Гибридный автомобиль
«Совершенство достигается не тогда,
когда нечего добавить, а тогда, когда нечего отсечь»
(А.Экзюпери)
В нашей стране гибридный автомобиль разрабатывают несколько организаций. Но эти проекты всего лишь повторяют разработки зарубежных фирм десятилетней давности. Создать дешевый автомобиль гибридного типа с использованием известных зарубежных устройств и компоновочных схем невозможно, даже с привлечением тамошних разработчиков и поставщиков. Главное, нет реальной концепции отечественного гибридного автомобиля массового спроса, малобюджетного и относительно недорогого (не больше 130 тыс. руб.). А ведь в нашей стране еще сохранились компетентные специалисты-профессионалы, руководители с хорошим техническим образованием, даже изобретатели. Многие забыли, что в 80-х гг. недорогие отечественные автомобили экспортировались в Англию, Швецию, Финляндию, Испанию и т.д. Как известно, полный цикл разработки платформы нового автомобиля стоит около 1 млрд евро, а продолжительность цикла составляет 3—5 лет. Но, даже если найти и объединить компетентных профессионалов, грамотных инженеров и конструкторов, то все фантазии о создании концептуального автомобиля невозможно осуществить раньше 2015 г. Даже с привлечением зарубежного опыта и специалистов. Они же ведут эти работы с начала 90-х с триумфальными достижениями только, я считаю, в усложнении конструкции и повышении стоимости автомобиля. Для убедительности достаточно посмотреть на гибридный «Порше» 2010 г. (ДВС — 380 л.с. плюс электродвигатели и сложнейшая трансмиссия). Уточнять его стоимость не имеет смысла. А нам нужны другие варианты, нужны технологические прорывы (инновации, модернизации, новаторские решения). Создать оптимальный гибридный автомобиль к 2012 г. могут отечественные конструкторы, изобретатели, технологи и частные бескорыстные технари, а не топ-менеджеры и «административный ресурс» с абсолютно рыночной философией, замкнутой только на личные перспективы.
В качестве исторического экскурса стоит сказать, что первый гибрадный автомобиль был построен в 1900 году в Вене в заводской мастерской электромобилей Людвига Лонера молодым мастером Фердинандом Порше. В то время завод Л.Лонера производил локомотивы и в небольших количествах электрические тележки.
Работа над гибридной машиной началась в 1898 году и была одобрена Лонером. К этому времени Порше уже закончил курс Университета, совмещая работу с учебой и уже был назначен главным конструктором на заводе Лонера.
14 апреля 1900 года Париж переживал необычайный наплыв гостей из 35 стран мира. Открывалась грандиозная всемирная выставка, ставшая событием планетарного масштаба. В составе делегации от Австро-Венгерской империи был и Людвиг (или Хельмут) Лонер со своим гибридным автомобилем. Именно это изобретение вызвало особый ажиотаж. Здесь на выставке Порше был представлен миру как конструктор автомобиля. В нашей стране сегодня без затраты 1 млрд евро на создание и разработку платформы амбициозного гибридного автомобиля можно создать оптимальный гибридный автомобиль стоимостью 130 тыс. руб. с использованием отечественных комплектующих на базе любой легковой машины. Такой суперавтомобиль, превосходящий зарубежные гибридные автомобили, будет иметь регулярный спрос и в Стране восходящего солнца, и в Корее, и в Китае, и в Индии (где Тато стоит 4 тыс. долл.), в Африке и Латинской Америке и даже в стране «заходящего автомобильного солнца» США. Для преобразования серийного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания в гибридный потребуются самые незначительные изменения.
Во-первых, снимаем с двигателя его «родные» стартер и электрогенератор. А маховик двигателя преобразуем в короткозамкнутый ротор электромотора-генератора. При этом по наружному периметру диска маховика устанавливаем полоски постоянных магнитов. В плоскости маховика концентрично ему закреплен фазный статор с электрическими обмотками. Таким образом, получается типичный для гибридных автомобилей электромотор и генератор, только совмещенный и расположенный на маховике двигателя. В этом случае электродвигатель, установленный на маховике, применяется и как стартер ДВС. Поэтому этот электроагрегат является одновременно стартер-генератором и тяговым электродвигателем. При этом мощность электроагрегата в режиме тягового двигателя 11 кВт (15 л.с.). Такое устройство упрощает конструкцию гибридного автомобиля, снижает его вес и позволяет отказаться от серийных стартера и генератора, устанавливаемых на двигатель внутреннего сгорания.
Во-вторых, для легкового автомобиля на любой серийный литой колесный диск с низкопрофильной шиной можно установить съемное мотор-колесо мощностью 5 л.с. Аналог такого отечественного мотор-колеса освоен в производстве группой «Инкар» в г. Королеве.
Мотор-колесо было разработано НЭТИ-НГТУ. Материалы по мотор-колесу с асинхронным двигателем докладывались на советско-американском симпозиуме по электромобилям в 1979 г. Питание 54 в, КПД в длительном режиме 90%, коэффициент можности 0.75.
Общая мощность 4 мотор-колес отечественного гибридного автомобиля на базе серийного составляет 20 л.с. (4 х 5 л.с.). Например, чистый электромобиль Мицубиси Концепт EZ-MIEW имеет 4 мотор-колеса по 20 кВт (27 л.с.) каждый. На электромобиле с общей мощностью мотор-колес около 108 л.с. установлена батарея литий-ионных аккумуляторов весом 150 кг, что обеспечивает пробег до 120 км, а полная перезарядка батареи занимает от 1 до 7 ч. Вес машины 1600 кг, максимальная скорость 150 км/ч. Это данные 2006 г. Если сравнить технические данные японского электромобиля и отечественного электромобиля ВАЗ-2108 ЭМ (1990 г.), выполненного по программе «Экологический фонд СССР», станет очевидно, что японские специалисты за 16 лет не намного превзошли нас. И это притом что на ВАЗе установлен один промышленный электродвигатель ПТ мощностью 25 л.с. (18,5 кВт) и батарея никель-кадмиевых аккумуляторов (5 шт.), которые значительно уступают литий-ионным. А даже в наши дни чистый электромобиль является экзотикой, хотя у него самая простая трансмиссия и блок управления не сложнее, чем у троллейбуса. Конечно, у гибридного автомобиля трансмиссия во много раз сложнее. Такая сложность (навязанная потребителям) нужна только производителю автомобилей, потому что на этом можно делать деньги, создавать рабочие места на своих заводах и контролировать эксплуатационно-логистическое сопровождение с информационно-справочным обслуживанием и созданием фирменных инженерных центров в крупнейших городах развитых стран. Иначе зачем автомобилю с поршневым двигателем мощностью 320 или 380 л.с. (BMW, «порше») устанавливать 2 электродвигателя, семискоростную трансмиссию с 3 планетарными передачами и 2 дифференциалами в коробке передач? Для того чтобы снизить расход топлива с 25 л до 20 л на 100 км пути, т.е. на 10%. Не делайте мне смешно, как говорят в Одессе. При разумной гибридной компоновке такой машине потребуется всего 5 л дизтоплива на 100 км пути по городскому циклу. И всего полтора двигателя: 120 л.с. и 60 л.с. для комплекта электродвигателей. А сниженная масса автомобиля в такой компоновочной конфигурации обеспечит гибриду ускорение с места до 100 км/ч за 3,1 с. Ведь автомобиль стал в 2 раза легче и у асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором «экскаваторная» характеристика зависимости крутящего момента от оборотов двигателя. То есть максимальный крутящий момент достигается при нулевых оборотах ротора — сразу при включении двигателя. Значит, уже на месте при включении электромоторов возникает крутящий момент на колесах 25 кг*м. У поршневых моторов максимальный крутящий момент достигается при 3500—4000 об/мин, поэтому им нужна 5—7 ступенчатая коробка передач и обязательно с задним ходом. Для электро- или гибридного автомобиля этого не требуется. Достаточно только изменить направление движения электротока в цепи питания электродвигателя, и машина пойдет задним ходом. Следовательно, гибридному автомобилю не нужна «шестиступенчатая» коробка передач, как на устаревшем токарном станке. Отсутствие коробки передач в трансмиссии гибридного автомобиля упрощает его конструкцию и снижает вес. Ведь «совершенство достигается не тогда, когда нечего добавить, а тогда, когда нечего отсечь» (А.Экзюпери). Наверное, поэтому и не ставят на троллейбусы коробку передач, могут подумать конструкторы гибридных автомобилей. Кроме того, нужны оптимальные бортовые источники электроэнергии: по стоимости, емкости, габаритам, времени заряда, рабочему диапазону температур, сроку службы, числу зарядных циклов, весу и т.д. Если в конце 80-х гг. самыми лучшими аккумуляторами были никель-кадмиевые (авиакосмические серебряно-никилевые исключались по стоимости), то в 2000-х гг. промышленное применение получили литийионные, а затем и литий-фторуглеродные аккумуляторы. Эти аккумуляторы с успехом применяются зарубежными фирмами для создания электро- и гибридных автомобилей «передового» научно-технического уровня. В нашей стране литий-ионные и литий-фторуглеродные аккумуляторы не применяются на электро- и гибридных автомобилях, потому что мы давно превзошли их научно-технический уровень. У нас литий-ионные и литий-фторуглеродные аккумуляторы производит ФГУП «НИИЭМ» в г. Электроугли Московской обл. Эти аккумуляторы имеют отличные удельные характеристики, в 2 раза превосходящие никель-кадмиевые аккумуляторы. Но, как говорят, в своем Отечестве. А в своем отечестве в 90-е гг. были созданы прекрасные стартерные и тяговые конденсаторы — новые экологически чистые источники тока. Из них комплектовались быстрозарядные стартовые батареи на сверхъемких конденсаторах весом всего 3,3 кг. И тяговые конденсаторные батареи, которые были установлены на легковые электромобили, на микроавтобусы и даже на автобус «Лужок» (типа ПАС), который демонстрировался на многочисленных выставках и ходил по городу. Эти суперконденсаторные батареи были созданы в г.Троицке Московской обл. в НПО «ESMA». Время заряда суперконденсаторов КДЭС всего 13—15 мин, а количество таких циклов для тяговых батарей — 10 тыс., для стартерных импульсных — 1 млн. Семь лет назад суперконденсаторы были освоены на 3ЭМ «Энергия» в г.Королев Московской обл. Они выпускаются серийно для электромобилей, мотоциклов и цехового транспорта. Их вес: одна банка тяговых — 17 кг, стартерных — 5 кг. Надо сказать, что еще в 80-х гг. в г.Королеве ученым-изобретателем А.Шматко был создан супергенератор на двойном электролитическом слое, который уже в те годы имел параметры, близкие к конденсаторам типа 3ЭМ и ГДЭС. Затем блок управления гибридным автомобилем. Блок управления даже простейшего электромобиля предусматривает рекуперацию энергии при торможении, разгон автомобиля, движение на подъем и с крутых спусков, а также процесс зарядки аккумуляторов. У гибридного автомобиля блок управления должен, кроме того, контролировать взаимодействие ДВС, стартер-генератора, мотор-колес, аккумуляторов и т.д. Поэтому блок управления функционально здесь определяется компоновочной схемой гибридного автомобиля. Итак, гибридный автомобиль на базе серийного автомобиля ВА3-2108 (сухая масса — 830 кг) принят для сравнения с электромобилем ВА3-2108 ЭМ, сухая масса которого 1150 кг, при этом вес аккумуляторной батареи 250 кг, вес электродвигателя ПТ мощностью 25 л.с. — 70 кг. Электромобиль ВА3 при полном весе 1400 кг двигателем 25 л.с. легко разгоняется до скорости 120 км/ч. Предполагаемый гибридный ВАЗ-2108 имеет следующую компоновочную схему: ДВС + на маховике стартер-генератор, он же тяговый двигатель (15 л.с.) + (20 л.с.) четыре мотор колеса + конденсаторы. Поэтому коробка передач на гибриде не нужна, как и на электромобиле. Электромоторы позволяют разгоняться с большим ускорением, чем при ДВС, ведь у применяемых электродвигателей (асинхронный с коротко замкнутым ротором) характеристика крутящего момента по оборотам «экскаваторная». Следовательно, у ВАЗ-2108 двигатель мощностью 65 л.с. (1300 смЗ) для гибрида (65 л.с. + 35 л.с.) будет иметь завышенную мощность. Гибриду достаточно ДВС 45 л.с., общая мощность 80 л.с. При такой мощности и сниженной сухой массе всего 750 кг гибридный автомобиль будет иметь отличную динамику и расход топлива 3 л на 100 км пути. Такая концепция позволяет преобразовать серийный автомобиль в гибридный, при этом снизить вес снаряженного автомобиля, оптимизировать его трансмиссию, снизить массу ДВС и повысить суммарную мощность автомобиля. Гибридный автомобиль можно создать на базе не только отечественного автомобиля, но и на базе зарубежного, например Пежо 107, Мерседес Смарт и т.д. за 1—1,5 г. при минимальном финансировании. На устройство гибридного автомобиля автором получены 7 патентов на изобретения.
Миниавтомобиль МИШКА
Одной из перспективных отечественных разработок в области микроавтомобилестроения является проект ОАО «АСМ–Холдинг» «Мишка» , финансируемый Фондом Экологизации Транспорта г.Москвы «Мосэкотранс». В основу конструкции автомобиля положена сборно–модульная конструкция: несущий каркас из низколегированной стали, на который навешиваются полимерные панели кузова, имеющие большой срок службы – до 10 лет. Модельный ряд состоит из четырех крупных семейств – микроавтомобили, электромобили, мотокары и юникары. В качестве базового выступает семейство микроавтомобилей, которое, в свою очередь, включает в себя различные модификации и варианты комплектации. Основная модель семейства – переднеприводной четырехместный автомобиль с кузовом «Универсал», оснащенный бензиновым двигателем мощностью 30–50 л.с. На ходовые испытания выпущен в 2001 году.
Система тягового электропривода электромобиля семейства «Мишка» – «Мишка–ЭМ» была разработана ЗАО «Инкар-М» с участием специалистов УкрНИИСИП (г. Одесса). Электромобиль «Мишка–ЭМ», управляемый водителем категории «В», имеет модификации: универсал, фургон и пикап. В зависимости от модификации количество мест пассажиров колеблется в пределах от двух до четырех. Его снаряженная масса 850 кг, при габаритных размерах (длина x ширина x высота): 3.3м x 1.5м x 1.56м. Максимальная скорость составляет 70 км/ч, при запасе хода между подзарядками 100 км, что вполне достаточно для городских условий.
В каждом колесе этого электромобиля находится безредукторная бесконтактная вентильная электрическая машина с постоянными магнитами (возбуждение от высококоэрцитивных постоянных магнитов Nd-Fe-B) номинальной полезной мощностью 2.5 кВт, защищенная Патентом РФ. Идея встраивания электродвигателей в колеса транспортного средства (мотор–колеса) не нова и широко применяется в настоящее время. Методы расчета и оптимизации запатентованной конструкции мотор–колес ЗАО «Инкар-М» изложены в [Захаренко А.Б., Авдонин А.Ф. Оптимизация проектирования тихоходного вентильного двигателя с двумя индукторами для привода мотор–колеса // Электротехника. – 1999. – № 12. – с. 6 – 13]. Отсутствие редуктора и щеточно-коллекторного узла повышает надежность электродвигателя и позволяет практически отказаться от его технического обслуживания. Полноприводная схема улучшает характеристики управляемости транспортного средства, так как в этом случае удается контролировать вращающий момент и скорость каждого электродвигателя в отдельности для достижения оптимальных показателей. Транспортное средство практически может иметь только два органа управления: рулевое колесо и педаль задатчика скорости. Педаль механического тормоза необходима лишь для обеспечения второго уровня безопасности, так как, если угол отклонения педали задатчика скорости – нулевой (задана нулевая скорость), то система управления будет создавать тормозные крутящие моменты в каждом мотор–колесе, чтобы обеспечить состояние покоя транспортного средства и в том числе будет препятствовать скатыванию на уклоне. Микроэлектромобиль «Мишка-ЭМ-КЭУ» с комбинированной энергоустановкой отличается от «Мишка-ЭМ» наличием возимой электростанции ДВС + стартер-генератор, которая подзаряжает аккумуляторные батареи в движении и на стоянке по мере необходимости. Привод на колеса, как и в предыдущей модификации — электрический. ДВС работает с постоянной скоростью — около 3000 об/мин, обеспечивая малый расход топлива и малую концентрацию вредных веществ в выхлопных газах. Макетные образцы электромобилей «Мишка-ЭМ» и «Мишка-ЭМ-КЭУ» прошли конструкторские испытания в 2001 году. Микроэлектромобили остаются пока достаточно дорогостоящими, их пробег между двумя подзазядками источника питания – невелик. Однако, не следует забывать что традиционная конструкция автомобиля совершенствуется уже около ста лет, а электромобиль только входит в нашу жизнь. За короткий срок большинство проблем будет решено, XXI век будет по праву назван столетием электромобиля.
Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM)
В современных автомобилях с гибридной силовой установкой улучшение качества управления автомобилем достигается за счет модифицированной подвески, специальной электронной системы управления и самой современной системы контроля устойчивости автомобиля и системы интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM). До сегодняшнего дня такие системы активной безопасности, как антиблокировочная система тормозов (АВS), антипробуксовочная система (TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилитель руля (ЕРS), имели тенденцию развиваться отдельно друг от друга, даже если они были установлены в одном и том же автомобиле. По существу их успешная совместная деятельность была ограничена, а оптимальная работоспособность не реализована. Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) была разработана с целью объединения этих различных систем, что существенно улучшило безопасность и характеристики автомобиля. Более того, поскольку обычные системы безопасности активируются сразу после того, как был достигнут предел технических возможностей автомобиля, VDIM активизируется еще задолго до наступления этого момента. В результате расширяются рамки работы систем активной безопасности, и за счет этого обеспечивается более мягкое и предсказуемое поведение автомобиля, так как эти системы действуют точнее, более мягко и гибко. Располагая полной информацией о текущем состоянии, получаемой с датчиков, расположенных по всему автомобилю, VDIM не только объединяет функции систем АВS, ТRC, VSC и ЕВD с электроусилителем рулевого управления, но и управляет гибридной силовой установкой и системой полного привода. Используя объединенный контроль над всеми элементами, отвечающими за движение автомобиля, включая крутящий момент, тормозное усилие и рулевое управление, VDIM не только оптимизирует работу тормозной системы, системы курсовой устойчивости и антипробуксовочной системы, но и улучшает основные динамические характеристики автомобиля. Новая система управления динамикой не столь «навязчива», как обычные системы контроля устойчивости, но при этом намного более эффективна. С помощью высокоскоростной технологии управления двигателем, тормозами и трансмиссией система управления динамикой контролирует гибридную силовую установку, полный привод на все колеса и систему торможения, одновременно управляя моментом переднего и заднего электромоторов в соответствии с условиями движения, а также стабилизирует поведение автомобиля на дорожном покрытии с низким коэффициентом сцепления. За счет всего этого достигается безопасное и комфортное управление автомобилем.
Как устроены гибридные электромобили
Существует три основные схемы устройства гибридных силовых установок: последовательная, параллельная и смешанная. Последовательная гибридная схема появилась первой (её придумал в 1899 году сам Фердинанд Порше), но в легковых автомобилях распространена меньше. По ней, например, построены силовые агрегаты карьерных самосвалов, некоторых автобусов и локомотивов. В последовательной схеме колёса приводит в движение электромотор, а малолитражный ДВС крутит генератор, вырабатывающий электроэнергию. Тут отсутствует необходимость в коробке передач и мощном двигателе внутреннего сгорания. Зато требуются аккумуляторы большой ёмкости.
Самая распространённая сейчас схема — параллельная. Она запатентована ещё в 1905 году немцем Генри Пипером. Ей отвечают почти все умеренные гибриды. Они оснащаются мощным электромотором (10–15 кВт), который помогает двигателю внутреннего сгорания при разгоне, а при торможении запасает рекуперативную энергию. В качестве трансмиссии, как правило, используются вариатор или планетарная передача
Распространены также смешанные, или, как их ещё называют, последовательно-параллельные гибриды. Классические представители этого семейства — хэтчбек Toyota Prius и Лексусы с индексом h, оснащённые фирменным «синергитическим» приводом HSD (Hybrid Synergy Drive). Чтобы объяснить принцип его работы ниже размещены иллюстрации (можно открыть в отдельном окне кликом мыши по картинке). Благодаря планетарной передаче и возникает синергия — взаимодействие двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Тут ДВС крутит колёса в паре с электромотором, одновременно вращая генератор. В традиционной коробке передач нет необходимости: электроника регулирует обороты моторов и генератора, превращая такую систему в бесступенчатую трансмиссию ECVT.
Большинство двигателей, установленных на гибридах, — бензиновые. Многие работают по циклу Аткинсона с более коротким тактом сжатия и более эффективным рабочим процессом. Это обеспечивает лучшие экологические и экономические показатели. Распространение, казалось бы, более экономичных дизельэлектрических силовых установок сдерживает прежде всего то, что большинство гибридов продаются в не знакомой с дизелем Америке. Кроме того, дизельный мотор дороже бензинового, а это лишь увеличивает немалую цену гибрида.
Небольшая компания MotoCzysz из Орегона, известная своими гоночными электробайками с литий-ионными батареями, на технической выставке EVS25 в китайском Шеньчжене показала первую в мире полностью интегрированную электрическую силовую установку. Непроизносимое название агрегата — D1g1gital Dr1ve D1, пестрящее единичками, несет в себе очевидный смысл. Компания Майкла Чижа рвется в лидеры нарождающегося рынка модульных систем электропривода – механизмов, снимающих головные боли конструкторов об адаптации передовых силовых установок к новым видам техники. D1g1tal Dr1ve D1 — это суперкомпактная система, включающая в себя безщеточный электромотор HVH250 от Remy Motors, преобразователь, масляную помпу, редуктор и дифференциал. Вся эта электромеханика помещается в легком алюминиевом корпусе. Пиковая мощность D1 – 75 кВт, а постоянная 60. При этом крутящий момент системы составляет более 1000 Нм при массе всего в 59 кг. D1 можно ставить как на спортивные байки, так и на легковушки. Причем, и на передне- , и на заднеприводные. Агрегат станет первым в целом семействе модульных систем электропривода с различными динамическими характеристиками. КПД системы 90%. Максимальная частота вражения вала до 4300 об/мин. Размеры 489х330х372 мм.
Колеса гибридных автомобилей
Первое «мотор-колесо» было изобретено Ф.Порше. Инженер Порше не стал «изобретать велосипед», а взял серийный двигатель постоянного тока, закрепил его статор на оси, а на ось ротора навесил колесо. Просто и гениально. Но вот вес такой конструкции оказался великоват – 115 кг, а это для переднего колеса многовато будет. Эта неподрессореная масса на дорогах того времени создавала много трудностей в управлении машиной, да и вибрация от нее, передаваемая на кузов, гасилась очень плохо. Увы, гибридный привод Порше, поначалу поразивший воображение, в силу неразвитости электротехники тех времен пришлось списать в утиль. Все-таки ДВС и дизель обещали более заманчивую перспективу. Но идея мотор-колеса и электротрансмиссии оказалась живучей при постройке тяжелой транспортной техники. Все инженерные расчеты подтверждали, что проще и удобнее генерировать момент тяги непосредственно в месте применения, а именно в колесе, чем иметь громадные потери в трансмиссии, когда нагрузка исчисляется десятками или сотнями тонн. В эпоху гибридных и электромобилей колесо переместилось на более значимое место, чем это было ранее. На него зачастую возлагается функция силового агрегата, движетеля транспортного средства. Уже в ближайшее время колесо могут ждать весьма существенные перемены. Двенадцать лет назад в лабораториях компании Michelin началось создание экологически чистого электрического колеса будущего, вмещающего в себя весь автомобиль, не считая кузова и сидений: двигатель, трансмиссию, подвеску, рулевое управление и тормозную систему.Схема мотор-колеса Michelin Active Wheel: два электродвигателя, электрическая подвеска, тормозные механизмы с электромагнитными актуаторами – все это помещается внутри обода автомобильного колеса.
Авто с электрическими мотор-колесами обладают рядом веских преимуществ перед традиционными. В первую очередь это отсутствие множества сложных и тяжелых передаточных механизмов между двигателем и колесом – сцепления, трансмиссии, приводных валов и дифференциалов. Во-вторых, отменная динамика: компактные и легкие электрические моторы способны развивать крутящий момент вплоть до 700 Н•м даже на самых низких оборотах. В-третьих, управляемое мотор-колесо делает автомобиль чрезвычайно маневренным – ведь все колеса могут вращаться с разной скоростью и даже в разных направлениях. Машина способна разворачиваться на 360 градусов, парковаться в самых сложных условиях и мгновенно адаптироваться к качеству дорожного покрытия. В-четвертых, значительно упрощается конструкция важнейшей для электромобилей системы регенерации энергии торможения. Ну и в-пятых, ничто не сможет сравниться с мотор-колесом в обеспечении активной безопасности движения – все продвинутые электромеханические алгоритмы типа ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и так далее запросто прошиваются в управляющий софт и воздействуют на каждое отдельное колесо. За перечисленные преимущества мотор-колесо расплачивается столь же существенными недостатками. Главный из них – масса механизмов, помещаемых внутрь обода. Высокооборотные электродвигатели мотор-колес нуждаются в понижающем редукторе. Он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса. Для традиционных автомобилей лишний вес в конструкции трансмиссии не критичен. Но для колес действует совершенно другой принцип. Большая неподрессоренная масса, или, говоря проще, тяжелые колеса, резко снижает комфорт и управляемость, повышает износ подвески, передает на кузов вибрации. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто. Компания Siemens VDO представила свою концептуальную разработку eCorner, которая объединяет в колесе двигатель, подвеску, тормоза и рулевое управление автомобиля. Разработчики уверенны, что в будущем автопроизводителям будет достаточно создать кузов и установить на него колеса — машина готова.
Разрез колеса eCorner: 1 — обод, 2 — встроенный электромотор, 3 — тормозной механизм EWB, 4 — активная подвеска, 5 — электропривод рулевого управления Электродвигатель в eCorner располагается непосредственно на ободе колеса и может работать не только при разгоне, но и при торможении, регенерируя электроэнергию и заряжая батареи. При этом специалисты компании уверяют, что коэффициент полезного действия (КПД) у подобного электродвигателя может достигать 96%. Для сравнения КПД самых совершенных бензиновых и дизельных двигателей не превышает 45%, а перспективные гибридные силовые установки будущего смогут достигнуть только 85% КПД. В случае, когда тормозного момента двигателя недостаточно, остановить машину помогут дисковые тормоза с электронным управлением EWB. Колодки здесь прижимаются к диску не гидравлическими цилиндрами, как на обычных машинах, а двумя электромоторами. Такая конструкция позволяет управлять торможением каждого колеса автономно и избавляет автомобиль от громоздкой и ненадежной единой тормозной системы. Подвеска у eCorner также встроена внутрь колеса. Она снабжена датчиками, которые постоянно следят за давлением в шинах и определяют уровень сцепления колеса с поверхностью. В соответствии с показателями этих датчиков электроника настраивает подвеску так, чтобы автомобиль сохранял устойчивость и высокую плавность хода. При этом, подвеска eCorner снабжена компактными электродвигателями, которые поворачивают колеса вокруг вертикальной оси независимо друг от друга. Например, все четыре колеса автомобиля можно повернуть в одну сторону, и машина поедет боком.
На Франкфуртском салоне фирма «Бриджстоун» (она занимается не только шинами) продемонстрировала «революционный динамический демпфер для мотор-колес». Разумеется, подробно об устройстве не рассказывали. Но суть в том, что, во-первых, удалось подвесить электромотор внутри колеса, а во-вторых, добиться того, чтобы его колебания были противофазны колебаниям самого колеса и при сложении взаимно уничтожались. Новое мотор-колесо в разрезе: 1 — колесо; 2 — амортизатор; 3 — пружина; 4 — мотор; 5 — подвеска мотора. Хитрые крестообразные элементы позволяют мотору перемещаться внутри колеса и передают крутящий момент. Фирма обещает в ближайшее время довести свое изобретение до ума, то есть до серийной зрелости, а заодно разрабатывает специальные шины, которые позволят максимально использовать преимущества изобретения.
Компания Protean Electric, разработчик инновационных электрических ступичных мотор-колес для привода легковых автомобилей, объявила имя нового президента. Им стал Боб Парселл. Этот дядя знаменит тем, что с 1994 по 2002 годы руководил одним из самых перспективных проектов в истории автоиндустрии – разработкой электромобиля EV-1 для General Motors Corporation.
Protean Electric разрабатывает и производит полностью интегрированные электрические безредукторные мотор-колеса PD18 размера 18 дюймов семейства Protean Drive. Ими был оснащен показанный в Париже Volvo ReCharge.Каждое мотор-колесо оснащается встроенным инвертором и процессором, который через шину CAN связан с блоком управления системой System ECU. System ECU синхронизирует работу всех четырех мотор-колес шасси. В случае отказа одного, двух и даже трех колес, компьютер мгновенно перераспределяет нагрузку на оставшиеся. При этом электромобиль теряет в динамике, но сохраняет управляемость на нормальном уровне. Процесс торможения и бленд механического и электрического сопротивления управляется встроенным в System ECU внешним модулятором производства Continental или Bosch. Когда водитель жмет на тормоз, контроллер тормозной системы определяет возможность торможения за счет переключения мотор-колес в режим генератора. Если этого будет достаточно, то механические тормоза не активируются, позволяя генератору восстановить максимальное количество электричества из кинетической энергии шасси. Механические тормоза при необходимости обеспечивают дополнительное тормозное усилие или полностью заменяют электрические компоненты при их отказе. Инженеры Protean утверждают, что с точки зрения управляемости электромобиль с системой привода Protean Drive на порядок надежнее конкурентов – каждое его колесо работает в индивидуальном режиме в зависимости от внешних условий и нагрузки. Кроме того, эффективность регенеративного торможения в мотор-колесах также намного выше, чем в электромобилях с ведущим мотором и традиционными механическими приводами.
Критически важный аспект применения мотор-колес – рациональное использование энергии аккумулятора и, как следствие, повышение запаса хода электромобиля на 50%.
Многие годы идут споры об изобретении российского изобретателя Василия Шкондина «Двигателя Шкондина» (запатентованный впервые в 1991 году именно под таким названием). Двигатель устроен следующим образом. Это «мотор в колесе» — дисковый агрегат, который крепится непосредственно на ось ведущего колеса и управляется без трансмиссии, просто путем регулирования числа оборотов. Соединенный с осью колеса ротор, по периметру которого закреплены постоянные магниты из неодим-железо-борного сплава. , вращается в статоре, на котором размещены соленоиды. На соленоиды подаются краткие импульсы тока, создающие переменное магнитное поле, толкающее магниты ротора. Принцип действия двигателя чем-то похож на принцип работы линейного ускорителя: магнитное поле возникает, действует на магнит на роторе строго определенное время и тут же отключается. «Моторы в колесе» традиционной сейчас конструкции вынуждены использовать передачу — понижающий редуктор. «Мотор Шкондина» необходимости в редукторе не имеет: его обороты можно контролировать напрямую. «Мотор-колесо В. Шкондина» представляет собой импульсную электромашину, сердцем которой является распределительный коллектор. Это устройство преобразует постоянный ток, поступающий из аккумулятора, в переменный многофазный импульсный. Благодаря работе на постоянном токе достигается существенное удешевление всей конструкции по сравнению с аналогами, работающими на переменном токе, так как появляется возможность заменить ряд деталей из дорогой электротехнической стали на детали из дешевого композита. Имея всего семь деталей, мотор-колесо Шкондина имеет высокую надежность и простоту эксплуатации, а стоимость в десятки раз ниже зарубежных мотор-колес других систем и в два раза дешевле китайских. Изобретение уже опробовано в испытательных партиях электромобилей разного назначения: электровелосипеды, инвалидные коляски и легковые автомобили. Крутящий момент двигателя — 200 Н•м на каждый киловатт мощности, что вроде бы в полтора раза лучше, нежели у ближайших конкурентов.
Российская компания «Центр исследования силовых и энергетических установок» представила свою разработку мотор-колеса.
Мотор-колесо 415 НИЛД предназначено для применения в качестве тягового привода перспективных гибридных грузовых автомобилей, автобусов, тягачей и вездеходов. Мотор-колесо может использоваться в двух опциях в качестве поворотного и неповоротного колеса. Мотор-колесо 415 НИЛД – это герметичная, маслозаполненная, глубоко интегрированная конструкция, объединяющая, функции колеса, тягового электродвигателя, планетарного редуктора и ленточного тормоза с гидроприводом. Питание осуществляется переменным электротоком от вентильного источника тока. Алгоритм управления поддерживает следующие основные режимы:
Задание режимов работы осуществляется альтернативно от бортового компьютера или органов управления. Номинальная мощность 30 кВт, КПД 90%, Диапазон частот вращения 0-1000 об.мин., максимальный крутящий момент 2570 Нм, крутящий момент электродвигателя 500 Нм,питающее напряжение 300в, масса 60 кг, диапазон рабочих температур от минус 50 град. до плюс 50 град.
Традиционные и широко-распространенные мотор-колеса: Это чаще всего синхронные машины PMSM или ВLDC (вентильные), реже коллекторные, редко но встречаются асинхронные двигатели. Ротор неподвижен, на нем расположена обмотка. Статор, наоборот, совмещен с ободом колеса. На подвижной части мотор-колеса зачастую размещают неодимовые магниты.
Мотор-колеса с двигателем BLDC и синхронные PMSM несколько отличаются друг от друга при внешней схожести, двигатели BLDC имеют лучший крутящий момент при трогании. Отличаются они формой обратной ЭДС наведенной в катушках при вращении ротора. Безщоточный двигатель постоянного тока BLDC имеет трапецевидную обратную ЭДС. Синхронный двигатель с постоянными магнитами PMSM имеет синусоидальную обратную ЭДС. Их обьединенное название PMM — двигатели с постоянными магнитами, имеют трехфазное управление. Примечание: BLDC — Brushless DC Motor, PMSM — Permanent Magnet Synchronous Machine
