных автомобилей в США достигнут 1 млн в 2012

году.

• CAGR для японских HEV – 6,6% в период 2008–2011 гг.

• Рынок батарей для HEV увеличится с CAGR примерно 10,4% (с

2010 по 2015 год).

• Рынок гибридных компонентов возрастет с CAGR 17,4% с 2008 по

2012 год.

Экологичные гибриды привлекательны не только для правительств

или

заинтересованных

клиентов,

но

и

для

производителей,

культивирующих имидж технологического лидерства: Toyota, Honda, General Motors и других. Технология применяется и в потребляющих

много топлива SUV (Sport Utility Vehicle) и люкс-седанах, спортивных

автомобилях, в которых электрический привод добавляет мощности

(вместе с экономией топлива). Но преимущественные признаки гибридной

технологии

значительно

различаются

для

основных

типов

гибридомобилей:

• микрогибрид (Micro Hybrid);

• средний, «умеренный» или «мягкий» (Mild/Mid Hybrid), иногда

также называемый Assist Hybrid;

• полный гибрид (Full Hybrid).

Кроме того, выделяют также следующие типы гибридных

автомобилей:

• последовательные (Series Hybrids);

• параллельные гибриды (Parallel Hybrids);

• последовательно-параллельные гибриды (Series/Parallel Hybrids); 15

• одно- и двухрежимные гибриды (One-Mode и Two-Mode Hybrids).

Первоначально концепция гибридного автомобиля предполагала

совместную работу именно бензинового двигателя с привлечением

электрического двигателя. Но в дальнейшем эта концепция расширилась и

теперь включает следующие разработки и технологии:

• плагинные гибриды (Plug-in Hybrids);

• дизельные гибриды;

• гибриды на топливных ячейках (Fuel Cells);

• регенеративное торможение;

• новые батарейные технологии;

• новые электрические двигатели;

• 42-вольтные электрические системы;

• гибридные трансмиссии;

• стартеры и генераторы: Integrated Starter Alternator Damper (ISAD) (Continental), Belt Alternator Starter (BAS) Delphi;

• новые электронные компоненты.

Достижения в технологии литий-ионных батарей изменили рынок

PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) – так называемых плагинных, или

подключаемых к домашней электрической сети для зарядки батареи.

Способность PHEV снижать цену топлива оценивается примерно в 75

центов/галлон, кроме того, ввиду отсутствия использования многих

механических частей снижается и увеличивающаяся цена масла. Все же на

данном отрезке времени литий-ионные батареи характеризуются

размерами, температурным управлением, надежностью, прочностью, ценой материалов и производства – теми характеристиками, которые

создают временные трудности в применении этой технологии. Внимание

производителей сфокусировано на инновационных исследованиях и

разработках, предназначенных для того, чтобы оптимизировать

характеристики батарей.

Глобальный рынок PHEV оценивается по данным R & M в 130 000

автомобилей в 2015 году. Но сравнительно высокая стоимость PHEV и

FCV, главным образом, именно из-за цены стеков питания, все еще

удерживает ценовой зазор между PHEV и FCV, с одной стороны, и

обычными автомобилями, с другой. Кроме того, сложности продвижения

батарейных технологий также создают проблемы коммерциализации

PHEV и FCV. Ожидается, что в расширении рынка сыграют значительную

роль правительственные легислации.

С водородными автомобилями на топливных ячейках, продуктом

электрохимических процессов которых является вода, связывается

16

большое будущее, и различные автопроизводители разработали свои

автомобили, готовые к серийному выпуску. Но массовое распространение

сейчас ограничено главным образом их сравнительно высокой ценой, а в

последующие годы может быть ограничено отсутствием распределенной

топливной инфраструктуры. Поэтому переход на эти экологичные

автомобили компании также предполагают осуществить в два или три

этапа. На первом этапе – с привлечением гибридной технологии, на

втором и третьем этапах – посредством привлечения различных

источников энергии (электричества, E85, биотоплив, бензиновых топлив).

Согласно данным R&M, сейчас три автомобильных производителя

– Toyota, Ford и Honda – контролируют рынок гибридных автомобилей.

Доминирование этих производителей ожидается и в последующем. Но

если оценивать рынок гибридов по объемам продаж, то лидерство

удерживает Toyota, несколько опережающая GM. Другие лидирующие

компании – General Motors, Daimler, BMW, Chrysler, Mercedes-Benz, Nissan, Renault, Hyundai, PSA Peugeot, Citroёn, Volkswagen и ряд других —

параллельно работают над осуществлением своих технологических

стратегий. Многие производители компонентов для гибридных, альтернативных и водородных автомобилей одновременно работают над

созданием plugand-play powertrain платформы для новых автомобилей, сокращая число узлов, отнимающих мощность двигателя и, напротив, извлекая мощность из других источников энергии: торможения, выхлопов, солнца, химической энергии. Безусловно, все электронные средства

управления и обеспечения безопасности, уровня исполнения и

комфортабельности автомобиля, такие как электрические двигатели, дисплеи,

средства

визуального

и

звукового

предупреждения,

навигационные системы, фары, также потребляют мощность, и питание

этих систем – важный аспект проектирования систем автоэлектроники

следующего поколения [2].

7.Электроника для гибридов

Авторитетная французская консалтинговая организация Yole Development (www. yole.fr, www.i-micronews.com) прогнозирует, что в

2015 году в мире будет произведено более 17 млн. гибридных и

электрических автомобилей. Согласно более общим прогнозам 50 млн.

автомобилей будет продано в 2020 году, то есть половина произведенных

в это время автомобилей. С 2010 года на автомобильный рынок вошли и

EV-автомобили (Mitsubishi, Renault, GM, Ford, Daimler). Эту технологию

отличает все еще несколько ограниченный диапазон хода (40 миль) и

17

высокая цена, но благодаря инвестициям в литий-ионные батареи в данной

области ожидается прогресс.

Согласно этим общим тенденциям в автомобильном бизнесе в

ближайшие несколько лет наиболее актуален рыночный сектор, объединяющий автомобильную электронику, компоненты для гибридов

(обычных и плагинных) и электромобилей.

Автоматический старт/стоп, регенеративное торможение или чисто

электрический режим позволяют в большей степени повысить

экономичность и эффективность автомобиля, и водитель при этом не

отвлекается, долго раздумывая об экономических и экологических

аспектах поездки. Электроника выполняет калькуляцию, информирует и

инструктирует водителя о необходимости выполнения топливно-сберегающих действий или выполняет большую долю этих действий

самостоятельно. Электромобили и плагинные гибриды как переходное

звено между гибридами характеризуются еще меньшим числом

механических систем и узлов (например, отсутствует коробка передач), но

в этих автомобилях все более повышается роль электронных систем, двигателей для обеспечения электропитания подвижных механических

частей. В гибридах используются схемы управления и компоненты для

контроля ДВС, а также электроника для контроля и управления гибридной

системы.

Силовая электроника – ключевая технология для гибридов .

Согласно самым общим данным силовая электроника составляет 20% или

более (порядка 50%) от общей материальной стоимости гибридного

автомобиля, что даже выше, чем для EV, причем значительная доля цены

силовой электроники приходится на батарею[1].

8.Недостатки гибридных автомобилей

Гибридные автомобили имеют относительно больший вес, они

сложнее и дороже традиционных автомобилей с ДВС. Аккумуляторные

батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены

саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт США говорит, что

автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой

неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми

льготами.

Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного

производства гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не

пыталась создать гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои

усилия на разработке электромобилей. Наиболее удачная на сегодня

18

(2008г.) серийная разработка – Hybrid Synergy Drive (произносится

[ха́йбрид си́неджи драйв]) компании Toyota.

Хоть и в меньшей степени, чем электромобили, гибридные

автомобили подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние

выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал. [3]

Гибридный автомобиль

В России сегодня можно создать оптимальный гибридный

автомобиль стоимостью 130 тыс. руб. с использованием отечественных

комплектующих на базе любой легковой машины. Такой

суперавтомобиль, превосходящий зарубежные гибридные автомобили, будет иметь регулярный спрос и в Стране восходящего солнца, и в Корее, и в Китае, и в Индии (где Тато стоит 4 тыс. долл.), в Африке и Латинской

Америке и даже в стране «заходящего автомобильного солнца» США.

Для преобразования серийного автомобиля с двигателем внутреннего

сгорания в гибридный потребуются самые незначительные изменения.

19

Во-первых, снимаем с двигателя его «родные» стартер и

электрогенератор. А маховик двигателя преобразуем в короткозамкнутый

ротор электромотора-генератора. При этом по наружному периметру

диска маховика устанавливаем полоски постоянных магнитов. В

плоскости маховика концентрично ему закреплен фазный статор с

электрическими обмотками. Таким образом, получается типичный для

гибридных автомобилей электромотор и генератор, только совмещенный и

расположенный на маховике двигателя. В этом случае электродвигатель, установленный на маховике, применяется и как стартер ДВС. Поэтому

этот электроагрегат является одновременно стартер-генератором и

тяговым электродвигателем. При этом мощность электроагрегата в

режиме тягового двигателя 11 кВт (15 л.с.). Такое устройство упрощает

конструкцию гибридного автомобиля, снижает его вес и позволяет

отказаться от серийных стартера и генератора, устанавливаемых на

двигатель внутреннего сгорания.

20

Во-вторых, для легкового автомобиля на любой серийный литой

колесный диск с низкопрофильной шиной можно установить съемное

мотор-колесо мощностью 5 л.с. Аналог такого отечественного мотор-колеса освоен в производстве группой «Инкар» в г. Королеве.

Мотор-колесо было разработано НЭТИ-НГТУ. Материалы по мотор-колесу с асинхронным двигателем докладывались на советско-американском симпозиуме по электромобилям в 1979 г. Питание 54 в, КПД в длительном режиме 90%, коэффициент можности 0.75. Общая

мощность 4 мотор-колес гибридного автомобиля на базе серийного

составляет 20 л.с. (4 х 5 л.с.). Например, чистый электромобиль Мицубиси

Концепт EZ-MIEW имеет 4 мотор-колеса по 20 кВт (27 л.с.) каждый. На

электромобиле с общей мощностью мотор-колес около 108 л.с.

установлена батарея литий-ионных аккумуляторов весом 150 кг, что

обеспечивает пробег до 120 км, а полная перезарядка батареи занимает от

1 до 7 ч. Вес машины 1600 кг, максимальная скорость 150 км/ч. Это

данные 2006 г. Если сравнить технические данные японского

электромобиля и отечественного электромобиля ВАЗ-2108 ЭМ (1990 г.), выполненного по программе «Экологический фонд СССР», станет

очевидно, что японские специалисты за 16 лет не намного превзошли нас.

И это притом что на ВАЗе установлен один промышленный

электродвигатель ПТ мощностью 25 л.с. (18,5 кВт) и батарея никель-кадмиевых аккумуляторов (5 шт.), которые значительно уступают литий-ионным. А даже в наши дни чистый электромобиль является экзотикой, хотя у него самая простая трансмиссия и блок управления не сложнее, чем

у троллейбуса.

Конечно, у гибридного автомобиля трансмиссия сложнее.. При