Аккумулирование энергии при торможении и гибридные приводы

Ранее была рассмотрена целесообразность движения с изменяющейся скоростью и указано на возможность повышения экономичности при аккумулировании энергии, теряемой в процессе торможения.

При торможении теряется от 15 до 60 % кинетической энергии, придаваемой автомобилю двигателем. Доля этой потери зависит от вида автомобиля и типа движения (город, шоссе). На математических моделях было установлено, что если бы использовалось лишь несколько процентов этой энергии, то в условиях городского движения расход топлива автомобилем снизился бы на 20 – 30 %. Решение этой проблемы привлекает поэтому большое внимание специалистов.

Как уже отмечалось, довольно просто решается проблема аккумулирования энергии, теряющейся при торможении, у электромобилей. Если говорить об электромобилях с собственным электрическим аккумулятором, то для этого достаточно использовать приводной электродвигатель как генератор, который будет заряжать аккумулятор. Последний должен обеспечивать достаточный пробег электромобиля без перезарядки, иметь поэтому высокую емкость и, следовательно, способность запасать значительную энергию.

Кроме энергии при торможении можно аккумулировать и энергию при спуске с длинных пологих склонов.

Наиболее выгодны условия аккумулирования энергии у автомобилей, предназначенных для эксплуатации в качестве средств городского транспорта с частыми остановками [2]. Энергия, полученная за время движения между двумя остановками, не слишком велика, но если ее сразу использовать для последующего разгона, то аккумулятор будет иметь небольшой объем и его можно легко разместить в автомобиле.

При эксплуатации легкового автомобиля кроме торможения на горизонтальных участках дорог можно утилизировать также и торможение на длинных пологих спусках, однако чтобы запасти достаточное количество энергии, необходим аккумулятор больших размеров, а это приводит к потере полезного объема кузова и увеличению массы. По этой причине опыты с аккумуляторами проводятся большей частью на городских автобусах.

У электромобилей, получающих энергию из контактной (троллейной) сети, возможность аккумулирования энергии практически не имеет границ. В этих случаях электрическое аккумулирование достаточно просто осуществимо. Тяговый двигатель при переходе в генераторный режим становится элементом тормозной системы, эффективность которого, однако, снижается с падением частоты вращения и который не может остановить автомобиль и удерживать его в заторможенном состоянии. Поэтому он должен быть дополнен обычным стояночным тормозом, приводимым в действие при малых скоростях перед остановкой автомобиля. Энергию стояночного тормоза аккумулировать невозможно.

Так как в большинстве случаев автомобиль обычно имеет только одну ведущую ось, то и электрический тормоз действует также лишь на нее. В качестве ведущей выгоднее использовать заднюю ось, которая при разгоне и движении на подъеме загружена больше. Для торможения более пригодна передняя ось, нагрузка на которую больше при замедлении автомобиля и при движении на спуске. На границе скольжения колеса в этом случае задняя ведущая ось не сможет аккумулировать столько энергии, сколько нужно ее использовать при разгоне.

Для экстренного торможения недостаточно тормозов только на одной оси, особенно на задней. Поэтому полная возможность аккумулирования энергии ведущей осью ограничена, а устройства для утилизации энергии торможения на передней неведущей оси весьма сложны.

Наиболее подходящие условия аккумулирования энергии при торможении имеются в метрополитене. Движение между двумя станциями достаточно равномерное и в отличие от городских автобусов происходит без торможения и остановок на перекрестках. В связи с тем, что большинство пассажиров в метро стоит, интенсивность торможения довольно низкая, и выгодно торможение только тяговым двигателем; стояночный тормоз применяется лишь перед полной остановкой состава.

Экономия энергии, достигаемая аккумулированием, была проверена в метрополитене Нью-Йорка в цикле движения с 76 остановками. В испытательных вагонах, включенных в процесс обычной эксплуатации, были установлены инерционные (маховичные) аккумуляторы, приводимые электродвигателем.

Каждый вагон имел два инерционных аккумулятора, размещенных под полом, в связи с чем диаметр маховика был ограничен 500 мм. Аккумулятор состоял из четырех маховиков, расположенных в общем герметичном корпусе с давлением воздуха, равным 1/30 атмосферного давления, что позволяло снизить аэродинамические потери энергии при вращении маховиков. Масса каждого из маховиков – 68 кг. Для торможения и разгона поезда используется диапазон частоты вращения маховиков 9800 – 14000 мин^-1. На валу каждого аккумулятора был установлен генератор, предназначенный для ускорения или торможения маховика.

Если частота вращения маховика снижается до нижней границы рабочего диапазона, то маховик ускоряется за счет подвода энергии из сети питания. Нижняя граница рабочего диапазона частоты вращения установлена так, чтобы при нарушении подачи электроэнергии кинетической энергии маховиков хватило бы для достижения ближайшей станции. При остановке вагона с вращающимся маховиком энергию можно отвести в сеть.

Принцип работы системы изображен ниже. Аккумулятор S электрически соединен с блоком регулирования X и с тяговым двигателем M на ведущей оси вагона. При торможении (схема 1) ведущее колесо вагона приводит в движение электродвигатель М, который, работая в режиме генератора, обеспечивает разгон маховика аккумулятора. Соединение регулятора с сетью при этом прервано.

При последующем разгоне (схема 2) вращающийся маховик через свой генератор передает энергию электродвигателю M и одновременно на этот двигатель поступает также энергия из сети. Таким образом, сеть питания при разгоне частично разгружается.

После достижения поездом эксплуатационной скорости (схема 3) регулятор X отключит подачу энергии от генератора маховика и оставит только питание из сети. Введение в эксплуатацию таких вагонов с маховичными аккумуляторами позволило сэкономить 30 % энергии.

Инерционные приводы

Так называемый гиробус швейцарской фирмы «Эрликон», изготовленный еще до второй мировой войны, приводился в движение только инерционным аккумулятором, который на остановках получал энергию от собственного электродвигателя, питавшегося от контактных стержней, размещенных в местах остановок. Такой автобус был экологически чистым, бесшумным и не требовал создания троллейной сети. Из-за этих качеств он был особенно целесообразен для перевозок пассажиров в курортных городах.

По такому же принципу работает и гиробус, созданный фирмой «Дженерал Электрик» (США) (рис. 2). В отличие от гиробуса фирмы «Эрликон» он имеет более современную конструкцию и снабжен устройством, позволяющим аккумулировать энергию при торможении.

Маховик 1 с электрической машиной, служащей для привода маховика и выработки электрической энергии для тягового электродвигателя, размещен в герметичном корпусе, наполненном водородом. Водород легче воздуха почти в 10 раз, и поэтому при атмосферном давлении он обеспечивает значительное уменьшение потерь на трение в системе «маховик — газ». Поддерживать постоянное небольшое разрежение в корпусе, заполненном водородом, легче, чем при его заполнении воздухом.

Маховик сварен из стальных пластин и имеет максимальную частоту вращения 10000 мин^-1. Аккумулированная таким способом энергия достаточна для того, чтобы автобус массой 12700 кг проехал расстояние в 5,6 км. Без отбора мощности на привод вспомогательных агрегатов (отопление, вентиляция, сервоуправление, освещение) можно увеличить запас хода до 11 км. При этом частота вращения маховика упадет до 5000 мин^-1, что гарантирует подъезд к ближайшей станции зарядки аккумулятора. Повторный разгон маховика длится 90 с. Маховик в сборе весит 1500 кг и размещается в задней части автобуса за ведущей задней осью.

Тяговый электродвигатель постоянного тока 2 для раскручивания маховика размещен перед задней осью, а электронное устройство управления 3 — в средней части автобуса непосредственно под полом. Оно предназначено для регулирования частоты вращения маховика при его разгоне, а также для отбора энергии, требуемой для движения автобуса.

В настоящее время испытываются некоторые дополнительные устройства, которые позволяют разгонять маховик не только на остановках, но и при движении. Для этого короткий участок пути снабжается троллейным проводом, и при соединении с ним контактных штанг 4 автобуса вращение маховика может быть ускорено во время движения. В этом случае устраняется зависимость транспортного средства от размещения станций, и оно может проехать практически любое расстояние в пределах оборудованного пути без остановки.

При приводе автомобиля от маховика или при разгоне последнего необходима плавно регулируемая (бесступенчатая) трансмиссия. Например, при использовании энергии маховика его частота вращения постепенно уменьшается и для поддержания постоянной скорости движения транспортного средства передаточное число трансмиссии между маховиком и ведущим мостом должно также плавно уменьшаться. При разгоне маховика в период торможения автомобиля необходимо обеспечивать противоположный процесс. В случае использования электропривода с генератором переменного тока необходимо плавное изменение электрической частоты. Регулятор, требующийся для этого, сложен, имеет большие габариты и по этой причине использование такого устройства в легковых автомобилях невыгодно.

Для плавного изменения частоты вращения применяется и гидростатическая передача, принципиальная схема которой включает в себя насос с бесступенчатым изменением объема и гидродвигатель. Подробное описание такого устройства будет приведено в главе о трансмиссиях.

Гибридные приводы

Гибридные транспортные средства имеют два вида тяги, которые меняются или взаимно дополняют друг друга. Наиболее известной является комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Причина использования таких гибридных автомобилей заключается в том, что свинцовый электроаккумулятор слишком тяжел» [3] если он должен самостоятельно обеспечивать движение с достаточной скоростью и на значительные расстояния. При движении вне города, где требования к чистоте выхлопных газов не так строги и, как правило, имеется возможность длительного равномерного движения, выгодно использовать небольшой двигатель внутреннего сгорания, а при въезде в городскую черту включать электродвигатель.

В такой комбинации аккумулятор не будет слишком большим и тяжелым, а заряжать его можно либо при движении вне города, либо на стоянках через собственный генератор.

Пример такого гибридного автомобиля изображен на рис. 3. Создателем этого образца является моторостроительная фирма «Бриггс энд Страттон» (США). Один из двигателей, выпускаемых этой фирмой, — двухцилиндровый, воздушного охлаждения с рабочим объемом 694 см³ и мощностью 14 кВт при 3600 мин^-1 применен для обеспечения привода автомобиля.

Автомобиль весит 1450 кг, из которых 450 кг приходится на аккумуляторы. В нем использована трехосная ходовая часть автомобиля фирмы «Маратон Электрик», способствующая хорошему распределению массы по осям, поскольку в задней части автомобиля размещены заменяемые при зарядке аккумуляторы. Ведущей является средняя ось.

Автомобиль фирмы «Бриггс энд Страттон» предназначен для перевозки двух взрослых пассажиров, двух детей и багажа. При электроприводе он достигает скорости 65 км/ч, с бензиновым двигателем — 72 км/ч. В режиме совместной работы двух двигателей — 88,5 км/ч, что соответствует максимальной скорости движения в городе, установленной правилами движения в США. Максимальный расход топлива — 9,4 л/100 км. Если движение осуществляется преимущественно за счет электропривода, то расход топлива меньше. Запас хода, обеспечиваемый аккумуляторами, составляет 100 км. В автомобиле фирмы «Бриггс энд Страттон» не предусмотрено заряжать аккумуляторы от собственного двигателя внутреннего сгорания [4].

Схема соединения двигателя внутреннего сгорания и инерционного аккумулятора показана на рис. 4. Двигатель внутреннего сгорания 1 через муфту выключения 2 связан с раздаточной коробкой 3, которая соединяет привод ведущей оси 7 либо с двигателем внутреннего сгорания, либо с инерционным аккумулятором 5. За раздаточной коробкой находится муфта сцепления 4 и автоматическая многоступенчатая коробка передач 6 без гидротрансформатора.

Раздаточная коробка содержит зубчатый редуктор для привода маховика (либо автоматическую двухступенчатую передачу, обеспечивающую возможность изменить передаточное отношение между маховиком и двигателем), а также дифференциал для распределения мощности двигателя внутреннего сгорания между ведущей осью автомобиля и инерционным аккумулятором. Управление описанной системой производится в зависимости от режима движения и профиля дороги электронным регулятором (на рис. 4 не показан).

Гибридный привод с аккумулятором малой мощности прежде всего найдет применение в городских автобусах. Экономия энергии в этом случае достигает 25 %, что с избытком покрывает затраты на дорогую гибридную силовую установку. Автомобильные фирмы «МАН2 и «Мерседес-Бенц» (ФРГ) интенсивно работают над созданием автобуса с гибридным двигателем. Фирма «МАН» сосредоточила внимание на аккумулировании энергии в гидравлическом масляном аккумуляторе и создании гидростатического привода, в то время как фирма «Мерседес-Бенц» использует инерционный аккумулятор.

Максимальное давление масла в гибридной схеме фирмы «МАН» составляет 33 МПа. Гидросистема имеет резервуары с низким и высоким давлениями масла. При торможении автомобиля двигатель внутреннего сгорания отключается от ведущей оси муфтой сцепления, приводной гидродвигатель начинает работать в режиме насоса, вращаемого ведущими колесами, и закачивает масло в резервуар высокого давления. При номинальном давлении в этом резервуаре энергии жидкости достаточно для разгона автомобиля с места до скорости 50 км/ч.

При поддержании этой скорости для преодоления аэродинамического сопротивления и сопротивления качению можно использовать двигатель внутреннего сгорания меньшей мощности. Фирма «МАН» готовит 80 автобусов с гибридным приводом, в которых будет использован четырехцилиндровый двигатель мощностью 100 кВт вместо применяемого сегодня шестицилиндрового мощностью 147 кВт. Мощность на колесах автобуса, однако, не уменьшится благодаря применению аккумулятора. К преимуществам автобусов с гибридной схемой привода относятся также меньшие уровни шума при движений и выброса с отработавшими газами вредных веществ, загрязняющих окружающую среду.

Автобус фирмы «Мерседес-Бенц», использующий инерционный аккумулятор, может накапливать 1,5 кВт∙ч энергии, автобус фирмы «МАН» — 0,33 кВт∙ч. Муфты выключения и сцепления могут соединять ведущую ось с аккумулятором или двигателем (см. рис. 4). Маховик диаметром 500 мм и массой 100 кг изготовлен из стали и работает в диапазоне частоты вращения 8900 — 12000 мин^-1. Разработан и изготовляется маховик из графитоволоконного материала с максимальной частотой вращения 28000 мин^-1 и массой 24 кг.

Интересна комбинация гидростатической передачи с инерционным аккумулятором у городского автобуса шведской фирмы «Вольво». Схема соединения та же (см. рис. 4), но вместо коробки передач 6 применен гидростатический привод. Масляный резервуар высокого давления в этом случае заменен инерционным аккумулятором. Дизель обеспечивает поддержание частоты вращения аккумулятора на требуемом уровне. Возможны следующие режимы работы привода:

В последнем случае запас хода автобуса составит 1200 м с тремя остановками.

При использовании гидростатической передачи обеспечивается плавный разгон автобуса с ускорением 1,6 м/с², что создает комфортные условия для стоящих пассажиров. Благодаря аккумулированию энергии при торможении удается снизить расход топлива на 15—25 %. При равномерном движении избыточная мощность двигателя используется для заполнения масляного резервуара высокого давления.

Аналогичный принцип используется и в гибридном приводе экспериментального электромобиля фирмы «Гаррет», США. Как известно, срок службы электрического аккумулятора зависит не только от количества энергии, которую он может аккумулировать, но и от способа разрядки. Быстрая разрядка сильным током повреждает аккумулятор и уменьшает срок его службы. Наибольшее время безотказной работы обеспечивается при непрерывной разрядке током средней величины.

Однако движение в городе требует частых ускорений, т. е. сильного разрядного тока после каждой остановки. Движение с максимальной скоростью также требует повышенной мощности двигателя и соответственно высоких значений разрядного тока. Эти способы движения ведут к быстрой разрядке аккумулятора и существенно снижают срок его службы.

Свинцовый аккумулятор с плотностью энергии около 30—40 Вт∙ч/кг довольно мало чувствителен к быстрой разрядке сильным током. Аккумуляторы с большой плотностью энергии 100 Вт∙ч/кг и выше выдерживают меньше циклов разрядки и зарядки и имеют более короткий срок службы. Стоимость их довольно высока, и при малой долговечности замена аккумуляторов обходится дорого.

Поэтому для электромобилей также нужен неэлектрический аккумулятор энергии, который обеспечивает подпитку при пиковых нагрузках и тем самым защищает батарею электрических аккумуляторов от так называемых ударных нагрузок. Кроме того, при рекуперации энергии торможения в фазе последующего разгона значительно увеличивается запас хода электромобиля. Схема использования инерционного аккумулятора в электромобиле фирмы «Гаррет» показана на рис. 5.

Валы инерционного аккумулятора-маховика 8 и двух электрических машин постоянного тока 5 и 7 связаны между собой зубчатой передачей с планетарным дифференциалом 6 и обгонной муфтой. Обе электрические машины могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора совместно с электрическим аккумулятором 3. Вычислительно-управляющий блок 4 с педалью управления нагрузкой 1 и педалью торможения 2 служит для управления этим гибридным приводом. Для трогания с места и разгона используется энергия маховика, который может отдавать ее как механически, непосредственно на колеса, так и через преобразование в электроэнергию посредством электрических машин и аккумулятора. При движении с невысокой постоянной скоростью используется только электропривод от накопленной в аккумуляторе электроэнергии. При торможении кинетическая энергия электромобиля преобразуется одной электрической машиной 7 в электроэнергию, которая далее через вторую электрическую машину 5 вновь трансформируется в механическую энергию, передаваемую и накапливаемую маховиком.

Изменение во времени скорости электромобиля, разрядного тока аккумулятора и частоты вращения маховика при движении на городском маршруте протяженностью 12 км в течение 23 мин с двадцатью остановками показано на рис. 6. Разряд аккумулятора имеет равномерный характер со средним значением тока 50 А и максимальным током, не превышающим 60 А. Участок, преодолеваемый между 200 и 300 с, характеризует движение с максимальной скоростью по шоссе, когда требуемая движущая сила больше, чем та, которую способен обеспечить электрический аккумулятор. В данном случае значительную часть требуемой энергии обеспечивает маховик, что видно по уменьшению его частоты вращения. При этом ток аккумулятора не превышает допустимой величины.

При дальнейшем движении ток от недогруженного аккумулятора и энергия, рекуперируемая при торможении, разгоняют маховик, так что в конце маршрута частота вращения маховика равна начальной.

Опытный образец гибридного электромобиля «Гаррет» имеет массу 1540 кг при массе аккумуляторов 499 кг. Время разгона до 48 км/ч составляет 7 с, до 80 км/ч — 15,5 с. От 40 км/ч до 88,5 км/ч автомобиль разгоняется за 10 с. Серийный автомобиль может быть несколько легче, и его запас хода должен составить более 145 км.

При частоте вращения 25000 мин^-1 маховик имеет энергию 1 кВт∙ч, емкость свинцового аккумулятора 18 кВт∙ч. Всю энергию маховика можно использовать за короткий промежуток времени, избежав тем самым нежелательного высокого разрядного тока аккумулятора. Маховик изготовлен из волоконного материала «кевлар» (см. статью «Уменьшение массы автомобиля») и, имея массу 12,7 кг, может аккумулировать энергию с плотностью 79,3 Вт∙ч/кг. Легкий маховик не требует массивного корпуса, служащего для обеспечения безопасности в случае аварии маховика. Герметизация и создание в корпусе разрежения снижает, как уже говорилось, аэродинамические потери при вращении маховика.

Повреждение легкого маховика из кевлара может возникнуть при разгерметизации корпуса. Во время испытаний герметичность корпуса нарушили при частоте вращения маховика 25000 мин^-1, что привело к сильному разогреву маховика за счет трения о воздух, деформации его материала и в итоге — заклиниванию стенкой корпуса, которое наступило через 2 с после разгерметизации.

Влияние гироскопического момента маховика на движение автомобиля при прохождении им поворота ограничено, так как направление вращения маховика противоположно направлению вращения колес автомобиля. Кроме того, электрический аккумулятор на этом электромобиле заключен в легкий корпус из пластмассы и имеет плотность энергии 39,6 Вт∙ч/кг. Срок его службы вдвое выше, чем у обычного свинцового. Он выдерживает 800 циклов перезарядки в отличие от 300 – 500, достигнутых у серийных аккумуляторов в настоящее время.

Аккумулирование энергии при торможении и гибридные приводы

Инерционные приводы

Гибридные приводы

Читайте также

Сноски

Комментарии