Роман Пресс: Современные тенденции развития автомобильного транспорта

 797 total views (from 2022/01/01),  2 views today

Человеческое сообщество имеет многолетний опыта замены уходящих технологий: исчезновение чистильщиков дымоходов в связи с исчезновением печей, замена лошадей как главной транспортной силы на автомобили. Появление нового трудового рынка компенсирует потерю потребности в автомобильных профессионалах.

Современные тенденции развития автомобильного транспорта

Роман Пресс

На сегодняшний день двигатель внутреннего сгорания является основным источником движения транспорта. Ограниченность природных ресурсов и наблюдающиеся изменения климата ведут к поиску “зеленых” технологий для транспорта, которые не требуют невозновляемых источников энергии. Внезапная возможность разрешить искусственному интеллекту принимать участие в обязанностях водителя и даже брать на себя полное управление вождением генерируют много обещаний и проблем для человеческого общества. Настоящая статья обсуждает «pro and cons» трех основных направлений развития технологий в транспортных машинах и их влияние на социальные аспекты жизни. Это электрические источники хранения энергии, топливные элементы и автономный транспорт без водителя.

Электрический транспорт

Использование электричества для перемещения людей и грузов далеко не новое решение (Рис. 1). Такие устройства как грузоподъемники, личные электрические устройства передвижения как скутеры, электрические велосипеды и другие являются частью нашей действительности, позволяющей уменьшить использование нефтяных источников энергии.

Первый электромобиль, построеный в 1897

Варианты подвижности, т.е. человеческой мобильности увеличиваются с каждым годом. В ближайшем будущем каждый человек может управлять транспортным средством сам, использовать варианты совместного пользования общественным или частным транспортом, или использовать автономные транспортные средства. Гибридные решения: использование двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электрической энергии для передвижения — наша действительность сегодня. Ранее существовало мнение что ДВС должны существовать, по крайней мере, ещё для одного человеческого поколения как предпочтительный выбор. Возможность постепенной замены на водородные и электрические транспортные средства сегодня стала очевидностью. Уместно отметить что упомянутые выше альтернативы транспортировки основываются на электрохимических процессах, не загрязняющих окружающую среду.

В электромобилях энергия движения (propulsion) генерируется двигателем переменного или постоянного тока, управляемым соответствующим микропроцессором. Развитие электромобилей (ЭМ) началось с двигателя постоянного тока, заимствованного у электрического грузоподъемника. Позже оказалось что управление двигателем переменного тока является более простым и экономически целесообразным. В настоящее время промышленность производит двигатели, удовлетворяющие требованиям ЭМ по мощности, простоте управления электрическими параметрами, удобством установки на шасси автомобиля. Важная особенность электродвигателей переменного тока — возможность работы в режиме регенерации (“regen”). В этом режиме происходит утилизация энергетических потерь торможения ЭМ путём использоваться двигателя как генератора мощности или путём использования отдельного двигателя для сбора потерь на торможение. Энергия торможения, возвращенная к батареям, соответственно увеличивает дистанцию пробега транспортного средства при том-же времени заряда батарейного блока. Другая положительная особенность использования двигателей постоянного тока — способность обеспечить ускорение в короткий промежуток времени.

Рис.2 Электрический Ford Focus

Все транспортные средства с электроприводом могут быть разделены на три категории:

  1. Гибридные электромобили (ГЭМ);
  2. Гибридные электромобили, заряжаемые от внешнего источника (ЗГЭМ). ). Они используют электричество или в качестве первичного источника энергии или для повышения эффективности работы автомобиля, использующего ДВС.
  3. К третьей категории, наиболее перспективной, относятся полностью электрифицированные транспортные средства (ЭМ).

Гибридные электромобили (ГЭМ)

ГЭМ назвали гибридными, потому что они обладают двумя источниками движения: ДВС, который работает на продуктах переработки нефти или использует альтернативное топливо, и электродвигателем, работающим от энергии, хранящейся в батарейном блоке. Последний заряжается от ДВС и использует регенеративное торможение.

Дополнительная мощность, обеспечиваемая электродвигателем, позволяет батарее обеспечить вспомогательные нагрузку транспортного средства (аудиосистемы, освещение, и может уменьшить расход топлива при нолевой скорости движения. Некоторые ГЕМ могут проехать короткие расстояния (60-100 км) на низких скоростях на одной только электроэнергии. Все эти возможности приводят к лучшей экономии топлива и низкой концентрации вредных составляющих выхлопных газов, чем сопоставимые автомобили с бензиновым двигателем.

ГЭМ не может быть включен в электрическую сеть, чтобы зарядить батарею. ГЭМ использует внутренний источник электроэнергии, включая регенеративное торможение, что позволяет ГЭМ использовать энергию, которая рассеялась во время торможения для дополнительной зарядки батарейного блока.

Зарядные гибридные электромобили (ЗГЭМ)

ЗГЭМ (Plug-In Hybrid Electric Vehicles PHEV ) подобен ГЭМ, потому что использует ДВС который может работать на обычном или альтернативном топливе и электродвигатель, использующий энергию, хранимую в батарейном блоке. Различие заключается в том, что транспортное средство включается в электрический источник внешнего питания для зарядки батареи, обычно 240 в. Некоторые ЗГЭМ могут проезжать до 120 км на электрической тяге при полном заряде батареи, и также могут работать исключительно на жидком или газообразном топливе, подобно обычному ДВС.

ЗГЭМ используют батареи, чтобы привести электродвигатель в действие, которые могут использоваться одновременно с ДВС или независимо. ЗГЭМ может быть включен в сеть, чтобы зарядить батареи и также быть заряженным от ДВС и посредством регенеративного торможения.

ЗГЭМ, имеют большие батарейные блоки чем ГЭМ, обеспечивая полностью электрифицированный пробег в 60 + км для относительно лёгких (light-duty) видов транспорта. Пока батарейный блок полностью заряжен, ЗГЭМ может потреблять большую часть энергии движения от электричества, сохраненного в батарее во время городского вождения. Когда энергия батареи расходована, главным образом во время быстрого ускорения, на высоких скоростях, или когда требуется интенсивный обогрев или кондиционирование воздуха в кабине, транспортное средство приводит в действие ДВС. Очевидно, работая на одном только питании от батареи, ЗГЭМ не производят таких вредных составляющих как НС, CO,НOх CO2 и NMOG. Даже когда ДВС работает, ЗГЭМ потребляет меньше бензина, и, как правило, производит более низкую эмиссию, чем подобные автомобили с бензиновым двигателем. Потребление бензина ЗГЭМ зависит от расстояния. При длительном пробеге экономиия топлива будет идентичной ДВС. Если ЗГЭМ используется на короткой дистанции, экономия топлива может быть значительной.

Полностью электрифицированные транспортные средства (ЭМ)

ЭМ используют только один бортовой источник привода: это аккумуляторная батарея, хранящая электроэнергию, питающую электродвигатель. Батареи ЭМ заряжаются включением транспортного средства во внешний источник электроэнергии, либо заменой батарейного блока на заправочной станции. Импульс движения обеспечивается одним или несколькими электродвигателями, приведенными в действие блоком батарей. Количество движителей в зависимости от электрического дизайна может быть одним (наиболее распространенное), по два для передних и задних колес, или для каждого колеса.

Cравнение эктромобиля с машинами, использующими ДВС

У ЭМ есть несколько преимуществ перед транспортными средствами с ДВС. Они обеспечивают:

  • Энергосбережение. Электромобили преобразовывают приблизительно 60% электроэнергии полученной от сети для создания вращающегося момента на колеса. Обычные автомобили с бензиновым двигателем используют приблизительно 21% энергии, содержашейся в топливе.
  • Безвредность для окружающей среды. ЭМ не выделяет загрязнений атмосферы, хотя электростанции, использующие нефтяные источники для выработки электроэнергии, могут производить их небольшое количество. Электричество из чистых источников как гидро, солнце, ветер и очень ограниченный выброс от ядерных источников практически не загрязняют атмосферу планеты.
  • Улучшение условий вождения. Электродвигатели обеспечивают бесшумную, бесперебойную работу, быстрое ускорение, и уменьшают затраты на обслуживание по сравнению с ДВС.
  • Долговечность. Сегодня нет данных, позволяющих сравнивать длительность жизненного цикла ЭМ и машин, использующих ДВС, но ограничение трения в компонентах ЭМ вкупе с уменьшением их числа позволяют сделать предположение, что у ЭМ должен быть более длинный жизненный цикл.
  • Простота создания инфраструктуры. Перезарядка ЭМ не требует чрезмерных ресурсов для развития инфраструктуры по сравнению с производством и созданием распределительной сети для водорода.
  • Уменьшение энергетической зависимости на государственном уровне.

Сравнение топливных элементов и аккумуляторных батарей

Зависимость от ДВС, использующих невозобновляемые источники для личной мобильности продолжится, по крайней мере, для одного поколения. Будущие технологии разработки электромобилей решатся соревнованием двух подходов: электрохимическими движителями на основе топливных водородных элементов и аккумулирования энергии на борту путём использования эффективных батарей. Оба подхода имеют “pro” и “cons”. Использование топливных элементов технически выполнимо и экономически привлекательно. Отсутствие массовых источников производства водорода и эффективных вариантов его хранения, неразвитость инфраструктуры для распределения водорода — главные ограничивающие факторы.

Аккумулирование энергии в батареях удобно из-за простоты технологии и ограниченных расходов на развитие инфраструктуры. Из недостатков следует отметить необходимость существенного увеличения выработки дополнительной электроэнергии на транспортные нужды, ограниченность пробега на одной зарядке, чрезмерное время перезарядки, вес и стоимость.

Автономные транспортные средства

Чтобы обеспечить удобство вождения, экономию топлива и экологическую чистоту выхлопных газов в течение прошлых двух веков автомобильная промышленность ввела много инноваций таких как непосредственный впрыск топлива, каталитические конверторы, хранение энергии в форме батарей или использование электрохимических двигателей на водороде. Сегодня мы — свидетели нового гигантского революционного скачка — развития автономных или беспилотных, иногда называемых самоходными (driverless) технологиями управления транспортным средством.

Сегодня выбор транспортного средства — внедорожник или кабриолет, минивен или спортивный автомобиль, на самом деле является своеобразным паспортом владельца, описывающим статус и интерес к жизни. Но скоро подобная оценка может быть сохранена только в памяти.

Потратив существенную часть своей жизни в автомобильной промышленности, я полагал до недавнего времени, что автономные транспортные средства и автомобили без водителя — научная фантастика, и только дети моих детей могут использовать такую технологию. Я был неправ. Текущий прогресс в Искусственном интеллекте (AI), объединенном с невероятным прогрессом в анализе Больших Данных, разработке датчиков и исполнительных механизмов, делают автономное вождение не только возможностью, но и действительностью.

Уровни автоматизации вождения автономного транспорта

Согласно классификации SAE (Society of Automotive Engineers) предложены следующие уровни автоматизации вождения.

Уровень 0: Автомобиль посылает предупреждения водителю, но 100% контроля остаётся за водителем.

Уровень 1:. Некоторые функции вождения: круиз контроль, помощь в парковке, контроль линии дороги, аварийное торможение помогают водителю, но большинство функций управления по-прежнему являются решением водителя.

Уровень 2: На основе собранной информации относительно дорожной ситуации система помощи водителю автоматизирует регулирование, ускорение и замедление транспорта. Согласно SAE это означает, что «водитель отделён от физического управления транспортным средством и его или ее руки и ноги не управляют рулём или педалями». В то же время водитель должен все еще всегда быть готов взять под свой контроль транспортное средство.

Уровень 3: Зная положение на дороге водитель отдаёт часть функций управления, но готов принять участие в контроле. Это означает, что водитель все еще присутствует и вмешивается при необходимости, но не обязан контролировать ситуацию таким же образом, как это делают предыдущие уровни. Водитель все еще часть системы машина — оператор, но делегирует критические по отношению к безопасности функции к транспортному средству, при определенном трафике или условиях окружающей среды.

Уровень 4: Транспортное средство обеспечивает выполнение всех ведущих функций, связанных с безопасностью и условиями мониторинга дороги. Система автоматического контроля управляет автомобилем за исключением нескольких критических параметров как например, ухудшение погоды.

Уровень 5: За исключением указания точки назначения, полный контроль водительских функций передан полностью от человека к автономной системе, которая обеспечивает работу транспортного средства, контролируя окружающую среду, качество и конфигурацию дороги, транспортный поток, связь между беспилотными транспортными средствами и принятие решения в чрезвычайной ситуации.

Расстояние между “уровнем 0”, когда контроль над вождением, пеленгация и безопасность движения определяется водителем, шаг за шагом будет переходить в “уровень 5”, когда полный контроль вождения осуществляется независимой автоматизированной системой, обеспечивающей идентичные действия транспортного средства, превышающие физиологические реакции водителя в экстремальных ситуациях окружающей среды или в потоке транспорта.

Первые варианты систем помощи водителю, предлагающие полуавтономное вождение при определенных обстоятельствах, будут доступны в некоторых моделях транспортных средств к 2020 году. В результате увеличения объемов сбора информации и улучшения технологии управления транспортным средством безопасность путешествий на автострадах возрастёт, позволяя избежать пробок с минимальным участием водителя, но все еще потребуют участия компетентного водителя.

Ведущие автомобильные компании, конкурирующие с сервисными гигантами как Google или Uber, работают над созданием передовой системы помощи водителю, известной как ADAS (Advanced Driver Assistance System), которая открывает новую эру в человеческой мобильности — автономные транспортные средства.

Создание базы данных Cloud Network

Механические инновации больше не являются ограничением для работы ЭМ. Критическим является создание облачной сети, которая в состоянии собрать и проанализировать информацию от бесчисленных внешних данных, описывающих автономное местоположение транспортного средства, привязку к автомобильным коммуникациям, состоянию дороги, погоде, транспортному потоку и менее сложной сумме сбора данных из датчиков транспортного средства и улицы. Дополнительное препятствие — сетевые требования скорости обработки данных для того, чтобы быстро переместить управляемый предмет.

Социальное влияние

Появление автономных автомобилей может преобразовать автомобильный транспорт из разновидности личного удовольствия и предмета гордости в разновидность продукта, подобно телефону или электрическому чайнику, которые клиент использует только в случае необходимости. Существует множество причин почему арендовать автомобиль на короткое время, значительно удобнее чем владеть им. Почти 200 лет автомобильной истории на созданной на основе Фордовской бизнес-стратегии, базирующейся на массовом сборочном производстве и продажи клиентам через посредство централизованных дилеров, может скоро закончиться. Владение транспортными средствами перейдёт от отдельного индивидуума к крупным корпорациям, управляющим беспилотным транспортом на основе аренды для пользователей.

Автономный автомобиль открывает новые возможности в социальном обеспечении общества. Увеличится мобильность старшего поколения и людей с ограниченными физическими возможностями. Транспорт станет более привлекательным, особенно из-за низкой стоимости. Список связанных значительных преимуществ в социальном плане включает сокращение количества несчастных случаев, улучшение транспортных потоков, минимизацию перегруженности дорог, экономию природных ресурсов с одновременным уменьшением загрязнения атмосферы, улучшение землепользования.

Интересным и полезным фактором станет резкое повышение коэффициента использования транспортного средства, за счёт минимизации простоев автомобилей на парковках и в гаражах. Кроме того целесообразно отметить, что экономия времени, ранее потраченного на вождение, станет дополнительным источником человеческой креативности или удовольствия.

Кратко можно упомянуть, что экономия времени, ранее посвещенного вождению, является дополнительным источником для человеческой креативности или удовольствия.

Новая технология должна привезти к увеличению производства электроэнергии, модификации линий передачи, созданию электрических зарядных станций, включающих возможность обмена разряжённых аккумуляторных батарейные блоков на заряжённые.

Бизнес автострахования должен переключиться от личных держателей страхового полиса на владельцев автономных транспортных средств. В дополнение к сказанному уменьшение количества несчастных случаев приведёт к радикальным изменениям в индустрии страхования и, в частности, позволит увеличить ресурсы для профилактики здоровья населения.

Занятость

Самое критическое влияние новой технологии это структурные изменения в подготовке рабочей силы. Примеры таких преобразований:

Изменения в деятельности малого бизнеса такого как такси, магазины запчастей, ремонт и обслуживание автомобилей, предприятия общепита. Изменения коснутся и других отраслей: повышение производительности труда в сельском хозяйстве, уменьшение стоимости строительства в связи с уменьшением стоимости транспортировки грузов и исчезновением потребности в гаражах и парковках.

Переорентация трудовых ресурсов хорошо оплачиваемого сегмента населения, ранее связанного с ремонтом транспорта, вождением грузовиков, развитием инфраструктуры, производством транспортного средств, и финансовой деятельностью, связанной с личным транспортом, может привести к существенным социальным изменениям.

Человеческое сообщество имеет многолетний опыта замены уходящих технологий. Примеры: исчезновение чистильщиков дымоходов в связи с исчезновением печей в квартирах, замена лошадей как главной транспортной силы на автомобильные транспортные средства. Появление нового трудового рынка компенсирует потерю потребности в опытных автомобильных профессионалах за счёт увеличения объёма работ в автомобильном секторе IT, работой в сфере кибербезопасности, анализе Больших Данных, производстве датчиков и исполнительных механизмов. Занятость увеличится из-за появления центров обслуживания заказов на автономный транспорт.

Городское будущее

Автономные автомобили продиктуют новые требования к планированию городской инфраструктуры. Это изменения будут включать полную модернизацию парковок, уличное планирование, увеличение устройств информации о безопасности дорожного движения. Интегрированная паутина сетей между автономными транспортными средствами и “умными перекрестками” для регулирования транспортных потоков будет важными составляющими новой городской сети данных. Одновременно она изменит экономику городского планирования исключив такие источники финансирования городских услуг, как наказание за превышение скорости и стоимость парковки.

Парковки для личного транспорта переключатся на обслуживание беспилотных транспортных средств, и бензозаправки заменятся централизованными зарядными станциями Другие варианты транспортировки населения включают железные дороги, уже частично беспилотные, и самолеты, которыми управляют пилоты с эффективной поддержкой компьютеров и внешних коммуникационных источников.

Попытка прогноза

Препятствия в реализации автономных функций не только технологические. Хотя громадный объём тестирования необходим для обеспечения надёжной работы, наибольшие практические препятствия в развертывании самоходных транспортных средств будут связаны с законодательством, регулирующим движение и определяющим ответственность участников. Решающая роль во время этой технической революции должна принадлежать правительственным организациям, которые должны создать новые законодательства и стандарты в обмене информацией, финансовой деятельности, связанной с приобретением транспорта, преобразованием в методологии страхования автомобией, и поиске решений занятости освободившегося населения. Необходимым является создание законов, определяющих юридическую ответственность за несчастные случаи, в которых могут участвовать автомобили без водителей и обеспечение кибербезопасности (защиту от преступлений, включая терроризм).

Ограниченные функции автономного вождения транспортных средств работают уже сегодня. Много предсказаний, что полностью автономные, самоходные, автоматизированные транспортные средства будут на рынке через 10–15 лет. Это окажет огромное воздействие на замену личной автомобильной собственности на кратковременную аренду автомобилей, снижение стоимости перевозок и автоматизацию транспортировки грузов. Беспилотное такси (но пока с водителями), уже активно проверяет Uber, принадлежаший Google Waymo, и китайский интернет-гигант Baidu. Самоходные автомобили 5-го уровня должны появиться на дорогах к 2025.

В ближайшие несколько лет объемы выпуска транспортных средств с уровнем автономии 2, 3 и 4 будут эхпоненциально возрастать. Согласно исследованию Navigant, во всем мире к 2035 году ежегодно будут производиться 85 миллионов автономных транспортных средств.

Роман Пресс, PhD.
Alphacon (Alternative Power and Hydrogen Applications) LLC

Print Friendly, PDF & Email

3 комментария к «Роман Пресс: Современные тенденции развития автомобильного транспорта»

  1. Отличное исследование!
    Позволю себе небольшое дополнение (или вопрос):
    система силового управления электромобилем позволяет использовать магнитный усилитель любой мощности вместо менее надёжного тиристорного. Так или нет?

  2. Слишком профессионально для моего восприятия, но — интересно.
    Темп технического прогресса — пугает.

  3. «Из недостатков следует отметить необходимость существенного увеличения выработки дополнительной электроэнергии на транспортные нужды, ограниченность пробега на одной зарядке, чрезмерное время перезарядки, вес и стоимость.»

    https://www.store-dot.com/

    Кстати, израильская компания 🙂

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Арифметическая Капча - решите задачу *