«Статья по материалам дипломной работы Электроснабжение электромобиля Автор: Брызгалова Д.А. Лист СОДЕРЖАНИЕ Введение 1 Анализ состояния вопроса 1.1 Историческая справка о возникновения электромобиля 1.2 История развития ...»

г. Тольятти, 2010г.

Статья по материалам

дипломной работы

«Электроснабжение электромобиля»

Автор: Брызгалова Д.А.

Лист

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Анализ состояния вопроса

1.1 Историческая справка о возникновения электромобиля

1.2 История развития электромобиля в России.

2 Разработка структурной схемы электромобиля 2.1 Устройство электромобиля 2.2 Схема электромобиля 2.2.1. Электроснабжение электромобиля 2.2.2. Силовое оборудование 3 Расчет и подбор электродвигателя 4 Разработка контроллера управления электродвигателем 5 Подбор и расчет тяговой аккумуляторной батареи 6 Питание бортового и вспомогательного оборудования 7 Решение вопроса отопления электромобиля 7.1 Способы отопления салона электромобиля 7.2 Способ отопления салона электромобиля 7.3 Подбор обогревателя салона 8 Экономическое обоснование дипломного проекта 8.1 Исходные данные 8.2 Расчёт зарплаты исполнителей 8.3 Расчет затрат на основные материалы 8.4 Расчет затрат на электроэнергию 8.5 Расчет амортизационных отчислений 8.6 Расчет накладных расходов 8.7 Анализ порога прибыли инновационного проекта 8.8 Расчет показателей экономической эффективности инновационного проекта 9 Безопасность и экологичность участка изготовления печатной платы Лист 9.1 Описание рабочего места, оборудования, выполняемых операций 9.2 Идентификация опасных и вредных производственных факторов разрабатываемого производственного объекта 9.3 Воздействие производственного фактора на организм человека 9.4 Организационные, технические мероприятия по созданию безопасных условий труда 9.5 Обеспечение электробезопасности на рабочем месте 9.6 Обеспечение пожарной безопасности 9.7 Расчет местной вытяжной вентиляции 9.8 Антропогенное воздействие на гидросферу Заключение Список используемой литературы Лист

АННОТАЦИЯ

Целью данного дипломного проекта является разработка проекта электромобиля пригодного для реализации без значительных затрат на организацию производства, создание инфрас труктуры, строительство производственных мощностей.

В дипломном проекте изучен вопрос развития электромобиля от времени его изобретения до наших дней.

Проведен анализ структуры электромобиля, анализ существующих систем управления электродвигателем электромобиля, разработаны функциональная и принципиальная электрические схемы системы управления электродвигателем, алгоритм ее работы, произведен выбор элементов электрической принципиальной схемы. Изучен вопрос выбора тяговых аккумуляторов. Предложен способ отопления салона в холодное время года.

Также произведет расчет затрат на разработку и создание инновационного проекта, рассмотрены вопросы экологичности и безопасности.

Лист

ВВЕДЕНИЕ

С каждым годом становится всё очевиднее, что необходимость охраны окружающей среды оказывает всё большее влияние на развитие автомобильной промышленности. Мировой парк автомобилей ежегодно увеличивается на 5 – 8 %. В этих условиях всё более актуальной с тановится задача по устранению вреда современных автомобилей – загрязнения атмосферы отработавшими газами.

Растущий уровень загрязнения воздуха больших городов очень ос тро пос тавил вопрос о разработке комплекса мер по уменьшению содержания токсичных веществ в атмосфере.

По документам опубликованным в США, загрязнение воздуха в крупных городах определяется следующими факторами ( общий уровень загрязнения принят за 100%):

- автомобили 60 % - промышленность 19 % - электростанции 12 % - бытовые установки 6 % - сжигание мусора 3 %.

Из этого следует, что основная часть выбросов токсичных веществ в атмосферу приходится на автомобильный транспорт. Это обуславливает предъявление к автомобильной промышленности требований по снижению уровня выделения токсичных веществ при работе автомобиля. Решение этой проблемы идёт по двум направлениям:

Первое: предусматривает применение нейтрализаторов и фильтров в системах выброса газа, причём силовые ус тановки автомобиля почти не изменяются. Однако до сего времени не удалось создать прос тые, дешёвые, долговечные и эффективно действующие системы, обеспечивающие очистку отработавших газов по всем вредным компонентам. И существует мнение что создать безвредный двигатель, который бы соответс твовал указанным выше требованиям, едва ли удастся. Поэтому всё чаще в различных странах обсуждается вопрос о возможности запрещения или частичного ограничения использования автомобилей с двигателем внутреннего сгорания в городах и отдельных районах. Дополнительный вред современные автомобили создают своим шумом. С каждым годом, по мере роста парка автомобилей, проблема снижении шума, создаваемого ими, приобретает всё более острый характер.

Второе направление заключается в разработке практически нетоксичных транспортных средств. К таким средствам относятся электромобили, у которых нет ДВС, и которые к тому же позволяют снизить вредное влияние транспортного шума до минимума.

Анализ работ по созданию электромобилей начиная с его зарождения до сегодняшних дней показывает, что можно выделить шес ть периодов развития электромобилей:

- первый - зарождение (1837-1895 гг.), - второй - интенсивное развитие и конкуренция (1896-1930 гг.), - третий - локальное использование (1931 - 1960 гг.), - четвертый - широкое проведение опытно-конструкторских работ и выпуск большого количества опытных образцов и малых серий электромобилей (1961гг.), - пятый - спад работ, неудачи вызванные несовершенством источников энергии (1982-2000 гг.), - шестой - активизация деятельности в области электромобилестроения в связи с осложнением экологической обстановки. Появились новые типы источников тока. Осознание неизбежнос ти кризиса с добычей углеводородов после 2030 года.

1 Анализ состояния вопроса.

1.1 Историческая справка о возникновения электромобиля.

На рубеже веков (19-20) интерес к электромобилям был нас только велик, что порой их производство и сбыт превышали такие же показатели в облас ти автомобилестроения. Электромобили привлекали к себе внимание аккуратнос тью, бесшумностью, простотой управления и отсутс твием выхлопных газов.

Небольшой запас хода, необходимость час тных подзарядок аккумуляторов или полной замены тяжелых батарей тогда мало смущали покупателей. В основном это были представители аристократии, и электромобиль в их глазах был чистенькой и удобной игрушкой - в отличие от пропахших бензином и маслом, чадящих и шумных бензиновых экипажей. К концу 19 века количество электромобилей превышало количество чадящих собратьев в разы. В то время скорость и дальность пробега авто были не так существенны как удобство и простота обслуживания и ухода, тишина и комфортнос ть поездки, быс трота запуска двигателя.

Во многих с транах Европы и Америки число фирм, производивших электромобили, исчислялось десятками. Электромобилями занимались как отдельные известные изобретатели - такие, как, например, русский инженер Ипполит Романов, - так и крупные фирмы: французская “Жанго”, английская “Берсей”, австрийская “Лорнер” и другие. Наиболее популярны электромобили были в Америке.

Первые электромобили были собраны в 1830-40-хх годах. Принято считать первопроходцами в этом деле англичан Роберта Андерсона, Роберта Дэвидсона и американца Томаса Девенпорта.

Известно, что англичанин Дэвидсон в 1938 году собрал первый электромобиль всего через шесть лет после открытия Фарадеем электромагнитной индукции.

Первые экземпляры представляли собой неуклюжие сооружения со скоростью менее скорости пешехода. Скорости росли довольно быстрыми темпами. В году был установлен рекорд скорости 63,15 км/час. А в 1899 году был преодолен и 100 километровый рубеж. Рекорд установлен бельгийцем Камилем Женатци во французском городе Ашер (около Парижа) на электромобиле "La Jamais Contente". Машина имела обтекаемый корпус из сплава алюминия и вольфрама.

Корпус был похож на торпеду (ракету), установленную на шасси. Вес был около тонны и скорость достигла 105,88 км/час.

Изобретатель Уолтер Бейкер (1868-1955) считался основателем электромобильного бизнеса в Америке и вообще пионером американской моторизации. Первое детище Бейкера по своему внешнему виду почти ничем не отличалось от автомобилей Генри Форда, Олдеа или Паккарда тех лет. Это была легкая и высокая 2-местная тележка на 4-х велосипедных колесах с загнутым вверх передком и рулевым рычагом. Из-за наличия аккумуляторов электромобиль получился слишком тяжелым, и Бейкер оснастил его мягкой подвеской на эллиптических рессорах. Новинками тех лет были электрические фары и электрический гудок. Аккумуляторная батарея позволяла ездить 6-8 часов без подзарядки.

В 1901 году этот электромобиль был модернизирован. Он стал выглядеть солиднее - получил тент, руль и был оснащен двойным сиденьем со спинкой и подлокотниками. Аккумуляторы размещались под сиденьем, и электромотор в 0,75 лошадиных сил приводил в движение заднюю ось при помощи цепной передачи. Машина развивала скорость 30 км/час и на одной зарядке могла проехать 80 км.

В 20-м столетии электромобили уступили место автомобилям. Главной причиной были аккумуляторы, их несовершенность. Из-за них запас хода был не велик, а производство автомобилей расширялось, они становились все распространение.

электротранспорт находит применение как внутригородской транспорт. По городам движутся электроскутеры, электровелосипеды, электромобили.

-экологическая чистота электродвигателя, -бесшумность, -более высокий уровень надежности и долговечности при простоте конструкции, -возможность использования экологичных и возобновляемых ис точников энергии -регенеративное использование энергии при торможении.

-низкая удельная энергоемкость аккумуляторов и большой вес батареи, -необходимость развития энергетики на неуглеводородных видах топлива, - повышенный расход электроэнергии при разгонах, отрицательное воздействие - не решена проблема отопления салона зимой и кондиционирование летом, -создание инфрас труктуры зарядки электромобилей Несмотря на существенные недостатки, есть хорошие прогнозы на массовое Многие государства поддерживают производство электромобиля, существуют государственные программы по поддержке электротранспорта. Растет экологическое самосознание населения. Любители-энтузиасты уже сейчас имеют возможность приобрести необходимое оборудование для постройки электромобилей или конвертировать серийные автомобили в электромобили.

Приверженцы электромобиля с уверенностью смотрят в будущее.

1.2История развития электромобиля в России.

Использование электрической энергии для самоходных экипажей в России началось на рубеже XIX и XX вв. Живший во Франции русский изобретательэлектротехник Павел Николаевич Яблочков (1847-1894) занимался разработкой электродвигателя для экипажа и на одну из выдвинутых им идей электромобиля даже получил авторский документ - привилегию. Многие инженеры, конструировавшие в те годы электромобили, в своих исканиях шли на ощупь, путем экспериментов. Известный теоретик в области электротехники Владимир Николаевич Чиколев (1845-1898) разработал в 1879 г. теорию регулирования скорости движения электрических экипажей с помощью контроллеров и создал конструкцию для пуска электродвигателей. Но наибольших успехов добился Ипполит Владимирович Романов.

Петербургским изобретателем были спроектированы четыре модели электромобилей: двухместная, четырехместная коляски, а также 17-местный и 24Лист местный омнибусы. Двухместный кэб и 17-местный омнибус построены по его проекту в 1899 г.

Малая модель следовала по конструкции наметившейся тогда оригинальной компоновочной схеме: передние колеса большого диаметра - ведущие, передача цепями от двух не связанных один с другим электродвигателей, под полом экипажа - силовая установка. Для управления машиной служили поворотные задние колеса меньшим диаметром, чем передние. Для замедления и остановки экипажа служили электрический рекуперационный и механический тормоза.

Регулирование скорости движения в диапазоне от 1,5 до 35 км/ч осуществлялось девятиступенчатым контроллером.

Аккумуляторы конструкции Романова имели более тонкие пластины, чем большинс тво тогдашних батарей, и располагались не вертикально, а горизонтально. Масса решеток, составлявших основу этих плас тин, равнялась 30% от общей массы, в то время как у аккумуляторов других конструкций этот показатель достигал 66%.

Электродвигатель собственной конструкции, легкий и быстроходный, развивал мощность 4,4 кВт, эквивалентную 6 л.с., при 1800 об/мин. И наконец, легкая рама из труб, рациональная конструкция ходовой части и кузова позволили довести массу двухместного электромобиля до 720 кг, причем из них 350 кг приходилось на аккумуляторы. Здесь следует отметить, что у одного наиболее совершенного электромобиля тех лет французского "Жанто" масса составляла 1440 кг, в том числе 410 кг приходилось на аккумуляторы.

Первая мировая война и Революционные события в России в начале 20 века надолго приос тановили развитие электротранспорта в России. В таком состоянии положение дел с электротранспортом досталось Советской России.

Однако, как только положение в стране с табилизировалось, экономика встала на ноги, вспомнили о почти забытом транспорте. В эти годы и в нашей стране начали проводиться работы по созданию экспериментальных образцов электромобилей. В 1935 году на базе автомобиля ГАЗ-А был построен первый советский электромобиль. В тот же период в лаборатории электрической тяги Московского энергетического института (МЭИ) под руководством профессора В.Резенфорда и инженера Ю.Галкина был создан двухтонный электромобиль на базе автомобиля ЗИС-5. Это аккумуляторный мусоровоз на переделанном шасси ЗИС-5.

Позади кабины на грузовой платформе размещались в деревянных ящиках 40 аккумуляторов суммарной емкостью 168 А-ч и общей массой 1400 кг. Батарея питала энергией размещенный под кабиной водителя электродвигатель с последовательным возбуждением. Он развивал мощность 13 кВт при 930 об/мин.

Для регулирования скорости движения служил управляемый педалью контроллер, который обеспечивал семь режимов. В снаряженном состоянии электромобиль ЛЭТ, построенный в 1935 г., имел массу около 4200 кг. Мог перевозить два контейнера с мусором массой 1800 кг. Наибольшая скорость машины - 24 км/ч.

Тогда же был создан первый советский электробус на базе троллейбуса СВАРЗЛК (Лазарь Каганович) вместимостью до 80человек.

Также интерес представляет четырехмес тный легковой электромобиль, построенный в 1935 г. в Киеве группой специалистов автоотдела республиканского Главдортранса. Машина имела алюминиевые трубчатую раму и кузов. Все колеса были подвешены независимо на пневмо баллонах (новинка для середины 30-х гг.). Источником энергии служили семь аккумуляторных батарей общей емкостью 112 А-ч, которые питали два электромотора мощностью 3 кВт каждый. Эти двигатели приводили каждый по одному колесу и позволяли отказаться от дифференциала.

Основу машины "НИИГТ-Аремз" составляло шасси троллейбуса ЯТБ-2.

При грузоподъемности 6000 кг она имела снаряженную массу 6700 кг и развивала скорость 55 км/ч. Основные размеры: длина-8700 мм, ширина - 2500 мм, колесная база - 5200 мм. Несколько таких троллейкаров эксплуатировались в период 1940гг. на столичных улицах.

В 1941 году на улицах Москвы появились первые грузовые троллейбусытроллейвозы. Разбитые от бомбёжек и переделанные пассажирские троллейбусы.

Троллейвоз, в отличие от пассажирского троллейбуса, должен иметь некоторую степень автономности - способность отъехать от контактной сети как минимум на несколько километров. Именно таким стал появившийся в 1960 году первый отечественный троллейвоз промышленного изготовления СВАРЗ ТГ1.

Источником энергии для автономного хода служила мощная аккумуляторная батарея, которая автоматически заряжалась при работе под контактной сетью.

Очень оригинальной, полной технологических новшеств была одна из первых послевоенных моделей автобусов — ЗИС-154, выпускавшийся с 1947 по 1950 год. Корпус без привычного пассажирам капота, необычной для тех времен формы, большой салон (34 сидения). Его кузов выполнялся не из дерева, и даже не из жести, а из алюминия — что было для тех времен настоящей сенсацией.

Кроме того, он оснащался дизель-электрической силовой установкой (110 л.с.), которая обеспечивала высокую плавность хода.

В 1957 г. в НАМИ были разработаны новые образцы электромобилей той же грузоподъемности. В этот же период был создан первый советский электробус на базе троллейбуса СВАРЗ вместимостью 70—80 чел.

Однако, как это ни парадоксально, в последующие годы транспортные средства с тяговым электрическим приводом в очередной раз не выдержали конкуренции с машинами, использующими ДВС.

Конструктивно схема электрического привода совершеннее и в целом проще, чем схема традиционного механического привода с ДВС, вместе с тем наиболее трудные проблемы, требующие незамедлительного решения в настоящее время, сосредоточены в области разработки источников электрической энергии для электромобилей.

В 70-е годы силами различных организаций проводилось много экспериментов в области электромобилей. В центре внимания были батареи и системы управления, которые способствовали более экономному расходованию энергии. К экспериментам подключился довольно широкий круг организаций. В их числе НИИ автомобильного транспорта (НИИАТ), Всесоюзный НИИ электромеханики (ВНИИЭМ), Всесоюзный НИИ электротранспорта (ВНИИЭТ), а также автомобильные заводы ВАЗ, ЕрАЗ, РАФ и УАЗ. Дорожные испытания партии электромобилей НИИАТ - А.925.01 с системой питания на постоянном токе проходили в 1975 году в Подольске. Годом раньше пять электромобилей Уна базе УАЗ-451 ДМ поступили в опытную эксплуатацию на автокомбинат № 34 в Москве. Эти машины — результат совместных усилий НИИ Главмосавтотранса и ВНИИЭМ Минэлектротехпрома. Они работали на переменном токе с асинхронными двигателями.

В период с 1980-1985 годы было выпущено 100 штук электромобилей УАЗ-3801. Полезная грузоподъемность до 650 кг. Масса аккумуляторов 680кг.

Полная масса 2750кг. Одной зарядки хватало на 48-50 км пробега, а бортовое зарядное устройство всего за час заряжало АКБ почти на 70%. После установки системы рекуперации (при торможении заряжалась батарея) пробег возрос до 70км. Для зимы установили бензиновый отопитель от «Запорожца».

В 1976 году на Елгавском автозаводе изготовлена партия микроэлектробусов РАФ-2203. Эти электромобили снабжены двигателями мощностью 23 кВт, вмещают девять человек (включая водителя) и развивают до 60 км/ч.

Аккумуляторные батареи (их общая масса 630 кг) обеспечивают запас хода около 70 километров. Позднее во время олимпиады 1980 года в Москве некоторые судейские автомобили были переделаны в электромобили оснащенные солнечной панелью. Также проводились работы с моделью РАФ-2210 в качестве электромобиля. В 1982 году 3 таких машины поставлены в Москву в качестве такси.

Первым легковым электромобилем в СССР был украинский. В 1973 г. в Запорожском ЗМИ под руководством ассистента кафедры электрических машин В. Б. Павлова, на базе ЗАЗ-968 был создан опытный ЭМ. Эта машина уже тогда имела новинку: импульсный полупроводниковый преобразователь. В 1974 г. этот ЭМ на ВД НХ СССР получил бронзовую медаль, а электроника его управления– серебряную!

Что касается ВАЗа, то его опыты охватывали как конвертируемый в электромобиль серийный ВАЗ-2102 грузоподъемнос тью 0,2 тонны, так и совершенно новую машину ВАЗ-1801. Испытывались грузовые ВАЗ-2301 и ВАЗЛист В 1979-80 годах АвтоВаз работал над электромобилем ВАЗ-2802 в грузовом варианте. С целью облегчения веса кабину сделали одноместной, раму и навесные детали из алюминия. Сварку вели методом точечной сварки. Дизайн Александра Дегтярёва. Вес машины 1140 кг, полезный груз 500 кг. Было изготовлено два экземпляра для опробования компоновочных решений.

Следующую модель ВАЗ-2702 (с 1982 года) делали также из алюминия АЛ1915 Самарского металлургического завода. Но рама электромобиля теперь была сделали хребтовой конс трукции. Раму изготовили в ТолПИ.

Автором дизайта стал Геннадия Грабора. 120-вольтовые АКБ размесили в двух отсеках в средней час ти машины, в контейнерах. Был предусмотрен и автономный отопитель – тот же пятилитровый бытовой баллон, что и на ВАЗ 2802-01. Этот электромобиль был первым отечественным, прошедшим краш-тес т.

Электромобиль был практически доведен до стадии промышленного образца, но тут начались сложные "перес троечные" годы.

На многие годы работы с электромобилем прекратились. В средине 90-х годов небольшими партиями выпускалась конвертированная "ОКА" ВАЗ-1111Э.

Но комплектование устаревшим электродвигателем ПТ-125 и устаревшими батареями НЦ привело к прекращению производства.

У ВАЗ-1111Э (2+2 чел., багажник вместимостью 90 дм3) запас хода при скорости 40 км/ч — 130 км, в городском режиме — 100 км; максимальная скорость — 90 км/ч; время разгона до скорости 30 км/ч — 4 с, а до 60 км/ч — с; максимальный преодолеваемый подъем — 30.

Существовала версия ВАЗ-2109Э. Характеристики были не плохие.

ВАЗ-2131Э — электрофицированный вариант пятидверного автомобиля ВАЗ-2131. Предназначен он для частичной замены городских малотоннажных автомобилей-фургонов, выполняющих регулярные мелкооптовые перевозки по постоянным маршрутам небольшой протяженности. Его грузоподъемность — чел. + 400 кг груза; максимальная скорость — 80 км/ч; время разгона до скорости 30км/ч—6с,до60км/ч—20с.

Другие заводы также строили опытные электромобили. Так, ЕрАЗ-3731 ( г.) грузоподъемностью 0,9 тонны весил в снаряженном состоянии 1925 килограмм электромобили, в том числе один — с гибридной силовой установкой (электромотор и бензиновый двигатель). Все исследования этих НИИ и других организаций не решили кардинальной проблемы — создания более легкого и В середине 1990-х годов АЗЛК на базе автомобиля АЗЛК-2141 разработал электромобиль "Москвич-2141Е1" с такими техническими данными: емкость аккумуляторов — 125 А • ч, напряжение источника тока — 108 В, номинальная мощность тягового электродвигателя — 19 кВт, пиковая — 30 кВт, время разгона до скорости 60 км/ч — 14,4 с, максимальная скорость — 110 км/ч, запас хода при скорости 50 км/ч и одним пассажиром — 100 км, при той же скорости, но с полной нагрузкой — 80 км. Экономические затраты на 100 км пробега, по утверждению разработчиков, оказались в 10 раз меньше, чем у аналога с ДВС.

На Международном автотранспортном форуме, Москва, 9 – 12 сентября 2008 г. "Группа ГАЗ" представила городской автобус ЛИАЗ 5292 с гибридным приводом. Автобус ЛИАЗ 5292 – результат совместной работы концерна «РУСЭЛПРОМ» и Ликинского автобусного завода. Разработка комплекта тягового электрооборудования к автобусу велась ООО «РУСЭЛПРОМЭлектропривод».Это первый российский автобус с гибридным приводом, аналогов которого нет ни у одного отечественного производителя. Автобус ЛИАЗ 5292 предназначен для работы в городах-мегаполисах. Автобус комплектуется дизельным двигателем Cummins экологического стандарта Евро-4 максимальной мощностью 136 кВт, асинхронным мотор-генератором такой же мощности.

Буферный накопитель на основе суперконденсатора емкостью 21 Ф обеспечивает пиковые потребления мощности тягового привода, и позволяет рекуперировать кинетическую энергию при торможении автобуса. Вмес тимость автобуса человек.

Электромобиль перспективный вид транспорта и на данный момент является почти единс твенным решением проблемы загрязнения атмосферы.

Поэтому в настоящее время многие автопроизводители тратят много сил на решение конс труктивных проблем электромобиля.

Поэтому ведутся работы над созданием аккумуляторных батарей с малым временем зарядки (около 15 минут), в том числе и с применением наноматериалов.

Рассматривается также возможность использования в качес тве ис точников тока не аккумуляторов, а ионистров (суперконденсаторов), имеющих очень малое время зарядки, высокую энергоэффективность (более 95 %) и намного больший ресурс циклов зарядка-разрядка (до нескольких сотен тысяч). Опытные образцы ионис торов на графене имеют удельную энергоемкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (3040 Вт·ч/кг).

Разрабатываются электрические автобусы на воздушно-цинковых аккумуляторов Toyota работает над созданием нового поколения гибридных автомобилей Prius (полный гибрид, plug-in гибрид, PHEV). В новой версии водитель по желанию может включать режим электромобиля, и проехать на аккумуляторах примерно 15 км. Подобные же модели разрабатывает Ford — модель Mercury Mariner — пробег в режиме электромобиля 40 км, и Citroen — модель C-Metisse — пробег в режиме электромобиля 30 км и другие.Toyota изучает возможность установки устройств для зарядки аккумуляторов гибридов на бензозаправочных станциях.

Почта Японии, начиная с 2010 года, планирует приобрес ти электромобилей для доставки почтовых отправлений на короткое расстояние.

По прогнозам PriceWaterhouseCoopers к 2015 году мировое производство электромобилей вырас тет до 500 тысяч штук в год.Примерные прогнозы развития электромобилестроения занесены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1- Планы автопроизводителей Socit de Vhicules lectriques Smith Electric Vehicles Великобритания 2 Разработка структурной схемы электромобиля 2.1 Устройство электромобиля.

В настоящее время ещё нет окончательного определения понятия электромобиль. Иногда электромобили выделяются по роду привода, понимая при этом «безрельсовые транспортные средства с автономным электроприводом».

Но к этому типу могут быть отнесены в том числе и карьерные грузовики. В других случаях к электромобилям относят по типу потребляемого топлива. Тогда сюда могут быть отнесены и транспортные средства с двигателем внутреннего сгорания на борту или топливные элементы работающие на нефтепродуктах.

Более полным можно считать определение данное О. А.Ставровым (Ставров О.А.

Электромобили. М. Транспорт, 1968, 102 с.) : «Под термином электромобиль имеется ввиду автомобиль, у которого для привода ведущих колес используется электрическая энергия, получаемая от химического источника тока». Уточняя современное понимание термина электромобиль необходимо отразить следующее:

- автономность электроус тановки и самого электромобиля - использование в качестве первоисточника энергии химического источника Таким образом определим электромобиль: Электромобиль – это безрельсовое транспортное средство с автономным химическим источником тока (напряжения) используемым а качестве источника энергии для движения.

Особенности конс трукции электромобиля обусловлены следующими проблемами:

- обеспечение баланса массы электромобиля при относительно большой массе источников энергии в виде тяговой аккумуляторной батареи;

- пространс твенным размещением тяговой аккумуляторной батареи значительного объёма, обеспечивающим приемлемые показатели конс трукции электромобиля, при достаточном удобстве в эксплуатации;

- отопление салона. Эта проблема последнее время не привлекает внимание широкого круга специалис тов. Однако для зимних условий нашей страны при общем дефиците энергии на электромобиле она оказывается весьма существенной. Для обеспечения приемлемых условий в кабине водителя и для достаточно быс трого размораживания ветрового с текла необходима мощнос ть порядка 3-6 кВт, которая соизмерима с мощностью, потребной для движения электромобиля. Но это является проблемой на первых порах. Разрабатываются системы накопления энергии с высокими удельными показателями накопляемой энергии, что устранит вопрос отопления кабины как энергетическую проблему.

Другие особенности конс трукции электромобиля определяются специфическими возможностями электрических тяговых систем, которые состоят в следующем:

- высокие регулировочные качес тва электродвигателей в принципе позволяют получить требуемые пределы изменения скорости движения без переключения передач;

- малые габариты и массы узлов электропривода значительно расширяют возможности компоновки привода ведущих колёс;

- улучшенные тормозные свойства электрических тяговых систем позволяют упростить механические тормозные системы.

Кроме того внутригородское использование современных электромобилей с ограниченной максимальной скоростью при сравнительно хорошем качестве дорог позволяет снизить требования по ряду конструктивных характеристик узлов и агрегатов, что создаёт предпосылки для определённого упрощения их по сравнению с обычными автомобильными.

Главные показатели по которым электромобиль выигрывает перед простым автомобилем:

чем у автомобиля с ДВС. Например, небольшой автомобиль с ДВС объемом 1, литра и ручной коробкой переключения передач на легком топливе с тоимостью доллар проезжает около 50 км. Электромобиль при тарифе на электроэнергию 12 центов за 1 кВт • час (для США) проезжает за 1 доллар 120 км. Этот оптимистический расчет приведен в Американских СМИ;

- двигатель внутреннего сгорания работает при высоких температурах, вибрациях, в химически активной среде, нуждается в жидкостном охлаждении, имеет много подвижных частей. Как следствие, силовой агрегат электромобиля служит намного дольше, чем двигатель внутреннего сгорания, сам электромобиль также значительно долговечнее, чем автомобиль с ДВС. Аккумуляторная батарея — вот единственный проблемный элемент электромобиля, так как нуждается в интенсивном обслуживании и замене каждые 4—5 лет.

Узлы и агрегаты современного электромобиля.

Для большинства современных электромобилей кузов, шасси и многие другие механические узлы и агрегаты позаимс твованы от серийных автомобилей с ДВС. Лишь немногие модели с самого начала проектировались как электромобили, например, GM EV1 или Honda EV-plus. Но те и другие имеют примерно одинаковый состав основных функциональных и вспомогательных компонентов, показанных на рисунке 2.1.

электромобилем На рисунке обозначено:

1) Зарядное устройство. Преобразует переменное напряжение внешней сети в постоянное для заряда аккумуляторных батарей, тяговой и вспомогательной.

Оно содержит цепи подключения к сети переменного тока, выпрямитель, регулятор зарядного тока (напряжения), систему управления зарядом (обычно микропроцессорную) для контроля за уровнем заряда, параметрами батареи, отключения при возникновении аварийной ситуации.

Зарядное ус тройство может размещаться на борту электромобиля. В этом случае бортовой компьютер управляет процессом заряда, а сеть переменного тока подключается к электромобилю.

2) Устройство защиты (блок реле и предохранителей). Состоит из выключателей, реле, предохранителей, которые включены между аккумуляторной батареей и ос тальной электрической схемой — потребителями. При возникновении неисправности цепь переменного тока и аккумуляторы отключаются. В электромобилях металлические час ти корпуса не используются в качестве проводника (массы), вся электропроводка изолирована от корпуса, колесные покрышки (шины) изолируют корпус от дороги. Нарушение изоляции между электрической цепью и корпусом в одной точке не приводит к появлению значительных токов, способных разрядить аккумуляторы. Пробой во второй точке может с тать причиной замыкания аккумуляторной батареи и опасен для пользователя.

3) Тяговая аккумуляторная батарея. Обеспечивает энергией двигатель электромобиля. Имеется большое количество типов аккумуляторов, ни один из них полностью не отвечает всем требованиям и нет четкого критерия выбора оптимального аккумулятора. Недостаточная емкость, большое время заряда, малая удельная энергия аккумуляторов ограничивают уже много лет усилия конструкторов электромобилей. Типы аккумуляторов для тяговых аккумуляторных батарей:

Сегодня на электромобилях чаще всего устанавливаются:

- свинцово-кислотные аккумуляторы (СК);

- никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd);

- железоникелевые аккумуляторы (Ni-Fe);

- никель-металлгидридные аккумуляторы (Ni-MH);

- натриево-серные аккумуляторы (Na-S);

- никель-хлоридные аккумуляторы (Ni-Cl).

Перспективные ис точники энергии для электромобилей:

- литий-ионные сульфидные аккумуляторы;

- литий-полимерные аккумуляторы;

- жидкостные топливные элементы;

- инерционные маховики;

- конденсаторы сверхбольшой емкости.

функциональных компонентов и бортовых систем электромобиля. При необходимос ти инициирует средства защиты.

5) Дополнительный ис точник электроэнергии (обычно вспомогательная аккумуляторная батарея на 12 В). Обеспечивает работу осветительных приборов, панели приборов, стеклоподъемников, стеклоочистителей и т. д.

6) Система климат-контроля салона. Состоит из кондиционера и электроотопителя.

7) Электронный контроллер электродвигателя. Формирует требуемый вид напряжения питания. Управляет числом оборотов и тяговым моментом на валу по командам водителя или автоматически.

8) Электродвигатель. Приводит в движение колеса электромобиля непосредственно или через трансмиссию. Первоначально электромобили оснащались обычными электродвигателями постоянного или переменного тока.

Сегодня на электромобилях используются в основном специальные электродвигатели переменного тока. К таким электродвигателям предъявляются требования высокой эффективности при постоянстве тяговых характеристик, необходимости в периодическом техобслуживании, способности выдерживать перегрузки и загрязнение 9) Механическая трансмиссия. Состоит из коробки передач, дифференциала и других механических устройс тв для обеспечения движения электромобиля.

10) Водительские органы управления электромобилем. Это педали, рулевое управление, рычаг управления с тояночным тормозом, органы управления системами и приборами электромобиля.

11) Движители (колеса) электромобиля. При применении тягового электродвигателя, колеса имеют конструкцию характерную для автомобилей. Но могут применяться и мотор-колеса, когда электродвигатель встроен в колесо.

2.2 Схема электромобиля 2.2.1 Электроснабжение электромобиля.

При описании электроснабжения электромобиля обращаемся рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 - схема электрическая функциональная электромобиля Основой энергетики электромобиля является тяговая батарея Е2, состоящая из шести аккумуляторов емкостью 130 а/час. Для увеличения дальности пробега возможно подключение дополнительных цепочек аккумуляторных батарей.

Шес ть батарей емкостью 130 а/час обеспечивают накопление 9.3 кВт/час энергии на борту электромобиля. Такой выбор аккумуляторов обеспечивает наиболее оптимальное сочетание веса энергетической установки, дальности пробега и скорости движения электромобиля при использовании электродвигателя мощностью 7.2 кВт (PMG-132).

суперконденсаторами или электрохимическими источниками тока, которые подключаются параллельно основной тяговой батарее и облегчают их работу в режимах импульсного повышенного потребления энергии из батареи. Такие случаи возможны при интенсивном разгоне электромобиля, когда требуется отдача батареями тока значительной величины превышающей допус тимое значение для конкретного типа аккумуляторных батарей, также приём значительных токов в режиме рекуперации (торможение путём переключения тягового электромобиля в режим генератора).

В нас тоящий момент такие изделия выпускаются ЗАО "ЭСМА" (г. Троицк Московской обл.), ЗАО "ЭЛИТ" (г. Курск), ООО "Технокор" (г. Москва), НПО "ЭКОНД " (г. Москва), АО "Плескава" (г. Псков - по лицензии НПО "ЭКОНД").

Заряд основной батареи осуществляется от зарядного ус тройс тва Е располагаемого либо на борту электромобиля или вне его. Его задача обеспечить необходимый ток в кратчайший период времени с соблюдением алгоритма заряда аккумуляторной батареи, рекомендованной заводом-изготовителем. Современные батареи используемые в качес тве тяговых требовательны к качес тву зарядного устройства. Требуемые пульсации выходного тока не должны превышать 4%. Ток заряда может дос тигать величины 1С, что означает значение зарядного тока равное цифре указанной емкости аккумулятора. Встроенный в зарядное устройство микропроцессор обеспечивает необходимый алгоритм заряда батареи, а при необходимости его десульфатацию.

Устройство защиты FU1 предс тавляет собой предохранитель на 500 ампер в виде плавкой вставки либо автоматического выключателя с максимальнотоковой защитой. Вид защиты выбирается при привязке схемы электроснабжения к конкретному экземпляру электромобиля и тому донору (исходный автомобиль), который используется для конвертации в электромобиль.

Амперметр R1 представляет собой стандартный промышленный шунт типа 75ШСМ-200 и показывающий прибор со шкалой 75 милливольт. В качестве милливольтметра возможно применение цифрового вольтметра. Компания EKITS электротранспорте, это SAH003R и SAL0006 работающих также со стандартным шунтом 75ШСМ. Амперметры прямого измерения в данном случае применить сложно из-за необходимости монтажа силовых цепей проводом большого сечения.

Устройство обозначенное на схеме как А1 обозначает совокупность контактов силовых контакторов, ответственных за коммутацию силовых цепей.

Это контакт педали управления оборотами тягового электродвигателя. При опускании педали питание с электродвигателя снимается во избежании самопроизвольного движения электромобиля при неисправности проводки или электронных устройс тв регулирования тока электродвигателя. Также сюда (А1) входит контакт ключа зажигания подающий питание на устройства управления электромобилем и подготавливающий к работе цепь питания силового электродвигателя.

Регулятор оборотов электродвигателя А2 служит для управления оборотами электродвигателя (изменение величины крутящего момента), задания скорости электромобиля, а также осуществляет необходимые виды защит режимов электродвигателя по току. В качестве регулятора для коллекторного электродвигателя чаще всего используется контроллер CURTIS. Контроллер имеет линейку модификаций для различных электродвигателей. Российская компания MoviCom разработала контроллер типа MoviCar – 1625 имеющий несколько модификаций для электродвигателей вплоть до 12 киловатт с напряжением питания до 120 вольт.

недоступности схем электрических принципиальных и примененных технических решений составляющих Ноу-хау (Know How).

дроссельной заслонки от десятого семейства автомобилей ВАЗ (ДПДЗ). Резистор датчика имеет полное сопротивление 7.5 килоом со встроенным в цепь подвижного контакта потенциометра резистором величиной 1.5 килоома. Либо пропорциональное величине нажатия педали, что и определяет величину крутящего момента электродвигателя, а соответственно и скорость движения.

Блок контакторов К1 предназначен для задания направления вращения электромобиля «вперед» или «назад». Для изменения направления вращения ротора электродвигателя применяется коммутация одной из статорных обмоток электродвигателя. Более подробно способ коммутации рассматривается в описании схемы силового оборудования.

В качес тве блока контакторов применяются либо два контактора, либо один реверсивный.

переключателем SB1. С его помощью подается питание на одну из обмоток блока контакторов. А они в свою очередь меняют полярнос ть управляющего тока в обмотках электродвигателя.

Предохранитель FU2 защищает цепь питания блока контакторов К1. В качестве предохранителя могут быть применены или плавкая вставка величиной 10 ампер, или автоматический выключатель на тот же ток срабатывания.

Электродвигатель М1 - это движетель электромобиля. Его крутящий момент определяется, как уже ранее упоминалось, регулируется контроллером А2, а направление вращения его ротора и направление хода электромобиля задает блок контакторов К1.

В качестве электродвигателя для электромобиля применяются несколько типов электродвигателей. Это коллекторные двигатели постоянного тока (ДПТ), асинхронные двигатели переменного тока, синхронные двигатели переменного тока или современные типы двигателей переменного тока с вентильным управлением.

Наибольшее распространение получили Д ПТ с последовательным возбуждением. Наравне с ними применяются ДПТ с параллельным возбуждением, которые позволяют не сложными средствами реализовать режим рекуперации энергии при торможении, т.е. возврат энергии торможения в тяговую батарею.

Рекуперацию при использовании ДПТ последовательного возбуждения реализуют с помощью дополнительных генераторов подсоединенных к трансмиссии. Но чаще всего режимом рекуперации жертвуют. Это вполне оправдано в некоторых применениях электротранспорта, когда КПД (коэффициент полезного действия) его использования не существенен. Например к таким машинам относятся электрокары, спортивные машины, машины применяемые для развлечений на аттракционах, гольф-кары, представительский транспорт на официальных мероприятиях, дешёвые городские электромобили для повседневных поездок на работу и обратно и др.

Асинхронные электродвигатели применяются довольно часто. Впервые его применили при электрификации автомобиля УАЗ в 70-х годах. Сейчас этот тип электродвигателей широко применяется на серийных гибридных автомобилях и чистых электромобилях.

Но для таких двигателей контроллер управления несколько дороже, чем для ДПТ. Поэтому в единичных экземплярах электромобилей он применяется редко.

Синхронные электродвигатели возможно применить на электротранспорте, но реально применяется редко из за жесткости его пусковых (стартовых) электромеханических характеристик.

В последнее время много разрабатывается электродвигателей с вентильным управлением.

Они характеризуются мощным электронным ус тройс твом управления на основе микропроцессорных систем. Такие электродвигатели перспективны для применения в электродвигателях, но их применение сдерживает высокая стоимость. Эти двигатели характеризуются компактностью, высокой удельной мощностью на единицу веса.

В нас тоящем дипломном проекте для комплектования электромобиля выбран ДПТ последовательного возбуждения без реализации режима рекуперации с целью минимизации расходов на его изготовление.

Вольтметр V1 индицирует напряжение в силовой цепи. При достижении нижнего значения допустимого понижения напряжения тяговой батареи E использованию. В связи с тем что целью дипломного проекта является разработка недорогого электромобиля, автоматика контроля напряжения тяговой батареи не предусмотрена.

Устройство климат-контроля EK1 состоит из обогревателя в зимний период и (или) кондиционера в летнее время. При создании нашего экономичного электромобиля функцией кондиционирования салона можно пренебречь. А вот обогреватель важен в холодное время года, когда просто необходим обогрев окон.

В качес тве обогревателя возможно применить различные устройства:

термообогреватель питающийся от тяговой батареи электромобиля, газовый обогреватель, жидкостный обогреватель с горючим в виде солярки или бензина.

Из этих трёх устройс тв наиболее опасным является газовый обогреватель и применяется весьма редко. Другие легко приобрести как серийно выпускаемые промышленностью и не требуют изменения конструкции электромобиля при его применении.

Преобразователь напряжения Е2 служит для подзаряда аккумуляторной батареи Е3 напряжением 12 вольт. Батарея Е3 служит для питания бортовых потребителей электрической энергии. Назначение преобразователя Е заключается в преобразовании входного напряжения 72 вольта в выходное вольт. В него не закладывается специфических функций зарядного устройс тва, т.к. в данном случае аккумуляторная батарея Е3 выполняет функции буферного устройства. Этот режим батареи и определяет упрощённое ус тройство преобразователя Е2.

Предохранитель FU3 защищает источники электроэнергии от перегрузок и коротких замыканий в электропроводке и приборах. В качестве предохранителя можно применить плавкую вставку или автоматический выключатель.

Амперметр R2 аналогичен амперметру R1 с меньшим диапазоном измерения. Перестройка диапазона измерений предусмотрена в большинстве электронных амперметров. В электротехнических амперметрах изменение диапазона решается путем замены шунта на соответствующий с необходимым током измерения.

Вольтметр V2 аналогичен вольтметру V1.

гидроусилителю руля с той лишь разницей, что для вращения гидронасоса используется электродвигатель не большой мощнос ти. Он включается в работу при повороте ключа зажигания и работает до отключения.

Электроусилитель тормозной системы МР2 также аналогичен вакуумному усилителю. Но здесь используется вакуумный насос, который поддерживает определенное значение разрежение в ресивере. Ресивер может быть внешний или встроенный в вакуумный насос.

Комплект коммутирующей аппаратуры управления световыми приборами А3 и световые приборы. В качестве коммутационной аппаратуры используются тумблеры, подрулевые переключатели, кнопки, промежуточные автомобильные реле. Под световыми приборами подразумеваются все световые устройс тва, предусмотренные техническими регламентами на изготавливаемый тип автомобиля (электромобиля).

Комплект приборов В1 предназначен для контроля основных параметров электромобиля. Это скорость движения, температура тяговой аккумуляторной батареи, температура тягового электродвигателя, величина давления в электроусилителе руля, разрежение в усилителе тормозной системе, индикация стояночного тормоза, не пристегнутого ремня безопасности, уровня жидкости в бачке тормозной системы, и др.

2.2.2. Силовое оборудование При описании силового оборудования воспользуемся рисунком 2.3.

Рисунок 2.3 - схема электрическая функциональная электромобиля Силовое оборудование электромобиля получает питание от батареи Е1,, состоящая из шести аккумуляторов емкостью 130 а/час с номинальным напряжением 72 вольта.

Батарея защищена предохранителем (автоматическим выключателем) FU от короткого замыкания и перегрузки со стороны нагрузки и соединяющих проводников.

Предохранитель FU1 защищает низковольтные цепи получаемые питание от бортовой батареи напряжением 12 вольт.

Выключатель SA1 предс тавляет собой главный выключатель (замок зажигания).

Выключатель SA2 – это концевой выключатель, расположенный на педали управления оборотами электродвигателя и служит для обес точивания силовых цепей при опускании педали во избежание самопроизвольного движения электромобиля при неисправнос тях в системе электроснабжения.

К1 – главный контактор силовой цепи. На схеме разнесенным способом указано два графических изображения этого контактора. К1.1 – контакт, разрывающий силовую цепь питания. К1 – обмотка контактора. При подаче питания на нее производится замыкание контакта К1. R1 – шунтирующий резис тор. При размыкании контакта К1.1 через него подается небольшой ток на выходную цепь контроллера управления А1 для обеспечения его работы в режиме ожидания и безударного включения в работу.

М1 – электродвигатель. Графический элемент М1.1 обозначает якорную обмотку электродвигателя, графический элемент М1.2 обозначает с таторную обмотку. Статорная обмотка используется для реверсирования движения электромобиля.

К2, К3 – контакторы реверса, аналогичны главному контактору.

Графические элементы К2.1 и К3.2 – нормально замкнутые контакты при положении переключателя SA3 в состоянии «ВПЕРЕД» и служат для питания электродвигателя при движении вперед. К3.1 и К2.2 – нормально разомкнутые контакты, служат для замыкания цепи питания электродвигателя при движении назад. Эти два контакта замыкаются отдельным переключателем только на время движения назад. Графические элементы К2 и К3 обозначают рабочие обмотки контакторов управления направлением вращения электродвигателя.

R2 – резистивный акселератор, служит для управления оборотами электродвигателя с помощью контроллера электродвигателя.

А1 – контроллер управления. Служит для преобразования движения педали управления оборотами электродвигателя в электрические импульсы тока управления этим электродвигателем.

VD1-VD3 – блокирующие диоды, предотвращающие импульсные выбросы тока при коммутации контакторов. Служат для защиты от радиопомех приборов электромобиля и окружающих радиоприемных устройств.

электродвигателя, а соответственно и направления движения электромобиля.

Устройство работает следующим образом:

Проверяется состояние устройс тв защиты FU1 и FU2, при необходимос ти переводятся во включенное состояние. Ключом зажигания (главным выключатель) подготавливается цепь питания низковольтных устройств.

Переключателем SA3 устанавливается нужное направление движения транспортного средства, например вперед. Далее при нажатии на педаль управления оборотами срабатывает концевой выключатель SA2, расположенный в корпусе резистивного акселератора и связанного тягой с педалью. При этом подается напряжение на рабочую катушку главного контактора К1 и далее замыкается контакт К1.1. Напряжение питания контроллера А1 и электродвигателя М1 подано.

Дальнейшее нажатие на педаль вызывает изменение сопротивления резистивного акселератора R2 и следовательно появление электрических импульсов на выходе контроллера А1. На роторе электродвигателя М1 появляется крутящий момент. Дальнейшее изменение крутящего момента происходит пропорционально степени нажатия на педаль акселератора.

Для изменения направления движения ротора электродвигателя, а соответс твенно и направления движения электромобиля необходимо произвести полную ос тановку ротора электродвигателя и самого электромобиля.

Переключателем SA3 переключить контакторы реверса и плавно нажать на педаль акселератора.

При окончании использования электромобиля необходимо разомкнуть контакт главного выключателя SA1. А при необходимости произвести отключение предохранительных устройств FU1 и FU2. А при длительном простое электромобиля такое отключение обязательно.

И в заключение добавлю, что при монтаже электрооборудования кузов электромобиля не используется в качес тве проводника во избежание поражения электрическим током.

Первоначально на электромобилях применялись обычные электродвигатели постоянного или переменного тока. Т.е. электродвигатели общепромышленного применения. В последнее время всё чаще применяются электродвигатели специально разработанные для электротранспорта. К ним предъявляются требования высокой экономичности с сохранением тяговых характерис тик в широком диапазоне скоростей, способность выдерживать перегрузки и загрязнения, упрощенный способ обслуживания.

Используются трехфазные электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором, управляемые контроллером путем изменения электродвигателей сильно зависит от оборотов и может меняться от 82 до 97%. К преимуществам можно отнести возможность переключения с «звезды» на «треугольник». При включении по схеме «звезда» электродвигатель имеет более высокий крутящий момент на валу и может применяться при трогании или тяжелых условиях эксплуатации. Переключение на схему «треугольник»

увеличивает скорость вращения вала электродвигателя, что может быть применено при разгоне или движении на шоссе.

Издавна применяются электродвигатели постоянного тока. Обороты такого двигателя зависят от напряжения питания, что упрощает способ управления им.

Электродвигатели с последовательным возбуждением имеют хорошие тяговоскоростные характерис тики. Но их КПД несколько ниже чем у электродвигателей переменного тока, конструкция сложней, нуждаются в периодическом обслуживании, более чувствительны к перегрузкам, максимальные обороты несколько ниже. На электромобилях с двигателями постоянного тока (ДПТ) обычно применяют многоскоростные коробки передач (КПП).

У двигателей последовательного возбуждения статорная и роторная обмотки соединены последовательно. При трогании у таких двигателей момент на валу максимальный, но с набором оборотов за счет противоЭДС возникающей в обмотке возбуждения момент несколько уменьшается. Поэтому час то используют электродвигатели постоянного тока со смешанным включением обмоток возбуждения. Такие двигатели имеют две обмотки возбуждения – последовательную и параллельную.

Эффективность электродвигателей пос тоянного тока увеличивается при замене статорной обмотки возбуждения на пос тоянные магниты. Наибольшее распространение они получили после изобретения неодимовых магнитов.

Применение постоянных магнитов в электродвигателях вызвало появление безколлекторных электродвигателей. Постоянные магниты располагаются на роторе. Статор снабжается несколькими секциями обмотки. Это обычно три или четыре обмотки.

Электронный коммутатор подключает питание к одной из обмоток, получается бегущее электрическое поле. Ротор снабжается датчиками положения для определения его положения и соответственно своевременного переключения статорных обмоток. Такой электродвигатель проще, но усложнение контроллера делает его в целом дороже обычных коллекторных. Чаще его применяют для размещения в колесе (мотор-колесо). При этом магниты располагаются на ободе, обмотки на неподвижной ступице.

В последнее время за такими двигателями закрепилось название вентильных (ВД). Это в том числе и синхронные электродвигатели переменного тока с электромагнитным возбуждением от вентильного источника тока с контролем положения ротора специальными датчиками. Применяются чаще всего для скоростного транспорта, спортивных электромобилей, вращения тягового винта летательных аппаратов и снегоходов. КПД достигает величины 90% и выше. В то время как коллекторные электродвигатели могут иметь КПД менее 80%, а серийные асинхронные электродвигатели имеют максимум 87.5%.

Таким образом вентильные электродвигатели имеют две модификации: питаемые переменным током и постоянным током.

Исходя из пос тавленной задачи получить в результате проектирования максимально экономичный проект в плане реализации выбираем для будущего электромобиля коллекторный электродвигатель постоянного тока (Д ПТ), не требующий сложной системы управления, доступный для приобретения и применения для движения по городу.

Для расчета мощнос ти электродвигателя зададимся исходными данными электромобиля (автомобиль ОКА, ВАЗ-1113) : полная масса – 1000 кг., коэффициент трения качения по асфальту – 0.018, коэффициент обтекаемос ти кузова – 0.32, площадь лобового сопротивления – 1.8 кв.м., максимальная скорость движения 60 км/час.

Требуемая мощность электродвигателя автомобиля:

где g – ускорение свободного падения;

Fтр – трение качения по асфальту;

m – полная масса транспортного средства;

V – скорость движения, максимальная;

Cx – коэффициент обтекаемости, мидель;

– угол наклона дорожного полотна.

Применив указанную формулу для нашего случая, имеем:

Для движения электромобиля по асфальту со скоростью до 60 км/час и допустимых подъемах 15% дорожного полотна необходима мощность на колесах 5.7 кВт.

Необходимо учесть КПД узлов электромобиля. КПД двигателя 0.8, КПД редуктора главной передачи 0.9, КПД контроллера с потерями на проводах и контакторах – 0.9.

Итоговый КПД кинематики электромобиля имеем:

Реальная необходимая мощность электродвигателя предлагаемых изготовителями электродвигателей и дос тупных на российском рынке наиболее лучше подходит электродвигатель компании Балканкар ЕС 10/7.5/28 мощностью 10 кВт, применяемый на электрокарах в качестве привода масляного насоса гидравлики.

электромобиля.

Может быть несколько вариантов применения электродвигателя:

- двигатель подключается непосредственно к ведущему колесу;

- двигатель подключается к осевому дифференциалу ведущего моста;

- двигатель подключается к первичному валу коробки перемены передач.

Подключение электродвигателя непосредственно к колесу упрощает конструкцию трансмиссии, но требует подбора тихоходного электродвигателя, требует запаса мощности для обеспечения резкого старта. Подключение электродвигателя к осевому дифференциалу не полностью решает проблему запаса мощности для осуществления быстрого с тарта. Несколько увеличивает массу трансмиссии по сравнению с предыдущим вариантом, но позволяет использовать более распространенные типы двигателей. Третий вариант - использование коробки перемены передач полнос тью решает задачу трогания электромобиля с места, что позволяет использовать менее мощные электродвигатели, позволяет применять электромобиль для движения по пресеченной местнос ти на низких скоростях.

Значительно увеличивается масса трансмиссии за счет применения коробки передач, дифференциала моста и других деталей. Расширяет диапазон выбора электродвигателей.

В связи с тем, что мы остановились на выборе серийного автомобиля для конвертации в электромобиль, последний вариант наиболее предпочтителен. В нем уже существуют все узлы трансмиссии для подключения электродвигателя.

Остается только изготовить переходную план-шайбу и подвижную муфту соединения валов двигателя и КПП, а также дополнительный крепежный элемент с опорной подушкой для крепления двигателя к кузову электромобиля. Это наиболее оптимальный вариант для минимизации затрат на изготовление электромобиля.

4 Разработка контроллера управления электродвигателем Мощность описанного ниже контроллера далее называемого ШИрегулятором, позволяет приводить в действие транспортное с силовой установкой рассматриваемого электромобиля.

Рисунок 4.1 - схема электрическая принципиальная контроллера Описываемое устройство, схема которого показана на рисунке 4.1, состоит из пяти узлов: задающего генератора на транзис торе VT1, формирователя управляющих импульсов собранного на микросхемах DA2, DA3, мощного блока на транзис торах VT6 – VT11, блока питания VD1, R6, VT3 и DA1, блока защит на операционном усилителе DA4 охлаждающего вентилятора М1. ШИ-регулятор питается от двух ис точников: один напряжением от 20 до 30 В для питания слаботочной части устройства, второй для питания нагрузки, до 150 В. Тяговый электродвигатель с последовательным возбуждением подключают к контактам А и Т2. Штриховой линией на схеме обозначены элементы, размещаемые на печатной плате.

Частотозадающим элементом ШИ-регулятора служит генератор треугольных импульсов на транз исторе VT1. Частоту 5…8 КГц, определяет цепь R3C1. Импульсы генератора поступают на инвертирующий вход компаратора DA2. На неинвертирующий его вход подано напряжение с движка резистора R8, управляющего частотой вращения ротора электродвигателя. Этот резис тор датчик дроссельной заслонки от автомобилей ВАЗ десятой серии. Сопротивление датчика изменяется от 1.5 до 7,5 кОм. В датчике в цепь ползунка включен встроенный резис тор сопротивлением 1,5 кОм в дополнение к нему в ШИрегуляторе в эту цепь добавлены рез истор R7 и конденсатор С4 для уменьшения влияния «дребезга» контакта движка и увеличения плавности регулирования. В процессе эксплуатации на конкретном оборудовании, возможно, потребуется подобрать элементы этой цепи для получения нужной динамики процесса.

Критерием удовлетворительной динамики в случае с электромобилем служит комфорт пассажира и водителя при разгоне и торможении, а также значение максимального тока через электродвигатель. Как показывает практический опыт применения ШИ-регулятора, для ускорения процесса торможения электродвигателя возможно потребуется зашунтировать резистор R7 диодом (КД522А), подключив его анодом к точке соединения резистора R7 и конденсатора С4 для ускорения разрядки этого конденсатора. Резистор R служит для предотвращения аварийной ситуации при случайном отключении резистора R8 или обрыве проводов, соединяющих резистор R8 с регулятором.

На выходе компаратора DA2 получаем последовательность импульсов с длительностью, задаваемой резистором R8. Далее сигнал поступает на усилитель мощности DA3 - формирователь импульсов с фронтами длительностью не более 120 нс, и далее на затворы мощных полевых переключательных транзисторов VT4 – VT9. Резисторы R22 – R27 в цепи затворов VT6 – VT11 выравнивают значения тока зарядки емкости затвора транзисторов. Импульс зарядного тока может достигать сотен миллиампер. При закрывании транзисторов разрядный ток протекает через резис торы R22 – R27, резистор R20, цепь R21, VD3 и выход усилителя VT4 и VT5. Скорость закрывания транзисторов не менее важна скорости открывания, от этого зависит с тепень их нагревания. При налаживании устройства необходимо контролировать напряжение управляющих импульсов на затворе мощных транзисторов, оно должно быть не менее 10 В, для исключения их перехода в линейный режим.

Напряжение питание нагрузки, управляемой транзисторами VT6 – VT11, зависит от характерис тик применяемого электродвигателя, но не должно превышать номинальное напряжение сток-ис ток транзис торов. Для транзисторов IRF 640 максимальное напряжение не может превышать 150 вольт при токе нагрузки до 80 ампер.

Для питания слаботочной части устройства возможно использовать час ть напряжения питания нагрузки, это удобно, электродвигатель питается от автомобильных батарей аккумуляторов.

Нагрузка ШИ-регулятора - электродвигатель защищается фиксирующим диодом VD4. Обратное напряжение диода должно быть не менее напряжения питания, а прямой ток не менее номинального тока двигателя. Можно использовать отечественные диоды ДЧ-150 или импортные 150EBU02.

При питании устройс тва от аккумуляторных батарей, их рекомендуется заблокировать конденсаторами C6 – C13 емкостью из расчета 10 000 мкф на один киловатт мощности нагрузки с целью уменьшения разрушающего действия тока высокой частоты на батарею аккумуляторов. Рабочее напряжение конденсаторов не менее напряжения батареи аккумуляторов.

Генератор, компаратор, формирователь импульсов и вентилятор питаются напряжением 15 В от блока, состоящего из стабилизатора DА1 и усилителя на транзисторе VT3.

Транзистор и стабилизатор необходимо устанавливать каждый на теплоотвод площадью до 20 см. В случае, если в устройстве мощные транзисторы установлены на теплоотводы, обеспечивающие достаточное их охлаждение, вентилятор М1 и транзис тор VT3 можно не устанавливать и теплоотвод стабилизатора не применять.

Слаботочная часть устройства размещена на печатной плате.

Сигнал управления на выходные транзис торы рекомендуется подавать витой парой проводов непосредственно на затвор и исток транзисторов. Не желательно пропускать ток управления транзистора через общий провод устройства, из-за опасности проникновения коммутационных помех из цепи нагрузки в цепь управления.

На операционном усилителе DA4 реализовано защитное устройство. Оно состоит из четырех узлов: измерительного моста на резисторах R30R31R32R33R34, накопителя заряда импульсов тока R36C16, компаратора DA и формирователя блокирующего импульса на элементах VD5,R41,C19,R42. Для защиты цепи питания устройс тва от наводок мощных импульсов управления применены конденсаторы C15 и C18.

Входной сигнал устройства предс тавляет собой последовательнос ть импульсов переменной длительнос ти напряжением 75 мВ, снимаемых с измерительного шунта R29 в указанной выше с татье. Значения напряжения и длительности входного импульса зависят от мощности нагрузки ШИ-регулятора, напряжения питания нагрузки (электродвигателя) и сопротивления шунта R29.

Отсюда следует, что при изменении основных параметров силовой установки требуется регулировка устройства защиты.

Выходной импульсный сигнал устройства формируется на конденсаторе C19 и поступает на блокирующий транзис тор VT2 ШИ-регулятора. Длительнос ть блокирующего импульса определяется емкостью конденсатора С19, сопротивлением резис тора R43 и равна примерно 1 с. При необходимости эту величину можно менять исходя из назначения оборудования, где применяется ШИ-регулятор, путем изменения постоянной времени цепи С5, R14.

Входные импульсы пос тупающие на измерительный мост, изменяют напряжение в точке соединения резисторов R30 и R31 относительно образцового напряжения в точке соединения резисторов R33 и R34. Импульсы интегрирует цепь R36C16 и при достижении на конденсаторе C16 некоторого порогового напряжения, определяемого входными характерис тиками компаратора DA1, происходит переключение компаратора в состояние с высоким напряжением на выходе. Напряжение на конденсаторе С16 достигнет уровня переключения компаратора тем быстрее, чем больше длительность входных импульсов.

Параметры входной цепи защитного устройс тва выбраны так, что напряжение на конденсаторе С16 достигнет уровня переключения компаратора за время не менее 1 мс как только ток нагрузки ШИ-регулятора превысит предельный. Несколько иначе решена защита при замыкании в цепи нагрузки регулятора. В этом случае падение напряжения на шунте R29 превысит номинальное значение (в нашем случае 75 мВ), что приведет к немедленному переключению компаратора защитного устройства. Длительнос ть импульсов в этом случае существенной роли играть не будет.

Налаживание устройства защиты сводится к ус тановке образцового напряжения с помощью подбора резистора R34 и регулированию напряжения в точке соединения резисторов R33, R34 подс троечным резистором R35, так, чтобы устройство срабатывало при нагрузке, равной максимальной.

Образцовое напряжение в точке соединения резисторов R33 и R устанавливают исходя из значения падения напряжения на шунте R29 ШИрегулятора. В нашем случае использован шунт промышленного изготовления 75ШСМ М3 с номинальным значением 75 мВ Налаживание устройства, собранного из исправных деталей заключается только в установке порога срабатывания устройства защиты резистором R35. Для этого собирают оборудование с которым будет работать устройс тво, и подключают его к ШИ-регулятору.

Последовательно с шунтом ШИ-регулятора R27 подключают контрольный амперметр. Электродвигатель выводят на предельный режим работы и резистором R6 ус танавливают момент срабатывания защитного устройства. При необходимос ти изменить время задержки включения нагрузки следует подобрать конденсатор С5.

Устройство защиты можно разместить на общей плате с ШИ-регулятором мощного электродвигателя. Место для него необходимо выбрать подальше от цепей и деталей, через которые течет большой импульсный ток, и, если необходимо, воспользоваться экранированием.

Устройство, собранное из исправных деталей, практически, не требует налаживания.

Достаточно ограничиться проверкой диапазона регулировки выходной мощности и при необходимости подобрать резисторы R9 и R13, убедиться в величине не менее 10 В управляющих импульсов на затворах транзисторов VT6 – VT11. Частота задающего генератора существенно не влияет на качество работы устройства, поэтому дос таточно ограничиться проверкой наличием час тоты следования импульсов 5-8 КГц на эмиттере транзистора VT1.

Выходные транзисторы устанавливают на медную пластину размерами 160х60х4 мм., служащую теплоотводом и охлаждаемую вентилятором М1. Без применения вентилятора площадь теплоотвода для каждого транзистора рассчитывается исходя из его характерис тик и рассеиваемой мощности. В качестве охлаждающего вентилятора можно использовать вентилятор от кулера персонального компьютера, подключенный через предварительно подобранный резистор для понижения напряжения на нем до 9…12 В.

Корпус теплоотвода допустимо использовать в качестве обьединенного вывода истока транзисторов. Исток транзис тора электрически надежно соединен с монтажным фланцем.

непосредственной близости от батареи аккумуляторов, а при использовании на транспортном средстве - заключить в герметичный бокс. Фиксирующий диод VD4 можно расположить в любом удобном мес те. Шунт R27 при работе с защитным ус тройством используется готовый 75ШСМ М3 (или 75ШС). Номинал его подбирают исходя из тока нагрузки регулятора.

Для подключения нагрузки следует применять медные провода с сечением токопроводящей жилы из расчета 8 А на 1мм, например подойдет провод из серии ПВ3. На концах проводов монтируют кабельные наконечники, соответс твующие их сечению.

Часть электронной схемы Ши-регулятора размещена на печатной плате изображенной на рисунке 4.2. Остальные элементы схемы размещаются внутри конструктивна контроллера.

В настоящее время для изготовления однос торонних и двусторонних печатных плат наибольшее распространение получили три метода: химический, электрохимический (полуаддитивный), комбинированно позитивный.

Химический метод широко применяется в производстве не только односторонних печатных плат, но и для изготовления внутренних слоев многослойных печатных плат, а также гибких. Основным преимуществом химического метода является простота и малая длительность технологического цикла, что облегчает автоматизацию, а недостатком отсутс твие металлизированных отверстий и низкое качество.

Электрохимический (полуаддитивный) метод дороже, требует большого количества специализированного оборудования, менее надежен. Необходим главным образом для изготовления двусторонних печатных плат.

электрохимическом методах. Позволяет получить проводники повышенной точнос ти. Преимуществом позитивного комбинированного метода по сравнению с негативным является хорошая адгезия проводника, повышенная надежность монтажных и переходных отверстий, высокие электроизоляционные свойства.

Последнее объясняется тем, что при длительной обработке в химически агрессивных растворах (растворы химического меднения, электролиты и др.) диэлектрическое основание защищено фольгой.

Проанализировав все методы, выбран метод комбинированно позитивный т.к. по сравнению с химическим он обладает лучшим качеством изготовления, достаточно хорошими характеристиками, что необходимо в измерительной аппаратуре и есть возможность реализации металлизированных отверстий.

5 Подбор и расчет тяговой аккумуляторной батареи В настоящее время для изготовления электромобилей используют следующие типы накопителей энергии:

- свинцово-кислотные батареи - натрий никель-хлоридные - никель-кадмиевые - никель-металлогидридные - суперконденсаторы Аккумулятор является основной расходной частью, поэтому вопросы минимализации расходов на смену АКБ должны с тоять на одном из первых мест при расчете электромобиля.

Свинцово-кислотные аккумуляторы – первооткрыватели в ряду вторичных химических источников тока. Уже около полутора веков свинцово-кислотные аккумуляторы верой и правдой служат электромобилестроительс тву.

В 1859 году были изобретены первые, привычные сейчас, свинцовокислотные аккумуляторы. С 1890 года свинцово-кислотные батареи стали выпускаться в промышленных масштабах. В 1957 году были изобретены батареи с гелевым электролитом, не требующие ухода. В 1970х годах в промышленнос ти появились также герметизированные батареи, в которых электролит был адсорбирован на сепараторе. В 1980х появились электроды из сплава свинца с кальцием для улучшения прочности электрода при снижении его веса.

В начале 1990-х появилась новая надежда на дешевые и, в то же время, более емкие аккумуляторные батареи, это технология аккумуляторных батарей с биполярными электродами. Биполярные электроды могут применяться не только для свинцово-кислотных батарей, эта технология может использоваться для объединения в батарею разных типов аккумуляторов Что представляют собой биполярные батареи? – Идея заключается в том, что при соединении аккумуляторных элементов в стринг в качестве токопроводящих перемычек между банками используюется соединение между собой разноименных электродов соседних элементов через токопроводящую стенку. Электроды в месте соединения образуют "сэндвич": сначала идет электрод одной полярности, он вплотную примыкает к токопроводящей стенке, соединяющей соседние банки, потом к этой же стенке примыкает электрод противоположной полярнос ти из соседней банки. Так как "сэндвич" объединяет в себе электроды разной полярнос ти, то данный объединенный электрод называется биполярным, а батарея, созданная по данной технологии – биполярной.

Литий-ионные аккумуляторы являются самыми перспективными для использования в качестве тяговых батарей для электротранспорта. Технология производства литий-ионных аккумуляторов постоянно совершенствуется, совершенствуются характерис тики, уменьшается стоимость производства аккумуляторов. Возможно, литий-ионные аккумуляторы могут с тать основным источником питания электромобилей в самом ближайшем будущем.

Первые эксперименты с литиевыми аккумуляторами относятся к 1912 году, но первые серийно произведенные литиевые батареи появились в 1970-х, они были неперезаряжаемые. В середине 1980-х появились серийные литиевые аккумуляторы, но их использование было ограничено из-за высокой взрывоопасности - при циклированни (процесс заряд-разряд) на литиевом аноде образовывались дендритообразные крис таллы лития, которые прорастали до катода и провоцировали внутриэлементное короткое замыкание и взрыв из-за перегрева, который запускал химическую реакцию между литием и органическим электролитом. С 1991 года началось коммерческое использование литий-ионных аккумуляторов, изготовленных фирмой Sony. В этих аккумуляторах использовался кобальтат лития (LiCoO2 ), адсорбируемый на коксовых аноде и катоде. В качестве электролита использовалась соль лития в органическом электролите. При соблюдении условий разряда/заряда данные элементы достаточно безопасны в плане взрыва.

Литий-фосфатный аккумуляторы (LiFePO4) - одна из разновидностей перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов, которые используют LiFePO4 в качестве катода. В нас тоящее время не слишком широко распространены.

Элементы LiFePO4 имеют более высокую разрядку и не взрываются в экстремальных условиях, но у них более низкие напряжение и плотность тока, чем у нормальных литий-ионных элементов.

Еще один тип литиевых элементов - полимерно-литиевые аккумуляторы могут служить недорогой заменой для своих ионно-литиевых собратьев. Они обладают еще более высокой энергетической плотностью (175 Вт.ч/кг) и малым током разряда, но их использование ограничено низким током нагрузки.

Типичное количество циклов заряд - разряд не превышает 150.

Натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи (ZEBRA) были изобретены в конце 1980х годов специально для нужд электротранспорта. В настоящее время они доступны для покупки, и все больше производителей электромобилей предлагают установку аккумуляторных батарей ZEBRA в качестве более дешевой и практичной замене литий-ионным аккумуляторам.

Аккумуляторы ZEBRA являются продолжателями идеи горячих натрий-серных аккумуляторов. Основной причиной отказа от натрий-серных аккумуляторов в пользу натрий никель-хлоридных явился факт высокой коррозии керамического твердого электролита в натрий серных аккумуляторах в процессе циклирования, что приводило к малому сроку жизни батарей. В натрий никель-хлоридных аккумуляторах используются дешевые составляющие – расплавленный натрий, хлорид никеля (II), керамический твердый электролит и расплавленный аллюмохлорид натрия (NaAlCl4) в качестве жидкого электролита. Для работы этого аккумулятора необходимо поддерживать внутреннюю температуру на уровне 270-350°C. Поэтому аккумуляторные батареи ZEBRA имеют в своем составе нагреватель, воздушный охладитель и упакованы в стальной двустенный термоизолирующий корпус, между стенками которого имеется вакуумная прослойка. Длительный срок жизни и хорошие показатели циклируемости с тавят натрий никель-хлоридные аккумуляторы на одно из первых мест среди существующих аккумуляторов. На данный момент единс твенной существенной преградой является цена данного типа батарей. Как только произойдет снижение цены одного киловат-часа емкости батареи до уровня 300USD, что реально достижимо (себестоимость производства составляет меньше 150USD за 1КВт*ч), то электромобили среднего радиуса действия станут широко используемой реальнос тью.

Исследования в облас ти никель-металлгидридных батарей начались в 1970х как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве. Начиная с 1980-х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), и использование материалов, годных к вторичной переработке. NiMH батареи могут выдерживать меньшие мощностные нагрузки по сравнению с NiCd батареями. Использование при высокой нагрузке и хранение при повышенной температуре ведет к уменьшению срока жизни батареи. NiMH батареи подвержены большему саморазряду, чем NiCd. Для создателей электромобилей есть ограничение: для использования в электромобилях NiMH батареи не продаются. Причина - корпорация Texaco выкупила патент на никельметаллгидридные батареи у General Motors и теперь объединенная Texaco/Chevron не дает лицензий на производство аккумуляторных элементов большого размера до конца 2014 года.

Изобретены шведом Вальдмаром Юнгнером (Waldmar Jungner) в 1899 году.

В те времена материал для никель-кадмиевых аккумуляторных батарей был дорогим по сравнению с другими аккумуляторами и использование этого типа батарей ограничилось небольшим числом мест применения. Начало герметичным никель-кадмиевым батареям положило изыскание в 1932 году расположение активного материала внутри пористого никелевого электрода. С 1947 стали серийно выпускаться герметичные никель-кадмиевые батареи, не сильно отличающиеся от современных. В этих батареях образующиеся при зарядке газы рекомбинируют и не выходят за пределы батареи, что исключает необходимость слежения за уровнем и периодического долива электролита.

Для никель-кадмиевых батарей предпочтительнее быс трая импульсная зарядка чем медленная постоянным током. Эти батареи могут выдать большую мощность, что определяет их выбор для такой мощностной нагрузки, как двигатель электромобиля. Никель-кадмиевые батареи единственный тип батарей, который выдерживает полную разрядку при большой нагрузки без каких-либо последствий. Остальные типы батарей требуют неполной разрядки при относительно невысоких мощностных нагрузках.

эпизодической небольшой нагрузке. Периодическая полная разрядка необходима - при отсутствии полной разрядки на электродах образуются большие кристалы металла (что приводит к проявлению так называемого "эффекта памяти") аккумулятор скачкообразно теряет свою емкость. Для долгой и эффективной работы NiCd батарей необходимы циклы обслуживания батареи - полная разрядка с последующей полной зарядкой, исходя из большинс тва рекомендаций - раз в месяц, в крайнем случае раз в 2-3 месяца.

На данный момент есть варианты замены кадмиевого электрода на менее токсичные компоненты (например, никель-металгидридные батареи), но по сравнению с никель-кадмиевыми батареями они несут меньшую емкость и плотность мощности и более дороги.

Первые работы по разработке электрохимических конденсаторов проводились в середине 19 века Гемгольцем. Тогда же им было тереоретически описано строение двойного электрического слоя на поверхности электродов и предсказание использования данного явления в устройс твах для запасания энергии.

Первые практические результаты научных работ, связанных с применением суперконденсаторов относятся к середине 20 века, когда появился широкий круг материалов, позволяющих практически реализовать идею суперконденсатора. С другой стороны, разработку новых типов конденсаторов подс тегивала потребнос ть промышленности в мощных, быстро заряжаемых источниках тока с большим ресурсом.

Работы по улучшению свойств электрохимических конденсаторов привели к появлению в конце 20 века суперконденсаторов с емкостью до 10Вт*ч/кг, что позволило использовать суперконденсаторы для нужд гибридного и электротранспорта. Лучшие характерис тики из представленных промышленных образцов суперконденсаторов были заявлены российскими компаниями ЭСМА и ИНКАР-М. Также производятся суперконденсаторы для нужд автотранспорта в Германии компанией Epcos. Следует отметить продукты фирм Maxwell Technologies, NessCap, Panasonic. Интересные разработки ведутся фирмой Evans Capacitor, где создан новый тип суперконденсаторов - гибридные суперконденсаторы. Лучшие производимые суперконденсаторы имеют плотнос ть энергии на уровне 10-12 Вт*ч/кг, массовые - 5-6 Вт*ч/кг. Большое падение напряжения при разряде и высокая стоимость, до USD10 за килоджоуль суперконденсаторов сдерживают применение суперконденсаторов При расширении производства стоимость может быть уменьшена в 7-10 раз.

Цинк-воздушные элементы питания известны давно и относятся к химическим топливным элементам. Преимуществами, позволившими занять эту нишу цинк-воздушным первичным химическим источникам тока явилась высокая емкость и длительный срок хранения в неактивированном состоянии Устройство механически перезаряжаемых цинк-воздушных батарей просто:

в емкость, разделенную на отсеки вставляются несъемные электроды, на которых адсорбируется и восстанавливается кислород воздуха и съемные кассеты, заполняемые гранулами цинка (расходный материал анода). В качестве электролита используется гидроксид калия, между положительным и отрицательным электродами прокладывается сепаратор. Для начала использования цинк-воздушного элемента вынимается пробка, препятс твующая доступу воздуха внутрь. В результате окисления цинка до оксида цинка появляется ЭДС, равная 1,65В.

После выработки активного материала цинк-воздушную батарею нужно зарядить – заменить гранулы окисленного цинка в анодной кассете на свежий цинк. Данный процесс напоминает заправку топливом автомобилей с ДВС – для электротранспорта с цинк-воздушными батареями требуется развитая структура цинкозаправок, цинковозы и цинк-перерабатывающие предпреятия, на которых электро-химическими методами восстанавливается оксид цинка из отработанных анодов, потому справедливо назвать цинк-воздушные элементы "топливными".

Причиной использования такой сложной технологии является то, что цинквоздушные элементы питания имеют плотность энергии в 2-2,5 раза большую, чем у наиболее емких из распространенных на сегодняшнее время – литийионных аккумуляторов.

В связи с редким применением топливных элементов в промышленности, другие разработки рассматривать не будем.

В таблицу 5.1 сведены распространённые виды ис точников тока.

Таблица5.1 – Существующие виды источников тока В настоящее время наиболее распространенным выбором для конвертации автомобиля с ДВС в электромобиль является, проверенная временем, герметизированная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. На этом типе батарей остановимся для использования в проекте.

Для указания номинальной емкости производители используют расчет выдаваемого аккумулятором тока в течении стандартного времени (если не указано значение этого времени в спецификациях, то оно обычно равно 20 часам для больших аккумуляторов). То есть, если в маркировке аккумулятора указано, что его емкость равна 100А*ч, то это означает, что он может питать нагрузку током 5А в течение 20 часов.

Все бы было хорошо, но имеется одна не очень приятная закономернос ть:

чем больше нагрузка на аккумулятор, тем меньше процент отдаваемой емкости (аккумулятор 100А*ч может выдавать ток 100А в течении менее 1 часа), т.е.

реальная мощность аккумулятора уменьшается с увеличением тока нагрузки. Но при движении электромобиля с остановками происходит частичное восстановление емкости.

Причина этого явления связана с тем, что внутри аккумулятора ток течет благодаря ионной проводимос ти. Если ионная проводимость электролита достаточно высока и не несет особого значения, то процесс переноса ионов внутри пластин аккумулятора и преодоление ими фазового раздела поверхнос ть электрода электролит происходит достаточно медленно. То есть при быстром разряде какая-то час ть ионов не успевает выйти из электрода в электролит (или войти из электролита в электрод) за время разряда, что ограничивает выдаваемую аккумулятором емкость.

Математическая модель этого процесса была описана в 1897 году Пекертом (Peukert). Он эмпирически установил, что отношение между разрядным током I и временем разряда аккумулятора T (от полнос тью заряженного к полностью разряженному) представляет собой константное отношение, и может быть описано формулой:

где Cp – емкость Пекерта (константное отношение для данного аккумулятора);

n – экспонента Пекерта. Экспонента Пекерта всегда больше единицы, чем больше n, тем меньше способность аккумулятора отдавать полную емкость при повышенной нагрузке. Наименьшее значение экспоненты Пекерта имеют литий-железные, литий-марганцевые, литий-полимерные и свинцово-кислотные аккумуляторы с электродами рулонного типа. Одно из самых больших значений n у недорогих тяговых свинцово-кислотных батарей.

Экспонента Пекерта обычно расчитывается на основании измерения времени полного разряда (T 1 и T 2 ) для двух разных токов(I1 и I2 ). Для приблизительных расчетов можно использовать таблицы или графики разрядки, предоставляемые производителем аккумулятора. Так как Cp – константа, мы можем записать такое уравнение:

преобразуя выражение, получаем формулу расчета экспоненты Пекерта:

Основываясь на знании значений экспоненты Пекерта и емкости Пекерта можно рассчитывать время работы аккумулятора при определенной нагрузке:

Для свинцово-кислотных аккумуляторов 1,3-1,6. Не определенность ее определяется качеством изготовления, возрастом батареи.

При расчете батареи будем исходить из-того, что электромобиль будет использоваться для внутригородских поездок с частыми остановками на светофорах, пробках и определим время поездки периодом 15 минут, это вполне реально для среднего российского города. При средней скорости 40 км/час и дальнос ти хода 80 км требуемое время хода 2 часа чистого времени.

При среднем токе потребления электродвигателя 50 ампер рассчитаем емкость аккумулятора:

Из предлагаемого ряда типовых батарей выберем для использования в проекте батареи емкостью 130 а/час.

Из имеющихся в продаже на российском рынке аккумуляторов наилучшую репутацию при оптимальной стоимости имеют аккумуляторы Минн Кота МК-31AGM емкостью 130 А/час.

6 Питание бортового и вспомогательного оборудования Устройство питания бортового оборудования предназначено для обеспечения энергией приборов и осветительного оборудования.

В связи с тем, что электромобиль использует серийное оборудование для автоматизации процессов измерения физических параметров, как и обычный автомобиль, то и энергетическое обеспечение должно быть стандартным, а именно напряжением 12 вольт.

Для нашего электромобиля применим серийный аккумулятор емкостью а/час, рассчитанный по приведенной ниже таблице и предусматривающий 10% запаса энергии. Количество потребляемой энернгии сведено в таблице 6.1.

Таблица 6.1- Потребление тока оборудованием электромобиля света показывающие фонари салона, климатконтроль руля системы дворников Для пополнения энергией бортовой батареи целесообразно использовать значительный запас энергии тяговой батареи. Для преобразования уровней напряжений применим конвертор типа DC/DC 72в/12в. Из имеющихся на российском рынке используем конвертер SD-150C-12, производства Тайвань.

7 Решение вопроса отопления электромобиля 7.1 Способы отопления салона электромобиля Вопрос отопления салона актуален в зимний период, а также важно иметь источник отопления для удаления влаги с внутренней поверхности лобового стекла при его отсыревании, при высокой влажности или резком перепаде температур, например при резком похолодании во время дождя.

Для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания отбор тепла от него и подача в салон решается довольно легко. С электромобилями это проблематично.

Источником энергии на борту является тяговая батарея, но эта энергия нужна для приведения в действие электродвигателя и ее желательно экономить. Поэтому всегда обсуждается способ отопления салона на стадии проектирования.

Для обсуждения предлагается:

- электрический отопитель с отбором энергии от тяговой батареи.

- газовый отопитель от баллона с газом на борту электромобиля - топливный отопитель с питанием на бензине, солярке, спирте Вырабатываемая тепловая энергия может подаваться непосредственно в салон путем нагревания воздуха или нагрев теплоносителя системы отопления.

Первый способ может иметь пожарную опасность при наличии открытого огня в приборе выработки тепла или токсичность. Второй способ позволяет использовать систему отопления аналогичную серийному автомобилю, а источник открытого огня вынести за пределы салона и соответствующим образом обеспечить его безопасность с безопасным выбросом отработавших газов за пределы автомобиля.

Электрический отопитель наиболее прост в изготовлении, компактен, пригоден для непосредственного нагрева воздуха. Отрицательные черты:

некоторое иссушивание воздуха, что может повлиять на комфортность и вторая, не производительное уменьшение запаса энергии тяговой батареи. Второй недостаток со временем потеряет актуальность при получении от промышленности аккумуляторных батарей удовлетворяющих требованиям электротранспорта: компактность, легкость, высокая емкость, относительная дешевизна.

Газовый отопитель несколько привлекателен из-за его экологической чистоты, но его взрывоопасность несколько смущает в применении. Некоторые изготовители электромобилей отказываются от газового отопителя именно из-за этого его недостатка. В случае применения этого способа отопления легко применить существующие печки автомобилей с воздушным охлаждением двигателя внутреннего сгорания. Например, известный отечественный автомобиль ЗАЗ-968 имел такой отопитель и он легко переводится на газовое топливо. С его помощью забирается воздух снаружи салона и после нагрева подается во внутрь электромобиля.

Топливный отопитель достаточно распространен в настоящее время. Его стоимость достаточно высока, но его легко встроить в существую систему жидкостного отопления. Это особенно важно при конвертировании серийного автомобиля в электромобиль. Выбор топлива, дело вкуса автора проекта или владельца электромобиля.

7.2 Способы отопления салона электромобиля Прежде чем определиться с типом обогревателя, посчитаем мощность, которая требуется для обогрева салона.

В соответс твии с ГОСТ 30494-96 внутренняя атмосфера электромобиля подпадает под категорию 3б, что требует обеспечения температуры в диапазоне 13-17 гр.С. при влажности 30-60%.

Процесс стационарной теплопроводности описывается уравнением Фурье где, Q – тепловой поток, проходящий через еденицу перпендикулярной ему поверхности, Вт/м;

– коэффициент теплопроводности, Вт/(м*°С);

dt – температура изменяющаяся вдоль пути пересечения поверхности, °С;

Отношение dt/dx называется градиентом температур (grad t) и имеет размерность °С/м.

Для стенки толщиной формула примет вид:

материального слоя и имеет физическую размерность м2 *°С/Вт. Термическое сопротивление слоя - это сопротивление теплопроводности, равное разности температур на противоположных поверхнос тях слоя при прохождении через него теплового потока с поверхностной плотнос тью 1 Вт/м2. Расход тепла:

Кроме процесса теплопроводнос ти в транспортном средстве существует еще и воздухопроницание (инфильтрация). Воздухопроницанием называют расход воздуха (G, кг) который проходит через 1 кв.м. ограждения за 1 час.

Воздухопроницаемос ть вызвана движением электромобиля и расчет ведется из условия создания перепада давлений между наружным воздухом и внутренним при движении транспортного средства со скоростью 60 км/час.

Расход тепла на нагревание инфильтрационного воздуха определяется по формуле:

где C – теплоемкость воздуха, кДж/(кг*°С),, С=1,006 кДж/(кг·°С);

K – коэффициент учета влияния встречного теплового потока в А – площадь поверхности, кв.м.

Сведем в таблицу 7.1 данные известные из справочников для расчета теплопотерь электромобиля Таблица 7.1 – Теплопотери электромообиля Поверхнос ть Теплопроводно Термическое Воздухопрон Боковые стенки с 5. Теплопотери салона электромобиля складываются из потерь через стекла кузова, стенки кузова, отдельно выделим потери через лобовое с текло, инфильтрация через уплотнения. Нагрев приточного воздуха не рассматриваем в связи с тем, что приточный вентилятор должен быть снабжен собственным нагревателем.

Расчет выполним для зимнего времени с температурой наружного воздуха – 20°С и температурой внутри салона 17°С.

а) Потери через остекление салона (кроме лобового окна), общей площадью 1.2 кв.м.

б) Потери через лобовое стекло с площадью 0.65 кв.м.

в) Потери через крышу салона площадью 3,52 кв.м.

г) Потери через поверхности кузова (стенки и двери). Площадь дверей 1.6 кв.м., площадь стенок 2.1 кв.м.

г) Инфильтрационные потери через окна и двери, в том числе и лобовое стекло.

Qи = 0,28*G*C*A(tвн-tнар)*K = 0,28*5*1.006*1,85*37*1 + Итого общие потери тепла через кузов электромобиля:

Тепловые потери возможно уменьшать путем использования современных изоляционных материалов.

При первом прогреве электромобиля в начале рабочей смены происходит нагрев воздуха в салоне электромобиля. Ориентировочный обьем воздуха составляет 2 – 2.5 куб.м. (2.8 кг). Применив формулу теплоемкости тела:

Определим требуемое количество энергии: