Где в автомобиле требуется большое количество энергии? До последнего времени энергия была необходима для освещения и для поддержания высокого состояния зарядки батареи лля электрического запуска двигателя. Эти требования были относительно скромны, но поскольку время шло, к ним добавлялись другие потребители: первыми стеклоочистители, нем I иляторные нагреватели и автомобильные радиоприемники. i.iIсм электрические вентиляторы охлаждения и нагрев заднего окна и совсем недавно лобовые стекла с подогревом, электрические люки в крыше, подогрев сидений и зеркал. Управление двигателем стало самостоятельным потребителем энергии, поскольку оно обеспечивает зажигание, использует систему впрыскивания топлива, контролирует движение множества вспомогательных устройств (изменения момента открытия или закрытия клапана, переменная геометрия выпускного коллектора, EGR, и — с «электроуп-равляемым двигателем» — непосредственно дроссельной заслонкой). Тормозные и системы шасси теперь нуждаются в электропитании для ABS, системы управления тягой и переменного изменения клиренса.


В автомобилях повышенной комфортности эти системы уже выдвигают пиковое требование мощности, близкое к 2kW, которая является всем, что может быть выжато из 14V генератора переменного тока перед достижением фундаментальных ограничений. Если вы нуждаетесь в большем количестве энергии, вы нуждаетесь во втором генераторе переменного тока, или вы нуждаетесь в генераторе переменного тока, вырабатывающем более высокое напряжение. Проблема в том, что имеется много новых потребителей мощности. Системы обеспечения весьма энергоемки, и автомобили начинают предлагать такие системы, как холодильники и подключаемые потребители — и это только начало. Инженеры автомобильных систем хотят заменять многие из механических приводов, связанных с коленчатым валом двигателя через шкив и ременной привод, электрическими двигателями. Такие двигатели были бы более эффективны, потому что они будут всегда поглощать столько энергии, сколько им необходимо, и не больше, в то время как механические двигатели должны быть предназначены, чтобы обеспечить адекватный выход мощности даже при минимальной скорости, так что большинство их выходной мощности тратится впустую, когда двигатель вращается быстро. Кроме того, электрически управляемые аксессуары могут быть установлены где угодно, без необходимости волноваться относительно выравнивания шкивов и подготовки ременных приводов.


Пока этим решениям препятствовал недостаток электроэнергии, но это скоро изменится. Даже без них автомобили высшего класса уже нуждаются в большем количестве энергии, которая в действительности означает, что они нуждаются в электрических системах, работающих с более высоком напряжением. Единственный путь состоит в том, чтобы поднять выходную мощность генератора переменного тока до 5kW или больше — это является тем, о чем системные инженеры говорят: реалистическое требование будущего. Что теперь несомненно случиться — это то, что к 2005 году последние автомобильные генераторы переменного тока будут работать с напряжением 42V вместо 14V и основная электрическая система будет работать с напряжением 36V вместо 12V. Практически это максимально высокое напряжение, которое можно использовать без дополнительных мер безопасности, подобно двойной изоляции, требующейся правилами безопасности для любого постоянного тока более 50V.


Большая энергия, произведенная 42V генератором переменного тока, сделает наконец реальными идеи, которые инженеры давно хотели осуществить.


В предыдущих главах мы говорили об электрическом рулевом управлении, полностью электрическом «проводном тормозном приводе» и «двигателе без распределительного вала» с электрическим приводом на каждый клапан. Но мы также говорим, например, об электрически управляемых компрессорах кондиционирования воздуха, возможно, даже электрически управляемых суперзарядных устройствах, не говоря уже о более широком диапазоне энергоемких роскошных изделий. Дальнейший спрос — от электрически нагретых катализаторов или плазменного выхлопа последовательной очистки до электрически управляемого насоса для охлаждения двигателя.


Неизбежно имеются некоторые проблемы, связанные с более высоким напряжением. Самое плохое, что нить обычных 36V ламп накаливания была бы слишком мала, чтобы выжить: чем выше напряжение, тем более тонкая нить, и, следовательно, уязвимее к тряске и вибрации. Какое-то время 36V электрические системы будут вынуждены подавать пониженный 12Vtok для освещения (и, возможно, для некоторых других целей). Но мы уже переходим к миру HID фар и твердотельных (LED) или неоновых вспомогательных ламп.


Renault, один из изготовителей транспортных средств, продвигающих 36V систему, рассчитывает, что к 2007 году все новые автомобили будут иметь 36V электрическую сеть и существующий 12V стандарт благополучно умрет.


Сильной стороной развития 36V систем являются три ключевых элемента — непосредственно 42V генератор переменного тока, аккумуляторная батарея и система распределения энергии. Генератор переменного тока мог бы располагаться на месте существующего 14V, но его ременной привод должен работать с более высокой мощностью — для этого необходима зубчато-ременная передача. В результате, кажется более интересной идея перехода к «тороидальному» генератору, зажатому между двигателем и трансмиссией и встроенному в маховик. В действительности это приводит к полному перепроектированию всех компонентов существующего генератора переменного тока, чтобы сделать его очень плоским, но намного большего диаметра. Комбинация более высокого напряжения и нового расположения подразумевает, что такие генераторы переменного тока будут более эффективны, чем существующие, — будет требоваться относительно меньшее количество мощности двигателя, чтобы обеспечить необходимую электрическую энергию.


Проект тороид-в-маховике имеет много других потенциальных преимуществ. Мало того, что это покончит с необходимостью в ременном приводе; полностью изменяя действие генератора переменного тока, устройство может быть сделано, чтобы действовать как чрезвычайно мощный и эффективный стартер, способный обеспечить быстрый и фактически бесшумный запуск двигателя. Это, в свою очередь, делает возможным автоматическое управление пуском после остановок в интенсивном движении практически решенным. Другое преимущество состоит в том, что с подходящим электронным управлением это устройство может действовать как демпфер, чтобы уменьшить циклическое изменение крутящего момента 4-цилиндровых двигателей, добавляя или вычитая крутящий момент в течение цикла, создавая ощущение более гладкой работы. Устройство может также сглаживать крутильные колебания карданной передачи, сглаживать эффект резкого изменения мощности при переключении передачи.


Кроме того, этот электродвигатель может использоваться для добавления мощности к двигателю внутреннего сгорания в течение короткого времени, при въезде на крутой холм или для быстрого обгона.


Сам двигатель (ДВС) может быть сделан меньшим и более легким, экономя энергию, которая может быть дополнена потенциальной способностью системы осуществлять «управление энергией», чтобы минимизировать потери в течение торможения двигателем или механического торможения — с использованием режима генератора. Тороидальный генератор может возвращать энергию от трансмиссии при выбеге и при скоростном спуске. Однако реально гибридное действие с характеристиками типа старта с места в электрическом режиме и способность выбирать электрический режим для постоянных нулевых выбросов вредных веществ в ограниченных областях нуждается в большем количестве энергии, чем может вырабатывать 36V мотор/генератор. В таких гибридных транспортных средствах устройство должно работать с рабочим напряжением (90V и выше) со способностью понижения напряжения для использования обычными системами.


Рассматривая 42V мотор/генераторы, легко забыть о батареях, но 36V-e электрические системы требуют 36V-X батарей. Это не сильно изменит конструкцию, потому что все батареи вне зависимости от напряжения состоят из подходящего числа индивидуальных ячеек.


Однако продвинутые функции типа квази-гибридного действия, вместе с потребностью обслуживать более высокие выходные мощности (включая операции кондиционирования воздуха и другие функции, когда двигатель остановлен), поощряют инженеров использовать продвинутые батареи, особенно никель-металл-гидридные и литий-по-лимерные. Кроме этого подхода к концепциям высокой плотности энергии, две другие тенденции могут быть замечены в современном развитии батарей. Первая — «интеллектуальная батарея», способная к управлению и отключению нагрузки ради безопасности и сохранения достаточной зарядки для перезапуска двигателя в любых обстоятельствах. Другая — относительно маленькая, постоянно заряжаемая батарея, необходимая в качестве резервной для «проводных» систем управления, срабатывающая в случае выхода из строя основной системы электропитания.


Принятие 36V также выгодно для электропроводки. Более высокое напряжение означает, что та же самая электрическая мощность может быть передана более тонкими проводами, которые будут сделаны более тонкими и легкими, если обычные проекты останутся в использовании.


Однако много системных специалистов теперь убеждено, что будущее лежит в силовых цепях — или малом числе проводов, по одному для каждой области транспортного средства — питание подается к каждому узлу, а управление осуществляется по мультиплексному каналу — приводит нас ко второму главному направлению развития электрической системы: распределению мощности и управления.