БОРТОВЫЕ ИСТОЧНИКИ 
И НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ 
АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 
С ТЯГОВЫМИ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Е.М. Овсянников

Допущено УМО вузов РФ по образованию
в области транспортных машин
и транспортно-технологических комплексов
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности 
23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства»

УЧЕБНИК

Москва                                        2017

ИНФРА-М

УДК 629.33(075.8)
ББК 39.33-04я73
 
О34

Овсянников Е.М.
О34  
Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных 
средств с тяговыми электроприводами : учебник / Е.М. Овсянников. — 
М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2017. — 280 с. — (Высшее образование: Ба-
калавриат).

ISBN 978-5-00091-123-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-012945-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103470-5 (ИНФРА-М, online)

В учебнике рассмотрены проблемы энергообеспечения основных типов 
автомобилей. Большое внимание уделено структурам различных гибрид-
ных автомобилей.
Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по специаль-
ности «Наземные транспортно-технологические средства», может быть 
полезен инженерам и исследователям, занимающимся электромобилями.

УДК 629.33(075.8) 
ББК 39.33-04я73 

Р е ц е н з е н т ы:
В.В. Лохнин — доктор технических наук, профессор кафедры «Элек-
тротехника» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машино-
строительный университет МАМИ»;
А.А. Никольский — доктор технических наук, ведущий научный со-
трудник кафедры «Автоматизированный электропривод» Националь-
ного исследовательского университета «Московский энергетический 
институт»

ISBN 978-5-00091-123-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-012945-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103470-5 (ИНФРА-М, online)
© Овсянников Е.М., 2015
© ФОРУМ, 2015

Список основных сокращений

АБ
—
аккумуляторная батарея

АД
—
асинхронный двигатель

АКБ
—
аккумуляторная батарея

АТС
—
автотранспортное средство

БВП
—
бортовой вентильный преобразователь

БИЭРФП
—
бортовые источники энергии различной
физической природы

БНЭ
—
бортовой накопитель энергии

БТЭ
—
батарея топливных элементов

БЭУ
—
бортовая энергоустановка

ВАХ
—
вольтамперная характеристика

ВД
—
бесщеточный (вентильный) двигатель

ВИД
—
вентильноиндукторный электродвигатель

ВК
—
ведущие колеса электромобиля

ГА
—
гибридный автомобиль

ГПТ
—
генератор постоянного тока

ГСУ
—
гибридная силовая установка

ГЭУ
—
гибридная энергетическая установка

ДБ
—
диодный блок

ДВС
—
двигатель внутреннего сгорания

ДВСГУ
—
ДВСгенераторная установка

ДНВ
—
двигатель постоянного тока с независимым возбуждением

ДПТ
—
двигатель постоянного тока

ЕНЭ
—
емкостный накопитель энергии

ЗУ
—
зарядное устройство

ЗУ
—
устройство заряда

ИПК
—
индивидуальный привод колес

ИЭЭ
—
источник электрической энергии

КПД
—
коэффициент полезного действия

КПП
—
коробка переключения передач

КЭУ
—
комбинированная энергоустановка

ЛНЭ
—
линия наибольшей эконормичности

МН
—
механический накопитель энергии

МНЭ
—
маховиковый накопитель энергии

МПСУ
—
микропроцессорная система управления

МПТ
—
машина постоянного тока

НВ
—
нановолокна

НГМА
—
никельметаллогидридный аккумулятор

НРЦ
—
напряжение рабочего цикла

НТ
—
нанотрубки

НЭ
—
накопитель энергии

НЭЭ
—
накопитель электрической энергии

ПМТЭ
—
метаноловые топливные элементы

ПОМ
—
протонообменная мембрана

ППН
—
преобразователь постоянного напряжения

ПУ
—
пороговое устройство

РММ
—
регулятор максимальной мощности

РР
—
релейный регулятор

РУ
—
разрядное устройство

РЭ
—
релейный элемент

РЭП
—
релейный электропривод

СА
—
система автоматики

САЭО
—
система автономного энергообеспечения

СБ
—
солнечная батарея

СКА
—
свинцовокислотный аккумулятор

СМ
—
солнцемобиль

СН
—
стабилизатор напряжения

СТП
—
система тягового привода

СТЭ
—
система тягового электропривода

СФЭУ
—
солнечная фотоэлектрическая установка

СЭ
—
солнечный элемент

ТАБ
—
тяговая аккумуляторная батарея

ТКБ
—
тяговая конденсаторная батарея

ТОТЭ
—
твердоокисный топливный элемент

ТП
—
топливный процесс

ТР
—
трансмиссия

ТС
—
транспортное средство

ТЭ
—
топливный элемент

ТЭГ
—
термоэлектрический генератор

ТЭД
—
тяговый электродвигатель

ТЭП
—
тяговый электропривод

ТЭС
—
тепловые электростанции

УГ
—
униполярный генератор

УД
—
униполярный двигатель

ФС
—
фотоэлектрическая система

ФЭ
—
фотоэлемент

ФЭП
—
фотоэлектрический преобразователь

ХИТ
—
химические источники тока

ШС
—
шунтовый стабилизатор

ЭД
—
электродвигатель

ЭДС
—
электродвижущая сила

ЭМ
—
электромобиль

ЭМ с ТЭ
—
электромобиль с топливными элементами

ЭМБ
—
электромеханическая батарея

ЭМП
—
электромеханический преобразователь

ЭУ
—
энергетическая установка

ЭХГ
—
электрохимический генератор

ЭХЗ
—
электрохимическая зона

ЭХН
—
электрохимический накопитель

ЭЭУ
—
электрохимическая энергетическая установка

4
Список основных сокращений

Введение

Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных

средств с тяговыми электродвигателями основаны на использовании
следующих устройств:

• двигатели внутреннего сгорания с электрогенераторами;
• электрохимические генераторы;
• солнечные батареи;
• тяговые аккумуляторные батареи;
• емкостные накопители энергии;
• маховиковые накопители энергии.
Выработанная и накопленная электроэнергия потребляется тяго

выми электроприводами и дополнительными потребителями энергии.

Первый электромобиль был создан Робертом Дэвидсоном в

1838 г. в Англии — значительно раньше автомобиля с двигателем
внутреннего сгорания, всего через шесть лет после открытия Фараде
ем явления электромагнитной индукции. Это была огромная машина
с ваннами, заполненными серной кислотой, с очень маленькой ско
ростью. Поначалу он опережал обычный автомобиль по объему вы
пуска и скорости передвижения — к 1912 г. в США было изготовлено
более 10 тыс. электромобилей, однако позже не смог стать его конку
рентом. Произошло это изза недостатка емкости существовавших
тогда аккумуляторов и несовершенной конструкции электропривода.
Тяговый электродвигатель в таких машинах получал питание от бата
рей со свинцовыми аккумуляторами емкостью всего 20 Вт/ч⋅кг. Одна
ко с приходом XXI в. топливных элементов питания и, конечно же,
свежих идей (в том числе и отечественных) многие производители ав
томобилей дают электромобилю второй шанс. Будет ли он удачным?
Для этого ответа надо рассмотреть существующие решения, проана
лизировать все достоинства и недостатки.

Ухудшение экологической обстановки, обусловленное вредным

воздействием автотранспорта, в городах носит катастрофический ха
рактер в первую очередь в связи с загрязнением воздушного бассейна
выбросами вредных веществ автомобильных двигателей, поэтому
приоритетной задачей проектирования городских автомобилей явля
ется снижение количества выбросов вредных веществ и улучшение
топливноэкономических показателей проектируемых автомобилей.
В первые годы после появления автомобиля примерно половина вы
пускаемых моделей имела электрический привод. Однако через не
сколько лет он был практически полностью вытеснен двигателем
внутреннего сгорания (ДВС), хотя кривая протекания крутящего мо
мента электрического двигателя как нельзя лучше подходит автомо
билю и позволяет отказаться от сцепления и коробки передач. Мак
симальный крутящий момент электрический двигатель развивает при
трогании с места, а с ростом оборотов его величина плавно убывает.
Основными проблемами электромобиля до сих пор являются источ
ники питания и система регулирования и управления приводом. По
этому вспоминают об электроприводе только как об экологически
чистой альтернативе автомобилю с ДВС в городах. Однако ни одна
созданная в мире конструкция электромобиля не смогла еще удовле
творить даже самого невзыскательного потребителя. Причины это
го — малый пробег без подзарядки, небольшая максимальная ско
рость, плохая динамика и сложности с зарядкой.

Известно, что современный автомобиль имеет достаточно хоро

шие показатели топливной экономичности и экологичности при рав
номерном движении в достаточно широком диапазоне рабочих ско
ростей. Однако, при движении в режиме городского цикла, представ
ляющего собой постоянное чередование фаз разгона, равномерного
движения, замедления и стоянки с работающим на холостом ходу
двигателем, эти же показатели существенно ухудшаются. Причин не
сколько: недостаточное использование потенциальной мощности
двигателя при движении с ограниченной в условиях города скоро
стью, вследствие чего двигатель работает с повышенными удельными
расходами, постоянные затраты энергии на накопление автомобилем
кинетической энергии, которая затем через короткий промежуток
времени переводится в тепло и безвозвратно теряется в фазе служеб
ного замедления автомобиля, бесполезная затрата энергии при работе
двигателя в режиме холостого хода на служебной остановке при дви
жении в режиме городского цикла.

6
Введение

С перечисленными недостатками можно вести борьбу разными

методами: внедрением системы «стоп—старт», позволяющей исклю
чить работу двигателя при служебной стоянке в режиме городского
цикла внедрением систем рекуперации энергии торможения, гасящих
накопленную при разгоне кинетическую энергию не фрикционными
тормозами, а системой рекуперации, позволяющей в дальнейшем ис
пользовать эту энергию для разгона автомобиля. Можно увеличить
степень использования мощности двигателя при равномерном движе
нии с относительно невысокой скоростью городского цикла путем
применения бесступенчатой передачи вместо ступенчатой трансмис
сии, осуществляя при этом регулирование скорости равномерного
движения не дросселированием двигателя, как это осуществляется
при ступенчатых трансмиссиях, а путем регулирования частоты вра
щения ДВС при работе его по характеристике минимальных расходов.

Все перечисленные пути улучшения характеристик автомобиля

при его работе в городском цикле ведут к значительному усложнению
и удорожанию конструкции автомобиля, поэтому до настоящего вре
мени не нашли широкого применения в массовом автостроении, кро
ме, пожалуй, бесступенчатых трансмиссий, однако и они еще недос
таточно распространены.

В настоящее время одним из наиболее перспективных направле

ний решения проблемы городского автотранспорта является приме
нение гибридных силовых установок, позволяющих достичь требуе
мого улучшения экологических показателей автомобиля за счет соче
тания преимуществ основного и пикового источника энергии путем
разработки систем и оптимизации алгоритма их совместной работы, в
основу которых положено движение автомобиля в городском цикле.
Энергия основного источника (ДВС, топливные и полутопливные
элементы) непрерывно расходуется в течение длительного времени,
предназначена для преодоления силы сопротивления движения авто
мобиля. Энергия пикового источника (тяговая аккумуляторная бата
рея (ТАБ), емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), маховиковый на
копитель энергии (МНЭ)), обладающего свойствами накопителя, за
трачивается на преодоление сопротивления силы инерции (разгон
автомобиля). Пиковый источник энергии (накопитель) заряжается за
счет избыточной (не реализуемой при движении в данной стадии го
родского цикла) энергии основного источника, а также за счет реку
перации кинетической энергии при замедлении и во время рабочих
остановок [2].

Введение
7

Электроприводные автотранспортные средства (АТС) занимают

значительную часть в общем парке АТС ведущих стран мира. Это
троллейбусы, электромобили, гибридные автомобили, карьерные са
мосвалы, автопоезда и др.

По сравнению с обычными АТС электроприводные имеют ряд

достоинств: экологическая чистота; широкие возможности индивиду
ального управления скоростью и моментом каждого тягового электро
двигателя (ТЭД), входящего в состав АТС, в зависимости от условий
движения; оптимальные режимы работы источников энергии, что
особенно важно для ДВС; отсутствие механической части трансмис
сии в классическом виде. Передача энергии от источников к ведущим
осям и колесам осуществляется по электрическим кабелям, что ис
ключает потери энергии в механических передачах. Указанные досто
инства обеспечат электроприводным АТС более широкое применение
в мировой практике будущего.

При разработке и проектировании АТС с тяговым электроприво

дом первостепенным и ключевым является вопрос: откуда брать
энергию для питания ТЭД. Какие источники и накопители энергии и
в каком сочетании используются для формирования комбинирован
ной энергоустановки (КЭУ)? Ответам на эти вопросы посвящен дан
ный учебник. В качестве источников энергии рассматриваются:
ДВСгенератор; электрохимический генератор (ЭХГ); солнечная ба
тарея (СБ). Эти источники используются совместно с накопителями
энергии: тяговой аккумуляторной батареей (ТАБ); емкостным нако
пителем энергии (ЕНЭ); механическим накопителем энергии (МНЭ).

Рассмотренные возможности позволяют электромобилю значи

тельно потеснить обычный автомобиль с ДВС. Особенно в условиях
города, где важны вопросы экологии и есть время для зарядки нако
пителя энергии при стоянках на светофорах. Учитывая равнодушное
отношение частных владельцев к экологии и значительную стоимость
электромобиля, на данном этапе развития автомобилестроения сле
дует задуматься о разработке государственных программ типа «Мар
шрутные такси» или «Городской автобус».

8
Введение

Глава 1
ГИБРИДНЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВС

1.1. Состояние и развитие ГСУ

Бурное развитие автомобилестроения привело к экологическим

проблемам, связанным с выбросами токсичных веществ, содержа
щихся в отработанных газах ДВС. Ведущие автомобилестроительные
фирмы мира вкладывают огромные средства в разработки по умень
шению токсичности отработанных газов и снижению расхода топли
ва ДВС. Намечены тенденции проведения работ по созданию ДВС
нового поколения с камерами обедненного сгорания; использованию
новых видов топлива (природного газа, метанола) для поршневых
ДВС, улучшающих их экологические свойства; использованию водо
рода в качестве топлива для ДВС и т. д.

Однако результаты дальнейших работ по улучшению характери

стик ДВС не позволяют полностью решить проблемы экономичности
топлива и снижения отработанных токсичных газов в связи с нера
циональным использованием ДВС на борту автомобиля.

Номинальный КПД автомобиля с дизельным двигателем состав

ляет примерно 30 % (КПД двигателя — 34 %, коробки перемены пе
редач — 96, карданной передачи, заднего моста и подшипников ко
лес — 97,5, шин — 94,5 %

Номинальный КПД автомобиля с бензиновым двигателем со

ставляет примерно 21,2 % (КПД двигателя — 24 %, коробки переме

ны передач — 96, карданной передачи, заднего моста и подшипников
колес — 97,5, шин — 94,5 %).

С учетом номинальных КПД автомобилей, средних значений ко

эффициента увеличения расхода энергии в условиях эксплуатации —
0,62 и потерь при добыче и транспортировке (принято всего лишь
1,5 %) получается, что эффективность использования первичных
энергоресурсов для автомобилей составляет (при затратах энергии на
переработку нефти 19 %) [2]:

• для бензиновых автомобилей — 13,4 %;
• для дизельных автомобилей — 19,1 %.
Как известно, при подборе мощности ДВС обычно исходят из не

обходимости обеспечить приемлемые тяговодинамические и скоро
стные характеристики транспортного средства. Для того чтобы, на
пример, легковой автомобиль полной массой 1,2...1,5 т удовлетворял
данным требованиям, на него устанавливают двигатель мощностью
50...70 кВт (70... 100 л.с). Но для равномерного движения с разрешен
ной в городе скоростью (60 км/ч) ему нужна мощность, не превы
шающая 6 кВт (8,4 л.с), а со скоростью 100 км/ч — 18 кВт (25 л.с).

Особенности работы автомобильных ДВС порождают недо

статки. В частности, мощность, развиваемая ДВС, зависит от частоты
вращения его коленчатого вала и, следовательно, от скорости движе
ния автотранспортного средства. При малой частоте вращения эта
мощность очень мала, а при работе на холостом ходу вовсе равна
нулю, и лишь при больших частотах вращения ДВС развивает макси
мальную мощность. Для города характерны малые средние скорости
движения автомобиля, и значит, ДВС работает на малых и средних
частотах вращения коленчатого вала. А такие режимы, как известно,
неэкономичны и неэкологичны. Механические коробки передач в
какойто степени компенсируют этот недостаток. Однако даже при
большом числе передач они не всегда в состоянии обеспечить полную
загрузку ДВС, т. е. его работу в режиме максимальной мощности. Су
ществующие бесступенчатые коробки передач, которые позволяют
ДВС работать постоянно на одних и тех же частотах и иметь постоян
ную заданную мощность, дороги и имеют низкий коэффициент по
лезного действия (КПД).

Далее, если рассмотреть движение АТС в городских условиях, то

видна нерациональность использования энергии, вырабатываемой
ДВС. При разгоне эта энергия расходуется на преодоление сил инер
ции, сил сопротивления качению, при равномерном движении — сил

10
Глава 1. Гибридные силовые установки с использованием ДВС