Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем. Комплект электрооборудования для электромобилей Какой двигатель выбрать
Последнее десятилетие электромобили уверенно завоевывают рынок автотранспортных средств.
Этому способствует множество факторов:
Массовый переход к электротранспорту тормозят следующие не полностью решенные проблемы и недостатки электромобилей:
- низкая емкость аккумуляторных батарей, соответственно, небольшой пробег авто без подзарядки;
- высокая стоимость блока аккумуляторов, недолговечность;
- неразвитая сеть подзарядочных станций, большое время обслуживания (заряда) аккумуляторов даже в скоростном режиме;
- наличие в электрических блоках управления и электропроводке высоких, опасных для водителя и пассажиров, напряжений;
- утилизация аккумуляторных батарей электромобилей наносит вред окружающей среде;
- большинство электронных блоков автомобилей, в том числе и аккумуляторная батарея, ремонтируются агрегатным методом, то есть заменяются полностью на исправные;
- ресурс работы современных электродвигателей недостаточно большой;
- работа системы отопления салона авто в холодное время года значительно увеличивает энергопотребление электромобиля;
- остаются нерешенными проблемы использования электромобилей в грузоперевозках на дальние расстояния.
Очевидно, этот список значительно длиннее.
Разработчики ведущих автопроизводителей совершенствуют устройство электромобиля (электродвигатели, аккумуляторные батареи, зарядные станции и др.), приближая эру электротранспортных средств индивидуального пользования.
В терминологии автомобилестроения дается четкое понятие, что такое электромобиль: «Транспортное средство, основным движителем которого является электропривод».
Одним из основных преимуществ электродвигателя по сравнению с ДВС является высокий коэффициент полезного действия – до 95%. Считается, что электромобиль абсолютно экологичен. Это не совсем так. Производство электроэнергии в большинстве стран базируется на теплоэлектростанциях, которые сжигают топливо, нанося вред окружающей среде. Не менее опасны АЭС. Развитие рынка электромобилей рационально рассматривать с увеличением доли «зеленой» электроэнергии: солнечные батареи, энергия ветра и другие.
В системах авто с ДВС применяются в основном электродвигатели постоянного тока: стартеры, приводы щеток, вентиляторов, бензонасоса, различных регуляторов. Эти электродвигатели для передачи тока к вращающемуся ротору используют систему «щетки-коллектор», поэтому называются коллекторные. В электромобилях для обеспечения высокого вращающего момента необходимо протекание больших токов. Искрение щеток во время движения по ламелям коллектора приводят к преждевременному износу этой зоны. Поэтому в электромобилях обычно применяют бесколлекторные двигатели.
Для того чтобы уменьшить величину тока, протекающего через обмотки электродвигателя, согласно закону Ома, необходимо увеличивать питающее напряжение. В этом смысле наиболее эффективны трехфазные электродвигатели переменного тока: синхронные (например, на Mitsubishi i-MiEV) или асинхронные (на Chevrolet Volt).
Сейчас ведутся разработки высокоэффективных электродвигателей с минимальными размерами и массой. Привод от производителя Yasa Motors имеет массу 25 кг, достигая крутящего момента 650 Нм. Самый мощный электромобиль Venturi VBB-3 имеет электродвигатель 3 тыс. л. с.
Аккумуляторная батарея электромобиля
Тяговая аккумуляторная батарея электромобиля имеет существенные 
отличия от АКБ автомобилей с ДВС.
Прежде всего, выходное напряжение аккумуляторных батарей электромобилей с целью уменьшения токов, соответственно тепловых и энергопотерь, значительно выше, чем традиционные 12 вольт. Например, в первые автомобили марки Lola-Drayson разработчики выбирали аккумуляторные батареи емкостью 60 кВт*час номинальным напряжением 700 В. Нетрудно подсчитать, что при мощности электродвигателя 200 кВт такой автомобиль может проехать без подзаряда не более 15 минут. В условиях кольцевых автогонок на спортивных электрокарах необходимо производить замену аккумулятора чаще, чем колес. Гоночный электромобиль ближайшего будущего способен разогнаться до 100 км/час за одну секунду.
Большинство аккумуляторных батарей для электромобилей имеет встроенный контроллер процесса заряда батареи по аналогии с аккумуляторами для ноутбуков, только на более высоком уровне. Кроме этого, в мощные аккумуляторные блоки устанавливают встроенную систему жидкостного охлаждения, которая также увеличивает их массу.
Трансмиссия электромобилей
Один из положительных технических моментов при проектировании электромобилей – возможность упрощенной трансмиссии. Некоторые модели имеют одноступенчатый редуктор. В электромобилях с двигателями, вмонтированными в колеса (Active Wheel), трансмиссионная функция выполняется электронным методом. Это позволяет применить еще одну важную опцию: восполнение заряда аккумуляторной батареи в момент торможения «электродвигателем». Такой метод уже давно применяется в электротранспорте.
Особенность блоков управления электромобилей
Электрическая схема электромобиля имеет свои особенности в схемотехнике узлов контроля и управления. Большинство электрических систем в электромобилях строятся по традиционным схемам, рассчитанным на напряжение бортовой сети 12 В. Поэтому необходима установка в электромобиль дополнительной схемы инверторного преобразователя напряжения высокого напряжение аккумулятора в напряжение бортовой сети 12 В. В большинство моделей устанавливается дополнительная 12-вольтная аккумуляторная батарея небольшой емкости. Принцип работы основных систем электромобиля (ABS, ESP, кондиционера и других) не меняется.
Для обеспечения максимальной эффективности использования емкости аккумуляторной батареи климат-контроль автомобиля в холодное время года использует предподогрев от стационарных источников перед поездкой, затем энергия батареи расходуется только на поддержание температуры в салоне машины. Поэтому особое внимание конструкторы уделяют применению современных теплоизоляционных материалов в отделке салона. Актуально в этом смысле использование нанотехнологичных материалов.
Системы световых излучателей машины (повороты, ближний/дальний, габариты, салонные и другие) используются, в основном, светодиодного энергосберегающего типа. Принцип работы электрооборудования автомобиля основан на бесконтактных электронных системах управления.
Блок управления электродвигателем (двигателями) представляет, по сравнению с аналогичными блоками для ДВС, высокопроизводительный вычислительный комплекс, который контролирует работу большинства энергозначимых узлов с точки зрения достижения максимальной эффективности использования емкости аккумуляторной батареи. Он производит:
- распределение энергии между электроприводами;
- регулирование тяги;
- мониторинг узлов и систем электромобиля;
- управление динамикой авто;
- контроль напряжений питания бортовых систем;
- использование дистанционного мониторинга.
Электромобиль не роскошь
Перспективы электромобилей ближайшего будущего:
- пробег без подзаряда до 500 км;
- динамика разгона – менее 3 секунд до 100 км/час (легковые электромобили);
- стоимость аккумуляторной батареи средней мощности – менее 7 тыс. USD;
- время быстрого заряда – менее 15 минут.
Электромобиль ближайшего будущего будет оснащен беспилотными системами управления и навигации.
Если вы решили присоединиться к пока немногочисленной армии электромобилистов, прежде всего необходимо изучить, как работает электромобиль и его основные системы.
Несколько советов при решении задачи, какой электромобиль выбрать:
- без пробега или с небольшим сроком эксплуатации, но с новой аккумуляторной батареей;
- с опцией быстрого заряда аккумулятора;
- со стажем выпуска модели не менее 2-х лет (за это время проблемы электромобилей данного модельного ряда успеют проявить себя).
Будущее – за электромобилями!
Электродвигатель – устройство, которое занимается преобразованием электроэнергии в механическую. Он работает, используя принцип электромагнитной индукции.В последнее время он все сильнее популяризируется на автомобильном рынке в качестве перспективного направления развития автопромышленности. Поэтому есть смысл подробнее ознакомиться с устройством электромобиля, его двигателя, за которым может быть будущее отрасли.
Принцип работы и устройство
Электродвигатель включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.
Благодаря развитию технологии электродвигатели нашли применение в разных отраслях, например, автомобилестроении. Причем они способны использоваться либо отдельно, либо совместно с (ДВС). Последний вариант – гибридные авто.
От электродвигателей, применяемых на производствах, агрегат для авто отличается малыми габаритами, но повышенной мощностью. К тому же современные разработки все больше отдаляют двигатели для автомобилей от иных подобных устройств. Характеристиками электромобилей являются не только показатели мощности, крутящего момента, но и частота вращения, ток и напряжение. Поскольку от этих данных зависит передвижение и обслуживание авто.
Виды
Чтобы лучше разобраться в многообразии, которое нам дарит авторынок, стоит рассмотреть существующие виды электродвигателей для электромобилей.
Их можно условно классифицировать по типу тока:
- устройства переменного тока;
- конструкции постоянного тока;
- решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока).
В недалеком будущем электромобили смогут полностью заменить автомобили с ДВС. Множество компаний по всему миру сосредоточили все усилия, чтобы разработать электромобиль, а способствует этому рост цен на нефтепродукты. Кроме того, актуальность электромобилей состоит еще и в том, что атмосфера становится все более загрязненной, поэтому нужно бороться с вредными выбросами двигателей внутреннего сгорания.
На данный момент самыми крупными рынками электромобилей являются такие ведущие страны как США, Япония, а также ряд европейских стран. Если говорить о компаниях-производителях, то лидирующие места занимают такие акулы автомобилестроения как Nissan, Toyota, Ford и др. К сожалению, наша родина еще не может похвастаться выпуском электромобилей, если не учитывать модель Lada Ellada, которая была создана энтузиастами, причем на импортных деталях.
Если говорить о том, что же такое электрический автомобиль, то под этими словами стоит понимать транспортное средство, приводимое в движение специальными электрическими двигателями. Питание электродвигателя осуществляется от солнечной батареи, специализированных топливных элементов или аккумуляторной батареи.
Аккумуляторная батарея требует подзарядки через определенное время работы, которая осуществляется как от различных источников извне, так и от генератора, который устанавливается на борту автомобиля. Последний способ имеет особенность – генератор приводится в движение простым двигателем, так что такое авто стоит считать не электромобилем, а разновидностью гибридных автомобилей.
Некоторые компании ведут работы по направлениям – разработки новейших моделей, и адаптации серийных автомобилей. Если говорить о предпочтении, то оно отдается последнему, потому как требует меньших затрат.
Электромобили разделяют на 3 условные группы:
— городские, с максимальной скоростью до 100 км/ч;
— шоссейные, максимальная скорость которых более 100 км/ч;
— спортивные. Их максимальная скорость более 200 км/ч.
Конструкция электромобиля, в отличие от авто с двигателями внутреннего сгорания, немного проще, но она более надежна, ведь в ней минимальное количество подвижных деталей и узлов. В электромобиле главными конструктивными составляющими являются: трансмиссия, качественный аккумулятор, специальное бортовое зарядное устройство, электронная система управления и т. д. Для того чтобы обеспечить питание главного тягового электродвигателя, в автомобиле установлена мощная тяговая аккумуляторная батарея. На электромобили устанавливают литий-ионную батарею, которая состоит из нескольких модулей, соединенных между собой. Выдаваемый ток такой батареи составляет порядка 300 Вт постоянного тока, а ее емкость полностью соответствует мощности электродвигателя.
Тяговый двигатель – это несколько трехфазных асинхронных либо синхронных электрических машин, работающих от переменного тока. Их мощность начинается от 15 кВт. Максимальная мощность может быть более 200 кВт. Если сравнивать электродвигатель с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), то эффективность первого по отношению к последнему составляет 90%:25%. Кроме того, у электродвигателя существует ряд других преимуществ, которые также очень важны и востребованы, а именно:
— максимального крутящего момента можно добиться при любой скорости;
— конструкция достаточно проста и нет необходимости в дополнительном охлаждении;
— может работать и в режиме генератора.
Существует определенный ряд моделей электрокаров, которые собраны с применением двух и более электродвигателей. Это необходимо для того, чтобы привести каждое отдельное колесо в движение или сразу несколько, добиваясь повышения тяговой мощности. Для сокращения трансмиссии, производители зачастую встраивают электродвигатели непосредственно в колеса. Такой подход имеет существенный минус – автомобилем становится трудно управлять. Это обусловлено тем, что увеличиваются неподрессоренные массы.
У автомобиля простая трансмиссия, поэтому на подавляющем количестве моделей она представлена простым одноступенчатым редуктором. Имеется очень полезная вещь – бортовое зарядное устройство. Оно дает вам возможность зарядить ваш электрокар от обычной розетки. Чтобы преобразовать постоянное высокое напряжение, выдаваемое аккумуляторной батареей в трехфазное — переменное, производители используют специализированный инвертор. Кроме того, такой преобразователь также предназначен для того, чтобы заряжать дополнительную 12 Вт батарею. Она нужна для питания других узлов и приспособлений. К ним относятся кондиционер, электрический усилитель руля, аудиосистема и др.
Интересные и полезные функции берет на себя электронная система управления. Она ответственна за безопасность, энергосбережение и за комфорт пассажиров. Если углубиться, то система управления необходима еще и для того, чтобы:
— управлять высоким напряжением;
— производить регулирование тяги;
— обеспечивать оптимальное движение;
— оценивать насколько хватит заряда батареи;
— управлять тормозной системой и контролировать расход энергии от аккумулятора.
Эта система объединяет в себе определенные входные датчики, блок управления и другие устройства, которые имеются в электромобиле.
Хотя автомобили с ДВС и электродвигателем похожи, их эксплуатация значительно различается. Именно она препятствует полномасштабному выпуску таких автомобилей. Главное, что оттолкнет потенциальных покупателей – цена. Еще отталкивает длительное время зарядки аккумулятора и не самая лучшая автономность. Их высокая цена объясняется тем, что производство литий-ионных аккумуляторов дорогостоящее, а срок их службы не превышает 7 лет. Плюсом электрического автомобиля является более низкая стоимость его содержания. Если говорить об эксплуатации, то наиболее выгодно она в странах, где процесс производства электроэнергии мало зависит от топлива.
В настоящее время электрокары характеризуют как транспорт для города. Почему? Дело в том, что автономность автомобиля невысока, а величина пробега до потребности в зарядке зависит от множества факторов. Характер вождения, покрытие трассы и многое другое влияет на показатель автономности. Сейчас производители добились пробега в 150 км без необходимости зарядки, но это при скорости 70 км/ч. Если скорость вашего движения будет около 130 км/ч, то вы проедите не более 70 км. Сейчас имеются специальные технологии, которые могут позволить увеличить автономность где-то до 300 км. Одной из таких технологий является рекуперативное торможение, которое способно возвратить до 30% затраченной энергии. Еще на такие авто устанавливают аккумуляторные батареи с повышенной емкостью и электронные системы, отвечающие за оптимизацию всех происходящих процессов.
Тяговый преобразователь ТП80-200
Параметры тягового преобразователя:
Тип.......................................................Трехфазный двухуровневый инвертер напряжения на IGBT транзисторах
Номинальная мощность......................................................................................................30 кВт
Максимальная мощность*...................................................................................................80 кВт
Номинальное напряжение питания (от АКБ).....................................................................192 В
Ток максимальный.................................................................................................................365 А
Климатическое исполнение.................................................... ............................................“У”, категория 2
Температура эксплуатации...................................................................................................от минус 40 до плюс 40 °С
Номинальная частота вых. напряжения..............................................................................50 Гц
Максимальная частота вых. напряжения...........................................................................166 Гц
Масса.......................................................................................................................................15 кг
Габариты..................................................................................................................................413x262x207
Исполнение............................................................................................................................ IP54
Способ охлаждения............................................................................................................. Жидкостное
Расход охлаждающей жидкости.......................................................................................... не более 11 л/мин
Падение давления охлаждающей жидкости........................................................................0,2 бар
Способ управления АД......................................................................................................... Векторное управление
Тяговый электродвигатель AFMT 30/80.
Параметры тягового двигателя:
Тип двигателя........................................................................... Асинхронный с короткозамкнутым ротором
Номинальная мощность...........................................................30 кВт
Максимальная мощность *.......................................................80
Входное напряжение................................................................3 фазы 140 В
Номинальный момент...............................................................288 Нм
Максимальный момент.............................................................600 Нм
Номинальная скорость.............................................................1000 Об/мин
Максимальная скорость............................................................5000 Об/мин
Система охлаждения.................................................................Жидкостная
Расход охлаждающей жидкости................................................не более 15 л/мин
Падение давления охлаждающей жидкости............................0,2 бар
Масса..........................................................................................214 кг
Бортовое зарядное устройство+вспомогательный инвертор ПЗ 16/200.
Зарядное устройство ПЗ 16/200 (в дальнейшем «изделие») обеспечивает заряд тяговой батареи от сети 220/380 В, формирование сети 220/380 В для питания потребителей через Подкузовную розетку ПЗ 16/200, а также обеспечивает питанием вспомогательный привод насосов гидроусилителя руля и вакуумных тормозов при передвижении транспортного средства.
Параметры бортового зарядного устройства:
Тип зарядного устройства....................................................на IGBT транзисторах без гальванической развязки от сети
Номинальное напряжение питания...........................................................................~3ф, 380 В/~1ф, 220 В
Номинальная мощность зарядного устройства от сети ~3ф, 380В.........................12 кВт
Номинальная мощность зарядного устройства от сети ~1ф, 220В..........................3,5 кВт
Выходное напряжение питания батареи...................................................................=160-240 В
Выходной ток заряда батареи....................................................................................40 А
Выходное напряжение для питания DC/DC...............................................................400-600 В
Выходной ток питания DC/DC.....................................................................................3 А
Способ охлаждения.....................................................................................................Жидкостное
Расход охлаждающей жидкости..................................................................................не более 3 л/мин
Падение давления охлаждающей жидкости..............................................................0,2 бар
Зарядное устройство (ЗУ) во время движения обеспечивает питанием вспомогательный электродвигатель со следующими параметрами:
Номинальная мощность..............................................................................................2,4 кВт
Номинальное напряжение питания............................................................................=160-240 В
Выходное напряжение.................................................................................................~3 ф, 220/380 В
Зарядное устройство во время стоянки обеспечивает питанием от АКБ потребителей со следующими параметрами
(при отсутствии заряда АКБ):
Номинальное выходное напряжение..........................................................................~3 ф, 380 В/~1ф, 220 В
Номинальная выходная мощность ~3ф, 380В...........................................................10 кВт
Номинальная выходная мощность ~1ф, 220В............................................................3 кВт
Перегрузочная способность.........................................................................................120 % в течении одной минуты
Режим работы нейтрали...............................................................................................IT (изолированный)
DC/DC преобразователь ППН 1.0/200/12
DC/DC ППН 1.0/200/12 обеспечивает питанием потребители 12 В, а так же обеспечивает заряд аккумулятора автомобиля.
Электропитание изделия осуществляется от питающей распределительной сети постоянным напряжением 600 В, а так же постоянным напряжением 12 В от свинцово-кислотного аккумулятора для питания внутренних цепей.
Параметры DC/DC преобразователя:
Тип зарядного устройства......................с гальванической развязкой от тяговой батареи и ЗУ
Входное напряжение................................................................=500-600 В
Выходное напряжение.............................................................14 В
Мощность..................................................................................1 кВт
Способ охлаждения..................................................................Жидкостное
Степень защит..........................................................................IP54
Рабочий диапазон температур эксплуатации.........................от минус 40 до +50 ˚С
Относительная влажность воздуха..........................................95 %
Габаритные размеры................................................................500×217×135 мм
Вес............................................................................................8 кг
Электромобили двигаются под действием электричества, которое первоначально попадает к ним из обычной домашней электросети и запасается в автомобильных перезаряжаемых аккумуляторах.
Такому автомобилю не нужна коробка передач, применяемая в двигателях внутреннего сгорания. Потому что вал электродвигателя здесь присоединен прямо к колесу. Электричество питает мотор, и мотор крутит колесо, которое двигает машину. Сейчас сделаны опытные электромобили с одноразовым запасом энергии на борту, достаточным для 130-мильного пробега. Эти автомобили намного меньше загрязняют окружающую среду и работают значительно тише, чем автомобили, "кушающие" бензин. Пожалуй, главным недостатком электромобиля является то, что ему требуется шесть часов на полную зарядку аккумуляторов.
Автомобиль с автоматической коробкой передач
Если взглянуть на приборную панель электромобиля (рисунок выше), то видно, как просто сделан рычаг управления передачами, - по той причине, что в машине нет коробки передач. Все, что должны показывать приборы на панели, это число оборотов в минуту двигателя, скорость автомобиля и уровень зарядки электрической батареи.
Каким образом электрическая энергия вращает колеса
Принципиальная схема электромобиля
Электромобиль движется под действием электрической энергии, которую он первоначально запасает в своих аккумуляторах (рисунок ниже). При движении автомобиля электрическая энергия приходит на электромагнитный разъем. Оттуда под управлением водителя и сигналов от датчиков энергия поступает на электродвигатели, которые крутят колеса и заставляют автомобиль двигаться.
Подзарядка "севших" аккумуляторов электромобиля
Схема заряда аккумуляторов электромобиля
Электро-зарядное устройство автомобиля нужно для того, чтобы бортовые аккумуляторы накопили новую электрическую энергию взамен истраченной на движение автомобиля. Устройство получает энергию для зарядки через обычную электро-розетку, какие стоят в жилых домах.
Энергия передается прямо на колеса
Мощный постоянный магнит, находящийся внутри электродвигателя, позволяет вращать колесо без ведущего вала и шестеренок, применяемых в обычных автомобилях. Поэтому в электромобиле нет дифференциала, передаточных устройств с шестеренками и коробки передач. Энергия там идет от электродвигателя прямо на колеса.
В модели электромобиля "Дестини 2000" (Destiny 2000 ) сочетается применение солнечных панелей и аккумуляторов с кузовом из стекловолокна.
