การเปรียบเทียบมอเตอร์รถยนต์ไฟฟ้าต่างๆ

การอยู่ร่วมกันของมนุษย์กับสิ่งแวดล้อมและการพัฒนาที่ยั่งยืนของเศรษฐกิจโลกทำให้ผู้คนกระตือรือร้นที่จะแสวงหาวิธีการขนส่งที่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกต่ำและใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ และการใช้ยานพาหนะไฟฟ้าถือเป็นวิธีแก้ปัญหาที่น่าพึงพอใจอย่างไม่ต้องสงสัย

ยานพาหนะไฟฟ้าสมัยใหม่เป็นผลิตภัณฑ์ครบวงจรที่ผสานรวมเทคโนโลยีไฮเทคต่างๆ เช่น ไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ การควบคุมเครื่องกล วัสดุศาสตร์ และเทคโนโลยีเคมี ประสิทธิภาพการทำงานโดยรวม ความประหยัด ฯลฯ ขึ้นอยู่กับระบบแบตเตอรี่และระบบควบคุมการขับเคลื่อนมอเตอร์เป็นอันดับแรก ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้าโดยทั่วไปประกอบด้วยสี่ส่วนหลัก ได้แก่ ตัวควบคุม ตัวแปลงกำลัง มอเตอร์ และเซ็นเซอร์ ปัจจุบันมอเตอร์ที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้าโดยทั่วไป ได้แก่ มอเตอร์กระแสตรง มอเตอร์เหนี่ยวนำ มอเตอร์ฝืนสวิตช์ และมอเตอร์แม่เหล็กถาวรไร้แปรงถ่าน

1. ข้อกำหนดพื้นฐานของยานพาหนะไฟฟ้าสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้า

การทำงานของยานพาหนะไฟฟ้ามีความซับซ้อนมากซึ่งแตกต่างจากการใช้งานในอุตสาหกรรมทั่วไป ดังนั้นข้อกำหนดสำหรับระบบขับเคลื่อนจึงสูงมาก

1.1 มอเตอร์สำหรับยานยนต์ไฟฟ้าควรมีคุณลักษณะของกำลังทันทีขนาดใหญ่ ความสามารถในการรับน้ำหนักเกินที่แข็งแกร่ง ค่าสัมประสิทธิ์การโอเวอร์โหลด 3 ถึง 4) ประสิทธิภาพการเร่งความเร็วที่ดีและอายุการใช้งานที่ยาวนาน

1.2 มอเตอร์สำหรับยานยนต์ไฟฟ้าควรมีการควบคุมความเร็วที่หลากหลาย รวมถึงบริเวณแรงบิดคงที่และพื้นที่กำลังคงที่ ในพื้นที่แรงบิดคงที่ ต้องใช้แรงบิดสูงเมื่อวิ่งด้วยความเร็วต่ำเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดในการออกตัวและไต่ระดับ ในพื้นที่กำลังคงที่ ต้องใช้ความเร็วสูง เมื่อต้องใช้แรงบิดต่ำเพื่อตอบสนองความต้องการในการขับขี่ด้วยความเร็วสูงบนถนนเรียบ จำเป็นต้อง.

1.3 มอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าควรจะสามารถรับรู้ถึงการเบรกแบบรีเจนเนอเรชั่นได้เมื่อรถชะลอความเร็ว ฟื้นฟู และป้อนพลังงานกลับเข้าแบตเตอรี่ เพื่อให้รถยนต์ไฟฟ้ามีอัตราการใช้พลังงานที่ดีที่สุด ซึ่งไม่สามารถทำได้ในรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน .

1.4 มอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าควรมีประสิทธิภาพสูงตลอดช่วงการทำงาน เพื่อปรับปรุงระยะการแล่นของการชาร์จหนึ่งครั้ง

นอกจากนี้ มอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้ายังจำเป็นต้องมีความน่าเชื่อถือที่ดี สามารถทำงานได้เป็นเวลานานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง มีโครงสร้างที่เรียบง่าย และเหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก มีเสียงรบกวนต่ำระหว่างการทำงาน ใช้งานง่าย และบำรุงรักษาและมีราคาถูก

2 ประเภทและวิธีการควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า
2.1 กระแสตรง
มอเตอร์ ข้อดีหลักของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านคือการควบคุมที่ง่ายดายและเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ มีคุณสมบัติการควบคุมที่ดีเยี่ยมซึ่งไม่มีมอเตอร์ AC เทียบได้ ในยานพาหนะไฟฟ้าที่พัฒนาในช่วงแรกนั้น ส่วนใหญ่จะใช้มอเตอร์กระแสตรง และแม้กระทั่งในปัจจุบัน รถยนต์ไฟฟ้าบางคันยังคงขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์กระแสตรง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการมีอยู่ของแปรงและตัวสับเปลี่ยนทางกล ไม่เพียงแต่จำกัดการปรับปรุงเพิ่มเติมของความจุและความเร็วเกินพิกัดของมอเตอร์เท่านั้น แต่ยังต้องมีการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนแปรงและตัวเปลี่ยนสับเปลี่ยนบ่อยครั้งหากทำงานเป็นเวลานาน นอกจากนี้ เนื่องจากมีการสูญเสียบนโรเตอร์ จึงเป็นเรื่องยากที่จะกระจายความร้อน ซึ่งจำกัดการปรับปรุงเพิ่มเติมของอัตราส่วนแรงบิดต่อมวลของมอเตอร์ จากข้อบกพร่องข้างต้นของมอเตอร์กระแสตรง โดยทั่วไปแล้วมอเตอร์กระแสตรงจะไม่ถูกนำมาใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นใหม่

2.2 มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC

2.2.1 ประสิทธิภาพพื้นฐานของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC

มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC เป็นมอเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย สเตเตอร์และโรเตอร์เคลือบด้วยแผ่นเหล็กซิลิกอน และไม่มีแหวนสลิป ตัวเปลี่ยนสับเปลี่ยน และส่วนประกอบอื่นๆ ที่สัมผัสกันระหว่างสเตเตอร์ โครงสร้างเรียบง่าย การทำงานที่เชื่อถือได้ และทนทาน การครอบคลุมกำลังของมอเตอร์เหนี่ยวนำ AC กว้างมากและความเร็วถึง 12000 ~ 15000r/min สามารถใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศหรือการระบายความร้อนด้วยของเหลว โดยมีอิสระในการทำความเย็นในระดับสูง มีความสามารถในการปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมได้ดี และสามารถรับการเบรกแบบป้อนกลับใหม่ได้ เมื่อเทียบกับมอเตอร์ DC กำลังเดียวกัน ประสิทธิภาพจะสูงกว่า คุณภาพลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง ราคาถูก และการบำรุงรักษาสะดวก

2.2.2 ระบบควบคุม

ของมอเตอร์เหนี่ยวนำ AC เนื่องจากมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC ไม่สามารถใช้พลังงาน DC ที่จ่ายมาจากแบตเตอรี่ได้โดยตรง และมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC มีลักษณะเอาต์พุตแบบไม่เชิงเส้น ดังนั้นในรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC จึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังในอินเวอร์เตอร์เพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งความถี่และแอมพลิจูดสามารถปรับได้เพื่อให้เกิดการควบคุมของไฟฟ้ากระแสสลับ มอเตอร์สามเฟส มีวิธีการควบคุม v/f และวิธีการควบคุมความถี่สลิปเป็นหลัก

โดยใช้วิธีการควบคุมเวกเตอร์ ความถี่ของกระแสสลับของขดลวดกระตุ้นของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC และการปรับขั้วของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสอินพุต AC จะถูกควบคุม ฟลักซ์แม่เหล็กและแรงบิดของสนามแม่เหล็กหมุน ของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC ได้รับการควบคุม และตระหนักถึงการเปลี่ยนแปลงของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC ความเร็วและแรงบิดเอาต์พุตสามารถตอบสนองความต้องการของลักษณะการเปลี่ยนแปลงโหลด และสามารถรับประสิทธิภาพสูงสุด เพื่อให้มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC สามารถใช้กันอย่างแพร่หลายในยานพาหนะไฟฟ้า

2.2.3 ข้อบกพร่องของ

มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC การใช้พลังงานของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC มีขนาดใหญ่ และโรเตอร์ก็ร้อนขึ้นได้ง่าย จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าการระบายความร้อนของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC ในระหว่างการทำงานที่ความเร็วสูง มิฉะนั้นมอเตอร์จะได้รับความเสียหาย ตัวประกอบกำลังของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC ต่ำ ดังนั้นตัวประกอบกำลังอินพุตของการแปลงความถี่และอุปกรณ์แปลงแรงดันไฟฟ้ายังต่ำ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์แปลงความถี่และอุปกรณ์แปลงแรงดันไฟฟ้าความจุสูง ค่าใช้จ่ายของระบบควบคุมของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC นั้นสูงกว่าราคาของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC เองซึ่งทำให้ต้นทุนของรถยนต์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ การควบคุมความเร็วของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC ก็ไม่ดีเช่นกัน

2.3 มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงแม่เหล็กถาวร

2.3.1 ประสิทธิภาพพื้นฐานของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวร

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวรเป็นมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง คุณลักษณะที่ใหญ่ที่สุดคือมีลักษณะภายนอกของมอเตอร์กระแสตรงโดยไม่มีโครงสร้างหน้าสัมผัสทางกลที่ประกอบด้วยแปรง นอกจากนี้ ยังใช้โรเตอร์แม่เหล็กถาวร และไม่มีการสูญเสียการกระตุ้น: มีการติดตั้งขดลวดกระดองที่ให้ความร้อนที่สเตเตอร์ด้านนอก ซึ่งง่ายต่อการกระจายความร้อน ดังนั้นมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวรจึงไม่มีประกายไฟสลับ ไม่มีการรบกวนวิทยุ อายุการใช้งานยาวนาน และการทำงานที่เชื่อถือได้ บำรุงรักษาง่าย นอกจากนี้ ความเร็วไม่ได้ถูกจำกัดด้วยการเปลี่ยนทางกล และหากใช้แบริ่งลมหรือแบริ่งกันสะเทือนแบบแม่เหล็ก ก็สามารถทำงานได้สูงถึงหลายแสนรอบต่อนาที เมื่อเปรียบเทียบกับระบบมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านแบบแม่เหล็กถาวร จะมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่า และมีแนวโน้มการใช้งานที่ดีในยานพาหนะไฟฟ้า

2.3.2 ระบบควบคุมของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวร

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวรทั่วไปเป็นระบบควบคุมเวกเตอร์แบบกึ่งแยกส่วน เนื่องจากแม่เหล็กถาวรสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่มีแอมพลิจูดคงที่ได้เท่านั้น ระบบมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านแบบแม่เหล็กถาวรจึงมีความสำคัญมาก เหมาะสำหรับการวิ่งในบริเวณแรงบิดคงที่ โดยทั่วไปจะใช้วิธี SPWM ควบคุมกระแสฮิสเทรีซิสหรือกระแสป้อนกลับปัจจุบัน เพื่อที่จะขยายความเร็วเพิ่มเติม มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวรยังสามารถใช้การควบคุมการลดสนามแม่เหล็กได้ สาระสำคัญของการควบคุมการลดสนามแม่เหล็กคือการเพิ่มมุมเฟสของกระแสเฟสเพื่อให้มีศักยภาพในการล้างอำนาจแม่เหล็กในแกนตรงเพื่อลดการเชื่อมต่อฟลักซ์ในขดลวดสเตเตอร์

2.3.3 ความไม่เพียงพอของ

มอเตอร์ DC แบบแม่เหล็กถาวรไร้แปรงถ่าน มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านแบบแม่เหล็กถาวรได้รับผลกระทบและถูกจำกัดโดยกระบวนการวัสดุแม่เหล็กถาวร ซึ่งทำให้ช่วงกำลังของมอเตอร์ DC แบบแม่เหล็กถาวรแบบไร้แปรงถ่านมีขนาดเล็ก และกำลังสูงสุดเพียงสิบกิโลวัตต์เท่านั้น เมื่อวัสดุแม่เหล็กถาวรอยู่ภายใต้การสั่นสะเทือน อุณหภูมิสูง และกระแสไฟฟ้าเกิน ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กอาจลดลงหรือลดอำนาจแม่เหล็ก ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร และทำให้มอเตอร์เสียหายในกรณีที่รุนแรง โอเวอร์โหลดจะไม่เกิดขึ้น ในโหมดพลังงานคงที่ มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวรมีความซับซ้อนในการใช้งาน และจำเป็นต้องมีระบบควบคุมที่ซับซ้อน ซึ่งทำให้ระบบขับเคลื่อนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวรมีราคาแพงมาก

2.4 มอเตอร์ฝืนแบบสวิตช์

2.4.1 ประสิทธิภาพพื้นฐานของมอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบสวิตช์

มอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบสวิตช์เป็นมอเตอร์ชนิดใหม่ ระบบมีคุณสมบัติที่ชัดเจนหลายประการ: โครงสร้างของมันง่ายกว่ามอเตอร์อื่นๆ และไม่มีแหวนสลิป ขดลวด และแม่เหล็กถาวรบนโรเตอร์ของมอเตอร์ แต่เฉพาะบนสเตเตอร์เท่านั้น มีการม้วนแบบเข้มข้นที่เรียบง่าย ปลายม้วนสั้น และไม่มีจัมเปอร์ระหว่างเฟส ซึ่งง่ายต่อการบำรุงรักษาและซ่อมแซม ดังนั้นความน่าเชื่อถือจึงดีและความเร็วสามารถเข้าถึง 15,000 รอบ/นาที ประสิทธิภาพสามารถเข้าถึง 85% ถึง 93% ซึ่งสูงกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ AC การสูญเสียส่วนใหญ่อยู่ในสเตเตอร์ และมอเตอร์เย็นง่าย โรเตอร์เป็นแม่เหล็กถาวรซึ่งมีช่วงการควบคุมความเร็วที่กว้างและการควบคุมที่ยืดหยุ่น ซึ่งง่ายต่อการบรรลุข้อกำหนดพิเศษต่างๆ ของลักษณะความเร็วแรงบิด และรักษาประสิทธิภาพสูงในช่วงกว้าง เหมาะสำหรับความต้องการประสิทธิภาพพลังงานของยานพาหนะไฟฟ้ามากกว่า

2.4.2 ระบบควบคุมมอเตอร์ฝืนแบบสลับ

มอเตอร์ฝืนแบบสวิตช์มีคุณสมบัติไม่เชิงเส้นในระดับสูง ดังนั้นระบบขับเคลื่อนจึงซับซ้อนกว่า ระบบควบคุมประกอบด้วยตัวแปลงไฟ

ก. ขดลวดกระตุ้นของมอเตอร์ฝืนสวิตช์ของเครื่องแปลงไฟไม่ว่ากระแสไปข้างหน้าหรือกระแสย้อนกลับ ทิศทางของแรงบิดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และคาบจะถูกสับเปลี่ยน แต่ละเฟสต้องการเพียงหลอดสวิตช์ไฟที่มีความจุน้อยกว่า และวงจรแปลงไฟค่อนข้างง่าย ไม่มีความล้มเหลวแบบตรง ความน่าเชื่อถือที่ดี ง่ายต่อการใช้งานการสตาร์ทแบบนุ่มนวลและการทำงานแบบสี่ควอแดรนท์ของระบบ และความสามารถในการเบรกแบบสร้างใหม่ที่แข็งแกร่ง . ค่าใช้จ่ายต่ำกว่าระบบควบคุมอินเวอร์เตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส AC

ข. คอนโทรลเลอร์

ตัวควบคุมประกอบด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ วงจรลอจิกดิจิทัล และส่วนประกอบอื่นๆ ตามคำสั่งที่ป้อนโดยไดรเวอร์ ไมโครโปรเซสเซอร์จะวิเคราะห์และประมวลผลตำแหน่งโรเตอร์ของมอเตอร์ที่ป้อนกลับโดยเครื่องตรวจจับตำแหน่งและเครื่องตรวจจับปัจจุบันในเวลาเดียวกัน และทำการตัดสินใจในทันที และออกชุดคำสั่งการดำเนินการเพื่อ ควบคุมมอเตอร์ฝืนสวิตช์ ปรับให้เข้ากับการทำงานของรถยนต์ไฟฟ้าภายใต้สภาวะต่างๆ ประสิทธิภาพของคอนโทรลเลอร์และความยืดหยุ่นในการปรับเปลี่ยนขึ้นอยู่กับความร่วมมือด้านประสิทธิภาพระหว่างซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ของไมโครโปรเซสเซอร์

ค. เครื่องตรวจจับตำแหน่ง
มอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบสวิตช์ต้องการเครื่องตรวจจับตำแหน่งที่มีความแม่นยำสูงเพื่อให้ระบบควบคุมมีสัญญาณการเปลี่ยนแปลงตำแหน่ง ความเร็ว และกระแสของโรเตอร์มอเตอร์ และต้องการความถี่ในการสลับที่สูงขึ้นเพื่อลดเสียงรบกวนของมอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบสวิตช์

2.4.3 ข้อบกพร่องของมอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบสวิตช์

ระบบควบคุมของมอเตอร์รีลัคแตนซ์แบบสวิตช์นั้นซับซ้อนกว่าระบบควบคุมของมอเตอร์อื่นเล็กน้อย เครื่องตรวจจับตำแหน่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของมอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบสวิตช์ และประสิทธิภาพของเครื่องนั้นมีอิทธิพลสำคัญต่อการควบคุมการทำงานของมอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบสวิตช์ เนื่องจากมอเตอร์แบบฝืนสวิตช์มีโครงสร้างที่โดดเด่นเป็นสองเท่า จึงมีความผันผวนของแรงบิดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และเสียงรบกวนเป็นข้อเสียหลักของมอเตอร์แบบฝืนแบบสวิตช์ อย่างไรก็ตาม การวิจัยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าเสียงของมอเตอร์ฝืนแบบสวิตช์สามารถระงับได้อย่างสมบูรณ์โดยการนำเทคโนโลยีการออกแบบ การผลิต และการควบคุมที่เหมาะสมมาใช้

นอกจากนี้ เนื่องจากแรงบิดเอาท์พุตของมอเตอร์แบบฝืนสวิตช์มีความผันผวนอย่างมาก และกระแส DC ของตัวแปลงไฟมีความผันผวนอย่างมาก จึงจำเป็นต้องติดตั้งตัวเก็บประจุตัวกรองขนาดใหญ่บนบัส DCรถยนต์ได้นำมอเตอร์ไฟฟ้าที่แตกต่างกันมาใช้ในช่วงเวลาประวัติศาสตร์ที่แตกต่างกัน โดยใช้มอเตอร์กระแสตรงที่มีประสิทธิภาพการควบคุมดีที่สุดและต้นทุนที่ต่ำกว่า ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีมอเตอร์ เทคโนโลยีการผลิตเครื่องจักร เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง และเทคโนโลยีการควบคุมอัตโนมัติ มอเตอร์ AC มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวรและมอเตอร์รีลัคแตนซ์แบบสวิตช์แสดงประสิทธิภาพที่เหนือกว่ามอเตอร์กระแสตรง และมอเตอร์เหล่านี้จะค่อยๆ เข้ามาแทนที่มอเตอร์กระแสตรงในยานพาหนะไฟฟ้า ตารางที่ 1 เปรียบเทียบประสิทธิภาพพื้นฐานของมอเตอร์ไฟฟ้าต่างๆ ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าสมัยใหม่ ปัจจุบันต้นทุนของมอเตอร์กระแสสลับ มอเตอร์แม่เหล็กถาวร มอเตอร์ฝืนสวิตช์ และอุปกรณ์ควบคุมยังคงค่อนข้างสูง หลังจากการผลิตจำนวนมาก ราคาของมอเตอร์และอุปกรณ์ควบคุมยูนิตเหล่านี้จะลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะตอบสนองความต้องการด้านผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ และทำให้ราคาของยานพาหนะไฟฟ้าลดลง