История развития электромобилей

Интересна история развития электромобилей (ЭМ) как одного из направлений перспективного экологического транспорта. Можно сказать, что ЭМ переживает сегодня 3-й этап в своем развитии.

1-й этап относится к концу XIX - началу ХХ века.

2-й этап с 1960 года до 1990 года и

3-й этап − начиная с начала ХХI века и продолжается сегодня.

Исторически сложилось так, что вначале бурно развивались ЭМ, о чем свидетельствуют следующие материалы.

Первый электромобиль (рис. 2.1) был сконструирован венгерским изобретателем Эньсом Джедиком.

Рис. 2.1. Первый ЭМ, сконструированный Эньсом Джедиком

Отмечается значительное развитие ЭМ в конце XIX и начала ХХI века, при этом это развитие происходило при большой конкуренции с развивающимся двигателем внутреннего сгорания.

В России следует отметить компанию И.В. Романова, которая выпустила электрический кэб в 1899-1900 гг. (рис. 2.2), электробус (рис. 2.3).

В 1900 году был выпущен электромобиль «Старлей-Креанш» (рис. 2.4), а также электромобиль «Фрезе» в Петербурге (рис. 2.5).

В 1901 г. эксплуатировался гостиничный омнибус «Дукс» Ю.А. Меллера в г. Москве (рис. 2.6), а в 1902 г. в Петербурге − товарный электрофургон (рис. 2.7).

В почтовом ведомстве эксплуатировался (1902 г.) почтовый электромобиль (рис. 2.8).

Рис. 2.8. 1902 г. Почтовый электромобиль

На рисунке 2.9 и 2.10 показан немецкий электромобиль 1904 г. и электромобиль Эдисона.

Однако условия эксплуатации и рынок показали неэффективность электромобилей и после 1920 года их прекратили изготавливать.

Основная причина − лучшие технико-экономические параметры ДВС, а также отсутствие инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию ЭМ.

В 60-х годах ХХI столетия вновь активизировалась работа по ЭМ, фирмой General Motors (США) было выпущено 800 экземпляров EVI.

По лизингу ЭМ распределялся между различными группами населения. В штате Калифорнии был принят закон о 10% доле выпускаемых безвыхлопных автомобилей от общего объема реализуемой в штате техники.

Однако и в этом случае все ЭМ были уничтожены по ряду причин: позиция нефтегазовых компаний, большая стоимость в производстве и эксплуатации, необходимость развертывания сети зарядных станций и значительное время зарядки (до 8 часов).

Как раньше, так и теперь остается вечная проблема − сама тяговая аккумуляторная батарея.

Так программа «USABC» по батареям в США не была выполнена − пока батареи имеют недостаточную удельную энергоемкость, они имеют большой вес и очень дорогие.

В нашей стране серьёзные работы по созданию ЭМ были начаты в НАМИ сразу же после окончания Великой Отечественной войны, и уже к 1948 г. Институт разработал два их типа и изготовил небольшую партию. Это были электромобили грузоподъемностью 0,5 и 1,5 т, на основе которых Львовский автобусный завод в 1951 г. выпустил опытные партии электромобилей ЛАЗ-НАМИ-750 и ЛАЗ-НАМИ-751 (рис. 2.11). Все они были в эксплуатации почтового ведомства.

Рис. 2.11. Электромобиль ЛАЗ-НАМИ-751 грузоподъёмностью 1,5 т

Эти электромобили имели оригинальную конструкцию с несущим основанием в виде пространственной фермы из легкосплавных профилей, позволившим получить лёгкую и прочную конструкцию. Масса рамы ЛАЗ-НАМИ-751, имевшего грузоподъёмность 1,5 т, составляла всего 100 кг. Оба электромобиля были оборудованы индивидуальными приводами на ведущие колёса, что в сочетании с одноступенчатым колёсным редуктором позволило отказаться от дифференциала и снизило опасность пробуксовки колёс при движении ЭМ по дорогам с низким коэффициентом сцепления. Кроме того, двухдвигательный привод решал ещё одну важную проблему: появилась возможность во время разгона переходить от последовательного к параллельному соединению двигателей. Благодаря этому потери в пусковых реостатах сводились к минимуму. На обеих моделях в качестве источника энергии использовались тяговые железоникелевые аккумуляторные батареи ёмкостью 200 и 300 А.ч с реальным сроком службы в 5-8 раз большим, чем у свинцовых намазных аккумуляторов.

Характеристики моделей ЛАЗ-НАМИ были достаточно высокими (табл. 2.1) и в основном соответствовали уровню лучших зарубежных образцов ЭМ, выпускавшихся в тот период. Электромобили ЛАЗ-НАМИ эксплуатировались на Ленинградском почтамте в течение шести лет, перевозя почтовые грузы с железнодорожных вокзалов в почтовые отделения. Их дневные пробеги составляли 60-110 км. Пробеги более 80 км обеспечивались в результате одной-двух подзарядок батарей во время перерывов между рейсами. Хорошо показали себя ЭМ и в других отношениях. Они отличались лёгкостью и простотой управления, практически не требовали технического обслуживания, были экологически чистыми. Но эксплуатация выявила и некоторые их недостатки. Прежде всего, у них отсутствовало бортовое зарядное устройство, вследствие чего для подзарядки батарей ЭМ обязательно должен был заезжать на территорию автобазы, где находилась стационарная зарядная станция. Это обстоятельство отрицательно сказывалось на возможности увеличения дневного пробега и, следовательно, расширения сфер применения ЭМ. Практика показала также, что при весьма ограниченном объёме производства возникают серьёзные проблемы с заменой вышедших из строя тех или иных специализированных узлов и даже деталей. Именно по этой причине эксплуатацию электромобилей ЛАЗ-НАМИ пришлось прекратить через 6-8 лет после её начала, несмотря на вполне благоприятные экономические их показатели.

Выявленные проблемы были учтены в последующих разработках НАМИ. Разработчики новых ЭМ стали ориентироваться на максимальное использование серийных автомобильных узлов и агрегатов. Примером могут служить электромобили и электробус, созданные в 1958 г. по заказу Аэрофлота. Они были выполнены на базе автомобиля УАЗ-450 и троллейбуса СВАРЗ, соответственно, и внешне от них почти не отличались. По «внутреннему» устройству они не повторяли модели ЛАЗ-НАМИ. На них были установлены не двухдвигательные, а однодвигательные приводы ведущих колёс, что позволило использовать стандартные ведущие мосты базовых машин. Без изменений сохранились и основные агрегаты шасси, а на ЭМ на базе УАЗ отпала необходимость в использовании коробки передач.

Источником энергии указанных моделей ЭМ стали аккумуляторные батареи, составленные из железоникелевых аккумуляторов общей ёмкостью 200 и 250 А.ч. Для уменьшения потерь в пусковых реостатах при разгоне в системе управления было предусмотрено переключение двух секций батареи с параллельного на последовательное соединение.

Опыт эксплуатации электромобилей и электробуса в аэропорте «Внуково» подтвердил, что в условиях постоянно увеличивающейся интенсивности пассажирских перевозок аэропорты должны располагать достаточным парком электробусов и, во-вторых, на электробусах, предназначенных специально для Аэрофлота, следует оптимизировать конструкцию салона с учётом специфики перевозок авиапассажиров.

В НАМИ создавались и специализированные конструкции ЭМ. Например, семейство пожарных ЭМ, предназначенных для использования в заводских помещениях с повышенными требованиями по загазованности и пожарной безопасности. Наиболее удачной была конструкция ПЭМ-23 грузоподъёмностью 0,5 т (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Пожарный электромобиль ПЭМ-23

Особенностями ПЭМ-23 была рама в виде хребтовой балки с кронштейном для установки двух секций аккумуляторной батареи и почти исключительное применение серийно выпускаемых автомобильных агрегатов. Партия таких ЭМ длительное время находилась в эксплуатации.

Параллельно с разработкой образцов ЭМ в НАМИ велись работы по системам электропривода, в том числе по системам регулирования скорости движения ЭМ. Все исследования систем проводились на специально созданном для этой цели электромобиле-фургоне грузоподъёмностью 1 т и в грузопассажирском его варианте (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Исследовательский электромобиль-фургон грузоподъемностью 1т

Итогом разработок стали три варианта электропривода. В первом варианте дня привода использовался электродвигатель последовательною возбуждения Скорость движения изменялась при помощи тиристорного регулятора, действовавшего но принципу широт но-импульсной модуляции среднего напряжения, подводимою к цепи якоря электродвигателя. Когда среднее напряжение на якоре достигало величины, близкой к напряжению аккумуляторной батареи, регулятор шунтировался контактором, не допуская потерь в регуляторе. Предусматривался режим рекуперативного торможения с поддержанием заданной силы тока рекуперации.

Во втором варианте привод выполнялся с электродвигателем независимого возбуждения, управлявшегося по принципу двухзонного регулирования (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Система электропривода ЭМ с двигателем независимого возбуждения

При таком регулировании в начале разгона ЭМ тиристорный регулятор постепенно увеличивает среднее напряжение, подводимое к обмотке якоря электродвигателя. Когда напряжение становится близким к напряжению аккумуляторной батареи, вступает в действие транзисторный регулятор, понижающий силу тока в обмотке возбуждения, как следствие, уменьшается частота вращения вала двигателя. Благодаря применению двигателя независимого возбуждения без каких-либо переключений в цепи якоря обеспечивается плавный переход из режима тяги в режим рекуперативного торможения и обратно. При относительно небольшой силе тока возбуждения достаточно просто получалось необходимое число ступеней его регулирования.

В третьем варианте привод выполнялся на базе электродвигателя с независимым возбуждением, а частота вращения его вала регулировалась как переключением секций аккумуляторной батареи с параллельного на последовательное соединение, так и изменением силы тока в обмотке возбуждения с помощью тиристорного регулятора. При этом отпадала надобность в мощном тиристорном регуляторе среднего значения напряжения, подводимого к якорю электродвигателя. Но для уменьшения «бросков» тока в цепи якоря в процессе разгона электродвигателя пришлось включить в неё пусковые реостаты, которые далее шунтировались контакторами или полупроводниковыми силовыми ключами. После выключения последней ступени реостата вступал в действие регулятор силы тока в обмотке возбуждения, что обеспечивало дальнейшее повышение частоты вращения вала двигателя. Реальные потери энергии в пусковых реостатах не превышали 1 % общего расхода энергии на движение ЭМ.

Таблица 2.2

Сравнительные характеристики трёх вариантов систем управления

Из приведённых в таблице 2.2 сравнительных характеристик систем управления следует, что последний вариант предпочтительнee, но система с плавным регулированием среднего напряжения, подводимою к якорю, в принципе позволяет получить большее число экономичных ступеней регулирования скорости ЭМ в зоне малых скоростей, что может быть критичным для некоторых областей применения ЭМ.

Вообще, технический уровень ЭМ, безусловно, зависит от правильного выбора системы электропривода, хотя более важным показателем являются характеристики тяговых аккумуляторных батарей, oт которых в конечном итоге зависят как динамика движения, так и запас хода ЭМ.

В 70-х годах прошлого столетия произошел очередной всплеск интереса к электромобилям. Конкретные объекты были проработаны на автозаводах ВАЗ, УАЗ, РАФ и ЕрАЗ.

Так был разработан опытный образец ЭМ ЕрКЗ-3731 (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Опытный образец ЭМ ЕрКЗ-3731

Основные технические характеристики даны в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Большой опыт в создании ЭМ имел ОАО «АвтоВАЗ», некоторые модели разработанных легковых ЭМ приведены на рисункуе 2.16.

BA31817 ELLada Запас хода 150 км
ВАЗ-1111Э Запас хода 110 км Победитель ралли вМонте-Карло в 1996 г. и в Дании в 1997 г.
ВАЗ-2801 Грузоподъемность 300 кг/130км Выпускался для работы в почтовой службе

Рис. 2.16. Модели легковых ЭМ, разработанных ОАО «АвтоВАЗ»

Если объединить все этапы разработки ЭМ (как это сделано французскими экспертами фирмы Рено), то можно получить общую картину, приведенную на рисунке 2.17.

Рис. 2.17. График показывает уровень интереса и активность в сфере ЭМ с 1890 до сегодняшнего дня. ЭМ слилось в ГЭМ (гибридный электромобиль)