Гибридное будущее Российского автотранспорта

Внедрение гибридных силовых установок сегодня становится магистральным путем развития автомобильного и автобусного транспорта, особенно в сегменте пассажирских городских перевозок. Основным фактором, обуславливающим актуальность этих работ, является постоянно возрастающие требования по снижению токсичности и повышению экономичности транспортных средств. Отставание России в этом вопросе является критически недопустимым и должно быть ликвидировано в ближайшие пять – семь лет.

До недавнего времени препятствием для внедрения электропривода для транспортных средств являлась его высокая стоимость. Это было вызвано, в частности, ценой на силовую электронику и накопители электроэнергии. Новейшие модели преобразовательных силовых устройств для автотранспорта и емкостные накопители энергии более доступны.

Кроме того, отечественные электрические машины находятся на весьма высоком техническом уровне при существенно меньшей стоимости, чем зарубежные аналоги. Все это позволяет создать экономически оправданную систему тягового электропривода для внедрения ее на транспортных средствах российского производства, обеспечив при более низкой стоимости технические характеристики, сопоставимые с данными зарубежных производителей.

В соответствии с отмеченными тенденциями, НИПТИЭМ в кооперации с другими подразделениями концерна «Русэлпром» выполнило опытно-конструкторские работы и провело испытания тяговых асинхронных электрических машин с короткозамкнутым ротором для двух схем гибридных силовых установок длятранспортных средств:

1) последовательная схема передачи энергии на ведущие колеса для движения преимущественно с постоянной скоростью транспортного средства и высоким крутящим моментом на колесах – электромеханическая трансмиссия (трактор "Беларус-3023" и др.);
2) последовательная схема передачи энергии на ведущие колеса и/или в накопитель с рекуперацией энергии при торможении для движения транспортного средства в широких скоростных и нагрузочных режимах в условиях городского движения – гибридная силовая установка (автобус "ЛиАЗ-5292Х" и др.).

Как следует из представленных принципиальных схем, в обоих случаях механическая связь ведущих колес с первичным источником энергии – двигателем внутреннего сгорания (ДВС) отсутствует. Такой подход позволяет исключить конструктивные элементы механической передачи и стабилизировать режим работы двигателя в точке максимальной топливной эффективности и минимальных выбросов. В каждый момент времени полученная от ДВС механическая мощность последовательно преобразуется в электрическую мощность с требуемыми для электрической машины параметрами и далее обратно в механическую мощность, востребованную условиями движения.

Силовая и управляющая электроника для обеих разработок создана специалистами "Русэлпром-Электропривод". В качестве накопителей энергии для гибридной силовой установки использовались модули электрохимических конденсаторов – суперконденсаторов фирмы Maxwell. При проектировании мотор-генераторов и тяговых двигателей предпочтение было отдано асинхронным низковольтным трехфазным двигателям, т. к.они просты в конструкции, характеризуются уникальными эксплуатационными качествами: большим сроком службы, простотой в обслуживании и ремонте, а отсутствие подвижных электрических контактов обуславливает их высокую надежность. Кроме того, необходимо учитывать, что массовое серийное производство электрических машин этого типа хорошо отлажено и стоимость их изготовления является сравнительно небольшой.

Среди основных особенностей тяговых характеристик разработанных электрических машин следует выделить большой диапазон частот вращения, особенно во второй зоне регулирования. Многоэтапная оптимизация параметров электрических машин выполнялась по критерию обеспечения максимального КПД в номинальном режиме (конец первой – начало второй зоны регулирования) и обеспечения в конце второй зоны регулирования при заданном уровне питающего напряжения кратности максимального момента не менее 1,3...1,5.

Указанные электрические машины выполнены в следующем конструктивном исполнении:

– ТАГ280-310-1200 и ТАД280-310-1200 – имеют всыпные обмотки статоров из круглого эмальпровода с температурным индексом 200 °C и короткозамкнутые роторы из алюминиевого сплава. Литые станина и подшипниковые щиты из высокопрочного чугуна. При встраивании машин в корпусные детали трактора на внешней поверхности станины образуется полости жидкостной рубашки охлаждения; кроме того, встроенный внутренний вентилятор на роторах электрических машин обеспечивает осевое движение воздуха через вентиляционные каналы в пакете ротора. Подшипниковые узлы с возможностью пополнения консистентной смазкой;
– ТАГ225-280-450 и ТАД225-380-750 – имеют всыпные обмотки статоров из круглого эмальпровода с температурным индексом 200 °C и короткозамкнутые роторы из алюминиевого сплава.

Стальные сварные станины и подшипниковые щиты конструктивно обеспечивают систему охлаждения с принудительной подачей охлаждающего воздуха во внутреннюю полость электрических машин.

Подшипниковые узлы с возможностью пополнения консистентной смазкой. Для проведения автономных испытаний и исследований электрических машин в комплекте с силовой и управляющей электроникой и накопителями на базе Испытательного центра НИПТИЭМ был создан специальный стенд, позволяющий имитировать реальные условия работы тягового электрооборудования в составе транспортного средства. На данный момент специалисты соответствующих подразделений концерна проводят отладку программного обеспечения с целью повышения удобства пользователей осуществлять управление системой и проводить диагностику состояния основных узлов комплекта тягового электрооборудования.

НИПТИЭМ и концерн "Русэлпром" рассматривают выполненные работы как одно из стратегических направлений развития, отвечающее современным требованиям по энергоэффективности. На данный момент компания разрабатывает целый ряд аналогичных проектов с отечественными и зарубежными заказчиками.

Фотографии и материалы предоставлены ОАО "НИИПТИЭМ"