Конструкция и дизайн чисто электрического автомобиля отличаются от конструкции традиционного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Это также сложная системная инженерия. Для достижения оптимального процесса управления необходимо интегрировать технологии аккумуляторных батарей, технологии электропривода, автомобильные технологии и современную теорию управления. В плане развития науки и техники электромобилей страна продолжает придерживаться подхода «три вертикали и три горизонтали» в исследованиях и разработках, уделяя особое внимание исследованиям ключевых общих технологий «трех горизонталей» в соответствии со стратегией технологической трансформации «чисто электрического привода», то есть исследованиям приводного двигателя и его системы управления, аккумуляторной батареи и ее системы управления, а также системы управления трансмиссией. Каждый крупный производитель разрабатывает собственную стратегию развития бизнеса в соответствии с национальной стратегией развития.
Автор систематизирует ключевые технологии в процессе разработки силовых установок на новых источниках энергии, предоставляя теоретическую основу и справочные материалы для проектирования, испытаний и производства силовых установок. План разделен на три главы, посвященные анализу ключевых технологий электропривода в силовых установках чисто электрических транспортных средств. Сегодня мы сначала представим принцип и классификацию технологий электропривода.
Рисунок 1. Ключевые звенья в разработке силовых агрегатов.
В настоящее время основные ключевые технологии силовых установок для полностью электрических транспортных средств включают следующие четыре категории:
Рисунок 2. Основные ключевые технологии силовой установки.
Определение системы приводного двигателя
В зависимости от состояния аккумуляторной батареи автомобиля и потребностей в энергии, система преобразует выходную электрическую энергию, вырабатываемую бортовым накопителем энергии, в механическую энергию, которая передается на ведущие колеса через передающее устройство. Часть механической энергии автомобиля преобразуется в электрическую энергию и возвращается в накопитель энергии при торможении автомобиля. Электрическая система привода включает в себя двигатель, трансмиссионный механизм, контроллер двигателя и другие компоненты. Технические параметры электрической системы привода в основном включают мощность, крутящий момент, скорость, напряжение, передаточное отношение редуктора, емкость источника питания, выходную мощность, напряжение, ток и т. д.
1) Контроллер двигателя
Также называемый инвертором, он преобразует постоянный ток, поступающий от аккумуляторной батареи, в переменный ток. Основные компоненты:
◎ IGBT: силовой электронный переключатель, принцип действия: с помощью контроллера управляется замыкание плеча моста IGBT с определенной частотой и последовательностью для генерации трехфазного переменного тока. Управляя замыканием силового электронного переключателя, можно преобразовать переменное напряжение. Затем, управляя коэффициентом заполнения, генерируется переменное напряжение.
◎ Пленочный конденсатор: функция фильтрации; датчик тока: измерение тока трехфазной обмотки.
2) Схема управления и привода: плата управления компьютером, управляющий IGBT-транзистор.
Задача контроллера двигателя — преобразовывать постоянный ток в переменный, принимать каждый сигнал и выдавать соответствующую мощность и крутящий момент. Основные компоненты: силовой электронный переключатель, пленочный конденсатор, датчик тока, управляющая схема для размыкания различных переключателей, формирования токов в разных направлениях и генерации переменного напряжения. Таким образом, синусоидальный переменный ток можно разделить на прямоугольники. Площадь прямоугольников преобразуется в напряжение с той же высотой. По оси X осуществляется управление длиной путем регулирования коэффициента заполнения, и, наконец, выполняется эквивалентное преобразование площади. Таким образом, мощность постоянного тока может управляться для замыкания плеч моста IGBT с определенной частотой и последовательностью переключения через контроллер для генерации трехфазного переменного тока.
В настоящее время ключевые компоненты схемы управления заимствованы из-за рубежа: конденсаторы, транзисторы IGBT/MOSFET, цифровые сигнальные процессоры (DSP), электронные чипы и интегральные схемы, которые могут производиться самостоятельно, но имеют ограниченные производственные мощности; специальные схемы, датчики, разъемы, которые также могут производиться самостоятельно; источники питания, диоды, индукторы, многослойные печатные платы, изолированные провода, радиаторы.
3) Двигатель: преобразует трехфазный переменный ток в механический ток.
◎ Конструкция: передняя и задняя крышки, корпуса, валы и подшипники
◎ Магнитная цепь: сердечник статора, сердечник ротора
◎ Схема: обмотка статора, проводник ротора
4) Передающее устройство
Редуктор или редуктор преобразует крутящий момент, выдаваемый двигателем, в скорость и крутящий момент, необходимые для работы всего транспортного средства.
Тип приводного двигателя
Приводные двигатели делятся на следующие четыре категории. В настоящее время наиболее распространенными типами электромобилей на новых источниках энергии являются асинхронные двигатели переменного тока и синхронные двигатели с постоянными магнитами. Поэтому мы сосредоточимся на технологиях асинхронных двигателей переменного тока и синхронных двигателей с постоянными магнитами.
| Двигатель постоянного тока | Асинхронный двигатель переменного тока | Синхронный двигатель с постоянными магнитами | Двигатель с переключаемым сопротивлением | |
| Преимущество | Низкая стоимость, низкие требования к системе управления | Низкая стоимость, широкий диапазон мощности, передовые технологии управления, высокая надежность. | Высокая удельная мощность, высокая эффективность, малый размер. | Простая конструкция, низкие требования к системе управления. |
| Недостаток | Высокие требования к техническому обслуживанию, низкая скорость вращения, низкий крутящий момент, короткий срок службы. | Малая эффективная площадь, низкая удельная мощность | Высокая стоимость. Плохая адаптация к окружающей среде. | Большие колебания крутящего момента. Высокий уровень рабочего шума. |
| Приложение | Малый или миниатюрный низкоскоростной электромобиль | Электромобили для бизнеса и пассажирские автомобили | Электромобили для бизнеса и пассажирские автомобили | Смешанный силовой агрегат |
1) Асинхронный двигатель переменного тока
Принцип работы асинхронного двигателя переменного тока с индуктивным возбуждением заключается в том, что обмотка проходит через пазы статора и ротор, состоящий из тонких стальных листов с высокой магнитной проводимостью. Трехфазный электрический ток проходит через обмотку. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, генерируется вращающееся магнитное поле, которое и является причиной вращения ротора. Три катушки статора соединены с интервалом в 120 градусов, и проводник с током генерирует вокруг них магнитные поля. При подаче трехфазного питания на эту особую схему магнитные поля изменяются в разных направлениях в зависимости от изменения переменного тока в определенный момент времени, генерируя магнитное поле с равномерной вращательной интенсивностью. Скорость вращения магнитного поля называется синхронной скоростью. Предположим, внутри находится замкнутый проводник. Согласно закону Фарадея, поскольку магнитное поле является переменным, в петле будет ощущаться электродвижущая сила, которая будет генерировать ток в петле. Эта ситуация аналогична ситуации, когда ток в контуре вращается в магнитном поле, создавая электромагнитную силу, и ротор начинает вращаться. Используя нечто похожее на беличью клетку, трехфазный переменный ток создает вращающееся магнитное поле через статор, и ток индуцируется в стержне беличьей клетки, закороченном торцевым кольцом, поэтому ротор начинает вращаться, поэтому такой двигатель называется индукционным. Благодаря электромагнитной индукции, а не прямому соединению с ротором для индукции электричества, в ротор вставлены изоляционные железные пластины, благодаря чему малый размер железа обеспечивает минимальные потери на вихревые токи.
2) Синхронный двигатель переменного тока
Ротор синхронного двигателя отличается от ротора асинхронного двигателя. На роторе установлен постоянный магнит, который может быть поверхностного и встроенного типа. Ротор изготовлен из листовой кремниевой стали, а постоянный магнит встроен. Статор также соединен с переменным током с фазовым сдвигом 120°, который регулирует величину и фазу синусоидального переменного тока, так что магнитное поле, создаваемое статором, противоположно магнитному полю, создаваемому ротором, и магнитное поле вращается. Таким образом, статор притягивается магнитом и вращается вместе с ротором. Цикл за циклом генерируется за счет поглощения магнита статором и ротором.
Заключение: Электроприводы для электромобилей в основном стали основным направлением, но они не являются единым, а разнообразным сегментом. Каждая система электропривода имеет свои комплексные показатели. Каждая система применяется в существующих системах электропривода электромобилей. Большинство из них — это асинхронные двигатели и синхронные двигатели с постоянными магнитами, в то время как некоторые пытаются использовать двигатели с переключаемым сопротивлением. Стоит отметить, что электроприводы интегрируют силовую электронику, микроэлектронику, цифровые технологии, технологии автоматического управления, материаловедение и другие дисциплины, отражая всестороннее применение и перспективы развития множества дисциплин. Это сильный конкурент на рынке электродвигателей для электромобилей. Чтобы занять достойное место в электромобилях будущего, все виды двигателей должны не только оптимизировать свою структуру, но и постоянно исследовать интеллектуальные и цифровые аспекты системы управления.
Дата публикации: 30 января 2023 г.
