Умное электричество

Умное электричество

17.12.2020 - 10:06
Приблизительное время чтения: 8 минут. Интересно, но нет времени читать?

На переходном этапе к полной электрификации автотранспортных средств все большую роль играют так называемые микрогибридные системы, позволяющие обеспечить ощутимую экономию топлива и сокращение эмиссии вредных веществ.

Микрогибриды

Микрогибридные автомобили (как их принято называть; и, соответственно, микрогибридные технологии, микрогибридные системы и проч.) – это традиционные бензиновые или дизельные автомобили, в которых используются автоматические системы остановки и запуска двигателя. И хотя интегрированные системы «старт-стоп» не предлагают абсолютно никакой гибридизации привода (и тем более полной электрификации), эта технология становится все более популярной, поскольку обеспечивает максимальное повышение топливной эффективности и сокращение выбросов CO2 при наименьших инженерных, конструкторских, производственных, эксплуатационных и прочих затратах. Имея среднерыночную стоимость в районе 300 долларов за систему, микрогибридные технологии уже сейчас увеличивают экономию топлива от работающих на холостом ходу транспортных средств на 5–10%, в то время как перспективные системы могут достичь экономии в 15–20% и, может быть, даже выше.

акьб

Только в США, как сообщает Консорциум по инновациям аккумуляторных батарей (CBI), благодаря технологии «старт-стоп» ежегодно предотвращается выброс более чем 5 млн тонн парниковых газов. В целом же применение данной технологии позволяет автопроизводителям обеспечить снижение эмиссии CO2 до 95 г/км в соответствии с нормативами 2021 г., то есть сократить выбросы на 40% по сравнению с 2007 г. Поэтому неудивительно, что сейчас до 70% автомобилей, продаваемых в Европе, оснащены такими системами и их число уже перевалило за 100 млн ед.

Перспективы системы

Главные же акценты в развитии микрогибридных систем делаются на совершенствовании химического состава аккумуляторных батарей и модернизации генераторов – основных агрегатов, отвечающих за энерговооруженность транспортных средств. Благодаря внедряемым инновациям микрогибридные системы второго поколения уже не только останавливают двигатель при переходе в режим холостого хода (в пробке, при остановке на красном сигнале светофора и проч.), как это делали системы первой итерации, но и реализуют такие функции, как рекуперация энергии торможения.

В свою очередь, появление систем третьего поколения расширит список этих функций и позволит глушить двигатель не только во время полной остановки, но и, например, при движении накатом. Кроме того, такие системы дадут возможность на определенных этапах разгона усиливать выходную мощность за счет, скажем так, «электрического момента», повышая тем самым динамические характеристики автомобиля без дополнительного расхода топлива.

Естественно, все эти опции повлекут еще большие нагрузки на АКБ и генераторы, требуя от них повышенных эксплуатационных характеристик. В частности, самой приоритетной исследовательской целью, по мнению экспертов CBI, сейчас является улучшение такой характеристики свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, как скорость приема заряда. Этот ключевой технический параметр для микро- и мягких гибридов должен быть увеличен в пять раз к 2022 году. И к этому есть все предпосылки.

Никель-цинковая альтернатива

На сегодняшний день основной проблемой для широкого внедрения микрогибридных функций следующего поколения (при сохранении приемлемой стоимости) являются ограничения в производительности современных аккумуляторных технологий. Нивелировать ощутимую часть этих ограничений позволяют никель-цинковые (NiZn) батареи, обладающие рядом преимуществ по сравнению с существующими решениями в этой области. Данные батареи представляют собой наиболее подходящую альтернативу с точки зрения хранения энергии, которая идеально подходит для решения как технических, так и экономических задач передовых микрогибридов.

В настоящее время преобладающим типом АКБ, устанавливаемым в традиционном автомобиле, как известно, являются свинцово-кислотные аккумуляторы, которые автопроизводители неохотно используют, признавая их недостатки для нужд микрогибридов. По сравнению со свинцово-кислотной системой NiZn может обеспечить снижение веса до 65% и удвоение срока службы, что приводит к дальнейшему снижению расхода горючего.

Кроме того, выигрыш в топливной эффективности в результате использования свинцово-кислотных аккумуляторов в системах «старт-стоп» постепенно снижается до 2% уже в течение первого года эксплуатации, в значительной степени из-за потери скорости приема заряда (СПЗ). Никель-цинковые же АКБ в этом отношении гораздо стабильнее и сохраняют топливную эффективность в диапазоне 8–12% на протяжении 5–6 лет при постоянном использовании с остановкой и запуском, поскольку одно из основных преимуществ никель-цинковых систем по сравнению со свинцово-кислотными АКБ состоит как раз в стабильно высоком уровне СПЗ на протяжении всего срока службы.

Ультраконденсаторы

Еще одно альтернативное решение, предлагаемое некоторыми автопроизводителями, среди которых Peugeot, – применение в совокупности со свинцово-кислотными аккумуляторами так называемых ультраконденсаторов. Данные ультраконденсаторы способны принимать и передавать большое количество импульсной мощности во время рекуперации энергии и запуска двигателя.

В принципе, это вполне себе дееспособное и на все сто процентов рабочее решение, однако оно очень дорогостоящее, что сильно снижает экономическую выгоду от его применения. Помимо этого, система по-прежнему будет страдать от потери СПЗ свинцово-кислотного аккумулятора. И вдобавок использование ультраконденсаторов сопряжено с необходимостью обеспечения дополнительных мер безопасности, поскольку они обычно содержат горючие электролиты. Для сравнения: NiZn с экономической точки зрения – значительно более выгодное предложение, а в технологическом плане – более простое и надежное.

Или литий-ион?

Литий-ионные АКБ (Li-Ion) – хорошо известные аккумуляторные батареи, которые в настоящее время предлагается использовать в ряде гибридных и электрических транспортных средств. Хотя Li-Ion с точки зрения повышения производительности АКБ предлагает некоторые из тех же преимуществ, что и NiZn, например стабильно высокое значение СПЗ, эта технология значительно дороже, чем NiZn. Также литий-ионным системам не чужды и проблемы безопасности, в основном из-за того, что в них используется электролит на нефтяной основе, который легко воспламеняется. В итоге ряд резонансных инцидентов, связанных с возгораниями транспортных средств, немного подпортил репутацию литий-ионных аккумуляторов, особенно в контексте использования в качестве аккумуляторной батареи для микрогибридов, где под капотом по соседству с ДВС и другими агрегатами создаются достаточно жесткие условия эксплуатации.

литийионн акб

Еще одна проблема, с которой сталкивается литий-ионный аккумулятор, – его низкая производительность при низких температурах. Хотя сами системы «старт-стоп» обычно активируются только при температуре от –5 до +35 °C, батарея, если она применяется в одиночку, должна быть способна выполнять все основные функции (стартер, освещение и зажигание) в гораздо более широком диапазоне температур. Поэтому как вариант отдельными производителями рассматривается схема оснащения своих автомобилей двумя АКБ, одна из которых является основной, или, скажем так, стартовой, а другая – вспомогательной, отвечающей за функционирование обильного количества систем комфорта.

Впрочем, определения «основная» и «вспомогательная» здесь не вполне корректны – не совсем понятно, с какой точки зрения судить о важности той или иной АКБ, чтобы называть ее основной или вспомогательной. Хотя суть от этого не меняется – функционал привычной единой АКБ в данном случае как бы разделяется между двумя аккумуляторными батареями. При этом первая из них остается классической свинцово-кислотной (отвечает за свет, безопасность и запуск), вторая – литий-ионная.

Умный генератор

Производители транспортных средств должны соблюдать все более строгие экологические нормы, поэтому постоянно исследуют и применяют «умные» технологии для снижения расхода топлива и выбросов. Одна из технологий, существующих уже несколько лет, но теперь развивающихся особенно стремительно, становясь в известном смысле стандартом отрасли, – это так называемый «умный», или «интеллектуальный», генератор переменного тока. Такое название он получил потому, что его выходное напряжение регулируется извне через блок управления двигателем (ЭБУ), а не с помощью внутреннего регулятора напряжения, как в традиционных генераторах переменного тока.

«В чем тут логика? Зачем так усложнять?» – спросите вы. А вот смотрите. Когда генератор переменного тока работает и производит зарядное напряжение, естественно, создается механическая нагрузка на двигатель через приводной ремень. Эта нагрузка увеличивается по мере увеличения выходного напряжения, поэтому двигателю приходится трудиться все усерднее и усерднее. Соответственно, и горючего потребляется больше.

Традиционные генераторы переменного тока поддерживают стабильное напряжение в пределах 13,8–14,4 В в зависимости от уровня заряда батареи и прочих факторов. Это означает, что нагрузка на двигатель, увеличивающая расход горючего, присутствует фактически постоянно.

Чтобы ее снизить, повышая топливную эффективность и сокращая эмиссию вредных веществ, все чаще применяются интеллектуальные генераторы переменного тока, управляемые блоком управления двигателя. «Интеллектуальность» этих генераторов заключается в возможности изменять выходное напряжение в большей степени, чем это может быть достигнуто с помощью внутреннего регулятора, и снижать напряжение ниже 13,8 В в периоды, когда не требуется дополнительная зарядка. Таким образом, нагрузка на двигатель ощутимо сокращается. А вместе с ней сокращаются расход топлива и вредные выбросы.

Но называть генератор «интеллектуальным» только за вариативность вырабатываемого напряжения было бы не совсем последовательно. Действительно «умные» генераторы сегодня позволяют производить электроэнергию не только от вращения двигателя, но и из других источников.    

Энергия замедления

Регенеративное торможение – это технология рекуперации энергии, которая преобразует кинетическую энергию транспортного средства (которая обычно преобразуется в потерянное тепло в тормозных колодках и дисках при торможении) в электрическую для подзарядки аккумуляторной батареи. Реализация данной технологии стала возможной как раз благодаря использованию интеллектуальных генераторов переменного тока, которыми можно управлять с помощью ЭБУ.

акб_2

Во время замедления (например, когда водитель убирает ногу с педали акселератора) блок управления двигателем повышает выходное напряжение генератора до 15 В (и более), чтобы повысить заряд аккумулятора. Это высокое напряжение увеличивает механическую нагрузку на двигатель, что приводит к усилению торможения двигателем, поэтому меньшая часть кинетической энергии преобразуется в потерянное тепло колодок и дисков. Таким образом, замедление транспортного средства возвращает заряд аккумулятора, экономя топливо, которое в противном случае потребовалось бы для его подзарядки.

Затем эта энергия используется для питания электрических систем транспортного средства, когда транспортное средство ускоряется или движется с постоянной скоростью. В это время выходное напряжение генератора снижается (примерно до 12,5 В), что сокращает нагрузку на двигатель с последующим уменьшением выбросов.

Однако надо понимать, что регенеративное торможение эффективно только в том случае, если у аккумуляторной батареи есть запас по емкости для поглощения заряда, создаваемого генератором во время замедления. Если бы АКБ была полностью заряжена, образовавшаяся электрическая энергия была бы потрачена впустую, и поэтому ЭБУ стремится поддерживать уровень заряда батареи примерно на 80% (достаточно низкий, чтобы обеспечить необходимый запас по емкости, но достаточно высокий, чтобы гарантировать запуск двигателя в случае необходимости).

 


Посмотрите похожие материалы: