29 мая 2016г.
В целях повышения топливной экономичности и существенного уменьшения токсичных выбросов, особенно в условиях крупных городов, в последние годы получили развитие гибридные технологии. Гибридные технологии на ближайшую перспективу [1, 3, 7, 8] могут быть более предпочтительными по сравнению с другими. На конец 2014 года только концерном «Toyota» продано свыше 7 млн. гибридных автомобилей.
Гибридные транспортные системы давно известны. Большинство локомотивов, морские суда, подводные лодки являются дизель-электрическими гибридами. Любой транспорт, сочетающий два или более источников энергии, которые прямым образом или косвенно обеспечивают его движение, называют гибридами. Обычно гибрид состоит из системы хранения энергии, силового агрегата и системы, обеспечивающей движение транспортного средства.
Силовым агрегатом (установкой) может быть: бензиновый или дизельный двигатель, газовая турбина, топливные элементы. Среди носителей энергии рассматривались аккумуляторные батареи, маховики и ультраконденсаторы. Сегодня наиболее широко применяются батареи, однако исследования в поисках новых эффективных накопителей энергии продолжаются. Привод ведущих колес может осуществляется механической трансмиссией или встроенными в колеса электродвигателями (моторколесами).
Конечная суммарная эффективность и уровень эмиссии вредных веществ гибридных автомобилей зависит от комбинации многих факторов: систем и подсистем и способов интеграции их в конечный продукт (автомобиль); от стратегии управления этим сложным техническим комплексом. Например, гибридный автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах мог бы обеспечивать большую экологическую эффективность, чем электромобиль на аккумуляторных батареях.
Фактически, гибридный автомобиль это компромиссное решение. Это попытка существенно улучшить топливную экономичность и улучшить экологические характеристики бензиновых автомобилей [2], преодолевая недостатки электромобилей.
Чтобы быть конкурентоспособным, любой автомобиль должен отвечать некоторым минимальным требованиям:
– пробег между заправками не меньше 400–500 км;
– достаточно быстрая и легкая заправка;
– не быть помехой в потоке автомобилей.
Обычный бензиновый автомобиль отвечает этим требованиям, но при этом образует достаточно большое количество вредных веществ и обладает относительно невысокой топливной экономичностью. Двигатель имеет мощность, рассчитанную на максимальную нагрузку, необходимую для достижения заявленной производителем максимальной скорости. Однако большинство водителей очень редко используют полную мощность (около 1–3% всего времени эксплуатации). Мощные двигатели обеспечивают легковым автомобилям высокую разгонную динамику.
С другой стороны, электромобиль [6] почти не образует вредных веществ. Пробег до заряда батареи может составлять более 300 км. Зарядка батарей занимает 6–8часов.
Особенностью гибридного автомобиля является возможность применения ДВС меньшей мощности, веса и габаритов, чем в обычном автомобиле. Большинство режимов движения автомобиля требуют малых затрат энергии двигателя [4, 5]. Движение легкового автомобиля по шоссе со скоростью около 100 км/ч требует мощности около 15…22 кВт. Для равномерного движения автомобиля мощности ДВС гибридной установки вполне достаточно. При ускорении или преодолении подъема дополнительно используется электрическая энергия, накопленная в тяговой батарее. Таким образом, применив малоразмерный ДВС, мы получаем автомобиль с приемлемой средней мощностью.
Гибридные автомобили кроме малоразмерных двигателей, как правило, имеют дополнительные возможности для повышения топливной эффективности, например:
– рекуперация энергии при торможении;
– отключение ДВС при малых скоростях движения и кратковременных остановках (системы «старт-стоп»).
Аккумуляторные батареи являются важной частью любого гибридного автомобиля. Батарея должна иметь высокую пиковую и удельную мощность, удельную энергию, высокую степенью приспособляемости к зарядке, способность максимально регенерировать энергию торможения, высокий ресурс работы.
В современных автомобилях широко используется свинцово-кислотные батареи. Эти батареи относительно недороги и обладают высокой мощностью, надежностью и безопасны. Достаточно развита система обслуживания батарей, их переработки. Однако они имеют низкую удельную энергию, чувствительны к низкой температуре и относительно небольшой ресурс работы, что препятствует их использованию в гибридах.
Никель-кадмиевые батареи, применяемые в современной электронике, имеют высокую удельную мощность, большой ресурс работы, но не позволяют выдавать необходимую энергию для гибридных автомобилей. Никель-водородные батареи имеют более высокий, по сравнению со свинцово-кислотными, ресурс, обладают приемлемой энергией и безопасны. Успешно используются в электромобилях и гибридных автомобилях небольшой мощности. К недостаткам никель-водородных батарей можно отнести их высокую стоимость, саморазряд, тепловыделение при высоких температурах и необходимость контролировать утечки водорода. Литий-ионные и литий-полимерные батареи нашли свое место на рынке мобильной электроники. Имеют высокую удельную энергию, мощность, и низкий саморазряд. Эти характеристики вполне приемлемы для их применения в гибридных автомобилях. Недостатками этого типа аккумуляторов являются пожароопасность при перезаряде и/или перегреве. Для борьбы с этим аккумуляторы снабжаются встроенной электроникой, предотвращающей перезаряд и перегрев во время интенсивного заряда. Кроме того, литиевые батареи имеют относительно малый ресурс по количеству циклов заряд-разряд и склонность к старению. В настоящее время технология литиевых аккумуляторов активно развивается, в т.ч. для применения в гибридных автомобилях.
Список литературы
1. Бахмутов С. В., Карпухин К. Е. "Чистые" автомобили: направления реализации и достигаемые результаты// Журнал автомобильных инженеров. 2012, №6 (77). С. 51–54.
2. Беляев С. В., Давыдков Г. А., Перский С. Н. Биотоплива второго поколения: европейский опыт // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Сер.: "Ест. и техн. науки". Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2012. Т. 2, № 8 (129). С. 61–64.
3. Никишин С. В. Новые гибридные силовые агрегаты для автомобилей // Альтернативная энергетика и экология. 2005, №8 (28). С. 48–51.
4. Раков В. А., Смирнов А. В. Определение необходимой мощности ДВС гибридных силовых установок транспортных средств // Вестник машиностроения. 2010, №4. С. 32–35.
5. Сериков С. А., Двадненко В. Я., Бороденко Ю. Н., Серикова Е. А. Анализ результатов испытаний экспериментального гибридного автомобиля в городском ездовом цикле // Автомобильный транспорт. 2014, №34. С. 16–21. Режим доступа: http://nbuv.gov.ua/j-pdf/at_2014_34_5.pdf
6. Ebehard M., Tarpenning M. The 21 century electric car. Tesla Motors Inc. July19, 2006. P. 9. Available at: http://www.evworld.com/library/Tesla_21centuryEV.pdf
7. Greene D. L., Duleep K. G., W. McMaus. Future potential of hybrid and diesel powertrains in the U.S. light-duty vehicle market. Oak Ridge, TN: Oakridge National Laboratory, August 2004. P. 77. Available at: http://aprs.ornl.gov/~webworks/cppr/y2004/rpt/121097.pdf
8. Simpson A. Cost-benefit analyses of plug-in hybrid electric vehicle technology. 22nd international battery, hybrid and fuel cell electric vehicle symposium and exhibition, Yokohama, Japan, October 23-28. 2006. P. 15. Available at: http:// www.nrel.gov/docs/ fy07osti/40485.pdf
