Вячеслав Вавилов: «Грантовая поддержка РНФ позволяет реализовать самые смелые идеи»

Сегодня высокоэффективные электрические и гибридные силовые установки становятся одним из ключевых направлений развития транспорта. От них зависят топливная эффективность, снижение выбросов, ресурсосбережение и, в более широком смысле, переход к новой технологической модели, в которой электрические системы занимают все более заметное место — от коммерческого и беспилотного транспорта до авиации и промышленной техники. Главный вызов здесь состоит не только в создании отдельных узлов, но и в формировании собственной инженерной и производственной базы, которая позволит выпускать такие решения серийно и на мировом уровне.

В России эту задачу последовательно решает команда ООО «ЭТК». При поддержке РНФ Вячеслав Вавилов и его коллеги разрабатывают стартер-генераторную установку для гибридного силового агрегата — комбинации двигателя внутреннего сгорания и одного или нескольких электродвигателей. Квалифицированным заказчиком проекта выступает ПАО «КАМАЗ». В интервью ученый рассказал о том, как грант Фонда в рамках национального проекта технологического лидерства помогает создавать отечественную технологию, способную стать основой промышленного продукта. Материал опубликован в новом выпуске журнала «Открывай с РНФ» (№34).

// Ваш проект поддержан РНФ в рамках национального проекта технологического лидерства «Промышленное обеспечение транспортной мобильности». Какие возможности дает такая поддержка для реализации масштабных задач?

На самом деле здесь сразу несколько уровней поддержки. Первый — административный. Это важно, потому что речь идет о задаче крупного масштаба: довести технологию до такого уровня, когда она может стать частью новой промышленной архитектуры.

Второй уровень — финансовый. Исследования в нашей области всегда дороги. Когда нужно пройти путь до технологической готовности, создать стенды, провести испытания, изготовить оснастку, отладить конструкцию под реальное производство, обычных коммерческих механизмов уже недостаточно. Для бизнеса такие проекты слишком рискованны: никто не может заранее гарантировать, что ты выйдешь на нужный результат с первой попытки. И как раз здесь грантовая поддержка РНФ становится инструментом, который позволяет реализовать самые смелые идеи.

Для нас это особенно важно еще и потому, что мы не типичная организация-исполнитель: не университет и не академический институт, а малая технологическая компания. До получения текущего гранта РНФ нам приходилось жить в довольно жестком режиме: мы постоянно искали контракты, которые позволяли бы выстоять. В итоге часто брались за менее интересные задачи, зато быстрые и прикладные. С Фондом появилась возможность не распыляться, а собирать большой проект, в котором есть серьезный индустриальный заказчик, длинный горизонт и понятная траектория движения к конечному продукту.

// Вы занимаетесь разработкой мягких гибридов. Расскажите, что это такое и чем технология полезна именно для коммерческого транспорта?

Мягкий гибрид — это система, в которой электрическая машина помогает двигателю внутреннего сгорания в самые энергозатратные моменты. Речь не о полном переходе на электротягу, а о промежуточной архитектуре, где сохраняется обычный двигатель, но к нему добавляется замкнутый электрический контур: стартер-генератор, преобразователь тока и небольшая аккумуляторная батарея. Эта связка позволяет запускать двигатель совместно со штатным стартером, рекуперировать и накапливать энергию, а затем помогает двигателю внутреннего сгорания в движении — например, при разгоне, трогании с места или движении в гору.

Для коммерческого транспорта это очень практичное решение. Во-первых, оно дает экономию топлива. Во-вторых, создает запас мощности и крутящего момента в сложных режимах. Машине проще работать на подъемах, при ускорении, в городском цикле с постоянными разгонами и торможениями. Для грузовика или автобуса это особенно важно, потому что там режим эксплуатации тяжелее, и любая неэффективность становится заметной в экономике.

Есть и еще один важный момент: для коммерческого транспорта мягкий гибрид — это способ войти в электрификацию без радикального слома всей конструкции. Это инженерно разумный переход к более сложным и более эффективным электрическим системам будущего.

// Проект посвящен созданию стартер-генераторной установки для гибридного силового агрегата. Почему сегодня развитие таких систем особенно актуально именно для транспортной отрасли?

Причин несколько. Во-первых, это экология. Электрификация транспорта, даже частичная, меняет экологический профиль машины. Во-вторых, это топливная эффективность. Для коммерческого транспорта любой процент экономии — это прямой вклад в себестоимость перевозки, экономику парка и конкурентоспособность производителя. Мягкий гибрид позволяет получить заметный эффект без полной смены архитектуры транспортного средства.

Есть и третья причина, на мой взгляд, даже более важная. Мы входим в новый технологический уклад. Мир становится более электрическим. Если посмотреть шире, безлюдные производства, морские и речные суда, беспилотники, робототехника, цифровая инфраструктура — это звенья одной большой системы. В своем новом учебнике* я как раз пишу о том, что электрический мир становится общей средой существования современной цивилизации. И если страна претендует на технологическое лидерство, она не может оставаться только в парадигме классического двигателя внутреннего сгорания. Электрические решения становятся частью глобальной повестки, и транспорт — одна из тех сфер, где это видно особенно ясно.

Я часто говорю, что мы живем в формирующейся «электросфере». Мягкие гибриды в этой системе — переходная ступень. Они позволяют промышленности и рынку входить в новую парадигму практически, через серийные решения.

// Что такое стартер-генераторная установка и какую роль она играет в архитектуре мягкого гибрида?

Говоря по-простому, это устройство, которое помогает автомобилю и запускаться, и дальше функционировать. Я обычно привожу такой образ: для человека при рождении важно, чтобы сердце сначала завелось, потом обеспечивало жизнь организма. Так вот, стартер-генераторная установка — один из ключевых энергетических узлов автомобиля будущего, то самое сердце.

С одной стороны, она участвует в запуске двигателя. С другой — в режиме генератора обеспечивает систему энергией. Если говорим о мягком гибриде, появляется и третья функция: помощь двигателю внутреннего сгорания в тот момент, когда ему не хватает собственных возможностей.

Причем по ходу проекта мы пришли к более точному пониманию архитектуры и внутри команды все чаще называем эту систему уже не стартер-генераторной, а мотор-генераторной. Кроме функции пуска для мягкого гибрида важна активная «подкрутка», то есть работа в моторном режиме, когда электрическая часть помогает двигателю внутреннего сгорания.

// Квалифицированным заказчиком в проекте выступает ПАО «КАМАЗ». Как выстраивается взаимодействие с индустриальным партнером?

Самое важное, что на проекте сложилась единая команда, и это не фигура речи. Члены группы действительно взаимодействуют с разными подразделениями «КАМАЗа», регулярно проводят встречи, очные совещания и видеоконференции. То есть проект живет в режиме совместной сборки решения.

Для прикладной разработки это критически важно. Нельзя создать такую систему в отрыве от носителя. Мы встраиваем новый узел в реальное транспортное средство с его ограничениями, компоновкой, силовым агрегатом, режимами, требованиями по стоимости, надежности и масштабируемости. Поэтому только плотное взаимодействие с индустриальным партнером дает шанс прийти к рабочему продукту.

И здесь я хочу отдельно отметить роль РНФ. Фонд стал для всех участников своего рода дисциплинирующей и связывающей рамкой: он задает ритм, сроки, этапность, приглашает на научно-технические советы. Это помогает удерживать команду в общей логике движения и делает взаимодействие науки, инженеров и индустрии более плодотворным.

// Проект предполагает доведение технологий до уровня УГТ-5. Что это означает с точки зрения практического результата?

Если говорить прикладным языком, УГТ-5 — это уже не просто идея и не лабораторная демонстрация. Это стадия, на которой система собрана, проверена на стенде и испытана в условиях, приближенных к реальным, когда замысел не только существует на бумаге, но работает как инженерный объект.

Для нас как технологической компании этот уровень принципиален. Нам важно показать, что она вообще способна жить дальше — в производстве, серии и рыночной модели в целом.

// Какие ключевые технологические решения предстоит отработать в ходе проекта?

На самом деле уже сейчас ясно, что проект ушел гораздо дальше первоначальной концепции. Когда мы входили в него, видели одну конструкционную схему. После более глубокого погружения и совместного обсуждения с «КАМАЗом» пришли к другой конфигурации — дисковой машине. И это автоматически открыло целый спектр новых задач.

Здесь есть риски и вызовы буквально на каждом уровне. Инженеры последовательно проверяют разные материалы, разные технологии изготовления и конструктивные решения, что-то отбрасывают, что-то оставляют. Это очень живая инженерная среда, где решение рождается из цепочки расчетов, экспериментов, изготовления и переделки.

Именно таким путем и можно получить результат. Потому что ограничения, в которых находятся разработчики, технически довольно жесткие. Следует вписаться в силовой агрегат, понимая, что готовое транспортное средство менять никто не будет. При этом система должна выдавать очень хорошие характеристики — выше мировых аналогов.

Поэтому здесь действительно приходится многое отрабатывать, причем одновременно. Мы проектируем и создаем отдельную стендовую базу под это изделие, отдельно ведем настройку системы охлаждения, отдельно — самой машины, отдельно — рисков, связанных с изготовлением зубца, укладкой обмотки, геометрией элементов. Для меня это важный признак зрелого подхода: создавать изделие и сразу думать, как его испытывать, подтверждать режимы его работы и как готовить к следующему шагу.

// Расскажите подробнее про натурные испытания на стендах. Что именно они должны подтвердить?

Они должны подтвердить главное: система действует как на уровне отдельных узлов, так и в собранной конфигурации, в режимах, приближенных к реальной эксплуатации. Под эту задачу мы создаем отдельный стенд на собственной базе. Он позволит проверять поведение установки в режиме мотора, генератора, подкрутки, то есть фактически моделировать логику ее поведения в транспортном средстве.

Следующим шагом станет выход в натурный контур — сначала в составе агрегата, потом, возможно, уже в составе самого транспортного средства. Для нас это главный показатель зрелости: увидеть, что отдельные технические решения жизнеспособны и складываются в единую систему, которую можно дальше выводить на рынок.

// В проекте изначально обсуждались разные архитектурные решения. Что в итоге оказалось принципиальным?

Как я сказал выше, проектная логика дополнялась по ходу движения. Сейчас ключевыми для нас стали дисковая архитектура машины и магнитная сборка Хальбаха — особая конфигурация постоянных магнитов. Именно они дают тот уровень характеристик, к которому стремится наша команда.

Почему это важно? Потому что мы хотим сделать шаг в сторону новой продуктовой ниши. В мире дисковые электрические машины уже развиваются, и там есть сильные игроки. В России это направление пока только формируется. Поэтому для нас это еще и работа на опережение: фактически входим в область, где отечественных серийных решений почти нет, и потребность в них будет только расти.

// Одной из задач проекта является снижение зависимости от дефицитных материалов, прежде всего редкоземельных магнитов. Насколько это важный вызов?

Я назову его основным, поскольку сегодня редкоземельные материалы — это стратегический ресурс. Без них невозможно представить современную высокоэффективную электрическую машину в том виде, в котором рынок ожидает от нее высокой удельной мощности и хороших массогабаритных характеристик.

Можно пытаться уходить в альтернативы, например в ферритные решения, однако это часто означает ухудшение характеристик. Поэтому вопрос в том, чтобы выстроить собственную цепочку поставок и производства. И в этом смысле наш проект, хотя и посвящен конкретной установке, подталкивает к гораздо более широким шагам. Уже сейчас заметно, что вокруг него выстраиваются предпосылки для новых направлений по локализации магнитной цепочки — от сырья до конечного продукта.

И это очень важная логика. Если на рынке появляется изделие с большой серийностью, которому нужны отечественный материалы, сразу возникает и экономический смысл развивать под него локальную компонентную базу. То есть отдельный инженерный проект начинает работать как драйвер для целой производственной цепочки.

// Еще один важный аспект проекта связан с электрической архитектурой системы. Насколько сложна разработка низковольтной системы 48 В при высоких токах?

Это серьезный инженерный вызов. Если у вас напряжение 48 В, а электрическая мощность системы высокая, вы автоматически выходите на очень большие токи. А большие токи — это массивные проводники, рост массы, вопросы безопасности, потери, требования к инвертору, преобразователю, системе охлаждения и ко всей архитектуре установки.

При этом 48-вольтовая система в транспортной отрасли — еще и компромисс. Традиционно на автомобилях действует 24-вольтовая бортовая сеть, и если бы мы пытались решать такую задачу в прежней логике, проблемы были бы еще серьезнее. Поэтому 48 В — уже шаг вперед. Здесь нужно искать промежуточные инженерные ходы, которые позволят сохранить массу, надежность и технологичность в допустимых пределах.

// С какими трудностями вы столкнулись в ходе проекта?

Если коротко — с очень широким набором задач, которые нельзя разложить по отдельным коробочкам. Мы делаем систему в комплексе, что существенно усложняет проект. Нужно создать узел и понять, как он встроится в автомобиль, как будет работать в режимах, как будет охлаждаться, как будет испытываться, как будет производиться серийно и сколько в итоге будет стоить.

Есть и конкретные технологические сложности. Какие-то элементы не получаются с первого раза — и это абсолютно нормальная история. Где-то приходится менять материал, где-то уточнять геометрию, где-то долго биться над технологией изготовления. Есть задачи по испытательному стенду, который должен воспроизводить разные режимы работы системы. Есть вопросы по унификации. Есть вопросы по серийной стоимости, ведь здесь сразу мыслят масштабом тысяч и десятков тысяч изделий. То есть изначально был задан более широкий и более жесткий горизонт, нежели просто исследование. Именно поэтому пул задач здесь гораздо объемнее, чем в обычной НИР.

// Почему для вас важно уже сейчас думать о следующем поколении установки?

Потому что любой технологический продукт живет только тогда, когда развивается. Если ты сделал изделие и два года его не модернизируешь, жизненный цикл начинает быстро сокращаться. Поэтому коллектив сразу смотрит на следующий шаг, формируя задел под следующую генерацию решений: новые материалы, новые компоновки, новые функциональные возможности.

Отдельное направление связано с исследованиями проводников на основе углеродных нанотрубок. Это пока еще не решение «здесь и сейчас», а скорее технологический горизонт, однако именно такие горизонты определяют конкурентоспособность. Для технологической компании это естественный подход: нельзя жить только сегодняшним образцом — нужно понимать, как он будет улучшаться, чем станет через два-три года, какие ограничения у него снимутся, какие новые свойства появятся. Именно так формируется продуктовая линия.

// Каким вы видите финальный результат проекта — с научной и с промышленной точек зрения?

С позиции науки это будет серьезный задел сразу по нескольким направлениям. Во-первых, по проектированию и созданию электрических силовых установок такого класса. Во-вторых, по дисковым машинам и их конструктивному исполнению. В-третьих, по исследованию того, как действует вся система в целом: машина, управление, охлаждение, силовая часть. Это междисциплинарная задача, где соединяются расчеты, материаловедение, силовая электроника, тепловые процессы, компоновка и методика испытаний.

С промышленной точки зрения результат для нас еще более конкретный. Наша цель — не положить изделие на полку, а довести его до серии. Мы не живем в парадигме «сделали и отдали» — смотрим на этот проект как на продукт, который будем сами выпускать. Именно поэтому одновременно думаем и о конструкции, и о стенде, и о серийной стоимости, и о производственной оснастке, и об унификации под несколько типов транспортных средств. Для нас, как для малой технологической компании, это принципиально. Команда движется в логике полного цикла и вывода изделий в серию.

// Можно ли сказать, что проект станет шагом к созданию отечественных гибридных силовых установок нового поколения?

Я бы сказал чуть шире: это шаг к развитию отрасли электрических силовых установок в целом. Гибридом система становится тогда, когда встраивается в двигатель внутреннего сгорания, сам двигатель делаем не мы. При этом электрическую часть — машину, силовую электронику, систему управления, испытательную и производственную схему — мы действительно формируем как отечественную инженерную основу.

Да, сейчас группа действует в архитектуре мягкого гибрида и вместе с «КАМАЗом» создает решение для транспортной мобильности, но при этом смысл проекта гораздо шире. Электрические силовые установки можно применить в поездах, трамваях, троллейбусах и множестве других систем, поэтому потенциал здесь огромный.

У России для его реализации имеется исторический и научный фундамент. Мы иногда забываем, что еще в XIX веке именно в России Борис Семенович Якоби создал одно из первых в мире транспортных средств на электрической тяге: в 1837 году он испытал на Неве небольшой электрический корабль, а также построил транспортную тележку с электрическим приводом. Поэтому, когда сегодня говорят о гибридах и электрических силовых установках, важно помнить: для нашей страны — это продолжение собственной большой традиции, и отсчет истории в этой сфере идет из России. Имея такую традицию, сильные инженерные школы и растущую промышленную кооперацию, действительно можно занять серьезные позиции в области электрических силовых систем. Наш проект — вклад в это движение вперед.

***

Вячеслав Вавилов — доктор технических наук, главный научный сотрудник, руководитель проекта ООО «ЭТК», поддержанного грантом Российского научного фонда.

Интервью вошло в новый выпуск корпоративного журнала «Открывай с РНФ» (№34). Журнал представлен на официальном сайте Российского научного фонда по ссылке.

#ОткрывайсРНФ