Struktura i konstrukcja pojazdu w pełni elektrycznego różnią się od konstrukcji tradycyjnego pojazdu z silnikiem spalinowym. Jest to również złożona inżynieria systemowa. Aby osiągnąć optymalny proces sterowania, konieczne jest zintegrowanie technologii akumulatorów, technologii napędu silnika, technologii motoryzacyjnej i nowoczesnej teorii sterowania. W planie rozwoju nauki i technologii pojazdów elektrycznych kraj nadal stosuje schemat badawczo-rozwojowy „trzech pionowych i trzech poziomych”, a ponadto kładzie nacisk na badania nad wspólnymi kluczowymi technologiami „trzech poziomych”, zgodnie ze strategią transformacji technologicznej „czystego napędu elektrycznego”, czyli badaniami nad silnikiem napędowym i jego układem sterowania, akumulatorem i jego systemem zarządzania oraz układem sterowania układem napędowym. Każdy duży producent opracowuje własną strategię rozwoju firmy zgodnie z krajową strategią rozwoju.
Autor porządkuje kluczowe technologie w procesie rozwoju nowego układu napędowego, dostarczając podstawy teoretyczne i odniesienia do projektowania, testowania i produkcji układu napędowego. Plan podzielony jest na trzy rozdziały, aby przeanalizować kluczowe technologie napędu elektrycznego w układzie napędowym pojazdów w pełni elektrycznych. Dzisiaj najpierw przedstawimy zasadę i klasyfikację technologii napędu elektrycznego.
Rysunek 1. Kluczowe ogniwa w rozwoju układu napędowego
Obecnie do najważniejszych technologii układów napędowych pojazdów elektrycznych zalicza się cztery następujące kategorie:
Rysunek 2. Kluczowe technologie układu napędowego
Definicja układu napędowego silnika
W zależności od stanu akumulatora pojazdu i zapotrzebowania na energię elektryczną, układ przekształca energię elektryczną generowaną przez pokładowy magazyn energii na energię mechaniczną, która jest następnie przekazywana na koła napędowe poprzez urządzenie nadawcze. Część energii mechanicznej pojazdu jest przekształcana w energię elektryczną i przekazywana z powrotem do magazynu energii podczas hamowania. Elektryczny układ napędowy obejmuje silnik, przekładnię, sterownik silnika i inne komponenty. Projekt parametrów technicznych elektrycznego układu napędowego obejmuje głównie moc, moment obrotowy, prędkość, napięcie, przełożenie przekładni redukcyjnej, pojemność zasilania, moc wyjściową, napięcie, prąd itp.
1) Sterownik silnika
Nazywany również falownikiem, zamienia prąd stały pochodzący z akumulatora na prąd przemienny. Główne elementy:
◎ IGBT: przełącznik elektroniczny mocy, zasada działania: za pomocą kontrolera, sterowanie ramieniem mostka IGBT w celu zamknięcia określonej częstotliwości i sekwencji przełączania, generuje trójfazowy prąd przemienny. Poprzez sterowanie zamknięciem przełącznika elektronicznego mocy, napięcie przemienne może zostać przetworzone. Następnie napięcie przemienne jest generowane poprzez regulację współczynnika wypełnienia.
◎ Pojemność folii: funkcja filtrowania; czujnik prądu: wykrywanie prądu uzwojenia trójfazowego.
2) Obwód sterowania i sterowania: płyta sterująca komputera, sterowanie IGBT
Rolą sterownika silnika jest konwersja prądu stałego na prąd przemienny, odbiór każdego sygnału i wyprowadzenie odpowiedniej mocy i momentu obrotowego. Główne elementy: elektroniczny przełącznik mocy, kondensator foliowy, czujnik prądu, układ sterujący do otwierania różnych przełączników, formowania prądów w różnych kierunkach i generowania napięcia przemiennego. W związku z tym sinusoidalny prąd przemienny można podzielić na prostokąty. Pole prostokątów jest przekształcane na napięcie o tej samej wysokości. Oś x realizuje kontrolę długości poprzez sterowanie współczynnikiem wypełnienia, a ostatecznie realizuje równoważną konwersję pola. W ten sposób można sterować mocą prądu stałego, aby zamknąć ramię mostka IGBT przy określonej częstotliwości i sekwencyjnie przełączać przez sterownik, generując trójfazowy prąd przemienny.
Obecnie najważniejsze elementy układu sterowania bazują na imporcie: kondensatory, tranzystory IGBT/MOSFET, procesory DSP, układy scalone i układy scalone, które można produkować samodzielnie, ale mają one niewielką pojemność: układy specjalne, czujniki, złącza, które można produkować samodzielnie: zasilacze, diody, cewki, płytki drukowane wielowarstwowe, przewody izolowane, radiatory.
3) Silnik: przetwarza prąd przemienny trójfazowy na prąd maszynowy
◎ Struktura: przednia i tylna osłona, panewki, wałki i łożyska
◎ Obwód magnetyczny: rdzeń stojana, rdzeń wirnika
◎ Obwód: uzwojenie stojana, przewód wirnika
4) Urządzenie nadawcze
Skrzynia biegów lub reduktor przekształca moment obrotowy silnika na prędkość i moment obrotowy potrzebne całemu pojazdowi.
Rodzaj silnika napędowego
Silniki napędowe dzielą się na cztery kategorie. Obecnie silniki indukcyjne prądu przemiennego i silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są najpopularniejszymi typami pojazdów elektrycznych zasilanych nowymi źródłami energii. Dlatego skupiamy się na technologii silników indukcyjnych prądu przemiennego i silników synchronicznych z magnesami trwałymi.
| Silnik prądu stałego | Silnik indukcyjny prądu przemiennego | Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi | Silnik reluktancyjny z przełączaniem | |
| Korzyść | Niższe koszty, niskie wymagania dotyczące systemu sterowania | Niski koszt, Szeroki zakres zasilania, Rozwinięta technologia sterowania, Wysoka niezawodność | Wysoka gęstość mocy, wysoka wydajność, mały rozmiar | Prosta struktura, niskie wymagania systemu sterowania |
| Niekorzyść | Wysokie wymagania konserwacyjne, niska prędkość, niski moment obrotowy, krótka żywotność | Mały obszar wydajnościNiska gęstość mocy | Wysokie koszty Słaba adaptacja do środowiska | Duże wahania momentu obrotowegoWysoki hałas roboczy |
| Aplikacja | Mały lub miniaturowy pojazd elektryczny o niskiej prędkości | Elektryczne pojazdy służbowe i samochody osobowe | Elektryczne pojazdy służbowe i samochody osobowe | Pojazd o napędzie mieszanym |
1) Silnik asynchroniczny indukcyjny prądu przemiennego
Zasada działania indukcyjnego silnika asynchronicznego prądu przemiennego polega na tym, że uzwojenie przechodzi przez żłobek stojana i wirnik: jest ono ułożone warstwowo z cienkich blach stalowych o wysokiej przewodności magnetycznej. Prąd trójfazowy przepływa przez uzwojenie. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya, generowane jest wirujące pole magnetyczne, które jest powodem obracania się wirnika. Trzy cewki stojana są połączone w odstępie 120 stopni, a przewodnik z prądem generuje wokół nich pola magnetyczne. Gdy do tego specjalnego układu zostanie przyłożone zasilanie trójfazowe, pola magnetyczne będą się zmieniać w różnych kierunkach wraz ze zmianą prądu przemiennego w określonym czasie, generując pole magnetyczne o jednorodnym natężeniu obrotowym. Prędkość obrotowa pola magnetycznego nazywana jest prędkością synchroniczną. Załóżmy, że wewnątrz umieszczony jest zamknięty przewodnik, zgodnie z prawem Faradaya, ponieważ pole magnetyczne jest zmienne, pętla wyczuje siłę elektromotoryczną, która wygeneruje prąd w pętli. Sytuacja ta przypomina pętlę z prądem w polu magnetycznym, generującą siłę elektromagnetyczną na pętli, co powoduje, że Huan Jiang zaczyna się obracać. Używając czegoś podobnego do klatki wirnika, trójfazowy prąd przemienny wytwarza wirujące pole magnetyczne w stojanie, a prąd indukuje się w pręcie klatki wirnika zwartym z pierścieniem końcowym, co powoduje obrót wirnika, dlatego silnik nazywa się silnikiem indukcyjnym. Dzięki indukcji elektromagnetycznej, zamiast bezpośredniego połączenia z wirnikiem w celu indukcji prądu, wirnik wypełnia się izolacyjnymi płatkami żelaznego rdzenia, dzięki czemu niewielkie rozmiary żelaza zapewniają minimalne straty prądu wirowego.
2) Silnik synchroniczny prądu przemiennego
Wirnik silnika synchronicznego różni się od wirnika silnika asynchronicznego. Magnes trwały jest zamontowany na wirniku, który można podzielić na montowany powierzchniowo i wbudowany. Wirnik wykonany jest z blachy krzemowej, a magnes trwały jest wbudowany. Stojan jest również podłączony do prądu przemiennego o przesunięciu fazowym 120, który steruje wielkością i fazą sinusoidalnego prądu przemiennego, tak aby pole magnetyczne generowane przez stojan było przeciwne do pola generowanego przez wirnik, a pole magnetyczne obracało się. W ten sposób stojan jest przyciągany przez magnes i obraca się wraz z wirnikiem. Cykl po cyklu jest generowany przez absorpcję stojana i wirnika.
Wnioski: Napęd silnikowy pojazdów elektrycznych stał się zasadniczo powszechny, ale nie jest jednolity, lecz zróżnicowany. Każdy układ napędowy silnika ma swój własny kompleksowy indeks. Każdy system jest stosowany w istniejących napędach pojazdów elektrycznych. Większość z nich to silniki asynchroniczne i silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, podczas gdy niektóre próbują przełączać silniki reluktancyjne. Warto zauważyć, że napęd silnikowy integruje technologię elektroniki mocy, technologię mikroelektroniki, technologię cyfrową, technologię automatycznego sterowania, materiałoznawstwo i inne dyscypliny, aby odzwierciedlić wszechstronne zastosowanie i perspektywy rozwoju wielu dyscyplin. Jest silnym konkurentem na rynku silników pojazdów elektrycznych. Aby zająć miejsce w przyszłych pojazdach elektrycznych, wszystkie rodzaje silników muszą nie tylko optymalizować konstrukcję silnika, ale także stale badać inteligentne i cyfrowe aspekty systemu sterowania.
Czas publikacji: 30 stycznia 2023 r.
