Автономная система электромотором. Электромобиль: история, устройство, плюсы и минусы. Энергия передается прямо на колеса
К Геннадию Алексеевичу я пришёл в январе 2010 года с таким напутствием одного из его бывших коллег: ему 83, можешь не пытаться, вряд ли он что вспомнит…
Зверев жил в обычной пятиэтажке в районе Рязанского проспекта, с женой-ровесницей.
Когда договаривались о встрече, он растерянно сказал: «Даже не знаю, где мы сможем поговорить, отойти надолго я не могу – жена болеет, нельзя её оставлять. И к нам не очень удобно…».
Стало невыносимо неловко . Как может быть неловко розовощёкому молодому человеку, вторгающемуся в быт старика, пусть ненадолго, но с эгоистическими потребностями. Но Геннадий Алексеевич великодушно смикшировал эту неловкость со своей непосредственностью: «А, ладно, чего уж там, заходите ко мне! Только на бардак внимания не обращайте».
Геннадий Алексеевич Зверев стоял, что называется, у истоков советского электромобилестроения. Он конструировал один из главных элементов – системы управления тяговыми электродвигателями. В середине 1950 годов в СССР ещё не было никакого опыта такого проектирования, всё приходилось делать впервые, перенося опыт из смежных отраслей. К счастью, прогноз коллеги не сбылся: Геннадий Алексеевич помнит всё прекрасно, всем бы в его возрасте такую память. И квалификации электронщика не растерял: он достаточно легко вспоминал самые мелкие схемотехнические подробности разработки пятидесятилетней давности. А дальше он расскажет обо всё сам.
– Моя специальность — инженер-механик электрического транспорта. Поработав после института на железной дороге, я перешёл в закрытый НИИ-496, которым тогда руководил Андроник Иосифьян, член-корр и вообще большой авторитет в области электротехники. Я пошёл туда потому, что в НИИ-496 организовывал свой отдел Евгений Аватков, легендарная личность, большой энтузиаст переменного тока. Он стал моим первым начальником на новом месте. Это было в 1957 году, в декабре.
Первая страница трудовой книжки Зверева
Тогда начались работы по асинхронным двигателям для транспорта, впервые в СССР. Пожалуй, по некоторым направлениям мы были первыми в мире. Или нам так казалось – сравнить-то было не с чем, никакой западной технической литературы не было. Мы точно начинали с нуля, с чистого листа.
Институт наш находился у Красных Ворот, напротив МПС. Очень квалифицированные люди там собрались, интересные. Часть нашего отдела начала работу над электровозами на переменном токе, это было вновинку. Создали несколько групп: кто-то работал над двигателем, кто-то над преобразователем тока и системой управления — для асинхронного двигателя тогда не было никаких шаблонных решений, никаких готовых схем.
Работа по конвертации электровоза на переменный ток
Идею применения асинхронного привода настойчиво проталкивал сам Аватков. Тогда весь наш транспорт работал на двигателях постоянного тока, они сложнее конструктивно и в эксплуатации, из-за того, что там на валу стоит коллектор со щетками, за которыми необходимо следить, чистить все время. Мы бывали на разных заводах и видели, сколько машин с двигателями постоянного тока находилось в ремонте, как люди задыхались от этих ремонтов. И главная причина – изношенные коллекторы.
А асинхронный двигатель можно запечатать в короб — ему не требуется никакого обслуживания. Его можно опустить в воду, он и там будет работать. Нет коллектора, значит и удельные характеристики лучше, и в массе выигрыш. Но такие моторы производились у нас в стране только на 50 Герц, всего одна модель на весь СССР! Это был неприхотливый двигатель, применялся во множестве механизмов, но только там, где не требовалось регулировать скорость его вращения путём изменения частоты тока. Тогда просто не было силовой электроники, позволявшей это делать!
– Аватков вас сразу «бросил» на создание двигателя для электромобиля?
– Нет, первая моя работа была с моряками, делал им систему заряда батарей для подводной лодки. Там стояли свинцово-кислотные аккумуляторы: большая такая бандура получилась! У нас был комплексный испытательный стенд в Истре, даже Горшков – министр морского флота – приезжал туда. Поздравлял: мы первые сдали работу по электроагрегатам. Вот после этого Аватков меня и переключил на электромобили. В 1960 году.
– Откуда вообще возникла идея проектировать электромобиль? Был госзаказ или ваша институтская инициатива?
– Сложились вместе два обстоятельства – всплеск государственных инициатив по заботе о сохранении природы и наличие у нас почти готовой разработки по асинхронному приводу.
Я сейчас не могу точно сказать, кто конкретно выдвинул идею электромобиля, но с 1960 года эта работа была включена в план наравне с электровозной тематикой. В принципе, это была экспериментальная работа, никто не знал, что у нас получится. Асинхронный мотор изначально проектировался под напряжение в 300 Вольт, поэтому начали с его адаптации под более низкое напряжение. Пришлось перемотать обмотки, и ещё кое-какие изменения внести. Двигатель был трёхфазным, в первой фазе было по две последовательных обмотки, их мы переключили на параллельное соединение и двигатель стал работать от 190 Вольт.
первый асинхронный двигатель для электромобилей в СССР
Это не было оптимальным вариантом, но для эксперимента годилось. А на будущее мы закладывали разработку специального электродвигателя. Были сделаны расчёты – может, и не очень достоверные, но уж какие смогли. Выходило, что нам достаточно было двигателя в 15кВт. Это для полуторатонной машины, предназначенной для развоза по городу мелких товаров.
Потом стали подбирать аккумуляторы. Поначалу использовали обычные стартерные АКБ, 12-вольтовые, от «УАЗика», на 60 А-ч, подольского завода. Они нам по указанию министерства электротехнической промышленности выдали 22 батареи, вот с ними мы и работали. Потом попытались вместе с Смольковой Валентиной Сергеевной, которая тогда была директором подольского НИИСТА (института стартерных аккумуляторов), усовершенствовать их каким-то образом. Хотели сделать её устойчивой к большим зарядным токам, чтобы сократить время зарядки. В Подольске долго работали, но так ничего и не удалось им сделать… Получилась только батарея 6ЭМ-60, со слегка сглаженной характеристикой разряда.
– Вы уже работали с каким-то готовым шасси или только проектировали электрическую часть?
– У нас был УАЗ-451, как макет для компоновочных работ. Эти 22 аккумулятора мы установили в двух контейнерах по бортам, чтобы просто прикинуть расположение. Тогда ещё не было готового преобразователя напряжения и, соответственно, машина эта не ездила.
– А что собой представлял преобразователь?
– Трехфазный инвертор напряжения, для питания каждой фазы двигателя. Инвертор для силовой части в те годы можно было сделать только на тиристорах, мощных транзисторов ещё не было. А тиристоры в СССР изготавливались только на Сталинском электротехническом заводе в Таллине и были жутким дефицитом. Не помню их маркировку, увы. Это были быстродействующие тиристоры, с относительно небольшим (по тем временам) временем срабатывания.
Тиристор – это простой полупроводник, фактически управляемый диод, для открытия которого требуется короткий импульс. Но импульс этот надо гасить, а для этого применяются LC-контуры. Вам схему нарисовать?
Геннадий Алексеевич с учительским терпением рисует схему своего преобразователя и подробно объясняет принцип его работы. По всему выходит, что ему удалось из очень ограниченного набора деталей, буквально из подручных материалов соорудить довольно интересную схему. В ней для «гашения» главных тиристоров применялись другие тиристоры, коммутирующие, нагруженные на ёмкость и два дросселя. «Изюминка» этого решения именно в двух дросселях, позволяющих «перекрывать» фазы работы электродвигателя с большой точностью. И его ещё нужно было вписать в какие-то разумные габариты, а они тоже зависят от электрических характеристик, в частности, от времени восстановления тиристоров.
– Инвертор требовал охлаждения. У нас набиралось 12 тиристоров и 6 мощных диодов, и для каждой «тройки» нужен был свой воздушный радиатор, для безопасности. Ведь как ни изолируй корпуса и выводы полупроводников, опасность замыкания всё равно остаётся, тем более в автомобиле, с его вибрациями.
Сделали для преобразователя специальный ящик, в котором все тиристоры располагались с левой стороны по отношении к вводу, а блок управления справа. Тиристоры легко вынимались из этого ящика, для замены. Сам ящик охлаждался вентилятором, эту систему нам сделал другой отдел института (НИИ-496 к тому времени уже переименовали во ВНИИЭМ – институт электронного машиностроения), который, специально занимался охлаждением преобразовательных установок. Воздух засасывался с переднего края, выдувался из инвертора в двигатель, а потом и в аккумуляторную батарею, поскольку нужно было сдувать с неё кислотные пары.
– А разве нельзя было заказать нашей электронной промышленности производство транзисторов или тиристоров по вашему ТЗ?
– Нет, что вы… Для таких энтузиастов, как мы никто бы ничего не стал делать. Это же был эксперимент, опытная разработка. И хотя мы всем показывали этот электромобиль, но никто не сказал, что можно разработать тиристор с нужными нам параметрами. Это только для военных проектов можно было сделать. Ну, или для космоса. А нам и обычных, серийных порой не доставалось, Минэлектротехпром распределял элементы по каким-то ведомым только ему соображениям.
Единственный человек, кто нам очень помогал – Иосиф Гоберман, директор Главмосавтотранса. Ему нравилась сама идея электромобиля, он верил, что они могут заменить в городских перевозках УАЗы, РАФы и даже ГАЗы с ЗиЛами. Гоберман дружил с всесильным властителем Москвы Виктором Гришиным. И с его подачи даже Гришин однажды посетил нас, посмотрел наши машины. Но это было позже, в конце семидесятых.
Гришин и Гоберман на 34-ом автокомбинате, 1978 год
Я несколько раз сам ходил к Гоберману за помощью. Вот меняю я в схеме какой-то элемент (а делать это приходилось довольно часто) – значит, я должен на завод-изготовитель поехать, стоять часами на коленях, чтобы подписали разрешение на применение. А Гоберман спрашивал: «Что тебе нужно?» — и назавтра это у меня было. Даже порой представители заводов сами ко мне приезжали, чтоб я только подписал бумаги и взял этот элемент. Откуда у него было такое влияние — я не знаю, может и Гришин помогал.
– Давайте вернемся к электромобилю. Он сразу поехал или были какие-то проблемы?
– Проблемы были, конечно. Очень долго я занимался монтажом на автомобиль нашей аппаратуры. Когда мне принесли первый экземпляр преобразователя, я побежал и остановил их производство, там были серьёзные ошибки в компоновке, и качество сборки аховое. В электромобиле ведь помехи – на каждом шагу, кругом громадные и импульсные токи. Эти токи наводили в соседних проводах лишние, ненужные нам импульсы. Поэтому монтажу было особое внимание.
Первый экземпляр сделал я, второй один из наших монтажников, Грубник. А потом сборку преобразователей отдали на опытный завод ВНИИЭМ, и вот они стали делать абы как. И вот я ползал и раскладывал провода так, чтобы этот инвертор работал надёжно. На первую машину у нас ушло примерно три года.
– Справились в итоге?
– Да. А потом вышла партия машин, которая эксплуатировалась на 34 автокомбинате, это 1974-78 годы. Для них преобразователи поставлял уже Краснодарский филиал ВНИИТА, там директором был Юрий Скоков. Тот самый, который потом политиком стал.
– А зачем производство отдали в Краснодар? Ведь всего несколько штук нужно было этих преобразователей.
– Там много всего нужно делать: пайка, сварка, изготовление шин. А у нас не было людей для этого — один монтажник с помощником. Институт занимался закрытыми темами и никто из других отделов нам не помогал.
– Сколько инверторов было сделано в Краснодаре?
– На все машины, которые эксплуатировались на 34-ом комбинате. Много, даже больше, чем нужно. Так что был запас.
страничка из буклета Кванта, отпечатанного в нескольких экземплярах под грифом «ДСП».
В Краснодаре сначала была та же история с качеством монтажа. Я когда туда приехал — ужаснулся. Они так напаяли, что пришлось опять останавливать производство и идти к главному инженеру. Договорился, что привезу монтажника, который покажет, как надо. Вызвал Грубника, он две недели там сидел и показывал, как монтировать, как разводить платы. Мы уже к этому времени разработали «косу» (отмеренную и сплетённую проводку), сами делали её, отдельно от преобразователя, потом распаивали по местам.
– Преобразователь тяжёлым получился?
– Не очень, я легко поднимал его. Ну, может 50 кг вместе со всеми радиаторами. Мотор тоже перетаскивали вручную вдвоем.
– Какая система управления была у этого преобразователя?
– По две платы в каждом выдвижном блоке. Система управления была на постоянном токе, 24 Вольта. Был еще однофазный инвертор, он отдельно питал систему управления. С общей шины нельзя было питание брать, потенциал-то нельзя поделить. И если где- то «коротнёт», то всё высокое напряжение «сядет» на систему управления. Так что для надёжности я её изолировал.
Конструкция системы управления менялась по мере совершенствования элементной базы. Сначала это были маломощные транзисторы и намоточные элементы, потом появились микросхемы и мы переделали схему на них, с помощью Харьковского политехнического института.
– А что с рекуперацией? Это ведь самый сложный режим работы электромобиля.
– Рекуперацию начали отрабатывать, когда производство электроники передали в Краснодар. Этим занимались два других человека, один сейчас живёт в Америке, а второй умер на садовом участке, у меня на глазах.
Для управления машиной у нас сначала использовались две педали: движения (электрическая) и тормоза (обычная гидравлика). И дополнительно ставили тумблер на панель приборов, который нужно было включать, когда едешь накатом с горки или подтормаживаешь. Тогда двигатель переключался в генераторный режим и отдавал энергию батарее. Потом этот тумблер заменили обычной педалью, третьей. На одной штатной педали тормоза это сделать было нельзя, ведь нужно переключить частоту скольжения с добавления на вычитание.
– Как тормозила машина в режиме рекуперации? Хватало тормозного момента?
– Тормозила двигателем машина очень эффективно. Я даже сам проехался и почувствовал, хоть и не шофер, у меня и прав-то никогда не было.
Сейчас, когда я еду на троллейбусе, всегда вижу, когда они переключаются на рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть. В сеть, конечно, труднее отдавать, чем аккумуляторам — потому, что кто-то должен эту энергию принять, другой троллейбус в режиме движения или подстанция должна пропустить этот ток, а там стоят выпрямители.
Наши водители охотно пользовались рекуперацией, а вот за шофёров на автокомбинате не скажу, не знаю. С Колчиным, его директором, мы редко общались, разве только когда иностранные делегации приезжали. Таких делегаций много было, и все просили преобразователь показать. Мы как-то уходили от этого, говорили, что там всё запаяно и нельзя разобрать. Не хотели показывать, в общем. Даже из Пентагона генерал какой-то приезжал. Мы с ним выехали на улицу на электромобиле, и он говорит: «Дайте я сам проеду!». Я растерялся, но дал всё-таки. Он проехал, вышел и говорит: «Замечательно!» Я и сам удивлялся, как послушно и ровно она шла.
Но было главное ограничение — батарея. Нам хотелось заряжать её ударным током! Чтобы ток прошел моментально и зарядил батарею. Чтобы шофер не ждал. Тогда нас, кажется в 1980-м, перевели во ВНИИИТ (институт источников тока) и разместили в отделении, которое занималось молекулярными накопителями. Для его сотрудников электромобиль – ненужная забава, они на космос работали. Но и нам никакой особой помощи от них не требовалось, у нас уже всё отлично работало. Только об одном просили: сделайте нормальную батарею. Пусть даже небольшой емкости, но заряжаться она должна мгновенно. Мы с этим и к руководству института вышли: раз нас взяли (а они очень этого хотели), то помогите с разработкой аккумуляторов. Но никто так ничего путного и не сделал.
На обычных аккумуляторах, которые нам Смолькова давала, мы проезжали примерно 70-80 км. Один раз Лидоренко, директор нашего нового института, распорядился дать нам на пробу серебряно-цинковую батарею ёмкостью 180 Ампер часов, разработки самого ВНИИИТА. Она была дико дорогой, так что это было скорее удовлетворение интереса, чем серьёзный эксперимент.
Мы ее поставили на электромобиль, целый день гоняли — не могли разрядить. Проехали около 350 км, потом плюнули и поставили машину в гараж. Эта была единственная батарея, которая позволила бы нормально эксплуатировать электромобиль. И она была легче, чем свинцовая.
– Серебряно-цинковая батарея могла заряжаться большими токами?
– Не могу сказать. Мы заряжали от тех же зарядных устройств, что и обычные батареи.
– Хотя-бы о мелкосерийном производстве такой батареи нельзя было договориться?
– Мы ведь до последнего планировали не мелко-, а крупносерийное производство! Целый парк машин, эксплуатировавшихся на 34-ом автокомбинате – это большой опыт, там отработали всю схему организации перевозок. Обучили водителей, механиков, построили зарядные станции в точках разгрузки. Так что цель была – продолжить это дело, перевести на электротягу весь развозной транспорт Москвы. Гоберман именно к этому стремился, помогая нам.
– Как думаете, сейчас есть смысл вернуться к серебряно-цинковым батареям?
– Нет, конечно, сейчас на такое количество серебра вообще будет сверхцена. Никто не купит такой электромобиль.
Знаете, у меня был интересный опыт использования наших преобразователей и моторов для других целей, не транспортных. Так как мы числились в отделении молекулярных накопителей, от нас требовали, что бы мы их как-то использовали. И вот в Геленджике, где была лабораторная база ВНИИИТа, мы организовали испытательный стенд. Пробурили скважину, запустили туда насос на асинхронном двигателе и запитали всё это от солнечных батарей и молекулярных накопителей. Ночью насос питался запасённой энергией, а днём – от Солнца. Двигатель работал в воде и ничего плохого ему не делалось. Так что надёжность асинхронника была проверена ещё и в экстремальных условиях.
Мы ездили на всякие симпозиумы международные и они когда я начинал доклад — была тишина полная. Все слушали внимательно, что-то записывали, потом вопросы задавали. Тогда в моде были коллекторные моторы, асинхронные были вновинку. А сейчас в этом направлении работают почти все автомобилестроители.
– В двукратном преобразовании тока, которое нужно для питания асинхронника от батарей постоянного тока, все-таки теряется часть энергии?
– Теряется, да, и в инверторе теряется, на коммутацию, на закрытие, на открытие тиристоров. Но это мизерная энергия. Если брать высокочастотные тиристоры, то это меньше процента, я управлял импульсом в несколько микросекунд. Только в коммутирующем контуре потери. Конечно, они есть в конденсаторе, в дросселях. И в тиристоре самом. Но незначительные. Вот в троллейбусе преобразователь стоит, и что, там нет потерь? Ерунда это всё, на современной элементной базе такие потери можно даже не учитывать. Равно как и с преобразованием.
– Что, кроме отсутствия подходящих аккумуляторов, мешало внедрению ваших разработок?
– Всё было построено на связях. В ЦК, в Политбюро. У нас был Гоберман, но даже ему не под силу оказалось пробить эту стену равнодушия.
Однажды один видный функционер прямо спросил меня, знаком ли я с Гейдаром Алиевым, был такой первый зам Председателя Совета Министров СССР, он курировал наши вопросы. «Нет, конечно» — говорю. «Тогда о внедрении в серийное производство можешь забыть».
Меня тянули в партию, даже вынудили два года отучиться на философском факультете института марксизма-ленинизма. Но в КПСС я так и не вступил. В конце восьмидесятых годов у нас ввели новую схему оформления трудоустройства – годовые контракты. Год заканчивался – и могли контракт продлить. А могли и не продлить. Это так боролись за дисциплину. Так вот, вызывает меня начальник отдела и торжественно говорит: Геннадий Алексеевич, ты принят во ВНИИИТ бессрочно! Я сказал «спасибо» — и ушёл на пенсию.
– Как думаете, ваша разработка сейчас потеряла актуальность?
– Она никогда не потеряет актуальность, это будущее всего электротранспорта. Когда я ушел на пенсию, является ко мне один мой работник и говорит: «У нас состоялось научно-техническое совещание в отделе, и мы постановили: все дальнейшие работы будем вести по вашим схемам». Некая Борисова приехала и привезла мне выписку из протокола совещания. Потом наш начальник загорелся идеей делать прогулочные машины с молекулярными накопителями и солнечными батареями, якобы к нему даже заказчики потенциальные приезжали из Эмиратов. Машину такую сделали, но сделка не состоялась. Да и сама машина получилась так себе…
История электромобилей ВНИИЭМ – ВНИИИТ – НПО «Квант»
Первые электромобили на асинхронном тяговом двигателе были сделаны ВНИИЭМом в сотрудничестве с калиниградским ВНИИ электротранспорта в 1967-1970 годах. Это были два образца под именами ЭМО-1 и ЭМО-2. Параллельно этому построили два макетных образца на базах УАЗ-451 и УАЗ-452.
В 1970-72 годах в сотрудничестве с НИИАТ построили два образца развозных фургонов с пластиковым кузовом, по некоторым сведениям их дизайн принадлежит «перу» Юрия Долматовского.
Электромобили, созданные в сотрудничестве с НИИАТом.
Вот фрагмент случайно сохранившейся любительской киноплёнки, где запечатлена машина ВНИИЭМНИИАТ и её создатели:
Заметка из неведомой газеты середины 1970-х годов
В 1974-78 годах на ремонтно-производственной базе Главмосавтотранса собрали10 машин У-131, конвертированных из УАЗа-451ДМ. Там уже применялись специальные батареи НИИСТА 6ЭМ-60 с удельной энергоёмкостью 25 Втч/кг и допускавшие ускоренный заряд (в течении трёх часов не мене 60% ёмкости). Три такие машины приняли участие в ноябрьской демонстрации 1975 года, пройдя по Красной площади.
Скриншоты со случайно уцелевшей любительской киносъёмки демонстрации 1975 года
Они же были первыми, кто прошёл цикл испытаний на Дмитровском автополигоне. Максимальная скорость составила 70 км/ч, запас хода при 40 км/ч – 70 км, при движении по европейскому городскому циклу – 50 км. В 1977 году состоялись приёмочные испытания У-131 и было рекомендовано их дальнейшее производство (с рядом доработок).
У-131 были первыми машинами, поступившими в опытную эксплуатацию на 34-й автокомбинат Москвы. Там создали специальную зону для зарядки и обслуживания, а в местах разгрузки установили несколько дополнительных зарядных устройств. Средний пробег У-131 не превышал 40 км в день, так что заряда хватало, но водители автокомбината всё равно не очень любили электромобили: было несколько случаев остановки прямо в пути из-за нехватки энергии. Да и ломались они часто.
В 1978 году ВНИИЭМ совместно с РАФом конвертировал 2 экземпляра рижского микроавтобуса РАФ-22038, они тоже побывали на полигоне. Но до этого силами Главмосавторанса и ВНИИЭМа был сделан ЭлектроРАФик под условным названием «Буржуйский» Эту кличку он получил за шикарную отделку салона, сделанную на ЗиЛе, на том участке, где собирались правительственные лимузины.
РАФ-22038 Главмосавтотранса
Страница из отчёта об испытаниях электро-РАФа на Дмитровском полигоне
В 1977 году к теме подключился УАЗ, выпустивший свою первую партию электромобилей УАЗ-451МИ, представлявшего собой свободную фантазию на тему У-131. Они тоже поступили на 34-й автокомбинат, 9 октября 1978 года. РАФ тоже не остался в стороне, в 1978-79 годах собрав несколько машин 22038 и 22037 на постоянном и переменном токах. И, конечно, ВАЗ, который начал собирать развозные электорфургончики ВАЗ-2801на базе ВАЗ-2102. Но все эти работы прямого отношения к ВНИИЭМ не имели, упоминаем их лишь в контексте общей истории.
В 1980-ом, уже будучи под крылом ВНИИИТа, Зверев сотоварищи (Борис Павлушков, Николай Родионов и др.) начинают делать сильно модернизированный вариант У-131, названный УАЗ-3801. В работе участвовали завод Сатурн, УАЗ и сам ВНИИИТ в лице НПО «Квант» (именно в его структуре находились разработчики электромобилей). УАЗ-3801 было сделано более 50 шт, (58, если быть точным), большая часть из которых работала всё на том же 34-ом автокомбинате. Последнюю такую машину собрали в 1988 году. Один из «УАЗиков» сохранился в «Кванте» до настоящего времени, его можно увидеть на фотографии из депо «Москва-Киевская», на территории которого расположен один из офисов «Кванта».
Последним электромобилем, сделанным «Квантом» при СССР стал минимобиль с солнечной батареей, который упоминает Геннадий Зверев. Он предназначался для курортных зон, для неспешных прогулок с небольшой скоростью. Если говорить совсем честно, то один из расчётов делался на закрытые черноморские санатории, в которых отдыхали тогдашние партийные бонзы и члены ЦК. У «Кванта» к тому времени уже был некоторый опыт такого «сотрудничества»: один из электроРАФиков в конце семидесятых годов обслуживал как раз таких статусных отдыхающих в Форосе. Там же работал и опытный электротрактор.
Минимобиль получился очень концептуальным, но до ума его так и не довели. Один экземпляр худо-бедно ездил, второй так и остался макетом. Он и сейчас стоит в запасниках «Кванта». Кстати, дизайн минимобиля делали на ЗиЛе, вот только выяснить фамилию этого гения пока не удалось.
Минимобиль с солнечными элементами на крыше
Дальнейшая история электромобилей «Кванта» богата на разного рода эксперименты, но их описание уже выходит за отмеренные хронологические рамки. Скажем лишь, что до настоящего момента в «Кванте» придерживаются высоковольтной схемы переменного тока.
А вот киносъёмка той самой ноябрьской демонстрации 1975 года. Оператор явно впервые держал в руки камеру; но уж что есть… Сначала идёт чёрно-белый фрагмент, потом цветной.
Нравится(3 ) Не нравится(0 )
В недалеком будущем электромобили смогут полностью заменить автомобили с ДВС. Множество компаний по всему миру сосредоточили все усилия, чтобы разработать электромобиль, а способствует этому рост цен на нефтепродукты. Кроме того, актуальность электромобилей состоит еще и в том, что атмосфера становится все более загрязненной, поэтому нужно бороться с вредными выбросами двигателей внутреннего сгорания.
На данный момент самыми крупными рынками электромобилей являются такие ведущие страны как США, Япония, а также ряд европейских стран. Если говорить о компаниях-производителях, то лидирующие места занимают такие акулы автомобилестроения как Nissan, Toyota, Ford и др. К сожалению, наша родина еще не может похвастаться выпуском электромобилей, если не учитывать модель Lada Ellada, которая была создана энтузиастами, причем на импортных деталях.
Если говорить о том, что же такое электрический автомобиль, то под этими словами стоит понимать транспортное средство, приводимое в движение специальными электрическими двигателями. Питание электродвигателя осуществляется от солнечной батареи, специализированных топливных элементов или аккумуляторной батареи.
Аккумуляторная батарея требует подзарядки через определенное время работы, которая осуществляется как от различных источников извне, так и от генератора, который устанавливается на борту автомобиля. Последний способ имеет особенность – генератор приводится в движение простым двигателем, так что такое авто стоит считать не электромобилем, а разновидностью гибридных автомобилей.
Некоторые компании ведут работы по направлениям – разработки новейших моделей, и адаптации серийных автомобилей. Если говорить о предпочтении, то оно отдается последнему, потому как требует меньших затрат.
Электромобили разделяют на 3 условные группы:
— городские, с максимальной скоростью до 100 км/ч;
— шоссейные, максимальная скорость которых более 100 км/ч;
— спортивные. Их максимальная скорость более 200 км/ч.
Конструкция электромобиля, в отличие от авто с двигателями внутреннего сгорания, немного проще, но она более надежна, ведь в ней минимальное количество подвижных деталей и узлов. В электромобиле главными конструктивными составляющими являются: трансмиссия, качественный аккумулятор, специальное бортовое зарядное устройство, электронная система управления и т. д. Для того чтобы обеспечить питание главного тягового электродвигателя, в автомобиле установлена мощная тяговая аккумуляторная батарея. На электромобили устанавливают литий-ионную батарею, которая состоит из нескольких модулей, соединенных между собой. Выдаваемый ток такой батареи составляет порядка 300 Вт постоянного тока, а ее емкость полностью соответствует мощности электродвигателя.
Тяговый двигатель – это несколько трехфазных асинхронных либо синхронных электрических машин, работающих от переменного тока. Их мощность начинается от 15 кВт. Максимальная мощность может быть более 200 кВт. Если сравнивать электродвигатель с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), то эффективность первого по отношению к последнему составляет 90%:25%. Кроме того, у электродвигателя существует ряд других преимуществ, которые также очень важны и востребованы, а именно:
— максимального крутящего момента можно добиться при любой скорости;
— конструкция достаточно проста и нет необходимости в дополнительном охлаждении;
— может работать и в режиме генератора.
Существует определенный ряд моделей электрокаров, которые собраны с применением двух и более электродвигателей. Это необходимо для того, чтобы привести каждое отдельное колесо в движение или сразу несколько, добиваясь повышения тяговой мощности. Для сокращения трансмиссии, производители зачастую встраивают электродвигатели непосредственно в колеса. Такой подход имеет существенный минус – автомобилем становится трудно управлять. Это обусловлено тем, что увеличиваются неподрессоренные массы.
У автомобиля простая трансмиссия, поэтому на подавляющем количестве моделей она представлена простым одноступенчатым редуктором. Имеется очень полезная вещь – бортовое зарядное устройство. Оно дает вам возможность зарядить ваш электрокар от обычной розетки. Чтобы преобразовать постоянное высокое напряжение, выдаваемое аккумуляторной батареей в трехфазное — переменное, производители используют специализированный инвертор. Кроме того, такой преобразователь также предназначен для того, чтобы заряжать дополнительную 12 Вт батарею. Она нужна для питания других узлов и приспособлений. К ним относятся кондиционер, электрический усилитель руля, аудиосистема и др.
Интересные и полезные функции берет на себя электронная система управления. Она ответственна за безопасность, энергосбережение и за комфорт пассажиров. Если углубиться, то система управления необходима еще и для того, чтобы:
— управлять высоким напряжением;
— производить регулирование тяги;
— обеспечивать оптимальное движение;
— оценивать насколько хватит заряда батареи;
— управлять тормозной системой и контролировать расход энергии от аккумулятора.
Эта система объединяет в себе определенные входные датчики, блок управления и другие устройства, которые имеются в электромобиле.
Хотя автомобили с ДВС и электродвигателем похожи, их эксплуатация значительно различается. Именно она препятствует полномасштабному выпуску таких автомобилей. Главное, что оттолкнет потенциальных покупателей – цена. Еще отталкивает длительное время зарядки аккумулятора и не самая лучшая автономность. Их высокая цена объясняется тем, что производство литий-ионных аккумуляторов дорогостоящее, а срок их службы не превышает 7 лет. Плюсом электрического автомобиля является более низкая стоимость его содержания. Если говорить об эксплуатации, то наиболее выгодно она в странах, где процесс производства электроэнергии мало зависит от топлива.
В настоящее время электрокары характеризуют как транспорт для города. Почему? Дело в том, что автономность автомобиля невысока, а величина пробега до потребности в зарядке зависит от множества факторов. Характер вождения, покрытие трассы и многое другое влияет на показатель автономности. Сейчас производители добились пробега в 150 км без необходимости зарядки, но это при скорости 70 км/ч. Если скорость вашего движения будет около 130 км/ч, то вы проедите не более 70 км. Сейчас имеются специальные технологии, которые могут позволить увеличить автономность где-то до 300 км. Одной из таких технологий является рекуперативное торможение, которое способно возвратить до 30% затраченной энергии. Еще на такие авто устанавливают аккумуляторные батареи с повышенной емкостью и электронные системы, отвечающие за оптимизацию всех происходящих процессов.
Электродвигатель – устройство, которое занимается преобразованием электроэнергии в механическую. Он работает, используя принцип электромагнитной индукции.В последнее время он все сильнее популяризируется на автомобильном рынке в качестве перспективного направления развития автопромышленности. Поэтому есть смысл подробнее ознакомиться с устройством электромобиля, его двигателя, за которым может быть будущее отрасли.
Принцип работы и устройство
Электродвигатель включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.
Благодаря развитию технологии электродвигатели нашли применение в разных отраслях, например, автомобилестроении. Причем они способны использоваться либо отдельно, либо совместно с (ДВС). Последний вариант – гибридные авто.
От электродвигателей, применяемых на производствах, агрегат для авто отличается малыми габаритами, но повышенной мощностью. К тому же современные разработки все больше отдаляют двигатели для автомобилей от иных подобных устройств. Характеристиками электромобилей являются не только показатели мощности, крутящего момента, но и частота вращения, ток и напряжение. Поскольку от этих данных зависит передвижение и обслуживание авто.
Виды
Чтобы лучше разобраться в многообразии, которое нам дарит авторынок, стоит рассмотреть существующие виды электродвигателей для электромобилей.
Их можно условно классифицировать по типу тока:
- устройства переменного тока;
- конструкции постоянного тока;
- решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока).
Электромобиль это автомобиль, который приходит в движение от одного или нескольких электродвигателей за счет автономного источника энергии (аккумулятора).
История:
Когда появился первый автомобиль с электромотором сейчас установить уже практически невозможно, в XIX веке достаточно много изобретателей конструировали различные модификации автомобилей, которые приводились в действие электродвижущей силой.
Но все же первое упоминание о появление такой конструкции есть, и оно приходится на 1828 г. тогда выходец из Венгрии Аньос Джедлик сконструировал маленький, примитивный электромобиль который больше напоминал современную доску для скейтборда, на которую установили электромотор.
К сожалению или нет, но тогдашнему буму развития автомобилей на электрической тяге мешала сложная система преобразования тока для подзарядки аккумуляторов, да и сами аккумуляторы были очень громоздкими, имели низкую плотность заряда и множество других несовершенств. К тому же электродвигатели сначала вступили в конкуренцию с паровыми двигателями, а в дальнейшем и с двигателями внутреннего сгорания. Устройство автомобиля с ДВС, после ряда доработок, стало в не конкуренции, почитайте об этом тут http://cars-repaer.ru . Только сейчас стало всё по серьёзному меняться.
Электрический аккумулятор:
Это источник электрического тока многоразового действия, в котором за счет обратимых химических процессов обеспечивается многократная зарядка и разрядка батареи.
Одной из главных проблем для современных электрических аккумуляторов и аккумуляторов для электромобилей, особенно это их, достаточно низкая емкость заряда. Для такого автономного устройства как электромобиль, которое должно передвигаться на большие расстояния и при этом должно обеспечивать такой же уровень комфорта, как и обычный автомобиль, емкость электрической батареи является критически важной.
Недостаточная емкость аккумулятора, не единственный существенный недостаток для электромобилей, так же существенным недостатком, мешающим массовому внедрению электромобилей является отсутствие необходимой инфраструктуры, в которую должны входить авто зарядные станции, и отдельные электрические сети так как обычные сети будут сильно перегружены при одновременной зарядке множества автомобилей.
Электродвигатель:
Электродвигатель это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую движущую силу.
Работа электродвигателя состоит в принципе электромагнитной индукции, это появление электрического тока при изменении магнитного поля в замкнутом контуре обмотки. Современные электродвигатели используются в самых разных отраслях промышленности и в быту, а также на электромобилях. В автомобилях на электрическом приводе чаще всего используются трехфазные двигатели переменного тока повышенной компактности и мощности. Электродвигатели обладают огромными преимуществами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания это:
Экологически безопасный в эксплуатации
Малый вес и компактность
Простота в обслуживании и долговечность
Возможность перевода в режим генератора
Серьезных недостатков у автомобильных электродвигателей нет.
В последнее время крупные фирмы производящие электромобили стали использовать систему мотор-колесо. В это системе электродвигатель с различными агрегатами устанавливается непосредственно в колесо, которое отличается от обычного автомобильного колеса и имеет свою собственную конструкцию. Благодаря такому решению в конструкции автомобиля можно отказаться от трансмиссии как таковой, что приводит к упрощению строения электромобиля, его обслуживанию и снижению веса.
Недостатки и преимущества электромобилей:
Преимущества:
Простота технического обслуживания
Низкая пожаропасность при авариях
Более высокая экологичность при эксплуатации
Простота конструкции и долговечность работы деталей
Меньший шум и отсутствие вибраций
Высокая плавность хода и динамика
Недостатки:
Не достаточно высокая емкость современных электрических аккумуляторов и долгое время их заряда
Отсутствие соответствующей инфраструктуры
Высокая стоимость литиевых батарей
Большой вес свинцовых батарей и сложность их утилизации
Современные электромобили далеко ушли от своих предшественников, и ничем по комфортабельности не уступают автомобилям с двигателями внутреннего сгорания и гибридными двигателями, а по некоторым техническим и эксплуатационным характеристикам даже превосходят их. И уже не остается никаких сомнений, что электромобиль это автомобиль будущего причем не далекого, а самого ближайшего.
________________________________________________________________________Появление силовых транзисторов на токи порядка десятков и сотен ампер способствовало разработке ряда вариантов тяговых электроприводов с транзисторными силовыми преобразователями в цепи якоря двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Типичными для этого направления являются работы французской фирмы «Рагоно» и американских - «Дженерал Электрик» и «Крайслер».
Фирмой «Рагоно» создан электропривод для й полной массой около 1200 кг, причем в качестве опытных образцов использовались конвертированные автомобили «Рено 5Л (Reno-ult 5L»). Привод осуществляется от двигателя номинальной мощностью 6 кВт при номинальной частоте вращения 5000 мин-1 и напряжении 96 В. В схеме электропривода предусмотрено два транзисторных импульсных преобразователя. Силовой преобразователь в цепи якоря состоит из параллельного соединения 11 групп по три транзистора в каждой. При номинальном токе якоря двигателя 75 А и кратности максимального тока около 4 А максимальная токовая нагрузка на транзистор не превышает 10 А. Каждая группа транзисторов снабжена защитной индуктивностью и обратным диодом. Силовой преобразователь работает с постоянной частотой коммутации 700 Гц и обеспечивает изменение относительной длительности импульсов выходного напряжения от 0,05 до 1. Регулирование скорости по возбуждению осуществляется до максимальной частоты вращения 7000 мин-1 с помощью транзисторного преобразователя, рассчитанного на изменение тока возбуждения от 2 до 8 А при постоянной частоте коммутации 1000 Гц.
Рис. 3.5. Схема электропривода электромобиля ETV-1 с транзисторным преобразователем фирмы «Дженерал электрик»
Принципиальная схема электропривода, разработанного фирмой «Дженерал Электрик» для экспериментального электромобиля ETV-1 фирмы «Крайслер», показана на рис. 3.5. По общей структуре этот электропривод близок к варианту двухзонного регулирования, приведенному на рис. 3.3. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения М питается от тяговой батареи GB через силовой преобразователь цепи якоря. Обмотка возбуждения ОВ получает питание через преобразователь возбуждения ПВ.
Главной отличительной особенностью является использование мощных силовых транзисторов. Фирмой было предварительно проведено исследование ряда вариантов транзисторных преобразователей с использованием силовых транзисторов различных фирм 2SD648 фирмы «Тосиба» (Toshiba) на 200 А, 300 В; RSD-751 фирмы EVC на 100 А, 450 В и ряда других; после этого был разработан собственный силовой модуль (Ml-МЗ на рис. 3.5). Этот модуль представляет сборку из двух транзисторов по схеме Дарлингтона и шунтирующего обратного диода.
Параметры силового транзистора по схеме Дарлингтона:
Напряжение коллектор-эмиттер 350В
Напряжение насыщения при токе 200 А 1.6В
Номинальный ток 200 А
Коэффициент усиления по постоянному току при номинальном токе коллектора 250
Время спада тока коллектора 1,2 мкс
Время задержки 2,6 мкс
Два модуля Ml и М2 (рис. 3.5) соединены параллельно, и через них осуществляется импульсное питание якоря двигателя в режиме тяги. При этом в режиме разгона с максимальным ускорением ток достигает 400 А, причем допускаемая силовым преобразователем длительность такого тока составляет 1 мин. Для длительного режима номинальный ток преобразователя составляет 200 А, что согласовано с характеристиками применяемого электродвигателя, имеющего номинальный длительный ток 175 А.
В режиме электрического импульсного торможения якорь двигателя М замыкается транзисторным модулем МЗ, что позволяет иметь максимальный ток якоря при торможении 200 А в течение 1 мин и 100 А длительно. При периодическом замыкании цепи якоря происходит накопление электромагнитной энергии в индуктивностях якоря и добавочных полюсов двигателя, которая затем сбрасывается в аккумуляторную батарею GB по цепям обратных диодов силового преобразователя.
Индуктивность LI предназначена для защиты транзисторных модулей от перенапряжений при коммутации аппаратов в электроприводе. Сброс накопленной в этой индуктивности энергии при отключении цепи под током обеспечивает параллельная защитная цепь из вентиля VI и.резистора. Защита транзисторных модулей от недопустимых режимов при включении и выключении транзисторов производится специальными защитными цепями из конденсаторов CI, С2, вентиля V2 и резисторов Rl, R2. Кроме того, от перенапряжений цепи коллектор-эмиттер защищены диодами Зенера Z1 и Z2.
Транзисторный силовой преобразователь работает при сравнительно высокой частоте переключений. Эта частота непостоянная, а изменяется при изменении скважности, достигая максимальной величины 2000 Гц. Для компенсации индуктивного сопротивления аккумуляторной батареи и проводов монтажа вход силового преобразователя шунтирован батареей конденсаторов Ф суммарной емкостью 1200 мкФ.
Преобразователь возбуждения ПВ осуществляет регулирование тока возбуждения в пределах от 2,0 до 10,6 А при постоянной частоте коммутации выходного транзистора, равной 9500 Гц. Вентили КЗ-V5 служат для защиты выходного транзистора. Вместе с тем некоторые схемные особенности преобразователя ПВ определяются тем, что в электромобиле ETV-1 этот преобразователь выполняет вторую функцию - бортового зарядного выпрямителя. В этом режиме напряжение однофазной сети 115 В подается через мостовой однофазный выпрямитель (на схеме рис. 3.5 не показан) в точки а - плюсом и b - минусом. В цепи заряда тяговой батареи оказывается при этом включенной индуктивность L2, сглаживающая ток заряда батареи. В этом режиме преобразователь ПВ работает с переменной частотой коммутации 5-15 кГц и при регулируемом токе заряда от 2 до 24 А.
Реверсирование электродвигателя производится переключением полярности обмотки возбуждения ОВ с помощью контакторов ВиН.
Управление электроприводом предусматривается с помощью микропроцессора МП по структуре, показанной на рис. 3.5. Педали хода и торможения связаны с задающими потенциометрами, которые определяют сигналы управления тяговым и тормозным моментом. Магнитные датчики тока якоря двигателя ТЯ, тока возбуждения ТВ и тока батареи ТБ совместно с сигналами по напряжению батареи и частоте вращения двигателя ДС участвуют в процессе вычисления момента на валу. Через устройства интерфейса УВ и УТ микропроцессор управляет работой преобразователей питания якоря и возбуждения ПВ в соответствии с заданным тяговым или тормозным моментом. Так как при форсировке тока возбуждения двигателя до 10,6 А частота вращения двигателя составляет 1800 мин-1, то работа преобразователя питания якоря происходит в зоне от этой скорости и почти до нуля. При частоте вращения от 1800 до 5000 мин-1 силовой преобразователь питания якоря находится в режиме насыщения и, кроме того, шунтируется контактором КШ. По этой шунтирующей преобразователь цепи осуществляется и режим генераторного торможения на больших частотах вращения.
Современные конструкции электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением, регулируемым в достаточно широких пределах, создают основу для построения тяговых электроприводов, не имеющих импульсных преобразователей со сложными устройствами принудительной коммутации тиристоров в якорной цепи двигателя. Такие электроприводы разработаны в СССР лабораторией НАМИ, а за рубежом - рядом японских фирм.
