Электромобиль - автомобиль будующего. Электромобиль автомобиль будущего
 Скачать 1.93 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН Муниципальное бюджетное образовательное учреждение «Инженерный лицей №83 имени Пинского М.С. УГНТУ» городского округа г. Уфа Республики Башкортостан Секция «Физика» ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ – АВТОМОБИЛЬ БУДУЩЕГО Выполнил: ученик 8б класса Киселев И.Д. Руководитель учитель физики Лукманов Д.Р. Уфа – 2019
ВВЕДЕНИЕ В исследовательской работе рассмотрено развитие современного автомобилестроения на примере электромобиля, как транспортного средства, способного занять место сегодняшнего автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Результаты исследования позволяют сделать предположения о дальнейшем развитии автомобилестроения и перспективах распространения электромобилей для индивидуального использования человеком. В работе освещено сравнение основных характеристик электромобиля с обычным повседневным автомобилем. Также в работе проделан краткий анализ истории появления электромобиля для выделения основных причин вытеснения электромобиля с рынка автомобилем с двигателем внутреннего сгорания. С целью выяснения общественного мнения по данной проблеме был проведен социологический опрос, который показывает положительное отношение людей к распространению электромобилей в Российской Федерации. Актуальность данной проблемы объясняется: - диверсификацией (расширением ассортимента ) рынка автомобилей за счет применения новых источников энергии; - улучшением экологической обстановки за счет уменьшения выбросов отработанных газов в атмосферу; - отказом (частичным отказом) от использования углеводородов в качестве топлива, как невозобновляемого источника энергии и ценного сырья для переработки; - снижением затрат на обслуживание и заправку при использовании электромобиля, что повысит конкурентоспособность автомобильного транспорта по сравнению с другими видами транспорта. Целью исследования является анализ основных преимуществ и недостатков электромобиля по сравнению с автомобилем с двигателем внутреннего сгорания для прогнозирования ситуации на рынке автомобилей. Основные задачи исследования: - изучить историю возникновения электромобиля и сделать выводы о причинах вытеснения электромобиля автомобилем с ДВС; - изучить устройство электромобиля для выделения сильных и слабых сторон; - сравнить преимущества и недостатки электромобиля и автомобиля с ДВС; - провести сравнительную оценку экономичности электромобиля и автомобиля с ДВС для индивидуального пользования Объектом исследования является мировая автомобильная промышленность. Предметом исследования является электромобиль. Данный вопрос довольно слабо проработан в специальной и научно-популярной литературе, в связи с чем можно сделать вывод о необходимости расширения знаний человечества по данному вопросу. 1 История создания электромобиля Электромобиль – автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от автономного источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов, конденсаторов и т. п.), а не двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и электрической передачей, а также от троллейбусов и трамваев. Под термином «электромобиль» имеется в виду автомобиль, у которого для привода ведущих колес используется электрическая энергия, получаемая от химического источника тока. Электромобиль появился раньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Ещё в 1828 году венгерский изобретатель Аньос Джедлик смастерил передвигающуюся на электрической энергии тележку, больше напоминающую скейтборд, нежели автомобиль. Впрочем, изобретение Джедлика послужило мощным толчком в развитии данного направления инженерии. Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан в 1841 году. В 1899 году в Санкт-Петербурге русский дворянин и инженер-изобретатель Ипполит Романов создал первый русский электрический омнибус на 17 пассажиров. Его общая компоновка была заимствована у английских кэбов, где извозчик располагался на высоких козлах позади пассажиров. Экипаж был двухместным и четырёхколёсным, передние колёса по диаметру были больше задних. На первом электромобиле использовался свинцовый аккумулятор системы Бари, имевший 36 банок (вольтовых столбов). Он требовал подзарядки каждые 60 вёрст (64 километра). Суммарная мощность автомобиля составляла 4 лошадиные силы. Разработка экипажа была заимствована у моделей американской фирмы «Моррис-Салом», которая выпускала автомобили с 1898 года. Электромобиль изменял скорость движения в девяти градациях от 1,6 до 37,4 км/час. Романов также разработал схему городских маршрутов для этих прародителей современных троллейбусов и получил разрешение на работу. Однако найти нужные инвестиции не смог, поэтому дело не получило развитие. Специальный рекордный электромобиль с пулевидным кузовом La Jamais Contente 1 мая 1899 года, управляемый гонщиком Камилем Женацци, первым преодолел 100-километровый (62 мили/ч) барьер скорости на суше. Официальный рекорд скорости составил 105,882 км/ч. Позже известный американский конструктор электромобилей Уолтер Бейкер достиг скорости в 130 км/ч. Музейный экспонат электромобиля La Jamais Contente хранится в Национальном музее города Компьена во Франции (рис. 1). Кузов автомобиля был открытый, типа «торпеда», аэродинамической формы, установлен на раму. Высокое расположение водителя и открытое шасси снизу кузова сильно портили аэродинамику. Автомобиль приводится в движение от двух электродвигателей прямого привода Postel-Vinay общей мощностью 50 кВт (67 л.с), смонтированных в задней части кузова. Максимальная скорость вращения вала электромотора составила 900 об/мин. Аккумуляторные батареи были расположены на шасси внутри кузова и на задней оси. Максимальная сила тока 250 А при напряжении 200 В. На автомобиле использовались шины фирмы Michelin. Масса в снаряженном состоянии была 1000 кг. Рекорд по дальности пробега на одной зарядке поставил электромобиль фирмы «Борланд Электрик», проехавший 103,8 мили (167 км) от Чикаго до Милуоки. На следующий день (после перезарядки) электромобиль вернулся в Чикаго своим ходом. Средняя скорость составила 55 км/ч.  Рисунок 1 – Электромобиль La Jamais Contente Изначально запас хода и скорость у электрических и бензиновых экипажей были примерно одинаковыми. Главным минусом электромобилей была сложная система подзарядки. Поскольку тогда ещё не существовало усовершенствованных преобразователей переменного тока в постоянный, зарядка осуществлялась крайне сложным способом. Для подзарядки использовался электромотор, работавший от переменного тока. Он вращал вал генератора, к которому были подсоединены батареи электромобиля. В 1906 году был изобретён сравнительно простой в эксплуатации выпрямитель тока, но это существенно проблему подзарядки не решило. C 1900 по 1910 год широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В то время из всего числа автомобилей США 38 % имели электрические двигатели, 40 % – паровые, 22 % – бензиновые. Значительное распространение в начале века получили и грузовые электромобили (рис. 2), а также электрические омнибусы (электробусы). Одним из самых массовых электромобилей в то время стал Detroit Electric. Таким автомобилем пользовались Томас Эдисон, Джон Рокфеллер, Клара Форд – жена Генри Форда.  Рисунок 2 – Грузовой электромобиль Компания начала производство электромобилей в 1907 году. В начальном варианте на электромобиль устанавливали свинцово-кислотные аккумуляторы. С 1911 по 1916 годы за дополнительную плату в $600 можно было установить железо-никелевый аккумулятор Эдисона. Электромобиль на одной зарядке аккумуляторов мог проехать 130 км, хотя на испытаниях в Детройте был достигнут результат 340,1 км. Электромобиль развивал максимальную скорость 32 км/ч, чего было достаточно для эксплуатации в городах начала XX века. Основными покупателями электромобиля Detroit Electric были женщины, так как для запуска автомобиля с двигателем внутреннего сгорания требовалось прилагать большие физические усилия. Максимум продаж компании пришёлся на 1910-е годы, когда ежегодно продавалось 1000-2000 электромобилей. Хорошим продажам способствовала высокая цена на бензин во время Первой мировой войны. В 1920-е годы продажи компании упали из-за снижения цен на автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Вскоре двигатель внутреннего сгорания вытеснил электрические двигатели с рынка почти на целый век. Основными причинами вытеснения с рынка электромобилей автомобилями с ДВС в начале XX века стали: 1. Был изобретен ДВС, топливо для которого хранилось в бензобаке. Масса ДВС вместе с бензобаком и топливом не превышала пару сотен килограмм, в то время как аккумуляторные батареи для электромобиля весили больше тонны; 2. Стоимость производства автомобиля с ДВС была почти в 3 раза ниже стоимости электромобиля (600$ против 1800$ в среднем). 3. В связи с одновременным открытием крупных месторождений нефти стоимость нефтепродуктов, в том числе бензина резко упала. 2 Устройство электромобиля Электромобиль - транспортное средство, ведущие колеса которого приводятся от электромотора, питаемого аккумуляторными батареями (рис. 3).  Рисунок 3 – Основные элементы электромобиля Электродвигатель может размещаться как на переднем мосту автомобиля, так и на заднем мосту, в случаях с полным приводом – пара электродвигателей размещается на обоих мостах машины. Все большую популярность набирают схемы, где на каждое из колес (полуосей) устанавливается собственный электромотор, приводящий колесо в движение. В данном случае обязательно выполняется синхронизация частот вращения валов моторов. На сегодняшний день размещение батарей под передним капотом машины утратило свое применение. Во всех экземплярах силовые батареи, которые имеют огромную массу, размещают в центральной части автомобиля под салоном электромобиля (рис. 4). Данное размещение позволяет выгодно повысить безопасность вождения такого автомобиля за счет снижения координаты центра тяжести по высоте, что повышает устойчивость электромобиля на дороге. Как видно из приведенных рисунков, основными элементами электромобиля, кроме шасси и кузова, являющимися стандартными элементами, являются: 1. Электрический двигатель (электромотор); 2. Батарея (литий-ионная, свинцовая или другая, преобразующая энергию химических реакций в электрическую энергию); 3. Трансмиссия в упрощенном варианте (формально трансмиссия отсутствует и передача механической энергии осуществляется от электродвигателя либо напрямую, либо через редуктор. Отсутствие сложных промежуточных узлов, которые присутствуют у обычного автомобиля, позволяет повысить эксплуатационную надежность электромобиля и увеличить межремонтный период. Необходимость сервисного обслуживания данных узлов тоже отсутствует, ввиду того, что их нет.  Рисунок 4 – Схема устройства современного электромобиля Также ввиду отсутствия трансмиссии происходит уменьшение потерь мощности при передаче механической энергии от электродвигателя на колеса, что повышает коэффициент полезного действия автомобиля. Коробка передач также отсутствует в схеме, так как электродвигатель обладает постоянным крутящим моментом на малых скоростях вращения вала электродвигателя. Значение крутящего момента на малых скоростях вращения вала электродвигателя имеет сразу номинальное значение, что позволяет трогаться с места и преодолевать трудные участки дороги без включения пониженных передач. Регулирование скорости движения автомобиля производится регулированием частоты вращения вала электродвигателя, что, как известно, довольно легко реализуется с помощью частотно-регулируемого привода. В результате управлять электромобилем гораздо легче, чем обычным автомобилем с ДВС. Объясним такие характеристики электромобиля на примере сравнения внешних скоростных характеристик электромотора BMW i3 и ДВС (M157), представленных на рисунках 5 и 6. Внешние скоростные характеристики электромотора и ДВС представляют собой графические зависимости крутящего момента M (Н·м) на валу электродвигателя и мощности P (кВт) от частоты вращения вала n (об/мин). Мощность на валу, как электромотора, так и двигателя внутреннего сгорания определяется по формуле:  , Вт (1)где M – крутящий момент на валу, Н·м; ω – угловая скорость вращения вала, рад/с. Угловая скорость может быть выражена через частоты вращения вала по формуле:  , рад/с (2)где n – частота вращения вала, об/мин. При подстановке формулы (2) в формулу (1) получаем зависимость мощности на валу P от частоты вращения вала:  , Вт. (3)Как видно из рисунка 5, двигатель внутреннего сгорания развивает не постоянное значение крутящего момента на малых скоростях вращения вала, причем, номинальное значение крутящего момента, указанное в паспорте, он развивает на средних оборотах. Поэтому, если требуется большое усилие на малых оборотах, его приходится увеличивать с помощью коробки передач.  Рисунок 5 – Внешняя скоростная характеристика ДВС AMG V8 (M157)  Рисунок 6 – Внешняя скоростная характеристика электромотора BMW i3 Одновременно коробка передач служит и для переключения передач с пониженной на повышенную, увеличивая скорость вращения ведущих колес автомобиля. Объясняется данное явление тем, что внешняя скоростная характеристика ДВС по «мощности» имеет выпуклую форму графика на начальном участке возрастания мощности, что позволяет достичь максимального значения крутящего момента только на средних оборотах. В результате коробка передач становится необходимым элементом такого автомобиля. С возрастанием частоты вращения коленчатого вала ДВС происходит снижение мощности и крутящего момента, что позволяет говорить об оптимальных оборотах, при которых необходимо эксплуатировать ДВС. Электродвигатель не обладает такими недостатками вследствие того, что при наборе оборотов график мощности представляет собой прямую пропорциональность до достижения максимальной мощности электромотора (прямой участок). Значение крутящего момента на этом участке имеет максимальное постоянное значение. Далее происходит падение крутящего момента при возрастании оборотов вала электромотора, мощность при этом остается постоянной, что позволяет выводить электродвигатель по сравнению с двигателем внутреннего сгорания на более высокие обороты, не ухудшая при этом КПД двигателя. Это, несомненно, еще один плюс, так как расширяет диапазон частот вращения. К тому же с помощью частотно-регулируемого привода изменение частоты вращения вала электродвигателя легко осуществляется. В результате коробка передач для электромобиля не нужна. 3 Преимущества и недостатки электромобиля по сравнению с автомобилем с ДВС Исходя из проведенного исследования, можно выделить следующие преимущества и недостатки электромобиля по сравнению с автомобилем с двигателем внутреннего сгорания. Сведем в таблицы преимущества и недостатки электромобиля и автомобиля с ДВС. Таблица 1 – Преимущества и недостатки электромобиля
Таблица 2 – Преимущества и недостатки автомобиля с ДВС
Анализ данных преимуществ и недостатков позволяет говорить о большой конкурентоспособности электромобиля. В данный момент по всему миру электромобили «завоевывают» рынок автомобилей. В Российской Федерации такая тенденция явно не прослеживается или совсем не прослеживается, за исключением городов Москва и Санкт-Петербург. Рост тенденции использования электромобилей может быть спровоцирован большим поднятием цен на бензин, дизельное топливо и газ. Однако, не смотря на все преимущества, невозможно точно утверждать о вытеснении в ближайшее время автомобилей с ДВС электромобилями. 4 Анализ экономичности электромобиля для индивидуального пользования Расчет затрат по средним данным на ежедневное пользование электромобилем и автомобилем на весь срок службы приведен в таблицах 3 и 4. Таблица 3 – Затраты на пользование автомобилем с ДВС на весь срок службы
Таблица 4 – Затраты на пользование электромобилем на весь срок службы
Как видно из анализа данных расчетов, за полный срок службы в 12 лет приведенные затраты на автомобиль с ДВС оказываются гораздо больше, чем на электромобиль. Разница составляет примерно 30%. Если говорить начальных капитальных затратах, то стоимость электромобиля примерно в 1,5 раза превышает стоимость автомобиля с ДВС. Но, если сравнивать срок службы и затраты на заправку на 1 километр пройденного пути, то становится ясно, что электромобиль выигрывает по параметру «экономичность. Так, стоимость заправки на 1 километр пройденного пути у электромобиля составляет 0,8 руб., а у автомобиля с ДВС – 4,05 руб. В данном случае отношение затрат составляет 5,1. 5 Социологический опрос Среди учащихся лицея №83 в г. Уфа был проведен социологический опрос, позволяющий узнать общественное мнение по вопросу перспектив распространения электромобилей на территории Российской Федерации. Были заданы 4 вопроса и опрошено 37 человек в возрасте от 14 до 16 лет. Первый вопрос: Какой автомобиль Вы бы выбрали при одинаковой цене: автомобиль с двигателем внутреннего сгорания или электромобиль? а) электромобиль; б) автомобиль с ДВС; в) гибридный автомобиль. Ответы респондентов по данному вопросу распределились согласно представленной круговой диаграмме:  Анализ результатов показывает, что половина всех опрошенных выбрала бы электромобиль. Это еще раз подтверждает, что люди понимают все преимущества использования электромобиля. Второе место занимает автомобиль с ДВС. Второй вопрос: Каким основным преимуществом, по Вашему мнению, обладает электромобиль по сравнению с автомобилем с двигателем внутреннего сгорания? а) экологичность; б) безопасность; в) экономичность г) комфорт (шумоизоляция, виброизоляция, эргономичный дизайн); д) другой вариант ответа. Результаты ответов показывают, что абсолютное большинство респондентов интересует экологическая обстановка в стране и в мире и ее улучшение.  Третий вопрос: Какие цели должны быть достигнуты для широкого распространения электромобилей на российском рынке? (возможно несколько вариантов ответа) а) развитие инфраструктуры зарядочных станций на территории страны; б) налоговые льготы и снижение транспортных сборов с владельцев электромобилей; в) выпуск автомобилей, способных выдерживать эксплуатацию при низких температурах окружающей среды; г) снижение цены на электромобили путем реализации их серийного выпуска на заводах РФ.  По результатам анализа третьего вопроса можно сказать, что в большей мере опрошенные респонденты считают главной задачей снижение цены на электромобили для их распространения среди российских автоводителей. Четвертый вопрос: Возможно ли освоение российского рынка электромобилей в ближайшие 10 лет? а) да; б) нет.  Большинство опрошенных респондентов считает, что у электромобилей есть все перспективы распространения на российском рынке. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенное исследование позволяет говорить о высокой конкуренто-способности электромобилей на рынке автомобилей. Однако, с учетом доступности и относительно невысокой цены на углеводороды, переход на электромобили может произойти довольно нескоро. Скорее всего будут набирать популярность гибридные автомобили. В ближайшем будущем количество электромобилей, безусловно, вырастет. Количество электромобилей, гибридных автомобилей и автомобилей с ДВС будет постепенно выравниваться, пока рынок не достигнет насыщения. Стоит учитывать, что большое количество людей, являющихся ценителями автомобилей с ДВС, никогда не перейдут на электромобили. Поэтому потребность во всех автомобилях на ближайшую перспективу сохранится. Исходя из проделанной работы, применительно к российскому рынку автомобилей можно привести следующие выводы: - электромобиль оказывается более конкурентоспособным по большему количеству оцениваемых параметров: экологичность, надежность, экономичность; - для российской действительности освоение отечественного рынка автомобилей электромобилями произойдет только спустя время; - с целью увеличения популярности электромобилей возможно стимулирование введением налоговых льгот, что поможет сократить выбросы выхлопных газов в атмосферу. Безусловно, такое преимущество электромобилей, как отсутствие выбросов выхлопных газов в атмосферу, является одним из самых важных. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛЕТЕРАТУРЫ http://www.myshared.ru/slide/1097114/История электромобилей начала XX века. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.1gai.ru/publ/516132-istoriya-elektromobiley-nachala-xx-veka.html Суворов А. Н., Кузьменкова Л. А. На автомобиле Тесла-в будущее // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2015. – Т. 25. – С. 1–5. Режим доступа: http://e-koncept.ru/2015/65303.htm. Трескова Ю. В. Электромобили и экология. Перспективы использования электромобилей // Молодой ученый. — 2016. — №12. — С. 563-565. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА // Десятая международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2015»: материалы конференции [Электронная версия сборника]. В 7 т. Т. 3. Ч. 2 − Иваново: ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2015. − 27 с. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||