Системы тягового электропривода транспортных средств

Сафиуллин Р. Н. 
Шаряков В. А. 
Резниченко В. В. 

СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО 
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 

Учебное пособие 

Под редакцией Р. Н. Сафиуллина 

Москва 
Берлин 
2020 

УДК 629.113(075) 
ББК 39.33я73  
 С12 

Рецензенты: 
Агеев С. П. — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электроэнергетики и электротехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета; 
Ожегов Н. М. — доктор технических наук, профессор кафедры автомобилей, тракторов  
и технического сервиса Санкт-Петербургского государственного аграрного университета 

Сафиуллин, Р. Н.

С12
Системы тягового электропривода транспортных средств : учебное пособие / 

Р. Н. Сафиуллин, В. А. Шаряков, В. В. Резниченко ; под ред. Р. Н. Сафиуллина. —
Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2020. — 364 с.

 ISBN 978-5-4499-1610-5 

Книга представляет собой учебное издание, в котором с системотехнических позиций 
представлены конструктивные решения тяговых электроприводов транспортных средств, закономерности и особенности их функционирования. Приведены показатели эффективности работы 
электромобилей при применении современных химических источников тока. Изложены основные сведения о современных системах тягового электропривода электромобилей, взаимосвязанных с вопросами увеличения области эффективного использования электромобилей на основании 
снижения удельной стоимости батарей и повышения срока их службы. Целью учебного пособия 
является обобщения вопросов конструкции и диагностирования современных электронных, микропроцессорных систем тягового электропривода транспортных средств, с учетом систематизации основных понятий и описаний данных систем. 
Учебное пособие написано в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования, предназначено для бакалавров и магистров. Книга 
может быть полезна инженерно-техническим работникам транспортных предприятий, а также 
специалистам сервисных служб и всем, кто связан с эксплуатацией транспортных средств. 

УДК 629.113(075) 
ББК 39.33я73  

ISBN 978-5-4499-1610-5
© Сафиуллин Р. Н., Шаряков В. А., Резниченко В. В., текст, 2020
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ  СИСТЕМ 
ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРАНСПОРТА .............................................. 21 

1.1. Роль электротранспорта в экономике России .............................................. 21 

1.2. Перспективы развития электромобилей  и их классификация .................. 23 

1.3. Требования, предъявляемые к электрическому оборудованию 
подвижных транспортных средств ...................................................................... 37 

1.4. Общие понятия, классификация систем тягового 
электропривода электрифицированных подвижных транспортных 
средств .................................................................................................................... 38 

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 
СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРАНСПОРТНЫХ 
СРЕДСТВ ................................................................................................................. 103 

2.1. Требования к системам тягового электропривода  гибридного 
электрического транспортного средства ........................................................... 103 

2.2. Особенности проектирования систем тяговых 
электроприводов транспортных средств ........................................................... 115 

2.3. Сравнительный анализ тяговых характеристик  различных 
типов электродвигателей .................................................................................... 117 

2.3.1. Типы электрических тяговых двигателей ........................................... 117 
2.3.2. Асинхронный тяговый электропривод ................................................ 118 

2.4. Развитие систем тягового электропривода электромобилей ................... 120 

2.5. Анализ энергетических режимов тяговых систем 
электромобилей ................................................................................................... 122 

2.6. Статическая и динамическая оптимизация  систем тягового 
электропривода электромобилей ....................................................................... 127 

2.7. Эксплуатационные характеристики  систем тягового 
электропривода электромобилей ....................................................................... 132 

Глава 3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ 
ТЯГОВЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ ........................................................... 134 

3.1. Этапы развития полупроводниковых элементов ...................................... 134 

3.2. Основные полупроводниковые элементы,  применяемые  
в тяговых преобразователях ............................................................................... 135 

3.3. Система управления электрифицированного  подвижного 
транспортного средства ...................................................................................... 148 

3.4. Общие сведения о микропроцессорных системах .................................... 154 

3.5. Математическое описание механической части тяговых 
агрегатов ............................................................................................................... 162 

Глава 4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ 
РАБОТЫ ТЯГОВОЙ БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ............................................................................... 165 

4.1. Характеристики свинцово-кислотных и никель-кадмиевых 
батарей .................................................................................................................. 166 

4.2. Режимы заряда и разряда аккумуляторов .................................................. 174 

4.3. Конструкция тяговых аккумуляторных батарей ....................................... 184 

4.3.1. Конструктивное исполнение модулей ................................................. 184 
4.3.2. Цилиндрическое исполнение модуля .................................................. 185 
4.3.3. Производство призматических аккумуляторов .................................. 186 
4.3.4. Электронное соединение модулей ....................................................... 187 

4.4. Применение перспективных технологий в источниках тока ................... 191 

4.4.1. Процессы на положительном электроде  
Li-ion-аккумулятора ........................................................................................ 192 
4.4.2. Отрицательные электроды. Углеродные материалы .......................... 193 
4.4.3. Обратимые процессы на углеродных материалах .............................. 193 

4.5. Сравнительные характеристики электрохимических систем  
литий-ионных батарей ........................................................................................ 195 

4.6. Топливные элементы (ТЭ) ........................................................................... 197 

4.6.1. Конструктивное исполнение ТЭ .......................................................... 197 
4.6.2. Основные характеристики тяговых ТЭ ............................................... 202 
4.6.3. Перспективы использования ТЭ в электромобилях ........................... 205 

4.7. Солнечные батареи ....................................................................................... 208 

4.7.1. Принцип действия ................................................................................. 208 

4.7.2. Соединение солнечных ячеек ............................................................... 209 
4.7.3. Электрические характеристики солнечной батареи:  
вольт-амперная характеристика ..................................................................... 209 

4.7.4. Особенности конструкции .................................................................... 210 

4.7.5. Арсенид-галлиевые солнечные батареи .............................................. 212 
4.7.6. Многослойные арсенид-галлиевые элементы .................................... 213 

4.7.7. Солнечные батареи из аморфного кремния ........................................ 214 

4.7.8. Особенности тонкопленочных солнечных батарей ........................... 217 

4.7.9. Микроморфные солнечные модули ..................................................... 217 

4.7.10. Микроморфная технология ................................................................ 219 

4.8. Зарядные станции для электромобилей ..................................................... 221 

4.8.1. Технологические аспекты зарядной инфраструктуры 
для электромобилей ........................................................................................ 221 
4.8.2. Способы заряда электромобилей ......................................................... 222 
4.8.3. Описание типов зарядки ....................................................................... 226 

Глава 5. ТЕЛЕМАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ  СИСТЕМ ТЯГОВОГО 
ЭЛЕКТРОПРИВОДА  ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ........................................ 236 

5.1. Датчики, сенсорные устройства .................................................................. 236 

5.2. Датчики и аппаратура для сбора и обработки информации .................... 288 

5.3. Система обработки информации ................................................................ 304 

Глава 6. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ 
ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ НА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ ............. 307 

6.1. Критерий и показатели эффективности транспортных средств .............. 307 

6.2. Расчет производительности электромобилей ............................................ 312 

6.3. Методика определения себестоимости перевозок .................................... 321 

6.4. Выбор и оптимизация конструктивных параметров   
по критерию минимума приведенных затрат ................................................... 326 

Глава 7. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЛАСТИ 
ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ ....................... 328 

7.1. Теоретические исследования  области эффективного 
использования электромобилей ......................................................................... 328 

7.2. Системный анализ области эффективного использования 
аккумуляторных электромобилей ...................................................................... 341 

7.3. Влияние конструктивных параметров и техникоэкономических показателей на эффективность электромобилей ................... 344 

Глава 8. УЧЕТ СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ 
ПРИ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ .............................. 347 

8.1. Анализ социально-экологических факторов  и их влияния  
на развитие транспортных средств .................................................................... 347 

8.2. Методические подходы к оценке ущерба,  наносимого 
токсичными выбросами автомобильного транспорта ..................................... 353 

8.3. Оценка области эффективного использования электромобилей 
с учетом экологической составляющей ............................................................ 357 

8.4. Перспективы развития электромобилей .................................................... 358 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 361 

Список литературы ................................................................................................. 362 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Электротранспорт, до последнего времени по большей части не имеющий запаса энергии на борту, стоит на пороге глобальных перемен, связанных с внедрением автономной электрической тяги. Причем речь идет не только о легковом автомобильном транспорте — накопитель энергии в совокупности с электроприводом 
позволяет добиться многих преимуществ и на общественном транспорте, и на железных дорогах. 
Наличие системы автономного хода за счет энергии аккумуляторных батарей 
в последние годы стало обязательным требованием при проведении закупок новых 
троллейбусов. Литий-ионные батареи внедряются в качестве части гибридной силовой установки на железнодорожном транспорте, в российских городах готовится 
внедрение трамвайных вагонов на аккумуляторном ходу. 
Появление значительного парка транспортных средств, несущих на борту аккумуляторную батарею, в обозримой перспективе приведет к тому, что развитие 
транспорта станет тесно связано с развитием электрических сетей. При этом электротранспорт будет становиться не только всё более крупным потребителем электроэнергии — при определенном масштабе внедрения станет возможным также использование бортовых накопителей электроэнергии транспорта в качестве средства 
регулирования электрических сетей. В англоязычной литературе эта концепция получила название «vehicle-to-grid». Неудивительно, что эксперименты по подобному 
использованию электрического транспорта уже сейчас проводятся в странах с высокой долей возобновляемых источников энергии в энергобалансе — ведь такие источники энергии имеют нестабильный характер выработки энергии. 
Определенную роль электротранспорт может сыграть и с точки зрения снижения антропогенных выбросов углекислого газа в атмосферу. Для оценки возможного влияния электротранспорта следует сравнить его интегральную энергоэффективность с эффективностью автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, так 
называемую величину well-to-wheel. Она показывает, сколько необходимо потратить углеводородного топлива для совершения автомобилем 1 км пробега, причем 
учитываются все энергозатраты цепочки, включая добычу нефти из скважины, её 
переработку и производство бензина, его доставку до АЗС и сжигание в двигателе. 
Аналогичную цепочку строят для электромобиля, с той разницей, что на определенном этапе от углеводородного топлива осуществляется переход на транспортировку, хранение и использование электроэнергии. 
Очевидно, что «углеродная» эффективность электромобиля при подобном 
сравнении будет зависеть от доли неуглеродных источников электроэнергии в энергобалансе рассматриваемого государства — ГЭС, АЭС, солнечных и ветряных электростанций. Часть потребляемой для движения электромобиля энергии будет потребляться от неуглеродных источников электроэнергии, и чем больше будет их 
доля в энергобалансе, тем меньшее количество углекислого газа будет поступать 
в атмосферу в расчете на 1 км пробега электромобиля. 
В настоящее время автомобили с электроприводом, или электромобили, обладают рядом достоинств: 
• практически не загрязняют атмосферу. Количество ядовитых газов, выделяющихся при зарядке и разрядке аккумуляторных батарей, ничтожно мало по 
сравнению с количеством вредных веществ в ОГ ДВС; 
• имеют простую конструкцию; оптимальную характеристику начала движения 
и разгона электромотора (ЭМ), вращающего колеса, так как большие и постоянные 

значения частоты вращения n и крутящего момента Мкр в необходимом диапазоне 
обеспечивают силу тяги; 
• просты в управлении; 
• не требуют тщательного ухода и осмотра при эксплуатации, так как отсутствуют системы жидкостного или газового питания, смазки; 
• имеют значительно меньшее количество регулировок и более простую систему охлаждения. 
Поскольку электромобиль питается от аккумуляторных батарей и передвигается с помощью одного или нескольких ЭМ, он не свободен и от недостатков: 
• сложность в утилизации из отработавших свой срок АКБ; 
• малая емкость серийно выпускаемых аккумуляторных батарей и их большая масса. 
Автомобильные фирмы решают перечисленные проблемы по-разному. 
Наибольших успехов в создании электромобилей достигли автомобильные 
фирмы Японии. Так, образец автомобиля MitsubishiFTO-EV установил мировой 
рекорд скорости, пройдя за 24 ч 899 кругов трассы общей длиной 2142,3 км. 
На электромобиле были установлены литий-ионные аккумуляторные батареи 
(ЛИАБ), способные накапливать 27 кВт·ч энергии и выдерживать зарядный ток 
до 240 А, что позволило сократить на 65 % время подзарядки. Такие батареи занимают вдвое меньший объем и обладают емкостью в 1,5 раза большей, чем 
у САКБ. 
У образца электромобиля NissanEfiis источниками питания оригинальной 
силовой установки служили плоские ЛИАБ, расположенные на полу кузова в виде 
ковриков и приводящие во вращение два супермотора, установленных по одному 
на переднем и заднем мостах и встроенных в их дифференциалы. Каждый супермотор представляет как бы два ЭМ в одном корпусе. Если в обычном ЭМ вокруг 
неподвижной магнитной обмотки статора вращается один ротор, то в рассматриваемой конструкции имеются два ротора — наружный и внутренний, которые 
вращаются вокруг статора, причем каждый из них связан с соответствующей полуосью. Это позволило создать компактный ЭМ, способный с помощью ЭБУ 
независимо приводить в движение левые и правые колеса на обеих осях. Компьютерное управление колесами значительно повышает динамическую стабилизацию 
и проходимость автомобиля. 
На фирме Toyota создали оригинальное персональное средство передвижения — модель Toyota РМ. Тяговые ЭМ, вращающие задние ведущие колеса ЛИАБ 
и механизм подъема-опускания кабины-капсулы, размещены за кабиной на раме 
тележки и закрыты кожухом-обтекателем. 
Чтобы открыть автомобиль, нужно дотронуться до фары, после чего расположенная впереди дверь с большим полусферическим стеклом поднимается вверх 
и фиксируется упорами. В этот момент капсула займет одно из трех фиксированных положений, а именно «вход-выход» (под углом примерно 60° к полу), при 
этом сиденье опускается и выдвигается вперед. База автомобиля в этом положении самая короткая, равная 1100 мм, гак как передние и задние колеса почти прижаты друг к другу. Длина автомобиля 1750 мм, высота 1855 мм. В таком положении автомобиль может развернуться практически на месте. Электромоторы, 
встроенные в задние колеса, будут вращать их в разные стороны, а каждое из передних (без классических ступиц) колес повернется на требуемый угол (вплоть до 
90°) по команде ЭБУ. 

Рис. 1. Возможные положения кузова электромобиля Toyota РМ 

а — входе и выходе людей; б — движении по шоссе; в — движении по городу;  
г — движении с малой скоростью 
 
В рулевом механизме применен ряд новинок. Прежде всего он как бы прирастает к человеку и поэтому цвет полупрозрачных наружных панелей кузова и даже 
ступиц задних колес может меняться в зависимости от настроения водителя. Это 
обеспечивают 2500 светодиодов, а настроение фиксируют датчики давления, пульса 
и влагоотделения, встроенные в органы управления. Светящиеся панели выполняют 
также функции габаритных огней и сигналов света «стоп». Электромобиль, кроме 
того, укомплектован системами Parktronic и спутниковой GPS.  
Этой же фирмой разработан экспериментальный спорткар Toyota Triailon — полноприводный автомобиль, в каждое колесо которого встроен тяговый ЭМ (рисунок 2). 
Для повышения проходимости автомобиль может приподниматься на рычагах подвески. Шины-слики, в обычном состоянии работающие без протектора, при повышении 
давления «выпучивают» внедорожный протектор дли улучшения проходимости. 
 

 
Рис. 2. Спортивный электромобиль Toyota Triatlon 
 
В Японии разработан еще один оригинальный экспериментальный образец. 
Принципиально он может быть выполнен в двух вариантах — с ЭМ на осях или в 
колесах (мотор-колесо). Это может быть также и водородоэлектромобиль. Необычный кузов автомобиля имеет круглую форму или выполнен в виде цилиндра или 
полусферы (рисунок 3). При необходимости изменения движения в противоположную сторону водитель нажимает кнопку на пульте, и кузов разворачивается на 
180 градусов. Все управление осуществляется по проводам. Мест в салоне три, 
дверь одна — центральная распашная. Поэтому входить и выходить можно в любой 
момент независимо от поворота кузова. 

Рис. 3. Электромобиль с кабиной, вращающейся на 180° 
 
Представляют интерес велоэлектромобили — одно- и двухместные, или электровелосипеды, В Швейцарии создан двухместный электромобиль TwikeIII для городских и загородных (и радиусе 60 км) поездок. Электропривод электромобиля с 
ЭБУ и рекуперацией энергии позволяет разгоняться до скорости 85 км/ч без подзарядки в пути длиной 90 км. В пробках и при движении от светофора к светофору 
целесообразнее отключить ЭМ и перейти на педали, для чего предусмотрена пятиступенчатая автоматическая КП. Зарядка батарей происходит от обычной электрической розетки. Энергии, полученной за 60 мин, достаточно для пробега 60 км. 
Более перспективными считают никель-металлогидридные аккумуляторные 
батареи. К их достоинствам можно отнести в первую очередь увеличенный почти 
вдвое, но сравнению с САКБ пробег (примерно 250 км) до подзарядки батареи. 
Кроме того, достоинством является также быстрая подзарядка за 10 мин, когда 
можно зарядить батарею на 80 % ее емкости. Испытания показали, что никельметаллогидридные системы выдерживают более 80 тыс. циклов зарядки-разрядки, 
что сопоставимо с пробегом 160 тыс. км, которые питают ЭМ мощностью 50 кВт 
(87 л. с.). Такой мощности достаточно для разгона до скорости 100 км/ч за 18 с, 
а максимальную скорость пришлось ограничить величиной 125 км/ч. 
В последние годы благодаря использованию нанотехнологий были созданы аккумуляторные батареи нового поколения. Таковой является батарея Batscap, разработанная во Франции компанией Bollard. Удельная емкость такого аккумулятора 
в 4 раза больше, чем у традиционных свинцово-кислотных. Они не требуют обслуживания и сохраняют работоспособность в течение 10 лет. Единственный недостаток 
таких батарей — необходимость нагрева до 90 °С. Именно при такой температуре 
полимерная пленка начинает вести себя как электролит. Аккумулятор при объеме 
25 л и массе 25 кг имеет емкость 90 А·ч и напряжение 40 В. Без подзарядки батареи 
электромобиль проходит 200 км с приемлемыми динамическими характеристиками. 
Одним из путей решения экологических проблем при использовании автомобильного транспорта является создание электромобилей с топливными элементами 
(ТЭ) в виде водорода и метанола. Преимущество таких автомобилей: никаких вредных выбросов, отсутствие шума и расхода ископаемых ресурсов. Недостаток в том, 
что в свободном виде водорода или метанола на Земле нет. Следовательно, их надо 
сначала получить, затратив для этого определенное количество энергии. 
В водородных электромобилях (ВЭМ) используют в основном топливный 
элемент РЕМ (Proton Exchange Membrane) с протонообменной мембраной, схема