השוואה בין מנועים שונים לרכב חשמלי

הדו-קיום של בני האדם עם הסביבה ופיתוח בר-קיימא של הכלכלה העולמית גורמים לאנשים להוטים לחפש כלי תחבורה דל פליטות וחסכוני במשאבים, והשימוש בכלי רכב חשמליים הוא ללא ספק פתרון מבטיח.

רכבים חשמליים מודרניים הם מוצרים מקיפים המשלבים טכנולוגיות היי-טק שונות כמו חשמל, אלקטרוניקה, בקרה מכנית, מדעי החומר וטכנולוגיה כימית. ביצועי הפעולה הכוללים, החסכון וכו' תלויים תחילה במערכת הסוללה ובמערכת בקרת כונן המנוע. מערכת ההנעה המנועית של רכב חשמלי מורכבת בדרך כלל מארבעה חלקים עיקריים, כלומר הבקר. ממירי כוח, מנועים וחיישנים. נכון לעכשיו, המנועים המשמשים בכלי רכב חשמליים כוללים בדרך כלל מנועי DC, מנועי אינדוקציה, מנועי סרבנות ממוגנים ומנועים ללא מברשות מגנט קבוע.

1. דרישות בסיסיות של כלי רכב חשמליים למנועים חשמליים

הפעולה של כלי רכב חשמליים, בניגוד ליישומים תעשייתיים כלליים, היא מורכבת מאוד. לכן, הדרישות למערכת ההנעה גבוהות מאוד.

1.1 מנועים לכלי רכב חשמליים צריכים להיות בעלי מאפיינים של כוח מיידי גדול, יכולת עומס יתר חזקה, מקדם עומס יתר של 3 עד 4), ביצועי תאוצה טובים וחיי שירות ארוכים.

1.2 מנועים לכלי רכב חשמליים צריכים להיות בעלי טווח רחב של ויסות מהירות, כולל אזור מומנט קבוע ושטח כוח קבוע. באזור המומנט הקבוע, נדרש מומנט גבוה בעת ריצה במהירות נמוכה כדי לעמוד בדרישות ההתנעה והטיפוס; באזור הכוח הקבוע, נדרשת מהירות גבוהה כאשר נדרש מומנט נמוך כדי לעמוד בדרישות של נהיגה במהירות גבוהה בכבישים מישוריים. לִדרוֹשׁ.

1.3 המנוע החשמלי לרכב חשמלי צריך להיות מסוגל לממש בלימה רגנרטיבית כאשר הרכב מאט, להתאושש ולהחזיר אנרגיה למצבר, כך שלרכב החשמלי יהיה קצב ניצול האנרגיה הטוב ביותר, שלא ניתן להשיג ברכב מנוע בעירה פנימית .

1.4 המנוע החשמלי לרכב חשמלי צריך להיות בעל יעילות גבוהה בכל טווח הפעולה, על מנת לשפר את טווח השיוט של מטען אחד.

בנוסף, נדרש גם שהמנוע החשמלי לרכב חשמלי יהיה בעל אמינות טובה, יכול לעבוד לאורך זמן בסביבה קשה, בעל מבנה פשוט ומתאים לייצור המוני, בעל רעש נמוך במהלך הפעולה, קל לשימוש. ולתחזק, והוא זול.

2 סוגים ושיטות בקרה של מנועים חשמליים לכלי רכב חשמליים
2.1 DC
מנועים היתרונות העיקריים של מנועי DC מוברש הם שליטה פשוטה וטכנולוגיה בוגרת. יש לו מאפייני שליטה מצוינים שאין כמותם במנועי AC. בכלי רכב חשמליים שפותחו מוקדם, נעשה שימוש בעיקר במנועי DC, ואפילו כעת, חלק מכלי הרכב החשמליים עדיין מונעים על ידי מנועי DC. עם זאת, בשל קיומם של מברשות ומקומוטורים מכניים, זה לא רק מגביל את המשך השיפור של יכולת עומס יתר ומהירות המנוע, אלא גם מצריך תחזוקה תכופה והחלפה של מברשות ומקומוטורים אם הוא פועל לאורך זמן. בנוסף, מכיוון שהאובדן קיים על הרוטור, קשה לפזר חום, מה שמגביל את השיפור הנוסף של יחס המומנט למסה המנוע. לאור הפגמים שלעיל של מנועי DC, מנועי DC אינם משמשים בעצם בכלי רכב חשמליים שפותחו לאחרונה.

מנוע אינדוקציה 2.2 AC תלת פאזי

2.2.1 ביצועים בסיסיים של מנוע אינדוקציה תלת פאזי AC

מנועי אינדוקציה תלת פאזיים AC הם המנועים הנפוצים ביותר. הסטטור והרוטור משולבים ביריעות פלדת סיליקון, ואין טבעות החלקה, קומוטטורים ורכיבים אחרים שנמצאים במגע זה עם זה בין הסטטורים. מבנה פשוט, פעולה אמינה ועמידה. כיסוי הכוח של מנוע האינדוקציה AC הוא רחב מאוד, והמהירות מגיעה ל-12000 ~ 15000r/min. ניתן להשתמש בקירור אוויר או בקירור נוזלי, עם רמה גבוהה של חופש קירור. יש לו יכולת הסתגלות טובה לסביבה והוא יכול לממש בלימת משוב רגנרטיבי. בהשוואה לאותו מנוע DC הספק, היעילות גבוהה יותר, האיכות מופחתת בכמחצית, המחיר זול והתחזוקה נוחה.

2.2.2 מערכת הבקרה

של מנוע האינדוקציה AC מכיוון שמנוע האינדוקציה AC תלת פאזי אינו יכול להשתמש ישירות במתח DC המסופק על ידי הסוללה, ולמנוע האינדוקציה AC תלת פאזי יש מאפייני פלט לא ליניאריים. לכן, ברכב חשמלי המשתמש במנוע אינדוקציה AC תלת פאזי, יש צורך להשתמש בהתקן המוליך למחצה הכוח במהפך כדי להמיר את הזרם הישר לזרם חילופין שניתן לכוונן את התדירות והמשרעת שלו למימוש השליטה ב-AC מנוע תלת פאזי. יש בעיקר שיטת בקרת v/f ושיטת בקרת תדר החלקה.

באמצעות שיטת בקרת הווקטור, נשלטים תדירות זרם החילופין של פיתול העירור של מנוע האינדוקציה התלת פאזי AC והתאמת המסוף של מנוע האינדוקציה התלת פאזי AC הכניסה, השטף המגנטי והמומנט של השדה המגנטי המסתובב של מנוע האינדוקציה התלת פאזי AC נשלטים, והשינוי של מנוע האינדוקציה תלת פאזי AC מתממש. המהירות ומומנט הפלט יכולים לעמוד בדרישות של מאפייני שינוי עומס, ויכולים להשיג את היעילות הגבוהה ביותר, כך שניתן יהיה להשתמש במנוע האינדוקציה תלת פאזי AC בכלי רכב חשמליים.

2.2.3 חסרונות של

מנוע אינדוקציה AC תלת פאזי צריכת החשמל של מנוע אינדוקציה AC תלת פאזי גדולה, והרוטור קל לחימום. יש צורך להבטיח את הקירור של מנוע האינדוקציה התלת פאזי AC במהלך פעולה במהירות גבוהה, אחרת המנוע ייפגע. מקדם ההספק של מנוע האינדוקציה התלת פאזי AC נמוך, כך שמקדם הספק הכניסה של התקן המרת התדר והמרת המתח נמוך אף הוא, ולכן יש צורך להשתמש במכשיר המרת תדר והמרת מתח בעל קיבולת גדולה. עלות מערכת הבקרה של מנוע אינדוקציה AC תלת פאזי גבוהה בהרבה מזו של מנוע אינדוקציה AC תלת פאזי עצמו, מה שמגדיל את העלות של הרכב החשמלי. בנוסף, גם ויסות המהירות של מנוע האינדוקציה התלת פאזי AC גרועה.

2.3 מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע

2.3.1 ביצועים בסיסיים של מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע

מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע הוא מנוע בעל ביצועים גבוהים. התכונה הגדולה ביותר שלו היא שיש לו את המאפיינים החיצוניים של מנוע DC ללא מבנה מגע מכני המורכב ממברשות. בנוסף, הוא מאמץ רוטור מגנט קבוע, ואין איבוד עירור: פיתול האבזור המחומם מותקן על הסטטור החיצוני, שקל לפזר חום. לכן, למנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע אין ניצוצות התמורה, אין הפרעות רדיו, חיים ארוכים ופעולה אמינה. , תחזוקה קלה. בנוסף, מהירותו אינה מוגבלת על ידי תנועה מכנית, ואם משתמשים במיסבי אוויר או מיסבים מתלים מגנטיים, הוא יכול לפעול עד כמה מאות אלפי סיבובים לדקה. בהשוואה למערכת מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע, יש לה צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ויעילות גבוהה יותר, ויש לה סיכוי טוב ליישום בכלי רכב חשמליים.

2.3.2 מערכת הבקרה של מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע

מנוע DC טיפוסי ללא מברשות מגנט קבוע הוא מערכת בקרת וקטור כמעט-ניתוק. מכיוון שהמגנט הקבוע יכול ליצור רק שדה מגנטי בעל משרעת קבועה, מערכת מנוע DC ללא מברשות של מגנט קבוע חשובה מאוד. זה מתאים לריצה באזור המומנט הקבוע, בדרך כלל באמצעות בקרת היסטרזיס נוכחית או שיטת SPWM מסוג משוב זרם להשלמתו. על מנת להרחיב עוד יותר את המהירות, מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע יכול להשתמש גם בבקרת החלשת שדה. המהות של בקרת היחלשות השדה היא לקדם את זווית הפאזה של זרם הפאזה כדי לספק פוטנציאל דה-מגנטיזציה בציר ישיר להחלשת הצמדת השטף בפיתול הסטטור.

2.3.3 אי ספיקה של

מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע מושפע ומוגבל מתהליך חומרי המגנט הקבוע, מה שהופך את טווח ההספק של מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע לקטן, וההספק המרבי הוא רק עשרות קילוואט. כאשר חומר המגנט הקבוע נתון לרטט, טמפרטורה גבוהה וזרם עומס יתר, החדירות המגנטית שלו עלולה לרדת או להתבטל, מה שיפחית את ביצועי מנוע המגנט הקבוע, ואף יפגע במנוע במקרים חמורים. עומס יתר אינו מתרחש. במצב הספק קבוע, מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע מסובך לתפעול ודורש מערכת בקרה מורכבת, מה שמייקר מאוד את מערכת ההנעה של מנוע DC ללא מברשות מגנט קבוע.

2.4 מנוע סרבנות מיתוג

2.4.1 ביצועים בסיסיים של מנוע סרבנות מתווית

מנוע הסרבנות המתחלף הוא סוג חדש של מנוע. למערכת תכונות ברורות רבות: המבנה שלה פשוט יותר מכל מנוע אחר, ואין טבעות החלקה, פיתולים ומגנטים קבועים על הרוטור של המנוע, אלא רק על הסטטור. יש פיתול מרוכז פשוט, קצוות הפיתול קצרים ואין מגשר בין-פאזי שקל לתחזק ולתקן. לכן, האמינות טובה, והמהירות יכולה להגיע ל-15000 r/min. היעילות יכולה להגיע ל-85% עד 93%, שהוא גבוה מזה של מנועי אינדוקציה AC. ההפסד הוא בעיקר בסטטור, והמנוע קל לקירור; הרוטור הוא מגנט קבוע, בעל טווח ויסות מהירות רחב ובקרה גמישה, שקל להשיג דרישות מיוחדות שונות של מאפייני מהירות מומנט, ושומר על יעילות גבוהה בטווח רחב. זה מתאים יותר לדרישות ביצועי הכוח של רכבים חשמליים.

2.4.2 מערכת בקרת מנוע סריג ממיתוג

למנוע דחיית מיתוג יש רמה גבוהה של מאפיינים לא ליניאריים, ולכן מערכת ההנעה שלו מורכבת יותר. מערכת הבקרה שלו כוללת ממיר חשמל.

א. סלילה המעוררת של מנוע הסרבנות המתחלף של ממיר הכוח, לא משנה הזרם הקדמי או הזרם ההפוך, כיוון המומנט נשאר ללא שינוי, והתקופה מומרת. כל שלב זקוק רק לצינור מתג כוח בעל קיבולת קטנה יותר, ומעגל ממיר הכוח הוא פשוט יחסית, ללא תקלה ישרה, אמינות טובה, קל ליישום התחלה רכה ותפעול ארבעת רביעיות של המערכת, ויכולת בלימה רגנרטיבית חזקה . העלות נמוכה יותר ממערכת בקרת המהפך של מנוע האינדוקציה תלת פאזי AC.

ב. בַּקָר

הבקר מורכב ממיקרו-מעבדים, מעגלים לוגיים דיגיטליים ורכיבים נוספים. לפי קלט הפקודה של הנהג, המיקרו-מעבד מנתח ומעבד את מיקום הרוטור של המנוע המוזן מגלאי המיקום וגלאי הזרם בו-זמנית, ומקבל החלטות ברגע, ומוציא סדרה של פקודות ביצוע לשלוט במנוע הסרבנות המתחלף. התאמה לפעולה של כלי רכב חשמליים בתנאים שונים. ביצועי הבקר וגמישות ההתאמה תלויים בשיתוף הפעולה בין התוכנה והחומרה של המיקרו-מעבד.

ג. גלאי מיקום
מנועי סרבנות ממתגים דורשים גלאי מיקום בעלי דיוק גבוה כדי לספק למערכת הבקרה אותות של שינויים במיקום, במהירות ובזרם של רוטור המנוע, ודורשים תדירות מיתוג גבוהה יותר כדי להפחית את הרעש של מנוע הסרבנות המתחלף.

2.4.3 חסרונות של מנועי סרבנות משובצים

מערכת הבקרה של מנוע הסרבנות המתחלף היא קצת יותר מסובכת ממערכות הבקרה של מנועים אחרים. גלאי המיקום הוא מרכיב המפתח של מנוע הסרבנות המתחלף, ולביצועיו יש השפעה חשובה על פעולת הבקרה של מנוע הסרבנות המתחלף. מכיוון שמנוע הסרבנות המתחלף הוא מבנה בולט כפליים, יש בהכרח תנודתיות מומנט, ורעש הוא החיסרון העיקרי של מנוע הסרבנות המותג. עם זאת, מחקרים בשנים האחרונות הראו שניתן לדכא לחלוטין את הרעש של מנוע הסרבנות המתחלף על ידי אימוץ טכנולוגיית עיצוב, ייצור ובקרה סבירים.

בנוסף, בשל התנודה הגדולה של מומנט המוצא של מנוע הסרבנות המותג והתנודה הגדולה של זרם ה-DC של ממיר הכוח, יש להתקין קבל מסנן גדול על אוטובוס ה-DC.מכוניות אימצו מנועים חשמליים שונים בתקופות היסטוריות שונות, תוך שימוש במנוע DC עם ביצועי הבקרה הטובים ביותר ועלות נמוכה יותר. עם התפתחות מתמשכת של טכנולוגיית מנועים, טכנולוגיית ייצור מכונות, טכנולוגיית אלקטרוניקה כוח וטכנולוגיית בקרה אוטומטית, מנועי AC. מנועי DC ללא מברשות מגנטים קבועים ומנועי סריגה ממוגנים מציגים ביצועים מעולים על פני מנועי DC, ומנועים אלה מחליפים בהדרגה את מנועי DC בכלי רכב חשמליים. טבלה 1 משווה את הביצועים הבסיסיים של מנועים חשמליים שונים המשמשים בכלי רכב חשמליים מודרניים. נכון לעכשיו, העלות של מנועי זרם חילופין, מנועי מגנט קבוע, מנועי סריגה ממוגנים והתקני הבקרה שלהם עדיין גבוהה יחסית. לאחר ייצור המוני, המחירים של המנועים והתקני בקרת יחידות אלה ירדו במהירות, מה שיעמוד בדרישות ההטבות הכלכליות ויהפוך את המחיר של כלי רכב חשמליים מופחת.