Прототип полнофункционального комплекта оборудования и программного обеспечения для перевода на электрическую тягу грузового и пассажирского автотранспорта.
Результат достигнут за счет оригинальных технических решений в области проектирования трансмиссии со встроенным в ведущий мост электродвигателем. Установка тяговой платформы позволяет значительно снизить потребление энергетических ресурсов транспортного средства, а также загрязнение атмосферы в городском цикле.
При внедрении Комплекта устанавливаются следующие базовые элементы платформы:
Изделие предназначено для установки в троллейбусах (при их модернизации) путем встраивания в ведущий мост оригинальных вентильных тяговых электродвигателей, имеющих малые габаритные размеры и высокие мощностные характеристики, а также установка бортовой информационно- управляющей системы (БИУС). Это позволяет снизить энергопотребление и защитить двигатель от влаги. Встраивая на полуось несколько двигателей, распределяя их по длине, можно гибко управлять мощностью.
Данное изделие является типовым и может быть установлено в любую из существующих моделей троллейбусов. Модернизация транспортного средства производится без изменения конструкции кузова, силовых элементов, основной тормозной системы (в соответствии с Техническим регламентом о безопасности колесных транспортных средств, утвержденный постановлением Правительства Российской Федерации от 10 сентября 2009 г. № 720).
Данное решение может быть применено (с некоторой доработкой) для установки при модернизации в транспортных средствах, грузовых и пассажирских (ТС), работающих на ДВС, путем замены трансмиссии ТС на новую, аналогичную предложенной в составе комплекта. При этом ДВС с генератором будут выполнять функции электростанции для питания электродвигателей моста. Перевод этих ТС на электрическую тягу в городском цикле обеспечит значительную экономию топлива.
Данное изделие позволяет реализовать гибридную схему энергоустановки транспортного средства (ДВС/аккумулятор большой емкости). Очевидно, что для питания электродвигателей моста может быть применен любой источник (по выбору водителя или автоматически) – либо генератор, работающий от ДВС, либо аккумулятор.
Технической основой решения заявителя является электродвигатель, имеющий неподвижный якорь и вращающийся корпус, выполняющий роль ротора. Конструкция нового электродвигателя позволяет встраивать на одну полуось несколько электродвигателей, распределяя их по длине, что в свою очередь дает возможность в конкретный момент времени использовать мощность того количества электродвигателей, которое необходимо. Это дает возможность использовать приводы в наиболее оптимальном режиме. Решение также позволяет обеспечить значительное снижение электропотребления тяговыми электродвигателями. Кроме того, повышается надежность транспортного средства – при отказе одного двигателя или схемы управления транспортное средство способно передвигаться на оставшихся в исправном состоянии агрегатах.
Традиционные решения (размещение тягового электродвигателя в подкузовном пространстве и мотор-колесо) исключаются по следующим причинам:
необходима доработка силовых элементов кузова для подвеса тягового электродвигателя;
установка тягового электродвигателя путем доработки кузова приводит к повышенным вибрациям во время работы электродвигателя;
в случае работы транспортного средства от контактной сети в условиях повышенной влажности, осадков, высокого уровня воды над дорогой возможна «токоутечка», которая сопровождается появлением высокого напряжения на кузове и риском поражения пассажиров электрическим током;
в низкопольных транспортных средствах, количество которых постоянно увеличивается тяговый электродвигатель располагается в заднем свесе подкузовного пространства, что увеличивает нагрузку на силовые элементы кузова.
в случае работы от контактной сети мотор – колеса невозможно обеспечить электроизоляцию.
Размещение тяговых электродвигателей в пространстве ведущего моста транспортного средства. Необходимый пусковой момент обеспечивается бортовым редуктором с рассчитанным передаточным отношением. Бортовой редуктор представляет собой планетарную передачу. На каждую полуось устанавливается, по крайней мере, один тяговый электродвигатель.
До недавнего времени, такое решение было проблематичным из-за несоответствия массогабаритных и мощностных характеристик существующих электродвигателей. В настоящее время создан образец вентильного низкооборотистого высокомоментного электродвигателя, который в габаритах 400х50 мм выдает мощность 15 кВт. Двигатель легко масштабируется. Уход от щеточного узла обеспечивается тем, что вращающимся элементом является магнитопровод, выполненный в виде кольцевого многополюсного магнита. Таким образом, в заднем мосту исключается центральный редуктор и размещаются тяговые электродвигатели, т.е. получается ведущий мост с интегрированным тяговым электродвигателем.
Неотъемлемой частью платформы является система управления тяговым электроприводом (в общем случае бортовая информационно-управляющая система), предназначенная для:
управления тяговыми электродвигателями в режиме разгона;
управления тяговыми электродвигателями в режиме равномерного движения;
управления тяговыми электродвигателями в режиме торможения (обеспечение режима электроторможения, появляется дополнительная система торможения);
управления тяговыми электродвигателями в режиме поворота;
управления режимом рекуперации электроэнергии;
обеспечения режима ABS, EBS.
Основными трендами внедрения подобных систем являются следующие:
Внедрение на транспорте на электрической тяге, запитываемой либо от контактной сети, либо от батареи большой емкости.
Внедрение на транспорте на ДВС путем перевода его на электрическую тягу, запитываемую от генераторной установки, размещенной на транспортном средстве и приводимой в движение ДВС.
Внедрение транспорта, способного передвигаться как на электрической тяге, так и за счет передачи усилия на ведущие колеса от ДВС – гибридные транспортные средства.
Троллейбусные системы в настоящее время получают новый импульс развития по направлениям, связанным, в основном, с оптимизацией работы с контактной сетью:
Троллейбусы с суперконденсаторами и аккумуляторными батареями большой емкости. Весь маршрут не оснащен контактной сетью, зарядка происходит на остановках путем поднятия токоприемников на контакты зарядного устройства. Системы распространены в Швеции и Китае;
Троллейбусы с удлиненным автономным ходом. Основную часть маршрута троллейбус движется по контактной сети. За счет аккумуляторов повышенной емкости часть маршрута может быть пройдена без контактной сети. Система развивается в России в Новосибирске;
До появления Li-Ion аккумуляторов с титановым анодом данное направление не развивалось, т.к. обычные Li-Ion аккумуляторы (LiFePO4) имеют такие недостатки, как невысокая удельная емкость, разгонный эффект, ограниченный температурный рабочий диапазон, ограниченное число циклов заряда-разряда, вероятность взрыва при температуре свыше 160 С и т.п.
Новым направлением развития предыдущего тренда является размещение энергетической установки на транспортном средстве. Такая компоновка силового привода называется последовательным гибридным приводом. Аналогичные решения были применены в разработках ЗАО «Тролза», г. Энгельс и ОАО «Башкирский троллейбусный завод», г. Уфа. Были выпущено несколько образцов, но широкого применения машины не нашли.
Наиболее полно реализуются преимущества гибридного привода при обеспечении возможности подключения трансмиссии к электроприводу или ДВС по выбору водителя. Существует большое количество разработок отечественных и зарубежных, реализованных в военной технике. Наиболее активно над созданием гибридных силовых установок работают североамериканские производители в сотрудничестве с крупными энергетическими компаниями и национальными лабораториями EPRI, General Electric, NREL, INEEL, ISE Research и др. В США и Канаде эксплуатация автобусов с гибридными энергоустановками началась в 1997 г. В настоящее время работают тысячи гибридных автобусов, первичными источниками энергии которых служат как ДВС, так и аккумуляторы. Интенсивные разработки ведут фирмы из Японии, Южной Кореи и Китая. В Японии гибридные автобусы впервые выпустила в 1991 г. компания Hino Motors. Крупнейший китайский производитель Shanghai Automotive Industrial Corp. создал совместное производство гибридных автобусов с General Motors. Другой китайский производитель FAW, второй по обороту в КНР, начал производство гибридных автобусов с параллельной гибридной системой по технологии компании Enova (США) в 2005 г. Характеристики автобуса: экономия топлива - 38%, сокращение выхлопов на 30%.
Нами проведены работы по установке на троллейбусы ключевой системы БИУС - новой системы управления на IGBT – транзисторах. Результаты внедрения только одного элемента тяговой платформы приведены в протоколах испытаний.
Применение новой системы управления обеспечивает повышение комфортности и безопасности перевозок, снижение потребления электроэнергии на тягу.
Испытания, проведенные заявителем, при установке на троллейбусы в гг. Калуге, Пензе и Санкт- Петербурге подтвердили снижение энергопотребления на тягу от 38% (Калуга) до 52% (Санкт- Петербург). При этом средний расход электроэнергии на тягу составил от 1,2 кВт*час/км (Калуга) до 0,9 кВт*час/км (Санкт-Петербург).
