Гибридые автомобили

Содержание

      Введение………………………………………………………..……2

1. История гибридных автомобилей……………………………....2
2. Аккумуляторная батарея……………………………………......5
3. Электродвигатели……………………………………………..…8
4. Гибридные силовые узлы………………………………..……..10
5. Топливные элементы………………………………………..….13
6. Рынок гибридных автомобилей…..……………………………16
7. Электроника для гибридов………………………..……………20
8. Недостатки гибридных автомобилей…………….……………22

Заключение…………………………………………………………23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Проблема загрязнения  окружающей среды автомобильным  транспортом сегодня очень актуальна. На его долю приходится около 40% всех выбросов в атмосферу. В крупных  городах этот показатель достигает 60 – 80%. В автомобилях используется также множество эксплуатационных жидкостей, необходимых для работы силового агрегата, в частности смазочных  материалов, с утилизацией которых  возникают проблемы. Отработавшие масла  зачастую сжигают, загрязняя атмосферу, или попросту сливают прямо на землю, нанося значительный вред почвенному покрову.

Так же остро стоит  проблема истощения нефтяных ресурсов. При нынешних темпах потребления  по различным прогнозам, её хватит примерно на 90 – 110 лет.

Крупные автопроизводители видят решение этих проблем в переходе на альтернативные источники энергии, и уменьшении доли работы бензиновых и дизельных двигателей в автомобиле, за счет применения совместно с ним электродвигателей (гибридные силовые узлы).

 

1. История гибридных автомобилей.

 

Изобретение гибридных  автомобилей (Hybrid Electric Vehicles, HEV) было одним из шагов автопроизводителей и послужило для осуществления двух стратегий — экономии топлива и удовлетворению растущего спроса на менее загрязняющих окружающую среду автомобилей. Бензиновые автомобили при эксплуатации создают проблему высокой цены топлива для клиентов, для электрических автомобилей (Electric Vehicles, EV) необходимы высокие начальные инвестиции для производителей и потребителей.

В этой ситуации автопроизводители изобрели гибридные автомобили, работающиеи на бензине, и на электричестве (электрический двигатель).[1]

 

Несколько лет назад  большинство людей верили, что  «экологически чистый электрический  автомобиль», в конечном счете, заменит  автомобили с двигателями внутреннего  сгорания и таким образом будут  решены все наши проблемы, связанные  с выбросами отработавших газов  и риском исчезновения жидких видов  топлива.

Люди, имевшие отношение  к автомобилям, представляли себе, что  они будут получать энергию от батарей, которые будут перезаряжаться всякий раз, когда разрядятся. Это  была простая точка зрения, которая  игнорировала один фактор: энергия  для перезарядки должна быть получена от конкретной электростанции, и если она сжигает твердое топливо, лучшее из того, что может произойти, — это то, что загрязнение передается от того места, где ездят автомобили, в место, где находится электростанция.

В конце 90-х годов  несколькими из всемирно известных, крупных производителей автомобилей  были приложены определенные усилия, чтобы организовать автомобильный  рынок электрических автомобилей  в Калифорнии. Сейчас понятно, что  эти усилия потерпели неудачу, частично из-за ограниченного запаса энергии  всех аккумуляторов электрических  транспортных средств (давайте называть их аккумуляторными электромобилями), но главным образом потому, что  сами аккумуляторные батареи оказались  очень дорогими в производстве и  имели слишком маленький ресурс до необходимости их замены.

Некоторые исследователи  также подвергали сомнению улучшение  экологии в том случае, если большинство  транспортных средств в мире будут  электрическими, потому что производство (и переработка) батарей связаны  с применением огромного количества недружелюбных металлов, таких, как  свинец и кадмий.

Неужели это означает конец мечты об электрическом  автомобиле? Ни в коем случае. Это  не может даже означать конец аккумуляторных электромобилей, хотя теперь кажется, что, вероятно, они сохранятся только для выполнения специальных задач, подобно организации коммерческих поставок в городских центрах. Более правильно будет считать электрическим автомобилем тот, чьи колеса приводятся в действие электроэнергией, и затем уже разделить такие транспортные средства на три типа, к первому из которых принадлежит простой аккумуляторный электромобиль.

Первая альтернатива — автомобиль, в котором двигатель  внутреннего сгорания приводит в  действие генератор, который, в свою очередь, производит электроэнергию для  привода колес. Это — «гибридное»  электрическое транспортное средство или HEV (Hybrid Electric Vehicle). Наконец, имеется транспортное средство, возможно, с самым ярким будущим, но в отдаленной перспективе, в котором электроэнергия обеспечивается топливным элементом. Мы можем называть такие транспортные средства FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle).

Очень похоже, что  в течение следующей половины столетия автомобили на топливных элементах  постепенно станут стандартным типом  легкового автомобиля, а гибридные  помогут сгладить переходный период. Двигатель внутреннего сгорания, в конечном счете, станет устаревшим и старомодным, и мы будем смотреть на него так, как мы сейчас смотрим  на двигатель паровоза, в то время  как небольшое количество аккумуляторных электромобилей будет двигаться  по технологическим маршрутам, которые не будут слишком далеки от мест их подзарядки.

Чтобы более ясно представлять это будущее, мы, очевидно, должны рассмотреть гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах  более подробно, но сначала мы должны подумать относительно батарей и  их возможных альтернатив, даже если аккумуляторные автомобили ждет только ограниченное будущее.[2]

 

   2. Аккумуляторная батарея

Единственная цель любой  аккумуляторной батареи состоит  в том, чтобы накапливать электроэнергию и отдавать ее по требованию.

Независимо оттого, практичны  электромобили или нет, все транспортные средства нуждаются в некотором  устройстве, чтобы хранить энергию. Даже обычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания нуждается  в аккумуляторе для запуска и  для включения всех его электрических систем, независимо оттого, производит ли генератор переменного тока достаточно энергии в этот момент.

Гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах скорее всего  будут нуждаться в более мощном «энергетическом буфере», или в  аккумуляторной батарее или ее альтернативе, для того чтобы обеспечить работу их силовых установок с максимальной эффективностью в течение всего  времени. Буфер будет заботиться о пиковых нагрузках, запасая  энергию и отдавая ее по требованию. Аккумуляторные батареи будут иметь  будущее, независимо от того, как будет  развиваться автомобильная техника.

Для использования в автомобилях  батарея, очевидно, должна быть перезаряжающейся, а не выбрасываемой, которые мы используем в портативных радиоприемниках и фонарях. Существует много химических составляющих, которые могут быть использованы как основа для перезаряжающихся батарей.

Некоторые накапливают больше энергии (по отношению к весу и  размерам), чем другие, но многие высокоэффективные  комбинации требуют экзотических и  дорогих материалов, а есть такие, которые потенциально опасны или  по отдельности, или в комбинации. Лучшими энергетическими показателями на сегодняшний день обладает батарея, которую можно получить соединением водорода и фтора, но никто из тех, у кого есть чувство самосохранения, не попробовал создать ее.

Давайте рассмотрим работу по накапливанию энергии на примере  бензина и свинцово-кислотного аккумулятора. Энергия, получаемая при сгорании 1 кг бензина, эквивалентна примерно 12 кВт/ч, из которой 4,5 кВт/ч переходит в  механическую энергию в двигателе  внутреннего сгорания стандартной  эффективности. Стандартный автомобильный 12-вольтовый свинцово-кислотный  аккумулятор емкостью 50 ампер/часов  накапливает энергии 0,6 кВт/ч, а весит приблизительно 20 кг.

Таким образом, банк свинцово-кислотных  аккумуляторов с запасом 4,8 кВт/ч, учитывая небольшие потери энергии при ее преобразовании, весит около 160 кг. Тщательно оптимизированная конструкция банка и его компонентов, возможно, уменьшит его вес до 100 кг.

Другими словами, чтобы хранить  заданное количество энергии, батарея  весит в 100 раз больше эквивалентного количества бензина, и автомобиль должен нести этот вес на себе, еще больше снижая эффективность. Серьезно исследовались  концепции создания более совершенных  аккумуляторов, и они дали возможность  улучшить характеристики свинцово-кислотных  аккумуляторов в четыре раза, а  это значит, что они будут весить в 25 раз больше, чем весит эквивалентный им бензин в баке.

Однако, поскольку борьба за сохранение окружающей среды стала  серьезной силой в 70-е годы, разработке таких аккумуляторов были посвящены  интенсивные исследования.

Результаты не были поражающими. В одном обзоре в конце 1990 года сообщалось, что число концептуальных автомобильных аккумуляторов, серьезно изучавшихся с конца 70-х, сократилось  до шести вариантов, имеющих перспективу  использования в обозримом будущем. Они включали в себя хорошо зарекомендовавшие  себя свинцово-кислотные аккумуляторы и никель-кадмиевые аккумуляторы.

Оставшиеся четыре типа включали в себя никель-металлические гидриды, содо-никелевые хлориды, литий-углеродные и литий-полимерные (литий-ионные). Несмотря на то что показатели этих аккумуляторов значительно лучше, чем у свинцово-кислотных, стоимость всех этих аккумуляторов, без исключения, намного больше, хотя на это можно возразить, что часть их стоимости компенсируется более долгим сроком службы.

На практике большинство  производителей автомобилей оборудовали  свои демонстрационные электромобили, гибридные и автомобили с топливными элементами никель-металлическими гибридами и литий-ионными аккумуляторами. Эти два типа сегодня хорошо разработаны технически, но остаются очень дорогими, по сравнению со свинцово-кислотными, которые пока производятся в больших объемах.

Одной из возможных альтернатив  аккумуляторной батарее является конденсатор, который лучше накапливает энергию  и имеет лучшие показатели отдачи энергии (аккумуляторы перегреваются, если энергию забирать от них слишком  быстро). Конденсаторы наиболее известны как очень маленькие детали электрических цепей, в которых они накапливают энергию вместо того, чтобы пропускать электрический ток. Батареи из больших конденсаторов способны накапливать значительные количества электроэнергии.

Вместе с тем конденсаторы не подходят для долговременного  хранения энергии, они эффективны при  кратковременном хранении — например, для накапливания энергии при  торможении, перед тем, как отдать ее при разгоне. В 1997 году Honda продемонстрировала автомобиль с батареей конденсаторов, которая могла накапливать достаточно энергии, чтобы снабжать ею электродвигатель в 10 кВт в течение 12 секунд, времени достаточного для разгона на автостраде или для совершения обгона.

Некоторые японские исследовательские  группы предполагают использовать комбинацию эффективного аккумулятора, никель-металлического гибрида или литий-ионную и высокомощного конденсатора, для получения легкого, эластичного и мощного буферного накопителя для гибридного автомобиля.[2]

 

3. Электродвигатели 

Любой тип электрического транспортного средства нуждается  в тяговом приводном электродвигателе, наличие его и является, по нашему определению, признаком электрического автомобиля. Когда гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах  займут место двигателей внутреннего  сгорания, понадобится все больше и больше таких двигателей и их конструкция станет очень важна.

Одна из проблем, но не самая  важная, первых электромобилей заключалась  в том, что они использовали очень  «сырые» электродвигатели с еще  более «сырой» системой управления, которые были шумными и имели плохую отдачу. Электрический силовой узел, который приемлем для электрокара, может быть несовместим с легковым автомобилем.

В начале 90-х казалось, что выбор между электромоторами переменного и постоянного тока окончательно сбалансировался. Моторы переменного тока в основном имеют лучшую эффективность, но требуют преобразователя, чтобы преобразовывать ток, получаемый от аккумулятора постоянного тока.

Прототипы электрических  автомобилей, которые появились  к 2000 году в основном в Японии, использовали синхронные двигатели переменного  тока, хотя Honda использовала бесщеточный мотор-генератор, установив его на манер «бутерброда» между двигателем и трансмиссией на своем гибридном автомобиле Insight, дошедшем до производства.

Большинство современных  тяговых двигателей переменного  тока работают при напряжении в пределах 70—120 вольт, результате компромисса  между размерами мотора, эффективностью и электрической безопасностью. Основная часть современных электромобилей использует односкоростной привод за счет способности электрического тягового мотора развивать максимум крутящего  момента при оборотах, равных нулю, или при очень маленькой скорости.