27Дек

Двигателя для электромобилей: Что собой представляет двигатель для электромобиля, каким может быть и сколько стоит

Силовая установка электромобиля, электродвигатель » Эксплуатация электромобиля в России
24 января 2019 в 13:32

Мощность электродвигателя электромобиля, как и в других транспортных средствах, измеряется в киловаттах (кВт). 100 кВт примерно равно 134 лошадиным силам. Отличительная черта электродвигателя состоит в том, что в отличие от ДВС он может выдавать максимальный крутящий момент в более широком диапазоне оборотов. Это означает, что динамика электрокара с двигателем мощностью 100 кВт будет значительно лучше динамики транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания мощностью 100 кВт, который может обеспечивать максимальный крутящий момент в пределах ограниченного диапазона оборотов (бензиновый мотор обычно надо "раскручивать" до высоких оборотов, чтобы получить номинальный крутящий момент).

Энергия теряется в процессе преобразования электрической энергии в механическую. Приблизительно 90% энергии от батареи преобразуется в механическую энергию, остальные 10% - потери в двигателе и трансмиссии. Это означает, что КПД (коэффициент полезного действия) электродвигателя достигает 90%, тогда как КПД бензинового мотора - до 25%, а дизеля - до 50%

.

Обычно электропитание в виде постоянного тока подается в преобразователь, где он становится переменным, а далее приходит в трехфазный двигатель переменного тока.

Для некоторых электромобилей используются двигатели постоянного тока. В некоторых случаях используются универсальные двигатели, на который можно подавать как переменный ток, так и постоянный. 

В последнее время электродвигатели совершенствуются, в том числе были реализованы различные типы двигателей, например, асинхронные двигатели на автомобилях Tesla и двигатели с постоянными магнитами в Nissan Leaf и Chevrolet Bolt.

На изображении выше можно увидеть схему силовой установки Nissan Leaf второго поколения. 

  • Электродвигатель создает крутящий момент для перемещения автомобиля, а также генерирует зарядный ток во время рекуперативного торможения.
  • Инвертор, используя двигатель, преобразует электричество постоянного тока в переменный ток для движения, а также преобразует переменный ток в постоянный во время торможения (рекуперации) для заряда батареи.
  • Понижающий редуктор модулирует вращение двигателя и передает мощность на колеса (приводной вал), аналогично классической передаче.
  • PDM (модуль подачи питания) представляет из себя интегрированный блок с зарядным устройством для зарядки переменным током высокого напряжения батареи, преобразователем постоянного тока, который преобразует высокое напряжение в низкое, и распределительную коробку, которая распределяет высокое напряжение на каждый блок, блокируя ток, как прерыватель, когда возникают перегрузки.

Подробно понять устройство электромобиля поможет это видео:

Содержание

момент вырос в 2–3 раза — журнал За рулем

Разработкой электродвигателя занимались отец и сын.

Материалы по теме

Компания Linear Labs заявила о разработке электродвигателя Hunstable с «турбиной», крутящий момент которого в несколько раз больше, чем у электромоторов аналогичного размера и с тем же энергопотреблением.

«Основной характеристикой этого двигателя является то, что при очень низких оборотах и при одинаковом размере, весе, объеме и количестве потребляемой энергии он имеет в два-три раза больший крутящий момент, чем любой электромотор в мире», — говорится в заявлении компании.

Разработкой электродвигателя занимались отец и сын: инженер Фред Ханстейбл, который проектировал атомные электростанции, и Брэд Ханстейбл, который помог создать потоковый сервис Ustream, проданный IBM в 2016 году за 150 миллионов долларов.

Изначально Linear Labs решили создать линейный генератор, который мог бы вырабатывать достаточную мощность от низкоскоростного вращающегося вала — ветряка или водяного колеса. Разработка получила 25 патентов и оказалась весьма эффективной.

В электродвигателе на магнитах один компонент вращается внутри другого. Представьте, что маленькая банка вращается внутри большой. Для создания большего крутящего момента нужно подать на двигатель больше энергии или создать мотор большего размера. Linear Labs нашла другой путь: объединила осевой и радиальный потоки в одном двигателе. Проще говоря, это четыре ротора, окружающие статор. Центральный ротор вращается внутри статора, создавая один источник крутящего момента. Второй ротор вращается снаружи статора, создавая второй источник. Два дополнительных ротора расположены на левом и правом концах статора. По сути, это два концентрических радиальных двигателя с двумя осевыми.

При производстве нового электромотора требуется на 30% меньше меди. Конструкция также исключает концевые обмотки, которые лежат вне статора, генерируя тепло.

На сегодняшний день Linear Labs подписала несколько соглашений на производство своего «турбированного» электродвигателя: с производителем скутеров, со шведской фирмой по производству систем электропривода Abtery и с неназванной фирмой, разрабатывающей гиперкар, который должен появиться в течение двух лет.

В настоящее время электродвигатели способны вращаться намного быстрее, чем колеса. Поэтому с новым более мощным мотором электромобили могли бы использовать коробку передач, которая позволит экономить электроэнергию, благодаря возможности передачи крутящего момента в соотношении 6:1.

Фото, видео: Linear Labs

Новый прорыв в создании двигателей для электромобилей

В связи с популярностью и экологичностью электромобилей, электроскутеров, промышленных квадрокоптеров и других электрических машин рынок электродвигателей в двадцать первом веке быстро растет. На конец 2019 года только на внутреннем рынке Китая насчитывается больше 400 производителей электромобилей. На рынок приходят новые технологии производства электродвигателей и аккумуляторных батарей – такой прорыв делает электротранспорт всё более доступным.

 

Класcика

 

Казалось бы, что можно придумать новое, отличное от существующего? Ведь работа современного электродвигателя основана на известном принципе электромагнитной индукции, в основе которого лежит получение электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и вращающегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток, на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, за счет которого и вращается ротор. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот

Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок

 

Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок показал, что практическое применение в электромобилях получили электроприводы следующих типов: вентильные электродвигатели, асинхронные частотно-управляемые, электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением и электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Сопоставление достоинств и недостатков этих двигателей с учетом эксплуатационных требований дает следующие результаты. Наиболее высокий КПД имеют вентильные электродвигатели. КПД электродвигателей постоянного тока и асинхронных электродвигателей примерно равны, однако в последнее время асинхронные частотно-управляемые двигатели, имеющие электрические машины с малым скольжением и более точное электронное управление на основе специализированных быстродействующих микроконтроллеров с набором соответствующих датчиков (векторное управление), достигают КПД, сравнимый с КПД вентильных электродвигателей.

 

 

Что имеем

 

На сегодняшний день наиболее популярным из существующих электродвигателей для электромобилей остается асинхронный двигатель, созданный ещё в XIX веке. Его конструкция оказалась гениально простой и настолько удачной, что все дальнейшие преобразования не касались принципа действия, затрагивая лишь технологию изготовления тех или иных деталей. Например, модифицироваться могли подшипники, на которых крепился вал двигателя, менялась форма обмоток ротора и статора, однако принцип работы асинхронного двигателя оставался прежним.

К преимуществам двигателей такого типа относятся простота обслуживания и отсутствие подвижных контактов. Здесь нет щеток и контактных колец, питание подается только на неподвижную трехфазную обмотку статора, что и делает этот двигатель весьма удобным для самых разных сфер применения, практически универсальным. Такой двигатель прост в изготовлении и сравнительно дешев, затраты при эксплуатации минимальны, а надежность высока.

 

Если говорить о недостатках асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, то их несколько. При включении двигателя в сеть пусковой ток довольно велик, при этом пусковой момент значительно меньше номинального. В основном этот недостаток как и проблема регулировки оборотов, преодолевается применением частотного преобразователя, позволяющего плавно повышать обороты, и таким образом обеспечить достаточно высокий пусковой момент. Это достигается тем, что скорость вращения такого электродвигателя зависит от частоты переменного тока, т. е. изменив частоту тока, можно изменить скорость вращения ведущих колёс, что позволяет легко контролировать скорость электромобиля.

Еще одним недостатком асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является их низкий коэффициент мощности, особенно при малой нагрузке и на холостом ходу, что снижает эффективность данной электрической системы в целом.

 

Сам электродвигатель - это достаточно совершенное устройство, но, поскольку стремительное развитие отрасли экоавтомобилей только входит в начальную стадию, кардинального изменения принципа работы, улучшение показателей (удельной мощности и экономичности) и его устройства можно ожидать уже в ближайшее время.

 

Традиционно электродвигатели для автомобилей должны отвечать следующим требованиям:

  • иметь безопасное и удобное для эксплуатации устройство;
  • обладать высокой удельной мощностью и экономичностью;
  • обладать высокой надежностью и безопасностью при длительной эксплуатации;
  • иметь компактные габариты;
  • работать в широком диапазоне частот вращения с высокими показателями, что позволит электромобилю обходиться без коробки передач.

Новый прорыв

 

Для электромобиля важна надёжность конструкции и ещё более – высокий кпд электродвигателя. От эффективности работы электродвигателя зависит величина расстояния пробега электромобиля от одной зарядки аккумуляторов, поэтому: чем выше кпд, - тем лучше.

 

Мировой рынок сбыта электродвигателей стремительно развивается. Согласно новому отчету Grand View Research, Inc. к 2025 году, как ожидается, он достигнет 214,5 млрд. долларов США. Именно быстрые технологические достижения являются основным драйвером роста рынка.

 

С целью достижения высоких технико-экономических показателей электродвигателя, прежде всего получения максимальной мощности и крутящего момента, при минимальном потреблении энергии необходимо уменьшить ее внутренние потери.

 

 

В России запатентован высокопроизводительный оригинальный электродвигатель американской компании Buddha Energy Inc. Примечателен тот факт, что автор электродвигателя является россиянином. В США электродвигатели продаются под торговой маркой HELV Motors. Компания Buddha Energy Inc. занимается разработкой инновационных электронных контроллеров и электродвигателей. Компания имеет патенты на разработку в крупнейших индустриальных странах. Их разработки ориентированы на зеленые технологии и охрану окружающей среды, сокращение использования природных ресурсов.

Особенностью электродвигателя HELV является его форма. Он спроектирован в виде шара таким образом, что полная площадь магнитного поля статора взаимодействует с полной площадью магнитного ротора при минимальном рассеивании магнитного поля, что дает высокий крутящий момент при небольшом размере двигателя.

 

В ходе стендовых испытаний, сила на валу тестового двигателя массой 2,8 кг и диаметром 119 мм  составила 80 Нм. Примечательно, что сам двигатель может развить и большую мощность, но на текущий момент контроллер для его управления рассчитан только на 6 кВт. Таким образом при напряжении в 60 вольт и токе 100 ампер, двигатель показал статический крутящий момент в 80 Ньютон метров при оборотах 3900 об/м. Максимальная мощность двигателя может быть увеличена в несколько раз. Компания работает над созданием контроллера на 22 кВт.

 

Обычно с целью уменьшения воздействия токов Фуко на металл электродвигателя, а, соответственно, уменьшения потерь на нагрев, статоры синхронных и асинхронных электрических машин изготовлены из набора изолированных между собой пластин из тонкого железа. На электродвигателях марки «HELV Motors» компании Buddha  Energy Inc. корпус статора выполнен из композитов, что позволило уменьшить его вес и максимально сократить потери от эффекта токов Фуко. В двигателях HELV не используются металлические сердечники, это позволяет значительно снизить вес двигателя без потери мощности. Особенно это важно для квадрокоптеров и вертолетов.

 

Благодаря специальному корпусу (крышке) диамагнитного статора все магнитные поля ротора и катушек концентрируются на небольшой площади и не выходят за пределы двигателя, что позволяет создавать высокую мощность при низком потреблении электроэнергии.

 

Композит статора дает возможность легко придавать ему нужную форму без использования дорогостоящего оборудования для обработки металла. Это позволит дополнительно снизить стоимость готовых электродвигателей.

Статор изготовлен таким образом, что двигатель может быть установлен как вертикально, так и горизонтально.

 

К преимуществам электродвигателя HELV следует также отнести:

  • небольшие габариты и малый вес;
  • максимальный крутящий момент, который доступен с момента включения (при нулевых оборотах) двигателя;
  • возможность получения рекуперативной энергии;
  • экологически чистая работа;
  • минимум движущихся деталей, требующих замены или ремонта;
  • отсутствие необходимости в коробке передач автомобиля.

Компания Buddha Energy Inc. предлагает ряд высокоэффективных низковольтных электродвигателей нового поколения на основе оригинально расположенных магнитных полей под торговой маркой «HELV Motors» мощностью от 5,6 кВт до 75 кВт

 

Так электродвигатель HELV мощностью 5,6 кВт при макс. 5600 об / мин, требует напряжения 75 В и потребляет ток до 100 А, в зависимости от нагрузки. В зависимости от модели двигателя обороты составляют от 65 до 75 оборотов на Вольт.

 

В целом к преимуществам электродвигателей компании «HELV Motors» следует отнести: малый вес и компактный размер, низкое потребление напряжения, умеренный нагрев при работе и большой крутящий момент вала в сравнении с низким энергопотреблением. Сферические катушки статора имеют низкое сопротивление, что позволяет создавать сильные магнитные поля внутри катушек при низком напряжении.

 

По имеющейся информации можно предположить, что авторы разработки изобрели нечто уникальное, которое может осуществить новый виток в энергетике, в понимании использования сил природы на благо человечества.

 

 

В целом изобретателям удалось решить сложную техническую задачу - смоделировать точное взаимодействие магнитных полей в пространстве, в том числе внутри композитов. Они также проверили магнитные взаимодействия полей на практике. С этой целью на 3D принтере был напечатан лабораторный стенд для проверки взаимодействия магнитных полей ротора и статора. После проверки нескольких десятков вариантов обмоток статора был найден вариант, при котором взаимодействие полей статора и ротора происходило наилучшим образом. Всё остальное было делом техники. На этом же принципе сконструирован шарообразный электродвигатель HELV.

 

Как утверждают авторы разработки, моторы HELV с их соотношением размеров и мощности - это нечто фантастическое. Реализация данного изобретения стала возможной благодаря новым доступным материалам и новым идеям, которые стали ключевым фактором успеха прорывного эксперимента - изобрести что-то новое, что-то важное. При доводке конструкции синхронизировать контроллер с электродвигателем HELV было достаточно непросто. Контролировать его на высоких нагрузках еще сложнее. Но на сегодняшний день изделие почти готово к массовому производству.

 

Компания утверждает, что двигатель рассчитанный на мощность 40 кВт будет весить не больше 9,7 кг, а диаметр будет не больше 22 сантиметров. Такие характеристики дадут возможность устанавливать данный двигатель на электрические автомобили, лодки, электромотоциклы и квадрокоптеры. В 2019 году компания заявила, что скорость вращения топовой модификации двигателя составляет 30 000 оборотов в минуту при напряжении в 400 вольт, а пиковая мощность электродвигателя в линейке продукции составляет 95 кВт. Данная модель еще не представлена в линейке продукции компании.

 

Таким образом, произведен прорыв в создание самых современных и эффективных электродвигателей. Остаётся только правильно подобрать его мощность для достижения заданных технических характеристик автомобиля. Требуемая мощность, во многом зависит от типа трансмиссии. Если электродвигатель будет подключен к колёсам через коробку передач, - то достаточно и небольшой мощности, а если напрямую к дифференциалу, – тогда потребуется двигатель более мощный.

 

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Двигатель электромобиля – разновидности и принцип работы

Экологичные автомобили, будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя, в качестве основной движущей силы. Работа современного электрического двигателя основана на принципе электромагнитной индукции, в базе которого лежит выработка электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот. Немалую роль в этом сыграла и возросшая в десятки раз мощность и емкость аккумуляторных батарей, которые выполняют роль топливного бака в современных электрических и гибридных автомобилях.

Электромобиль Nissan Leaf в «разрезе»: батарея с электродвигателем

Электромобиль Nissan Leaf в «разрезе»: батарея с электродвигателем

Тем не менее, нельзя со 100% уверенностью утверждать, что все электродвигатели одинаковы. Многие ошибочно считают электродвигатель довольно простой установкой, однако стоит, к примеру, учитывать тот факт, что в отличии от ДВС, у электрического двигателя практически 90% КПД выделяемой энергии идет на создание крутящего момента. Согласитесь, что подобную мощность необходимо обуздать и уметь с ней обращаться, а для этого нужно знать некоторые нюансы о работе и разновидностях электрических двигателей.

Электродвигатели – особенности эксплуатации и принцип работы

К главным особенностям электрического двигателя относится несколько важных характеристик:

  1. Крутящий момент мотора достигает своего максимума сразу при включении, таким образом, электромобили не требуют наличия характерных для ДВС стартеров и сцеплений.
  2. Работа агрегата на обширном числе оборотов, позволяет электромобилю обходиться без коробки переключения передач. Для изменения стороны вращения двигателя (включение заднего хода) достаточно поменять полярности.
Электродвигатель Nissan Leaf

Электродвигатель Nissan Leaf

Однако все понимают, что стартовать на электромобиле со всего потенциала крутящего момента, который гораздо мощнее многих автомобилей с ДВС, никто не будет. По меньшей мере, это небезопасно, и что немаловажно это влечет неэффективный расход заряда батарей. Поэтому традиционно электродвигатели должны отвечать следующим требованиям:

  • иметь безопасное и удобное для эксплуатации строение;
  • обладать гарантией длительной эксплуатации;
  • иметь компактные габариты.

Как уже упоминалось, работа современного электродвигателя основана на давно известном принципе электромагнитной индукции. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и крутящегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, при котором ротор начинает свое движение. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую.

Двигатели для электромобилей – разновидности и классификация

В современных автомобилях с электрической тягой серийного производства наиболее часто используют три типа электрических двигателей.

Асинхронные двигатели. Моторы непостоянного тока, в которых скорость вращения ротора различается с потенциалом напряжения магнитного поля, созданным источником питания. Различают одно, двух и трехфазные агрегаты асинхронного типа.

Электродвигатель Nissan Leaf

Асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока Tesla Model S

Синхронные двигатели. Электромотор, работающий на переменном токе, с движением ротора полностью симметричным электромагнитному полю. Подобные электродвигатели используют при повышенных мощностях. Различают шаговые и вентильные синхронные электродвигатели. Для первых характерно точное расположение ротора с подачей питания на конкретную обмотку, а чтобы изменить положение ротора, напряжение между обмотками необходимо перенаправить. Для второго типа агрегатов характерно питание от полупроводниковых составляющих.

Синхронный электродвигатель Mitsubishi i MiEV

Синхронный электродвигатель с постоянным магнитом Mitsubishi i-MiEV

Двигатель-колесо. Тип электромотора сила напряжения и крутящий момент которого рассчитан на конкретное колесо. Данный тип электропривода часто используется в плагин-гибридных автомобилях в рабочем тандеме с двигателем внутреннего сгорания. Агрегат может устанавливаться непосредственно в колесо, однако современные электромобили все больше отходят от такого расположения мотора, поскольку это увеличивает удельный вес шасси и снижает управляемость. Более рационально стало использовать двигатель в качестве полноценного привода для вращения колеса.

Двигатель-колесо

Двигатель-колесо

Что касается регулировок управления электродвигателя, то за преобразование постоянного тока от аккумуляторных батарей в трехфазный переменный – отвечает инвертор.Трансмиссия – выполняющая роль сцепления и коробки передач, зачастую представлена одноступенчатым зубчатым редуктором.Остальные параметры работы электродвигателя регулируют электронная система управления, которая индивидуальна для каждой марки электрокара или гибрида.

Видео как работает электродвигатель и другие механизмы электромобиля на примере Tesla Model S

Хотелось бы подчеркнуть, что представленная классификация и система работы электродвигателей далеко не финальная. Стремительное развитие отрасли эко автомобилей только входит в начальную стадию, поэтому кардинального изменения принципа работы, мощности, строения электромоторов можно ожидать уже в ближайшее время.

Какие электродвигатели используются в гибридных и плагин-гибридных автомобилях

Гибридные автомобили имеют собственную специфику использования электромоторов. Во многом электродвигатель гибрида выполняет роль вспомогательного элемента, повышающего мощность основного двигателя внутреннего сгорания и снижающего уровень потребления топлива.

Электродвигатели используемые в гибридах можно разделить на несколько разновидностей:

  • Встроенная помощь мотору. Электродвигатель который берет на себя часть усилий по созданию крутящего момента при движении.
  • Встроенный генератор стартера. Электродвигатель, который только приводит автомобиль в движение.
  • Старт/стоп двигатель. Электродвигательная система, которая отключает основной ДВС при остановке и мгновенно запускает его при начале движения.

Кроме указанных подвидов классифицируют три типа использования электродвигателя:

  • Параллельной работы. В данном типе электродвигатель питается от батарей, а ДВС от топливного бака. Обе категории двигателей создают крутящий момент для движения автомобиля.
  • Последовательной работы. Заведенный двигатель внутреннего сгорания включает генератор, который или заводит электродвигатель или подзаряжает аккумуляторный блок.
  • Параллельно-последовательной работы. Данный тип гибридного двигателя соединяет электромотор, генератор, ДВС и колеса редуктором.

По большей части в гибридах используется принцип параллельной работы электродвигателя и ДВС. Его применяют также в подключаемых гибридах (плагин-гибридах), в которых по мере истечения заряда аккумуляторных батарей подключается ДВС малой мощности, работа которого в направлена на восполнение заряда АКБ.

Видео работы новой гибридной системы плагин-гибрида Toyota Prius

Преимущества и недостатки использования электродвигателей

Как и любой двигатель, электромотор в электромобиле имеет собственные плюсы и минусы использования. Для понимания данных особенностей электромоторов приведем таблицу:

Преимущества Недостатки
  • Небольшие габариты и малый вес.
  • Максимальный крутящий момент доступен с момента включения (при нулевых оборотах) двигателя.
  • Высокая, фактически ничем не ограниченная производительность.
  • Возможность использования рекуперативной энергии.
  • Экологически чистая работа.
  • Минимум движущихся деталей требующих замены или ремонта.
  • Отсутствие необходимости в КПП.
  • Зависим от настроек программного обеспечения, питания и производительности аккумуляторных батарей.

Будущие перспективы электродвигателя в автомобилях

Говорить о перспективах, при активном использовании электродвигателей в автомобилях, уже не разумно. Сейчас можно говорить только о происходящих и грядущих улучшениях электромоторов.

Сам электродвигатель, это достаточно совершенное устройство, апгрейд которого происходит исключительно в зависимости от потенциала использования. Ближайшие тенденции по улучшению электродвигателя направлены в сторону уменьшения размеров и массы, с сохранением и увеличением производительности.

Гораздо больше работы проводится по улучшению источников энергии для электродвигателя, а точнее аккумуляторных батарей. Их также стараются сделать меньше и легче, увеличивая объем, отдачу энергии, но при этом снижая время на подзарядку. Работа над АКБ устанавливаемых на электромобили, сейчас наиболее приоритетная в отрасли производства электромобилей, гибридных и плагин-гибридных авто.

Автор: hevcars.com.ua

Еще интересное пишут по теме

HEVCARS 🔌

HEVCARS 🔌 Автор

Читайте самые интересные новости и статьи о электрокарах в Telegram и Facebook!
как электрокары на нем работают — Электромобиль для Элона Маска

тяговый электродвигатель для электромобиля Tesla Model S

Тяговый электродвигатель для электромобиля Tesla Model S

Неотвратимым будущим автомобилестроения, хотим мы того или нет, являются электрические автомобили. Производители авто во всем мире вкладывают огромные средства в их разработку, желая снизить концентрацию вредных веществ выбрасываемых автомобилями традиционными, сделать поездки безопасными и комфортными, а также экономичными. Работа по их созданию проводится в двух направлениях – создание   новых моделей и  реконструкция серийных, которая более предпочтительна, поскольку  менее затратная. Электромобили, по сравнению с традиционными, более надежны, поскольку более просты по конструкции, т.е. отличаются минимумом движущихся частей.

Крупнейшими рынками электрических автомобилей являются сегодня:  США и Норвегия, Япония и Германия, Китай и Франция, Великобритания и др. Наша страна пока от производства и использования новых средств передвижения находится в стороне, исключая энтузиастов, разработавших Lada Ellada. Но, это случай пока единичный, поэтому он не в счет, тем более, что собрано авто на импортных комплектующих.

Понятие «электрический автомобиль» означает средство передвижения, приводимое в движение несколькими (или одним) электродвигателями. Теоретически питание мотора может быть от аккумулятора, топливных элементов или солнечных батарей. Тем не менее, большее распространение получил вариант первый.  Батарея, питающая двигатель требует зарядки, осуществлять которую можно при помощи внешних источников, рекуперации или генератора, установленного на борту автомобиля.  Электродвигатель, являющийся основным элементом электромобиля, питается, как правило, от литий — ионной батареи. Он же, в режиме рекуперации, играет роль генератора, заряжающего батарею.

Назначение тягового электродвигателя

Электродвигатель тяговый (ТЭД) предназначен для приведения в движение транспортного средства, т.е. он преобразует в механическую, энергию электрическую. Их классифицируют по способу питания, роду тока, конструктивному исполнению, типу привода колесных пар. В большинстве экологичных машин: гибридных авто, серийных электромобилях, авто на топливных элементах, которые в наши дни приобретают завидную популярность, они являются основной движущей силой.

В качестве двигателя используют в них моторы тяговые постоянного тока, которые работают в  двух режимах – двигательном и генераторном.

Видео: Как устроен двигатель электромобиля Tesla Model S

Принцип работы

Тяговый электродвигатель для электромобиля Golf blue-e-motion

Принцип работы электромобиля Golf blue-e-motion с тяговым электродвигателем

В основе их работы лежит принцип электромагнитной индукции, т.е. возникновение в замкнутом контуре электродвижущей силы при изменении магнитного потока. От традиционной машины электромеханической ТЭД отличается  большей мощностью, более компактными размерами, а кроме этого, у него более высокий КПД.

По способу питания моторы делятся на двигатели постоянного и переменного тока. По числу фаз – на:

  • однофазные (с одной обмоткой, подключаемой к сети однофазной переменного тока),
  • двухфазные (две обмотки, расположенные под углом девяносто градусов),
  • трехфазные (три обмотки с магнитными полями через 120 градусов).

По исполнению конструктивному двигатели могут быть: коллекторными, преимущественно работающие на постоянном токе (универсальные современные  могут также работать и на токе переменном), бесколлекторными, синхронными, асинхронными. Наконец, по способу возбуждения они делятся на: двигатели с последовательным, параллельным, последовательно-параллельным возбуждением и от постоянных магнитов.

Основные характеристики тягового электродвигателя электрического автомобиля

В современных авто электродвигатель может быть от переменного или постоянного тока. Основной его задачей является передача на движитель авто крутящего момента. Основными характеристиками ТЭД помимо максимального крутящего момента и мощности, являются: частота вращения, ток и напряжение.

В автомобилях чаще используют коллекторные двигатели (один из них благодаря способности вращаться в обратную сторону, может работать как генератор). Но, в отдельных моделях устанавливают электрические моторы и других типов – магнитоэлектрические моторы, подразделяющиеся на двигатели переменного и постоянного тока. Тяговые двигатели электрические, установленные в электромобилях, от других электромоторов не отличаются по конструкции.

Мотор-колесо

Комплект мотор-колеса для автомобиля

Если вначале использовали один тяговый электродвигатель для электромобиля, редуктор которого соединен с трансмиссией, то  сегодня все чаще обращаются к мотор-колесу. Суть концепции состоит в том, что компьютерная программа управляет при помощи  отдельных моторов каждым из колес.

Главным преимуществом является  отсутствие трансмиссии, из-за которой силовая установка теряет значительную часть энергии. Помимо этого удается ликвидировать тормозную гидравлическую систему, функцию которой берут на себя электромоторы, а также отдельные механизмы ESP и ABS.

Комплект мотор-колеса для автомобиля
Двигатель электрический для электромобиля, прошлое, настоящее и будущее

Где применяется электрический автомобильный двигатель

Содержание статьи

Электродвигатель для автомобиля, в качестве тягового устройства применялся на автомобилях (вернее на их прототипах), еще раньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Однако на сегодняшний день автомобильные электрические машины (именно так они правильно называются), применяются на электромобилях, работающих исключительно на аккумуляторах или других накопителях электрической энергии, а также на гибридных автомобилях.

Гибридные автомобили называются так, потому, что в них есть и двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и аккумуляторная батарея.

История создания

Первая, можно сказать лабораторная, модель-прототип электромобиля была создана почти 200 лет назад. Известно, что в 1828 году венгерский изобретатель Джедлик продемонстрировал тележку, которая двигалась за счет электрической энергии. Но этот образец только показал принцип электрической тяги. Ведь настоящий электродвигатель постоянного тока, способный работать достаточно долго, был изобретен в 1833 году физиком из Великобритании Уильямом Стёрдженом. В 1835 году в Голландии Кристофер Беккер и  Стратин Гронинген построили первый электромобиль. Конечно, он был несовершенен и в серийное производство не пошел.

Первый патент на электрический двигатель был получен в 1837 году Томасом Дэвенпортом, именно с этого времени можно сказать, что началось строительство электромобилей. Проблема электромобилей того времени была в очень небольшом заряде тогдашних аккумуляторов. Эту проблему пытались решить американец Томас Давенпорт и голландец Роберт Андерсон, которые создали автомобиль, двигающийся за счет электричества от одноразовых гальванических элементов в 1842 году.

Больших успехов в использовании электрической энергии для тяги достигли в 19-том веке железнодорожники. Уже в 1847 году в Питсбурге (США) работал локомотив (можно назвать его первым электровозом), который получал электричество по рельсам. Аккумуляторы были очень ненадежные и с очень небольшим ресурсом, да и энергии они запасали мало. И только улучшение рабочих характеристик аккумуляторных батарей решило проблему использования электромобилей. Нужно отметить, что первый рекорд скорости превышающей 100 км/час был зафиксирован именно электромобилем.

Так в 1899 году бельгиец Камиль Женатци на электромобиле «La Jamais Contente» разогнался до 105,882 км/ч. Как видно на рисунке (слева) этот электромобиль на резиновом ходу (на пневматических шинах), это тоже было новшеством на тот момент.

Немногим раньше в Лондоне было запущено движение электрических омнибусов (тогдашних автобусов) благодаря Ральфу Уорду. В это же время в Нью-Йорке начали работать такси на электротяге, стали выпускаться электровелосипеды и многие другие подвижные единицы на электричестве. В России они (электромобили, точнее омнибусы) появились в 1901 году (фото справа) разработки инженера Романова. Уже в 1902 году заводом «Дукс» в Москве выпускался электромобиль для частного использования (фото слева).

 

 

Напомним, что только в 1878 году Николаусом Отто был запущен в серию четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, который можно было устанавливать на автомобиль. Он с некоторыми доработками служит «верой и правдой» автомобилистам и по сей день.

Да, двигатель Отто и резкое падение цен на нефть, из которой получают бензин, вытеснило электромобили почти на 100 лет с рынка, но они вновь завоевывают себе «место под солнцем», тесня классические ДВС. Все это благодаря тому, что электромобили практически бесшумны, экологически безвредны и экономически выгодны в эксплуатации. Нужно напомнить, что КПД электродвигателя высокий и составляет (85…95 %), да и электричество дешевеет. Если его (электричество) получать при помощи солнечных батарей или ветрогенераторов, то эксплуатация электромобиля получается почти бесплатной.

На сегодняшний день доля электромобилей среди всего автопарка составляет около 1%, но это пока. За последние 2 года количество продаж электрокаров увеличилось на 45%. Осталось только подождать, когда бензиновые и дизельные автомобили потихоньку сойдут с рынка.

Принцип работы электромобиля

Классическая схема электромобиля представлена на рисунке справа. Аккумуляторы расположенные здесь вдоль кузова отдают свою энергию через устройство управления (УУ) электродвигателю (ЭД), а он вращает колеса. Но эта компоновка далека от совершенства. Дело в том, что электропривод имеет очень важное преимущество перед любыми другими типами приводов – рекуперация. Рекуперация, это преобразование энергии движения в электрическую. Все мы с вами знаем, что энергия никуда не исчезает, она может только преобразовываться из одного вида в другой. Так вот, энергия движения (кинетическая энергия) при торможении автомобиля преобразуется в тепловую. Мы с вами просто нагреваем тормозные колодки, и это тепло отдаем атмосфере. То есть, по сути дела выбрасываем эту энергию. В электромобилях и в гибридах мы можем большую часть кинетики преобразовать в электричество и опять накопить его в аккумуляторе.

Гибридные автомобили всегда имеют кроме аккумулятора и двигатель внутреннего сгорания. Зачем? Для того чтобы удлинить расстояние езды на электромобиле. Дело в том, что даже современные аккумуляторы могут накопить энергии на 100, ну максимум на 200 километров пробега. Согласитесь, что это совсем немного. При использовании ДВС, в качестве дополнительного источника энергии можно удлинить путь до 800, а иногда и до 1000 километров без подзарядки аккумулятора и без дозаправки бензином или дизельным топливом.

Как правило, на авто такого типа (гибридных автомобилях) нет прямого воздействия двигателя на ведущие колеса. ДВС вращает генератор, который вырабатывает электрическую энергию, и уже эта энергия подается на электродвигатели либо на накопители энергии, если автомобиль едет по инерции или стоит (на светофоре, например). Накопителями энергии могут быть не только аккумуляторы, в последнее время все большей популярностью пользуются суперконденсаторы.

Двигатель  на гибридных автомобилях может быть подключен к генератору, который вырабатывает электричество. Электричество это можно использовать для разгона (его обычно не хватает, аккумулятор плохо отдает электроэнергию на старте), или для зарядки аккумулятора, если авто на выбеге или стоянке. Крайне редко ДВС не подключен к генератору. При такой схеме ДВС помогает электродвигателю разгонять автомобиль.Где же экономия? Все дело в том, что при любой схеме подключения ДВС и электродвигателя, двигатель внутреннего сгорания всегда работает в номинальном режиме. В котором достигается максимальная экономия. КПД у ДВС всегда указывается для номинального режима и он колеблется от 36 до 42. Для малых оборотов этот КПД не превышает 7…10%.

Существует и более сложные системы. Вот, например, как взаимодействуют  детали в современном гибридном автомобиле «Тойота Приус». Здесь ДВС может работать на генератор, а может и помогать вращать ведущие колеса через планетарный механизм. При торможении, мотор/генератор (MG2) преобразует кинетическую энергию в электрическую, заряжая аккумулятор. В результате чего достигается неплохая экономия. Да это сложно, но это того стоит. Расход у Тойоты-Приус около 3-х литров бензина на 100 километров.

Устройство тягового электродвигателя автомобиля

Устройство электродвигателя автомобиля зависит, от многих факторов.  Электродвигатели для электромобилей могут быть как постоянного, так и переменного тока. В последнее время на машину такого типа ставят только двигатель переменного тока (синхронный или асинхронный).  Первые электромоторы для автомобилей были, конечно, постоянного тока. Это и логично, потому как аккумулятор выдает постоянный ток, и двигатель электрический также постоянного тока. Их применяют и сейчас, но уже гораздо реже. Однако, все не так просто, как кажется на первый взгляд. Электродвигатели переменного тока гораздо экономичнее и надежнее. Выглядеть они могут точно так же как и электродвигатели постоянного тока. Разные типы электродвигателей имеют различную маркировку. AC – говорит о том, что этот двигатель переменного тока, DC – постоянного.

Принцип работы любого электродвигателя состоит во взаимодействии магнитных полей. Еще Фарадей на заре электричества заметил, что если проводник, по которому течет ток, поместить в постоянное магнитное поле, то этот проводник стремится вырваться из этого поля отклоняясь в ту или иную сторону в зависимости от направления движения тока. Если этих проводников много, и магнитное поле сильное, то и работа такого двигателя постоянного тока  будет соответствующей.

В каждом электродвигателе есть ротор (его иногда называют якорь) и статор (его еще называют индуктором). Ротором является вращающееся часть, статором – не вращающееся (стационарная). И ротор и статор имеют обмотки состоящие из отдельных проводников. Для подачи электрического тока на вращающуюся часть двигателя существует коллектор (набор медных пластин собранных в цилиндр). От статора на коллектор ток передается при помощи специальных щеток. Взаимодействие магнитных полей заставляет ротор совершать вращение.

Электродвигатели переменного тока работают несколько по-другому. Статор создает магнитное поле, которое само вращается. Оно (поле) может увлекать за собой стальные предметы, то есть заставлять вращаться ротор. По этой причине на роторе обмотка не нужна. Но в этом случае скорость вращения ротора будет отставать от скорости вращения магнитного поля статора. Такие электродвигатели нарываются асинхронными.

Для того, чтобы точно знать с какой частотой вращается ротор и регулировать эту частоту, необходимо на роторе разместить электрическую обмотку.  Такие электродвигатели называются синхронными. Но вновь появляется слабое звено электродвигателя – коллектор. Щетки изнашиваются и их нужно менять. Асинхронные двигатели в обслуживании не нуждаются.

На рисунке представлено два вида синхронных двигателей (с явными и неявными полюсами). Повторимся, что асинхронный двигатель отличается лишь тем, что на якоре нет обмотки.

При работе каждый электродвигатель нагревается. По этой причине тема охлаждения электрических машин очень важна. Система охлаждения может быть автономная и принудительная. На электродвигателях большегрузных автомобилей, например БелАЗ, охлаждение принудительное (воздух для охлаждения подается специальным вентилятором). У машин малого класса и легковых, на самом двигателе есть крыльчатка, которая продувает воздух через двигатель, тем самым охлаждая его.

Характеристики электродвигателей автомобильных

Характеристика электродвигателя, это соотношение его параметров к его цене. Лучше всего это представить в табличной форме. В таблице представлены популярные электродвигатели как постоянного DC, так и переменного AC тока. Напряжение у некоторых двигателей имеет несколько значений, это значит, что они способны работать на всех указанных напряжениях. Мощность N указана номинальная. Вращающий момент M, тоже при номинальном режиме работы. Частота вращения указана как максимально допустимая.

Характеристики электрического двигателя автомобиля невозможно сравнивать спонтанно. Для каждого конкретного случая, для определенного автомобиля, может быть разработан свой, оригинальный электродвигатель. Но электродвигатель переменного тока, а он здесь представлен один, явно отличается в лучшую сторону, от электродвигателей постоянного тока той же мощности, хотя бы по соотношению цены и вырабатываемой мощности (AC – 10.7 $/кВт, DC – 450 $/кВт).

Перспективы развития

Внедрение синхронных и асинхронных двигателей на автомобилях тормозилось медленным развитием электроники способной контролировать процессы в этих самых двигателя. Теперь эти барьеры снимаются, электроника становится надежной и относительно дешевой. По этой причине в скором времени электродвигатели переменного тока на электромобилях скорее всего будут внедряться практически повсеместно.

Изобретение новых конструкционных материалов позволяет повышать надежность и долговечность электродвигателей.

Что касается электромобилей в целом, то за ними большое будущее.

Двигатели для электромобилей: производители, устройство

Исчерпание углеводородного топлива, ухудшение экологической обстановки и ряд других причин рано или поздно заставят производителей разработать модели электромобилей, которые станут доступны для широких слоев населения. А пока остается только ждать или собственноручно разрабатывать варианты экологически чистой техники.

двигатели для электромобилейЕсли же вы все-таки предпочитаете самостоятельно искать решения, а не дожидаться их со стороны, то вам понадобятся знания о том, какие двигатели для электромобиля уже изобрели, чем они отличаются и какой из них наиболее перспективный.

Тяговый двигатель

Если вы решите поставить обыкновенный электромотор под капот своего автомобиля, то, скорее всего, из этого ничего не выйдет. А все потому, что вам необходим тяговый электрический двигатель (ТЭД). От обычных электромоторов он отличается большей мощностью, способностью выдавать больший крутящий момент, небольшими габаритами и малой массой.

Для питания тягового электродвигателя используются батареи. Они могут подзаряжаться от внешних источников («от розетки»), от солнечных батарей, от генератора, установленного в авто, или в режиме рекуперации (самостоятельное восполнение заряда).

Двигатели для электромобилей чаще всего работают от литий-ионных батарей. ТЭД обычно функционирует в двух режимах – двигательном и генераторном. В последнем случае он восполняет потраченный запас электроэнергии при переходе на нейтральную скорость.

Принцип работы

Стандартный электродвигатель состоит из двух элементов – статора и ротора. Первый компонент является неподвижным, имеет несколько катушек, а второй совершает вращательные движения и передает усилие на вал. На катушки статора с определенной периодичностью подается переменный электрический ток, что вызывает появление магнитного поля, которое начинает вращать ротор.

электромобиль ценаЧем чаще катушки «включаются-выключаются», тем быстрее вращается вал. В двигатели для электромобилей могут устанавливать два вида ротора:
  • короткозамкнутый, на котором возникает магнитное поле, противоположное полю статора, за счет чего и происходит вращение;
  • фазный – используется для уменьшения тока запуска и контроля скорости вращения вала, является наиболее распространенным.

Кроме того, в зависимости от скорости вращения магнитного поля и ротора двигатели могут быть асинхронными и синхронными. Тот или иной тип необходимо выбирать из имеющихся средств и поставленных задач.

Синхронный двигатель

Синхронный двигатель – это ТЭД, у которого скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля. Такие двигатели для электромобилей целесообразно использовать только в тех случаях, когда имеется источник повышенной мощности – от 100 кВт.

запчасти для электромобилейОдной из разновидностей синхронных электромоторов является шаговый двигатель. Обмотка статора такой установки разбита на несколько секций. В определенный момент ток подается на определенную секцию, возникает магнитное поле, которое вращает ротор на определенный угол. Затем ток подается на следующую секцию, и процесс повторяется, вал начинает вращаться.

Асинхронный электромотор

В асинхронном двигателе скорость вращения магнитного поля не совпадает со скоростью вращения ротора. Плюсом таких устройств является ремонтопригодность – запчасти для электромобилей, оснащенных этими установками, найти очень просто. К другим преимуществам относятся:

  1. Простая конструкция.
  2. Простота обслуживания и эксплуатации.
  3. Низкая стоимость.
  4. Высокая надежность.

В зависимости от наличия щеточно-коллекторного узла двигатели могут быть коллекторными и безколлекторными. Коллектор – устройство, служащее для преобразования переменного тока в постоянный. Щетки служат для передачи электроэнергии на ротор.

электромобиль mercedesБезколлекторные двигатели для электромобилей отличаются меньшей массой, компактными габаритами и более высоким КПД. Они реже перегреваются и потребляют меньше электричества. Единственный минус такого двигателя – высокая цена на электронный блок, который выполняет функции коллектора. Кроме того, найти запчасти для электромобилей, оснащенных безколлекторным двигателем, сложнее.

Производители электродвигателей

Большинство самодельных электромобилей сконструировано с применением коллекторного двигателя. Это объясняется доступностью, низкой ценой и простым обслуживанием.

Видным производителем линейки данных моторов является немецкая компания Perm-Motor. Ее продукция способна к рекуперативному торможению в генераторном режиме. Она активно используется для оснащения скутеров, моторных лодок, легковых автомобилей, электроподъёмных устройств. Если двигатели Perm-Motor устанавливали в каждый электромобиль, цена их была бы значительно ниже. Сейчас они стоят в пределах 5-7 тыс. евро.

автомобиль электромобильПопулярным производителем является компания Etek, которая занимается производством безщеточных и щеточных коллекторных двигателей. Как правило, это трехфазные моторы, работающие на постоянных магнитах. Основные преимущества установок:
  • точность управления;
  • легкость организации рекуперации;
  • высокая надежность за счет простой конструкции.

Завершает список производителей завод из США Advanced DC Motors, выпускающий коллекторные электромоторы. Некоторые модели обладают исключительной особенностью – они имеют второй шпиндель, что можно использовать для подключения на автомобиль-электромобиль дополнительного электрооборудования.

Какой двигатель выбрать

Чтобы покупка вас не разочаровала, надо сравнить характеристики приобретаемой модели с предъявляемыми требованиями к автомобилю. При выборе электродвигателя в первую очередь ориентируются на его тип:

  • Синхронные установки имеют сложное устройство и дорогостоящи, но обладают перегрузочной способностью, ими легче управлять, им не страшны перепады напряжения, используются при высоких нагрузках. Они устанавливаются на электромобиль Mercedes.
  • Асинхронные модели отличаются низкой стоимостью, простым устройством. Они просты в обслуживании и эксплуатации, однако выделяемая ими мощность намного меньше, чем тот же показатель синхронной установки.

На электромобиль цена будет значительно ниже, если электромотор будет работать в паре с двигателем внутреннего сгорания. На рынке такие комбинированные установки обладают большей популярностью, так как их стоимость составляет около 4-4,5 тыс. евро.

Как работают электромобили?

Все электромобили (EV) имеют электродвигатель вместо двигателя внутреннего сгорания. Транспортное средство использует большой блок тяговых батарей для питания электродвигателя и должно быть подключено к зарядной станции или настенной розетке для зарядки. Поскольку он работает на электричестве, автомобиль не выпускает выхлопные газы из выхлопной трубы и не содержит типичных компонентов жидкого топлива, таких как топливный насос, топливопровод или топливный бак. Узнайте больше об электромобилях.

All electric sedan image Высокое разрешение изображения

Ключевые компоненты полностью электрического автомобиля

Батарея (полностью электрическая вспомогательная): В транспортном средстве с электроприводом вспомогательная батарея обеспечивает электричество для питания принадлежностей автомобиля.

Порт зарядки: Порт зарядки позволяет автомобилю подключаться к внешнему источнику питания для зарядки тягового аккумулятора.

Преобразователь постоянного тока в постоянный: Это устройство преобразует постоянный ток высокого напряжения от блока тяговых аккумуляторов в постоянный ток низкого напряжения, необходимый для работы автомобильных аксессуаров и зарядки дополнительной батареи.

Электрический тяговый двигатель: При использовании энергии от тягового аккумулятора этот двигатель приводит в движение колеса автомобиля. В некоторых автомобилях используются мотор-генераторы, которые выполняют функции привода и регенерации.

Бортовое зарядное устройство: Принимает поступающее электричество переменного тока, подаваемое через зарядный порт, и преобразует его в постоянное напряжение для зарядки тягового аккумулятора. Он контролирует характеристики батареи, такие как напряжение, ток, температура и состояние заряда, во время зарядки батареи.

Контроллер силовой электроники: Это устройство управляет потоком электрической энергии, поступающей от тягового аккумулятора, управляя скоростью электрического тягового двигателя и крутящим моментом, который он производит.

Тепловая система (охлаждение): Эта система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур двигателя, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Блок тяговых батарей: Накапливает электроэнергию для использования электрическим тяговым двигателем.

Коробка передач (электрическая): Коробка передач передает механическую энергию от электрического тягового двигателя для привода колес.

,

Введение инженера в электромобили (EV)

Согласно прогнозу Международного энергетического агентства, использование электромобилей вырастет с 3 миллионов до 125 миллионов к 2030 году. Это почти в 41 раз больше, чем это. сегодня, с растущим спросом на ископаемое топливо и проблемами с загрязнением, это, скорее всего, произойдет. Вследствие этого все основные производители автомобилей с двигателями IC, такие как Ford и GM, постепенно обращают свое внимание на электромобили.Рынок и потребители нуждаются в более дешевом личном транспорте, и, кроме того, правительство начало поддерживать электромобили в рамках своей политики. Принимая во внимание все эти факты, становится очевидным, что очень скоро мы обнаружим, что электромобили масштабируют все наши дороги. Или я должен также включить Space , где уже есть один автомобиль Тесла, путешествующий за пределами Марса, когда я пишу эту статью.

Это изменение уже начало проявлять симптомы.В последние несколько лет появилось много успешных производителей электромобилей, таких как Tesla, Kia Soul, Navistar и Kandi. И из-за них было также много технологических прорывов в области аккумуляторов и двигателей электромобилей. Пока изменения происходят, нам, инженерам, пора понять , что находится под капотом электромобиля и как они работают . Итак, в этой статье давайте разберем электромобиль до костей и плоти, чтобы узнать о них.

Важное примечание: Прежде чем мы углубимся, я хотел бы упомянуть, что термин «электрический автомобиль» - это обширная площадка. Любой локомотив, у которого нет топливного бака, упоминается как электромобиль. Но в этой статье, посвященной электромобилю или электромобилю, я имею в виду только электромобили, автобусы и грузовики. Если не указано иное, специальные электромобили, такие как сегвей, воздушные или водные, не входят в сферу действия данной статьи.

Что делает электромобиль?

Электромобиль - это сам по себе автомобиль, состоящий из множества компонентов и большой группы проводов, соединяющих их все.Но есть несколько основных минимальных материалов для электромобиля, что показано на блок-схеме ниже.

Electric Car Block Diagram

Двигатель обычного двигателя с микросхемой заменяется электрическим двигателем, а топливный бак заменяется аккумуляторной батареей. Из всех компонентов только Аккумулятор и Мотор составляют около 50% от общей массы автомобилей и цены . Как видно, аккумуляторная батарея , контроллер системы управления батареями , контроллер (BMS), двигатель и блок передачи образуют основные компоненты в EV .

жизненно важных частей электромобиля

Аккумуляторная батарея является источником топлива для автомобиля, поскольку существуют сотни элементов, скомпонованных для формирования аккумуляторной батареи, для контроля этих элементов требуется специальная схема, эта схема называется схемой контроля батареи . Постоянное напряжение от батареи не может использоваться для управления двигателем, поэтому нам нужен контроллер, который управляет двигателем, а система передачи передает энергию вращения от двигателя на колеса через некоторые механизмы.Давайте рассмотрим каждую часть в деталях, чтобы понять больше о EV.

EV Батареи

Батареи являются источником топлива для электромобилей , но также важно знать, что батареи не являются единственным источником топлива. Существуют и другие альтернативы для питания электромобиля, такие как топливный элемент или суперконденсаторы, но оба они все еще находятся в стадии разработки, и ни один из коммерческих автомобилей на дороге не использует их. Так что давайте сосредоточимся только на EV с батарейным питанием в этой статье.

Первое, что вы должны знать о батареях в EV, это то, что, в отличие от вашего мобильного телефона, в котором есть только одна батарея, EV работают от сотен, если не тысяч батарей, соединенных вместе. Чтобы дать вам представление, Tesla имеет 7000 аккумуляторов, а искра Chevrolet имеет 600 аккумуляторов внутри . Полная анархия батареи состоит из ячейки, модуля батареи и блока батарей.

Cell

Ячейка относится к одной батарее.Там много разных размеров и форм для клетки на основе химии. Наиболее часто используемым химическим составом являются свинцово-кислотные батареи и литиевые батареи . Эти батареи доступны во многих различных формах, таких как цилиндрический, монетный, призматический и плоский, некоторые из которых показаны ниже.

Lithium Ion Batteries Lithium Ion Battery

Номинальное напряжение элементов (на элемент) будет где-то от 3,7 В для литиевых батарей и максимум 12 В для свинцово-кислотных батарей. Но, как вы уже догадались, этого напряжения недостаточно для запуска электромобиля.Например, у Tesla напряжение аккумуляторной батареи составляет 356 Вольт, и даже для нормального электрического бицикла нам нужно минимум 36 В, поэтому , как мы можем получить это более высокое напряжение от литиевых элементов, которые всего 3,7 В?

аккумуляторный модуль

Таким образом, чтобы получить более высокое напряжение от литиевых элементов 3,7 В, используются батарейные блоки, которые формируются путем объединения нескольких батарей вместе. Когда две батареи соединены последовательно, их номинальное напряжение добавляется, а когда две батареи соединены параллельно, их значение Ah добавляется.Например, предположим, что у нас 3,7 В 2000 мАч литиевые батареи. Если вы подключите два из них последовательно, полученная система будет называться модулем, и этот модуль будет иметь напряжение 7,4 В 2000 мАч. Аналогично, если мы подключим два из них параллельно, результирующий модуль будет 3,7 В 4000 мАч.

How to connect Batteries

Напряжение одного литиевого элемента и номинальное значение Ач недостаточно для управления электромобилем, поэтому эти элементы соединены последовательно и параллельно для увеличения результирующего напряжения системы.Этот пакет называется модулем . Для людей, которые плохо знакомы с батареями, термин Ah может сбить с толку, есть много таких параметров, связанных с батареями, которые мы рассмотрим в отдельной статье. На данный момент вы можете думать о Ah как о диапазоне запаса топлива EV больше, чем Ah больше пробег, который мы можем получить от EV .

Lithium Battery Module Lead Acid Battery Module

Аккумулятор

После получения номинальных значений напряжения и напряжения системы путем объединения различных модулей в последовательной и параллельной конфигурации эта установка должна быть размещена внутри электромобиля.Но это не так просто; причина в его сложности. Литиевые элементы нестабильны по своей природе. Любое повреждение, такое как короткое замыкание или чрезмерная зарядка или разрядка, может привести к тому, что батареи сильно нагреются, что приведет к пожару или взрыву. Таким образом, ток тока и температура каждой ячейки должны контролироваться для безопасной работы. Обязанность контроля элементов во время процедуры зарядки и разрядки передается в схему, называемую системой управления батареями или BMS для краткости . Мы углубимся в это позже.

Итак, когда модуль батареи готов, он должен быть подключен к BMS и системе охлаждения для безопасной работы батареи. Полная установка хранится в стальном корпусе для предотвращения механических повреждений. Эта полная комплектация вместе с BMS, корпусом системы охлаждения и аккумуляторными модулями вместе называется аккумуляторной батареей автомобиля . Эти пакеты обычно будут большими и занимают всю площадь пола EV, как показано на рисунке ниже, взятом из Википедии.Это изображение Ниссана Лиф, срезанного на полпути для вас, чтобы дать идею.

Electric Car

Все еще есть тонны информации, которая будет освещена в батареях, но ради этого урока давайте разберемся с этим.

Система управления батареями (BMS)

Теперь, когда мы узнали о батареях в EV, мы должны узнать о системе управления батареями. BMS - это как мозг или хранитель батарей , как мы видели ранее, в электромобиле много батарей, и каждая батарея должна контролироваться для обеспечения безопасности.Для свинцово-кислотных батарей BMS не является обязательным, хотя некоторые люди используют его, но для литиевых элементов из-за его нестабильной природы BMS становится необходимым.

Почти все литиевые элементы имеют собственную схему защиты, если они используются в бытовой электронике. Это связано с тем, что если с ними не обращаться должным образом, например, с перезарядкой или чрезмерной разрядкой, то аккумулятор может нагреваться и даже гореть. Схема просто контролирует напряжение или ток элемента и разрывает соединение с нагрузкой, если оно превышает безопасные пределы.Есть много способов сделать это, которые мы обсудим в отдельной статье. Хотя, если вы хотите узнать больше о литиевых батареях, посмотрите эту статью.

Lithium Battery

Каждая BMS измеряет только три основных параметра батареи: напряжение, ток и температуру элемента . Он постоянно сравнивает эти значения с пределами безопасности и отключает нагрузку, если они превышают пороговые значения. Помимо целей безопасности, BMS также используется для некоторых вычислительных целей, таких как измерение SOC и SOH батареи .

SOC означает Sate of Charge, а SOH - состояние здоровья . В отличие от автомобиля ICE, количество топлива, оставшегося в аккумуляторе, невозможно измерить, просто взглянув на него. Некоторые люди даже думают, что измерение напряжения на клеммах батареи может дать вам емкость батареи, ну, это не так, и это не так просто. Точно так же SOH дает ожидаемый срок службы батареи. Как SOC, так и SOH являются важной информацией для потребителя, так как SOC сообщает вам, как далеко вы можете проехать до перезарядки, а SOH сообщает вам, когда пришло время заменить ваши батареи. Обязанностью BMS является измерение обоих этих параметров. Как происходит это измерение - это совсем другая история, и мы рассмотрим ее в отдельной статье.

Схемы

BMS часто являются сложными, на рисунке ниже показана простая 4-элементная литиевая BMS. Представьте себе BMS автомобиля, который должен контролировать около 7000 клеток.

Battery Management System

Электромобиль Моторс

В то время как батареи - это топливные баки электромобиля, двигатели - их двигатели.Есть много типов моторов, используемых в EV, и тот, который используется для скутеров и велосипедов, совершенно отличается от того, который используется в автомобилях. Давайте кратко рассмотрим наиболее часто используемые двигатели BLDC, щеточные двигатели постоянного тока и асинхронный двигатель переменного тока. Более подробная статья о электромоторах будет рассмотрена позже.

BLDC Motors: BLDC Motors были выбраны для электромобилей с момента своего появления в 1900 году. Даже сегодня они широко используются в электрических мотоциклах и скутерах. BLDC расшифровывается как бесщеточный двигатель постоянного тока, эти двигатели имеют постоянный крутящий момент и быстрый отклик, что делает его пригодным для применения в автомобилях.Помимо электромобилей, эти моторы также используются в стеклоочистителях, стеклоподъемниках и т. Д. Электродвигатель BLDC для электромобилей снова можно разделить на следующие два типа:

BLDC Hub Motors

В двигателе типа BLDC Hub ротором магнита является само колесо, а это означает, что нет необходимости в соединительном устройстве, поскольку обод колеса образует двигатель. Эти двигатели также называются моторами BLDC. Преимущество этого типа двигателя заключается в том, что меньше механических потерь и, поскольку нет затрат на единицу трансмиссии и вес уменьшается.Недостатком является то, что мы не можем иметь передаточное число двигателей большой мощности из-за ограничений по размеру. BLDC мотор-концентратор скутера показан ниже. Такого рода моторы используют практически все электрические велосипеды и самокаты, которые вы найдете на дороге.

Electric Vehicle BLDC Motor

BLDC: встроенные двигатели: Еще один тип двигателей BLDC - это встроенные двигатели. Они используются в приложениях, где требуется блок передачи. Они обычно связаны с дифференциалом для 3-х или 4-х колесных электромобилей.Эти двигатели выглядят как обычные двигатели с валом, и вал вращается при включении двигателя. Моторный двигатель типа E-рикши в сочетании с дифференциалом показан ниже.

BLDC In-runner Motors

Двигатели с щеткой постоянного тока: Двигатель с щеткой постоянного тока, также известный как двигатель серии DC, был предпочтительным выбором для всех старых электромобилей. Эти двигатели обеспечивают большой крутящий момент, который может легко дать спортивный вид EV. Тяга / подбор EV были бы почти такими же, как у обычного обычного автомобиля, в котором эти моторы использовались гонщиками.Но теперь, после 2008 года, эти двигатели больше не используются, потому что двигатели постоянного тока не могут обеспечивать постоянный крутящий момент при изменяющейся нагрузке. Смысл проклятья или восхождения на гору с машиной будет трудным. Также двигатели постоянного тока не могут запускаться без нагрузки, то есть не могут запускаться самостоятельно из-за высокого начального тока, который может повредить сам двигатель. Сегодня эти моторы используются в тележках для гольфа. Изображение того же типа показано ниже

.

Brushed DC motors

Асинхронные двигатели переменного тока : Большинство современных электромобилей, таких как , Tesla использует асинхронный двигатель переменного тока .Например, модель S Tesla использует 3-фазный асинхронный двигатель переменного тока. Возможно, вы уже догадались, потому что сама компания названа в честь Tesla , которая изобрела трехфазный асинхронный двигатель переменного тока. Причина, по которой эти двигатели выбраны, состоит в том, что они не имеют постоянных магнитов внутри и, следовательно, имеют низкую стоимость. У этого также есть хорошая жизнь, так как нет никаких магнитов, магниты потеряли бы их тенденцию в течение дня. Недостатком двигателя является то, что трудно контролировать скорость и крутящий момент двигателя, и требуются усовершенствованные схемы.Ниже изображено переднее колесо Tesla Model S , взятое из Википедии.

AC Induction Motors

Контроллер

Очень вероятно, что этот вопрос уже задал вам вопрос. Мы знаем, что EV работает от батареи с питанием от постоянного тока, и у нас есть двигатели, которые работают от трехфазного переменного тока. Как оба они будут работать вместе? Контроллер выполняет эту работу на автомобиле, от базового бицикла до Tesla Roadster , каждый EV имеет свой собственный контроллер, который преобразует напряжение постоянного тока от батареи до подходящего уровня для работы двигателей.Он также контролирует скорость двигателя.

Контроллер получает все входные данные от пользователя, такие как количество газа (ускорение), давление сброса, режим движения и т. Д., И соответственно контролирует скорость двигателя . Если двигатели считаются мускулом автомобиля, контроллер - это его мозг. Контроллер часто является общим термином, и он может включать в себя другие схемы, такие как преобразователь постоянного тока, регулятор скорости, инвертор и т. Д. Преобразователь постоянного тока используется для питания всех периферийных устройств автомобиля, таких как информационно-развлекательная система, фары и другие низкоуровневые преобразователи. Уровень электронных устройств.

Помимо этого, контроллер также обеспечивает регенеративное торможение. Это процесс преобразования кинетической энергии в электрическую. То есть, когда электромобиль бежит вниз по склону, двигатель вращается свободно из-за кинетической энергии, в этой ситуации двигатели можно заставить действовать как генератор, чтобы полученная таким образом мощность могла использоваться для зарядки аккумуляторов. У большинства современных электромобилей есть это, но его производительность и функциональность все еще спорны.

EV Зарядные устройства

Еще одним важным компонентом в электромобиле, который требует усовершенствования, являются зарядные устройства.Средний E-Car занимает минимум 5 часов, чтобы получить заряд, который в сочетании с очень маленьким пробегом становится катастрофой. Среднестатистический американец проезжает более 50 км в день, в этом сценарии EV, который дает ярость 90 км для полной зарядки, должен заряжаться почти каждый день. Это делает сборы наиболее используемым компонентом.

Он подключается к сети переменного тока и преобразует переменный ток в постоянный для зарядки аккумуляторов. Но это еще не все. Зарядка - это процесс, при котором батареи и зарядное устройство должны сосуществовать, вы не можете протолкнуть ток внутри батареи, если батарея не готова принять ее.Есть много типов зарядных устройств; Наиболее распространенные типы обсуждаются ниже.

Зарядное устройство 1-го уровня: Это самые основные зарядные устройства, и, вероятно, именно они вам нравятся. Им требуется много времени для зарядки батарей, так как они работают при 120 В переменного тока. Они преобразуют это 120 В переменного тока в постоянный и используют его для зарядки батарей. Номинальный ток зарядного устройства также будет низким где-то в районе 8-10 А, это означает, что вы будете посылать меньше тока и, следовательно, займет много времени, чтобы зарядить батареи в течение ночи.С другой стороны, этот метод улучшает жизненный цикл батареи, поскольку наш зарядный ток меньше.

Зарядное устройство 2-го уровня: Это немного быстрее зарядного устройства 1-го уровня, в зависимости от производителя предоставить вам зарядное устройство 1-го или 2-го уровня. Зарядные устройства уровня 2 работают при более высоких напряжениях, таких как 240 В или выше, а также имеют высокий номинальный ток около 40–50 А. Это заставляет автомобиль заряжаться быстрее.

зарядные устройства 3-го уровня: зарядные устройства 3-го уровня - это игровой автомат, их также называют суперзарядными устройствами или быстрыми зарядными устройствами. Они могут заряжать ваш автомобиль до 60% от его полной вместимости в течение 30 минут. Недостатком является то, что, поскольку он проталкивает большой ток в вашей батарее, например, 100А для Tesla (безумно! Да), батареи внутри чувствуются как ускоренный курс в течение всего года. Так что со временем срок службы батареи уменьшается. Также большинство нагнетателей не заряжают батареи до 100%, так как потребуется больше времени для зарядки батареи от 80% до 100%. Супер зарядное устройство Tesla показано ниже.

Electric Car Charging Station

Полагаю, к настоящему времени у вас есть общее представление о том, что такое EV на самом деле и как оно работает.Отсюда давайте обратимся к нескольким распространенным вопросам, которые возникают с EV в уме каждого.

Так как электроэнергия также поступает от угольной электростанции. Действительно ли электромобили действительно зеленые?

Этот вопрос был дискуссионным, в то время как EV работает от батарей, электричество для зарядки этих батарей поступает от электростанции, и около 61% мирового электричества производится из невозобновляемых ресурсов, таких как уголь и газ, согласно исследованию, показанному ниже.

World Electricity Production Data

Кроме того, аккумуляторы EV изготовлены из вредных химических веществ, а при утилизации они снова загрязняют окружающую среду.Учитывая все это, EV может оказаться не таким экологически чистым, как мы думали. Либо это?

Многие эксперты сходятся во мнении о том, что электромобили более вызывающе экологичны, чем обычные автомобили ICE. Это из-за следующих причин.

Устойчивость: Как электромобили становятся популярными, так и сектор возобновляемой энергии. Мы медленно движемся к ветру и солнечной энергии для производства электроэнергии и, таким образом, делаем процесс производства электроэнергии более экологичным.

Топливо Стоимость перевозки: Многие люди не считают это. Бензин, который вы получаете на своей заправке, перекачивается, обрабатывается и транспортируется из нефтяной скважины в другое место. Все эти процессы связаны с загрязнением на некотором уровне. С другой стороны, для электромобилей электричество передается от электростанции в ваш дом по проводам, и эта установка уже установлена.

Регенерация энергии: Еще одна возможность, которая возможна только с электромобилями, - это выработка электроэнергии.Это не добавляет много, но все же имеет небольшое влияние на то, чтобы сделать электромобили более экологичными.

Итак, заключение о том, что электромобили, безусловно, будут намного более экологичными, чем ICE, если мы перейдем к использованию возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии и практикуем безопасную утилизацию батарей.

В чем разница между гибридным и электромобилем?

Некоторые люди склонны использовать термин «гибридное транспортное средство и электромобиль» взаимозаменяемо, что не так. Оба имеют совершенно разные значения.Проще говоря, если автомобиль работает как на электричестве, так и на газе, то это гибридное транспортное средство, если он работает только на электричестве и не может работать на газе, то он называется электромобилем. Вы можете убедиться, что автомобиль является EV, проверив, есть ли у него топливный бак, если нет топливного бака, то автомобиль, безусловно, EV.

Как у электромобилей, так и у гибридов есть свое значение. Гибридный автомобиль может исключить такие недостатки электромобиля, как время работы в топливном баксе, малый запас хода и т. Д., Но, поскольку у него есть оборудование как для ДВС, так и для электромобилей, эти автомобили обычно дороги.Автомобили Hybrids, как правило, нацелены на повышение эффективности автомобиля путем использования двигателя для движения автомобиля на низких скоростях.

,

электромобилей

Chevrolet Bolt on Highway

Все электромобили (EV) работают только на электричестве. Они приводятся в движение одним или несколькими электродвигателями, работающими от аккумуляторных батарей. У электромобилей есть несколько преимуществ перед обычными транспортными средствами:

  • Энергоэффективность. электромобилей преобразуют более 77% электрической энергии из сети в мощность на колесах. Обычные автомобили с бензиновым двигателем преобразуют только около 12–30% энергии, хранящейся в бензине, в мощность на колесах.
  • Экологически чистый. электромобилей не выделяют загрязняющих веществ в выхлопной трубе, хотя электростанция, производящая электричество, может их излучать. Электроэнергия от атомных, гидро-, солнечных или ветряных электростанций не вызывает загрязнения воздуха.
  • Преимущества производительности. Электродвигатели обеспечивают тихую, плавную работу и более сильное ускорение и требуют меньшего технического обслуживания, чем двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
  • Уменьшенная энергетическая зависимость .Электричество является внутренним источником энергии.
У

электромобилей есть некоторые недостатки по сравнению с бензиновыми автомобилями:

  • Дальность стрельбы. электромобилей имеют меньшую дальность движения, чем большинство обычных транспортных средств, хотя дальность движения электромобилей улучшается. Большинство электромобилей могут проехать более 100 миль за одну зарядку, а некоторые могут проехать более 200 или 300 миль в зависимости от модели.
  • Время перезарядки. Полная зарядка аккумулятора может занять от 3 до 12 часов.Даже «быстрая зарядка» до 80% емкости может занять 30 минут.
Батареи

для электромобилей рассчитаны на длительный срок эксплуатации, и исследования, проведенные Национальной лабораторией возобновляемой энергии Министерства энергетики США, показывают, что эти батареи могут работать от 12 до 15 лет в умеренном климате и от 8 до 12 лет в суровом климате. Тем не менее, эти батареи дороги, и замена их может быть дорогостоящей, если они выходят из строя.

Дополнительная информация

Гибридные и сменные электромобили

Преимущества и соображения электричества как топлива для транспортных средств

Техническое обслуживание и безопасность гибридных и сменных электромобилей

Аккумуляторы для гибридных и сменных электромобилей

Электромобили (EERE ресурс электромобиля)

EV использование энергии оценивается ORNL следующим образом:

  • КПД электродвигателя, включая потери на инверторе и редукторе, предполагается равным 76.4% -80,2%, используя оценки из Miller et. и др. (SAE 2011-01-0887) и корректировка в сторону понижения на 4% для паразитных потерь.
  • Эффективность зарядки аккумулятора может варьироваться, но она часто составляет от 84% до 93%, основываясь на опубликованных исследованиях (Chae et. Al., 2011; Гаутам и др. al., 2011) и данные с веб-сайта Айдахо Национальной лаборатории современных транспортных средств:
близко ,

Основы электромобиля | Министерство энергетики

Подобно тому, как в обычных транспортных средствах доступно множество технологий, подключаемые электромобили (также известные как электромобили или электромобили) обладают различными возможностями, которые могут удовлетворить различные потребности водителей. Главной особенностью электромобилей является то, что водители могут подключать их для зарядки от внешнего источника электроэнергии. Это отличает их от гибридных электромобилей, которые дополняют двигатель внутреннего сгорания аккумулятором, но не могут быть подключены.

Существует два основных типа электромобилей: электромобили (AEV) и гибридные электромобили (PHEV). AEV включают аккумуляторные электромобили (BEV) и электромобили на топливных элементах (FCEV). В дополнение к зарядке от электрической сети, оба типа заряжаются частично посредством рекуперативного торможения, которое генерирует электричество из части энергии, которая обычно теряется при торможении. Какой тип транспортного средства будет соответствовать вашему стилю жизни, зависит от ваших потребностей и привычек вождения. Узнайте, какие BEV и PHEV доступны для удовлетворения ваших потребностей.

Всеэлектрические транспортные средства (AEV) работают только на электричестве. У большинства есть полностью электрические диапазоны от 80 до 100 миль, в то время как у некоторых роскошных моделей есть диапазоны до 250 миль. Когда аккумулятор разряжен, для его зарядки может потребоваться от 30 минут (с быстрой зарядкой) до почти полного дня (с зарядкой уровня 1), в зависимости от типа зарядного устройства и аккумулятора.

Если этого диапазона недостаточно, лучшим вариантом может быть подключаемый электромобиль (PHEV). PHEV работают на электричестве для более коротких дистанций (от 6 до 40 миль), затем переключаются на двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине, когда батарея разряжена.Гибкость PHEV позволяет водителям использовать электричество как можно чаще, а также при необходимости заправляться бензином. Питание транспортного средства электричеством от электросети снижает затраты на топливо, снижает потребление нефти и снижает выбросы в выхлопной трубе по сравнению с обычными транспортными средствами. Когда дальность пробега больше, чем у полностью электрического диапазона, PHEV действуют как гибридные электромобили, потребляя меньше топлива и производя меньше выбросов, чем аналогичные обычные автомобили. В зависимости от модели двигатель внутреннего сгорания может также приводить автомобиль в другое время, например, при быстром ускорении или при использовании отопления или кондиционирования воздуха.PHEV также могут использовать водород в качестве топливного элемента, биотоплива или других альтернативных видов топлива вместо бензина.

Следуя некоторым рекомендациям, вы сможете максимизировать свой электрический диапазон и эффективность автомобиля, независимо от того, есть ли у вас AEV или PHEV.