В условиях глобализации Российская Федерация принимает международные стандарты качества, в том числе экологические стандарты Евросоюза для автомобилей, которые регламентируют содержание в выхлопе автомобилей углеводородов, оксидов азота, угарного газа и твердых частиц [9]. В России по состоянию на 2012 год действует стандарт Евро-2 для топлива и Евро-3 для автомобилей [4]. В современное время на автомобильный транспорт приходится от 39 до 63% загрязнения окружающей среды, масштабы которой глобальны [3]. Многие производители уделяют этому внимание, постоянно разрабатывая новые конструкции экологического гибридного транспорта, являющегося наименее вредным для окружающей среды. Ценность гибридных транспортных средств (ТС) в том, что они значительно снижают вредные выбросы в окружающую среду, что соответствует стандартам, и при этом не теряют динамических качеств и остаются привычным для всех видом транспорта.
Целью работы является проектирование гибридного автомобиля на основе современных электрохимических накопителей энергии (ЭХН) и конденсаторов двойного электрического слоя (КДЭС).
Поставленные задачи:
- провести ретроспективный анализ отечественного и зарубежного рынка гибридомобилей с учетом установленных критериев;
- на основе проведенного анализа определить модель ТС для последующих расчетов;
- выбрать оптимальную схему гибридной установки для данного ТС;
- провести аналитический обзор существующих в настоящее время ЭХН и КДЭС разного типа;
- выполнить тяговый энергетический расчет для заданного типа гибридного ТС;
- определить динамические показатели движения ТС на основе перспективных видов ЭХН и КДЭС.
На основе проведенного анализа определена модель ТС для расчетов – гибридомобиль Citroen C4 HDi Hybrid. В работе предложен проект оснащения данного гибридомобиля последовательной гибридной конфигурацией как наиболее эффективной при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, что соответствует движению ТС в городском цикле [2].
В работе проанализированы различные типы ЭХН и КДЭС по выделенным критериям, таким как удельная энергоемкость, удельная мощность, срок службы и др. В свою очередь, выявлено, что КДЭС перспективны для применения на ТС в следующих типах: пусковые, буферные, тяговые. В проекте гибридного автомобиля предложено аккумулирование энергии электрических торможений осуществлять с помощью КДЭС, т.к. они выдерживают множество циклов заряд/разряд и обладают высокой удельной мощностью.
Из всего многообразия АБ наиболее распространенными являются: кислотные (свинцово-кислотные), щелочные (NiCd и Ni-MH), литиевые. В работе проведен сравнительный обзор ЭХН следующих типов:
свинцово-кислотных (PbSO4) АБ [7];
никель-металлогидридных (Ni-MH) АБ [6];
литий-ионных (Li-ion) АБ [5];
литий-полимерных (Li-pol) АБ;
серебряно-цинковых (AgZn) АБ [8].
Для наглядности характеристики разных типов АБ сведены в таблице 1 . На основе полученных данных выбран тип ЭХН – литий-ионная АБ, обладающая рядом преимуществ, такими как: высокая энергетическая плотность, низкий саморазряд, отсутствие эффекта памяти, простота обслуживания.
Таблица 1
Электрохимические параметры разных типов АБ (кислотные, щелочные)
|
Параметры АБ |
PbSO4 [1] |
NiCd |
NiMH |
|
Удельная энергетическая ёмкость, Вт.ч/кг |
30-60 |
45-65 |
60-80 |
|
Внутреннее сопротивление, Ом |
0,011-0,022 |
0,05-0,1 |
0,5-0,2 |
|
Удельная мощность, Вт/кг |
100-300 |
150-500 |
500 |
|
Число циклов заряд/разряд |
200-1200 |
100-1000 |
300-500 |
|
Время быстрого заряда, ч |
6-12 |
14 |
14 |
|
Саморазряд за месяц при 20°C, % |
3 |
10 |
20 |
|
Напряжение макс. в ячейке, В |
2,1-2,17 |
1,8 |
1,85 |
|
Напряжение минимальное, В |
1,75-1,8 |
1,35 |
1,37 |
|
Диапазон рабочих температур, °C |
−40 ±40 |
-50 ±45 |
-60±55 |
|
Производитель (пример) |
Power Sonic, CSB, Fiamm, Sonnenschein, Cobe, Yuasa, Panasonic, Vision |
GP Batteries Int. Ltd., VARTA, GAZ, METABO, EMM, ANSMANN, НИАИ, КОСМОС, Sanyo |
|
Проведен тягово-энергетический расчет
для определения необходимой мощности источника энергии на движение
ТС, в результате которого получен расход энергии на движение в режиме
тяги
и в режиме торможения
.
В частности была получена тяговая характеристика F(V), характеристики
действующих сил тяги и торможения, а так же кривая основного
удельного сопротивления движению.
В ходе работы построены кривые движения гибридомобиля графоаналитическим методом, на основе которых проводился энергетический расчет. В результате получен расход энергии на движение в режиме тяги и в режиме торможения с учетом расхода энергии на собственные нужды ТС.
На основе тяговых расчетов устанавливались массогабаритные и энергетические показатели накопителей энергии. Для обеспечения энергией гибридомобиля в режиме тяги наиболее подходящим является Li-ion аккумулятор. В работе выбрана экспериментальная Li-ion АБ фирмы Envia Systems, обладающая высокой удельной энергоемкостью при значительно небольшой массе. С учетом величины рассчитанного расхода энергии подобран блок АБ массой 40,88 кг, от которого ТЭД получает питание в экстренном режиме движения.
Так же в работе установлена зависимость объема накопительного элемента (КДЭС) от энергии, вырабатываемой в режиме электрического торможения. На основе графического построения однозначно определяется скорость максимального разгона ЭПС от буферного накопителя в зависимости от скорости начала рекуперативного торможения.
При проектировании гибридомобиля принят модуль КДЭС фирмы MAXWELL/BCAP1200P270 K04, который оптимально подходит для обеспечения запаса энергии торможения на ПС.
Результатом данного исследования является значительное повышение конкурентоспособности гибридного ТС Citroen C4 HDi Hybrid по сравнению с предыдущей его модификацией.
- Литература:
Аккумуляторные батареи для электромобилей. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.electro-mobiles.ru (дата использования: 30.09.2012 г.)
Виды гибридных приводов. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.autoorsha.com (дата использования: 30.09.2012 г.)
Гибридные автомобили - экологичный и экономичный транспорт XXI века. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://7ya.tomsk.ru (дата использования: 30.09.2012 г.)
Лента.ру. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.lenta.ru/articles/2012/08/17/gases (дата использования: 30.09.2012 г.)
Литиево-ионный аккумулятор. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://lithium.ru (дата использования: 30.09.2012 г.)
Никель-металл-гидридный аккумулятор. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki (дата использования: 30.09.2012 г.)
Свинцовые и щелочные аккумуляторы - технические характеристики аккумуляторов. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://roadmachine.ru (дата использования: 30.09.2012 г.)
Серебряно-цинковый аккумулятор. [Электронный ресурс]. – Режим доступа – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki (дата использования: 30.09.2012 г.)
Экологические стандарты Евросоюза для автомобилей. [Электронный ресурс] – Режим доступа – URL: http://eco.ria.ru/documents/20090901 (дата использования: 30.09.2012 г.)