Дисклеймер
Сразу хочу обозначить, что это не рекламный пост. В статье я описываю нашу с партнером разработку, которой мы занимались 10 лет назад. Мы начали этот проект в 2015 году и завершили в 2017 г. Сегодня купить этот продукт невозможно, он не производится и не продаётся.
Собственно история
В 2015 году с коллегой сделал первый в России электрокартинг Е-карт. Это серия машин 3, 5 и 10 кВт. Вдохновившись преимуществами электротяги на примере электромобилей Tesla Model S, BMW i3 и прочих, у нас появилось непреодолимое желание сделать электрокарт. Большинство людей представляют себе электромобили как экологичные, не загрязняющие окружающую среду, зеленые машинки. Я лично никогда этого не понимал. Ведь для того, чтобы произвести чистую электроэнергию, нужно сжечь уголь, мазут и прочее. Причем с учетом потерь на доставку и преобразование энергии, выбросить в атмосферу углерода на электростанции придется больше, чем если бы это было сожжено непосредственно в автомобиле.
Для меня же главным преимуществом электротяги является высокий пусковой момент и ровная полка момента во всем диапазоне работы электродвигателя. Для картинга, который, как правило, в прокате используется без коробки передач, ездит по извилистой трассе с частыми пуско-тормозными режимами, эти преимущества являются бесценными. И все таки в данном случае отсутствие шума и выхлопа открывает новую область прокатного картинга в торгово-развлекательных центрах, где требования по шуму и загазованности очень высокие.
Не имея опыта в области автоспорта и механики, но будучи специалистами в электротехнике, перед нами стояла задача выбрать за основу шасси, на базе которого будет выполняться наш электромобиль. Просмотрев массу вариантов, которые предлагают отечественные и зарубежные производители шасси, мы не нашли оптимального. Через какое-то время нашли специалиста, который делает рамы на заказ для профессионального, спортивного картинга. Как оказалось, его работы пользуются популярностью не только в нашем регионе, причем отзывы мы независимо получили только положительные. В итоге именно он делал нам шасси на базе проверенной временем рамы, которую пришлось слегка модернизировать для размещения аккумуляторных батарей, естественно рассчитав её предварительно на прочность (при входе в поворот, карт, не имея дифференциала, испытывает большие нагрузки на кручение).
Дальше было проще. Нужно было выбрать тип электропривода. Имея большой опыт исследований в этом вопросе, для меня было очевидным использование частотнорегулируемого BLDC-привода на базе электрической машины с постоянными магнитами на роторе. Для той мощности, которую мы планировали использовать, это решение было оптимальным, так как данный привод имеет лучшие массо-габаритные и удельные показатели.
Далее возник вопрос выбора источников питания. Здесь, несмотря на то, что мы уже понимали, что итоговый вариант карта получится не дешевым, мы все же отказались от устаревших свинцовых АКБ и выбрали современные литий-железо фосфатные аккумуляторы, которые являются абсолютно безопасными, их самовозгорание по природе своей исключено. Кроме того, такие АКБ имеют в разы больший ресурс, в нашем случае 3000…5000 циклов «заряд-разряд». Спрятать эти батареи в пластиковые короба по бокам не составило труда, что однозначно положительно сказалось на внешнем виде машины.
Первая техническая особенность, которая заставила нас задуматься, заключалась в следующем. Номинальное напряжение привода составляет 48 В. Питание осуществляется от блока АКБ из 16 шт, каждый аккумулятор выдает 3В (получается 16*3=48 В). Соединены батареи последовательно, и в процессе их заряда получается ситуация, когда батареи, находящиеся рядом с плюсовой клеммой, заряжаются быстрее, а рядом с «-» значительно медленнее. В итоге это приводит к тому, что одни батареи получаются перезаряженные, а другие недозаряженные, что снижает ресурс первых и в целом не позволяет получить номинального напряжения.
Для решения этой проблемы в карте использована системы BMS (battery management system), которая контролирует напряжение на каждой из 16 батарей, и как только оно становится равным максимальному на АКБ, расположенных ближе к «+», условно закорачивает их на сопротивление. То есть заряд продолжается, но уже зарженные батареи в этом не участвуют, что исключает их перезаряд. Постепенно таких батарей становится все больше и под конец заряжаются только батареи, расположенные ближе к минусовой клемме. Когда суммарный заряд становится максимальным, система разрывает цепь и зарядка прекращается.
Емкость блока АКБ составляет 40 А*ч. Запас хода при этом составляет 35 км. Для того, чтобы как-то увеличить этот показатель, системе электропривода используется рекуперативное торможение. Точнее сказать, торможение осуществляется в два этапа. При нажатии на педаль тормоза в начале хода педали срабатывает датчик, который включает режим рекуперации в инверторе. Другими словами, на первом этапе торможение осуществляется двигателем электрически, и вся запасенная кинетическая энергия идет на заряд аккумуляторных батарей. При этом тормозные колодки гидравлических тормозов практически не стираются. Если же возникает необходимость экстренного торможения, водитель сильнее нажимает педаль тормоза, вплоть до упора, и дополнительно подключается механическое торможение.
Наконец, собрав машину, мы получили результат, который превзошел все наши ожидания. Небольшую извилистую трассу наше детище мощностью 6,8 л.с. прошло значительно быстрее своего бензинового собрата, которого тянуло 9 лошадок.
Первое, что замечаешь, взявшись за руль электрокарта, ‒ отсутствие вибрации. Многим любителям бензинового карта знакома дрожь в руках после продолжительного заезда. E-kart этого недостаткаполностью лишен.
Рулевое управление устроено так, что при входе в поворот одно из колес приподнимается, и карт едет на трех колесах, что придает большую плавность повороту и требует меньших физических усилий от пилота. Об устойчивости на трассе судить могут лишь профессиональные пилоты, но с уверенностью можно сказать, что управлять электрокартом — одно удовольствие, ощущения… как будто пересел из дребезжащих Жигулей в Мерседес.
Почему-то спорным вопросом для большинства является шум. Многие картингисты утверждают, что не представляют себе езду без ревущего сзади мотора. Тут следует справедливости ради отметить, что все-таки абсолютно бесшумным является только карт с ременной передачей. Использование цепи, является и более надежным и придает машине тоже шум, просто своеобразный.
Приятным дополнением для любителей картинга является наличие реверса. В случае, если участник гонки врезался в ограждение, больше нет необходимости ждать помощи обслуживающего персонала. Теперь посредством тумблера, расположенного на передней панели, водитель может элементарно перевести электропривод в реверс и самостоятельно отъехать назад.
Лично меня очень угнетало всегда, когда приходилось останавливаться по такой причине и гонка была потеряна. Однако, у прокатчиков спорный взгляд на это преимущество. Среди них есть мнение,что неадекватный клиент начнет злоупотреблять этой функцией и будет ездить задним ходом во время гонки.
Спустя время, все оказалось не так гладко. У прокатчиков оказался свой взгляд на эти вещи. За три года существования проекта с 2015 по 2017 гг мы продали 32 машины. Показали, что это возможно.
Первая претензия, высказанная прокатчиками, нас, честно говоря, удивила. Изначально мы считали, что нужно сделать максимально быструю машину, чтобы можно было прочувствовать все преимущества электротяги. Оказалось, что для проката более важно обеспечить «ровность» машин, пусть даже при ограниченной скорости. Другими словами, для прокатчиков важно, чтобы машины, заряженные на 100% и на 30 % ездили одинаково, пусть и в целом медленнее.Откуда берется такая проблема? Если посмотреть разрядную характеристику LiFePO4 аккумуляторов, то можно увидеть, что ток, отдаваемый батареями, является постоянным. Но с напряжением дело обстоит иначе. Полностью заряженные АКБ выдают 57 В напряжения, из которых приводу нужно только 48 В. Постепенно, при снижении заряда батарей, напряжение на них падает до 48 В, максимальная скорость при этом не уменьшается. То есть при заряде АКБ от 40 до 100% максимальная скорость неизменна. По мере снижения уровня заряда ниже 40% наблюдается уменьшение максимальной скорости, не более 5% (левые таблица и график на рисунке). Но при любом заряде батареи от 0 до 100% аккумулятор будет отдавать требуемый ток, а значит, и привод обеспечит требуемый момент и ускорение электрокарта.
Однако, если потребителю важно получить абсолютно "ровные" машины, то эту проблему можно элементарно решить, добавив еще 2 АКБ. В этом случае, вне зависимости от уровня заряда АКБ, напряжение на них будет более 48 В, а это значит, что карт, вне зависимости от уровня заряда батарей будет развивать максимально возможные скорость и крутящий момент (правые таблица и график на рисунке).Либо можно поступить проще. Программно ограничить максимальную скорость значением не в 60, а в 55 км/ч. Тогда приводу, чтобы обеспечить эту скорость будет нужно всего 45 вольт. И тут уже не нужно докупать дополнительных АКБ, так как суммарное напряжение 16 аккумуляторов будет варьироваться от 45 до 57 В. Этого будет достаточно, чтобы обеспечить максимальную скорость, а машины при таком ограничении без дополнительных вложений будут ровными при уровне заряда АКБ от 15 до 100%.
Второй проблемой была скорость зарядки карта. Наш проект предполагает использование АКБ, ресурс которых составляет 3000…5000 циклов «заряд-разряд», время заряда 1,5 -2 часа. В прокате же время зарядки является простоем техники, когда карт прибыль не приносит. Сделать сменными аккумуляторы, по большому счету не так сложно. Мы даже подобрали универсальные разъемы, позволяющие упростить процедуру замены переключением всего двух штекеров. Однако батареи были спрятаны под пластиком. И баланса между дизайном и скоростью замены мы достичь не смогли. То есть либо мы быстро меняем ничем не закрытые АКБ, либо все смотрится аккуратно, но на обеспечение этой аккуратности уходит время.
