Тема: Електрически двигатели.

[Директора]

За да можем да обърнем внимание на хибридните автомобили, нека погледнем какви качества носят (магнитно) електрическите двигатели:

    *
      Не ползват бензин
    *
      Не ползват въздух
    *
      Не зависят много от външната температура ако е в определени граници (от абсолютната нула до малко под температурата на топене на материалите). Всъщност температурата влияе върху ефективността, но в много по-малка степен отколкото на двигателите с вътрешно горене и то в изключително широки диапазони
    *
      Мощността е в директно отношение с мощността на магнитното поле, или е пряко свързана със силата на тока, материалите и намотките. Повече ток – по-голяма мощност или скорост. Без значение от околната среда и без практическа инертност. Електрически мотор може да достигне до 10000 оборота в минута за части от секундата при достатъчно ток, нещо което дори само поради проблеми с въздухоподаването е невъзможно за двигателите с вътрешно горене
    *
      Електрическите мотори типично са много просто направени. Нямат сложна механика (само една ос, те са по-прости от Ванкеловите мотори с вътрешно горене) и поради това се износват значително по бавно
    *
      Добре изолиран мотор (в добър Фарадеев кафез) може да работи при всякакви условия – дори под вода, в дъжд, жега, -100 градуса студ, без да създава магнитно поле или каквито и да е вредни ефекти. Няма да ги има ефектите на Софийските тролеи – телевизора ви да спира, когато тролея минава наблизо
    *
      Практически безшумен – механиката е много по-проста, няма вибрации и почти не се създава шум

Универсалните електрически мотори могат да работят на прав и променлив ток и спрямо моторите с вътрешно горене са почти вечни при правилна употреба. Нямат нужда от особена поддръжка, нито от много масло, нито от гориво. Предимствата по показатели и конструкция спрямо двигателите с вътрешно горене са много големи.

Защо обаче не са масови? Имаме огромен технологичен проблем в момента – нямаме добра технология за пренос и запазване на електричество. Батериите, с които в момента разполагаме са слаба работа. Другите проблеми са издръжливостта на материала за изработка при големи обороти, или размера и силата на тока при много намотки и малки обороти.
Хибридите

Хибридните системи по идея са как да постигнем хем това в онова, хем душата в рая. Например индиректните (или сериини) хибриди използват двигател с вътрешно горене, който върти динамо и създава ток, който от своя страна задвижва електрически двигател, който задвижва превозното средство. Предимствата на този подход са в това, че нямаме нужда да складираме електричеството – нямаме нужда от батерии. Също така управлението на поведението на колата (намаляване, ускоряване, спиране, тръгване) не влияе много върху двигателя с вътрешно горене – той може да поддържа постоянни обороти в оптимален режим (максимално КПД). Нямаме нужда от променливи отваряния на подаване на въздух, сложни динамични компресии, променливи дължини на рамената в зависимост от оборотите. КПД-то на двете системи заедно е по-високо от това на всяка по отделно.
История

Естествено качествата на електрическите двигатели не са останали незабелязани. Още през 1901-ва година Фердинанд Порше е създал хибридната кола Mixte с която счупил няколко скоростни рекорда по това време (55 км/ч).

Бащата на съвременните хибриди обаче е Хенри Уоук и неговата работа през 60-те и 70-те на 20-ти век.

Първата съвременна произвеждана хибридна кола е Honda Indight от началото на 90-те (тази кола бе спряна от производство миналата година). Първата серийно произвеждана е първа генерация на Toyota Prius за Япония (1997-ма година), а първата произвеждана сериино и продавана извън Япония е отново Honda Indight (продажбите в USA са започнали през 1999-та).
Класификация

Хибридните коли се класифицират в няколко основни типове:

Типове по отношение на задвижването:

Паралелни хибридни системи – това е система при която имаме двигател с вътрешно горене и електрически мотор свързани едновременно към механичната трансмисия. Електрическият мотор се използва основно за ускорение, запалване или за зареждане на батериите (като динамо). Предимството на тези системи е по-голяма мощност за кратко време (по голямо ускорение) и по-голяма маневреност. Недостатъците са – сложна конструкция, загуба на мощност при зареждане на батериите, също така двата двигателя трябва винаги да се въртят едновременно.

Сериен хибрид – при него моторът с вътрешно горене върти на оптимален режим генератор, който захранва електрическият мотор. Основното предимство е опростената механика на трансмисията, и оптималната употреба на двигателя с вътрешно горене. Основните недостатъци са по-малка обща мощност (пиковата мощност е равна на тази само на електрическият двигател, а не на двата двигателя взети заедно). Освен това двата двигателя трябва да работят едновременно през цялото време.

Комбиниран хибрид е хибрид който има едновременно характеристиките на паралелните и на сериините хибриди. Чрез специална конструкция подаването на движение към колелата може да идва от двигателя с вътрешно горене, или само електрическия, или двигателя с вътрешно горене да задвижва генератор за електрическия или да бъде изключен напълно. Тази конструкция дава възможност за оптимално използване на качествата на сериините или паралелните системи, както и позволява използването на по-голям двигател с вътрешно горене, който да се използва когато е необходима по-голяма мощност или на дълъг път, където той може да има по-оптимално поведение.

Типове по отношение на употребата на хибридността:

Пълен хибрид – това е двигател който може да работи само на електрически мотор, само на двигател с вътрешно горене, или използвайки и двете едновременно

Хибрид добавящ мощност – това е голям двигател с вътрешно горене, имащ малък електрически двигател монтиран между първия и трансмисията. Той се използва за запалване или за бързо добавяне на някоя и друга конска сила, когато е необходимо

Лек хибрид – това си е малък електрически двигател използван само за запалване на двигателя с вътрешно горене и евентуално да задвижва автомобилни компоненти като климатика. Неговото предимство е че колата може да изключва и включва двигателя с вътрешно горене при определени обстоятелства (например при дълъг престой на светофар) за да пести гориво.

Plug-in Hybrid – това е пълен хибрид, чиито батерии обаче могат да бъдат зареждани от външен източник на ток. Така при достатъчно мощни батерии тази кола може да се движи изключително на базата на електрическият мотор и да се превърне в напълно електрически автомобил.
Какви са предимствата на хибридната кола?

В идеално състояние съвременната хибридна кола има няколко предимства пред класическите автомобили:

    *
      Отделя значително по-малко CO2
    *
      Харчи по-малко бензин (понякога два пъти по-малко от еквивалентна по мощност кола)
    *
      Може да ускорява много по бързо (ако трансмисията е направена добре една хибридна кола може да ускори по-бързо от всяка класическа – ускорението не изисква задължително въздух)
    *
      Може да има различни поведения – от много спортен режим до изключително икономичен режим
    *
      Някой хибриди (Toyota Highlander hybrid 2008, Европейски и Японски Prius, но не и американски) могат да се карат изключително на електрически ток в продължение на километри, докато мощността на батериите не падне прекалено. Тези коли обикновено имат копче, с което се включват в този режим
    *
      Колата е изключително безшумна

Недостатъците на хибридната кола

Рядко за някоя мода се чуват недостатъците и. Но хибридите имат такива, и то не-малко:

    *
      Профилактика на батериите - съвременните хибриди използват призматични NiMH батерии. Въпреки че тези батерии са много по-добри от цилиндричните, те имат ограничен живот от около 10000 цикъла на зареждане и разреждане. При една нормална употреба тези батерии губят около 10% от мощността си за година (въпреки лабораторните опити на Toyota опитващи се да докажат живот от 300000км без съществена промяна в поведението). Toyota Поради което трябва непрекъснато да се следят и подменят. Toyota например продава с колата профилактика I гаранция в продължение на 7 години (след 10 години колата ще бъде невероятен боклук) и 290000км. Батериите на базата на лития имат значително по-добри характеристики от гледна точка на размер и брой зареждания, но се изпаряват, зависят изключително от околната температура и са взриво и пожаро опасни. Все още няма планирано сериино производство на хибрид с литиеви батерии (Toyota обеща за 2009-та година, но се отказа)
    *
      Батериите заемат много място и са много тежки. В резултат се появяват интересни ефекти – например Lexus RX400h е само 5 местен, защото охлаждането на батериите е поставено там където трябва да бъдат допълнителните седалки. Toyota Prius има малък багажник по обем, защото на дъното му се намират батериите и тяхното охлаждане. Същото важи и за Civic Hybrid
    *
      Въпреки, че Хибридите отделят по-малко CO2, те всъщност не са по-екологично чисти. Хибридните автомобили имат повече части, и за производството им е отделен повече CO2 отколкото те ще спестят за 5 години. Единственото (но маркетингово) изключение е Honda Civic Hybrid, за която от Хонда обещават, че с всеки произведен модел засаждат толкова дръвчета, че компенсират екстра произведеният CO2 и сте на нулата в момента на закупуването (тоест реално пестите). Другият ключов проблем е, че постоянната профилактика на батериите създава изключително много отпадъци, които са отровни и макар да не замърсяват атмосферата тровят всичко друго ако не бъдат складирани правилно и рециклирани. Доколкото в Европа има регулации, можем да се надяваме, че се спазват, но това не е задължително вярно за останалата част на света.
    *
      Поради заетото място от батериите, въпреки намалените размери на моторите ефективният обем на купето е намален спрямо еквивалентна нормална кола. Най-често намаляването е от към багажник.
    *
      На извънградско
    *
      Колата изисква напълно нов стил на каране – несъвместим с „Българският модел”. Умереното и предвидимо каране е необходимост за щаденето на батериите и трансмисията, и същевременно позволява икономисването на близо половината бензин. Но бясно тръгване-спиране не се отразява добре на тези коли, те просто не са създадени за такова каране.

Как се рекламират хибридите на пазара?

Основната маркетингова идея е пестене на бензин и CO2. При сегашните цени на бензина на около 30000км се компенсира разликата в цената между хибрид и еквивалентна нормална кола. При покачване на цените на горивата може да стане дори и на по-малко километри. Ако карате по 20000км годишно, грубо в края на втората година вече сте на далавера. Аз обаче карам по около 10-12000км годишно и ще трябва да чакам 3 години за целта
От къде идва пестенето на гориво?

Хибридните автомобили използват няколко различни техники за пестене на гориво, от които всъщност излиза и създаването на по-малко CO2:

    * Когато колата тръгне – работи само електрическият мотор. Колата може да измине няколко километра само на ток. Така при градски условия където тръгвате-спирате, тръгвате-спирате, нормална кола би имала разход достигащ над 18 на сто (при 5л на час в спряно положение и 18км/ч средна скорост), докато хибридната кола може да се държи дори по-добре отколкото на извънградско и да достигне разход от 3-4 на сто.
    * Когато спирате или карате на инерция по надолу електрическият двигател се превръща в едно голямо динамо и започва да захранва батериите. Хем колата спира по-добре, хем не губите ток. Така при градски и извънградски условия вие губите много малко електричество от батериите, но пестите гориво
    * Когато изпреварвате кола при дълъг път, вместо да се повишат оборотите на двигателя с вътрешно горене, се включва първоначално само електрическият двигател допълнително. Така ако ви трябва екстра мощност за кратко, при изпреварвания или възвишения, употребата на гориво не заминава към 25 на сто, а си остава 5 на сто

Особености по дизайна

Бензинови двигатели. По същество най-ефективните хибридни автомобили би трябвало да използват дизелови двигатели. Това е защото дизеловите двигатели имат по-голямо КПД, и работят по-ефективно на постоянни обороти, а и харчат по-малко гориво. Въпреки това повечето Хибриди (на пазара няма нито един сериен с дизел) използват бензинови двигатели. Това е защото бензиновите палят и загасват много по-лесно и по-малко се износват по време на палене и гасене, а при каране на хибрид в градски условия това може да се налага да се случва постоянно. Все пак масово се работи по дизелови хибриди. BMW например демонстрира миналата година впечатляващ прототип на X6 с дизелов двигател.

NiMH батерии – въпреки, че батериите базирани на лития са по-ефективни, за сега поради предвидимост и безопасност, NiMH батериите са единствените използвани в серийните хибридни автомобили. Но това не са обикновените NiMH батерии с цилиндричен корпус. Тези са призматични, уплътняват по-добре пространството, по-плътни са, по-мощни (няколко пъти на единица обем) и имат 10 пъти повече цикли на зареждане-разреждане

Lexus RX400h AWD – AWD модела на RX400h има допълнителен електрически мотор за задните две колела, който се включва с компютър когато е необходимо 4x4 или за предпазване от залитане. Няма връзка между задните колела и предните колела, нито задните са свързани с двигателя с вътрешно горене. Това дава значителни предимства, като например по-висока ефективност, по-малко триене, по-бързо реагиране, по-проста механична конструкция и естествено по-малък разход на бензин при същата ефективност.

CVT - Поради сложното управление на механиката хибридите изискват напълно управляема електронно скоростна кутия, която сама по себе си е чудо на техниката. Най-важното и качество – много е тиха. Също така при добро управление предавките са винаги в идеално съотношение (защото възможните комбинации са безкрайно на брой) и няма (скорост на) превключване или по-ефективен и по-малко ефективен режим. Горивото се харчи оптимално. Няма придърпване или неестествен шум. Повече за CVT тук - http://en.wikipedia.org/wiki/Continuously_variable_transmission
Любими сцени

Любимата ми сцена е от филма – „Lucky Chuck” където една мацка си забравила фаровете на Prius-а включени и след час нямаше ток. Чък и подаваше ток от акумулатора си чрез известните и у нас жици. Смехът всъщност идваше от това, че Prius-а всъщност има ток да захранва лампите си десетки часове (той вози 55кг акумулатори в багажника), както и че закачиха жиците на място където не са акумулаторите на колата.

Разбира се това не може да се мери с любимата ми сцена от филма „Колпка” където Катрин Зита Джоунс и Шон Конъри закъсиха два порта на един трикомски суич с кабел и той светна от loop-ове, в резултат на което транзакцията на парите траеше едни драматични 30 секунди а не милисекунди. На коментара от страна на Конъри – „Не може ли да стане по-бързо?” не можах да се въздържа и се провикнах в киното „откачи кабела бе идиот!”.
Общество

Към този момент има над 1 милион продадени серийни леки автомобили с хибридно задвижване. Това е автомобилната индустрия с най-голям ръст и приходи за последните 3 години. Не случайно щяло и нещяло вече прави хибриди. Чакаме хибриден Cayen (да видим Българските борчовци дали ще се полакомят), Мерцедес и дори Голф. Но абсолютният доминант на пазара на хибридни автомобили си остава Toyota Prius. За този автомобил има направени специфични firmware-та, които го правят с по-спортно поведение, или каращ изключително икономично само на ток. Има приставки като например слънчеви батерии на покрива, допълнително зареждащи батериите и пестящи гориво. Или Plug-in set с който да зареждате батериите от тока. Всичко това неофициално, но поддържано от обществото. Някой от идеите са възприети от Toyota. Например следващата генерация Prius ще има повече батерии, по-мощен мотор и ще бъде Plug-in.
Какви хибриди има на пазара

На http://www.hybridcars.com/ може да се видят продаваните в момента хибридни автомобили. В България се продават Honda Civic Hybrid, Toyota Prius и Lexus RX400h (но стария модел). Вече има и направени сервизни помещения за профилактика на батериите (не случайно Toyota направиха активна рекламна кампания по-въпроса).

По същество на мен най ми харесват Toyota Highlander Hybrid 2008 (който е по-евтино изработен RX400h – същото шаси и двигател, с по евтино купе и материяли – тази кола е близо 20000 лв по-евтина, но има копче за само електрически режим и 2 допълнителни седалки, макар да друса значително повече и от всякъде да лъска на евтиния) и Honda Accord Hybrid (който май ще бъде спрян поради слаб интернес). В момента обаче заради поддръжката на обществото и многото информация може би е най-добре да се вземе Toyota Prius или дори да се изчака следващата генерация, която заради повечето батерии и plug-in-а ще бъде значително по-пестелива.
Батерии

Toyota Prius има батериен пакет от 54кг състоящ се от 38 модула (всеки по 1.04кг) призматични батерии, всяка с минимален волтаж от 7.2V и 6.5Ah произведена от Panasonic. Тези батерии имат най-висока ефективност при сравнително високи температури и при по-ниска околна температура ефективността им намалява. Ефективно имат мощност от 20kW при 50% SOC. За пример Lexus RX400h и Highlander Hybrid разполагат с 45kW мощност. Honda Civic Hybrid използва по-малък електромотор и батерии от Prius. Това е защото имат значително по-мощен и икономичен 1.3L а не 1.5L двигател, и самият двигател пести достатъчно създавайки повече конски сили. Така при равни параметри по отношение на разходите на гориво и CO2, Honda Civic Hybrid е по-мощен, с по-добро окачване, ускорение и вътрешен обем. Но по-малкият електромотор прави хибридната система на Civic Hybrid не толкова гъвкава, и това не е колата на истинският Geek. Освен това в България продават възможно най-грозния под-вариант на Civic Hybrid (явно искат да конкурират Toyota и по грозота).


Качено в сайта със специални благодарности на Делиан Делчев