Конструкция и компоновка электромобилей. По типу конструкции шасси и кузова электромобили могут быть подразделены на две основные группы:

По типу конструкции шасси и кузова электромобили могут быть подразделены на две основные группы:

- с использованием несущих кузовов и шасси серийно выпускаемых автомобилей;

- с шасси и кузовами специальных конструкций.

Применение шасси и кузовов серийных автомобилей не позволяет создать электромобили с рациональными компоновочными свойствами, поскольку компоновки существующих автомобилей не дают возможность удовлетворительно разместить ТАБ необходимого объема и массы для обеспечения требуемого запаса хода и динамических показателей электромобилей. В этих условиях ТАБ часто приходится делить на блоки, устанавливаемые в разных местах электромобиля, вследствие чего оказывается очень стесненным расположение тягового электрооборудования (контакторы, аппаратура защиты и регулирования) и другого вспомогательного оборудования.

При этом не следует забывать, что проблема снижения массы несущей конструкции уже стоит в автомобилестроении достаточно давно и в этом направлении достигнуты значительные успехи. Поэтому при создании электромобиля на базе существующего автомобиля-аналога приходится сталкиваться в первую очередь с трудностями компоновочного характера, тогда как исходная несущая конструкция автомобиля может быть выполнена на самом современном уровне. Особенно значительные компоновочные проблемы возникают при создании легковых электромобилей на базе серийных легковых автомобилей.

При создании электромобилей со специальной конструкцией шасси и кузова учитывается наиболее существенное требование к компоновке электромобиля − рациональное размещение ТАБ с точки зрения простоты установки и съема ТАБ, доступности для обслуживания при минимальном увеличении массы несущей конструкции вследствие появления аккумуляторных отсеков и контейнеров. При этом также должны быть обеспечены наибольшие удобства для проезда пассажиров и рациональное размещение груза. В полной мере должно быть выполнено требование удовлетворительного по условиям доступности расположения тягового и вспомогательного электрооборудования.

Иногда высказывается мнение, что создание несущего кузова и шасси специальной конструкции позволит значительно уменьшить снаряженную массу электромобиля. В доказательство этого мнения приводятся, например, следующие цифры: отношение снаряженной массы электромобиля (без учета массы ТАБ) к полной массе электромобиля с несущим кузовом специальной конструкции составляет 0,25-0,35 против 0,5-0,6 у электромобилей, создаваемых на основе несущей конструкции серийных автомобилей.

С этим положением можно согласиться лишь в том случае, если выполняются следующие условия:

- технический уровень (качество) специальной несущей конструкции электромобиля должен быть выше технического уровня несущей конструкции автомобиля, принятого за аналог;

- в конструкции опытного образца электромобиля применены материалы (малолегированная сталь, легкие сплавы, современные пластмассы, облегченные узлы и детали), которые вследствие своей дороговизны не находят пока широкого применения в автомобилестроении;

- допустимые перегрузки узлов я деталей ходовой части, тормозной системы, рулевого управления для электромобиля со специальной конструкцией шасси и кузова приняты более высокими, чем для электромобиля, выполненного на базе серийного автомобиля.

Если учесть все указанные соображения применительно к двум вариантам конструкции электромобиля, то можно убедиться, что существенное снижение снаряженной массы может быть обеспечено в основном за счет применения специальных материалов. Оценка допустимости определенных перегрузок упомянутых выше элементов автомеханического оборудования может быть произведена только по результатам опытной эксплуатации партии электромобилей.

Тем не менее, вопрос о допустимых перегрузках автомеханического оборудования, примененного на электромобиле определенного типа и назначения, имеет определенное практическое значение. Электромобили, как правило, развивают более низкие скорости, чем автомобили, и эксплуатируются почти исключительно по дорогам с хорошим покрытием. С другой стороны, на несущую структуру электромобиля постоянно действует сосредоточенная масса ТАБ, которая существенно увеличивает не только статические, но и динамические нагрузки на узлы несущей структуры электромобиля даже при средних скоростях. Поэтому нельзя безусловно считать, что условия нагружения несущей системы кузова электромобиля более благоприятны, чем кузова автомобиля.

Что касается ходовой части серийного автомобиля (включая шины), то возможная перегрузка зависит от конкретных характеристик агрегатов ходовой части. Как правило, при создании электромобилей определенные перегрузки допускаются. В шинах при этом повышают внутреннее давление против расчётного значения или применяют специальные шины с меньшей нормой елейности, но рассчитанные на повышенное давление.

Возможность использования на электромобилях механических передач серийных автомобилей зависит от типа тягового электропривода. Если последний выполнен по системе мотор-колесо или по другой оригинальной схеме, то такая возможность отпадает. При установке на электромобиле одного тягового электродвигателя возможно применение узлов серийных механических передач, особенно в том случае, если используются несущий кузов и шасси серийного автомобиля.

Так, на некоторых электромобилях применяются многоскоростные коробки передач с серийных автомобилей-аналогов. При использовании тяговых электродвигателей с относительно небольшим диапазоном регулирования это позволит работать с достаточно высоким к.п.д. привода в широком диапазоне скорости электромобиля и несколько повысить силу тяги на колесах при высокой скорости. Однако не следует забывать, что ТАБ является автономным источником энергии, поэтому с повышением скорости электромобиля снижение силы тяги становится неизбежным. Тем не менее использование коробки передач позволяет снизить массу тягового электродвигателя и получить более глубокую зависимость силы тяги от скорости. Вместе с тем использование коробки передач усложняет систему регулирования электропривода.

На некоторых опытных образцах японских легковых электромобилей применялись быстроходные тяговые электродвигатели (незначительно перегружаемые по моменту относительно номинального значения) совместно с серийными автоматическими пятискоростными коробками и другими узлами передач автомобилей. Опыт оценивался положительно.

Если электромобиль создаётся с несущей системой специальной конструкции, нерационально использовать целиком автомобильную механическую передачу на задний мост при установке ТЭД на месте ДВС, поскольку есть возможность применить механическую передачу с более подходящей в этих условиях схемой (не только с мотор-колёсами).

В случае применения на электромобиле переднего ведущего моста его целесообразно возможно более полно унифицировать с конструкцией моста автомобиля-аналога. При этом решении пространство за передним ведущим мостом может быть использовано для установки ТАБ наиболее рациональным образом. При разработке специального несущего кузова и шасси аккумуляторный отсек будет представлять собой часть несущей структуры. Благодаря этому хорошо решается не только привод ведущих колес, но также улучшается структура несущей системы.

Что касается вопроса о перегрузках тормозных и рулевых систем автомобиля-аналога, применяемых на электромобиле, то в этом случае решение следует принимать с большой осторожностью.

Если предполагается использовать тормозные и рулевые системы, номинальные параметры которых не имеют достаточного запаса по отношению к значениям этих параметров, необходимых для автомобиля-аналога, то допускать на электромобиле какие-либо существенные перегрузки тормозной системы по нагреву и рулевого управления по усилию, прикладываемому к рулевому колесу, недопустимо.

По способу расположения ТАБ электромобили могут быть разделены следующим образом:

- с разделением ТАБ на передний и задний блоки (рис. 3.1);

- с разделением ТАБ на левый и правый блоки (рис. 3.2):

- с поперечным центральным расположением ТАБ в габаритной ширине машины в виде одного блока (рис. 3.3);

- с продольным центральным ("хребтовым") расположением ТАБ (рис. 3.4);

- с расположением ТАБ на отдельном прицепе (рис. 3.5).

Выбор способа установки ТАБ для электромобилей различного типа определяется их назначением, выбором вида компоновки и конструктивными требованиями к несущей структуре электромобиля. Учитывается также распределение массы по осям электромобиля.

Рис. 3.1. Электромобиль с разделением ТАБ на передний и задний блоки

Первый из указанных способов размещения ТАБ характерен для электромобилей, создаваемых на базе серийных легковых автомобилей. Один блок ТАБ размещают под капотом над передним мостом, второй блок − в багажнике или в базе шасси.

Второй способ установки ТАБ характерен для электромобилей-фургонов и микроэлектробусов. Каждый из двух блоков ТАБ размещается с левой и правой стороны рамы в базе электромобиля, причем важным условием установки блоков является достаточно большой просвет между нижней поверхностью ТАБ (или контейнера) и поверхностью покрытия дороги. В некоторых случаях переделывается серийная рама автомобиля, а именно ее лонжероны в базе изгибаются вверх или вниз, и тогда блоки ТАБ размещаются под или над лонжеронами рамы. Во втором случае удается уменьшить массу элементов соединения контейнеров ТАБ с рамой.

При рассмотренном способе установки ТАБ пространство в вертикальной плоскости центральной оси под кузовом электромобиля остается свободным, что позволяет применить тяговую механическую передачу серийного автомобиля.

Рис.3.2. Электромобиль с разделением ТАБ на левый и правый блоки

Рис. 3.3. Электромобиль с поперечным центральным расположением ТАБ

в виде одного блока

Рис. 3.4. Электромобиль с продольным центральным («хребтовым»)

расположением ТАБ

Рис. 3.5. Электробус с расположением ТАБ на отдельном прицепе

Поперечное центральное расположение ТАБ (в базе электромобиля) позволяет получить ряд компоновочных и конструктивных преимуществ. Это решение возможно при использовании серийных автомобилей с передним приводом или при создании электромобилей со специальным несущим кузовом, причем в этом случае возможно использование электропривода на передний мост или на задний ведущий мост с установкой ТЭД в заднем свесе.

Этот вид компоновки электромобиля позволяет предложить весьма оригинальное конструктивное решение несущей структуры, органически включающей конструкцию аккумуляторных отсеков и обеспечивающей снижение снаряженной массы электромобиля. При этом достигается простая установка и съём ТАБ, требующая минимальных технических средств.

Продольное центральное расположение ТАБ также позволяет получить оригинальную несущую структуру электромобиля путем конструктивного объединения деталей кузова или рамы с аккумуляторным отсеком. Из рис. 3.4 следует, что аккумуляторный отсек в рассматриваемом случае ограничен двумя лонжеронами рамы, соединенными верхними и нижними поперечинами. Объём отсека закрывается листами из пластика. Аккумуляторный контейнер, выполненный из уголков и стальных пластин, своей нижней поверхностью опирается на ролики, установленные вдоль нижней плоскости аккумуляторного отсека, причем выходы валов роликов опираются на стенки лонжеронов. Такой способ установки контейнера обеспечивает его быстрый съём при помощи специальной тележки, рабочая (регулируемая по высоте) поверхность которой снабжена роликами. Аккумуляторный контейнер электрически изолирован от аккумуляторного отсека. Использование компоновки рассматриваемого типа возможно при электроприводе переднего моста.

Для питания электроэнергией привода городских электробусов может использоваться ТАБ, установленная на одноосном прицепе, дышло которого соединяется с транспортным крюком автобуса. С точки зрения компоновки ТАБ, её обслуживания и замены (на конечных пунктах) это самое простое решение, но оно вызывает серьёзные возражения по условиям безопасности движения.

При разработке современных образцов электромобилей в конструкции шасси и несущей структуры кузова широко применяются трубчатые элементы круглого и прямоугольного сечения, различные облегченные стальные профили. В конструкции кузовов используются малолегированные и лёгкие сплавы, пластмассовые тонкостенные листы (плоские и профилированные), полученные при горячей формовке под давлением, пластики с пенонаполнителями. Отдельные элементы кузова соединяются посредством специального клея.

На современных образцах электромобилей устанавливается, как правило, независимая подвеска передних колес с использованием телескопических амортизаторов и спиральных пружин. Задняя подвеска рессорная, рычажная или рычажно-пружинная.

На электромобилях применяются как специальные шины и колесные обода из магниевых и алюминиевых сплавов, так и шины и обода серийных автомобилей. Шины, используемые на электромобилях, небольшого размера, с небольшой нормой елейности, повышенного давления. Такие шины имеют более низкое сопротивление качению, чем шины автомобилей-аналогов.

Ниже в качестве иллюстраций (рис. 3.6-3.16 приведено несколько моделей электромобилей и их компоновка.

Рис. 3.6. Грузовой электромобиль фирмы «Земан», США

Рис. 3.7. Электромобиль фирмы «Электра», США

На рисунке 3.8 показана структура электромобиля.

Рис. 3.8. Структура электромобиля

На рисунке 3.9 показана компоновка основных компонентов «MITSUBISHI MiEV».

Рис. 3.9. Компоновка элементов электромобиля «MITSUBISHI MiEV» и тяговая аккумуляторная батарея

На рисунке 3.10 показана компоновка ЭМ «Audi A1 e-tron»

Рис. 3.10. Audi A1 e-tron

Рис. 3.11. Mercedes-Benz AMG E-CELL

Рис. 3.12. Соединение переднего карбонового бокса рамы электромобиля

Mercedes-Benz SLS AMG E-Cell с силовыми агрегатами передней части автомобиля - электродвигатели, блоки управления, редукторы и элементы подвески.

Рис. 3.13. Силовые электромоторы привода SLS AMG E-Cell соединенные через распределительную коробку напрямую с колесом автомобиля. Сверху электронные блоки управления

Рис. 3.14. Двигатели с редукторами и блоками управления в подкапотном пространстве Mercedes-Benz SLS AMG E-Cell

Рис. 3.15. Набор ячеек высоковольтных аккумуляторов с блоками управления соединенными между собой медными шинами на электромобиле Mercedes-Benz SLS AMG E-Cell

Рис. 3.16. Трехмерная модель электромобиля Mercedes-Benz SLS AMG E-Cell в разрезе. Основные узлы и компоненты.

Интерес вызывает компоновка ЭМ Mercedes-Benz. SLS AM 6 E-Coll – полноприводное спортивное купе с крыльями чайки.

Список литературы к главе 3

1. Эйдинов А.А. и др. «Электромобили и автомобили с КЭУ». Автомобильная промышленность, 2002 г., № 1, стр. 9-12.

2. Златин П.А. и др. «Электромобили и гибридные автомобили». Агроконсалт, Москва, 2004 г., 416 стр.

3. P. Frantreska Kis и др. «Количественный анализ характеристик ЭМ с помощью метода оптимизации SAE, SP-1023, 1944, стр. 47-55.

4. Van Den Bossche Peter «О тенденциях в стандартизации электромобильной техники», EVS-15, Brussels, oktober, 1998, CD-ROM, Paper № 316.

5. F.H. Moeller и др. «Элементы силовых установок электромобилей» Automotive Eugeneering, vol 106, № 2 Feb. 1988 г., стр 259-264.

6. Козловский А.Б., Дижур М.М. «Электромобиль и экология крупных городов», Автомобильная промышленность, 1992 г., № 4.

7. Ксеневич И.П., Эйдинов А.А. и др. «Электромобиль: состояние и приоритетные направления развития» Приводная техника, № 8/90, 1988 г., стр. 5-22.

8. Ипатов А.А., Эйдинов А.А. «Электромобили и автомобили с КЭУ» Москва, 328 стр.

9. Поляк Д.Г., Эйдинов А.А., Козловский А.Б. «Электромобили. Проблемы поиски решения», Автомобильная промышленность, № 5,1994 г.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ (ЭМ)

Совершенствование схем и конструкций электрических установок ЭМ идет по пути совершенствования тяговых источников тока (ТАБ) и накопителей энергии (суперконденсаторы), а также их комбинации:

- энергоустановки на базе ТАБ или НЭ;

- энергоустановки на базе ЭМБ;

- создание КЭУ с использованием полутопливного элемента (ПТЭ) металл-воздух, в частности цинк-воздух, алюминий-воздух, литий-воздух, в качестве основного источника энергии и ТАБ, НЭ или ЭМБ в качестве пикового источника энергии (Bisystem);

- создание КЭУ с использованием электрохимического генератора на топливных элементах водород-воздух и ТАБ, НЭ или ЭМБ в качестве пикового источника энергии;

- электрохимический генератор на базе топливных элементах водород-воздух;

- перспективные тяговые источники тока.