Współistnienie człowieka ze środowiskiem oraz zrównoważony rozwój gospodarki światowej sprawiają, że ludzie chętnie poszukują niskoemisyjnego i zasobooszczędnego środka transportu, a wykorzystanie pojazdów elektrycznych jest niewątpliwie obiecującym rozwiązaniem.
Nowoczesne pojazdy elektryczne to kompleksowe produkty, które integrują różne zaawansowane technologie, takie jak elektryczność, elektronika, sterowanie mechaniczne, inżynieria materiałowa i technologia chemiczna. Ogólna wydajność operacyjna, ekonomiczność itp. zależą w pierwszej kolejności od systemu akumulatorowego i układu sterowania napędem silnikowym. Silnikowy układ napędowy pojazdu elektrycznego składa się zazwyczaj z czterech głównych części, a mianowicie sterownika. Przetwornice mocy, silniki i czujniki. Obecnie silniki stosowane w pojazdach elektrycznych obejmują na ogół silniki prądu stałego, silniki indukcyjne, silniki reluktancyjne z przełączaniem i silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi.
1. Podstawowe wymagania pojazdów elektrycznych dla silników elektrycznych
Eksploatacja pojazdów elektrycznych, w przeciwieństwie do ogólnych zastosowań przemysłowych, jest bardzo złożona. Dlatego wymagania wobec układu napędowego są bardzo wysokie.
1.1 Silniki do pojazdów elektrycznych powinny charakteryzować się dużą mocą chwilową, dużą przeciążalnością, współczynnikiem przeciążenia od 3 do 4), dobrym przyspieszeniem i długą żywotnością.
1.2 Silniki pojazdów elektrycznych powinny posiadać szeroki zakres regulacji prędkości, obejmujący obszar stałego momentu obrotowego i obszar stałej mocy. W obszarze stałego momentu obrotowego wymagany jest wysoki moment obrotowy podczas jazdy z małą prędkością, aby spełnić wymagania podczas ruszania i wspinania się; w obszarze stałej mocy wymagana jest duża prędkość, gdy wymagany jest niski moment obrotowy, aby spełnić wymagania szybkiej jazdy po płaskich drogach. Wymagać.
1.3 Silnik elektryczny do pojazdów elektrycznych powinien mieć możliwość hamowania regeneracyjnego podczas zwalniania pojazdu, odzyskiwania energii i przekazywania jej z powrotem do akumulatora, tak aby pojazd elektryczny miał najlepszy stopień wykorzystania energii, czego nie można osiągnąć w pojeździe z silnikiem spalinowym .
1.4 Silnik elektryczny do pojazdów elektrycznych powinien charakteryzować się dużą sprawnością w całym zakresie pracy, tak aby poprawić zasięg przejazdu na jednym ładowaniu.
Ponadto wymagane jest również, aby silnik elektryczny do pojazdów elektrycznych charakteryzował się dobrą niezawodnością, mógł długo pracować w trudnych warunkach, miał prostą konstrukcję i nadawał się do produkcji masowej, charakteryzował się niskim poziomem hałasu podczas pracy, był łatwy w obsłudze i utrzymać, i jest tani.
2 Rodzaje i metody sterowania silnikami elektrycznymi do pojazdów elektrycznych
2.1 DC
Silniki Głównymi zaletami szczotkowych silników prądu stałego jest proste sterowanie i dojrzała technologia. Posiada doskonałe właściwości sterujące, nieporównywalne z silnikami prądu przemiennego. We wczesnych pojazdach elektrycznych najczęściej stosowane są silniki prądu stałego, a nawet obecnie niektóre pojazdy elektryczne są nadal napędzane silnikami prądu stałego. Jednak ze względu na istnienie szczotek i komutatorów mechanicznych nie tylko ogranicza to dalszą poprawę przeciążalności i prędkości obrotowej silnika, ale także wymaga częstej konserwacji i wymiany szczotek i komutatorów, jeśli silnik pracuje przez długi czas. Ponadto, ponieważ straty występują na wirniku, trudno jest odprowadzić ciepło, co ogranicza dalszą poprawę stosunku momentu obrotowego silnika do masy. Ze względu na powyższe wady silników prądu stałego, silniki prądu stałego w zasadzie nie są stosowane w nowo konstruowanych pojazdach elektrycznych.
2.2 Trójfazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego
2.2.1 Podstawowe parametry trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego
Silniki indukcyjne trójfazowe prądu przemiennego są najczęściej stosowanymi silnikami. Stojan i wirnik są laminowane blachami ze stali krzemowej i nie ma w nich pierścieni ślizgowych, komutatorów ani innych elementów stykających się ze sobą pomiędzy stojanami. Prosta konstrukcja, niezawodne działanie i trwałość. Zakres mocy silnika indukcyjnego prądu przemiennego jest bardzo szeroki, a prędkość osiąga 12000 ~ 15000r/min. Można zastosować chłodzenie powietrzem lub chłodzenie cieczą, przy dużej swobodzie chłodzenia. Ma dobrą zdolność adaptacji do środowiska i może realizować hamowanie z regeneracyjnym sprzężeniem zwrotnym. W porównaniu z silnikiem prądu stałego o tej samej mocy, wydajność jest wyższa, jakość jest obniżona o około połowę, cena jest tania, a konserwacja jest wygodna.
2.2.2 System sterowania
silnika indukcyjnego prądu przemiennego Ponieważ trójfazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego nie może bezpośrednio wykorzystywać prądu stałego dostarczanego przez akumulator, a trójfazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego ma nieliniową charakterystykę wyjściową. Dlatego w pojeździe elektrycznym wyposażonym w trójfazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego konieczne jest zastosowanie urządzenia półprzewodnikowego mocy w falowniku w celu przekształcenia prądu stałego w prąd przemienny, którego częstotliwość i amplitudę można regulować w celu realizacji sterowania prądem przemiennym silnik trójfazowy. Istnieją głównie metody sterowania v/f i metody kontroli częstotliwości poślizgu.
Stosując metodę sterowania wektorowego, kontrolowana jest częstotliwość prądu przemiennego uzwojenia wzbudzenia trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego i regulacja zacisków wejściowego trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego, strumień magnetyczny i moment obrotowy wirującego pola magnetycznego trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego są kontrolowane i realizowana jest zmiana trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego. Prędkość i wyjściowy moment obrotowy mogą spełniać wymagania charakterystyki zmiany obciążenia i mogą uzyskać najwyższą wydajność, dzięki czemu trójfazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego może być szeroko stosowany w pojazdach elektrycznych.
2.2.3 Wady
Trójfazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego Pobór mocy trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego jest duży, a wirnik łatwo się nagrzewa. Konieczne jest zapewnienie chłodzenia trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego podczas pracy z dużą prędkością, w przeciwnym razie silnik ulegnie uszkodzeniu. Współczynnik mocy trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego jest niski, dlatego wejściowy współczynnik mocy urządzenia do konwersji częstotliwości i konwersji napięcia jest również niski, dlatego konieczne jest zastosowanie urządzenia do konwersji częstotliwości i napięcia o dużej pojemności. Koszt układu sterowania trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego jest znacznie wyższy niż koszt samego trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego, co zwiększa koszt pojazdu elektrycznego. Ponadto regulacja prędkości trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego jest również słaba.
2.3 Bezszczotkowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi
2.3.1 Podstawowa wydajność bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi
Bezszczotkowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi to silnik o wysokiej wydajności. Jego największą cechą jest to, że ma zewnętrzną charakterystykę silnika prądu stałego bez mechanicznej struktury stykowej składającej się ze szczotek. Ponadto przyjmuje wirnik z magnesami trwałymi i nie ma strat wzbudzenia: podgrzewane uzwojenie twornika jest zainstalowane na zewnętrznym stojanie, który łatwo rozprasza ciepło. Dlatego bezszczotkowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi nie charakteryzuje się iskrami komutacyjnymi, zakłóceniami radiowymi, długą żywotnością i niezawodną pracą. , łatwa konserwacja. Ponadto jego prędkość nie jest ograniczona komutacją mechaniczną, a w przypadku zastosowania łożysk powietrznych lub łożysk z zawieszeniem magnetycznym może pracować z prędkością do kilkuset tysięcy obrotów na minutę. W porównaniu z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego z magnesami trwałymi ma on wyższą gęstość energii i wyższą wydajność, a także ma dobre perspektywy zastosowania w pojazdach elektrycznych.
2.3.2 Układ sterowania bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi
typowy bezszczotkowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi to quasi-odsprzęgający system sterowania wektorowego. Ponieważ magnes trwały może generować jedynie pole magnetyczne o stałej amplitudzie, bardzo ważny jest system bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesem trwałym. Nadaje się do pracy w obszarze stałego momentu obrotowego, zazwyczaj przy użyciu sterowania histerezą prądu lub metody SPWM ze sprzężeniem zwrotnym prądu. Aby jeszcze bardziej zwiększyć prędkość, bezszczotkowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi może również wykorzystywać kontrolę osłabienia pola. Istotą kontroli osłabienia pola jest zwiększenie kąta fazowego prądu fazowego, aby zapewnić potencjał rozmagnesowania osi bezpośredniej w celu osłabienia połączenia strumienia w uzwojeniu stojana.
2.3.3 Niewystarczalność
Bezszczotkowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi Na bezszczotkowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi wpływa i ogranicza proces, z jakiego wykonany jest materiał z magnesami trwałymi, co sprawia, że zakres mocy bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi jest niewielki, a maksymalna moc wynosi zaledwie dziesiątki kilowatów. Kiedy materiał z magnesem trwałym jest narażony na wibracje, wysoką temperaturę i prąd przeciążeniowy, jego przenikalność magnetyczna może się zmniejszyć lub rozmagnesować, co zmniejszy wydajność silnika z magnesem trwałym, a w poważnych przypadkach nawet doprowadzi do jego uszkodzenia. Przeciążenie nie występuje. W trybie stałej mocy bezszczotkowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi jest skomplikowany w obsłudze i wymaga złożonego układu sterowania, co sprawia, że układ napędowy bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi jest bardzo kosztowny.
2.4 Przełączany silnik reluktancyjny
2.4.1 Podstawowe działanie przełączanego silnika reluktancyjnego
Silnik reluktancyjny z przełączaniem jest nowym typem silnika. System ma wiele oczywistych cech: jego konstrukcja jest prostsza niż jakikolwiek inny silnik, a na wirniku silnika nie ma pierścieni ślizgowych, uzwojeń i magnesów trwałych, a jedynie na stojanie. Występuje proste uzwojenie skoncentrowane, końce uzwojenia są krótkie i nie ma zworki międzyfazowej, która jest łatwa w utrzymaniu i naprawie. Dlatego niezawodność jest dobra, a prędkość może osiągnąć 15000 obr/min. Sprawność może osiągnąć od 85% do 93%, czyli jest wyższa niż w przypadku silników indukcyjnych prądu przemiennego. Straty występują głównie w stojanie, a silnik można łatwo schłodzić; wirnik jest magnesem trwałym, który ma szeroki zakres regulacji prędkości i elastyczne sterowanie, co pozwala łatwo osiągnąć różne specjalne wymagania charakterystyki momentu obrotowego i utrzymuje wysoką wydajność w szerokim zakresie. Jest bardziej odpowiedni do wymagań dotyczących mocy pojazdów elektrycznych.
2.4.2 Przełączany układ sterowania silnikiem reluktancyjnym
Silnik reluktancyjny z przełączaniem ma wysoki stopień charakterystyki nieliniowej, dlatego jego układ napędowy jest bardziej złożony. Jego układ sterowania obejmuje konwerter mocy.
A. Uzwojenie wzbudzenia przełączanego silnika reluktancyjnego przetwornicy mocy, niezależnie od prądu przewodzenia lub prądu wstecznego, kierunek momentu obrotowego pozostaje niezmieniony, a okres jest komutowany. Każda faza wymaga jedynie rurki przełącznika mocy o mniejszej wydajności, a obwód przetwornicy mocy jest stosunkowo prosty, nie ma bezpośredniej awarii, dobra niezawodność, łatwy do wdrożenia miękki start i czterokwadrantowa praca układu oraz duża zdolność hamowania regeneracyjnego . Koszt jest niższy niż w przypadku układu sterowania falownikiem trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego.
B. Kontroler
Kontroler składa się z mikroprocesorów, cyfrowych obwodów logicznych i innych komponentów. Na podstawie polecenia wprowadzonego przez sterownik mikroprocesor analizuje i przetwarza położenie wirnika silnika, na podstawie sygnału zwrotnego jednocześnie z czujnika położenia i detektora prądu, podejmuje natychmiastowe decyzje i wydaje serię poleceń wykonawczych sterować przełączanym silnikiem reluktancyjnym. Dostosowują się do pracy pojazdów elektrycznych w różnych warunkach. Wydajność sterownika i elastyczność regulacji zależą od wydajności współpracy pomiędzy oprogramowaniem i sprzętem mikroprocesora.
C. Detektor pozycji
Silniki reluktancyjne przełączane wymagają bardzo precyzyjnych detektorów położenia, aby dostarczać do układu sterowania sygnały zmian położenia, prędkości i prądu wirnika silnika, a także wymagają wyższej częstotliwości przełączania, aby zmniejszyć hałas pracującego silnika reluktancyjnego przełączanego.
2.4.3 Wady silników reluktancyjnych z przełączaniem
Układ sterowania przełączanego silnika reluktancyjnego jest nieco bardziej skomplikowany niż układy sterowania innych silników. Detektor położenia jest kluczowym elementem przełączanego silnika reluktancyjnego, a jego działanie ma istotny wpływ na działanie sterujące przełączanego silnika reluktancyjnego. Ponieważ przełączany silnik reluktancyjny jest konstrukcją podwójnie wydatną, nieuchronnie występują wahania momentu obrotowego, a główną wadą przełączanego silnika reluktancyjnego jest hałas. Jednakże badania przeprowadzone w ostatnich latach wykazały, że hałas generowany przez silnik reluktancyjny z przełączaniem można całkowicie wytłumić poprzez przyjęcie rozsądnej technologii projektowania, produkcji i sterowania.
Ponadto, ze względu na duże wahania wyjściowego momentu obrotowego przełączanego silnika reluktancyjnego i duże wahania prądu stałego przetwornicy mocy, na szynie DC należy zainstalować duży kondensator filtrujący.W różnych okresach historycznych samochody stosowały różne silniki elektryczne, wykorzystując silnik prądu stałego o najlepszych parametrach sterowania i niższym koszcie. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii silników, technologii produkcji maszyn, technologii energoelektroniki i technologii automatycznego sterowania, silniki prądu przemiennego. Bezszczotkowe silniki prądu stałego z magnesami trwałymi i silniki z przełączaną reluktancją charakteryzują się lepszą wydajnością w porównaniu z silnikami prądu stałego i silniki te stopniowo zastępują silniki prądu stałego w pojazdach elektrycznych. W tabeli 1 porównano podstawowe osiągi różnych silników elektrycznych stosowanych w nowoczesnych pojazdach elektrycznych. Obecnie koszt silników prądu przemiennego, silników z magnesami trwałymi, silników reluktancyjnych z przełączaniem i urządzeń sterujących jest nadal stosunkowo wysoki. Po masowej produkcji ceny tych silników i urządzeń sterujących jednostkami szybko spadną, co spełni wymogi korzyści ekonomicznych i sprawi, że cena pojazdów elektrycznych ulegnie obniżeniu.
Czas publikacji: 24 marca 2022 r