Исследование использования суперконденсаторов в комбинированных энергоустановках транспортных средств

Мировое сообщество ввиду масштабности экологических и энергетических проблем вынуждено принимать решительные меры. Прежде всего, эти меры связаны с ужесточением требований к содержанию и уровню выбросов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В качестве примера, приведенены нормы ЕЭК ООН на выбросы вредных веществ легковыми, грузовыми автомобилями, автобусами с дизелями, введенные с 2000 г. Европейским парламентом, стандарт EURO 3 на уровень выбросов бензиновых ДВС в типовом городском цикле NEFZ (New European Drive cycle), и предполагаемый к внедрению с 2005 г. стандарт EURO 4. (таблица 1) [1]. Для сопоставления приведены действующие в настоящее время российские нормы.

Таблица 1. Нормы на выбросы вредных веществ легковыми, грузовыми автомобилями, автобусами.

Вред ные вещества Вид ТС Ед. измерения, Нормы ЕЭК ООН (1993 г. Правила 83−01:49−02) Российские нормы (ОСТы).

Евро-1 Евро-2 Евро-3 Евро-4 37 001.054−86 с нейтрал, (этилир. бен) 37 001.054−86 без нейтрал, (этил, бен) 37 001. 234−81.

СО легковой г/км 2,72 2,3 1,0 1,0 6,17 15,0.

СО гр/автобус г/кВт ч 4,5 4,0 2,0 9,5.

НС легковой г/км 0,97 (с NOx) 0,5 (с NOx) 0,1 0.1 1,6 (с NOx) 5,06 (с NOx).

НС гр/автобус г/кВт ч 1,1 1,1 0.5 3,4.

NOx легковой г/км 0,15 0,08.

NOx гр/автобус г/кВт ч 8,0 7,0 4,5 14,35.

ДЧ легковой г/км 0,14 (диз) 0.1 (диз) 0,05 (диз).

ДЧ гр/автобус г/кВт ч 0,36.

В ряде регионов действуют еще более жесткие нормы, например, принятые в Калифорнии требования SULEV.

В развитых странах в последние несколько лет происходят буквально революционные изменения, названные прессой «электромобильной революцией»: начался этап массового внедрения электромобильных транспортных средств (ТС). К настоящему времени центральным является активное формирование рынка электромобилей, развитие инфраструктур их продажи, сервиса и обслуживания. В Западной Европе в настоящее время в эксплуатации находится более 15 ООО электромобилей. В Азии ежегодно на рынок попадает по 3 — 5 тыс. электромобилей. В США в ближайшие 10 лет ожидается применение до 3 млн. электромобилей. Отдельные ведущие компании уже объявили о готовности их серийного промышленного производства в объеме до 3000 шт. в месяц. Долевое участие в общем, мировом рынке по электромобилям до 2000 г. являлось 1−2%, т. е. 0,5−1,0 млн. шт. в год, с оценкой последующего увеличения до 5−10% [2].

В России ведутся разработки электромобилей и электробусов на основе различных типов аккумуляторных батарей (АБ) (свинцово-кислотных, никель-кадмиевых, никель металлгидридных АБ, как правило, зарубежного производства). В 1997 г. в Москве создана эксплуатирующая организация ЗАО ЭЛТРАН, которая организовала опытную эксплуатацию на ВВЦ парковых электробусов, развозных грузовых электромобилей на базе автомобиля Газель, некоторых других типов электромобильных транспортных средств. Указанные транспортные средства используют в качестве бортового источника энергии ионисторы (производства АО ЭСМА), свинцово-кислотные аккумуляторы («Москвич» М2141, аккумуляторы фирмы «SONNENSCHEIN»), «ЗИЛ-5301» с рулонными свинцовыми аккумуляторами (фирма «OPTIMA BATTERIES») [3]. АО АвтоВАЗ производит электромобили на базе автомобиля «Ока», имеются разработки электромобилей на базе «НИВА — КЕДР» и др. Технические характеристики имеющейся техники невысоки, пробег не превышает 25 км при использовании ионисторов, 60 км при свинцовых аккумуляторах [4].

Привод электромобиля содержит электродвигатель, управляющее устройство (служит для передачи командных сигналов к электродвигателю и для изменения тока и напряжения) и трансмиссию.

Предельные значения мощностей, вырабатываемых АБ и передаваемых через силовую передачу на колеса, ограничивают работу электромобиля в диапазоне, показанном на нижеприведенной диаграмме (рис. 1) [5].

Из рисунка видно, что моментная характеристика электродвигателя более близка к характеру изменения нагрузки во время движения и более плавная, чем у двухступенчатой трансмиссии.

Рис. 1. Диаграмма зависимости F-v для электромобиля с электродвигателем постоянного тока с независимым, возбуждением и двухступенчатой трансмиссией.

Рв max — максимальная отдаваемая мощность АБ Раызо -30- минутная мощность силовой установки Fw — сопротивление движению в max.

Скорость X1.

Недостаток стандартной системы является и то, что при разгоне ДВС удерживается на постоянных оборотах, соответствующих максимальной мощности автомобиля.

Разница между электроприводом и ДВС заключается в необходимости делать различие между кратковременным и долговременным режимами работы. Получение от электродвигателя максимальной мощности за короткий промежуток времени обеспечивается устройством управления, в то время как выбор долговременного режима базируется на возможности поддержания мощности лишь в пределах получасового отрезка времени, ограниченного ростом температуры электродвигателя. Такая отличительная особенность электропривода характерна для большинства систем, в которых используются батареи. В зависимости от типа применяемого привода, мощности при краткои долговременных режимах отличаются в 1,5−3 раза [6].

Различие между краткои долговременой мощностью также ведет к принятию двух значений скоростей для электромобилей: предельной при перемещении на расстояние до 2 км и максимальной — при движении свыше 30 мин [6].

Оценка эффективности электромобильного транспорта по отношению к автомобилям с ДВС в соответствии с методическими рекомендациями по комплексным мероприятиям, направленным на ускорение научно-технического прогресса в автомобилестроении, показывает [1] в области экологии:

• снижение загрязненности воздушного пространства автотранспортом за счет предотвращения вредных выбросов, даже с учетом косвенного загрязнения от электростанций, расположенных вне города. Например, для легковых машин (класс ВАЗов) составляет 10−12 условных тонн на одну машину в год, для грузовых машин класса Газель — 13 — 15 условных тонна при перспективных (ужесточенных) нормативах — этот показатель увеличится не менее чем на 3 — 5 — условных тонн при внутригородских перевозках. Для оценки эффективности электромобилей сопоставляются энергетические затраты в течение полного жизненного цикла, особенно в сопоставлении с традиционным автотранспортом. Анализ жизненного цикла ТС, проведенный с учетом энергозатрат на получение сырья и материалов, производство (включая энергозатраты на технологические операции), доставку продавцам, эксплуатацию и техническое обслуживание, топливо, а также утилизацию и захоронение отходов (с учетом возможной экономии при рециклировании), показал, что для обеспечения жизненного цикла (пробеге 193 тыс. км) даже более тяжелого (на 227 кг тяжелее, чем базовый автомобиль массой 1160 кг) и по современным меркам конструктивно не самого удачной комплектацией электромобиля АБ NaS, требуется на 25% меньше энергии, чем для аналогичного автомобиля с ДВС. Наибольшую часть общей энергии, обеспечивающей жизненный цикл, составляет энергия, затрачиваемая при эксплуатации: 89% - для автомобиля (суммарные энергозатраты 729 ГДж) и 70% -для электромобиля (551 ГДж);

• практически исключается применение моторных масел, топлива и охлаждающей жидкости, что способствует охране почвы, грунтовых вод и зеленых насаждений;

• снижение уровня шума от ТС на 10 — 15%;

• улучшение условий труда водителей за счет упрощения управления транспортом, а также исключения выбросов вредных газов и паров топлива. в части эксплуатации:

• сокращение расхода топлива и сокращение других энергетических затрат, поскольку КПД автомобиля с ДВС не превышает 15%, а электромобиля — не менее 25%, электромобиль не расходует энергии на остановках и имеет возможность регенерации энергии при торможении, движении под уклон;

• затраты при стоимости 1 кВт ч энергии в 10 центов USD (средний международный уровень) на 1 км пробега электромобиля составляет 3,8 цента, а для автомобиля с ДВС — 5,32 цента USD (при цене бензинового топлива 0,35 USD за литр). При более корректном сопоставлении учитывается необходимость обслуживания, т. е. дополнительные затраты на эксплуатацию. Используя одинаковую аппроксимацию затрат на обслуживание электромобиля и автомобиля, приходят к соотношению • биля и автомобиля, приходят к соотношению стоимости 100 миль в 2,8 USD для электромобиля против 4,5 USD США для автомобиля. При этом, однако, не учитывается, что вся необходимая инфраструктура по обслуживанию автомобилей уже создана, а для электромобилей ее еще необходимо создавать. Представляется, что реальные эксплуатационные затраты для электромобиля пока выше соответствующих затрат для автомобильного транспорта;

• трудозатраты на техническое обслуживание и текущий ремонт электромобиля примерно вдвое ниже, чем для автомобиля с ДВС, с учетом замены блоков комплектующего оборудования на месте без буксировки;

• заряд источников тока в ночное время способствует повышению эффективности суточной работы электростанций. в части производства:

• по зарубежным данным в настоящее время при изготовлении малых партий электромобилей грузоподъемностью 0,5 — 1,5 т их стоимость превышает на 25 — 50% стоимость автомобилей с ДВС из-за значительных капиталовложений в разработки высокоэффективных энергоисточников, систем электропривода и т. д. Однако при достижении объема выпуска электромобилей 20 тыс. в год это соотношение может уменьшиться до единицы. Стоимость отечественных электромобилей прогнозируется на 25 — 30% ниже зарубежных за счет меньших производственных затрат, использования зарубежных прогрессивных разработок и технологий;

• технология производства электромобилей проще, чем аналогичных автомобилей для всех групп типажа за счет снижения количества деталей и узлов, требующих дорогостоящего оборудования со сложными технологическими линиями;

• освоение производства электромобилей позволит создать новые рабочие места на предприятиях машиностроения, электротехники и электроники, что весьма актуально для активации роста их производства и решения проблем конверсии высокотехнологичных предприятий бывшего военного комплекса.

На основании оценок, полученных при эксплуатационных испытаниях электромобилей, и на основе нормативных документов («Анализ нормативных требований к автотранспорту в части эксплуатации и эргономики», утверждены НАМИ в 1996 г.), устанавливающих методику оценки экономической эффективности транспортных средств, можно сделать следующие выводы:

• расходы на электроэнергию, требующуюся для подзарядки батарей, невелики;

• расходы на обслуживание электромобилей, прежде всего их батарей, намного больше первых;

• общие расходы на обслуживание с учетом необходимости обучения персонала высоки;

• затраты времени на подзарядку АБ весьма высоки и могут быть оправданы только для специализированных предприятий (например, при работе электромобилей только в дневное время, а подзарядке батарей — в ночное) — попытки ускорить процесс подзарядки за счет форсированного режима малоперспективны;

• в силу разных причин, в частности, вследствие недостаточной квалификации обслуживающего персонала, требуется слишком частая замена АБ, расходы на которую недопустимо высоки. Последний вывод, очевидно, является следствием неразвитости инфраструктуры.

Энергетические установки на базе АБ имеют и ряд существенных недостатков, к которым относятся: необходимость подзаряда и тренировки АБ от электрической сетиневысокие удельные характеристики, ограничивающие дальность пробега и снижающие грузоподъемность из-за необходимости «возить» АБ большой массынеудобства эксплуатации, связанные с обслуживанием АБ (специальное оборудование и специально обученный персонал) — за.

1? ряд через бортовое зарядное устройство длится более 8 часов, а для «быстрого» (в течение 20 — 30 мин) заряда требуются специальные силовые стационарные станции. АБ весьма дороги, а число циклов их использования, срок службы — невысок, практически не превышает 200 — 500 циклов при глубоком разряде [6] и до 2000 циклов при разряде до 20%С током С5 [7].

В целом, выбор стратегии создания электромобилей на основе АБ был недостаточно продуман: аккумуляторные электромобили, будучи, несомненно, востребованными для отдельных применений, не выдерживают сопоставления с традиционными автомобилями ни по техническим характеристикам, ни по стоимости, ни по удобству эксплуатации.

Общие выводы.

1. Эффективность регенеративного торможения гибридных транспортных средств зависит от типа накопителя используемого в системе накопления электроэнергии, величины его внутреннего сопротивления и уровня заряженности. В идеальных условиях, при регулировании процесса заряда преобразователем процент накопленной энергии будет составлять до 40% от энергии потраченной на разгон.

2. Критерием подбора суперконденсатора для системы накопления электроэнергии гибридных транспортных средств, помимо климатических требований, надежности и массогабаритных показателей, является величина его внутреннего сопротивления или постоянная времени (RC) и напряжение модуля. Применительно к изменяющемуся в широком диапазоне напряжению на суперконденсаторе, его номинальная величина рекомендуется в диапазоне от 100 В и выше, a RC при мощности нагрузки от 20 кВт и выше, в связи с высокими потерями, не более 5 с.

3. Необходимый резерв мощности тракторный агрегата в пределах 15−20%, для повышения эффективности, рекомендуется, компенсировать системой накопления энергии на основе суперконденсатора, энергоемкость которого находится в зависимости от коэффициента вариации момента сил сопротивления машинно-тракторного агрегата при выполнении рабочего процесса.

4. Рекомендуется использование комбинированной энергоустановки на основе суперконденсатора для уменьшения времени работы двигателя внутреннего сгорания на переходных режимах, с целью уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу до 10 раз.

5. Эффективность регенеративного торможения, применительно к испытуемому экспериментальному действующему ГТС выполненному на базе ВАЗ 21 213 при выполнении городских ездовых циклов с максимальной скоростью движения 36 км/ч, 48 км/ч и магистрального SAE J 227а — 70 км/ч с суперконденсаторами — 3 шт. ИКЭ 140/100 выше в более чем 2 раза, по сравнению с 8 шт. АБ OPTIMA D750S.

6. Проведенный сравнительный анализ экономичности ГТС и серийного автомобиля позволяет говорить о целесообразности использования ГТС, предназначенных для деловых ежедневных поездок, не имеющих, в то же время, ограничений по дальности пробега. При этом расчетная экономия топлива:

— для типового графика движения до 60%;

— для установившегося движения со скоростью 70 км/ч — 32%.