Про электричество и мой взгляд на гибриды

моя тачанка

Купил вот в позатом году гибрид. И зарубились мы тут по этому вопросу с многоуважаемым Арсеном Алибалаевичем. За цены на электричество особенно. Ну вот не могу не вынести на обсуждение!

Неглупый человек под псевдонимом "Свой1" опубликовал в Интернет статью, где остроумно указал: акциз на содержание дорог сегодня вкручен в топливо. А при замене на электромобили - будет вкручен в электричество!

При этом, с учетом сложностей выживания электромобилей в холодном климате, их дороговизне, пожароопасности, деградации АКБ - массового электромобиля севернее субтропиков мы на нашем полушарии не увидим НИКОГДА. Не выгодно. Пользователю в первую очередь.

Добывать же электричество самому - пока не получается. Ну никак. Ни ветром, ни тем более частной гидроэлектростанцией. И потом - как, как хранить электричество??? АКБ деградируют лет за 4-5! Далеко на электромобиле не уедешь...

Совсем иное дело - последовательные "гибриды" на водороде. Водород - не разлагающийся, не деградирующий, энергоемкий носитель. Причем, он уникален в том смысле, что, благодаря топливным ячейкам, он одновременно сверхэффективен и как теплоноситель, и как электроноситель. КПД просто бешеный! Разберемся, что к чему. Длиннопост.

Является ли гибридный транспорт спасением от дефицита нефти и экологических проблем?

Автомобили - "гибриды". Сегодня у автовладельца может возникнуть желание использовать несколько совершенно различных источников энергии для приведения в движение своего индивидуального транспортного средства. Чаще всего сегодня встречаются так называемые Hybrid (от латинского hybrida, hibrida — "помесь"): автомобили с силовой установкой смешанного типа, позволяющие оптимально расходовать бензин или заряд аккумуляторной батареи в зависимости от текущего режима движения.


Виды и типы гибридов - транспортных средств с силовой установкой смешанного типа:

пункт Последовательный (Extended Range Electric Vehicle)

пункт Параллельный (Mild Hybrid)

пункт Последовательно-параллельный (смешанный, Full Hybrid)


Последовательный гибрид

Первая в мире последовательная гибридная силовая установка была изобретена примерно в одно время с первым в мире электромотором - более 175 лет назад. Как и сейчас, она была применена одним из наиболее эффективных способов - в составе плавучего теплохода.

Преимущество последовательных гибридных установок, таких как дизель-электроход, состоит в том, что ёмкая, дорогостоящая аккумуляторная батарея не является их критически важным элементом.

Схема работы последовательного гибридного транспорта проста:

1. Двигатель внутреннего сгорания проворачивает напрямую соединённый с ним генератор.
2. Вырабатываемый генератором электрический ток подаётся в электродвигатель.
3. Который, в свою очередь, приводит в движения колесо или колёса.

Как видите, мощность энергоносителя - топлива - преобразуется и передаётся на колёса последовательно. Важное примечание: сложение мощностей ДВС и электромоторов при вращении колёс НЕ ПРОИСХОДИТ! Двигатель внутреннего сгорания никак не соединён с колёсами такого авто.

Последовательно-гибридный автомобиль может оснащаться конденсаторами для получения возможности рекуперативного торможения, а также ёмкими аккумуляторами для осуществления резкого разгона.

Преимущества такой схемы построения транспортного средства проистекают из его достоинств: в ходе работы системы большое количество (от 70%) мощности рассеивается в виде тепла. Система не слишком-то экологична, сложна и дорогостояща в обслуживании.

Повстречать подобную силовую установку на улице не так-то просто - в основном они плавают по морям. Кажущаяся экологичность и перспективность конструкции разбивается о низкую эффективность чисто электрической трансмиссии - не выше 70% в идеальных условиях.

К последовательно-электрическим гибридным авто, пусть и с некоторой натяжкой, можно отнести также Toyota Mirai - ведь её основная силовая установка на водородных топливных элементах выполняет ту же роль, что и обычный двигатель в аналогичных системах: поставляет электроток.

К сожалению, в бюджетном легковом автомобилестроении будущее последовательных силовых установок смешанного типа весьма зыбко и туманно (по состоянию на 2020 год). По утверждению главного инженера Toyota по hybrid vehicle, господина Масаки Санаяма, мотор-колесо значительно увеличивает неподрессоренную массу авто, отчего управляемость значительно ухудшается (хотя вот лично мне не ясно, какова же здесь проблема, если средняя скорость движения по городу составляет от 16 до, в идеале, 40 километров в час!!!). Монтаж же таких силовых установок на механическую трансмиссию традиционного типа пока эффективно применяется лишь на сверхтяжелом транспорте (см. грузовики БелАЗ), и на концептах типа Alessandro Volta, созданном в ассоциации с итальянской компанией Italdesign Giugiaro. Этот суперкар, впрочем, так и остался скорее концептом.


"Параллельный" гибрид

Транспортное средство с гибридной силовой установкой параллельного типа является улучшенной разновидностью обыкновенного авто с классическим поршневым двигателем. Электромотор, установленный вместо стартера и\или на одном из участков трансмиссии, выполняет вспомогательную роль. Тяговый электромотор является дополнительным, он помогает резко ускоряться и трогаться с места.

Именно здесь и кроется суть параллельного гибрида - крутящий момент, используемый для движения, может быть поставлен тяговым электродвигателем ПАРАЛЛЕЛЬНО, одновременно с обычным бензиновым, газовым, спиртовым либо дизельным двигателем.

Момент и продолжительность активации электромотора определяются в соответствии с условиями движения. Это, вкупе с рекуперацией, позволяет несколько повысить экономичность транспортного средства.

К сожалению, такое транспортное средство не является полностью "зелёным". Пусть и сниженное, потребление ископаемого топлива всё же зависит от массы и от режима эксплуатации транспорта. И может достигать значительных величин. На увеличение мощности приходится увеличение массы и скорости.

Отдельной разновидностью "параллельных" является машина, лишенная возможности заряжаться от собственного ДВС; производством такого чуда грешат в основном французы. Заряжание осуществляется только "от розетки" - соответствующей зарядной системы, и при рекуперативной остановке. Впрочем, и самозарядка - не панацея. То же Примус может сделать только два-три вяловатых обгона по трассе на электротяге, после чего уже едет вяло.


Последовательно-параллельная силовая установка смешанного типа

Разговор пойдёт о тех Full Hybrid, которые по собственному выбору могут становиться последовательными либо параллельными. Именно к таким относятся относительно бюджетный переднеприводный Prius и динамичный полноприводник Lexus 450h. Как же такое возможно технически, скажете Вы?

Технические подробности могут утомить. Подробно об устройстве и особенностях такой системы - например, Toyota Hybrid Synergy Drive - Вы можете прочитать про устройство HSD в этом тексте.

Здесь мы совершим поверхностный обзор Full Hybrid.

Последовательно-параллельный гибрид, благодаря гибкой системе управления и передачи крутящего момента, может использовать для движения только тяговые электрические двигатели, только двигатель внутреннего сгорания, либо их произвольное сочетание. Выбор преимущественной силовой установки происходит по решению электронного блока управления, анализирующего поведение водителя, заданную джойстиком программу и условия движения.

Этот тип гибридного авто рационально реализует крутящий момент двигателя внутреннего сгорания в оптимальном, экологичном и экономичном диапазоне его оборотов. Мощная "троллейбусная" тяга электродвигателей применяется для резких и\или коротких перемещений: разгонов, обгонов, "подкрадывания" в пробке.

Традиционный двигатель внутреннего сгорания останавливается в тех режимах движения, в которых он не требуется. У некоторых авто это возможно благодаря трансмиссии eCVT от Toyota Motor - которую современные издания ошибочно называют вариатором. Кроме того, машины с последовательно-параллельной комбинированной тяговой установкой могут оснащаться дополнительным электромотором на второй оси и\или возможностью подзарядки "от розетки".

Помимо eCVT тойотовских конструктивов, существует масса других хайбрид-трансмиссий. Chevrolet Volt, инновационная машина с последовательно-параллельной силовой установкой смешанного типа, возможно, встретится вам на улицах и шоссе.


Какой гибрид выбрать? Читай - какой лучше?

Мнение автора данной статьи основано на его личном жизненном опыте, и может не совпадать с Вашим. Если у Вас есть более рациональное, подкреплённое опытом и фактами мнение, я рад буду выслушать его по указанному вверху сайта телефону в рабочее время.

Позволю себе озвучить своё. А, с учетом исчерпания запасов легкоизвлекаемой нефти, и неизбежно последующего за этим жуткого финансового кризиса, мнение иметь по данному вопросу полезно.

Хороший, динамичный и экономичный "хайбрид" для города должен, по моему скромному мнению, эксплуатировать свою поршневую силовую установку только в диапазоне максимальной эффективности. Он должен быть максимально простым, а значит последовательным. Он должен быть полноприводным, и иметь тяговые электромоторы для двух основных диапазонов интенсивного разгона: на скорости от 0 до 50 километров в час, и на скорости от 80 до 125 километров в час.

Автор данной статьи не является реинкарнацией Ивола Канивола, и считает, что резкие ускорения на дорогах общего пользования нужны лишь для бытовых обгонов, перестроений и манёвров.

И, конечно, такая машина должна уметь заряжаться от розетки; и двигаться только на электротяге не менее 50 километров. Возможно, для 2020ого года такие требования необоснованно круты; но на меньших условиях мне столь замысловатое транспортное средство не требуется.

Машина должна преспокойно буксироваться; в случае разрядки - заводиться "с толкача", и заряжаться от скатывания с горки. Подмечу: трансмиссия такой системы может быть и традиционной, механической, с целью сокращения потерь КПД на нагрев проводов, и возможность иметь несколько электромоторов, подключенных к планетарным передачам различного диапазона. Питающая силовая установка должна быть полностью управляемой вручную, и отключаемой вручную. Шум и вибрации не играют роли.

Нужен ли мне гибрид, обладающий меньшим набором возможностей? Навряд ли. Ведь, увы, сегодня (2020 год) даже новейшие Приусы разряжаются и отказываются выполнять обгон всего через час-другой интенсивной езды. Такие транспортные средства совершенно не экономят топливо в пробках, и экологической обстановке тоже сильно не помогают. И моё мнение таково: Pruis тоже хорош... Но только для трассы!


Система подзарядки от розетки. Реализация электрической мощности

Современные машины с комбинированным приводом могут, в зависимости от комплектации, быть или не быть наделены системой подзарядки от домашней зарядной станции. В оригинале они, как правило, называются "Plug-in Hybrid Electric Vehicle" (PHEV), подразумевая возможность зарядки от внешнего источника (бытовой электросети). Для современного транспорта со смешанной силовой установкой нормальным считается время зарядки в девяносто минут, если сеть является стандартной 220-вольтовой, и поставляет умеренный ток без скачков.

Кто-то спросит - а так ли нужна эта функция? Мнение автора статьи таково: однозначно НУЖНА для всех видов, кроме некоторых последовательных. Отчего же?

"Розеточная" мощность является сегодня наиболее дешевой и доступной мощностью. Появление станций для зарядки на парковке, особенно около вашего места работы, покажет всю их экономию и удобство. Появление беспроводной подзарядки в движении покажет ещё большее удобство - было бы неплохо вобще забить о проблеме заправки, потере времени на очереди и ожидание.

Зарядка от розетки, пожалуй, неактуально лишь там, где нет стабильных, безопасных и широко доступных электрических сетей. К примеру, у вас есть свой гибридный снегоболотоход на шинах сверхнизкого давления, который может легко двигаться вдоль дорог общего пользования. Его силовая установка может быть, скажем, дизельной. Розетки в вашем охотничьем домике может и не быть; более того, возможно, вам выгодней использовать свой вездеход и в качестве бытового генератора. Вариант второй - у вас нет ни времени, ни желания, ни возможности возиться с проводами. Или, скажем, есть доступ к дешевой горючке. Скажем, субсидированному спирту. Вот тут последовательно-электрический "хайбрид" придётся как нельзя ко двору.

Да, согласен, кое-где через двадцать-тридцать лет вообще никакой стабильности не будет. И не дай бог хорошие запасы на случай кризисов, роста цен, инфляции или войны не сделаны. Но автотранспорт - штука для небедных времен.

Не следует забывать и о таком тонком моменте, как коэффициент полезного действия. Когда речь идёт о ТС, питающимся в основном ископаемым топливом, использование заранее заряженного аккумуляторного устройства позволяет практически удвоить суммарное конечное КПД вашего передвижения! Это возможно благодаря современным синхронным тяговым установкам переменного тока. Они лёгкие, обеспечивают плавное ускорение, а выдаваемый ими крутящий момент просто-таки "революционный", выражаясь языком менеджеров Тойота. Их стабильный вывод составляет более 200 ньютон-метров и более 55 киловатт уже при минимальных оборотах.

Гибридная силовая установка "Hybrid Synergy Drive" (HSD)

Силовая установка смешанного типа "Hybrid Synergy Drive" - это, говоря просто, "синергетический" комплекс двигателей. Её название можно по смыслу перевести на русский язык как "силовая установка смешанного типа с эффектом высокорезультативного взаимодействия подсистем".

Была впервые изобретена, разработана и запанентована нашим бывшим соотечественником. Александр Северинский, эмигрировавший в соединенные штаты рабовладельцев и эксплуататоров, в 1994 году успешно получил патент у местного правительства. Компания Тойота Мотор, впрочем, и по сей день утверждает, что разрабатывала аналогичную систему самостоятельно. Ход судебного разбирательства и моральная сторона вопроса в данную статью не войдут.

Изящество инженерного решения Hybrid Synergy Drive - это реализация автоматической коробки переключения передач, плавно управляющей крутящим моментом и режимами работы нескольких экологически дружественных двигателей. Проще говоря, HSD совмещает в себе несколько различных моторов - электрических и бензинового по циклу Аткинсона, и реализует их работу в оптимальных диапазонах оборотов с целью получения максимального итогового КПД.

Следует понимать, что чисто электрическая трансмиссия последовательных гибридов имеет КПД не более 70%, в то время как механическая может достигать эффективности в 90%. Используя ДВС на трассе, а электромобили для старта, силовая установка смешанного типа HSD имеет высокую экологичность и достойную моментную характеристику. Хотя Тойота Мотор не предоставляет точные данные, можно рассчитывать как на волну "электрического" момента снизу, так и на приличную тягу от ДВС на средних скоростях.

На конец 2019 система имеет 3 поколения с различной схемой работы. На аналогичных этому ресурсах по какой-то причине описаны только принципы работы системы первого поколения.

Первые два поколения нас мало интересуют - они безнадёжно устарели, ведь запланированное устаревание сегодня укладывается всего в пять лет срока эксплуатации техники (плюс-минус два года; что происходит с техникой потом - современного производителя мало интересует).

Скажем лишь следующее.

В первом поколении система устанавливалась только на переднеприводные авто - Pruis начальных генераций. Примечательно, то эти модели Тойота продавала в убыток себе - с целью популяризации концепции гибридов.

Также примечательно то, что в изначальной генерации трансмиссии Приусов было приблизительно в 5 раз меньше движущихся деталей, чем в современной многоступенчатой автоматической коробке переключения передач.


Toyota Hybrid System (THS)

Ознакомьтесь с иллюстрацией для лучшего понимания (требуется развитое воображение). Примечательно, что в первой системе нет сцеплений либо тормозных муфт, как в обыкновенной АКПП.

Как видите, в зарождающихся разработках Тойота Мотор скорость авто практически напрямую задавалась вращением второго мотор-генератора (на схеме обозначен как "MG2"). Схема позволит вам легко отследить подачу мощности по системе. Так, гибким управлением скоростью и направлением вращения MG1 достигается плавное изменение передаточного числа между маховиком двигателя внутреннего сгорания и колёсами авто. Это, конечно, никакой не "вариатор", но его достойный аналог.

Во втором поколении система несколько усложнилась - сказался опыт эксплуатации. Так, результирующая тяговая характеристика системы распределения крутящего момента стала более гибкой.

Второй мотор-генератор здесь, как видите, подсоединён через делитель, который у некоторых моделей делит обороты MG2 в соотношении приблизительно 2,5:1, повышая тем самым крутящий момент.

К тому же, Lexus RX 400h и Toyota Highlander Hybrid были оснащены полностью гибридным полным приводом. Задняя ось у этих машин приводится третьим мотор-генератором (так называемый MGR). При этом, задняя ось не имеет механической связи с передней осю и с собственно рассматриваемой системой HSD.


Hybrid Synergy Drive (HSD) four-wheel drive system

Как видно на картинке, схема работы трансмиссии смешанного типа во втором поколении значительно усложнилась и улучшилась по сравнению с первым. Но это ещё ерунда. Подождите, пока дойдете до третьего.



Схема работы третьего поколения HSD

В данной статье именно эта система будет рассматриваться максимально подробно, так как на сегодня - конец 2019 года - она является наиболее совершенной. Она применяется в кроссоверах Lexus GS 450h и седанах Lexus LS 600h. Обратите внимание на следующую иллюстрацию:

работа трансмиссии гибридов Лексус

Как видите, устройство HSD G3 уже куда ближе к традиционным АКПП, чем когда бы то ни было ранее. На это указывает появление муфт и тормозов (в обиходе - фрикционов), характерных именно для планетарного механизма "автоматов". Функцию они здесь выполняют схожую:

1) В режиме "Р" заблокированы все фрикционы (но ДВС может вращаться в целях зарядки высоковольтной АКБ).

2) В режиме "тихого старта" без включения поршневого движка MG2 (и MGR при его наличии) включается, а солнечная шестерня тормозится на корпус (верхний фрикцион на схеме).

3) В режиме рекуперации система блокируется таким образом, чтобы получать крутящий момент с колёс на мотор-генераторы (конкретная последовательность зависит от модели машины и текущего режима работы ДВС; не стоит забывать, что при движении "накатом" поршневой движок глушится за вполне понятной ненадобностью).

4) Высокие обороты ДВС позволяют машине двигаться по длинным прямолинейным участкам с высоким КПД, подзаряжая при этом источники энергии. "Солнце" заблокировано.

5) Вращение MG1 в противоположном обычному направлении позволяет машине недолго разгоняться на максимальной доступной скорости засчёт быстрого разряда высоковольтной АКБ. "Солнце" заблокировано.


Основные составляющие системы

пункт Бензиновый двигатель внутреннего сгорания
пункт Аккумуляторные батареи
пункт Мотор-генераторы
пункт Система планетарных передач
пункт Инвертор и конвертер
пункт Электронный блок управления

Бензиновый поршневой двигатель, работающий по циклу Аткинсона, оснащён системой изменения фаз газораспределения. Эффективность, которой характеризуются подобные ДВС, гарантирует высокие экологические показатели при достойной моментной характеристике: насосные потери в таких силовых установках значительно меньше, чем в двигателях по циклу Отто. Экономия тоже нешуточная: в смешанном цикле можно сохранить до 20%!

Помпа системы охлаждения здесь имеет электрический привод; система охлаждает не только поршневой движок, но и электрические. Выхлопные газы качественно рециркулируются и используются для ускорения прогрева.

Две аккумуляторных батареи - высоковольтная и обычная - работают в тандеме. Система охлаждения для элементов батарей через специальный канал лучше оптимизирована по сравнению с более ранними моделями. Кроме того, система поддерживает заряд батареи на постоянном уровне в течение всего времени путем мониторинга и вычисления совокупного количества разряда при ускорении, и подзарядки от рекуперативного торможения; или избыточной мощности при нормальных условиях эксплуатации. Гибридный аккумулятор имеет ограниченный срок службы (вопреки распространённому мнению). Продолжительность жизни гибридного тягового аккумулятора, по утверждению инженеров Toyota, "можно изменить", меняя стиль вождения и условия движения.

Высокопроизводительные мотор-генераторы переменного тока не имеют щёток, и оснащены неодимовыми магнитами V-образной формы. Имеют мощность не менее 62 л.с. и крутящий момент не менее 207 ньютон-метров. Они также позволяют пользоваться рекуперативным торможением.

Данная возможность позволяет экономить на износе тормозных колодок и на топливе, особенно в городских режимах движения. Главное - приноворовиться не тормозить резко, чтобы не задействовать гидравлику.

Фирменная планетарная передача, также известная как eCVT или PST, является "скелетом" работы HSD.

Инвертор и конвертер, контролируемые электронным блоком управления, преобразуют ток в цепях гибрида. Эти системы охлаждаются принудительно во всех моделях с 2009 года.

Трансмиссия eCVT Toyota: отличительные особенности и принцип работы

PSD Рисунок 18: возможности планетарного механизма.

Здесь я максимально внятно, доступно и кратко опишу систему передачи крутящего момента eCVT, устанавливаемую на автомобили Toyota.

По ряду организационных причин "eCVT" - это иносказательная отсылка к коммерческому бренду HSD ("Hybrid Synergy Drive"; "гибридный синергетический привод", или "синергетическая силовая установка смешанного типа"), используемому компанией Toyota в своих гибридных автомобилях.

Вот что нужно понимать:

1. "eCVT" расшифровывается как electronic continuously variable transmission, то есть "Электронно-управляемая бесступенчатая трансмиссия".

2. По факту eCVT является разновидностью комбинированной трансмиссии. Ни вариатора, ни гидротрансформатора в eCVT нет.

3. eCVT радикально отличается от других современных бесступенчатых коробок передач (CVT). CVT, как правило, включают в себя электронно-управляемый вариатор и могут включать в себя гидротрансформатор. eCVT не имеет в своём составе механического устройства "вариатор" (!).

4. eCVT включает в себя в том числе трансмиссию, мотор-генераторы и наборы планетарных передач, называемые компанией Тойота Power Split Device (PSD, планетарный делитель мощности). Она порой устроена куда проще современных АКПП: может содержать приблизительно в пять раз меньше движущихся деталей, чем современная многоступенчатая автоматическая коробка переключения передач.

5. Многие специалисты относят eCVT к так называемым "Power Share Device transmission" из-за её способности комбинировать крутящие моменты двигателя внутреннего сгорания и тяговых электромоторов. Комбинирование по своей работе напоминает вариатор: передаточное число не имеет фиксированных значений в данной системе, и зависит от скорости вращения электродвигателей.

6. Вышеуказанные крутящие моменты по команде электронного блока управления выдаются в необходимом объёме; комбинируются в заранее рассчитанной пропорции согласно программе. И, с помощью системы планетарных передач, направляются на колёса и на генерацию электрического тока.

В принципе, помимо Тойота Мотор, много различных производителей используют аналогичные конструкции. Например, GM, Daimler, Chrysler и BMW используют подобные технологии в рамках программы Global Hybrid Cooperation.

Устройство силовой установки смешанного типа "Hybrid Synergy Drive" (HSD) будет рассмотрено в отдельной статье.

Таким образом, когда речь заходит о eCVT, не спешите пытаться понять, как это вариатор может быть электронным. Плавное изменения передаточных чисел имеет место. Но чтобы понять, как оно происходит, нужно наблюдать за работой HSD в различных режимах. Без прямого созерцания человеку без технического образования слова навроде "...мотор-генератор установлен на планетарном водиле..." мало что объяснят.

Главное - не дайте себя обмануть, когда Вам говорят про вариатор у Prius: никакого механического вариатора там нет. Ни шестерней с изменяемым диаметром, ни роликов Extroid.

Установленная на "Тойота Приус" (а также "Камри" и других) трансмиссия передаёт крутящий момент бесступенчато с помощью гибридного механизма весьма оригинальной и остроумной конструкции.


eCVT: отличия от других автоматических коробок передач

Упростим объяснение до предела. Задача любой коробки передач - передавать крутящий момент от двигателей, по возможности плавно изменяя передаточное число. Это необходимо, чтобы при примерно одних и тех же оптимальных оборотах двигателей скорость авто плавно повышалась, и не имела при этом негативных влияний на двигатели. Попробуйте разогнаться на задней - сразу почувствуете, как она душит традиционный ДВС.

eCVT сконструирована так, чтобы управляемые электроникой электромоторы, вращая некоторые части трансмиссии, плавно изменяли передаточное число коробки передач. Вот и всё!

Кажется простым? О да. Но только не в движении. Прочтите в этом тесте про Hybrid Synergy Drive, чтобы узнать больше о работе трансмиссии в последовательно-параллельных силовых установках комбинированного типа.

Следует также чётко понимать следующее: серьёзным отличием electronic continuously variable transmission от прочих "автоматов" является то, что она потребляет значительное количество электрической энергии при работе.

Взгляните на рисунок 18. Плавное, регулируемое увеличение скорости вращения коронной шестерни (internal gear) приведет к плавному ускорению вращения солнечной шестерни (sun gear). Именно так и варьируется передаточное отношение в системе.

Автомобили на водородных топливных элементах

FCEV

- также известные как FCV, F-Cell, FCEV (англ. "hydrogen fuel cell vehicle") и так далее. Конструктивно близки к электромобилям. Их двигатели также приводятся электрическим током.

Однако, основным источником тока в данном случае является не сколько электрический аккумулятор, сколько батарея водородных топливных элементов, заряжающая этот аккумулятор.


Преимущества машин с hydrogen fuel cell

пункт Абсолютно чисты экологически: загрязнение окружающей среды при эксплуатации равно нулю.

пункт В топливный элемент рабочие вещества подаются извне. Способность такого "генератора" выдавать напряжение ограничена только размерами бака с сжатым водородом. В обычной же аккумуляторной батарее имеется ограниченный её объёмом и уровнем заряда запас веществ для электрохимической реакции.

пункт Даже самый лучший аккумулятор разряжается тем быстрее, тем выше ток разрядки. После непродолжительной интенсивной разрядки (например, при резком ускорении) обычный электромобиль теряет динамику. Водородомобиль, как и машина с обычным двигателем внутреннего сгорания, сохраняет нормальную динамику до исчерпания запаса топлива.

пункт Бак с водородом, в отличие от высоковольтного аккумулятора у электромобилей, не теряет своих качеств с годами. И не умирает от сильного холода, что особенно актуально для нас. Не имеет "эффекта памяти" и прочих подобных проблем.

пункт Используемый атмосферный воздух не требует запасания.

пункт Ёмкость бака может быть восполнена в течение 2-5 минут на специальной заправочной станции. Обычная же аккумуляторная батарея требует полной замены на заряженную - или долгой зарядки. Да и зарядка - не такой уж простой процесс. Её КПД низок; подводные камни тоже присутствуют: к примеру, производитель автомобилей Tesla рекомендует заряжать высоковольтную батарею ровно на столько, сколько нужно для сегодняшней поездки, чтобы продлить батарее жизнь.

пункт Коэффициент полезного действия всей системы чрезвычайно высок. Традиционные силовые установки с двигателями внутреннего сгорания не могут иметь фактический КПД выше 40%, так как большое количество энергии рассеивается на неуловимое, бесполезное тепло.

пункт Благодаря транспортным средствам этой схемы в прошлое уйдут выхлопные газы, моторное масло, каталитический нейтрализатор и ещё множество дорогостоящих, вредных для здоровья устройств и материалов.

пункт Могут быть использованы как бытовые электрогенераторы. Одного килограмма сжатого водорода хватает на 100 километров пробега по трассе или на пару дней запитки большого частного дома.

пункт Машины с ЭХГ, в отличие от электромобилей, не замёрзнут на дороге в сильный мороз, и не будут терять значительных объёмов ресурса на печку. Силовая установка имеет рабочую температуру порядка 80 градусов Цельсия, и выдаёт некоторое количество тепла, необходимого для самопрогрева.


Устройство, основные элементы и принцип работы водородно-кислородного топливного элемента (батареи топливных ячеек)

Основными элементами силовой установки авто на топливных ячейка являются:

1. Вторичная высоковольтная аккумуляторная батарея (никель-металл-гидридная, "NiMH").

2. Покрытые катализаторами из "благородных" металлов электроды - анод и катод.

3. Мембрана, разделяющая электроды. Свободно пропускает катионы (Н+), но не пропускает электроны (е-). Как правило, изготавливается из керамики, полимеров или других материалов.

4. Высоковольтные провода электрической сети, соединяющие анод и катод через потребители.

5. Потребители: бортовая электросеть, тяговые электромоторы.

6. Бак с топливом: как правило речь идёт о сжатом газообразном двухатомном H.

7. Системы подачи топлива, атмосферного воздуха и системы отвода воды.

Образование воды (далее в этой статье - "топливо") происходит в топливных ячейках без процесса горения и без выделения большого количества тепла. Следует также понимать, что данная система построена без возможности заряжаться от электросети и вырабатывать топливо. Формула преобразования проста: H2 = (2e-) + (2H+). (4H+) + (4e-) + (O2) = вода.

Принципиальная схема работы силовой установки с fuel cell обрисована на картинке ниже (в предельном упрощении):



fuel cell принцип работы


История водородомобилей (кратко)

В 1839 году британский физик Уильям Гроув проводил эксперименты по электролизу воды. Он обнаружил, что обратные процесс происходит с незначительным тепловыделением: вырабатывается относительно много электричества, а потери на тепло невелики.

Уже в шестидесятых-семидесятых годах США и СССР параллельно экспериментировали с топливными элементами. Останавливало эксперименты то же, что и сегодня - отсутствие массового производства дешевого водорода и высокая наукоёмкость подобного транспорта.

Практически до 2015ого года данная технология лежала на полке - в том числе и буквально; расконсервация показывает, что ЭХГ не выходят из строя со временем.

В 2015ом году, после появления в свободной продаже Toyota Mirai, все уважающие себя производители ломанулись делать массовые водородомобили. И у каждого на рекламе стоит заявление вроде "оригинальный, первый в своём роде". Катающийся на "холодногорючем" водороде в 2003 году ВАЗ-2131 тактично не упомянут. Впрочем, это не важно; важно другое. Именно в 2015ом Тойота открыла все свои "водородные" патенты - более пяти тысяч штук - для публичного использования. Вот теперь старт действительно дан!

Чтобы понять ажиотаж автопроизводителей, нужно войти в их положение. Безумные, иррационально высокие требования стандартов ЕВРО-6 недостижимы для двигателей внутреннего сгорания в режимах частичных нагрузок (то есть - в городском цикле) без применения сомнительных дорогостоящий технических решений.

"Просто электромобили" на самом деле не так уж просты: аккумуляторы дороги, и имеют массу проблем. В настоящий момент - 2015ой год - сделать дешевый городской электромобильчик смогли такие производители как Nissan, Mitsubishi и другие... Но он неудобен в эксплуатации, особенно в прохладном климате. Его пробег смехотворен, а потребности в зарядке трудно удовлетворить, не пересаживаясь время от времени на общественный транспорт.




За топливными ячейками будущее. Почему они победят?

Частные мнения различных специалистов автомобильной области, обладающих огромным опытом, в данном вопросе сходятся по меньшей мере в нескольких моментах.

Точно также, как когда-то были преодолены проблемы инфраструктуры, сертификации и безопасности применения природного газа, также будут преодолены и проблемы водородной энергетики. Ещё в 2005 году Хонда представила свою "Home Energy Station III" - основу будущих частных домовладений, принадлежащих автомобилистам. Эта установка обогревает дом, перерабатывая природных газ в водород. Остроумное решение: тепло не является потерей, если оно нужно в доме.

Если же проснутся и "наши", российские деятели - быть нам на коне, друзья. Запасы газа у нас есть - будет и водород. В отличие от Европы, у которой кроме понтов и п*доров нет ничего. Да и газ не так уж важен: пока будет солнечный свет, равнина либо морская гладь, где можно положить солнечную батарею, и вода, топливо для ЭХГ будет ВСЕГДА. И запасать его водородом - проще и надежней, чем аккумуляторами (см. схему в конце статьи).

Развитие аккумуляторных электромобилей никогда не станет серьёзным. Ни применение ионизаторов, ни удешевление существующей технологии запасания электроэнергии ничего не даст - сами технологии весьма несовершенны, и их мощность недостаточна для автомобилей. Не говоря уже о потребляемой мощности - в мире не хватит электричества.

ЭХГ же в принципе очень эффективны. Особенности водородно-кислородных электрохимических генераторов таковы, что они могут в определённых условиях не только не нагревать окружающую среду, но и забирать из неё тепло.

Возможности применения суперконденсаторов в водородомобилях также куда шире - ведь требующий запасания объём энергии в десятки раз меньше, чем у чисто электроприводной машины.

Кто-то скажет, что водород дороговат. Возможно, возможно - если нет инфраструктуры. Но реально стоимость этого топлива, исходя из стоимости километра пробега, в России навряд ли привесит стоимость километра пробега на обычной машине в Европе. Дороже, да - ну и что с того? Хочешь ездить на бешеной электротяге, да ещё и без вреда - это стоит денег, и странно, если бы это было бы иначе.

FCEV 3

С учетом грядущего экономического кризиса реально умным ходом будет подумать о собственном хранилище водорода, топливной ячейке, гибриде и маленькой электростанции. Хоть бы даже и электростанции на основе газогенераторной дровяной котельной. Схема "дрова > тепло+газ > ДВС на газу > установка разложения конденсированной воды на водород и кислород > запас водорода > ячейка \ автомобиль" - непроста и недешева, но это действительно внятная альтернатива нефти и газу. Особенно во времена, когда они станут дороги или труднодоступны.

НОЯ27



Комментирование отключено.