Электромобили

Рост мирового автомобильного парка опережает темпы развития дорожной сети. Автомобили стремительно насыщают городские улицы. Все более актуальной, прежде всего в крупных городах, становится проблема борьбы с транспортным шумом, а также с загрязненностью воздуха вредными продуктами, выделяемыми с отработавшими газами двигателей как карбюраторных, так и дизельных. Сегодня около 250 миллионов автомобилей в мире приводятся в движение моторами внутреннего сгорания, и ученые, инженеры многих стран всерьез озабочены поисками равноценного заменителя традиционного автомобильного мотора. Они учитывают и другое немаловажное обстоятельство. Нефть все в больших масштабах используется на нужды химической промышленности, и это раньше или позже окажется сдерживающим фактором в наращивании производства бензина и других видов автомобильного топлива.

Нужен «чистый» и бесшумный двигатель

В поисках выхода из создавшегося положения специалисты часто называют электромобиль — перевод автотранспорта на электрическую тягу.

Постоянное давление, которое испытывают автомобильные фирмы со стороны общественности, заставляет их развертывать работы по созданию промышленных образцов электромобилей. Правительственные органы отдельных государств приняли или готовят соответствующие решения, нормирующие шумность и выделение вредных газов автомобильными двигателями. Опытные конструкции электромобилей создаются во всех промышленно развитых странах мира, сделаны они и у нас (см. «За рулем», 1971, № 12).

В настоящее время электромобили наиболее популярны в Англии, где число их колеблется от 40 до 60 тысяч, а используются они главным образом в сфере обслуживания — для доставки молочных и хлебо-булочных изделий на дом покупателям, сбора писем из почтовых ящиков. Кстати, экспериментальные образцы почтовых электромобилей были созданы и испытаны в Центральном научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте (НАМИ) еще в 1948 году.

Электромобиль имеет много достоинств. Он работает практически без вредных выделений, почти не создает шума при движении и к тому же экономичен в эксплуатации, так как потребляет один из самых дешевых видов энергии — электрическую. Благоприятное изменение крутящего момента тягового электродвигателя позволяет ограничиться простой трансмиссией без коробки передач и сцепления.

При условии массового распространения электромобилей значительно сократится потребность в жидком топливе, что очень важно для многих стран, не имеющих собственных запасов нефти.

Главный недостаток электромобилей, сдерживающий развитие их производства, — ограниченный запас хода между подзарядками аккумуляторной батареи. Например, у английского «Форда-комюта» (рис. 1) он равен всего 64 километрам.

По мнению специалистов, для увеличения этого показателя следует вести работы в трех основных направлениях. Первое и главное — это повышение удельной энергоемкости аккумуляторной батареи (то есть запаса энергии, приходящегося на 1 кг веса) или, в случае использования батареи топливных элементов (о них пойдет речь ниже), — снижение удельного веса (кг/л. с.). Второе — усовершенствование конструкции тяговых электродвигателей. Третье — улучшение схем регулирования скоростного режима их работы.

Подзарядка батарей от городской сети переменного тока во время остановок позволит несколько увеличить запас хода. В таком случае необходимы машины, снабженные выпрямителями и имеющие несколько более сложную электрическую схему. Над подобными конструкциями ведутся работы во многих странах, в том числе и у нас (см. «За рулем», 1971 № 12).

В ФРГ был предложен автобус с электродвигателями, питающимися от аккумуляторов, которые перевозятся на отдельном прицепе за машиной. На конечных остановках прицеп заменяли. Разряженный комплект батарей поступал после этого на зарядную станцию. Если учесть, сколько батарей, содержащих дорогостоящий свинец, придется иметь на таких «заправочных» пунктах, то станет ясно, что эксплуатация подобных электробусов дорогое, убыточное дело.

Аккумуляторы не оправдывают надежд

Помимо ограниченного радиуса действия нынешние электромобили страдают и другим органическим недостатком: у них большой вес, значительная доля которого приходится на аккумуляторы. Отсюда низкие динамические качества и высокая себестоимость конструкции. Большой вес и малый запас хода опытных образцов обусловлены несовершенством современных источников тока, в частности аккумуляторов. Собственно, этим в первую очередь и тормозится внедрение электромобилей на транспорте.

Вес машины можно существенно снизить, установив, например, вместо обычных свинцово-кислотных батарей серебряно-цинковые. Такой аккумулятор применен на экспериментальном электромобиле «Электровейер». Его удельная емкость в девять раз выше, чем у свинцово-кислотного, а при одинаковой емкости он в три раза меньше обычного по габаритам. Но стоимость такой батареи чрезвычайно велика, да и срок службы сравнительно мал.

Таким образом, будущее электромобиля зависит от того, когда появятся дешевые и более совершенные методы аккумулирования (то есть накопления) или генерирования электроэнергии. Новые источники, бесспорно, должны по удельной энергоемкости значительно превосходить свинцово-кислотные аккумуляторы. Сейчас многие зарубежные фирмы интенсивно работают в этом направлении, экспериментируя с никельцинковыми, литийхлорными и натрийсерными аккумуляторами. Но они пока не вышли из стадии опытов.

Центральным катодом в натрийсерном аккумуляторе (рис. 2) «Форда» служит расплавленный натрий, который находится в керамической капсуле, выполняющей функции электролита. Анионы натрия проходят сквозь твердый керамический электролит — он не пропускает другие частицы — и реагируют с расплавленной серой. Электрохимическая реакция протекает интенсивно при температуре 250—300°. Нагрев от постороннего источника тепла нужен только в начале реакции, то есть для «пуска» аккумулятора. Потом нужная температура поддерживается за счет выделяемого тепла. По удельной емкости такой аккумулятор в 10 раз превосходит свинцово-кислотный, но в два раза дороже.

В литийхлорном аккумуляторе (рис. 3), созданном «Дженерал Моторс», электроэнергия освобождается в процессе реакции хлора, проходящего через пористый графитовый анод с литием. Образующийся хлорид лития должен поддерживаться в расплавленном состоянии при температуре свыше 315°. По сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором удельная емкость в 15 раз выше.

Рассмотренные аккумуляторы, хотя и имеют более высокую удельную емкость, чем обычные, но из-за высокой стоимости пока не могут найти применения.

А нельзя ли создать какой-либо иной источник тока, именно источник, а не аккумулятор? Современная наука положительно отвечает на этот вопрос. Таким источником является топливный элемент — химический генератор электроэнергии. Комбинированным видом источника тока (в его рабочем процессе используются принципы топливного элемента, действующего от поступающих извне реагентов) и аккумулятора является цинкокислородный элемент, где цинковый электрод аккумулятора сочетается с кислородным электродом топливного элемента.

Цинко-кислородная батарея (рис. 4) превосходит по плотности накопления электроэнергии свинцово-кислотную в пять — семь раз. Разработана она в США фирмой «Дженерал Дайнэмикс» и действует следующим образом. Цинковый катод окисляется кислородом воздуха, вдуваемого через пористый никелевый анод в электролит (гидроокись калия). Электрохимическая реакция сопровождается ионизацией кислорода и цинка, и электроды получают положительный и отрицательный заряды. Принудительная циркуляция электролита в полости аккумулятора осуществляется насосом. В результате удаляются избыток воздуха и осадок окиси цинка. При зарядке окись цинка распадается на цинк, осаждающийся на катоде, и кислород, отводимый в атмосферу. Цинко-кислородная батарея в пять-шесть раз легче свинцово-кислотной и занимает на треть меньший объем. Но и в этом случае силовая установка все же оказывается чересчур громоздкой (рис. 5).

Топливные элементы — возможное решение проблемы

По мнению ученых, наиболее перспективным источником тока является топливный элемент в чистом виде. Это своеобразный химический генератор, в котором тепловая энергия, выделяемая при сгорании топлива, преобразуется сразу же в электрическую. В результате полного сгорания выделяемые газы практически нетоксичны. В качестве топлива используются водород, метанол или гидразин. Важным достоинством топливных элементов является их высокий КПД (более 0,5). Напомним, что у двигателя внутреннего сгорания этот показатель составляет около 0,3.

Уже созданы экспериментальные образцы топливных элементов для электромобилей, но батареи их со всем вспомогательным оборудованием пока крайне громоздки и сложны. Для размещения топливных элементов требуется практически столько же места (рис. 6), сколько для равноценного свинцово-кислотного аккумулятора, а по стоимости они в 20 раз дороже.

В водородно-кислородном топливном элементе (рис. 7) водород ионизируется у одного из электродов, заряжая его отрицательно, а кислород — у второго, сообщая ему положительный заряд. Удельная энергоотдача такого элемента в семь-восемь раз больше, чем удельная емкость свинцово-кислотного аккумулятора.

Перспективен, по мнению зарубежных ученых, гидразино-воздушный топливный элемент. В нем паробензиновая смесь, приготовленная в специальном карбюраторе, подается в полость анода, который изготовлен из алюминиевой фольги. Эта полость заполнена катализатором. Выделяющийся водород диффундирует черед фольгу, которая не пропускает другие газы, и вступает в реакцию с электролитом. Он представляет смесь щелочей — едкого калия и едкого натра в весовом соотношении 1:4. В результате образуется вода и выделяются свободные электроны. Необходимый для реакции кислород поступает с воздухом, продуваемым через электролит. Никелевая коробка топливного элемента служит катодом. КПД такого паробензинового топливного элемента превышает 0,6.

И все же, несмотря на ряд достоинств, и эта разновидность топливного элемента не может получить практического применения. Причина та же — высокая стоимость.

В последнее время возникла идея устанавливать на машину вспомогательный маломощный карбюраторный двигатель, который в зависимости от режима работы приводит во вращение либо непосредственно ведущие колеса, либо вал генератора, подзаряжающего аккумуляторную батарею. В последнем случае колеса получают вращение от тягового электродвигателя, питающегося от батареи.

Оценивая каждую из рассмотренных схем электромобиля, следует отметить, что пока ни одна из них полностью не обеспечивает требуемого комплекса эксплуатационных показателей. Предстоят дальнейшие исследования.

Поскольку работы по созданию высокомощных аккумуляторных батарей облегченного типа еще не завершены, на длительное время источником тока для электромобилей могут служить свинцово-кислотные аккумуляторы. Из-за большого веса таких батарей сфера применения электромобилей на грузовом транспорте ограничится классом машин малой грузоподъемности.

Вопрос о целесообразности широкого распространения электромобилей будет решен в конечном итоге лишь после всестороннего экономического и социального анализа их плюсов и минусов. Сейчас на передний план выдвигаются такие требования, как отсутствие вредных выделений и бесшумность работы. Электромобиль в этом отношении не имеет себе равных среди транспортных средств разных типов.

Сравнительные показатели машин с различными источниками движущей силы

Примечание. Под силовым агрегатом понимается для автомобиля — двигатель, трансмиссия и топливный бак с полной заправкой; для электромобиля — топливный элемент со вспомогательным оборудованием, электромотором и полной заправкой топливом или же аккумулятор и тяговый электромотор с системой управления.