Энергетика
Энергоснабжение машин происходит по двум проводникам, ток постоянный, напряжение питания от 20В до 400. Постоянный ток выбран исходя из его большей безопасности для человека, постоянный ток в 1.4 раза меньше нагревает провода чем переменный при том же среднем токе и напряжении, более удобен для преобразования электронными устройствами, для постоянного тока можно применять более простые фильтры для защиты линий от паразитного резонанса. Недостатком его является электрохимическая коррозия проводников, трудногасимая электрическая дуга при замыкании. (Вред от коррозии может быть снижен периодической автоматической переполюсовкой полярности источника питания, например каждые 10 секунд, отключением питания при отсутствии потребителей.)

Максимальная кратковременная мощность привода выбрана равной 75КВт, что соответствует возможностям двигателя типа INETS (электродвигатель бесколлекторный на постоянных магнитах или асинхронный, с удельной мощностью до 1КВт/кг, пиковая мощность ~100 л.с. описание здесь или на сайте www.uqm.com) Максимальная продолжительная мощность такого двигателя - 30КВт, а среднее ожидаемое энергопотребление машины в условиях города ~9 КВт. Если выбирать отдельный привод на каждое колесо более подходящий двигатель http://www.uqm.com/products/specsheets/smg.html пиковой мощностью 10кВт, максимально допустимой частотой вращения до 4000/3200 об/мин , номинальной частотой вращения 800..2800 об/мин, пусковым моментом 710 Н*М. Что при постоянной трансмиссии 1.2 даст скорости движения 290 км/ч (пиковая), 230 км/ч максимальная рабочая, 65..200 км/ч оптимальная рабочая, максимальная движущая сила приложенная к каждому колесу 380 кгс. Высокий крутящий момент позволит машине легко разворачиваться на месте не используя стрелок, преодалевать самые крутые подъемы, быстро набирать скорость. 4 электродвигателя надежнее одного, даже с одним работающим двигателем машина сохранит подвижность.Вес электродвигателя около 20 кг. A powerful design that incorporates: • 710 N·m Starting Torque • 10 kW Power Boost • 15 kW Generating Power • Regenerative braking

энергетические затраты (кВт) на механическое и аэродинамическое сопротивление
при разных установившехся скоростях движения машины (км/ч)

Из рисунка видно что кратковременно машина с двигателем 75 кВт может разгоняться почти до 300 км/ч, длительно поддерживать установившуюся скорость 210км/ч и перемещаться при небольших скоростях (120-150км/ч) в намного более экономичном режиме с резервом по мощности двигателя для маневров.
Также энергозатраты неизбежны при ускорении машины, например даже при отсутствии силы трения, для поддержания ускорения в 2.5 м/с² необходимо затрачивать на увеличение кинетической энергии такие мощности:

зависимость потребляемой мощности (КВт) при ускорении 2.5 м/с от скорости движения (км/ч)
расчет можно посмотреть здесь aceler.xls

так уже при скорости выше 130-150 км/ч, при учете сил трения, ускорение 2.5м/с²оказывается энергетически невозможным, и дальнейший рост скорости происходит с меньшим ускорением, снижаясь до 1 м/с при скорости 200 км/ч.

Изменение скорости движения во времени, при скорости выше 150 км/ч мощности двигателя уже недостаточно для поддержания ускорения 2,5 м/с, с ростом скорости ускорение снижается.

Энергетически затраты на ускорение, на аэродинмамическое сопротивление, на механическое трение.

Сумма всех трех графиков не превышает мощности подаваемой на двигатель (75КВт). По мере роста скорости растет энергия затрачиваемая на ускорение машины, растет сила аэродинамического торможения, так на 13й секунде мощности двигателя уже недостаточно для поддержания ускорения 2.5м/с², на 50й секунде почти вся мощность подаваемая на двигатель уходит преодоление силы аэродинамического сопротивления воздуха. На 54 секунде машина переходит в режим рекуперативного торможения, и сила инерции качения уже "вырабатывает" энергию, которая тратится на аэродинамическое трение, на механическое трение, и на двигатель работающий в режиме генератора. Таким образом торможение происходит быстрее, для комфорного торможения с 230 км/ч необходим участок в 800м, тогда как для ускорения 1300м. (Для ускорения или замедления до скорости 100 км/ч необходимо всего 140м пути и 12с времени). Для такого маневра необходимо затратить 3МДж энергии, из которых ~50% возвращаются в аккумулятор при рекуперативном торможении, а остальная рассеивается в окружающем пространстве. Путь проезжаемой машиной при таком маневре 3 км. (При ускорении до 100 км/ч затрачивается всего 0.4МДж энергии, и 0.3МДж возвращается в источник при рекуперативном торможении).
Отмечу что на скорости свыше 100 км/ч сопротивление воздуха движению настолько высоко что его можно использовать для остановки машины. На скорости менее 100 км/ч сопротивление снижается до величины менее 0.5 м/с² и тормозить необходимо или электродвигателем переведя его в режим генератора или тормозными колодками, иначе останавливаться машина будет до двух минут, двигаясь на сравнительно небольшой скорости, это приемлемо для грузов но не для пассажиров. Активное торможение позволит остановить машину за 15 секунд. При скорости движения 100 км/ч кинетическая энергия машины не превышает 0.3МДж, а при 50 км/ч всего 0.07МДж.

Напряжения и тип тока

Пониженные напряжения применяются только в целях безопасности:

Сечение проводников для питания машин выбираем из таблицы

В зависимости от нагруженности трассы, интенсивности движения проводники применяются сечением от 4 до 50 мм². Участок дороги длиной 100 метров между источником энергии и потребителем состоит из двух участков, поэтому сопротивление проводников, включенных последовательно удваивается. Нагрев проводников ограничивает их максимальные токи, для больших токов и мощностей применяют более дорогие провода с большим сечением.
Применение более толстых проводников с меньшим сопротивленим и более выскоких напряжений также повышает КПД передачи энергии. Наприме передача 30КВт энергии на 100м, при питании 2х400В и проводах сечением 10мм² составляет 97%, а при снижении питающего напряжения до 2х160В КПД составляет всего 89%.
Стационарные источники питания представляют собой простые устройства, выполняющих по сути функцию выпрямителей. Питание можно брать в любых доступных точках, требование к качеству получаемой энергии невысоки. Максимальная потребляемая мощность для разных участков дорог, может колебаться от 3КВт до 300КВт. Малая потребляемая мощность обусловлена использованием аккумуляторов, позволяющими запасать энергию и обеспечивать значительные кратковременные нагрузки - отдаваемые ими кратковременные мощности при разряде, могут в сотни раз превышать мощность потребляемую аккумуляторами при зарядке.
Увеличить КПД трасс, имеющих значительную протяженность можно используя "пассивные" источники энергии, энергетические буфферы, расположенные через каждые несколько сотен метров. Запас энергии такого буфера должен быть достаточен чтобы обеспечить движение машины на своем участке, например для участка 100 метов и скорости движеня 25 м/с, T=100/25=4 c, при потреблении машиной 15КВт энергии, запас энергии должен быть не менее E=15*4=60КДж.(конденсатор 1,5Фх300В). После того как буферный конденсатор отдает энергию проехавшей машине он может заряжаться от контактного рельса, подкюченного к источнику питания, в течение десятков минут, в зависимости от мощности источника питания. При такой медленной зарядке КПД передачи энергии будет свыше 90% даже при многокилометровых магистралях. Лучше всего для использования в качестве энергобуферов подходят асимметричные суперконденсаторы, пример продукции с подробным техническим описанием доступен здесь: http://www.esma-cap.com/

Одновременно с суперконденсаторами можно использовать кислотные аккумуляторы, емкость выбирается в зависимости от типа питаемой от них трассы. Кислотные аккумуляторы позволяют запасать больше энергии (что позволит работать транспортной системе при пропадании электроэнергии в течение нескольких часов), кислотные аккумуляторы также дешевле и при правильном использовании не менее долговечны чем суперконденсаторы. Их недостаток, это малая удельная мощность, для чего вес аккумуляторов необходимый для питания электротранспорта должен составлять сотни килограмм, для них необходимы отдельные шкафы или помещения.
Суперкондесаторы же позволяют накапливать до 10КДж энергии на килограмм веса и отдавать энергию с удельной мощностью до 3КВт/кг (только модели с меньшей в 4 раза энергоемкостью), что позволяет их размечать их рядом с контакными проводами, непосредственно на рельсах.
Дополнительно можно ставить на каждой выпрямительной подстанции малогабаритные переносные дизельные генераторы, мощностью всего в 2-10 КВт, которые даже при пропадании электроэнергии на насколько дней будут поддерживать аккумуляторы заряженными а участок пути исправным.
Для защиты от обледенения и влаги провода следует автоматически прогревать пропуская по ним небольшой ток, для защиты достаточно нагрева на несколько градусов, что даст замыкание проводников при небольшом напряжении и токе протекающем через них на несколько минут. На магистралях с интенсивным трафиком движения провода будут нагреты за счет больших токов и трения контактов.

Структура силовой части машин.

Энергетическая система электробуса достаточно проста, содержит преобразователь напряжения, суперконденсатор и главный потребитель энергии - электродвигатель постоянного тока.
Преобразователь напряжения нужен для формирования из внешего напряжения, которое может колебаться в значительных пределах (в целях безопасности пассажиров), напряжения "внутреннего" (300В) , которое подается на электродвигатели, суперконденсатор и оборудование. В зависмости от напряжения преобразователь повышает или понижает напряжение.Направление передачи энергии одно, только от рельса к внутреннему оборудованию. Одно направление передачи энергии позволяет упростить конструкцию и повысить электробезопасноть системы.
Мостик из переключателй с низким сопротивлением перед преобразователем позволяет работать с любой полярностью получаемого напряжения. Из-за большого потребляемого тока обычные диоды здесь непримелемы, необходимо применение электронных ключей с низким, миллиомным сопротивлением.


Суперконденсатор позволяет двигателям кратковременно использовать значительные мощности, даже при недостаточном напряжении на контактном рельсе, позволяет использовать рекуперативное торможение возвращая часть затраченной на разгон энергии. Вес суперконденсатора ~200 кг, кроме повышения надежности транспортной системы суперконденсатор вместе с аккумуляторами расположенный в нижней части машины способствует повышению ее устойчивости, снижает вибрацию корпуса, повыщает плавность движения. Характеристики основных промышленно выпускаемых суперконденсаторов доступны здесь http://www.esma-cap.com/
Компанией ЭСМА разработана и запатентована передовая технология электрохимических конденсаторов (суперконденсаторов, ультраконденсаторов, конденсаторов с двойным электрическим слоем) так называемой "асимметричной" конструкции. В данной конструкции отрицательный электрод выполнен из активированного углеродного материала (поляризуемый электрод), а положительный электрод является неполяризуемым (фарадеевским) электродом. Положительный электрод изготовлен из гидроксида никеля, в качестве электролита используется водный раствор щелочи, применяемый в щелочных аккумуляторах и имеющий низкую цену.
Новая конструкция позволила создать суперконденсаторы с высокой удельной емкостью и энергией, низким внутренним сопротивлением, слабо зависящим от температуры.
Конденсаторы имеют большой срок службы, низкий саморазряд, в процессе эксплуатации и хранения не требуют обслуживания (или требуют крайне редкого обслуживания – для «тяговых» версий конденсаторов), имеют широкий интервал рабочих температур, сохраняют работоспособность при крайне низких (-50 °С) температурах.
Существенным отличием конденсаторов ЭСМА от всех других суперконденсаторов является способность выдерживать без разрушения и выхода из строя повышенное напряжение.
В отличие от аккумуляторов, асимметричные суперконденсаторы ЭСМА не содержат свинца, мышьяка, ртути, кадмия или иных высокотоксичных материалов.


По ряду причин, при использовании обоих электродов из активированного углерода в водных электролитах сложно обеспечить рабочее напряжение свыше 0.9 В. Конденсатор ЭСМА можно заряжать до напряжения 1.5 – 1.7 В, что приводит к значительному выигрышу в удельной энергии. Все это позволило значительно повысить емкость и накапливаемую энергию электрохимического конденсатора и, как результат, в 4-5 раз увеличить его удельные энергетические характеристики в сравнении с традиционной симметричной системой с водным электролитом.
Важным преимуществом конденсаторов ЭСМА по сравнению с традиционными симметричными электрохимическими конденсаторами является низкий саморазряд. Конденсаторы ЭСМА сохраняют свой заряд в течение месяцев, что является критически важным в ряде областей применения.
При производстве электрохимических конденсаторов используют водные и органические электролиты. Водные электролиты дешевле, просты в обращении, не загрязняют окружающую среду. Органические электролиты позволяют увеличить рабочее напряжение конденсатора и, соответственно, удельную запасаемую энергию, однако являются дорогими, имеют сложный процесс производства (не допускают попадания в электролит паров воды), часто небезопасны в экологическом отношении.

Более целесообразным является применение суперконденсаторов, в качестве буферного элемента и резервного тягового аккумулятора, это позволит улучшить динамику движения при снижении нагрузок на электросеть, снизить напряжение питания, придаст машине возможность автономного движения в течение нескольких минут, при авариях в энергосети. Необходимо иметь возможность автоматически доехать до исправного участка дороги или доставить пассажира в удобное для высадки место, на расстояние более 2 км, т.е. достаточно источника энергии более 0,3 МДж.

Наиболее рациональный источников резервного питания для электробуса:

- суперконденсатор (элементы ЭК353) весом в 200 кг, энергоемкостью 5 МДж, пиковая мощность до 200 КВт, долговременная 30-50КВт

Позволяет использовать эффективное рекуперативное торможение, запас автономного хода до 30 км, обладает высоким КПД при небольших зарядных токах, долговечностью, надежностью, недостаток - существенная масса и высокая стоимость батареи суперконденсаторов, которая вероятно не окупится полностью за счет рекуперативного торможения (для окупаемости нужно суммарно сэкономить более 100МДж кинетической энергии), это зависит от интенсивности использования транспорта, маршрута движения.

другие возможные источники резервного питания (красным помечены недостатки делающие их применение нецелесообразным)

- суперконденсатор (элементы ЭК404) весом в 100 кг, энергоемкостью 0.7 МДж, пиковая мощность до 200КВт, долговременная 20КВт
- кислотный аккумулятор весом в 50 кг, энергоемкость 5МДж, с пиковой мощностью до 10КВт, долговременной 3КВт

Такая конфигурация дешевле, запас автономного хода 35 км. Недостаток - ограниченная всего 40 секундами высокая максимальная мощность. Кислотный аккумулятор в нормальном режиме работы не используется, являясь по сути балластом.

- кислотный или NiMh аккумулятор весом в 50 кг, энергоемкость 5МДж, с пиковой мощностью до 10КВт, долговременной 3КВт

Самая простая конфигурация, более подходящая для электромобилей. Рекуперативное торможение не используется, благодаря чему снижается нагрузка на двигатель. Снижение веса машины позволяет улучшить ее динамику в нормальном режиме работы. Запас автономного хода 30 км. Основной недостаток существенно ограниченна максимальая мощность, скорость не выше 60 км/ч, в автономном режиме медленный раздон ТС, продолжтельное движение вверх по наклонной дороге, требующей высокой мощности двигателя, высокого крутящего момента колес, может быть недоступно. Лучшие показатели у NiMh аккумуляторов (16КВт продолжительная нагрузка при том же весе) но у таких аккумуляторов выше цена, ограниченный срок службы, что делает автономные поездки достаточно дорогостоящими.

Повышать возможности автономной работы нецелесообразно, но при необходимости, для решения специфичных задач, автономного перемещения на расстояния свыше 100Км, можно заменить кислотные аккумуляторы на топливные водородные или метаноловые элементы, на генераторы на основе бензиновых или дизельных микродвигателей, мощности которых могут быть от 0.5КВт до 30КВт, в зависимости от габаритов. Такие генераторы работая в оптимальном режиме имеют высокий КПД, запаса топлива, например нескольких десятков литров бензина или метанола может хватить на несколько дней автономной работы. Вес таких генераторов с двигателем внутреннего сгорания может быть от 18 до 100 кг, в зависимости от требуемой мощности. Более подробно: генераторы на основе микро ДВС http://www.subaru-robin.ru и топливные элементы http://fuelcell.report.ru Недостатки такого оборудования - лишний вес, который в нормальном режиме работы не используется, являясь балластом.

Тепловой балласт мощностью до 20КВт нужен для возможности продолжительной работы двигателя в режиме генератора, например при продолжительном спуске с возвышенности, выработанная энергия двигателем, при условии что суперконденсатор уже заряжен, будет тратится на нагрев балластного резитора. Представляет собой проволоку из тугоплавкого металла, расположенную в нижней части машины, при движении поток воздуха позволяет забрать значительное количество тепла у нагретого до сотен градусов радиатора при небольших его габаритах.

Токосъемники
Питание подводится через 2 контактных рельса, рельсы выполняют дополнительно функцию защитного заземления, рабочий ток через них не проходит. Конструкцию можно посмотреть на анимационной картинке:

Контактный провод расположен в уклублении П-образного рельса, для повышения электробезопасности и для защиты от осадков. Дополнительно защищита достигается за счет отключения питания, в те моменты когда нет потребителей энергии, практически большую часть времени контактный рельс может находится в отключенном состоянии.

Система охлаждения
Высокие требования к надежности машины и мощность двигателя не позволяют использовать воздушное охлаждение. Жидкостное охлаждение позволит переносить тепло от двигателся и силовых инверторов к интенсивно обдуваемым воздушным потоком поверхностям машины. Циркуляция принудительная, не менее 10 л/мин (~1 кубометр теплоносителя в час). Циркуляционный насос стандартный, мощностью ~60Вт с блоком частотной регуляции, меняющий расход теплоносителя в зависимости от его температуры. Теплоноситель - водный раствор (50/50 water/glycol mix) рекомендованный разработчиком двигателя.
Отмечу что такая смесь является лучшим антифризом - водные растворы этиленгликоля, к которым для предотвращения коррозии добавляют антикоррозионные присадки (например, фосфорнокислый натрий). Можно получить смеси с температурой замерзания до -75°С (66,7% этиленгликоля и 33,3% воды). Такие растворы при замерзании незначительно увеличиваются в объёме (при содержании 55-65% воды на 0,3% ) и при охлаждении ниже температуры замерзания не разрывают труб и радиаторов системы.