База для гибрида есть: российские разработки

Гибридные силовые установки находят все более широкое применение в коммерческом транспорте — это факт. О том, как автомобильный мир стремится к снижению энергопотребления и повышению экологичности, мы уже много раз рассказывали. Однако новая активность именно российских производителей заставила вернуться к этой актуальной теме

Несмотря на изменение экономических реалий, рынок электротранспорта в России продолжит развиваться. Об этом было заявлено на расширенном заседании подкомитета по стратегическим инновациям в автомобильной сфере ТПП РФ. Куда расти нашей стране, понятно из статистики: в 2013 году парк электромобилей и гибридов в России не превышал 1 тыс. единиц. Для сравнения, парк аналогичных транспортных средств в странах ЕС составляет около 800 тыс. единиц, а в США — превышает 2 млн.

Летом 2014 года Минэкономразвития по поручению правительства подготовило план развития рынка электромобилей в России, который будет предусматривать налоговые и таможенные меры поддержки развития экологически чистого транспорта. Уже к концу этого года правительство должно определиться со снижением цен на электромобили и гибриды, а также со стимулированием локализации и создания сервисной инфраструктуры.

Тягу на ведущих колесах Ducato обеспечивают два электродвигателя МК-20

Отечественный автопром, конечно, тоже не останется в стороне. В качестве подтверждения стоит упомянуть активное развитие технологической платформы «Экологически чистый транспорт «Зеленый автомобиль»». Ее успехи были представлены на Московском международном автосалоне «ММАС — 2014» в экспозиции ГНЦ РФ «НАМИ», главного координатора проекта.

Целью технологической платформы, состав которой насчитывает более 60 участников, является создание устойчивых в долгосрочной перспективе конкурентных преимуществ в области производства, эксплуатации и утилизации экологически чистого автомобильного транспорта.

В рамках отчета о ходе реализации проекта НАМИ представил на «ММАС — 2014» как концептуальные, так и уже частично реализованные решения в области создания высокоэффективных источников и накопителей энергии, тяговых электроприводов, а также технологий использования газомоторного топлива.

Система управления позволяет точно регулировать скорость вращения и момент левого и правого электродвигателя в зависимости от режима движения

Особого интереса заслуживает работа ООО «ТЭЭМП» (Товарищество энергетических и электромобильных проектов) — инжиниринговой компании, входящей в холдинг РОТЕК. Специалисты ТЭЭМП, имеющие опыт работы в оборонной и ракетно-космической отраслях, не первый год ведут исследования в области безредукторных электроприводов и рекуператоров на базе суперконденсаторов. К настоящему моменту на экспериментальных площадках, которые действуют в Королеве и Москве, налажено изготовление прототипов двух базовых энергокомпонентов: мотор-колес и импульсных накопителей, позволяющих эффективно рекуперировать электроэнергию, вырабатываемую в режиме торможения. Об этих компонентах далее и пойдет речь. Сразу сделаем оговорку: наш рассказ — о решениях для внутригородских и пригородных перевозок, поскольку именно они отличаются наиболее неэффективным потреблением моторного топлива и повышенными выбросами в атмосферу.

ГДЕ СКРЫТЫ РЕЗЕРВЫ

В портфеле готовых решений ООО «ТЭЭМП» сразу четыре энергосберегающих безредукторных тяговых автомобильных привода.

Модельный ряд начинается с мотор-колеса МК-2,5, которое привязано по габаритам к 13” шинам и характеризуется максимальной мощностью 5 кВт и моментом 160 Нм. А вершина модельного ряда — мотор-колесо 2МК-100 с водяным охлаждением для мостов с 22,5” ошиновкой. Кстати, один такой электропирвод выдает в пике 210 кВт и 5500 Нм.

Размерный ряд мотор-колес ТЭЭМП по мощности, варианты от 5 до 100 кВт

Все безредукторные электроприводы ТЭЭМП имеют оригинальную конструкцию: статор с катушками фиксируется на цапфе, а ротор с постоянными магнитами (Nd-Fe-B) соединен со ступицей колеса. Выполненный в виде П-образного обруча ротор образует с катушками двухзазорную магнитную систему (оформлен патент), которая позволяет при равных габаритах получать больший крутящий момент, чем у обычных двигателей с однозазорной конструкцией. Но это еще не все: правильно подобранное соотношение числа зубцов статора к числу полюсов ротора позволяет повысить КПД и снизить виброакустические помехи, характерные для такого рода электродвигателей. Например, портальный мост для автобусов на базе мотор-колес 2МК-40 ТЭЭМП позволяет конкурировать с предлагаемым на рынке мостом ZF AVE 130 по весу, общему КПД и длине.

В компании заявляют, что применяемые технические решения позволяют масштабировать привод и получать мощности от 10-1 до 103 кВт, полностью перекрывая, таким образом, весь необходимый диапазон для выпускаемой и перспективной продукции автомобильной техники.

В сегменте тяжелого коммерческого транспорта уже найдены взаимные интересы с ОАО «КАМАЗ». Из примеров — начало работ по созданию гибридов на базе городского автобуса HефАЗ-52994 и бортового автомобиля КАМАЗ-65117 с использованием приводов МК-50 и 2МК-100. Имеются интересные решения и для LCV, например, микроэлектробус на базе Fiat Ducato, который компания использует как полевую лабораторию. Электромобиль Fiat Ducato выполнен с минимальными изменениями конструкции. Привод на передние ведущие колеса обеспечивается двумя электродвигателями МК-20 суммарной мощностью 110 кВт. Машина получила систему управления электроникой второго уровня, которая позволяет более эффективно управлять частотой вращения, мощностью и крутящим моментом (момент на правом и левом колесе меняется еще и в зависимости от поворота руля). Максимальная скорость электробуса — 80 км/ч (по ограничителю), полная масса — 4,3 т, а пробег без подзарядки — 140 км.

В приводе внутриобъектового электромобиля ЛЭТС-500 используется 4 мотор-колеса МК-2.5

Серьезных успехов компания ТЭЭМП добилась в разработке импульсных супеконденсаторов (ИСК). Самое время пояснить, что ИСК, в отличие от литий-ионных батарей, которые применяются в схемах последовательного гибрида, обеспечивают более быстрое накопление энергии рекуперации (при торможении) и служат более подходящим источником импульсной энергии (при разгоне). К тому же ИСК-модули дешевле в сравнении с литиевыми батареями. Вот почему именно ИСК так перспективны в последовательных гибридах, у которых значительная доля энергобаланса (10–20 %) приходится на режим рекуперации. Другой любопытный факт касается мирового рынка суперконденсаторов. По прогнозам SNE Research, объем продаж сверхбольших накопителей энергии, к которым относится продукция ТЭЭМП, за период с 2009 по 2020 год должен увеличиться более чем в 30 раз и приблизиться к $641 млн.

Фишка ТЭЭМП — это фильтрпрессная технология сборки ИСК. Если ведущие мировые производители в основном используют баночную конструкцию с цилиндрическую формой корпуса, то специалисты ТЭЭМП предложили специальную технологию плоских конденсаторов: первоначально намотанная на цилиндр конденсаторная лента аккуратно сжимается и приобретает призматическую форму (конструкция запатентована). Такие альтернативные элементы собираются модули без всяких соединительных проводов. Характеристики ИСК улучшаются, а трудоемкость изготовления и себестоимость уменьшаются. Для справки: ИСК призматической конструкции в ламинированном корпусе, по сравнению с таким же компонентом в цилиндрическом исполнении, имеет меньшее на 40 % количество деталей, а главное — уменьшенную в несколько раз трудоемкость изготовления, что сказывается на конечной цене.

Разработанные модули способны составить достойную конкуренцию импортной продукции, в первую очередь благодаря меньшей стоимости (диапазон цен ИСК на рынке $24–38/Вт·ч, ИСК ТЭЭМП <$15/Вт·ч).

Селектор выбора направления движения Электро-Ducato

ПОТРАТИТЬ, ЧТОБЫ СЭКОНОМИТЬ

«Мы дошли до того момента, что автопром может начать переход к массовому производству, а города — к массовой эксплуатации последовательных гибридов на отечественных базовых энергетических компонентах», — отметил Анатолий Долголаптев, генеральный директор и научный руководитель ООО «ТЭЭМП». Причем вопрос достижения результата, по мнению руководителя компании, сегодня исчисляется не пятилетками. Перейти на серийное изготовление мотор-колес и суперконденсаторов займет не больше года-полутора.

Проще ситуация с мотор-колесами, где используются классические элементы электротехники. Такой заказ можно разместить на предприятиях, например, из ракетно-космической сферы или оборонного комплекса. А вот для масштабного выпуска суперконденсаторов потребуется строительство нового предприятия, пусть небольшого, но со специфическим оборудованием.

Однако снизить исходную стоимость компонентов для экологически чистого транспорта — это хоть и важная, но не единственная задача.

Энергетический модуль М-ИСК ТЭЭМП создан на основе запатентованной рулонно-призматической конструкции отдельных суперконденсаторов

Второй значимый момент — достичь приемлемых показателей стоимости владения. Расчеты компании в этой части сводятся к следующему. Совместное использование продуктов ТЭЭМП — безредукторных приводов и электронакопителей на ИСК — в составе последовательного гибрида позволяет снизить суммарные показатели энергопотребления и выбросов на 30–35 % за счет экономии в приводах, рекуперации (увеличивает ресурс тормозной системы) и работы силовой установки в экономичном режиме. Значительное снижение совокупной стоимости владения предлагаемых последовательных гибридов за счет снижения затрат на энергоносители и цен на базовые компоненты отечественного производства определяет малую длительность окупаемости, по расчетам ТЭЭМП — всего 2–2,5 года. Все это позволяет прогнозировать массовое применение последовательных гибридов как крупными, так и мелкими перевозчиками.

Таким образом, сегодня отечественный автопром получает очередную возможность создания энергосберегающего, экологичного гибридного транспорта, причем экономически конкурентного с традиционным.

Мотор-колесо на гибриде «Мишка», проекте ОАО «АСМ Холдинг» 1997 года

Проблема в одном: спрос на гибридные автомобили довольно низок — из-за того, что они сложнее и дороже автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. А еще — обслуживание не налажено. Удастся ли участникам платформы «Зеленый автомобиль» побороть этот стереотип?

Суперконденсаторы - модули
	Maxwell P056 B03	Maxwell P048 BXX	Maxwell P016 B01	NESSCAP 86V	ТЭЭМП МИСК-50
Напряжение (ном.), В	56	48,6	16	86,4	50
Сила тока (ном.), A	100	100	100	91,2	80
Сила тока (макс.), А	1800	1900	2000	2030	1000
Емкость, Ф	130	165	500	93	100
Емкость, Вт·ч	56,6	53	17,78	96,4	34,73
Удельная энергоeмкость, Вт·ч/кг	3,1	3,9	3,23	3,71	4,04
Удельная мощность, кВт/кг	2,6	3,3	2,7	-	5,8
Внутреннее сопротивление, мОм	8,1	6,3	2,1	< 7,5	6
Масса, кг	18	13,5	5,51	26	8,6
Рабочий интервал температур, С°	от -40 до +70	от-40 до +70	от-40 до +65	от-40 до +65	от-40 до +45
Ресурс, циклы	1 000 000	1 000 000	1 000 000	1 000 000	1 000 000
Цена (массовое производство), $/Вт·ч	28,72	33,07	33,47	>24	<10

Все исследования в ТЭЭМП проводятся на самой современной стендовой базе

Безредукторные автомобильные приводы (мотор-колеса)
	МК-2,5 ТЭЭМП	МК-20 ТЭЭМП	PD18-3 PROTEAN-ELECTRIC	SM440 The Wheel	МК-50 ТЭЭМП	2МК-100 ТЭЭМП	SM530 ZAwheel
Напряжение, В	120	360	380	н.д.	600	600	600
Диапазон скоростей вращения, мин-1	0–500	0–550	0–1000	н.д.	0–600	0–500	0–485
Посадочный диаметр шины, дюймов / диаметр двигателя, мм	13 / 277	20 / 452	20 / н.д.	18 / н.д.	22,5 / 484	22,5 / 526	22,5 / н.д.
Длина двигателя, мм	111	172	н.д.	263	230	500	ок. 700
Pном. / Pмакс., кВт	2,5 / 5	30 / 55	64 / 81	50 / 90	50 / 100	110 / 210	113 / 182
Мном. / Ммакс., Нм	80 / 160	800 / 1600	500 / 800	550 / 800	1500 / 3000	2700 / 5800	2700 / 6000
КПД, %	92	94	н.д.	86	>92	>92	92
Масса со ступицей, кг	18	70	71	70	180	300	485
Удельная мощность, (ном./макс.) кВт/кг	0,14 / 0,28	0,4 / 0,71	0,9 / 1,1	0,71 / 1,28	0,28 / 0,56	0,36 / 0,7	0,23 / 0,38
Удельный момент, (ном./макс.) Нм/кг	4,4 / 11,1	11,4 / 22,9	7 / 11,2	7,9 / 11,4	8,3 / 16,6	9 / 19,3	5,6 / 12,4
Охлаждение	Естественное	Жидкостное	Жидкостное	Жидкостное	Жидкостное	Жидкостное	Жидкостное

ИДЕЯ НЕ НОВА

В 2008 году Ликинский автобусный завод (Группа ГАЗ) совместно с компанией «Русэлпром» построил опытный образец гибрида на базе 12-метрового городского автобуса ЛиАЗ-5292. В качестве силового агрегата использовался 185-сильный дизель Cummins. Машина так и осталась в единственном экземпляре. Зато в 2010 году появилась гибридная версия 8-метрового ПАЗ-3237. Сообщалось, что его производство начнется в первой половине 2011 года.

В 2010 году завод «Тролза» выпустил гибридный Тролза-5250 «Экобус», разработанный на базе серийного троллейбуса Тролза-5256 «Мегаполис». В качестве силовой установки используется газовая микротурбина, топливо — метан, а система накопления энергии — конденсаторная. Известно, что выпущено порядка 10 экземпляров этой машины, они работают в Краснодаре и Энгельсе.

В 2011 году Нефтекамский автозавод изготовил опытный образец гибридного автобуса на шасси КАМАЗ-5297Н. В компании сразу заявили, что спроса на эту модель нет, но в случае его возникновения обещали сразу запустить гибридный автобус в серию. Эксперты назвали этот проект «больше имиджевым», ведь именно тогда Министерством промышленности и торговли РФ был объявлен тендер на разработку гибридных автомобилей, и ОАО «КАМАЗ» в нем участвовало.