Введение

Большой проблемой транспорта (наземного и воздушного, пилотируемого и беспилотного) на электротяге является быстрое истощение энергетического запаса аккумуляторных батарей. Поэтому остро встает вопрос увеличения энергоэффективности электротранспортных средств. Для наземного электротранспорта, например, это должно привести к увеличению пробега, проходимого на однократном заряде аккумуляторных батарей. Меры по увеличению энергоэффективности можно разбить на две группы: во-первых, это меры, касающиеся непосредственно аккумуляторных батарей [1]; во-вторых, это выбор оптимальных характеристик транспортного средства и режимов его эксплуатации [2].

В данной работе проведены исследования, касающиеся второго направления увеличения энергоэффективности — оптимизации характеристик и режимов работы с целью более экономного расходования энергии электромобилем. Методика заключается в исследованиях зависимости пробега накатом (с отключенным электродвигателем) от различных параметров системы электромобиль-покрытие.

Влияние давления в шинах электромобиля на его энергоэффективность

Известно, что давление в шинах автомобиля играет существенную роль в обеспечении комфорта и безопасности езды. Неверно выбранное давление увеличивает расход топлива (автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС)) и отрицательно сказывается на управлении автомобиля, что может привести к аварийным ситуациям. Если неверное давление увеличивает расход топлива для автомобилей с ДВС, то, естественно, такая же ситуация будет с расходом электроэнергии для автомобиля на электрической тяге, питаемого от аккумуляторных батарей.

Исследование проводилось для двух электромобилей: 1) гольф-кар GEM 3 (размер шин —155/R12) и 2) гольф-кар ATTIVA 8L.6 (размер шин — 205/65 R10) [2]. Электрокары разгонялись до скорости 20 км/ч, после чего электродвигатель отключался, и они двигались по инерции (накатом) до полной остановки. Измерялся путь, проходимый до полной остановки, т.е при изменении скорости от 20 км/ч до 0. Измерения производились при семи различных давлениях в шинах. Результаты измерений занесены в таблицу 1.

Таблица 1

Путь, пройденный накатом при различных значениях давления в шинах [2]

Для наглядности по результатам построен график зависимости наката от давления в шинах (рис. 1).

Рис. 1. График зависимости пути от давления [2]

Из графика, представленного на рис. 1, можно видеть, что повышение давления в шинах приводит к увеличению пути, пройденному электромобилем до полной остановки без участия двигателя (накатом).

С физической точки зрения это можно объяснить следующим образом. Запасенная электрокаром (массой m и скоростью v) кинетическая энергия

(1)

расходуется на преодоление различного рода сил трения и сопротивления (взаимодействие поверхностей шин и дороги, трение взаимодвижущихся деталей в трансмиссии электрокара, лобовое сопротивление воздуха). Т. е. эти силы совершают работу А, которая пропорциональна пройденному пути S (A~S). При изменении давления в шинах изменяется та часть сил сопротивления F _c , которая связана со взаимодействием шин электрокара и поверхностью дороги. Тут, во-первых, речь об изменении величины деформации самой шины и, соответственно, рассеянием (диссипацией) энергии, связанного с этим процессом; во-вторых, деформации дорожного покрытия, как выражаются специалисты дорожной отрасли: возникновении чаши прогиба.

Таким образом, для более экономного использования энергии аккумуляторной батареи необходимо производить постоянный контроль давления в шинах, поддерживая его оптимальную величину (компромисс между «мягкостью» движения и экономичностью). Кроме того, необходимо помнить, что верхний предел давления ограничен прочностью шин и их крепления к ободу колеса.

Влияние массогабаритных параметров электрокара на его энергоэффективность

Принимая силу сопротивления F _c пропорциональной массе электромобиля F _c ~m и обратно пропорциональной радиусу колеса F _c , можно ввести массогабаритный коэффициент [2]

k= . (2)

Тогда получим, соответственно, что F _{c .}

Проведем расчеты [2] массогабаритного коэффициента (2) для двух электромобилей и сравним их соотношение с соотношением соответствующих путей. Пусть k ₁ –это коэффициент для гольф-кара GEM 3, k ₂ — для гольф-кара ATTIVA 8L.6.

Электромобиль Гольф-кар GEM 3: m=591 кг, радиус колеса R=155 мм. С учетом массы пассажира-испытателя (≈50 кг): k ₁ = .

Электромобиль Гольф-кар ATTIVA 8L.6: m=1050 кг, радиус колеса R=205 мм. Тогда k ₂ = .

Отношение коэффициентов составит — 1,3.

Сравним для соотношение путей при некотором одинаковом давлении (табл. 1) в шинах: .

Сравнивая соотношения проходимых расстояний и соответствующих массогабаритных коэффициентов, видим, что они достаточно близки друг к другу. Т. к. можно видеть, что с уменьшением массогабаритного коэффициента k= путь возрастает, то более экономичным будет электромобиль с меньшим значением коэффициента. Таким образом, можно сделать вывод, что массогабаритный коэффициент вполне корректно использовать для оценки уровня энергопотребления электромобилей.

В рассмотренном случае более энергоэффективен будет гольф-кар GEM 3 (рис. 2), у него меньше масса и больше радиус колеса, соответственно, меньше массогабаритный параметр (меньше сила сопротивления движению).

Рис. 2. Электромобиль Гольф кар GEM 3

Влияние твердости дорожного покрытия энергоэффективность электромобиля

Испытания проводились на электромобиле Гольф кар GEM 3 (рис.2) при значении давления шин, рекомендуемом заводом-изготовителем (2,2 бар). Выбирались свободные ровные участки дороги (без подъемов и спусков) с тремя типами дорожного покрытия: асфальтобетон, цементобетон, грунт. Эксперименты проводились в одинаковых погодных условиях. Для каждого покрытия выполнялось по 5 заездов для получения статистически значимых данных. Твердость покрытия принималась согласно справочной литературе [3].

Электромобиль во всех случаях разгонялся до одинаковой начальной скорости 20 км/ч. Далее он переводился в режим наката (отключался от электродвигателя). После чего фиксировалось пройденное до полной остановки расстояние. Результаты измерений сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты измерений

По полученным данным построена диаграмма (рис. 3), которая демонстрирует зависимость пути, пройденного накатом, в зависимости от материала дорожного покрытия.

Рис. 3. Зависимость пути, пройденного накатом, от типа дорожного покрытия

Из табл. 2 и рисунка 3, можно видеть, что с увеличением твердости дорожного покрытия путь, проходимый электромобилем накатом, растет. По грунтовой дороге этот путь в более чем полтора раза меньше в сравнении с дорогами, имеющими асфальтовое и бетонное покрытия. Поэтому с точки зрения энергосбережения эксплуатация электромобиля более выгодна по дорогам с твердым покрытием.

На твёрдой поверхности (асфальт, бетон) энергия на «вдавливание» или создание колеи меньше, чем на нежесткой (мягкой) поверхности (песок, грунт). Т. е., во втором случае автомобиль совершает постоянную значительную работу по «выкатыванию» из ямки (чаши прогиба) и утрамбовыванию материала под собой. В итоге со снижением твердости дорожного покрытия накат автомобиля уменьшается.

Если твердость обозначить буквой T, то можно выдвинуть гипотезу, что проходимый накатом путь S прямопропорционален твердости (S T). Это можно проверить, составив пропорцию из путей и твердости, т. е. T ₂ /T ₁ =S ₂ /S ₁ . Например (по данным табл. 2), T ₂ /T ₁ =85/65=1.3 и S ₂ /S ₁ =82.7/78.4=1.05. Таким образом, можно сделать вывод о хорошем согласии результатов с выдвинутой гипотезой.

Так как с достаточной степенью точности S T, то можно записать соотношение

, (3)

где b — коэффициент пропорциональности, между расстоянием наката и твердостью дорожного покрытия.

Очевидно, что согласно (1) и рассуждениями, приведенными выше, проходимый накатом путь S прямопропорционален квадрату начальной скорости (S ). Соответственно коэффициент b в соотношение (3) также прямопропорционален квадрату скорости (b ). Например, для скорости 20 км/ч коэффициент b=65/78.4=0.83 (или 40/45.8=0.87). Утверждение о зависимости коэффициента b от начальной скорости можно было бы проверить экспериментально, проверив накат при разных скоростях.

Таким образом, твердость дороги — это ключевой фактор, напрямую влияющий на энергоэффективность и запас хода любого колесного транспорта, особенно электрического, где каждый сохраненный ватт-час имеет значение.

Связь силы сопротивления со скоростью движения

Проверить зависит ли сила сопротивления от скорости движения электромобиля можно ответив на вопрос: равноускоренный (равнозамедленный) ли характер движения (a=const)?! Если это так, то, согласно второму закону Ньютона (F=ma), сила сопротивления движения накатом тоже будет постоянна, т. е. независима от скорости.

Для этого рассчитаем ускорение двумя способами: 1) через определение ускорения; 2) через зависимость пути от времени при равноускоренном движении. При совпадении результатов можно говорить о равноускоренном характере движения.

Ускорение по определению:

(4)

Ускорение, выраженное из формулы для пути (при равносускоренном движении):

. (5)

Измеренное в экспериментах время движения до остановки и ускорения, рассчитанные по формулам (4) и (5) занесем в таблицу 3.

Таблица 3

Результаты измерений и расчетов

Можно видеть (табл. 3), что для каждого вида дорожного покрытия ускорения, рассчитанные двумя способами, практически совпадают (небольшая разница может быть связана с погрешностями измерения путей и времени движения). Таким образом можно говорить о том, что движение является равнопеременным (равнозамедленным). Соответственно, при движении накатом (при малых скоростях), сила сопротивления движению практически не зависит от скорости (F _c =const).

Заключение

В результате для пользователя электротранспорта можно сформулировать ряд правил, позволяющих экономить энергию аккумуляторной батареи и, соответственно, проехать больший путь на одном заряде:

– выбирать маршруты с максимально твёрдым и ровным покрытием;

– объезжать участки с песком, рыхлым грунтом и глубокими неровностями.

– следить за давлением в шинах (правильно накачанные шины меньше деформируются);

– при выборе электромобиля отдавать предпочтение такому, для которого отношение его массы к радиусу колеса меньше.

Литература:

1. Кириллов А. М., Догадайло М. Н., Белякова Е. В. Аккумуляторные батареи для беспилотных летательных аппаратов: моделирование срока службы // Вестник евразийской науки. — 2025. — Т. 17, № 6.
2. Горбачева В. В., Кириллов А. М., Тульнева И. В. Влияние давления в шинах на безопасность движения автотранспортных средств / В. В. Горбачева // Юный ученый. — 2025. — № 1(86). — С. 46–49. — EDN FRJFGT.
3. ГОСТ Р 50597–2017 «Дороги автомобильные и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения. Методы контроля».