Источники электрической энергии автомобиля. Источники электрической энергии в современном автомобиле: генератор и аккумулятор

Какие основные источники электроэнергии используются в автомобиле. Как работает генератор переменного тока. Каковы преимущества современных автомобильных генераторов. Какие перспективные типы генераторов разрабатываются. Как устроена система электроснабжения автомобиля.

Содержание

Основные источники электроэнергии в автомобиле

В современном автомобиле используются два основных источника электрической энергии:

Генератор переменного тока
Аккумуляторная батарея

Генератор является основным источником электроэнергии при работающем двигателе. Он обеспечивает питание всех электрических потребителей и заряд аккумуляторной батареи. При неработающем двигателе функцию источника электроэнергии выполняет аккумуляторная батарея.

Принцип работы автомобильного генератора переменного тока

Генератор переменного тока с клювообразным ротором работает следующим образом:

При включении зажигания на обмотку возбуждения подается напряжение от аккумулятора, создавая ток возбуждения.
Ток возбуждения создает магнитный поток в роторе генератора.

При вращении ротора магнитный поток пересекает обмотки статора.
В обмотках статора индуцируется переменный ток.
Переменный ток выпрямляется с помощью диодного выпрямителя.

Таким образом, механическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию постоянного тока.

Преимущества современных автомобильных генераторов

Современные генераторы переменного тока имеют ряд важных преимуществ по сравнению с устаревшими генераторами постоянного тока:

Меньшая масса и габариты при той же мощности
Более высокий КПД и максимальная мощность
Возможность работы на более низких оборотах двигателя
Более высокая надежность из-за отсутствия щеточно-коллекторного узла
Меньшая стоимость обслуживания
Более простая схема регулирования напряжения

Эти преимущества обеспечили широкое распространение генераторов переменного тока в современном автомобилестроении.

Перспективные типы автомобильных генераторов

В настоящее время ведутся разработки новых типов автомобильных генераторов, которые могут прийти на смену классическим генераторам с клювообразным ротором:

Индукторные генераторы
Генераторы с укороченными полюсами
Бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением

Основные преимущества перспективных типов генераторов:

Повышенная надежность за счет отсутствия щеточно-контактного узла
Возможность работы в более тяжелых условиях (повышенная влажность, запыленность и т.д.)
Потенциально более низкая стоимость производства

Однако на данный момент эти типы генераторов имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение в автомобилях.

Роль аккумуляторной батареи в системе электроснабжения

Аккумуляторная батарея выполняет в автомобиле следующие важные функции:

Обеспечивает электроэнергией стартер для запуска двигателя
Питает электрооборудование при неработающем двигателе
Служит буфером, сглаживающим колебания напряжения в бортовой сети
Обеспечивает дополнительную мощность при пиковых нагрузках

Современные автомобильные аккумуляторы имеют напряжение 12 В и емкость от 40 до 100 А·ч в зависимости от типа и модели автомобиля.

Взаимодействие генератора и аккумулятора в системе электроснабжения

Генератор и аккумуляторная батарея работают в системе электроснабжения автомобиля согласованно:

При работающем двигателе основную нагрузку несет генератор, обеспечивая питание потребителей и заряд аккумулятора.
При остановленном двигателе электропитание осуществляется от аккумулятора.
При пиковых нагрузках генератор и аккумулятор работают параллельно.
Регулятор напряжения обеспечивает оптимальный режим заряда аккумулятора.

Такая схема позволяет обеспечить стабильное электропитание в любых режимах работы автомобиля.

Перспективы развития систем электроснабжения автомобилей

Основные направления совершенствования автомобильных систем электроснабжения:

Повышение мощности генераторов для обеспечения растущих потребностей в электроэнергии
Внедрение систем рекуперации энергии торможения
Применение более емких и долговечных аккумуляторных батарей
Переход на более высокое напряжение бортовой сети (48 В)
Разработка комбинированных систем электроснабжения для гибридных автомобилей

Эти инновации позволят повысить энергоэффективность и экологичность автомобилей будущего.

Особенности систем электроснабжения электромобилей

В электромобилях система электроснабжения имеет ряд существенных отличий:

Основным источником энергии является высоковольтная тяговая аккумуляторная батарея

Используется преобразователь напряжения для питания низковольтных систем
Применяется система рекуперативного торможения для подзарядки батареи
Отсутствует классический генератор переменного тока

Такая архитектура позволяет обеспечить высокую энергоэффективность и увеличенный запас хода электромобиля.

Ошибка

Автомобиль — модели, марки
Устройство автомобиля
Ремонт и обслуживание
Тюнинг

Аксессуары и оборудование
Компоненты
Безопасность
Физика процесса

Новичкам в помощь
Приглашение
Официоз (компании)
Пригородные маршруты

Персоны
Наши люди
ТЮВ
Эмблемы

Личные инструменты

Представиться системе

Инструменты

Спецстраницы

Пространства имён

Служебная страница

Просмотры

Перейти к: навигация, поиск

Запрашиваемое название страницы неправильно, пусто, либо неправильно указано межъязыковое или интервики название. Возможно, в названии используются недопустимые символы.

Возврат к странице Заглавная страница.

Если Вы обнаружили ошибку или хотите дополнить статью, выделите ту часть текста статьи, которая нуждается в редакции, и нажмите Ctrl+Enter. Далее следуйте простой инструкции.

15.Источники и потребители электроэнергии на автомобиле

Система электроснабжения предназначена для питания электрической энергией всех потребителей. Источниками электрической энергии на автомобиле являются генератор и аккумуляторная батарея, включенные параллельно.

При работающем двигателе генератор является основным источником электроэнергии и обеспечивает электроснабжение потребителей и заряд аккумуляторной батареи. При неработающем двигателе функции источника электроэнергии переходят к аккумуляторной батарее, которая также должна обеспечивать надежный пуск двигателя.

Автомобильные генераторы работают в режимах переменных частот вращения и нагрузок, изменяющихся в широких пределах. Для автоматического поддержания напряжения генератора на заданном уровне при изменении частоты вращения и нагрузки предназначен регулятор напряжения.

Для приведенной на рис. 1.1 структурной схемы справедлива следующая взаимосвязь токов при различных соотношениях напряжений генератора и аккумуляторной батареи:

где Iг — ток генератора; I б.з — потребляемый батареей при заряде; Iн — ток, потребляемый потребителями; I б.p— ток, отдаваемый батареей при разряде.

С помощью научного поиска и исследований было определено новое направление в развитии автомобильных генераторов. Ими явились генераторы переменного тока.

Название «генератор переменного тока» несколько условно и касается в основном особенностей внутренней его конструкции, так как этот генератор имеет встроенные полупроводниковые выпрямители и питает потребители постоянным (выпрямленным) током.

В генераторах постоянного тока таким выпрямителем является щеточ-но-коллекторный узел, выпрямляющий переменный ток, полученный в обмотках якоря. Развитие полупроводниковой техники позволило применить в генераторах переменного тока более совершенный выпрямитель на полупроводниковых вентилях (диодах). При этом генератор получил качества, которые обеспечили ему широкое распространение в автомобилестроении.

Основными технико-экономическими преимуществами генераторов переменного тока перед генераторами постоянного тока являются: уменьшение в 1,8…2,5 раза массы генератора при той же мощности и примерно в 3 раза расхода меди; большая максимальная мощность при равных габаритах; меньшее значение начальных частот вращения и обеспечение более высокой степени заряженности аккумуляторных батарей; значительное упрощение схемы и конструкции регулирующего устройства вследствие исключения из него элемента ограничения тока и реле обратного тока;

уменьшение стоимости эксплуатационных затрат в связи с большей надежностью работы и повышенным сроком службы.

Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрямителями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители имели значительные размеры и их приходилось размещать отдельно от генератора в местах, где обеспечивалось хорошее охлаждение. Для соединения селенового выпрямителя с генератором требовалась дополнительная проводка.

Кроме того, селеновые выпрямители недостаточно теплостойки и допускают максимальную рабочую температуру не выше + 80 °С. Поэтому в дальнейшем селеновые выпрямители были заменены выпрямителями, состоящими из кремниевых диодов, которые более теплостойки и имеют значительно меньшие размеры, что позволяет размещать их внутри генератора.

На смену вибрационным регуляторам напряжения пришли сначала контактно-транзисторные, а затем бесконтактные на дискретных элементах и бесконтактные интегральные регуляторы. Габариты интегральных регуляторов позволяют встраивать их в генератор, который со встроенными регулятором и выпрямительным блоком называется генераторной установкой.

Для автомобильных генераторов надежность и срок службы определяются в основном тремя факторами: качеством электрической изоляции;

качеством подшипниковых узлов; надежностью щеточно-контактных устройств.

Первые два фактора зависят от уровня развития смежных производств. Третий фактор может быть исключен посредством разработки бесконтактных генераторов, имеющих более высокую надежность и, следовательно, больший ресурс, чем контактные. Это обстоятельство стимулировало создание автомобильных бесконтактных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением — индукторных генераторов и генераторов с укороченными полюсами.

Индукторные генераторы нашли широкое применение на тракторах и сельхозмашинах благодаря простоте конструкции, надежности при работе в тяжелых условиях эксплуатации (пыль, грязь, влага, вибрации) и невысокой стоимости.

Применение на автомобилях существующих конструкций индукторных генераторов сдерживается из-за их основных недостатков:

невысоких удельных показателей;

повышенного уровня пульсации выпрямленного напряжения;

повышенного магнитного шума.

Дальнейшее совершенствование конструкции и устранение вышеперечисленных недостатков позволят применять индукторные генераторы на автомобилях.

Производительность безщеточных генераторов с укороченными полюсами только начинается, а первыми моделями этого семейства являются генераторы 45.3701 и 49.3701, которые планируется устанавливать на автомобили семейства УАЗ.

Рис. 1.3. Изменение во времени ( магнитного потока в генераторе переменного тока с клювообраз-ным ротором

Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении замка зажигания на обмотку возбуждения подается напряжение аккумуляторной батареи, которое вызывает появление тока возбуждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределяется по клювообразным полюсам одной полярности. Выходя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, проходит по зубцам и спинке статора, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюсы другой полярности и замыкается через втулку и вал.

Преимущества электромобилей и соображения

Все виды электромобилей могут способствовать экономии топлива, снижению затрат на топливо и сокращению выбросов.

Фото из Форта

Энергетическая безопасность

Соединенные Штаты стали нетто-экспортером нефти в 2020 году, при этом экспорт превысил импорт, хотя импорт в размере 7,86 млн баррелей в день оставался важной частью балансировки спроса и предложения на внутреннем и международном рынках. рынки. В целом на транспортный сектор приходится примерно 30% общих потребностей США в энергии и 70% потребления нефти в США. Использование более энергоэффективных транспортных средств, таких как гибридные и электрические автомобили, поддерживает экономику США и помогает диверсифицировать транспортный парк США. Несколько источников топлива, используемых для выработки электроэнергии, обеспечивают более надежный источник энергии для электрифицированной части транспортного сектора. Все это способствует энергетической безопасности нашей страны.

Гибридные электрические транспортные средства (ГЭМ) обычно потребляют меньше топлива, чем аналогичные обычные транспортные средства, поскольку в них используются технологии электропривода для повышения эффективности транспортного средства за счет рекуперативного торможения, т. е. восстановления энергии, теряемой при торможении. Подключаемые гибридные электромобили (PHEV) и полностью электрические транспортные средства, также называемые аккумуляторными электромобилями (BEV), способны питаться исключительно электричеством, которое производится в Соединенных Штатах из природного газа, угля, атомной энергии. энергии, энергии ветра, гидроэнергетики и солнечной энергии.

Затраты

Хотя затраты на электроэнергию для электромобилей, как правило, ниже, чем для аналогичных обычных транспортных средств, закупочные цены могут быть значительно выше. Цены, вероятно, сравняются с ценами на обычные автомобили, поскольку объемы производства увеличиваются, а аккумуляторные технологии продолжают совершенствоваться. Кроме того, первоначальные затраты могут быть компенсированы за счет экономии на топливе, федерального налогового кредита, а также государственных и коммунальных льгот. Федеральная налоговая льгота на квалифицированные электромобили с подключаемым электроприводом доступна для покупок электромобилей у производителей, которые еще не достигли определенных пороговых значений продаж автомобилей. Он предоставляет налоговый кредит в размере от 2500 до 7500 долларов США для новых покупок, причем сумма определяется размером автомобиля и емкостью его аккумулятора. Некоторые штаты и электроэнергетические компании также предлагают стимулы, многие из которых можно найти в базе данных законов и стимулов. Для получения более подробной информации о доступных поощрениях свяжитесь с местной коалицией «Чистые города».

Используйте Калькулятор стоимости транспортного средства, чтобы сравнить стоимость владения отдельными моделями электромобилей и обычных транспортных средств за весь срок службы.

Экономия топлива

Электромобили могут значительно сократить расходы на топливо благодаря высокой эффективности компонентов электропривода. Поскольку полностью электрические автомобили и PHEV полностью или частично зависят от электроэнергии, их экономия топлива измеряется иначе, чем у обычных автомобилей. Обычными показателями являются мили на галлон бензинового эквивалента (MPGe) и киловатт-часы (кВтч) на 100 миль. В зависимости от того, как они управляются, сегодняшние полностью электрические автомобили малой грузоподъемности (или PHEV в электрическом режиме) могут превышать 130 миль на галлон и могут проехать 100 миль, потребляя всего 25–40 кВтч.

ГЭМ обычно обеспечивают лучшую экономию топлива и более низкие затраты на топливо, чем аналогичные обычные автомобили. Например, FuelEconomy.gov указывает Toyota Corolla Hybrid 2021 года с комбинированной оценкой экономии топлива EPA по городу и шоссе в 52 мили на галлон (MPG), в то время как оценка для обычной Corolla 2021 года (четырехцилиндровый, автоматический) составляет 34 MPG. . Используйте инструмент «Найти автомобиль» на сайте FuelEconomy.gov, чтобы сравнить рейтинги экономии топлива отдельных гибридных и обычных моделей.

Экономия топлива полностью электрических транспортных средств средней и большой грузоподъемности и PHEV в значительной степени зависит от перевозимой нагрузки и рабочего цикла, но при правильном применении полностью электрические транспортные средства сохраняют значительное преимущество по соотношению расхода топлива и затрат по сравнению с их обычные аналоги.

Доступность инфраструктуры

Преимущество полностью электрических транспортных средств и гибридных электромобилей заключается в гибкой зарядке, поскольку электрическая сеть находится рядом с большинством мест, где люди паркуются. Для безопасной доставки энергии из электросети в аккумулятор транспортного средства необходима зарядная станция, которую иногда называют оборудованием для питания электромобилей (EVSE). Водители могут заряжаться на ночь в доме, а также в многоквартирном доме, на рабочем месте или на общественной зарядной станции, если она доступна. PHEV стали более гибкими, потому что они также могут заправляться бензином или дизельным топливом (или, возможно, другим топливом в будущем), когда это необходимо.

Общественные зарядные станции не так распространены, как заправки. Производители зарядного оборудования, автопроизводители, коммунальные службы, коалиции «Чистые города», муниципалитеты и правительственные учреждения быстро создают национальную сеть общественных зарядных станций. По данным Альтернативного локатора заправочных станций, в 2021 году количество общедоступных зарядных станций достигло более 41 000, предлагая более 100 000 мест для зарядки. Ищите электрические зарядные станции рядом с вами.

Выбросы

Электрические и гибридные транспортные средства могут значительно сократить выбросы по сравнению с обычными автомобилями. Полностью электрические автомобили не производят выбросов выхлопных газов, а PHEV не производят выбросов выхлопных газов при работе в полностью электрическом режиме. Преимущества выбросов HEV зависят от модели автомобиля и типа гибридной силовой системы.

Выбросы электромобиля в течение жизненного цикла зависят от источника электроэнергии, используемого для его зарядки, и зависят от региона. В географических районах, где для производства электроэнергии используются источники энергии с относительно низким уровнем загрязнения, электромобили, как правило, имеют преимущество по выбросам в течение жизненного цикла по сравнению с аналогичными обычными автомобилями, работающими на бензине или дизельном топливе. В регионах, которые в значительной степени зависят от традиционного производства электроэнергии, электромобили могут не демонстрировать значительного преимущества в плане выбросов в течение жизненного цикла. Используйте инструмент «Источники электроэнергии и выбросы», чтобы сравнить выбросы за жизненный цикл отдельных моделей автомобилей в заданном месте.

Аккумуляторы

Усовершенствованные аккумуляторы в электромобилях рассчитаны на длительный срок службы, но со временем изнашиваются. Несколько производителей электромобилей предлагают 8-летнюю гарантию на аккумуляторную батарею. Прогнозное моделирование, проведенное Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывает, что современные батареи могут работать от 12 до 15 лет в умеренном климате (от 8 до 12 лет в экстремальных климатических условиях).

Обратитесь к своему дилеру за информацией о сроке службы батареи и гарантиях для конкретной модели. Хотя производители не публикуют цены на сменные батареи, некоторые из них предлагают программы расширенной гарантии с ежемесячной оплатой. Если батареи необходимо заменить вне гарантийного срока, это может быть значительным расходом. Ожидается, что цены на аккумуляторы снизятся по мере совершенствования аккумуляторных технологий и увеличения объемов производства.

Наши источники энергии, электромобили — Национальные академии

Электромобили

Целью многих новых автомобильных технологий является избавление автомобилей от зависимости от ископаемого топлива . Одним из вариантов является полностью электрический автомобиль с батарейным питанием, который не использует бензин или дизельное топливо и не выделяет углекислый газ (CO2). Однако целых две трети электроэнергии, используемой для подзарядки автомобильных аккумуляторов, производится путем сжигания ископаемого топлива, крупнейшего в стране источника выбросов парниковых газов. Добавьте к этому выбросы CO2, связанные с производством автомобилей и аккумуляторов, и «углеродный след» аккумуляторных электромобилей (BEV) намного больше, чем может показаться.

Даже если типичный запас хода электромобиля невелик (обычно менее 100 миль на полностью заряженной батарее), его все равно будет достаточно для более чем 90% всех поездок на бытовых автомобилях в Соединенных Штатах.

В период с 2010 по 2015 год потребители приобрели около 210 000 электромобилей BEV и 190 000 подключаемых гибридных электромобилей (PHEV) — небольшое количество по сравнению с 226 миллионами зарегистрированных автомобилей в Соединенных Штатах. Общий объем продаж подключаемых к сети электромобилей (PEV) в США увеличился за последние годы, но по-прежнему составляет лишь около 0,7% продаж новых автомобилей в 2015 году. В Калифорнии проживает почти половина всех PEV в стране, но даже в Калифорнии только около 5 из каждых 1000 зарегистрированных транспортных средств являются PEV.

Если эта доля рынка должна существенно вырасти, исследования и разработки должны будут обеспечить достижения в области накопления энергии. В настоящее время батареи, которые накапливают достаточно электроэнергии, чтобы обеспечить транспортному средству приемлемый запас хода, обычно дороги, велики и тяжелы. В настоящее время ведутся исследования по поиску технологий, позволяющих хранить значительно больше энергии в меньшем и легком корпусе.

Даже если типичный запас хода электромобиля невелик (обычно менее 100 миль на полностью заряженной батарее), его все равно хватит более чем на 9 км.По данным Федерального управления автомобильных дорог, 0% всех поездок на бытовых автомобилях в США. В настоящее время эти автомобили не очень подходят для дальних поездок, но это может измениться, когда станут широко доступны электромобили с запасом хода 200 миль.

Текущие типичные диапазоны BEV потребуют дозаправки на станциях быстрой зарядки постоянного тока (DC). Частая дозаправка с быстрой зарядкой постоянным током для продления поездки за пределы полностью электрического диапазона автомобиля, которая занимает около 20 минут, может быть неудобной для водителей BEV с ограниченным запасом хода. Неизвестно, какой уровень компромисса между стоимостью и запасом хода BEV потребуется для того, чтобы потребители основного рынка выбрали BEV, особенно в качестве основного транспортного средства. Напротив, бак топливного элемента или бензобак можно заправить за считанные минуты.

Компромисс — PHEV — также занял небольшое, но заметное место на рынке. У PHEV есть обычные бензиновые двигатели, а также батареи, которые могут обеспечить достаточно энергии, чтобы проехать десятки полностью электрических миль, в зависимости от типа используемых батарей. Они работают на электричестве до тех пор, пока батареи не разрядятся, а затем переключаются на бензин для увеличения запаса хода — более 500 миль для некоторых моделей, что эквивалентно традиционным автомобилям, работающим на бензине.

Во многих случаях батареи BEV и PHEV заряжаются, подключая их к источнику электроэнергии, когда автомобиль припаркован. Часто это можно сделать дома в ночное время с минимальной нагрузкой на электросеть.

Исходный материал

Преодоление барьеров на пути внедрения подключаемых электромобилей (2015 г.)
Переход на альтернативные транспортные средства и топливо (2013 г.)
Стоимость, эффективность и внедрение технологий экономии топлива для легковых автомобилей (2015 г.)
Переход к альтернативным транспортным технологиям — подключаемым гибридным электромобилям (2010 г.