Время от времени в комментариях я встречаюсь с мнением, что самой лучшей передачей для наземного транспорта является электрическая, в которой мощность передаётся от двигателя к колёсам через генератор, электромотор и соединяющие их провода.
И надо признать, что у такой трансмиссии действительно есть свои преимущества:
- Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) всегда работает в оптимальном режиме с наименьшим расходом топлива.
- Тяговый электродвигатель развивает максимальный крутящий момент с места, поэтому не нужно ни сцепление, ни нейтраль, а скорость движения может быть сколь угодно низкой.
- Тяговому электродвигателю всё равно, в какую сторону вращаться, поэтому не нужна отдельная передача заднего хода.
- Электротрансмиссия не требует переключений, поэтому достигается непревзойдённая плавность движения.
- Провода от генератора к электродвигателям можно прокладывать как угодно, поэтому компоновка машины может быть практически любой.
- Если добавить к этой схеме аккумулятор, то получится гибрид, который сможет заряжаться от сети и ездить какое-то время вообще без расхода топлива и вредных выбросов.
Звучит красиво, так что нет ничего удивительного в том, что идея электротрансмиссии появилась ещё на самой заре автомобилестроения и до сих пор будоражит инженерные умы. Неослабевающий интерес к ней отчасти связан с неиссякающей модой на всё электрическое, которая удивительным образом сохраняется на протяжении вот уже двухсот с лишним лет.
Новый виток популярности электропривода связан не только с многократным повышением ёмкости аккумуляторов, но и с повсеместным распространением бесколлекторных двигателей с постоянными магнитами, которые радикально превосходят своих щёточных предков по всем параметрам (кроме цены).
Кажется, что вот теперь-то электротрансмиссии, наконец, покажут себя во всей красе и отправят примитивные механические системы на свалку истории. И эта мысль посещает не только дзеновских комментаторов (или даже авторов), но и боссов автомобильных компаний, которые время от времени возвращаются к этой давней идее. Вот только каждый раз ничего путного из этого не получается: последовательные гибриды занимают мизерную долю рынка, а применение чистых электротрансмиссий как и прежде ограничивается тепловозами и тяжёлыми карьерными самосвалами.
Причин у этого несколько.
Во-первых, электропривод дорогой. Даже примитивные асинхронные электромоторы мощностью около 60 кВт стоят порядка 200 тысяч рублей, а ведь нужны ещё генератор и преобразователь (инвертор), каждый из которых стоит ещё примерно столько же. Для сравнения: ВАЗовская коробка передач, рассчитанная примерно на ту же мощность, стоит всего-навсего ≈30 тысяч.
Во-вторых, электропривод тяжёлый. Хоть современные электрические машины стали намного легче, они всё равно проигрывают механическим трансмиссиям. Скажем, та же ВАЗовская коробка передач весит около 32 кг, а электродвигатель RUBRUKS HVM-PM1-55 номинальной мощностью 55 кВт – уже целых 63 кг, к которым ещё нужно добавить массу генератора, инвертора, системы охлаждения и редуктора, который необходим из-за того, что частота вращения этого электродвигателя достигает 9000 об/мин. Если же мы возьмём менее оборотистый двигатель, то придётся мириться с тем, что его масса станет ещё больше.
В-третьих, электротрансмиссия обеспечивает меньший силовой диапазон, чем даже коробка передач легкового автомобиля, не говоря уже о трансмиссиях внедорожников и грузовиков. Вернёмся к нашему примеру: если мы обеспечим равенство максимальных скоростей автомобилей с ВАЗовской коробкой передач и электротрансмиссией на основе электродвигателя RUBRUKS HVM-PM1-55, то окажется, что автомобиль с механической трансмиссией на 1-й передаче сможет развивать тягу на ≈30% больше, чем автомобиль с электротрансмиссией в пиковом режиме, а если сравнивать с номинальным режимом – то и вовсе в 2,5 раза больше.
В-четвёртых, электротрансмиссия менее экономична. Несмотря на то, что КПД современных электродвигателей может достигать впечатляющих 97%, следует помнить, что, во-первых, это значение достигается только в оптимальном режиме работы, а во-вторых, к потерям в электродвигателе следует добавить потери в генераторе и инверторе.
Таким образом, от всей электрической части мы сможем ожидать в лучшем случае КПД ≈92%. И при этом после электродвигателя нам всё равно потребуется механический редуктор примерно с тем же КПД, что и у обычной механической коробки передач, так что в итоге мы получим общий КПД никак не выше 90%. Вместе с тем, в предыдущей статье я показал, что бесступенчатая передача имеет экономический смысл при КПД не менее 93%.
В-пятых, можно порассуждать и об опасности электротрансмиссий. Чтобы добиться наилучшей экономичности и компактности, электрические машины должны работать с высоким напряжением (минимум 400 В), и поэтому неосторожность, неисправность или авария могут привести к серьёзным поражениям электрическим током или пожару. Впрочем, инженеры вроде как научились с этим справляться, и современные электромобили отвечают всем требованиям безопасности, так что этот аргумент из всех самый слабый.
Тем не менее, даже четырёх аргументов достаточно для того, чтобы сделать однозначный вывод о том, что электротрансмиссия сама по себе не имеет никаких перспектив в автомобильном транспорте. Даже если мы говорим о гибридных автомобилях, гораздо разумнее делать их по параллельной схеме, в которой ДВС связан с колёсами обычной механической трансмиссией, а электропровод существует сам по себе.
На этом можно было бы и закрывать дискуссию, если бы не один важный вопрос: если электротрансмиссия так плоха, почему же её до сих пор применяют на железнодорожном транспорте и тяжёлых карьерных самосвалах?
И если честно, у меня нет хорошего ответа. Пока что складывается впечатление, что инженеры просто идёт по пути наименьшего сопротивления, ведь электротрансмиссию большой мощности сделать гораздо проще. Всё-таки производство больших электрических машин для промышленности неплохо освоено, а вот изготовить исполинскую коробку передач, карданные валы и угловые редукторы на несколько тысяч киловатт – задача, мягко говоря, не тривиальная.
Впрочем, я могу и ошибаться. В следующий раз обещаю глубже разобраться в этом вопросе и честно рассказать вам, почему же на тепловозах и карьерных самосвалах именно электротрансмиссия стала золотым стандартом. Если меня читают знающие люди – прошу рассказать об этом в комментариях, будет очень интересно.
А на сегодня у меня всё! Спасибо за внимание и до новых встреч!