Электромобили Павлова

 
 

Электромобили Павлова Виктора Борисовича

(Научные разработки Институда Электродинамики г.Киев)
.

                                                 "Невежественность обречена каждое дело начинать с начала
                                                 И только путем долгих и разорительных ответов достигать
                                                 тощих результатов."

                                                                        М.Салтыков-Щедрин



К сожалению сказанное Салтыковым-Щедриным относится к настоящей действительности всех республик Советского Союза. В равной мере относится к потенциалу и наработкам советского времени. Правительства загубили множество начинаний, в которых Советский Союз был впереди. Это особенно касается электротранспорта. В частности в Советском Союзе впервые был применен переменный ток для управления электродвигателями электромобилей. Это тот путь по которому идут современные разработки в мире. Мы потеряли десятилетия и отстали от ведущих стран мира. Когда жизнь настоятельно потребует развивать эту тему, нам придется долго догонять, и долгое время покупать технику из-за рубежа.
Несмотря ни на что, некоторая работа проводится коллегами в Украине. Настоящая статья посвящена деятельности доктора технических наук Павлова Виктора Борисовича.

«Девятый вал» современных бензиновых автомобилей буквально захлестнул земной шар. Мировые производители с маниакальным упорством предлагают все новые модели, поражающие своим совершенством и роскошью. Но... в клубах ядовитых отработанных газов, судорожно хватая ртом еще оставшийся кислород, мы уже ищем спасательный круг – автомобили с чистым выхлопом.

Родиной первого на территории «одной шестой части планеты» электромобиля (ЭМ) была Украина. В 1973 году (раньше чем на ВАЗе) в Запорожском машиностроительном институте (ныне – Запорожский национальный технический университет) под руководством научного сотрудника кафедры электрических машин Виктора Павлова и будущего директора Института академика А.К.Шидловского на базе модели ЗАЗ-968 был создан опытный электромобиль. Эта машина имела импульсный полупроводниковый преобразователь, что являлось новинкой на аккумуляторном электротранспорте. В 1974 г. этот электромобиль на ВДНХ СССР получил бронзовую медаль, а электроника его управления – серебряную!
Создание электромобиля стало логичным продолжением работы исследователей лаборатории электрических машин и аппаратов Запорожского машиностроительного института над импульсным регулированием скорости вращения двигателей постоянного тока. Разработанный тогда импульсный преобразователь, схема которого содержала лишь три тиристора да один диод, получила подтверждение от Госкомитета по изобретениям и рационализации.
Применение импульсного преобразователя, в сравнении с использованием на практике ступенчатого регулятора, давало несомненные преимущества, благодаря плавности изменения режимов работы двигателя и отсутствия потерь на сопротивлениях. Разработанная схема преобразователя позволяла также производить автоматическое рекуперативное торможение с возвращением энергии аккумуляторным батареям.
       Механической базой для монтажа электрооборудования послужила запорожская малолитражка, в кузове которой был вмонтирован электродвигатель типа ДК-908 мощностью 4 квт, 30 в, 1000 об/мин. При испытаниях электромобиля, названного «ЗМИ-электро», получена скорость до 60 км/час. Источником питания электромобиля тогда являлись батареи весом 400 кг. Это позволяло осуществлять межзарядный пробег электромобиля при полной загрузке до 100 км. Машина демонстрировалась в 1974 году на Всесоюзной выставке научно-технического творчества молодежи (ВДНХ, г.Москва, павильон «Космонавтика») и заслужила наивысшую оценку специалистов. Тогда было признано, что электромобиль готов для запуска в серию. Однако в серийное производство машина так и не пошла. В большей степени по политическим, нежели экономическим мотивам.
       В то время (1974 г.) на родине электромобилестроения в Западной Европе — Франции запущена в серию машина «Цитадин» («Горожанка»). На ней был применен ступенчатый регулятор работы двигателя. Представляете, на сколько обогнали своих коллег по уровню разработки! Наше электропреобразовательное оборудование к тому времени было одним из самых совершенных в мире.
       Волею судьбы Виктор Борисович в начале 80-х оказался в Киевском институте электродинамики, где продолжал разработку электрооборудования для электромобилей во вновь созданном небольшом коллективе. Пригласили работать на самую большую базу электромобилестроения — в Тольятти. Это была серьезная организация, которая могла себе позволить все, кроме аккумуляторных батарей. Мы разрабатывали преобразовательную технику, которая ставилась на кузов ВАЗа. С таким оборудованием выпущено серийно более 200 электромобилей. Однако в конце 80-х финансирование было прекращено, поскольку электромобиль классифицировали как неперспективный.
       «АвтоВАЗу» в эти годы удалось освоить производство (кроме тяговых АКБ) всех компонентов электрооборудования электромобилей, подготовить выпуск малой серии и стать лидером в этой области. Специально для модели ВАЗ 2106 совместно с авиазаводом «Дзержинец» был разработан и выпускался электромотор с параллельным возбуждением мощностью 12,5 кВт. Это позволило вместо сложной КПП использовать простой понижающий редуктор. Электромотор, созданный по авиационным технологиям, оказался очень удачным для того времени, и в 1980-1987 гг. было выпущено около 300 машин электрической версии ВАЗ-2106. Однако ставка на применение никель-цинковой аккумуляторной батареи напряжением 120 вольт и емкостью 125 ампер/часов (что в те годы было новинкой) не позволило развить производство электромобиля дальше. Никель-цинковая АКБ, имея число рабочих циклов не более 100, не смогла обеспечить достаточный коммерческий пробег автомобиля и проект был закрыт.
       Тем не менее делались попытки организовать опытную эксплуатацию электромобилей: в Тольятти – для почтовых перевозок, в Москве – в качестве маршрутного такси и транспортного средства для ВДНХ, в Украине – в системе «Укрбытрадиотехника». Однако после ликвидации Союза все эти проекты тихо «скончались».
       С конца 70-х годов большинство достижений отечественного электромобилестроения связано с Институтом электродинамики Национальной Академии наук Украины (ИЭД НАНУ). Необходимо отметить, что Институт электродинамики является единственным в своем роде в Украине, который не только проводил фундаментальные работы, но и работал на прикладную науку. Здесь впервые в бывшем СССР разработано и создано уникальное тяговое электрооборудование. (До сих пор еще нет отечественных машин, оснащенных микропроцессорным управлением, а уже в то время системы электромобили управлялись микрокомпьютером). Ряд образцов по схемотехническим и конструкторско-технологическим решениям не имеют аналогов по сей день. Кроме преобразовательной техники и средств управления, в ИЭД НАНУ разрабатываются и исследуются специальные транспортные электродвигатели. Вся эта наукоемкая продукция создается на основе разработанных в институте новых схем, методов резервирования и повышения эффективности устройств с использованием авиационных технологий, что обеспечивает изделиям оригинальность, надежность, высокие потребительские качества и конкурентоспособность.
       Сдвиг к лучшему произошел после того как ПО «АвтоЗАЗ» в 1990 — 1992 годах продало под электромобили швейцарской фирме «F. Solar» 900 экипажей ЗАЗ-1102. Когда на заводе увидели, как хорошо швейцарская фирма стала продавать свои электромобили, где основную погоду делал корпус «Таврии» (а он по дизайну отвечает требованиям рынка), то загорелись желанием сами производить такие изделия. К тому же наше оборудование к электромобилю лучше и имеет солидные испытания и экспертизу. И вот в 1991 году на базе «Таврии» был сделан электромобиль. Второй в Украине электромобиль, основой для которого стала опять-таки модель автомобиля Запорожского автозавода. «Таврия-Электро», получив официальную классификацию как ЗАЗ-1109, прошла стендовую лабораторно-дорожную апробацию с различными вариантами тягового оборудования. Но по сей день серийного выпуска этой машины нет.
       Путь создания электромобиля в Украине и труден, и тернист. В 1991 году, казалось, машина — совместное детище Института электродинамики и Запорожского «ЗАЗа» — вот-вот станет на конвейер. На презентации автомобилестроения в Совмине тогдашний премьер В.Фокин «обкатал» «Таврию-электро» и, как говорится, дал добро, пожелав ей «легкого пути». Украинским электромобилем заинтересовались западные фирмы, изъявив желание покупать экипажную часть и электронную систему управления. Однако до запуска его в серию дело не дошло по извечной причине — из-за нехватки средств. В течение последующих трех лет специалистами ИЭД НАНУ и ЗАЗа был создан и прошел «обкатку» электромобиль на базе «Таврии». В начале 1995 года он получил государственные номера.
       К чести украинских ученых, творческое сотрудничество коллективов ИЭД НАНУ и Запорожского ЗАЗа продолжалось и в последующие годы. Так, в 2005 году была разработана система комбинируемого питания ЗАЗ 110206 «Таврия-Гибрид» и новая версия электрооборудования электромобиля ЗАЗ-11091 «Таврия-Электро», которые прошли успешные дорожные испытания. Электромобили «Таврия-Электро» и «Таврия-Гибрид» являются первыми отечественными электромобилями, выполненными в двух экипажных модификациях. Они предназначались для внутригородских пассажирских и мелкогрузовых перевозок, а также для использования в качестве частного транспорта.

Вопрос изготовления электромобилей в Украине не так прост. Периодически их производством пытаются заняться различные структуры. Например совсем недавно специалистам Института электродинамики приходилось рецензировать подпрограмму создания и производства электромобиля, которая была представлена экспертными комиссиями программы «Электротехника» Минмашпрома, и специалистов институтов Национальной Академии наук.
       Несуразностей в ней так много, что разбор их занял 10 страниц печатного текста. Подпрограмму составляли умные люди, но они занялись новым для себя делом впервые в жизни. О фундаментальных разработках и речи нет, потому что только приступают к строительству электромобиля. Давайте, к примеру, исследуем величину пробега машины, которую они собираются делать на базе ЛуАЗа (Луцкий автозавод). Это грузовая машина. Из сведений зарубежных коллег и наших исследований известно, что расход энергии для грузового транспорта составляет 1 кВт/час на 1 км пути. Если умножим напряжение на ампер-часы, то получается, что на борту можно установить батарею 20 кВт/час. Ну, представьте себе, что 25, пусть 30 кВт/час. Делим 30 кВт/час на расход энергии для грузового транспорта на 1 км пути. Получаем пробег 30 км. Как видите, все очень просто. Ничто ниоткуда не берется. А когда мы читаем в публикациях, что авторы гарантируют своей машине 100 км пробега, то мы говорим, что такого не может быть.
Почему? Возвращаемся снова к ЛуАЗу. Сам экипаж машины весит свыше тонны. Вес батареи, которую требуется установить на грузовик — тонна. Плюс вес электропривода. И получается общий вес не менее 3,5 тонны. Вот вам и затраты. Этот грузовик с трудом будет возить сам себя, а не грузы. Что это действительно так, доказывает наш опыт работы с «ВАЗом» (Тольятти), а также зарубежный. Лучшая за рубежом машина «Metroline E-Bus» (автобус на 38 мест) с трудом вытягивает 50 км пробега до следующей подзарядки батарей.
О ценах. Они не могут быть такими, как у «Жигулей». Цена на электромобиль за рубежом в 3 — 4 раза выше, чем на «Жигули». Тот, кто изначально еще не имея производства, устанавливает низкие цены, или некомпетентный человек в корне, или ему позарез нужна эффективность производства электромобилей. Пусть на бумаге, но нужна. Кстати, по поводу аккумуляторного завода. В Украине уже нет проблем с аккумуляторами. Почему? Потому что коммерческие структуры навезли любых аккумуляторов. Строить сейчас завод по производству свинцовых аккумуляторов весьма накладно. Это большие капиталовложения.

Напомним, что обычно стоимость электромобиля в 2 раза превышает стоимость его бензиновой версии. Предприимчивые швейцарцы, закупив на «ЗАЗе» небольшую партию усиленных кузовов и установив свое электрооборудование, продавали готовый электромобиль всего за 12 тыс. франков – цена по западным меркам просто смешная. Но в силу обстоятельств, поставки "Таврий" в Швейцарию вскоре свернули. Были попытки ЗАЗа выйти на рынок США. Один американский бизнесмен успешно сбывал переоборудованные «Таврии» в... Мексике! Но дело ограничилось всего несколькими авто и на этом "открытие Америки" закончилось.
       Свинцово-кислотная АКБ ЗАЗ-1109 выдерживает 400 зарядных циклов, что обеспечивает максимальный пробег в 40000 км – величина для электромобиля просто фантастическая! Немаловажная деталь – бортовое зарядное устройство (ЗУ) «Таврии-Электро» позволяет подключаться к обычной электрической розетке 220 В/10 А; время полной «заправки» – 8 час. АКБ имеет 13,5 кВт мощности и емкость 160 А/ч в режиме 5-часового разряда. Общий вес машины увеличился всего на 180 кг. Максимальный пробег при городском цикле – 100 км. По трассе – 140 км – при скорости 40 км/ч; 100 км – при скорости 60 км/ч.

Специалистами ИЭД изготовлены и находятся в опытной эксплуатации пассажирские 2- и 4-местные, грузовой одноместный и грузо-пассажирский (2-местный) электромобили. На каждом из них стоит электрооборудование и микропроцессорные системы управления собственной разработки. Исключение составляют тяговые АКБ – их свинцовые и никель-кадмиевые версии по-прежнему приходится закупать за границей. О современных никельметаллгидридных батареях можно только мечтать ввиду их высокой стоимости.
       Уникален в своем классе грузовой электрический мотоцикл, собранный на базе модели МТ-300 («Днепр») Киевского мотоциклетного завода. В разработке использована опытная герметичная никель-кадмиевая АКБ (NiCd) Луганского завода. Электромотор – серийный, от отечественных электрокаров. Мотоцикл развивает скорость до 60 км/ч. Пробег при городском цикле составляет 60 км, грузоподъемность – 350-400 кг. Время заряда АКБ – 7-8 час. от обычной розетки 220В/10А. Такой электромотоцикл незаменим для городского использования. Имея хорошую проходимость, с успехом может заменить приобретаемые за валюту электрокары «Балкан». Себестоимость мотоцикла – около $5000.
       Ученые ИЭД давно готовы создать, кроме существующих образцов, и другие целевые электромобили для курортных зон, выставочных центров (ВДНХ), для внутригородских и почтовых перевозок и т.д. В ИЭД созданы и разрабатываются дальше (на свой страх и риск) электромобили для аттракционов: электросамокаты, электровелосипеды, карты, багги. Отдельная тема: конструирование 3-колесного ЭМ с закрытым верхом, который, с учетом наших климатических зон, с успехом заменит обычную инвалидную коляску с ручным приводом.

В настоящее время проходят испытания две «Таврии» на электротяге: электромобиль и модель с гибридной силовой установкой. Отечественным конструкторам удалось значительно уменьшить потери электроэнергии при передаче от АКБ к электродвигателю. Благодаря этому запас хода электромобиля увеличился настолько, что его можно эксплуатировать в течение дня, а на зарядку ставить только ночью. Режимами работы электродвигателя, генератора и остального электрооборудования машин руководит специально разработанная электронная система с преобразователем напряжения (ЭПН).
       В электромобиле крутящий момент для привода колес создает электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением, а источником энергии для него является блок тяговых аккумуляторных батарей (10 штук емкостью по 100 А·ч каждая) суммарным напряжением 120 В. Еще один аккумулятор питает приборы освещения. Электромотор соединен с первичным валом «родной» КПП «Таврии». Благодаря большому крутящему моменту электромотора трогаться с места и разгоняться до 60 км/ч можно на второй или третьей передачах, четвертая и пятая предназначены для езды на более высоких скоростях. Первая ступень задействуется только на крутых подъемах.
Оптимальный скоростной режим с точки зрения потребления энергии – 60 км/ч. При этом запас хода электромобиля в городском цикле составляет 60 – 80 км, а за городом (по ровному шоссе) – 100 – 110 км. При скоростной езде (свыше 90 км/ч) или сложном рельефе дороги запас хода машины уменьшается.
       Электромобиль с гибридной силовой установкой – первый из этой серии проектов института, который воплотили «в металле». Отечественный гибрид имеет иную конструкцию, чем Toyota Prius, и работает по другому принципу. Источниками электрической энергии в нем являются аккумуляторные батареи и генератор с последовательным возбуждением, который приводится в действие одноцилиндровым бензиновым двигателем внутреннего сгорания мощностью 11 л. с. Это итальянский мотор, применяемый в передвижных электростанциях. В отличие от гибридной установки Prius, у украинского электромобиля нет жесткой связи ДВС с трансмиссией, т.е. его энергия напрямую для привода колес не используется. Генератор вырабатывает электроэнергию для подзарядки аккумуляторов и питания тягового электродвигателя.
Данная гибридная силовая установка может работать в двух основных режимах. Троганье с места и разгон до скорости 20 км/ч осуществляются в режиме «чистого» электромобиля (электродвигатель мощностью 13.5 кВт питается только от АКБ). На более высоких скоростях движения и при больших нагрузках автоматически запускается ДВС, и в работу вступает генератор.
Применение в опытном гибридном электромобиле обычных свинцово-кислотных аккумуляторов позволяет существенно снизить его стоимость. При выключенном ДВС емкости десяти батарей (160 А·ч) хватает на 50 км пробега. Такой режим задействуется только при необходимости, например, в экологически чистых зонах, где использование бензиновых и дизельных моторов недопустимо. С включенным ДВС дальность хода «гибрида» ограничена лишь емкостью бензобака (40 л) и составляет 650 – 750 км (около 13 часов езды).
       Электротормоз. Используемые в обоих автомобилях электродвигатели позволяют с максимальной эффективностью реализовывать режим рекуперативного торможения (от лат. recuperator – снова получающий, возвращающий), при котором кинетическая энергия автомобиля используется для подзарядки АКБ.
Тормозная система машин – комбинированная. В первой фазе нажатия на педаль тормоза (ход педали в диапазоне от 1 до 3 см) машину замедляет только электромотор, который одновременно подзаряжает АКБ. При этом количество кинетической энергии, которая преобразуется в электрическую и возвращается в батарею, составляет 8 – 14%. Во второй фазе, когда педаль тормоза вдавливается дальше, в работу вступает еще и штатная тормозная система машины – гидравлическая, без вакуумного усилителя (как на «Тавриях» первого поколения).

"Электромобили и автомобили с гибридными силовыми установками создают не только за рубежом, но и в Украине. Сегодня в Киеве проходит испытания очередная отечественная разработка. Грузопассажирский (грузоподъемность – 1,0 т) гибридный электромобиль на базе автомобиля «Соболь» – совместный проект НТУ КПИ, Института электродинамики и Института возобновляемой энергетики НАН Украины.
Базовым автомобилем для нового проекта стал ГАЗ-2752 «Соболь» с дизельным мотором ГАЗ-560 (95 л. с.). Цель разработчиков – получить гибридный электромобиль (ГЭМ) путем максимального использования силовой установки базовой машины и минимально возможной доработки электрических и механических компонентов. В итоге из дополнительного оборудования, кроме необходимой электроники, понадобились только тяговый электродвигатель постоянного тока (ПТ125М) мощностью 20 кВт и батарея. С ролью последней справились 10 стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов (12 В, 100 А.ч каждый), суммарно способных отдать мощность 12 кВт.ч. Конечно, более приемлемым вариантом было бы использование никель-металлгидридных или литиевых батарей (они легче, и энергоемкостные показатели у них лучше) или хотя бы тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов, но на экспериментальном образце применили самые доступные по цене стартерные АКБ. Аккумуляторы и блок дополнительного электрооборудования размещены в задней части автомобиля. Электромотору выделили место под автомобилем, а точнее, за коробкой передач. Для этого укоротили карданный вал и переделали электромотор под два выхода (первоначально у ПТ125М был только один). Фактически вал якоря электромотора стал частью кардана.
Привод гибрида имеет параллельную схему, то есть крутящий момент может передаваться на колеса и от электродвигателя, и непосредственно от ДВС. В момент начала движения ДВС выключен, коробка передач в нейтральном положении, при этом тяговый электродвигатель механически отсоединен от ДВС. Электродвигатель разгоняет машину, получая питание от блока аккумуляторных батарей через преобразователь. При достижении определенной скорости (ее можно регулировать в пределах 15–50 км/ч) водитель включает соответствующую скорости передачу, отпускает педаль сцепления, и ДВС соединяется с тяговым электродвигателем и ведущими колесами. Так происходит запуск ДВС. Дальнейшее движение машины обеспечивается двигателем внутреннего сгорания, а тяговый электродвигатель автоматически переходит в режим генератора и подзаряжает батареи. В дневное время они также могут подпитываться от солнечной батареи, устанавливаемой на крыше. При необходимости (обгон, крутой подъем и т. п.) возможна совместная работа ДВС и тягового электродвигателя. При этом последний питается от аккумуляторной батареи, а коробка передач постоянно включена на ту или иную ступень, обеспечивая связь ДВС с ведущими колесами. Таким образом, на колеса передается значительно больший крутящий момент.
Дорожные испытания электромобиля не завершены, его разработчики утверждают, что экономия топлива в стоп-стартовых режимах (а именно в городских условиях, для которых в первую очередь предназначены подобные ТС) – 30–40%, плюс экологические преимущества. Неплохо, если учесть, что на переоборудование ушло менее $4000.
Базовым для гибрида может быть любой автомобиль (даже легковой) с задним приводом. Путем несложной доработки и установки тягового электрооборудования можно создать полнофункциональный гибридный электромобиль, потратив значительно меньше времени и денег, чем на разработку и изготовление специального двигателя внутреннего сгорания со встроенным в него или пристроенным к нему тяговым электродвигателем.
Проект, с моей точки зрения (прим. автора статьи) имеет массу замечаний, это мощность и крутящий момент электродвигателя, его прямое подключение к трансмиссии без КПП, количество запасаемой на борту электроэнергии, тип используемых батарей, опасный для АКБ разрядный ток. Но он может быть принят для дальнейшей доработки.

В заключение статьи не лишне напомнить, что речь идет о концептуальных разработках ученых. Это не опытные промышленные образцы. Они далеки от совершенства. Академическая наука не имеет производственной базы, поэтому то что представляется для обозрения не всегда имеет презентабельный вид. Далее должны подключиться производственники, разработать конструкцию, внедрить в производство. Это уже будет внешне совершенно иное изделие.
Наилучшим вариантом в разработке электромобиля является сотрудничество науки и производства. В полукустарных условиях возможно создать весьма ограниченную конфигурацию электромобиля, что называется "с миру по нитке".

(Павлов Виктор Борисович, ведущий научный сотрудник отдела № 2 ИЭД НАН Украины, доктор технических наук (Диссертационная работа: "Полупроводниковые преобразователи в системах энергопитания постоянного тока электромобилей"). тел. 456-20-13)

 

 
 

 

 

Возврат к разделу автотранспорта