Автомобиль будущего

Обычная заправка топливом

У электромобилей пока есть один большой недостаток — необходимость зарядки аккумулятора. Процесс долгий и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом он становится непригодным для длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из нано материалов до 80 % ёмкости за 5-15 минут.

У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеводородным топливом, тогда, когда это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.

В городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80 % времени работает в режиме электромобиля. В феврале 2006 года автолюбители из США смогли взломать электронную систему управления Toyota Prius, и научились принудительно переключать автомобиль в режим электромобиля. Французская компания PSA Peugeot Citroen к 2010 году начнет серийное производство гибридных версий Peugeot 307 и Citroen C4. В автомобилях предусмотрен режим электромобиля на скоростях менее 50 км/ч. Водитель может по желанию включать режим электромобиля.

Недостатки

Высокая сложность

Гибридные автомобили имеют относительно больший вес, они сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт США говорит, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами.

Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не пыталась создать гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои усилия на разработке электромобилей. Наиболее удачная на сегодня (2008) серийная разработка — Hybrid Synergy Drive (произносится [ха́йбрид си́неджи драйв]) компании Toyota.

Отсутствие трансмиссий

Наиболее перспективные, механические, гибриды не могут на данном этапе составить конкуренцию электрическим гибридам. Основной проблемой является невозможность создания адаптивных трансмиссий, способных работать в широком диапазоне передаточных отношений (более 20).

Утилизация аккумуляторов

Хоть и в меньшей степени, чем электромобили, гибридные автомобили подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал.

Подогрев салона

Высокий КПД определяет малую побочную генерацию бросового тепла. В обычных автомобилях в зимнее время это тепло используют для обогрева салона. В гибридных автомобилях ДВС не глохнет, пока не нагреет салон до требуемой температуры, что, естественно, увеличивает расход топлива. В американских моделях Тойота Приус также используются электрические ТЭНы, которые питаются от высоковольтной батареи. Они не только обеспечивают тепло без излишней работы ДВС, но и позволяют нагревать салон сразу после холодного старта автомобиля.

Стоимость автомобиля, внешний вид и обустройство салона

Гибридный автомобиль ничем внешне не отличается от своих «бензиновых» собратьев. Выпускаются различные виды, начиная от обычных городских автомобилей и заканчивая джипами-внедорожниками и спортивными моделями. А своеобразная начинка только добавляет особую гордость владельцу. При этом цена остаётся практически на том же уровне. Дисплей, отображающий работу системы и направление потоков энергии, некоторые владельцы уже окрестили термином «тамагочи для больших мальчиков». Но всё же производители не рекомендуют джипы-внедорожники использовать в сложных геоклиматических условиях.

Гибриды с возможностью подключения к электросети

Такой автомобиль, так же называемый англ. plug-in hybrid electric vehicle или PHEV, включать в розетку не обязательно — но у владельца есть и такая возможность. В результате водитель получает все преимущества электромобиля без самого большого его недостатка — ограничения по пробегу за один заряд. Машину можно использовать как электромобиль большую часть пути, а как только заряд заканчивается, то включается небольшой бензиновый или дизельный двигатель и ваша машина едет дальше как обычный гибрид. Зарядка будет происходить в основном ночью, в часы, когда электроэнергия стоит дешевле.

Несмотря на то, что лидирующие компании заявили о своем намерении освоить эту область (несколько концепт-образцов представлены на автошоу), гибриды с подключением к электросети пока практически недоступны в розничной продаже. Однако, несколько компаний предлагают комплект усовершенствований для переделки машин в такие гибриды.

Современное применение

Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, паркетных внедорожников серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса — Lexus LS 600h.

По итогам 2006 года во всём мире было продано более полумиллиона только модели Prius. Технологию гибридного привода ToyotaHSD лицензировали Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).

Массовое производство гибридных автомобилей сдерживается дефицитом никель-металл-гидридных аккумуляторов.

В 2006 году в Японии было продано 90410 гибридных автомобилей, что на 47,6 % больше, чем в 2005 году.

В 2007 году продажи гибридных автомобилей в США выросли на 38 % в сравнении с 2006 годом. Гибридные автомобили в США занимают 2,15 % рынка новых легковых автомобилей. Всего за 2007 год в США было продано около 350000 гибридных автомобилей (без учёта продаж корпорации GM).

Всего с 1999 года до конца 2007 года в США было продано 1 002 000 гибридных автомобилей.

 

 

Toyota Prius

Приус обладает бензиновым и двумя электрическими мотор-генераторами, а также аккумулятором высокой ёмкости (часто называемым высоковольтной батареей, ВВБ). Электромотор способен также работать как генератор, превращая кинетическую энергию в электричество и подзаряжая аккумулятор. При этом электроэнергия может генерироваться как за счёт работы бензинового двигателя, так и за счёт торможения автомобиля (система рекуперативного торможения). Моторы могут работать как порознь, так и вместе. Работой всех двигателей управляет бортовой компьютер. Бензиновый мотор является двигателем Аткинсона. Такие двигатели экономичны, но обладают относительно низкой мощностью. Приус легко узнать по его обтекаемой форме. Коэффициент аэродинамического сопротивления составляет всего 0,26. Кондиционер работает непосредственно от аккумулятора, независимо от двигателей.

Кабина оборудована сенсорным дисплеем, показывающем работу двигателей, наполненность аккумулятора и другие параметры. Дисплей позволяет управлять аудиосистемой и кондиционером, но не автомобилем. Передачи (передняя, нейтральная, задняя, силовая передача) переключаются не коробкой передач, а находящимся около руля джойстиком и кнопкой рядом с ним (для стоянки). «Ручной тормоз» сделан в виде педали под левой ногой водителя. Скорость показывается зелёным цифровым индикатором. Автомобиль открывается электронным ключом зажигания; в случае его неисправности можно попасть в салон (но не ехать), используя механический ключ. Включается автомобиль вставкой ключа зажигания и нажатием кнопки Power при нажатом тормозе.

Приус высоко экономичен по нескольким причинам:

   * КПД любого бензинового мотора не является постоянной величиной, а зависит от мощности. Благодаря возможности как добавлять мощность за счёт электромотора, так и тратить часть мощности на зарядку аккумулятора, а также (на низких скоростях) вообще выключать бензиновый мотор и ехать только за счёт электричества, удаётся оптимизировать работу двигателя.

   * Во время остановок  в пробках, перед светофорами  и т. д. двигатель выключается. У других автомобилей он работает на холостом ходу, расходуя бензин. В длительных пробках система жизнеобеспечения (фары, бортовой компьютер, аудиосистема, усилители тормозов и руля) «съедают» заряд батареи и двигатель запускается для подзарядки ВВБ, однако это все равно гораздо экономичнее, чем крутить двигатель объёмом 2 литра (примерный эквивалент силовой установки Приуса).

   * Двигатель Аткинсона экономичен сам по себе. Его маломощность является терпимым недостатком, поскольку дополнительная мощность может обеспечиваться электромотором.

   * При торможении  и притормаживании (например, на крутом спуске) энергия запасается в аккумуляторе благодаря рекуперативному торможению.

   * Низкое аэродинамическое  сопротивление снижает расход  топлива, особенно на высоких  скоростях или при сильном  встречном ветре.

   * Некоторые модели  оборудованы кнопкой EV, активизирующей  режим электромобиля. В этом режиме  автомобиль может плавно разгоняться (до 57 км/ч) и тормозить, и на свободных  шоссе с малыми перепадами  высот может показывать запредельную  эффективность. Дополнительным плюсом  является возможность въехать  в плохо проветриваемый гараж  и не бояться отравиться выхлопными газами - неактуально для России. Однако в этом режиме в холодное время года возможности обогрева салона ограничены — все современные машины обогревают салон, отбирая тепло из системы охлаждения, которая при неработающем двигателе остывает за несколько десятков минут.

Недостатки: не оправданная дороговизна автомобиля в НАШЕЙ стране, бесперспективность развития так как электромотор приводится в действие бензиновым двигателем.

Преимущества: достаточная экономия топлива, рекуперация, экологичность.

4.Следующей категорией у нас идут Электромобили.

Электромобиль — автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от аккумуляторов или топливных элементов и проч., а не двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и электрической передачей и от троллейбусов. Подвидами электромобиля считаются электрокар (грузовое транспортное средство для движения на закрытых территориях, подъемно-транспортная машина) и электробус (автобус с аккумулятором).

Преимущества электромобиля

Электромобили отличаются низкой стоимостью эксплуатации. Ford Ranger потребляет 0,25 кВт·ч на один километр пути, Toyota RAV4 — 0,19 кВт·ч на километр. Средний годовой пробег автомобиля в США составляет 19 200 км (т. е. 52 км в день). При стоимости электроэнергии в США от 5 до 20 центов за кВт·ч стоимость годового пробега Ford Ranger составляет от $240 до $1050, RAV-4 — от $180 до $970.

В России стоимость электроэнергии — порядка 3,8 руб за кВт·ч по дневному тарифу и около 0,95 руб за кВт·ч в ночное время[2]. Таким образом, стоимость эксплуатации электромобиля в России будет существенно ниже, чем в США, поскольку заряжаться он будет скорее всего ночью.

КПД тягового электродвигателя составляет 88 %—95 %.

Существует легенда, что низкий уровень шума электромобилей может создавать проблемы — пешеходы, переходя дорогу, зачастую ориентируются на звук автомобиля. В некоторых странах даже предлагается искусственно повысить уровень шума электромобилей. Разумеется, резкий шум работающего мощного электродвигателя трудно с чем-то спутать, шум электроприводов троллейбуса (в основном воздушных компрессоров и вентиляторов в старых моделях), механических передач (дифференциал и карданная передача), электрокара, поезда метро широко известен, так что электромобилю необходимо обычное для транспорта шумоподавление. Да и шум современного автомобиля на небольшой скорости очень мал, в основном это шум трения колёс об асфальт, гравий или другое покрытие. Однако при использовании маломощных двигателей, как, например, в трамваях, шум действительно практически отсутствует и на некоторых выпускаемых электромобилях искусственно повышают уровень шума.

 

Сравнение с ДВС — преимущества

   * Отсутствие вредных  выхлопов в месте нахождения  электромобиля.

   * Высокая экологичность ввиду отсутствия применения нефтяных топлив, антифризов, трансмиссионных и моторных масел, а также фильтров для этих жидкостей.

   * Простота техобслуживания, большой межсервисный пробег.

   * Низкая пожаро и взрывоопасность при аварии.

   * Простота конструкции (простота электродвигателя и  трансмиссии, отсутствие необходимости  в переключении передач) и управления, высокая надёжность и долговечность  экипажной части (до 20—25 лет) в сравнении  с обычным автомобилем.

   * Возможность подзарядки  от бытовой электрической сети (розетки), но такой способ в 5—10 раз дольше, чем от специального  высоковольтного зарядного устройства.

   * Электромобиль — единственный вариант применения на легковом автотранспорте дешевой (по сравнению с бензином) энергии, вырабатываемой АЭС, ГЭС и электростанциями других типов.

   * Массовое применение  электромобилей смогло бы помочь  в решении проблемы «энергетического  пика» за счёт подзарядки аккумуляторов  в ночное время.

   * ТЭД имеют КПД до 90-95 % по сравнению с 22-42 % у ДВС [3].

   * Меньший шум за счёт меньшего количества движимых частей и механических передач.

   * Высокая плавность  хода с широким интервалом  изменения частоты вращения вала двигателя.

   * Возможность подзарядки  аккумуляторов во время рекуперативного торможения и при движении вниз по склонам (при переключении двигателя в режим генератора).

   * Возможность подзарядки  аккумуляторов от энергии солнца (как во время движения, так  и во время простоя автомобиля).

   * Возможность торможения  самим электродвигателем (режим электромагнитного тормоза) без использования механических тормозов — отсутствие трения и соответственно износа тормозов.

   * Простая возможность  реализации полного привода и  торможения путем применения  схемы «мотор-колесо», что позволяет, помимо прочего, легко реализовать  систему одновременного поворота  всех четырех колес, вплоть до  перпендикулярного положения.

   * Также как и  в автомобилях с ДВС, часть  энергии (около 10 %) теряется в коробке передач и других элементах трансмиссии. Для решения этой проблемы в элекромобилях, компания Mitsubishi Motor разработала колесо с встроенным электродвигателем (мотор-колесо). Система получила название Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle (MIEV). Аналогичное мотор-колесо разработала Toyota. Прототип автомобиля Toyota Fine-T может поворачивать колёса перпендикулярно оси автомобиля, что позволяет значительно упростить парковку. Возможно также решением данной проблемы будет отказ от коробки передач в пользу обычной цилиндрической передачи, как на локомотивах (КПД около 95 %) или простого карданного вала, как на троллейбусах.

 

Сравнение с ДВС — недостатки

   * Аккумуляторы за полтора века эволюции так и не достигли характеристик, позволяющих электромобилю на равных конкурировать с автомобилем по запасу хода и стоимости, несмотря на значительное усовершенствование конструкции. Имеющиеся высокоэнергоемкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения драгоценных или дорогостоящих металлов (серебро, литий), либо работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрий-серного аккумулятора — более 300 °С). Кроме того, такие аккумуляторы отличаются высоким саморазрядом. Одним из перспективных направлений стала разработка никель-металл-гидроидных аккумуляторов с оптимальным соотношением энергоёмкости и себестоимости, однако из-за патентных ограничений на NiMH-аккумуляторы [4] на электромобилях вынуждены применять свинцово-кислотные АКБ. Впрочем, энергоёмкость таких АКБ увеличилась за XX век в 4 раза (до 40—45 Вт·ч/кг) и они не требуют обслуживания в течение всего срока службы. Значительно повысить отдачу от аккумуляторов позволило применение электронных систем оперативного контроля за состоянием и зарядкой-разрядкой АКБ. Возможно выходом из этой ситуации будет применение топливных элементов, в частности дешевеющих PEM-элементов.