Энергетика[править

Энергетика[править | править код]
Уравнение баланса энергии^[6]:
e·G_б = ω·L (G_a + G_э + G_б + G_п)·10³
где е — удельная энергоёмкость батареи, Вт*ч/кг;
ω — удельный расход энергии при движении в режиме, для которого задан запас хода, Вт*ч/(т*км);
G_a — масса экипажной части, кг;
G_э — масса электропривода, кг;
G_п — полезная нагрузка, кг;
G_б — масса батареи, кг.
L — запас хода, км;
Полная масса электромобиля, кг:
G = G_а+G_э+G_п+G_б
Вес аккумуляторной батареи (в первом приближении)^[35]:
G_б = ω·G·L·γ
ω — удельный расход энергии на 1 т*км полного веса при заданной скорости движения, кВт*ч/(т*км);
L — запас хода, км;
γ — удельный вес аккумуляторной батареи, кг/кВт*ч.
Удельная энергия батареи:
ω_б = K·L/(G_б/G) = K·L/α
где К — расход энергии, отнесённый к 1 км*кг, Вт*ч/(кг*км);
α — относительная масса батареи.
Максимальная мощность обеспечения механического движения:
Р_д = ±Р_к+Р_т±Р_а±Р_н
где Р_к — мощность, затрачиваемая на ускорение электромобиля;
Р_т — мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления качению;
Р_а — мощность, затрачиваемая на преодоление аэродинамического сопротивления;
Р_н — мощность, затрачиваемая на преодоление подъёма.
Полная мощность батареи:
Р_э = Р_д/(η_м·η_э)+Р_всп
где η_э — потери энергии на преобразование электрической энергии в механическую;
η_м — потери механической энергии при передаче на тяговые колёса;
Р_всп — мощность, затрачиваемая на вспомогательные нужды. В ближайшее время планируется строительство зарядных станций в Лондоне и других городах Великобритании.
В условиях реальной эксплуатации электромобилей заявленные максимальные пробеги на одном заряде батареи обычно выше реальных. Причиной могут стать повышенная электрическая нагрузка от кондиционеров, фар, стеклоочистителей, а также агрессивное вождение особенно в холмистой местности. По замерам фирмы Volvo, при температуре 0 °С или немного ниже потери в пробеге составляют 30…40 %^[86].
Экономические последствия[править | править код]
Автомобили с ДВС потребляют бензин, на получение которого расходуется около 44 % мирового производства нефти. ОПЕК прогнозирует к 2035 г. начало снижения мирового спроса на нефть, вызванного переходом к использованию электромобилей. По другим оценкам, это произойдёт уже к 2025 г.^[71]
Первоначально идея «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач электрическими проводами, была воплощена на железнодорожном транспорте и в большегрузных карьерных самосвалах. Применение этой схемы обусловлено высокой сложностью создания механической передачи значительного, и при этом изменяемого, крутящего момента на колёса транспортного средства. Двигатели внутреннего сгорания (далее — ДВC) обладают определённой нагрузочной характеристикой (зависимостью отдаваемой мощности от частоты вращения вала), которая имеет оптимальные показатели только в узком интервале, который, как правило, смещён в сторону высоких оборотов. Частично этот недостаток компенсируют, применяя механические коробки передач, которые, однако, ухудшают общий КПД системы за счёт собственных потерь. Дополнительной сложностью является невозможность изменения направления вращения вала ДВС для обеспечения заднего хода машины. Нагрузочная же характеристика электродвигателя практически равномерна во всём диапазоне рабочих частот; он может быть мгновенно запущен, остановлен и реверсирован, а также не требует холостого хода, что позволяет исключить из трансмиссии механизм сцепления — а в некоторых случаях и полностью от неё избавиться, разместив электродвигатели непосредственно в колёсах (мотор-колесо).
При применении электротрансмиссии двигатель, работающий на обычном топливе, вращает электрогенератор; вырабатываемый ток через систему управления передаётся на электродвигатели, которые и приводят в движение транспортное средство. В этом случае уместно сравнение с размещённой на электромобиле электростанцией, вырабатывающей электричество для его движения. Схема работы гибридного автомобиля в целом аналогична, но значительно модифицирована, в первую очередь добавлением промежуточного накопителя энергии — как правило, аккумуляторной батареи, имеющей меньшую, чем у «чистого» электромобиля, ёмкость и, соответственно, вес.
Гибридный автомобиль сочетает в себе преимущества электромобиля и автомобиля с двигателем внутреннего сгорания: больший коэффициент полезного действия электромобилей^{[источник не указан 2984 дня]} (80—90 % по сравнению с 35—50 % у автомобилей с ДВС) и большой запас хода на одной заправке автомобиля с ДВС.

• 
  По методу подключения двигателей и накопителя к приводу:^[1]
  
  • 
    Последовательная: по сути является модификацией электромеханической трансмиссии с добавлением промежуточного накопителя. Двигатель внутреннего сгорания механически соединён только с электрогенератором, а тяговый электродвигатель — только с колёсами. Пример: Chevrolet Volt
    
  • 
    Параллельная: и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель механически соединены с колёсами посредством дифференциала, который обеспечивает возможность их работы как по отдельности, так и совместно. Эта схема используется в автомобилях с Integrated Motor Assist (Honda). Характеризуется простотой (возможно применение вместе с механической коробкой передач) и низкой стоимостью.
    
  • 
    Последовательно-параллельная: двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель механически связаны друг с другом и с колёсами посредством планетарного редуктора, что позволяет произвольно изменять потоки мощности между этими узлами. Схема реализована в автомобилях с Hybrid Synergy Drive (Toyota), например, Toyota Prius.
    
• 
  По типам накопителей:
  
  • 
    Электрические:
    
    • 
      На основе электрохимических аккумуляторов
      
    • 
      На основе инерционных накопителей
      
  • 
    Механические:
    
    • 
      На основе пневматических аккумуляторов, гидроаккумуляторов с пневматическим накопителем.
      
    • 
      На основе инерционных накопителей.
      

В качестве промежуточного накопителя, помимо аккумуляторных батарей, также могут использоваться батареи конденсаторов и ионисторы (суперконденсаторы). В случае применения накопителя энергии значительной ёмкости гибридный автомобиль имеет возможность двигаться без включения двигателя внутреннего сгорания — в «режиме электромобиля» (Chevrolet Volt). В случае, если зарядка накопителя может производиться не только от основного двигателя, но и от электрической сети, говорят о «подключаемом гибриде» (англ. Plug-in Hybrid).
Главное преимущество гибридного автомобиля — снижение расхода топлива и вредных выхлопов, что достигается полной автоматизацией управления работой двигателей с помощью бортового компьютера — начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью немедленного возобновления движения без его запуска, исключительно на запасённой в накопителе энергии, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации — использование кинетической энергии движущегося автомобиля при торможении для зарядки накопителя при работе электродвигателя в режиме электрогенератора. Как и в случае с электромеханической трансмиссией, двигатель внутреннего сгорания, как правило, работает на оптимальных режимах.
Основной причиной начала производства легковых гибридов стал рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным ужесточением требований к экологичности автомобилей. Благодаря совершенствованию технологий и налоговым льготам производителям или покупателям гибридов такие автомобили иногда оказываются даже дешевле обычных. В ряде стран владельцам гибридов предоставляются и другие льготы — в частности, освобождение от уплаты дорожного налога, право пользования выделенной полосой на шоссе^[2] и бесплатными автостоянками и т. д.
Гибридные автомобили стали компромиссным решением таких недостатков электромобилей как значительная масса аккумуляторов и необходимость их длительной зарядки, недостаточно развитая инфраструктура зарядных станций и недостаточная дальность пробега.