Преимущества электротяги

Главной тенденцией мирового автомобилестроения последних лет является производство электрокаров. Наиболее успешные технические решения демонстрируют модели Tesla Model S, BMW i3 и др. Флагман компании Tesla Motors выполняет разгон от 0 до 100 км/ч за 4,8 с, чего не может достичь ни один автомобиль с ДВС той же мощности. Дело в том, что крутящий момент электродвигателя на низких оборотах (в момент трогания) в 3…4 раза превышает момент бензинового двигателя. Стоит обратить внимание и на то, что номинальный момент тепловой двигатель может выдать лишь на скорости 2000 об/мин. Долго основной проблемой электрокаров оставались элементы питания. Однако, с развитием технологий и появлением литиевых батарей эту задачу постепенно удалось решить. Так, Tesla Model S имеет запас хода 500 км на одном заряде батареи. Преимущества электромобиля

А вот, что конкретно пишут по этому вопросу инженеры компании Tesla Motors.

Тенденция к разработке экономичных транспортных средств с низким уровнем выброса вредных веществ резко возросла за последнее десятилетие. Первое место в этой тенденции занимают гибридные транспортные средства, которые сочетают в себе относительно эффективный двигатель внутреннего сгорания с электроприводом.

система гибридного автомобиля

На рисунке 1 (fig.1)  мощность на колеса 101 через планетарный редуктор 103 и ось 105 поступает с ДВС 107, или электродвигателя 109, или с обоих сразу. Разделитель мощности 111 делит мощность от ДВС 107 между генератором 113 и системой привода. Такое распределение предназначено для обеспечения максимальной эффективности в зависимости от потребностей транспортного средства. Электроэнергия, вырабатываемая генератором 113 после прохождения через инвертор 115 используется либо на обеспечение работы двигателя 109, либо на заряд аккумуляторной батареи 117. В гибридной системе двигатель 109 является основным используемым для приведения автомобиля в движение, когда ДВС является неэффективным, например, во время трогания с места, в неподвижном состоянии, при торможении и на пониженных скоростях. Двигатель внутреннего сгорания 107 подключается, когда требуется выполнение задач, непосильным двигателю 109, например, когда требуется высокое ускорение или больший крутящий момент (при заезде на холм).

система гибридного автомобиля

На рис.2 (fig.2) показаны элементы системы другого типа приводов. Система 200 использует один двигатель 201, который расположен между ДВС 203 и трансмиссией 205, приводящей в движение ось 207 и колеса 209. В этой системе электродвигатель играет двойную роль. Во-первых, он используется для приведения в движение автомобиля, во-вторых, в качестве генератора. Двигатель 201 соединен с АКБ 211 через инвертор 213.

В гибридной системе 200 уже двигатель внутреннего сгорания 203 является основным источником движения. Во время торможения двигатель 201 рекуперирует избыточную энергию и запасает её в АКБ 211. В результате в качестве основного двигателя ДВС может использоваться меньший по габаритам и более эффективный двигатель.

Несмотря на то, что гибридные автомобили имеют меньший уровень выброса и более эффективную систему преобразования энергии, они используют сложную и дорогую конструкцию из-за использования различных технологий привода. Иначе обстоит дело в полностью электрическом автомобиле.

Система одномоторного электромобиля

На рис.3 (fig.3) показан пример полностью электрического автомобиля. Электродвигатель 301 через ось 303 и трансмиссию-дифференциал 307 подает мощность к колесам 305. Модуль 309 распределяет мощность между двигателем 301 и аккумуляторной батареей 311.

Преимущества электротяги

Рисунки 4 и 5 демонстрируют графически некоторые различия в производительности между транспортными средствами, которые используют только ДВС, использующие гибридные системы,  и использующие только электропривод.

На графике моментов (fig.4) кривая 401 показывает узкую область над которой ДВС традиционно обеспечивает крутящий момент, и т.о. видна причина по которой в этом случае необходимо использование множества передач для эффективного использования такого двигателя. Кривая 501 является соответствующей кривой для этого случая (исп. только ДВС).

В гибридной конфигурации в помощь ДВС (401) работает электропривод (403), который обеспечивает лучший крутящий момент на низких оборотах. Кривые 405 и 503 иллюстрируют суммарный момент и мощность соответственно для такой комбинации.

Наконец, кривые 407 и 505 демонстрируют преимущество использования исключительно электропривода. В частности, даже на низких оборотах мы имеем высокий крутящий момент, который и далее доступен в широком диапазоне скоростей.

Картинг

Данные преимущества тягового электропривода актуальны и для картинга. Извилистая трасса требует от пилота «жесткого» стиля вождения, когда движение представляет собой череду участков торможения и разгона с максимальным ускорением. Запаса хода в  40 км на одном заряде обычно достаточно как для соревнований, так и для нескольких заездов в клубах проката.

Эксплуатация электрокарта в сравнении с картом на базе двигателя внутреннего сгорания значительно безопаснее. Часто при посадке и высадке из машины с бензиновым двигателем пилот получает ожоги, может испачкаться в масле и прочих продуктах горения. В случае электрической тяги таких проблем нет.

Главным преимуществом электрокарта мы считаем динамику разгона и везде заявляем об этом в первую очередь. Дабы голословно не декларировать данное утверждение, объясним природу этого явления. Из курса физики, 7 класс, нам известно, что F=ma. Соответственно ускорение (разгон) машины M/m (для линейного случая F/m) определяется исключительно моментом и зависит от массы разгоняемого объекта. Величина номинального момента у электродвигателя тех же габаритов, что и двигатель внутреннего сгорания, будет немного выше. Но не это преимущество является главным. В бензиновом двигателе этот самый номинальный момент достигается лишь при скорости 4,5…5 тыс. об/мин (черный график на рисунке). Объясняется это тем, что максимальный крутящий момент достигается тогда, когда в цилиндры обеспечивается наибольшая подача горючей смеси. Когда продолжительности фаз открытия-закрытия клапанов уже недостаточно для того, чтобы в цилиндры подавалось необходимое количество воздуха – на этом “максимальная отдача” прекращается. Мощность еще какое-то время продолжает расти, хотя при этом “качество” работы (момент) падает.

Плюсы электромобиля

Электропривод работает принципиально иначе. Поскольку ток, отдаваемый АКБ, является постоянным, момент, создаваемый двигателем, тоже имеет неизменное значение. Получается, что с момента пуска до скорости 6 тыс. об/мин мы имеем совершенно ровную полку момента (красный график на рисунке). Таким образом полезная работа, совершаемая электродвигателем за время разгона (площадь под графиком), получается значительно больше. Именно этого пытаются добиться производители элитных автомобилей…но постепенно переходят на электротягу) Конечно, более ровной полки момента можно добиться применением коробки передач, но для прокатного картинга это не вариант.

Почему динамика так важна?
Если бы соревнования проводились по прямой 3 км, то конечно победила бы машина большей мощности вне зависимости от типа привода. Хотя из двух машин равной мощности первым бы проехал электрткарт (а не карт на базе ДВС) за счет большего пускового момента, просто на старте бы вырвался вперед, а дальше машины бы ехали одинаково.
Но на извилистой трассе происходят качественные изменения. Здесь важно после каждого поворота набирать как можно быстрее максимальную скорость, и тут электротягу еще никто не превзошел, динамика разгона у электрокарта выше. Таким образом хоть и максимальная скорость получается такая же, как у бензинового, время круга у электрокарта будет меньше. Причем чем «извилистей» трасса, тем эта разница будет больше. В гонках по извилистой трассе более важен момент, плюс идеально ровная полка момента, а не мощность. И на такой трассе электрокарт даже меньшей мощности проедет быстрее бензинового карта. Собственно, мы это подтвердили экспериментально. Да, электротяга дороже ДВС, спору нет, но за преимущества надо платить, природу не обманешь.

Как достигается высокая динамика разгона, если аккумуляторные батареи значительно тяжелее, чем бензиновый двигатель?
Действительно, масса электрооборудования получается больше, чем у бензиновых аналогов. Однако, применение современных технологий сводит эту разницу к минимуму. Рассмотрим пример картинга с бензиновым двигателем Honda мощностью 9 л.с., масса которого с полным бензобаком составляет 35 кг. Масса электрооборудования электрокарта мощностью 5 кВт составляет 40 кг (аккумуляторы – 24 кг, электропривод – 16 кг). Таким образом, масса электрооборудования получается больше на 15 % (масса всего карта больше на 4%). При этом номинальный момент, развиваемый электроприводом получается больше на 20 %, а пусковой ‒ больше почти в 3 раза. Это позволяет выполнять разгон от 0 до 60 км/ч на электрокарте в 2,5 раза быстрее.

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *