Тяговые электрические системы автотранспортных средств

ТЯГОВЫЕ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 
СИСТЕМЫ 
АВТОТРАНСПОРТНЫХ 
СРЕДСТВ

Е.М. Овсянников, А.П. Фомин

Рекомендовано Учебно-методическим советом ВО в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
подготовки 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», 
23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» 
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УЧЕБНИК

Москва                                        2019

ИНФРА-М

УДК 621.333(075.8)
ББК 39.15я73
 
О34

Овсянников Е.М.

О34  
Тяговые электрические системы автотранспортных средств : учеб
ник / Е.М. Овсянников, А.П. Фомин. — М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 
2019. — 303 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.
org/10.12737/textbook_5c18b29965df84.11971777.

ISBN 978-5-00091-527-1 (ФОРУМ, print)
ISBN 978-5-16-013791-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106468-9 (ИНФРА-М, online)
В учебнике рассмотрены тяговые электрические системы различных 

автотранспортных средств. Большое внимание уделено проблемам энергообеспечения основных типов электромобилей. Рассмотрены комбинированные энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания, 
электрохимических генераторов и солнечных батарей. В тяговых электроприводах за основу приняты вентильные и асинхронные двигатели, широко применяемые в современных серийных электромобилях.

Соответствует требованиям Федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 23.03.02 

«Наземные транспортно-технологические комплексы». Может быть полезен инженерам и исследователям, занимающимся электромобилями 
и гиб  ридными автомобилями.

УДК 621.333(075.8)

ББК 39.15я73

Р е ц е н з е н т ы:

Рубцов В.П., доктор технических наук, профессор кафедры элек
троснабжения промышленных предприятий и электротехнологий 
Национального исследовательского университета «МЭИ»;

Ютт В.Е., доктор технических наук, профессор, заведующий ка
федрой электротехники и электрооборудования Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета 
(МАДИ)

ISBN 978-5-00091-527-1 (Форум, print)
ISBN 978-5-16-013791-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106468-9 (ИНФРА-М, online)

© Овсянников Е.М., 

Фомин А.П., 2019

© ФОРУМ, 2019

Список применяемых сокращений

АБ — аккумуляторная батарея
АТС — автотранспортное средство
БВП — бортовой вентильный преобразователь
БДПТ — бесконтактный двигатель постоянного тока
БНЭ — бортовой накопитель энергии
ВАХ — вольт-амперная характеристика
ГА — гибридный автомобиль
ГСУ — гибридная силовая установка
ГЭУ — гибридная энергетическая установка
ДВС — двигатель внутреннего сгорания
ЕНЭ — емкостный накопитель энергии
ЗУ — зарядное устройство
КПД — коэффициент полезного действия
КП — коробка передач
КЭУ — комбинированная энергоустановка
МНЭ — маховиковый накопитель энергии
МП — механическая передача
ППН — преобразователь постоянного напряжения
САЭО — система автономного энергообеспечения
СБ — солнечная батарея
СМ — солнцемобиль
СТП — система тягового привода
СЭ — солнечный элемент
ТАБ — тяговая аккумуляторная батарея
ТАД — тяговый асинхронный двигатель
ТД — тепловой двигатель
ТС — транспортное средство
ТЭ — топливный элемент
ТЭД — тяговый электродвигатель
ТЭП — тяговый электропривод
ФЭ — фотоэлемент
ХИТ — химический источник тока
ЭДС — электродвижущая сила
ЭМ — электромобиль
ЭУ — энергоустановка
ЭХГ — электрохимический генератор
ШИМ — широтно-импульсная модуляция

Основные термины и определения 
в области тяговых электрических систем АТС

Тяговые электрические системы весьма разнообразны по своему 
назначению и составу. Их отличает уровень мощности, скоростной 
диапазон, условия эксплуатации и многое другое. Развитие этих 
систем шло постепенно на протяжении десятилетий, и одновременно менялась терминология, используемая специалистами. Существенное влияние оказывала профильная специфика этих специалистов и страна происхождения вводимого термина. В результате сложилась ситуация, когда одно и то же устройство называют 
по-разному и разные устройства получают одно название. Для преодоления этой трудности рассмотрим основные понятия из области 
тяговых электрических систем АТС, получивших широкое распространение сегодня и используемых в данной книге [14].
Первичный источник энергии — совокупность основных материалов или природных феноменов, используемых для генерирования энергии.
Источник энергии — устройство или система устройств, которые 
генерируют энергию или преобразуют энергию первичных источников энергии в виде, удобном для использования.
Пример: ДВС преобразует тепловую энергию сгораемого топлива 
в механическую; ЭХГ — энергию водорода в электрическую; солнечная батарея — энергию солнечного излучения в электрическую 
и т.д.
Накопитель энергии — устройство или система устройств, предназначенных для накопления и генерирования энергии без изменения ее вида. Пример: ТАБ, ЕНЭ, МНЭ при заряде накапливают 
свою энергию с помощью электрической энергии и генерируют 
электрическую энергию при разряде.
Адаптер энергии — устройство или система устройств, предназначенных для преобразования параметров энергии без изменения 
ее вида. Например, адаптерами энергии можно считать коробку 
передач, электрические трансформаторы, полупроводниковые вентильные преобразователи и т.п.
Преобразователь энергии — устройство или система устройств, 
предназначенных для преобразования энергии одного вида 
в другой. Например, ТЭД преобразуют электрическую энергию 
в механическую; риформеры — углеводородные топлива (метанол, 
бензин, дизельное топливо) в водород. Также можно считать выше

перечисленные источники энергии — ДВС, ЭХГ, СБ — преобразователями энергии.
Тяговая система АТС — совокупность источников, накопителей 
энергии, силовых агрегатов и аппаратуры регулирования, преобразующих энергию первичных источников в кинетическую энергию 
движения транспортного средства.
Система тягового привода (СТП) — совокупность силовых агрегатов для приведения в движение транспортного средства. В состав 
силовых оборудований СТП входят колеса с дифференциалами, механическая трансмиссия или КП, двигатели (тепловые, электрические), 
преобразующие различные виды энергии в механическую энергию.
Бортовая система энергообеспечения АТС — совокупность бортовых источников, накопителей энергии и аппаратуры преобразования и регулирования энергии различной физической природы 
в энергию, необходимую для питания силовых агрегатов СТП и вспомогательного электрооборудования на борту автотранспортного 
средства. Под приведенными выше определениями можно отметить, 
что тяговая система АТС содержит бортовую систему энергообеспечения и систему тягового привода.
Бортовой вентильный преобразователь (БВП) — полупроводниковое устройство на борту АТС, предназначенное для управления 
тяговым электроприводом посредством изменения параметров 
подводимой к нему электроэнергии.
Вспомогательные вентильные преобразователи — полупроводниковые устройства, предназначенные для питания электроэнергией 
вспомогательного электрооборудования.
На основании двух последних определений можем разделить 
полупроводниковые преобразователи на две категории: высоковольтные (силовые), которые обеспечивают требуемую энергию 
для ТЭД, и низковольтные (вспомогательные) для питания других 
элементов электрооборудования.
Гибридной называется тяговая система, сформированная путем 
гибридизации двух или более совместно функционирующих тяговых систем.
Гибридной называется силовая установка (ГСУ), состоящая из не 
менее двух различных источников или преобразователей энергии 
и двух различных бортовых накопителей энергии.
Под таким определением виднее природа реализации тяговых 
усилий на колесах гибридного автомобиля: один силовой поток образован ДВС, а второй — электродвигателями, питаемыми от бортовых 
источников, накопителей энергии различной физической природы 
или от системы «ДВС — тяговый электрогенератор».

Отметим, что ДВС одновременно может выступать в качестве 
источника механической силы тяги (тепловая энергия сгораемого 
топлива превращается в механическую энергию) и источника 
электроэнергии при совместном его использовании с электрическим генератором.
Комбинированной называется энергетическая установка (КЭУ), 
состоящая из двух или более источников, накопителей энергии, 
один из которых рассчитан на длительную реализацию энергии 
относительно невысокой мощности, а остальные — на кратковременную реализацию пиковых уровней мощности.
Таким образом, можно считать, что ГСУ является частным случаем КЭУ.
В настоящее время существует множество классификаций автотранспортных средств: по габаритным размерам, по литражу 
ДВС, по вместимости салона, по грузоподъемности и т.д. Однако 
эти классификации не отражают возможность оценки параметров, 
которые присущи только АТС с КЭУ и тяговым электроприводом. 
В связи с этим появилась необходимость создания классификации 
АТС, которая учитывала бы возможность гибридизации различных 
источников, накопителей энергии и тяговых двигателей. Точная 
классификация тяговых систем позволяет правильно выбрать их 
математическую модель, алгоритмы управления силовыми агрегатами, сравнивать их технико-эксплуатационные показатели.
Накопителем энергии в классическом автомобиле является топливный бак, в котором хранится первичный источник энергии — 
бензин, дизельное топливо и т.д.; в электромобиле — ТАБ, генерирующая электроэнергию при разряде и накапливающая ее при заряде.
Бортовой вентильный преобразователь ЭМ можем рассматривать 
в качестве адаптера энергии, преобразующего электроэнергию постоянного тока, вырабатываемую ТАБ в электроэнергию, отличающуюся по амплитуде (постоянный ток в постоянный) или по роду 
(постоянный ток в переменный). Электроэнергия, пре образуемая 
БВП, питает ТЭД, который приводит в движение ЭМ. Адаптер 
энергии может отсутствовать, если двигатель питается непосредственно топливом, подаваемым с накопителя энергии — топливного бака, как в тяговых системах традиционных автомобилей 
с ДВС.

Введение

С каждым годом становится все очевиднее, что необходимость 
охраны окружающей среды оказывает нарастающее влияние на развитие автомобильной промышленности. Мировой парк автомобилей ежегодно увеличивается на 5–8%. В этих условиях все более 
актуальной становится задача по устранению вреда современных 
автомобилей — загрязнения атмосферы отработавшими газами. 
Растущий уровень загрязнения воздуха больших городов очень 
остро поставил вопрос о разработке комплекса мер по уменьшению 
содержания токсичных веществ в атмосфере.
По документам, опубликованным в США, загрязнение воздуха 
в крупных городах определяется следующими факторами (общий 
уровень загрязнения принят за 100%) [14]:
 
• автомобили — 60%;
 
• промышленность — 19%;
 
• электростанции — 12%;
 
• бытовые установки — 6%;
 
• сжигание мусора — 3%.
Из этого следует, что основная часть выбросов токсичных веществ в атмосферу приходится на автомобильный транспорт.
По оценкам специалистов, в зависимости от конструкции 
и режима работы бензиновый ДВС может иметь КПД в пределах 
7–33%, дизельный — в пределах 10–38%. Остальная энергия рассеивается большей частью в виде теплоты через систему выпуска отработавших газов (до 40%) и систему охлаждения (до 30%). Кроме 
того, в городском режиме движения частые разгон и торможение 
автомобиля на светофорах и в пробках дополнительно увеличивают 
расход топлива (до 30%).
Выбор ДВС основывают на условии получения нужных тягово-скоростных свойств АТС. Например, на легковой автомобиль 
массой 1,2–1,5 т устанавливают двигатель мощностью 80–100 л.с. 
Однако для движения в городском потоке ему достаточно примерно трети этой мощности.
На движение автомобиля расходуется только одна третья часть 
бензина. Остальными двумя третями двигатель нагревает себя 
и окружающую среду.
Автомобильное топливо — это, как правило, смесь жидких или 
газообразных углеводородов и других химических веществ. Топливо 
в двигателе автомобиля смешивается с воздухом различными способами — в зависимости от типа двигателя и вида топлива, после чего, 

уже как топливовоздушная смесь, сжигается. Сжигание топлива освобождает его химическую энергию, которая преобразуется в тепловую и приводит в действие двигатель внутреннего сгорания. Процесс горения углеводородного топлива, по сути, является реакцией 
топлива с кислородом воздуха, в результате которой в идеальных 
условиях должно происходить образование углекислого газа и воды, 
а также выделение большого количества теплоты. На практике из-за 
того, что состав топлива сложен, смешение с воздухом не равномерно, а концентрация кислорода в потоке воздуха не постоянна, 
сгорание топлива происходит не полностью. Из-за этого полного 
использования химической энергии топлива не происходит, в двигателе накапливается нагар, а в атмосферу выбрасываются копоть, 
сажа, угарный газ и несгоревшие остатки топлива. Это происходит 
особенно активно при нестационарном режиме работы двигателя — 
на старте и при увеличении оборотов.
К автомобильной промышленности предъявляются требования 
по снижению уровня выделения токсичных веществ при работе автомобиля. Решение этой проблемы идет по двум направлениям. Первое 
предусматривает применение нейтрализаторов и фильтров в системах выброса газа, причем силовые установки автомобиля почти 
не изменяются. Однако до сего времени не удалось создать простые, 
дешевые, долговечные и эффективно действующие системы, обеспечивающие очистку отработавших газов по всем вредным компонентам. И существует мнение, что создать безвредный двигатель, 
который бы соответствовал указанным выше требованиям, едва ли 
удастся. Поэтому все чаще в различных странах обсуждается вопрос 
о возможности запрещения или частичного ограничения использования автомобилей с ДВС в городах и отдельных районах.
Дополнительный вред современные автомобили создают своим 
шумом. С каждым годом, по мере роста парка автомобилей, 
проблема снижения шума, создаваемого ими, приобретает все 
более острый характер.
Второе направление заключается в разработке практически нетоксичных транспортных средств. К таким средствам относятся, 
например, солнцемобили, у которых нет ДВС и которые к тому же 
позволяют снизить вредное влияние транспортного шума до минимума. В общем случае к нетоксичным относятся АТС с тяговыми 
электроприводами (ТЭП).
Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных 
средств с ТЭП основаны на использовании следующих устройств [14]:
 
• двигатели внутреннего сгорания с электрогенераторами;
 
• электрохимические генераторы;

• солнечные батареи;
 
• тяговые аккумуляторные батареи;
 
• емкостные накопители энергии;
 
• маховиковые накопители энергии.
Выработанная и накопленная электроэнергия потребляется 
тяговыми электроприводами и дополнительными потребителями 
энергии.
Первый электромобиль был создан значительно раньше автомобиля. Однако активное развитие электромобилей сдерживалось 
в связи с недостаточной энергоемкостью аккумуляторных батарей. 
Так, удельная энергоемкость батарей со свинцовыми аккумуляторами составляла всего 20 Вт·ч/кг. В последнее десятилетие произошли существенные изменения в этой области. Появились более 
энергоемкие батареи, электрохимические генераторы, что дало 
новый импульс в развитии электромобилестроения.
Ряд стран на государственном уровне оказывает поддержку 
электрификации транспорта, что, безусловно, является положительной тенденцией. Так, Германия предложила полный запрет 
на производство и продажу автомобилей с ДВС на территории 
страны с 2030 г. К тому же к 2030 г. Индия имеет более амбициозный план по 100%-му переходу на электрический транспорт. 
Нидерланды, Норвегия и Дания уже сейчас имеют, по разным 
оценкам, от 5 до 10% электротранспорта и планируют полный переход на него к 2025 г. Не остаются в стороне и китайские фирмы, 
ежегодно представляющие несколько новых прототипов в попытке 
удовлетворить все возрастающий спрос и занять долю перспективного рынка.
К АТС, имеющим тяговый электропривод, можно отнести и гибридные автомобили. В них сочетаются ДВС, электропривод и накопители энергии. Они позволяют повысить экологичность АТС, 
снизить затраты на углеводородное топливо. Однако, несмотря 
на значительное усовершенствование конструкции, они оказываются более дорогими по сравнению с обычным автомобилем.
Одним из путей повышения экологичности является рекуперация энергии на борту АТС. Рекуперацией называется процесс 
возвращения части энергии для повторного использования в том же 
технологическом процессе. Существует несколько способов рекуперации электроэнергии, которые отличаются друг от друга конструктивно, а именно:
 
• рекуперация торможением;
 
• механическая и гидравлическая рекуперация энергии;
 
• электрохимическая рекуперация;

• использование дополнительных устройств, генерирующих 
энергию (солнечные батареи).
Применение систем рекуперации энергии на гибридных автомобилях имеет отличительное достоинство: на таком автомобиле 
есть накопитель энергии, который способен сохранить эту преобразованную «бесполезную» энергию. Далее ее можно использовать для питания тягового электропривода. В качестве буферных 
накопителей могут служить тяговые аккумуляторы, молекулярные 
накопители (суперконденсаторы), механические накопители (маховики) и даже аккумуляторы водорода или сжатого воздуха, а также 
их различные комбинации.
Помимо повышения эффективности силовой установки автомобиля, при наличии альтернативного источника электроэнергии 
на борту автомобиля значительно упрощается система привода 
вспомогательных агрегатов ДВС. В этом случае нет необходимости 
в штатном электрическом генераторе, механических насосах охлаждающей жидкости и системы смазки двигателя: они могут быть заменены на электрические.
По количеству патентных документов и разработок самую 
большую активность проявляют Япония и Америка. Это обусловлено государственной поддержкой исследований и производства «зеленых» технологий, а также высокими нормативными 
требованиями по составу отработавших газов.
Наиболее эффективными системами регенерации энергии являются [14]:
 
• система рекуперации энергии торможения (KERS);
 
• система регенерации тепловой энергии в системе выпуска отработавших газов по циклу Ранкина (Rankine cycle);
 
• система регенерации кинетической энергии (турбоэлектрогенератор) в системе выпуска отработавших газов;
 
• термоэлектрический генератор на эффекте Зеебека (Seebeck 
Effect);
 
• электрохимический водородный преобразователь.
Среди потерь в ДВС потери тепловой энергии являются самыми 
значительными — их величина на бензиновых ДВС может составлять до 40%.
Регенерировать «бесполезную» теплоту в электрический ток 
можно несколькими способами.
Во-первых, это применение термоэлектрогенератора на эффекте Зеебека, принцип которого заключается в возникновении 
ЭДС в замкнутой электрической цепи. Цепь состоит из двух последовательно соединенных разнородных материалов и есть условие,