Ученые ПНИПУ исследовали совместную работу аккумулятора и водородного топливного элемента для электромобилей

Уменьшить ущерб экологии и более эффективно использовать транспорт возможно с помощью перехода на электромобили. Их энергоустановка обладает более высоким коэффициентом полезного действия. В большинстве своем они аккумуляторные. Реже встречаются гибридные – те, которые работают на нефтепродуктах и могут при необходимости переключаться на электротягу. Однако такие авто малоэффективны и редки. Отдельно можно выделить электромобили на водородных топливных элементах. Их главные преимущества – сокращенное время заправки, увеличенная дальность хода и более экологичное производство. Однако изучать работу такого транспорта сложно из-за недостатка практического опыта его применения в России. Ученые ПНИПУ исследовали модель электромобиля на водородных топливных элементах и выяснили особенности функционирования его энергосиловой установки.

Исследование опубликовано в 116-ом выпуске Вестника ВСГУТУ и апробировано на научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Безопасность колесных транспортных средств в условиях эксплуатации», 2023г.

Электромобиль на водородных топливных элементах содержит дополнительные системы для хранения, транспортировки и преобразования водорода в электроэнергию. Для работы пермские политехники выбрали модель гоночного болида Туринг Tamiya. Эта модель содержит картридж со сплавом титана и других химических элементов для хранения в его структуре водорода, водородный топливный элемент, микроконтроллер электродвигателя, аккумуляторную батарею, электродвигатель и систему управления.

Для исследования ученые ПНИПУ переоборудовали электросхему модели. Это позволило выводить на экран монитора информацию об энергетических потоках, передаваемых на электродвигатель от топливного элемента.

При исследовании работы водородной энергосиловой установки ученые ПНИПУ выяснили, что электрохимический генератор – преобразователь водорода и кислорода в энергию – устойчивая и стабильная форма. При неоднократно проведенных опытах эта установка ведет себя идентично. Чего не скажешь о работе электродвигателя, которому при запуске необходимо обеспечить потребление повышенной мощности. Так выяснилось, что мощности водородного топливного элемента исследуемой модели недостаточно.

Есть два решения этой проблемы. Краткосрочное – установка более мощного топливного элемента, который постоянно вырабатывает столько мощности, сколько необходимо электродвигателю для запуска. Но на это решение накладываются ограничения в размерах энергоустановки, предназначенной для размещения в автомобиле, и целесообразность постоянного производства большего, чем требуется на установившемся режиме, значения энергии.

Долгосрочная перспектива – использование резервной аккумуляторной батареи, которая подключается исключительно в период пиковых нагрузок, таких как запуск электродвигателя.

 – При подаче сигнала управления на электродвигатель наблюдался скачкообразный набор мощности до пикового значения (30 Вт) – это объясняется тем, что электродвигателю в режиме запуска требуется дополнительная энергия, так как мощность, вырабатываемая топливным элементом (15 Вт), остается постоянной, аккумуляторная батарея компенсирует нехватку энергии, – объясняет ассистент кафедры «Автомобили и технологические машины» Пермского Политеха Ольга Иванова.

Во время исследования ученые ПНИПУ установили, что производительности водородного топливного элемента недостаточно для питания электродвигателя на переходных режимах. Для компенсации нехватки мощности необходимо подключение резервной аккумуляторной батареи. Важно учитывать, что аккумулятор в таком случае выступает в роли вспомогательного источника электроэнергии. Он заряжается при выходе электродвигателя на установившийся режим работы. Результаты исследований пермских политехников помогут в проектировании качественных электромобилей отечественного производства.

На изображении: 1 - водородный картридж; 2 - регулятор давления; 3 - блок водородных топливных элементов; 4 - контроллер двигателя; 5 - электродвигатель.