Разработка электромобилей ОАО «АвтоВАЗ»

Следуя общемировой тенденции, в начале 1974 г. Министерство автомобильной промышленности СССР приняло решение о создании в стране производства электромобилей для работы в крупных муниципальных объединениях. Приказом № 135 от 18.04.1974 г. Генеральный директор АвтоВАЗа В.Н. Поляков создает конструкторское подразделение по созданию электромобилей. Заместителем главного конструктора по новой тематике был назначен В. Вершигора. Предстояла большая работа по созданию «с нуля» как самого электромобиля, так и его компонентов: силового привода, системы управления, тяговой аккумуляторной батареи, зарядного устройства и т. д. В составе УГК было создано несколько КБ и экспериментальный участок, которые активно включились в работу по сбору информации, ее обработке, макетированию и разработке первых опытных образцов. Кооперация с передовыми научно-исследовательскими предприятиями и организациями страны осуществлялась на основе хозяйственных договоров и программ ГКНТ. С организациями Московский завод «Дзержинец», НПО «Квант», Новосибирский электротехнический институт, Ленинградское НПО «Источник», ВНИИЭМ и другими совместно создавали первые вазовские электромобили.

Первые макетные образцы электромобиля были созданы на базе бензиновых автороллеров Э11011. Автороллер был разработан по предложению главного инженера АвтоВАЗа Е.А. Башинджагяна, как машина для молодежи, наиболее простая и дешевая, а для предприятия АвтоВАЗ, как продукт ширпотреба. Но такой продукт не был утвержден, так как в стране не хватало стального листа, и посоветовали перейти на чугунные сковородки и утюги. Автороллер по компоновке очень подходил для переоборудования в электромобиль.

Рисунок 1. Электромобиль Э11011

Первый электромобиль Э11011 (рис. 1) с тяговым двигателем ДТ-11 завода «Дзержинец» и 10-ю стартерными аккумуляторами, обеспечившими напряжение 120 В был собран в декабре 1974 года. Испытания первых электромобилей позволили довести систему управления электропривода и способствовали дальнейшему развитию конструкции электромобилей. Генеральный директор В. Поляков уделял новому направлению в жизни завода повышенное внимание и сам садился за руль машины. Однажды, совершив пробную поездку и преодолев 22-процентный подъем на заводском треке, он дал высокую оценку работы инженеров, произнеся: «Я ездил на электромобиле в Германии, но наш — лучше…».

Проведенная работа позволяла продолжать поисковые работы по электромобилям.

Рисунок 2. Электромобиль ВАЗ-2801

В 1975 году были собраны два опытных электромобиля ВАЗ-2801 (рис. 2) на базе модели ВАЗ-2102 с кузовом фургон. Совместно с заводом «Дзержинец» были созданы новые двигатели постоянного тока мощностью 25 кВт (ПТ-125) и 40 кВт (ПТ-146). Тяговый электродвигатель ПТ-125 позволял двигаться электромобилю с максимальной скоростью 87 км/ч. Батарея никель-цинковых аккумуляторов НЦ-125 емкостью 125 Ач (НПО «Источник») размещалась под капотом и в передней части грузового отсека, и позволяла иметь запас хода до 110 км при движении со скоростью 40 км/ч.

По результатам испытаний электромобиля ВАЗ-2801 было принято решение по выпуску опытной партии. В 1980–81 годах первая партия электромобилей в количестве 47 штук направлена для проведения длительных эксплуатационных испытаний в города: Москва (ГлавМосавтотранс и НПО «Квант»), Тольятти (ГорПТУС и Горисполком), Киев (Укрбытрадиотехника), Миргород (курорт), а также они использовались на главном конвейере завода, подвозя горячее питание к рабочим местам слесарейсборщиков.

Созданные методом «конвертирования» электромобили модели 2801 оказались перетяжеленными, с уменьшенным (из-за размещения аккумуляторной батареи) грузовым отсеком. Их грузоподъемность также была существенно меньше, чем у бензиновых аналогов, т. к. масса аккумуляторов достигала 380 кг.

Создавая первые конструкции электромобилей на основе серийных моделей, конструкторы и дизайнеры понимали, что электромобили должны иметь оригинальную внешность, с учетом рациональной компоновки аккумуляторных батарей и систем обеспечения электропривода. И проекты подобных машин создавались. В 1977 году в составе Дизайн-центра было создано бюро электромобилей, которое возглавил А. Селин. В Дизайн-центре в 1978 году был разработан и изготовлен открытый, четырехместный электромобиль «Пони» для обслуживания курортов, выставок и парковых зон. Ведущим дизайнером проекта был Ю. Верещагин, ведущим конструктором — В. Барановский.

На базе этой разработки используя узлы и агрегаты шасси автомобиля ВАЗ-2108, был разработан электромобиль ВАЗ-1801 с кузовом из стеклопластика (рис. 3). Электромобиль был заднеприводным, с тяговым электродвигателем ПТ-125 и тиристорной системой управления, аккумуляторы НЦ-125 располагались в двух контейнерах: в передней части под капотом, и в задке. Он отличался оригинальной внешностью и легкостью управления, так как имел всего две педали — акселератора и тормоза, и рычаг стояночного тормоза.

Рисунок 3. Электромобиль ВАЗ-2108 с кузовом из стеклопластика

Было изготовлено два образца для обслуживания выставки Экспо-84, посвященной 60-летию Минавтопрома, и использовали их для демонстрации в действии высокопоставленным гостям выставки, которые в большинстве своем были в восторге от пережитых впечатлений. Дело в том, что при максимальной скорости всего 70 км/ч (это было сделано с точки зрения безопасности т.к. электромобиль был открытым, и кроме ремней безопасности, ничто неудерживало пассажиров) электромобиль мог делать крутые виражи за счет очень низкого центра тяжести. По окончании выставки специалисты ВАЗа А. Селин, С. Усов, В. Кашканов и А.Михайлов были награждены медалями ВДНХ.

Электромобиль «Пони» вызывал симпатии и большой интерес у посетителей вазовского стенда. В частности, у французских специалистов, которые предлагали контракт на поставку этих машин для служб обслуживания строящегося туннеля через Ла-Манш. Аккумуляторную батарею предполагали комплектовать во Франции. Ориентировочная стоимость могла составлять 10 000 $ за один электромобиль. Однако мы не смогли быстро организовать выпуск таких электромобилей для выполнения этого заказа.

Следующей разработкой завода стал бортовой электромобиль ВАЗ-2802–01 с одноместной кабиной (рис. 4). Ведущим конструктором по нему был С. Докучаев, а ведущим дизайнером — А.Дегтярев. Рама, платформа и кабина этого транспортного средства были изготовлены из алюминиевого сплава, что позволило существенно снизить собственную массу и повысить его грузоподъемность.

Рисунок 4. Бортовой электромобиль ВАЗ-2802–01 с одноместной кабиной

Параллельно разрабатывалась конструкция электрофургона вагонной компоновки ВАЗ-2802–02 с кузовом из стеклопластика и стальной рамой (рис. 5). Ведущим конструктором этой модели был М. Маркиев, ведущим дизайнером — Г. Грабор. В 1980 году ВАЗ-2801–02 был собран в экспериментальном участке дизайн-центра. Его показывали на выставках, где неизменно отмечали удачную концепцию машины и ее дизайнерское воплощение.

Рисунок 5. Электрофургон ВАЗ-2802–02 с кузовом из стеклопластика и стальной рамой

Различные конструктивные решения, примененные на этих двух электромобилях позволили сделать выводы об их перспективности. Так, стальная несущая рама электромобиля ВАЗ-2802–02 оказалась очень тяжелой. Это заставило разработчиков вернуться к алюминиевым сплавам, благо, что опыт по сварке алюминия уже был благодаря сотрудничеству с лабораторией сварки Тольяттинского политехнического института.

Приобретенный опыт разработки этих двух электромобилей был использован при создании электромобиля ВАЗ-2702 (рис. 6). Была очень скрупулезно проработана компоновка, просчитана развесовка электромобиля и узлов электропривода для использования на 100% узлов шасси по грузоподъемности. Компоновка электромобиля была полукапотной, заднеприводной с электродвигателем ПТ-125, тяговая аккумуляторная батарея НЦ-125 размещалась в контейнерах под полом кузова. Кабина и фургон были сварными, из алюминиевых штампованных панелей из сплава АМг-2. Под руководством ведущего конструктора С. Усова конструктором С. Ивлевым была разработана легкая и прочная рама из алюминиевого сплава 1915. Пространственная рама из труб была рассчитана с помощью метода конечных элементов. В результате массу рамы удалось снизить до 67 кг, обеспечив при этом ее высокую прочность. Ведущим дизайнером электромобиля ВАЗ-2702 был Г. Грабор. Ему удалось создать современный, красивый и функциональный облик кабины с удобной посадкой. Рабочее место водителя отличалось лаконизмом, хотя и выглядело современно. ВАЗ-2702 предназначался для работы в службе бытовых услуг, он имел алюминиевый кузов-фургон с доступом внутрь через заднюю и правую боковую двери-жалюзи, поднимающиеся вверх.

Рисунок 6. Электромобиль ВАЗ-2702

В 1982 году изготовили второй образец электромобиля, а в следующем — третий, модернизированный. В 1986 г. были проведены приемочные испытания, которые новинка завода с честью выдержала. На шасси ВАЗ-2702 был разработан и построен бортовой грузовик с тентом. Лицензия на его производство была продана одному предприятию из г. Кемерово.

В 1992 году был разработан легковой электромобиль на базе автомобиля «Ока». Силовой агрегат состоял из электродвигателя ПТ-125 и одноступенчатого редуктора. Тиристорная система управления электроприводом обеспечивала плавный разгон электромобиля, а также рекуперацию электрической энергии во время торможения двигателем. Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи НКП-90 размещались в трех отсеках: под капотом, под задним сиденьем и в багажнике. Был успешно проведен комплекс испытаний электромобиля, включая фронтальный удар.

В 1994 году руководством НТЦ было принято решение начать опытное производство электромобилей «Ока» в Опытно-промышленном производстве (ОПП). Была уточнена компоновка электромобиля. Для обеспечения пробега в 110 км на одной зарядке подняли напряжение со 120 В до 132 В. Саратовский аккумуляторный завод поставлял усовершенствованные аккумуляторы НКП-120. Силовой тиристорный блок электропривода заменили транзисторным, что позволило снизить массу электропривода на 20 кг, уменьшить габариты и повысить электрический КПД электропривода. Все эти работы в течение года были реализованы при сборке новых электромобилей. Транзисторные блоки управления изготавливались в цехе электроники. Всего в ОПП было собрано 20 электромобилей ВАЗ-1111Э.

Рисунок 7.Электромобиль ВАЗ-1111Э

Электроприводом электромобиля «Лада Ока Электро» в 1996 году оснастили также один из экспериментальных образцов концепт-кара «Эльф», вызывавшего в течение долгого времени большой интерес у посетителей заводского стенда на российских и международных выставках.

Рисунок 8. Концепт-кар «Эльф»

Дальнейшим развитием конструкции электромобиля стал концепт «Рапан», разработанный в 1998 году. Концепт-кар наглядно продемонстрировал, каким может быть экологически чистое четырехместное транспортное средство для деловых поездок по городу или во время отдыха в зонах, где чистоте окружающей среды уделяется особое внимание.

Рисунок 9. Концепт-кар «Рапан»

«Рапан» — это трёхдверный однообъёмник, рамный, с приводом на передние колеса. Была применена стальная рама типа «активная платформа», на которой установлены передняя и задняя подвески, рулевое управление и тормозная система. Никель-кадмиевая аккумуляторная батарея НКП-120 емкостью 120 Ач располагалась в контейнерах внутри рамы. Электродвигатель ПТ-125 с редуктором установлен на передней оси, транзисторная система управления электроприводом размещена рядом с аккумуляторной батареей. Закрепленный на раме кузов сделан каркасным, с навесными пластмассовыми панелями. Пол высокий, ровный, без выступающих порогов и тоннеля. Остекление кузова очень эффектное и многофункциональное: обеспечен прекрасный круговой обзор, на дверях имеются дополнительные парковочные окна.

Представление концепт-кара «Рапан» на автосалоне Париж-98 убедительно продемонстрировало высокий технический и творческий потенциал Волжского автомобильного завода. Из нескольких тысяч экспонатов автосалона «Рапан» попал в престижный список рекомендуемых к просмотру объектов. Французы отметили, что мы нечаянно, а может и целенаправленно, открыли новый типаж автомобиля, который был определён как высокий, городской, хорошо остеклённый, с трансформируемым интерьером, с возможностью двигаться на электротяге.

В 1999 году по заказу московского гольф-клуба в Нахабино приступили к разработке электромобиля типа Гольф-кар. В течение года были разработаны два типа электромобилей Гольф-кар. Электромобиль Лада Гольф 1002 двухместный, с грузовой платформой и Лада Гольф 1004 — четырехместный (рис. 10).

Рисунок 10. Электромобиль Лада Гольф 1004

Эти электромобили были переднеприводными. Передняя подвеска, рулевое управление, тяговый электродвигатель ПТ-125 с редуктором и электропривод на 48 В были с небольшими изменениями заимствованы с электромобиля «Лада Ока Электро». Свинцовая аккумуляторная батарея емкостью 120 Ач позволяла иметь запас хода до 40 км. Ведущим конструктором был С. Ивлев, ведущим дизайнером — В. Плешанов. Изготовлены электромобили были в УДА. Два Гольф-кара были отправлены в гольф-клуб Нахабино для показа и демонстрации технических характеристик. Специалисты и руководители гольф-клуба очень высоко оценили дизайн электромобилей, который выгодно отличался от электромобилей «Сlab Car» и «Yamaha».

При испытаниях грузового Гольф-кара с полной нагрузкой обнаружилось, что при движении по пересеченной местности по мокрой траве не хватает сцепного веса на переднюю ось для преодоления крутых подъемов. Было принято решение делать грузовые электромобили Гольф-кар заднеприводными. В течение года была разработана документация и в УДА изготовлены три грузовых электромобиля Лада Гольф 1002 с задним приводом (рис. 11). После приемки три грузовых электромобиля до настоящего времени эксплуатируются в гольф-клубе Нахабино.

Рисунок 11. Заднеприводной автомобиль Лада Гольф 1002

В 2001 году на Московском автосалоне была продемонстрирована модификация четырехместного электромобиля Лада Гольф 1004Т с крышей (рис. 12).

Рисунок 12. Электромобиль с крышей Лада Гольф 1004Т

Через год, также на Московском автосалоне, был продемонстрирован концепт-кар четырехместного электромобиля «Рикша» (рис. 13).

Рисунок 13. Лада Рикша Электро

По заказу Управления Главного Механика ОАО «АВТОВАЗ» в 2002 г. был разработан ВАЗ-10031 «Бронтокар» — внутрицеховое транспортное средство. Этот заднеприводной электромобиль имеет грузовую платформу размером 1300 х 1800 мм и может перевозить 600 кг груза. Электромобиль комплектуется свинцово-кислотными батареями, которые обеспечивают пробег до 80 км. Максимальная скорость — 25 км/час. Базовое шасси позволяет обеспечивать сборку различных модификаций для внутризаводского применения.

Рисунок 14. Внутрицеховой электромобиль ВАЗ-10031 «Бронтокар»

Электромобили «Бронтокар», изготавливались на фирме «Бронто». Интерес к электромобилю «Бронтокар» был проявлен для использования его совсем в других сферах. Несколько экземпляров было продано в Международный торговый центр в Москве и в Санкт-Петербургскую резиденцию Президента Российской Федерации.

История разработки электромобилей на АВТОВАЗе была бы неполной без рассказа о спортивных достижениях экипажей на электромобилях «Лада Ока Электро» и концепт-каре «Эльф», на трассах международных соревнований в 1994–1997 гг.

1994 г. Первое ралли электромобилей «Солнце Кубани»:
1-е место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — В. Палчевский и А. Гайдук;
2-е место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — С. Аглотков и А. Фищев.

1995 г. Первое ралли серийных электромобилей в Монте-Карло:
3-е место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — В. Палчевский и А. Брызгалов;
5 место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — С. Аглотков и А. Фищев.

1996 г. Ралли серийных электромобилей «12 электрических часов г. Турина», Италия:
1-е место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — С. Ивлев и А. Фищев.

1996 г. Второе ралли электромобилей в Монте-Карло:
Среди серийных электромобилей:
2-е место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — В. Палчевский и В. Бойко;
3-е место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — С. Ивлев и А. Фищев.
Среди электромобилей–прототипов:
2-е место занял концепт-кар «Эльф», экипаж — С. Аглотков и А. Дегтярев.

1997 г. Ралли «Солнечный кубок Дании»:
Среди серийных электромобилей:
1-е место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — В. Палчевский и В. Бойко;
3-е место заняла «Лада Ока Электро», экипаж — С. Ивлев и А. Фищев.

Учитывая четко обозначившиеся к настоящему моменту в мировом автомобилестроении тенденции развития электротранспорта, в 2009 г. руководством АВТОВАЗа было принято решение возобновить работы по созданию перспективных электромобилей. При этом, вначале будет применяться конвертация последних разработок ВАЗа («Калина», «Приора») в электромобили с получением близких по большинству параметров показателей.

В таблице 1 кратко описана концепция одного из вариантов электромобиля.

Таблица 1. Перечень оригинальных комплектующих для сборки опытного образца электромобиля

Выбор тягового электродвигателя

В настоящее время в качестве тягового электродвигателя электромобилей, предназначенных для эксплуатации на дорогах общего пользования, применяются два основных типа электродвигателей переменного тока: асинхронные (“Inductor Motor”) и синхронные с постоянными магнитами, часто называемые бесщеточными двигателями постоянного тока (“Brushless Direct Current Motor”).

Асинхронные электродвигатели имеют значительно более простую конструкцию, более высокую надежность и примерно вдвое дешевле. Главным преимуществом синхронных электродвигателей являются в 1,5–2 раза более высокие удельные характеристики по максимальной мощности и крутящему моменту за счет применения современных высокоэффективных (но удорожающих конструкцию) магнитов и несколько больший КПД в зоне малых и средних частот вращения (не нужно тратить энергию для создания магнитного потока). Поэтому, там, где на первое место выступают размеры и вес, например, при попытке встроить электродвигатель в ступицу колеса, применяют исключительно синхронные электродвигатели с постоянными магнитами.

В обычных электромобилях и электромобилях с расширенным пробегом предпочтение какому-либо из двух указанных типов электродвигателей отдать пока сложно. Следует упомянуть еще один тип электродвигателя переменного тока, считающийся перспективным, — так называемый электродвигатель с переключаемым магнитным сопротивлением (“Switch Reluctance Motor”), однако, сведения о том, что какой-либо автопроизводитель собрался в ближайшее время их использовать, отсутствуют. Можно предположить, что это связано с такими их недостатками, как наличие вибраций, повышенный уровень шума при работе, а также необходимость применения специального типа силовых инверторов и систем управления.

Выбор тягового электродвигателя для электромобиля ВАЗ производился исходя из обеспечения требований по динамике автомобиля снаряженной массой 1300–1400 кг. Для удовлетворения даже не слишком жестких требований по динамике необходим электродвигатель с максимальной мощностью не менее 60 кВт и максимальным моментом не менее 230 Н·м. При этом для обеспечения возможности движения со скоростью 110–120 км/час в течение длительного времени требуется часовая мощность электродвигателя порядка 30–40 кВт.

Указанные требования не позволяют применить электродвигатели постоянного тока ПТ125 и ПТ146, которые раньше находили применение в электромобилях ВАЗ. Попытки разработать современный электродвигатель переменного тока на постоянных магнитах с требуемыми для электромобиля характеристиками показали сложность решаемой задачи, показали, что для завершения разработки потребуется проведение значительного объема работ.

Из доступных в настоящее время электродвигателей зарубежных фирм предпочтение отдано электродвигателю MES200–330, как имеющему наиболее близкие к требуемым параметры при приемлемой цене единичных закупок.

Выбор аккумуляторных батарей для электромобиля

В качестве аккумуляторных батарей в настоящее время наиболее перспективными считаются литий-ионные и литий-полимерные батареи, т. к. они позволяют получить наиболее высокое значение запасаемой энергии в заданных габаритах и с приемлемой стоимостью. Наиболее близкие к ним по параметрам никель-металлгидридные аккумуляторы уступают литиевым по запасаемой энергии и применяются в настоящее время лишь в некоторых моделях гибридных автомобилей, постепенно уступая место литий-ионным батареям.

Дополнительным преимуществом литий-ионных батарей является отсутствие так называемого «эффекта памяти», благодаря чему максимальная отдаваемая емкость батареи в процессе эксплуатации при неполном разряде не снижается, а требования к режиму эксплуатации упрощаются (батарею не требуется постоянно доводить до состояния глубокого разряда). Кроме того, эти батареи имеют большие возможности в плане совершенствования технологии изготовления и увеличения допустимого зарядного тока, что позволяет довести время ускоренного заряда до 10–20 минут при использовании специальных зарядных станций.

При выборе аккумуляторов для тяговой батареи необходимо учитывать не только их энергетические и мощностные характеристики, но и их высокую стоимость, показатели долговечности, а также учитывать возможности их размещения в отведенном для батареи пространстве.

С учетом всех этих факторов были выбраны аккумуляторы фирмы «Thunder Sky» (Китай), которая уже несколько лет производит большой ассортимент литий-ионных аккумуляторов средней и большой емкости для различных сфер применения. Последняя разработка фирмы — аккумуляторы, выполненные по новой перспективной технологии с использованием фосфата железа (FePO4). Уступая немного в удельной энергии из-за меньшего напряжения литий-кобальтовым, новые аккумуляторы значительно выигрывают в максимально допустимой мощности, как при разряде, так и при заряде. Последнее позволяет эффективно использовать рекуперацию энергии при торможении и ускоренный заряд от стационарных зарядных станций.

Кроме того, эти аккумуляторы имеют гораздо больший срок службы и безопасность. Так, предварительные расчеты применительно к электромобилю на базе автомобилей семейства Калины показывают, что при среднем пробеге между зарядками порядка 130–140 км (соответствует примерно 70-процентной глубине циклирования), суммарный пробег электромобиля на одном комплекте батарей будет не менее 200 000 км.