До недавнего времени, проблемой для внедрения гибридного привода в конструкции автобусов являлась высокая стоимость подобных схем, вызванная, в частности, ценой на силовую электронику, электрические машины и накопители электроэнергии. Однако в настоящее время, разработаны как экономически оправданные преобразовательные силовые устройства и электрические машины для автотранспорта, так и эффективные накопители электрической энергии. Все это позволяет создать экономически оправданную систему гибридного привода.
В качестве базового варианта рассматривается дизельный двигатель, однако он может быть легко заменён на бензиновый или газовый ДВС. Комплект тягового электрооборудования может использоваться и с перспективными энергетическими установками на топливных элементах, солнечных батареях и т.п. При этом изменения, которые должны быть внесены в схему, будут минимальны.
Наиболее активные работы по созданию гибридных силовых установок и автобусов проведены североамериканскими производителями автобусов в сотрудничестве с крупными энергетическими компаниями и национальными лабораториями EPRI, General Electric, NREL, INEEL, ISE Research и др. Разработка и производство ведется согласно государственным программам «The 21st Century Truck Program (21CT) and the U.S. Department of Energy (DOE) Advanced Heavy Vehicle Hybrid Propulsion System R&D Program (Heavy Hybrid Program). В 2002 году по заказу министерства энергетики США национальная лаборатория NREL провела анализ разработок гибридных грузовиков и автобусов различных типов с целью определения концепции построения гибридных силовых установок для городского и пригородного транспорта.
Принципы гибридного привода
Известно, что в городском цикле движения автобуса, особенно в крупных городах, при резко переменном характере нагрузок, частых остановках, многократных торможениях, двигатель автобуса работает далеко не в оптимальном режиме. Значительная часть топлива сжигается впустую, выбросы в атмосферу угарного газа, двуокиси углерода, других вредных веществ и твердых частиц превышают нормы экологичности работы транспортных средств.
Самым эффективным на сегодняшний день и ближайшую перспективу решением по экономии топлива и снижению уровня выброса вредных веществ является применение в городских маршрутных автобусах комбинированной (гибридной) энергетической системы – гибридного привода. Под гибридной энергоустановкой принято понимать наличие на транспортном средстве двух источников энергии – двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и накопителя энергии. Наиболее экономически и технически целесообразными являются дизель-электрические энергоустановки.
Использование подобных автобусов позволяет добиться уникального уровня экономичности, экологической чистоты, при всё возрастающих требованиях по выбросам в атмосферу вредных веществ, и при этом обеспечить повышение комфортности и управляемости. Применение гибридной энергоустановки позволяет:
снизить в 10 раз уровни выбросов вредных веществ ( CO, CO2, NOx, HC и др.);
обеспечить экономию топлива от 25% до 50 %;
обеспечить запуск ДВС, генерацию и рекуперацию электроэнергии с накоплением и последующим использованием ее;
использовать ДВС меньшей мощности ( до 30 % снижение мощности по сравнению с традиционной схемой) при сохранении момента на колесах;
организовать работу ДВС в оптимальном по топливной эффективности и выбросам режиме;
осуществить автономный ход на электротяге, используя только энергию накопителя;
повысить комфортность автобуса (снизить шум, вибрацию, улучшить управляемость, создать «электронные КПП, АБС» и т.д.);
повысить надежность и ресурс механической системы торможения и работы автобуса в целом.
[/u] Гибридный привод РУСЭЛПРОМ
Предприятия Российского электротехнического концерна «РУСЭЛПРОМ» - ООО «Русэлпром - Электропривод» и ОАО «НИПТИЭМ» по заказу ООО «ЛиАЗ» (дивизион «Автобусы» группы «ГАЗ») выполнили разработку комплекта тягового электрооборудования для городского маршрутного автобуса на основе новой модели низкопольного городского автобуса ЛиАЗ-5292.
В ходе разработки пройдены необходимые этапы математического моделирования, разработки схемотехники и конструкции комплекта тягового электрооборудования (КТЭО), выполненного последовательной схеме: генератора, тягового двигателя, силовой и управляющей электроники, вспомогательных систем питания и охлаждения. Создан испытательный стенд для наладки и испытаний силовой электроники, электрических машин, отработки алгоритмов управления, программного обеспечения контроллеров электропривода и контроллера верхнего уровня для оптимального управления потоками мощности дизеля и накопителя в режимах тяги и торможения. Изготовлены и испытаны на стенде все составные части КТЭО и весь комплект в целом, включая накопитель энергии, выполненный на основе суперконденсаторов фирмы Maxwell.
Весь комплект смонтирован на автобус ЛиАЗ-5292, в составе которого проводятся заводские и полигонные испытания. Экспериментальный образец такого автобуса, демонстрировавшийся на международном автомобильном форуме в Москве 8-12 сентября 2008 г. занял первое место и получил звание «Лучший автобус России 2008 года».
Созданный комплект может легко адаптироваться под применение в современных и перспективных отечественных автобусах различных производителей, различных модификаций ( например, «Мичуринский автобус» модель 5277, НефАЗ-5299, «Волжанин» модель Ситиритм-12, ПАЗ-3237, МАЗ-103, МАЗ-203). Последовательная схема наиболее проста в разработке, внедрении, адаптации, оптимальна для городского маршрутного автобуса, экономически наиболее оправдана, что подтверждается опытом мировых и европейских производителей.
Городской автобус с КТЭО РУСЭЛПРОМ удовлетворяет как современным, так и перспективным требованиям:
по экологичности работы транспортных средств не ниже Евро-4 по Правилам ЕЭК ООН № 49 (04);
по экономичности – будет иметь транспортную норму расхода топлива не более 30 л/ 100 км при движении в городском цикле ( экономия не менее 25% по сравнению с базовым автобусом);
по управляемости и комфортности – превышать базовый автобус по плавности разгона и торможения, характеристикам управляемости, шумности работы;
по показателям надежности – иметь среднюю наработку на отказ не менее 100000 часов, вероятность безотказной работы КТЭО за время наработки 1000 часов не менее 0,995 при экспоненциальном законе распределения отказов по времени.
Разработанный для автобуса ЛиАЗ-5292 КТЭО включает:
- тяговый асинхронный генератор (мотор – генератор) переменного тока (М-Г);
- тяговый асинхронный двигатель (ТАД);
- силовые преобразователи с микропроцессорной системой управления (СП) для АМ-Г и ТАД;
- буферный накопитель на основе электрохимических конденсаторов (ЭК) -суперконденсаторов;
- контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой с органами управления и отображения информации в кабине водителя;
- тормозной резистор с чоппером;
- систему питания собственных нужд оборудования КТЭО.
*) Примечание: Силовые преобразователи, тормозной чоппер с микропроцессорными системами управления и системой питания собственных нужд размещены в едином блоке силовой электроники (БСЭ).
Компоненты гибридного привода РУСЭЛПРОМ
Функциональная схема взаимодействия составных частей комплекта тягового электрооборудования, выполненного по последовательной схеме, имеет следующий вид:
Желтыми стрелками показано направление потоков мощности при разгоне и движении автобуса, коричневым цветом – направление потоков мощности при торможении и остановке, а также при запуске ДВС от накопителя энергии при помощи М-Г.
Рассмотрим аргументы в выборе устройств для реализации отдельных элементов КТЭО.
В качестве АМ-Г и ТАД разработаны, изготовлены и испытаны асинхронные машины. Предпочтение отдано асинхронным низковольтным трехфазным двигателям, так как они простоты по конструкции и обладают уникальными эксплуатационными качествами: имеют большой срок службы, просты в обслуживании и ремонте, отсутствие подвижных электрических контактов обуславливает их высокую надёжность.
В качестве силовых преобразователей - СП М-Г и СП ТАД использованы интеллектуальные интегральные модули трехфазного мостового преобразователя SKAI фирмы Semikron. В состав силового интеллектуального модуля входят силовые ключи на IGBT-транзисторах с антипараллельными FRD-диодами, схемы защиты силовых ключей и формирователи импульсов управления (интеллектуальные драйверы), конденсатор шины постоянного тока, датчики тока, напряжения и температуры. Силовые ключи и технология прижимного контакта фирмы Semikron имеют лучшие характеристики в своем классе и лучшие показатели надежности, устойчивости к энерготермоциклам, что особенно важно для транспортных применений. Модуль имеет чрезвычайно малую внутреннюю паразитную индуктивность, что позволяет строить на нем преобразователь с повышенным напряжением звена постоянного тока (до 900В при IGBT на 1200В). Уникальная конструкция модуля SKAI, специально разработанного для применения в системе тягового привода на автотранспорте, имеет лучшее соотношение цена / качество и позволяет строить преобразователь с возможностью изменения направления передачи мощности – возбуждение асинхронного генератора, управление генератором в режиме двигателя при пуске дизеля и при торможении автобуса, управление тягой асинхронного двигателя и его генераторным режимом при торможении автобуса.
Для управления модулями SKAI разработана плата микроконтроллера управления на базе аналого-цифрового сигнального процессора, в котором реализованы оригинальные алгоритмы векторного управления моментом и скоростью. На фото показано размещение блока силовой электроники (в режиме отладки) с СП М-Г, СП ТАД в заднем свесе автобуса ЛиАЗ-5292 со стороны салона:
Улучшение экономических и экологических показателей работы энергоустановки автобуса с КТЭО обусловлено качественно другим режимом работы ДВС в ее составе. Дизельный двигатель будет работать в стационарном режиме, оптимальном по экономии топлива и выбросам вредных веществ. Применение дизеля меньшей мощности в гибридном автобусе по сравнению с серийным, возможность рекуперации энергии при торможении, движении накатом или сбросе скорости позволит сэкономить до 50% топлива. Управляемость гибридного автобуса и комфортность его обеспечивается скоростью реакции системы органов управления и электропривода на управляющие воздействия водителя, которая для электрической системы на порядок превышает скорость реакции механической или гидромеханической системы. Шумность тягового оборудования снизится за счет исключения механической связи между ДВС и колесами (половина элементов механической трансмиссии) и применения ДВС меньшей мощности по сравнению с традиционной схемой. Применение электронной системы управления тяговым приводом позволит реализовать функции управления и сервиса, недоступные на обычном транспортном средстве.
Мнения специалистов о разработках РУСЭЛПРОМ
По оценкам специалистов дивизиона «Автобусы» группы «ГАЗ» увеличение стоимости автобуса на стоимость КТЭО с учетом уменьшения стоимости дизеля меньшей мощности, удаления автоматической коробки передач и т.п. только за счет экономии топлива в 25 % окупится через 100 – 120 тыс. км пробега. А если учесть снижение эксплуатационных затрат на обслуживание, ремонт и расходные материалы, повышение ресурса работы дизеля, а также снижение уровня выбросов почти в 10 раз городской автобус с гибридной силовой установкой не зря считают пожалуй единственным экономически и технически оправданным путем получения экономии топлива и экологической чистоты на городском автомобильном транспорте.
Совершенно очевидно, что создаваемый автобус с комплектом тягового электрооборудования для последовательной гибридной электромеханической трансмиссии будет конкурентоспособным по соотношению цена/качество не только на внутреннем, но и на внешнем рынке.
Рынок городских автобусов с гибридной установкой
Зарубежный рынок городских маршрутных автобусов с гибридной силовой установкой оценивается в 10 000 автобусов в год. При средней цене таких автобусов 400 тыс. ЕВРО ежегодный (начиная с 2010 года) объем продаж составит около 4 млрд. евро (около 150 млрд. рублей).
P.S. Историческая справка:
К сожалению, состояние российских разработок в данной области пока оставляет желать лучшего. И это несмотря на то, что до 1990-х годов СССР занимал одно из лидирующих мест в разработке транспортных средств с электроприводом. Так, еще в 1947-49 гг. в СССР выпускался серийный гибридный автобус с последовательной схемой постоянно-постоянного тока ЗИС-154 (выпущено более 1000 автобусов). Еще одним примером разра-ботки подобного транспортного средства может служить микроавтобус РАФ с энергетической установкой на воздушно-водородных топливных элементах и накопителях на Ag-Zn аккумуляторной батарее, показанный на международной московской выставке в 1982 г.
Вообще, в России проводилось немало разработок современных тяговых приводов для автотранспорта. Научные работы подобной тематики велись НАМИ, НАТИ, НП Росэлектротранс, соответствующими кафедрами МЭИ (ТУ), МВТУ им.Баумана, МИФИ, рядом научно-производственных предприятий и организаций. Существенные усилия по разработкам и внедрению экологически чистого транспорта (электротранспорта) прилагало Правительство Москвы. Так, им была принята городская целевая программа использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте города на 2002-2004 годы. В рамках этой программы разрабатывалась конструкция комбинированной энергоустановки для городского автобуса большой вместимости «Московит» (170 пассажиров, разработчик - ЗАО «ОПТИМУМ-ЭЛЕКТРО», совместно с МИФИ). Предполагалось оснащение сочленённого автобуса (аналог – двухсекционный «Икарус-435») асинхронным тяговым приводом, при уменьшении почти вдвое мощности ДВС и до 2,5 раз расхода топлива в городском цикле движения. Рядом московских организаций при участии городских комитетов науки и промышленной политики (науки и технологий), транспорта и связи, экологии было разработано и профинансировано несколько программ по созданию и внедрению электромобильной техники. НИОКР по тематике запланированы в программе прикладных научных исследований и проектов в интересах города Москвы на 2006-2008 годы.
В настоящее время ряд НИОКР по тематике электротранспорта и водородного транспорта (в т.ч. создание пилотного образца низкопольного электробуса малого класса, универсальной транспортной платформы для грузового автомобиля) ведутся ФГУП НАМИ и ОАО «Корпорация Компомаш». По заказам Правительства Москвы проводятся и работы по созданию элементов для тягового электропривода (батарей, суперконденсаторов, топливных элементов). Создан макетный образец транспортной платформы с мотор - колесами с приводом от синхронных двигателей с постоянными магнитами, накопителем на основе суперконденсаторов и силовым преобразователем на IGBT. Работы по созданию химических источников тока, топливных элементов проводятся и в рамках Федеральных целевых программ «Национальная технологическая база» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».
Однако во-первых, практически ни одна из разработок не получила внедрения в массовое производство, во-вторых, разрабатывались комплекты для легковых (АО «АвтоВАЗ») и грузовых электромобилей (проекты ЗИЛ-Электро, ГАЗель-Электро), гибридомобилей, микроэлектробусов («Лужок» - АО «КОМТРАНС»), значительно меньше внимания уделялось приводам для автобусов.
Разработки для городских автобусов вели:
- ЦКТ ВВЦ – разработка городского гибридного автобуса на основе комбинированной энергоустановки с бензиновым ДВС, электрогенератором, накопителем на суперконденсаторах,
- ЗАО «ОПТИМУМ-ЭЛЕКТРО», МИФИ – городского автобуса особо большого класса с КЭУ,
ЦНС МВТУ им. Н.Э. Баумана – разработка тяговых приводов для спецтехники, адаптированных в т.ч. для городских электробусов;
- АО «КОМТРАНС» («Корпорация Компомаш») – разработки электробуса, гибридного автобуса;
- ТМЗ – разработка электробуса на базе двигателя внешнего сгорания и гидропневматического рекуператора энергии
- "НИИАЭ"(НииАвтоэлектроники) - электробус "Корнет", прошедший испытания в Зеленограде с тяговым приводом ТЭП-120 кВт на основе синхронного двигателя с постоянными магнитами высоких энергий.
Все разработки были не комплексными, разрабатывались отдельные составные части комплекта тягового оборудования с применением серийных, далеко не оптимальных остальных частей.
Ни одна из разработок не вышла из стадии НИОКР, хотя следует отметить общую тенденцию по увеличению финансирования работ по созданию инновационных транспортных средств и элементов привода для них. Однако и эти работы, по прежнему, не являются комплексными, направленными на создание конечного продукта с оптимальными, взаимоувязанными по техническим и экономическим показателям составными частями.
Таким образом, общей мировой тенденцией в развитии городского маршрутного транспорта является массовое внедрение городских автобусов с комбинированной энергетической установкой на основе ДВС, с перспективой перехода на новые виды первичных источников энергии (газотурбинных установок, топливных элементов и др.), которые обеспечивают большую экономичность, экологическую чистоту, применение альтернативных видов топлива. В ближайшее время крупные российские города (в первую очередь Москва) приступят к закупкам городских автобусов с комбинированными энергетическими установками. Существует опасность того, что эта ниша рынка транспортных средств будет занята европейскими или китайскими производителями, что заблокирует российские разработки тяговых электроприводов и их элементов. С другой стороны, при разумном вложении средств, возможно создание в ближайшее время гаммы транспортных средств с гибридным приводом, имеющих сопоставимые технические данные и экологические показатели, при лучшем соотношении цена/качество. Возможен и экспорт подобной российской продукции в ряд стран, прежде всего СНГ, Восточной Европы, Азии, а также комплектование конечной продукции производителей автобусов Белоруссии и Украины комплектами тягового электрооборудования российского производства.
Хочется верить, что данный проект завершиться успешно, а почин компании "РУСЭЛПРОМ" поддержат другие научные и производственные центры, ведь это только первый шаг и асинхронный привод является не всегда оптимальным, поэтому нет предела совершенству!
По материалам: www.hybrid.ruselprom.ru
