Как устроен электромобиль схема
Перейти к содержимому

Как устроен электромобиль схема

  • автор:

Устройство электромобиля. Технические отличия от обычного автомобиля

Сейчас электромобилестроение развивается огромными темпами (особенно внесла вклад в эту тему компания Tesla Motors, запустив в серийное производство свои имеющие оглушительный успех электрокары и заставив таким образом шевелиться конкурентов). Инженеры частенько балуют нас особенными схемами работы электрокаров, например, оборудуя машины двумя электродвигателями или изобретая новые гибридные силовые установки. В этой статье я опишу устройство электромобиля и то, чем средний современный электромобиль технически отличается от классических авто с ДВС. Напомню, из каких частей состоит любой автомобиль:

  • двигатель, который создает механическую энергию, приводящую в конечном итоге в движение транспортное средство;
  • кузов, к которому крепятся все элементы конструкции;
  • шасси, основной задачей элементов которого является передача крутящего момента с двигателя на колеса;
  • электрооборудование, которое пронизывает весь автомобиль: тут и стартер, и подогрев, и свет и множество других вещей, в зависимости от комплектации.

Пройдемся по каждой из них и выясним, почему электрокары такие особенные.

Двигатель

В электромобиле он электрический. В нем нет коленвала, поршней, камер сгорания, клапанов и много чего еще, что есть в двигателях внутреннего сгорания. За то есть статор, внутри которого благодаря электромагнитной силе вращается ротор. Подробнее об электродвигателе электромобиля можно прочесть здесь. Немаловажной особенностью электродвигателя является возможность не только производить вращательную энергию, но и создавать ток для заряда батареи, то есть работать в режиме генератора. Это основной принцип так называемой рекуперации: грубо говоря, при нажатии на педаль газа электродвигатель вращает колеса, и энергия батареи тратится, а если педаль отпустить, на движущейся машине уже колеса будут вращать вал двигателя, создавая в обмотке напряжение и генерируя ток, заряжающий батарею.

Благодаря простоте и почти полному отсутствию трущихся частей в электромоторе (кроме подшипников), в отличие от ДВС, ресурс его намного превышает ресурс классического бензинового или дизельного двигателя.

Кузов

Кузов электромобиля отличается наличием отсека для аккумуляторной батареи (чаще всего располагающейся в днище автомобиля). При этом благодаря трансмиссии, занимающей в электрокаре значительно меньший объем, чем в обычном авто, водителю и пассажирам, электрической машины доступно больше пространства в салоне при тех же внешних габаритах.

Шасси

Шасси состоит в свою очередь из ходовой части, механизмов управления и трансмисси. Ходовая часть электромобиля, включающая мосты, подвеску и колеса, не имеет принципиальных отличий от ходовой привычных нам авто. О рулевом управлении и тормозной системе так же сказать особо нечего, кроме того, что благодаря существенному торможению двигателем (как раз когда происходит рекуперация), тормозные колодки и диски электромобиля изнашиваются значительно меньше. Главное же отличие шасси электрического от шасси классического авто кроется в трансмиссии. Конкретно — в коробке передач. В электрокаре её нет :). Вместо нее устанавливается очень простой понижающий редуктор (в котором практически нечему ломаться), имеющий огромный ресурс по сравнению даже с механическими коробками передач, не говоря уже об автоматических коробках и вариаторах. Сцепление, соответственно, тоже отсутствует.

Электрооборудование

Электрическое оборудование электромобиля имеет значительные отличия от электрооборудования автомобиля, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания. Отличия эти касаются электрооборудования мотора; в салоне всё примерно одинаково. В электромобиле отсутствует стартер и нет системы зажигания рабочей смеси, за то там есть аккумуляторная батарея, инвертор (согласующий токи подаваемый от батареи в электродвигатель и генерируемый электродвигателем во время рекуперации), а также модулем, питающим батарею во время зарядки и рекуперации и двигатель через инвертор во время ускорения. Подробнее об аккумуляторной батарее для электромобиля можно прочесть тут. Еще в электромобиле отсутствует система охлаждения двигателя, но часто присутствует система контроля температуры батареи (с подогревом или охлаждением) и электрическая печка.

Посмотрите это видео, которое показывает устройство электромобиля на примере Tesla Model S.

Гибриды

О том, какие бывают электромобили и гибриды, я написал в Часто Задаваемых Вопросах. Гибридами они называются за то, что имеют и электродвигатель, и двигатель внутреннего сгорания в своей силовой установке. Соответственно, механизмы их значительно сложнее, так как включают в себя системы, необходимые для передачи крутящего момента и работы обоих моторов.

Как работает электромобиль

Как работает электромобиль

Прежде чем говорить, как работает электромобиль, сначала определимся, что это за машины, их разновидности, устройство и ключевые отличия. Все категории автомобильного транспорта, двигающегося благодаря одному или нескольким электромоторам, принято обозначать символами EV (Electric Vehicle). Учитывая определенные различия в конструкции, существует три разновидности современных машин, работающих на электротяге:

Как работает электрический автомобиль

  • BEV — Battery Electric Vehicle. Стандартные электромобили. Ключевая их особенность в том, что здесь отсутствуют другие источники энергии, кроме аккумуляторных батарей. Примеры таких автомобилей, которые можно купить: Zeekr 001, Lotus Eletre, Mengshi M-Hero 917 и др.
  • HEV — Hybrid Electric Vehicle. Гибриды (Hybrid) отличаются тем, что в них используется комбинированная силовая установка. В ее составе есть традиционный мотор внутреннего сгорания (бензиновый или значительно реже дизельный), который работает совместно с одним или несколькими электромоторами. В зависимости от схемы, по которой организована совместная работа разнотипных агрегатов, существует семь разновидностей гибридного транспорта. Примеры последовательных гибридов — Lixiang L9, Byd Yangwang U8, Li L8 и др.
  • FCEV — Fuel Cell Electric Vehicle. Машины, внутри которых установлены топливные элементы, вырабатывающие электричество. Пример такого транспорта Toyota Mirai, BMW iX5 Hydrogen, Hyundai ix35 Fuel Cell (выпускался до 2018 года) или линейка Audi h-tron.

Устройство автомобиля на водородном топливе

Устройство или принцип работы электромобиля

Простыми словами, принцип работы электромобиля основан на том, что вращение колес обеспечивает один или несколько электромоторов. Их питание осуществляется от штатной батареи, которую еще называют тяговыми. В цепочке между аккумулятором и электромоторами дополнительно смонтирован контроллер или система управления, позволяющая регулировать обороты вращения, а следовательно, и скорость движения. Есть также и редуктор и трансмиссия, с помощью которых крутящий момент от электродвигателя передается на колеса. Плюс к этому в конструкцию электрокара включено и другое оборудование, например, тепловой насос, устройство подогрева АКБ и др.

Как работает электрокар

Как движется электрический автомобиль?

Ответ на вопрос, как работает электрический автомобиль, довольно прост. Конструктивно электрические моторы значительно проще по сравнению с бензиновыми или дизельными двигателями внутреннего сгорания. В основе их конструкции статор — неподвижная часть и ротор — подвижный элемент, смонтированный внутри. При подаче питания в обмотке статора генерируется магнитное поле. Под его действием в обмотке ротора возникают индукционные токи, которые, в свою очередь, также создают вращающие силы. В результате, ротор начинается крутиться. Таким образом, электричество аккумулятора преобразуется в механическую энергию — крутящий момент на валу электромотора.

Принцип работы электромашины

Как регулируется скорость движения?

Обычно передача вращательного движения ротора на колеса осуществляется с помощью планетарного редуктора. Скорость движения электромобиля регулируется путем изменения напряжения, а точнее, частоты тока, поступающего на обмотки электромотора.

Чем больше энергии, тем выше темп вращения ротора, следовательно, к колесам передается больший крутящий момент, и электромобиль движется быстрее. Контроль напряжения, подаваемого к электродвигателю, как и остаточной емкости батареи и других параметров, осуществляется по показаниям, которые индицируются на панели приборов.

Как работает электроавтомобиль

Как меняется направление движения?

Используемый принцип действия электромобиля позволяет двигаться не только вперед, но и назад. Причем изменение направления происходит не благодаря трансмиссии, а за счет изменения фаз питания электромотора.

В конструкции электрокара предусмотрен инвертор — преобразователь. Основная его роль заключается в преобразовании постоянного напряжения тяговой батареи в переменное, которое требуется для питания электродвигателя. Плюс к этому, инвертор позволяет менять фазы, в результате чего, ротор будет вращаться в обратную сторону. Благодаря такому решению, электрическая машина способна двигаться назад с такой же скоростью, как и вперед.

Виды электродвигателей для электрокаров

Разбираясь, как работает электрокар, вполне резонно узнать, какие электромоторы используются для комплектации такого транспорта. В современных моделях применяются электрические двигатели переменного тока как асинхронного, так и синхронного типа.

Первые отличаются тем, что магнитные поля, которые создаются в обмотках статора и ротора вращаются с определенным отставанием. Поле ротора при увеличении напряжения (разгоне) отстает, а при торможении, наоборот, обгоняет поле статора. Такой эффект называется скольжением. Эффективность асинхронных двигателей достигает 90%. Такие моторы отличаются повышенной прочностью, надежностью и долговечностью. Плюс к этому, у них небольшие пусковые моменты и простая регулировка. Электродвигатели этого типа обычно устанавливаются на переднеприводных сборках.

Характерная особенность синхронных электромоторов в том, что скорости вращения магнитных полей статора и ротора совпадают. Такое достигается благодаря особым технологиям, в числе которых чаще используется установка в роторе постоянных магнитов и другого оборудования, что усложняет конструкцию. Для запуска такого электромотора требуется плавная подача тока с постепенным увеличением частоты вплоть до номинальной величины. Поэтому, также нужно использовать дополнительное устройство. Стоимость синхронных моторов выше по сравнению с асинхронными агрегатами, так как для изготовления постоянных магнитов нужны редкоземельные металлы. В то же время, эффективность таких агрегатов выше — до 95%.

Принцип работы электромобиля

Аккумуляторы для электрокаров

Рассматривая принцип работы электрических автомобилей, обязательно следует уделить внимание ключевым и наиболее дорогим их компонентам — источникам питания. Аккумуляторы обеспечивают функционал как электродвигателей, так и многочисленного оборудования. В зависимости от решаемых задач они делятся на два типа: низкого напряжения, входящие в состав бортовой сети, и высокого напряжения, которые еще называют тяговыми.

В первом случае подразумеваются свинцово-кислотные АКБ, которые используются в электромобилях для питания освещения, мультимедиа, систем индикации, электроники и других низковольтных потребителей. Вторая группа источников применяется для обеспечения работы автомобильных кондиционеров и тяговых электромоторов. Они могут быть натрий-серными, никелевыми, литиевыми или другого типа.

Виды аккумуляторов для электромобилей

Классический аккумулятор электромобиля представляет собой модуль из нескольких блоков, внутри которых смонтированы активные элементы. Наряду с блочными батареями, многие производители используют источники питания, компоненты которых размещаются не в моноблоке, а внутри шасси.

Большинство электромобилей, как и гибридов, комплектуется тяговыми литий-ионными батареями (Li-ion), впервые поступившими на мировой рынок в 1991 году. Срок службы таких источников 15–20 лет, что в 3 раза превышает ресурс низковольтных АКБ свинцово-кислотного типа. Существует несколько их разновидностей, как и других типов, которые рассмотрим ниже.

  • Никель-марганец-кобальтовые (NMC)
    Это наиболее распространенный тип тяговых батарей, которые заложены в основе принципа работы электроавтомобиля. Широкая их популярность обусловлена высокой плотностью энергии в пределах 250 Вт·ч/кг при довольно компактных размерах. Ключевой недостаток таких АКБ в относительно коротком сроке службы, ограниченном 1–2 тысячами циклов «разрядка-зарядка». Еще один из важных минусов — низкая термостабильность, как следствие, высокая вероятность возгорания.
  • Никель-кобальт-алюминиевые (NCA)
    Очередная разновидность литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, отличается тем, что вместо марганца здесь используется алюминий, отличающийся более стабильной структурой. Благодаря этому, уменьшен объем кобальта. Однако, существенных изменений в характеристиках это не принесло. Преимущества и недостатки NCA, идентичны описанным выше АКБ серии NMC.
  • Литий-железо-фосфатные (LFP)
    Такие батареи отличаются небольшими расходами на производство и чаще используются в основе принципа работы электрокаров ниже среднего ценового диапазона. Срок их службы ограничен 2 тысячами циклов зарядки. Эти аккумуляторы более устойчивы к перегреву, но плотность энергии у них ниже по сравнению с предыдущими источниками. Поэтому, запас хода ниже, а также из-за повышенной чувствительности к холоду, зарядка электромобиля при низкой температуре занимает больше времени.
  • Никель-металл-гидридные (NiMH или Ni–MH)
    Батареи этого типа чаще используются для организации принципа работы электрокаров гибридного типа. По сравнению с другими источниками, такие АКБ наиболее емкие и экологичные. Поэтому, их применяют также для комплектации бытовой техники и медицинского оборудования. Помимо низкой токсичности и большого ресурса, в числе их достоинств отсутствие эффекта памяти в сочетании с относительно низкими расходами на производство. В то же время, по сравнению с предыдущими вариантами у таких батарей низкая энергоемкость, больше вес и размеры, а также более длительный период зарядки.

Как устроен электромобиль?

В этом тексте я попробовал сфантазировать, как мог бы быть устроен абстрактный электромобиль. Что у него должно быть внутри и как агрегаты автомобиля соединено в единую систему между собой? Иначе говоря, какова архитектура электромобиля?

Инфу пришлось добывать из видеоуроков на YouTube и с флаеров сайтов производителей электро-деталей.

Попробуем понять, какой путь проходит электричество начиная от зарядной розетки заканчивая колесами автомобиля.

Когда речь идет об архитектуре чего-лило, то тут есть 2 способа представления. Либо объяснять всё словами либо рисовать картинку. В этом вопросе я предпочитаю следовать английской пословицы

Поэтому я скомпоновал схему анатомии электромобиля.

Итак, вот схема электромобиля так как я её себе представляю. Понятное дело, что схему надо рассматривать не на листочке A4, а в специальном редакторе векторной графики с увеличением и со слоями. Если кому-то нужен исходник схемы в *.svg, то пишите в личку.

блок схема агрегатов электромобиля

Каждый агрегат электрокара: контроллер зарядки, BMS, инвертор, ABS, ESP, BCU, это, в сущности, устройства на микроконтроллерах. В электромобиле нет ничего механического кроме редуктора на оси двигателя. А мощные процессоры там максимум только в HMI для проигрывания видео. Видимо поэтому электромобили долгое время не появлялись так как до 1980х не было элементной базы для управления ключами инверторов. Я имею в виду мощные и дешевые микроконтроллеры.

Теперь посмотрим под увеличением конкретные места схемы.

Контроллер заряда

Как известно, есть быстрая зарядка постоянным током, а есть медленная от переменного тока. Подозреваю, что выбор режима зарядки происходит по интерфейсу передачи данных по проводам питания PLC или по CAN.

Батарея

Батарея для электрического автомобиля это сотни последовательно соединенных аккумуляторных батареек как в фонариках по 3.7. 4,2V каждая. За состоянием всей батарей следит отдельная электронная плата называемая Battery Management System (BMS). Она следить за напряжением, током, температурой, заботится об охлаждении и нагревании батареи, может разрядить перезаряженную батарею, договориться с зарядной станцией по PLC или CAN и прочее.

Инвертор (Inverter)

Инвертор это по сути переходник постоянного тока в переменных ток (и обратно). Он вырабатывает модулированный трехфазный синусоидальный ток необходимый для вращения мотора. Этим занимается прошивка-spiner в микроконтроллере инвертора. Так как в инверторе очень часто переключаются силовые IGBT транзисторы, то инвертор также может работать в режиме нагревателя и нагревать остывающую батарею.
К контроллеру инвертора подключена педаль газа. Если все CAN устройства зависнут, то автомобиль хоть как-то сможет ездить.

Двигатель

Для вращения в электромобилях используют асинхронный электродвигатель. Он работает от переменного тока. Угловая скорость определяется частотой синусов в фазах тех трех силовых оранжевых проводах, что подключены к индукционному мотору. Обычно рядом с мотором прямо на его оси прикреплен механический редуктор. Редуктор нужен для увеличения крутящего момента на колесах. Также на оси электродвигателя есть датчик положения вала (Резольвер или СКВТ). Он сообщает инвертору, что двигатель в самом деле вертится.

Интерфейс управления (HMI)

За автомобилем надо как-то наблюдать. Для этого есть приборная панель и сенсорный экран. Эти приборы берут инфу из CAN шины и 100Base-T1 интерфейса. Часто есть мобильное приложение и за параметрами можно следить по BlueTooth LE. Можно вообще подключиться к CAN и посмотреть какие там циркулируют пакеты в Win приложении.

Рулевая рейка

Понятное дело что для поворота колес нужен высокий момент и малые скорости. Как известно высоким моментном на малых скоростях обладают шаговые двигатели. Но их там нет. Ведь шаговые двигатели тяжелые и дорогие. В электро-усилитель руля ставят BLDC мотор (бесколлекторный двигатель постоянного тока). Управляет им отдельный ECU рулевой рейки.
Также возможно там есть и чисто механическое руление через планетарный редуктор. Электроника ведь может отказать, микроконтроллер зависнуть. А планетарный редуктор фактически является сумматором крутящих моментов.

Периферия

В автомобиле целая куча всяких разных мелких электроприборов: фары, замки, стеклоподъемники, дворники, люки. Для управления ими ставят отдельные контроллеры. Обычно их называют Body Control Units (BCU).

В основном всё блоки соединены такими интерфейсами как CAN, LIN, K-LIne, 100Base-T1, A2B, FPD-Link, MOST, FlexRay.

Вот реестр с подборкой тех самых видеоуроков на основе которых я нарисовал эту схему

Вывод

По сравнению с двигателями внутреннего сгорания в электромобиле деталей мало. Всё выглядит просто. Допускаю, что в настоящих электромобилях всё несколько сложнее. Особенно в гиперкарах по 2M EUR.

Тут же нет ADAS, парковочных видеокамер. Также я не отражал на схема автомобильные игрушки как мультимедиа системы на задних сиденьях, имитация рычащего мотора из бутафорской выхлопной трубы, сервопривод антикрыла, подогрев стаканчиков, моторы открытия люков, авто лебётки и пр.

Если вам есть, что добавить, то пишите в комментариях.

В автомобильной технике как нигде очень много акронимов. Вот небольшой словарь для понимания автомобильных схем.

Акроним

Расшифровка

original design manufacturer

original equipment manufacturer

Двигатель электромобиля, гибридного авто

Электродвигатель

Электродвигатель (тяговый электромотор, двигатель на электротяге) – мотор, который устанавливается на электротранспорт и гибридные автомобили. У электромобилей электродвигатель – единственный двигатель. У гибридных автомобилей электродвигатель работает в тандеме с двигателем внутреннего сгорания. В зависимости от выбранного режима работы и схемы автомобиля включается электромотор, бензиновый двигатель или два двигателя одновременно.

По планам многих автоконцернов – именно за тяговым двигателем для электромобиля – будущее. Так известно, что в плане развития известного гиганта Bentley Motors значится, что к 2030-му году компания полностью трансформируется в производителя электроавтомобилей. На электродвигатели ставки также делают такие известные на весь мир компании, как Nissan, Volvo, Aston Martin.

Тенденции таковы, что в массовом производстве сейчас больше представлены легковые электромобили и городской электротранспорт (согласно планам, в ряде таких стран как, к примеру, Франция и Норвегия в 2025-2030-м гг. автобусы в городах будут полностью заменены на электротранспорт).

Но чувствуется интерес и к установке электромоторов на грузовой транспорт. Особенно электродвигатели интересны производителям городских развозных фургонов, терминальных тягачей и коммунальных грузовиков.

На весь мир уже хорошо известен седельный тягач капотного типа Tesla Semi, в коммунальном хозяйстве США активно не первый год используют мусоровозы PETERBILT на электротяге, в Евросоюзе возрастает интерес к седельному тягачу с электродвигателем Emoss Mobile Systems B.V. и Renault Trucks –развозному автомобилю для продуктов.

На постсоветском пространстве свой коммерческий электротранспорт пока только начинает появляться, но уже активно говорят про грузовик МАЗ-4381Е0 (на грузовике установлен асинхронный тяговый электродвигатель мощностью 70 кВт (95 л.с.), ориентированный на транспортировку грузов в черте города, и электрогрузовик Moskva опытно-конструкторского бюро Drive Electro (главное назначение — доставка товаров в магазины). Не за горами время, когда этот коммерческий транспорт с электромоторами будет активно востребован автопарками, логистическими центрами, предприятиями.

Также, безусловно, давно, как данность мы принимаем, что на электродвигателе работают трамваи, троллейбусы, погрузчики на складах и локомотивы. Трёхфазный асинхронный двигатель помогает двигаться на давно полюбившихся поездах «Ласточка» и «Сапсан».

Принцип работы

Принцип работы двигателя электромобиля основан на преобразовании электроэнергии в механическую энергию вращения. Главные участники преобразования энергии – статор и ротор.

Как работает традиционный электромотор?

Мотор.jpg

  1. Магнитное поле статора действует на обмотку ротора.
  2. Возникает вращающий момент.
  3. Ротор начинает двигаться.

Наглядная схема двигателя электромобиля в системе электропривода представлена ниже:

Схема.jpg

Важная особенность классического электрокара – отсутствие дифференциала, коробки передач, передаточных устройств с шестеренками. Энергия от электромотора поступает прямо на колеса.

Без коробки передач – и большинство «гибридов» с электродвигателем и ДВС. Исключение – «гибриды» с параллельной схемой передачи на колёса крутящего момента. К ней мы ещё вернёмся в этой статье в разделе, посвящённом гибридным автомобилям.

Принцип работы любого электродвигателя базируется на процессах взаимного притяжения и отталкивания полюсов магнитов на роторе и статоре. Движение осуществляется под действием самого магнитного поля и инерции.

Электрокар.jpg

Устройство

Как устроен двигатель электромобиля?

При описании принципа работы электродвигателя, уже было упомянуто, что главные компоненты двигателя электромобиля– ротор и статор.

  1. Ротор – это вращающийся компонент двигателя.
  2. Статор находится в неподвижном состоянии. Он ответственен за создание неподвижного магнитного поля.

Ротор

Классический ротор автомобиля состоит из сердечника, обмотки и вала. У некоторых электродвигателей в состав ротора также входит коллектор.

  • Сердечник – это металлический стержень, на периферии которого располагается обмотка. Непосредственно через сердечник происходит замыкание магнитной цепи электродвигателя. Сердечник изготавливается из стальных пластин круглой формы. По структуре похож на слоёный пирог. При производстве сердечников используют изолированные листы стали с присадками кремния. В этом случае обеспечены увеличение КПД электродвигателя, наименьшие удельные потери в металле на единицу массы, снижение величины размагничивающих вихревых токов Фуко, которые возникают из-за перемагничивания сердечника. На поверхности сердечника есть продольные пазы. Через них прокладывается обмотка.
  • Вал – металлический стержень, который непосредственно передаёт вращающий момент. Также изготавливается из электротехнической стали. Служит основой для насаживания сердечника. На концах вала есть резьба, выемки под шестерёнки, подшипники качения, шкивы.
  • Коллектор – блок, крепящийся на валу. Представляет собой систему медных пластин. Изолирован от вала. Служит выпрямителем переменного тока, переключателем-автоматом направления тока (в зависимости от вида электродвигателя).

Статор (индуктор)

Статор состоит из станины, сердечника и обмотки:

  • Станина статора – корпус статора. Как правило, корпус бывает алюминиевым или чугунным. Алюминиевые станины популярны у электродвигателей легковых авто, чугунные – у спецтехники, которая вынуждена работать в условиях высокой вибрации. Станина служит базой крепления основных и добавочных полюсов.
  • Сердечник статора – цилиндр из профилированных стальных листов. Фиксируется винтами внутри станины. Снабжён пазами для обмотки.
  • Обмотка. Создаёт магнитный поток. При пересечении проводников ротора наводит в них электродвижущую силу.

Виды

Электродвигатели классифицируют по типу питания привода, конструкции щеточно-коллекторного узла, количеству фаз для запитывания:

  • По типу питания привода. Устройства делятся на моторы переменного и постоянного тока. Двигатели постоянного тока способны обеспечить более точную и плавную регулировку оборотов, высокий КПД. Двигатели переменного тока выручают, когда важна высокая перегрузочная способность. Это удачный вариант для подъёмно-транспортных машин. Впрочем, существуют и универсальные моторы, которые функционируют от переменного и постоянного тока.
  • По конструкции щеточно-коллекторного узла. Выпускаются бесколлекторные и коллекторные моторы. Бесколлекторный мотор работает за счёт движения ротора с постоянным магнитом. У конструкции нет щеточно-коллекторного узла. Решение обеспечивает достойный крутящий момент, широкий диапазон скоростей и высокий КПД. Важные преимущества бесколлекторного мотора – надёжность, способность к самосинхронизации, возможность подпитываться при переменном напряжении. Ресурс бесколлекторного мотора ограничен исключительно ресурсом подшипников. У коллекторных моторов присутствует щелочно-коллекторный узел. Удобство решения связано с тем, что он может использоваться и в качестве переключателя тока в обмотках, и как извещатель положения ротора, нет необходимости в контролле. Проблема коллекторных моделей – в том, что они зависимы от постоянных магнитов, которые, как известно, со временем, к огромному сожалению, теряют свои свойства.
  • По количеству фаз для запитывания. В зависимости от того, как запитывается обмотка, электродвигатели бывают однофазными и трёхфазными. В автомобилестроении широкое распространение получили трёхфазные решения, это связано с рядом технических характеристик (мощность, перегрузочная способность, частота вращения на холостом ходу).

Асинхронные и синхронные двигатели

Синхронные моторы – двигатели переменного тока, у которых частота вращения ротора идентична частоте вращения магнитного поля (измерение производится в воздушном зазоре). В автомобилестроении синхронные моторы встретить можно нечасто (хотя в мире техники – это, в целом, очень популярное решение – особенно в климатотехнике, насосных системах).

Но есть производители авто, которые при производстве электрокаров предпочитают устанавливать на свои машины именно синхронные двигатели. Яркий пример – концерн Renault. Синхронными двигателями на электромагнитах он оснастил электрокар Renault Zoe. На электромагниты подаётся постоянный ток. Полярность магнитов ротора стабильна. Полярность магнитов статора при этом изменяется и обеспечивает бесперебойное вращение.

Преимущество синхронных двигателей на электромагнитах у авто – максимальная оптимизация рекуперации энергии торможения. И главный «конёк» авто с таким типом электродвигателя – полная безопасность при буксировке.

Гораздо более популярный вариант – асинхронные двигатели. Это двигатели переменного тока, у которых потенциал напряжения – магнитного поля не совпадает с частотой вращения ротора. Типичным 3-фазным асинхронным двигателем оснащены, например, хорошо известные автомобили Tesla S и Tesla Х.

Иногда асинхронные моторы называют индукционными, так как в роторе в соответствие с законом Ленца у них индуцируется электромагнитная сила.

Двигатель-колесо

Обособленно среди электромоторов стоит двигатель-колесо. Особенность двигателя- колеса – ориентир крутящего момента и силы напряжения на конкретное колесо.

Такие решения можно встретить в плагин-гибридных автомобилях («гибридах» с параллельной схемой, при описании устройства гибридных авто ниже по тексту мы остановимся на них подробнее). Работает двигатель-колесо в паре с ДВС.

У первых плагин-гибридных автомобилей с двигателем-колесом агрегат был монтирован в ступицу колеса, а работа осуществлялась исключительно в паре с внутренним зубчатым редуктором.

Некоторые же современные модели моторов, монтируемые внутри колёс, вполне могут работать без зубчатого редуктора. Это увеличивает управляемость, позволяет избежать увеличения удельного веса шасси, уменьшить риски, повышает КПД.

двигатель колесо.jpg

Преимущества и недостатки электродвигателей

Преимуществ у электродвигателей существенно больше, нежели недостатков. Более того, за счёт усовершенствования и конструктивных особенностей самих электроприводов, и инфраструктуры, связанной с зарядкой, многие вещи, которые вчера ещё казались критичными, сегодня теряют свою актуальность.

Преимущества

выбросы.jpg

  • Не требуется «раскачка». Крутящий момент достигает максимума непосредственно при включении. Именно по этой причине электрический двигатель электромобиля не требует наличия стартеров и сцеплений – неотъемлемых спутников ДВС.
  • Удобство. Для включения заднего хода (то есть коррекции со стороны вращения мотора) достаточно поменять полярность, сложная коробка передач не требуется.
  • Высокий КПД. У машин с электродвигателями он достигает 95 %.
  • Независимость. На любой отметке скорости достигается максимальный показатель крутящего момента.
  • У мотора – малый вес. Производители могут себе легко позволить создавать компактные автомобили.
  • Есть все возможности для рекуперации энергии торможения. Если у авто с ДВС кинетическая энергия просто уходит в колодки (и стирает их), то у электромобиля в режиме рекуперации мотор может функционировать как генератор. В режиме генерации электроэнергия просто трансформируется в другую форму и быстро накапливается в АКБ. Особенно решение эффективно для транспортных средств с длинным тормозным путем. На объём генерируемой и накопленной энергии существенно влияет маршрут (рельеф, в частности наличие холмистых участков на дороге и уклон дороги).
  • Снижение расходов на эксплуатацию машины. Зарядку можно производить от электросети. Это существенно дешевле, нежели использование дизеля, бензина. Выгода очевидна даже по сравнению с бензиновыми авто эконом-класса.
  • Малый уровень шума.
  • В большинстве случаев для мотора не требуется принудительное охлаждение.
  • Экологичность. Использование транспорта с электродвигателем снижает количество выхлопных газов в воздухе.

Недостатки

Долгое время считалось, что самый большой минус использования электродвигателя – его зависимость от аккумуляторов, которые быстро выходят из строя. Теперь это неактуально. Современные батареи электрокаров, представленных в массовом выпуске, гарантируют пробег автомобиля 150-200 тыс. км. Потерял актуальность и тот фактор, что машины с электродвигателем существенно уступают бензиновым по мощности. Электротяга современных электромоторов уже не уступает ДВС.

Поэтому недостатки электродвигателей сейчас правильно свести не к недостаткам конструкции, а к плохо развитой инфраструктуре для того, чтобы подзаряжать электромобили. Если в США, Скандинавии подзарядить электрокар легко, то до недавнего момента даже в Западной и Центральной Европе с инфраструктурой для подзарядки таких машин были проблемы.

В России, Беларуси, Украине, Казахстане, пока, увы, с инфраструктурой ситуация ещё хуже. Хотя, например, в России число заправок для электрокаров с 2018 по 2020 год возросло в 3 раза, но полотно покрытия площадками для зарядки очень неоднородное. В Москве – более плотное, в регионах – слабое. Даже разрыв с такими городами-гигантами как Санкт-Петербург и Челябинск — колоссальный.

Устройство электромобиля

Рассматривая электродвигатель, важно остановиться на устройстве электромобиля в целом, изучение электродвигателя не самого по себе, а как части системы электропривода, где электродвигатель – один из его базовых компонентов, его «сердце». Но «организм», функционирует только тогда, когда в порядке все другие «органы» – части электропривода:

  • Аккумуляторная батарея.
  • Бортовое зарядное устройство. Его функция – обеспечение возможности заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.
  • Трансмиссия. Распространены трансмиссия с одноступенчатым зубчатым редуктором (чаще всего встречающийся и наиболее простой вариант) и бесступенчатая трансмиссия с гидротрансформатором (для старта с места), плавно изменяющие отношение скоростей вращения и вращающих моментов мотора и ведущих колес транспортного средства во всём рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий.
  • Инвертор. Назначение инвертора – трансформирование высокого напряжения постоянного тока аккумулятора в трехфазное напряжение переменного тока.
  • Преобразователь постоянного тока. Функция – зарядка дополнительной батареи, которая используется для системы освещения, кондиционирования, аудиосистемы.
  • Электронная система управления (блок управления). Отвечает за управление функциями, связанными с энергосбережением, безопасностью комфортом. В её «подчинении» – оценка заряда АКБ, оптимизация режимов движения, регулирование тяги, контроль за использованной энергией и за напряжением, управлением ускорением и рекуперативным торможением.

тяговые батареи

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея (аккумулятор) – один из наиболее дорогих компонентов системы. По своей значимости играет такую же роль, как бензобак для ДВС. Электромобиль движется за счёт электричества, полученного от электросети во время зарядки и хранящегося в АКБ.

При этом важно помнить, что у большинства электромобилей устанавливаются одновременно два аккумулятора: один тяговой – он питает именно мотор и стартерный (как и в машинах с ДВС, он помогает системе освещения, системе подогрева). Эти аккумуляторы разные не только по назначению, но и техническим характеристикам.
Тяговый аккумулятор электрического двигателя электромобиля предназначен для питания мотора, запуска двигателя. У него нет высокого пускового тока, но он заточен на длительную работу, выдерживает большое количество циклов заряда-разряда.

Типичная тяговая АКБ – моноблочная секционная конструкция. Тяговая АКБ состоит из толстых электронных пластин – пористых сепараторов и электролитного вещества.
Самые распространенные аккумуляторы – литий-ионные. У них – наиболее высокая энергетическая плотность, не требуется обслуживание, достаточно низкий саморазряд.

Устройство и особенности гибридных систем

Свои особенности – у гибридных систем. В гибридных системах электродвигатель может рассматриваться и как «партнёр» ДВС, и как допэлемент, помогающий добиться экономии топлива и при этом повышения мощности.

Гибридная система.jpg

Устройство «гибрида» отличается в зависимости от реализованной схемы передачи на колёса крутящего момента.

гибрид.jpg

  • Параллельная. Аккумуляторы передают энергию электромотору, бак – топливо для ДВС. Оба агрегата равноправны и способны создать условия для перемещения авто. Но работает такая схема только при наличии коробки передач. Параллельная схема успешно реализована у автомобиля Honda Civic. Нередко гибриды с параллельной схемой выделяют в отдельную группу и называют плагин-гибридными.

последовательная схема.jpg

  • Последовательная. Любое действие начинается с включения ДВС. Он же отвечает за последующие действия: поворот генератора для запуска электромотора, зарядку аккумуляторов.

Комбинированные схемы.jpg

  • Последовательно-параллельная. Через планетарный редуктор соединены ДВС, электродвигатель и генератор. В зависимости от условий движения может использоваться тяга электродвигателя или ДВС. Режим выбирается программно системой управления транспортного средства. Среди хорошо известных последовательно-параллельных «гибридов» – Toyota Prius, Lexus-RX 400h.

Классический гибридный автомобиль использует интегрированный в трансмиссию электрический мотор-генератор.

При этом для получения электрической тяги у гибридных систем задействованы четыре базовых компонента:

гибридное авто.png

  • Мотор-генератор. Является обратимой силовой установкой. Может работать в двух режимах: непосредственно тягового мотора и генератора для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи. При работе в режиме мотора возможно создание крутящего момента и мощности, которых хватит для старта и движения автомобиля с выключенным ДВС, при работе устройства в режиме генератора продуцируется высоковольтная электроэнергия.
  • Высоковольтные силовые кабели. Изолированные электрические кабели большого сечения. Важны для переноса энергии между компонентами высоковольтных электроцепей.
  • Высоковольтные аккумуляторные батареи. Включенные в последовательную цепь аккумуляторные элементы. Позволяют накопить в батарее большой объём электроэнергии.
  • Высоковольтный силовой модуль управления для управления потоком электроэнергии для движения транспортного средства на электрической тяге.

Гибридные авто открывают новые эксплуатационные возможности, с одной стороны можно быть максимально экологичным, радоваться комфортной езде и сэкономить на топливе, а с другой стороны, при разряде аккумулятора владелец авто не попадёт впросак, если невозможно подзарядить мотор: в работу вступит ДВС.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях напрямую связаны с тем, насколько активно будет развиваться инфраструктура. Там, где она не обеспечена, использование электрокаров действительно ограничено. Ведь без подзарядки у многих авто – малая дальность пробега.

Впрочем, даже последняя проблема активно решаемая. Немецкие и японские разработчики (компании DBM Energy, Lekker Energie, Japan Electric Vehicle Club) сумели доказать миру: потенциал у электродвигателей, аккумуляторов без подзарядки может достигать 500 -1000 тысяч километров пробега. Правда, пока что 1 000 тысяч км пробега без подзарядки возможны только в теории, а 500-600 уже на практике.

На данный момент доступность такого транспорта – на уровне инженерно-конструкторской работы, экспериментальных выпусков, но есть перспективы что их подхватят автогиганты, и не за горизонтом – серийное производство.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях очень тесно связаны и с политикой отдельных государств. Например, в Норвегии обладатели электромобилей освобождены от уплаты ежегодного налога на транспорт, пользования платными дорогами, паромными переправами и даже большинством парковок. С учётом того, что налоги и тарифы в Скандинавии одни из самых высоких, мотивация приобрести именно авто с электродвигателем, а не ДВС – очень высокая.

Внизу представлены фото, отражающие продукт "Сенсис Инжиниринг, предназначенный для аудита и аттестации. Продукт реализован на базе LMS Moodle. image (253).png
image (249).png
image (248).png

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *