К таким электродвигателям предъявляются требования высокой эффективности при постоянстве тяговых характеристик, необходимости в периодическом техобслуживании, способности выдерживать перегрузки и загрязнение.
Двигатели переменного тока
Используются трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Обороты двигателя регулируются с помощью контроллера изменением частоты питающего напряжения. Такая конструкция практически не требует обслуживания.
КПД электродвигателя зависит от числа оборотов ротора. Например, двигатель мощностью 7 кВт имеет КПД 97% при 6000 об/мин и 82% при 1500 об/мин, максимальное число оборотов — 15000 об/мин. Момент на валу изменяется при коммутации обмоток статора с треугольника на звезду и обратно. При соединении обмоток статора в треугольник двигатель развивает большие обороты, что необходимо при движении по шоссе, при соединении в звезду увеличивается момент на валу — это нужно при ускорении или во время движения на подъем. Переключение обмоток звезда — треугольник аналогично переключению скоростей в коробке передач. Современный трехфазный двигатель электромобиля GM EVI развивает мощность 137 л. с. в диапазоне 7000...13000 об/мин, имеет момент на валу 150 н·м в диапазоне 0...7000 об/мин.
Электродвигатели постоянного тока
Наряду с трехфазным асинхронным двигателем на современных электромобилях используются электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, которые имеют хорошие скоростные и тяговые характеристики. Обороты электродвигателя постоянного тока пропорциональны напряжению питания, что упрощает управление. КПД электродвигателей постоянного тока ниже, чем у двигателей переменного тока, конструкция их сложнее, они нуждаются в регулярном обслуживании, более чувствительны к перегрузкам, максимальные обороты ниже. На электромобилях с двигателями постоянного тока устанавливают многоскоростные механические коробки передач.
В двигателях постоянного тока, используемых на электромобилях, обмотки возбуждения и ротора включены последовательно. При трогании момент на валу такого двигателя большой, но уменьшается с ростом оборотов. Такая характеристика удовлетворительна для езды по городу, но малопригодна для движения по шоссе. Смена полосы может потребовать движения с ускорением, которого электродвигатель обеспечить не может. Поэтому на некоторых электромобилях используются электродвигатели со смешанным (последовательно-параллельным) включением обмоток возбуждения.
Эффективность двигателей постоянного тока возрастает при замене электрически возбуждаемого статора постоянными магнитами. Дорогостоящие постоянные магниты создают более сильное магнитное поле, чем обмотки статора, двигатели имеют меньшие габариты и массу. Двигатели постоянного тока для электромобилей используются ограниченно и обычно небольшими автосборочными предприятиями.
Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока
Такие электродвигатели состоят из ротора на базе постоянных магнитов и трех- или четырехсекционной обмотки на статоре. Электронный коммутатор поочередно возбуждает секции обмотки так, чтобы возникающее магнитное поле постоянно приводило в движение ротор с магнитами. Позиция ротора определяется системой управления с помощью датчика. Преимуществом такого электродвигателя является отсутствие стираемых щеток, искрения в коллекторе, его эффективность и надежность выше, чем у обычных электродвигателей постоянного тока. Недостаток — значительное увеличение стоимости. Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока особенно эффективны при езде с высокой постоянной скоростью, поэтому большинство гоночных электромобилей оснащены именно такими двигателями.
Электродвигатели на электромобилях подключены к колесам через механические коробки переключения передач, иногда непосредственно. На рис. 10.4 показано размещение бесколлекторного тягового электродвигателя постоянного тока непосредственно в колесе, разработка компании Tokyo Electric Power Company. Такую конструкцию называют мотор-колесом. В обод колеса вмонтировано кольцо из постоянных магнитов на основе кобальта — самария. Обмотки возбуждения статора жестко связаны с осью колеса. Экспериментальный автомобиль имел привод всех четырех колес. Отсутствие механической передачи сделало управление двигателями слишком сложным.
Рис. 10.4. Мотор-колесо на основе бесколлекторното электродвигателя постоянного тока: 1 - ротор с набором постоянных магнитов, 2 - статор, 3 - статорная обмотка, 4 - обод колеса, 5 - шина
Серийная модель Toyota RAV4-EV приводится в движение бесконтактным электродвигателем постоянного тока с напряжением питания 288 В, мощностью 45 кВт в диапазоне 2600...2800 об/мин. Передние колеса ведущие, используется односкоростная коробка передач.
Электроприводные системы
Схемы управления тяговыми электродвигателями регулируют обороты и момент на валу, ограничивают максимальный ток. Используются электроприводы постоянного и переменного тока. По мере появления новых электронных компонентов меняется технология привода, производители электромобилей экспериментируют с различными схемами, добиваясь максимальной эффективности. Основные требования:
- плавное регулирование числа оборотов во всем диапазоне;
- высокий КПД;
- возможность рекуперации при торможении;
- защита от перегрузок и перегрева;
- высокий момент на старте;
- возможность реверса.
В приводах постоянного тока используются традиционные коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением. Обороты регулируются с помощью импульсных преобразователей постоянного напряжения. В бссколлекторных двигателях постоянного тока необходимость в обслуживании значительно уменьшена, они конкурируют с двигателями переменного тока.
Двигатели переменного тока недороги, практически не нуждаются в обслуживании, лучше, чем двигатели постоянного тока, подходят для массового производства. Для их управления нужны сложные трехфазные инверторы, формирующие напряжение переменной частоты. Последние достижения в области силовой электроники удешевляют электропривод переменного тока.
Электропривод постоянного тока
Схема показана на рис. 10.5. Обороты электродвигателя регулируются величиной подаваемого напряжения. Ключи полевые или биполярные, для шунтирования реактивных токов встречно-параллельно транзисторам включены вентили. Ключ VT₁ регулирует среднее значение напряжения на клеммах двигателя, т. е. его обороты. Когда VT₁ замкнут, напряжение Uпит аккумуляторной батареи подается на двигатель, когда VT₁ разомкнут, реактивный ток замыкается через вентиль VD₂. Среднее значение напряжения на клеммах двигателя пропорционально коэффициенту скважности (отношение времени замкнутого состояния транзистора VT₁ к периоду) преобразователя напряжения на транзисторе VT₁.
Рис. 10.5. Схема подключения двигателя постоянного тока
В режиме рекуперативного торможения ключ VT₁ разомкнут. Электродвигатель работает как генератор и подает зарядный ток на аккумулятор через вентиль VD₁. Зарядный ток регулируется коэффициентом скважности преобразователя постоянного напряжения на транзисторе VT₂.
Привод бесколлекторных двигателей постоянного тока
Это одно из достижений современной силовой электроники. На роторе электрической машины размешены постоянные магниты, на статоре — обмотки. Для вращения ротора обмотки поочередно подключаются к источнику питания электронным коммутатором. Имеется датчик для определения углового положения ротора. Обмотки статора могут подключаться к шинам питания разной полярности, чем достигается реверс. Коммутирующие транзисторы защищены обратными диодами.
Электропривод переменного тока
Используются трехфазные асинхронные электродвигатели. Для управления оборотами и моментом на валу применяю мой частотой и широтно-импульсной модуляцией.
На рис. 10.6 показана схема подключения электродвигателя к инвертору. Инвертор состоит из трех параллельных ветвей с двумя последовательными ключами в каждой. Ключи зашунтированы обратными диодами для прохождения реактивного тока. Трехфазное напряжение генерируется последовательной коммутацией ключей. Например, ключи 1, 2, 3 замыкаются одновременно, это подключает фазу «с» к положительной шипе аккумулятора, а фазы «а» и «b» — к отрицательной. Одновременное замыкание, например, ключей 1 и 4 недопустимо, так как это закоротит аккумуляторную батарею. Транзисторы включаются со сдвигом 60° но отношению друг к другу. Интервал проводящего состояния для каждого — 180°. Ключи коммутируются в последовательности: 123, 234, 345, 456, 561, 612, 123... При таком алгоритме работы инвертора напряжения на его выходах прямоугольные и регулирование тока двигателя отсутствует.
Рис. 10.6. Схема подключения электродвигателя переменного тока к инвертору
Для регулирования тока используется широтно-импульсная модуляция. Синусоидальный сигнал на частоте основной гармоники сравнивается с высокочастотным развертывающим сигналом треугольной формы. Каждый ключ во время своего проводящего состояния (в пределах интервала в 180°) открывается несколько раз, когда напряжение развертки превышает напряжение синусоиды. Обмотка двигателя выполняет роль низкочастотного фильтра, и ток в ней становится близким к синусоидальному с регулируемой амплитудой. КПД приводов переменного тока для электромобилей составляет 85...91%, они хорошо работают при движении электромобиля по городу.
Полупроводниковые ключевые устройства
Основным элементом в приводе постоянного или переменного тока является полупроводниковое ключевое устройство. Для электромобилей с двигателями мощностью 40...45 кВт и многоскоростной коробкой переключения передач ключ должен работать при напряжениях до 200 В и токах до 250 А, для односкоростной коробки передач — до 400...600 В и 400...500 А.
Ключевые элементы в электроприводах работают на частотах 10...20 кГц. Повышенная частота коммутации уменьшает шум в звуковом диапазоне, но увеличивает коммутационные потери, излучение электромагнитных помех. Желательно иметь время переключения ключа менее 1 мкс. В качестве ключевых элементов на электромобилях используются различные электронные устройства:
- Тиристоры давно применяются в приводах, выдерживают большие токи и напряжения, имеют относительно низкое напряжение в открытом состоянии. Не отключаются по цепи управления, их отключение на постоянном токе требует наличия сложных дополнительных электрических схем.
- Запираемые тиристоры отключаются по цепи управления, но работают в узком частотном диапазоне 1...5 кГц, напряжение в открытом состоянии больше, чем у обычных тиристоров. Энергия, подаваемая в цепь управления, также больше, что увеличивает потери мощности.
- Биполярные транзисторы работают в широком диапазоне частот, токов и напряжений. Обычно выполняются в виде транзисторных модулей для увеличения коэффициента усиления по току. В приводах современных электромобилей чаще всего используются именно биполярные транзисторы.
- Мощные полевые транзисторы (MOSFET) управляются напряжением, а не током, как биполярные транзисторы или тиристоры, это упрощает цепи управления. Работают в широком диапазоне частот. Недостатки: большое напряжение насыщения и чувствительность к перегреву.
- Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ — IGBT) — это биполярные транзисторы с полевыми транзисторами в цепи управления. Управляются напряжением. Напряжение насыщения и цена выше, чем у обычных транзисторных модулей. Сочетание широкого диапазона рабочих частот, токов, напряжений с возможностью управления напряжением делает БТИЗ перспективными для применения на электромобилях. Однако стоимость их пока достаточно высокая.
- Тиристоры с цепями управления на полевых транзисторах (МСТ — MOS Controlled Thyristor). МСТ-тиристор включается и отключается по цепи управления напряжением. Имеет широкий диапазон частот, токов и напряжений, перспективен для применения на электромобилях.
В табл. 10.2 приведены параметры ключевых устройств, применяемых в электроприводах на электромобилях.
Таблица 10.2
| Биполярные транзисторы | Полевые транзисторы | БТИЗ | МСТ-тиристоры | |
| Рабочий диапазон | 1200 В, 800 А | 500 В, 50 А | 1200 В, 400 А | 600 В, 60 А |
| Чем управляется | Током | Напряжением | Напряжением | Напряжением |
| Напряжение на открытом ключе, [В] | 1,9 | 3,2 | 3,2...1,7 | 1,1 |
| Частота, [кГц] | 10 | 100 | 20...40 | 20 |
| Di/dt, [А/мкс] | 100 | Большое значение | Большое значение | 1000 |
| Время включения | 1,7 мкс | 90 нс | 0,9 мкс | 1,0 мкс |
| Время отключения | 5 мкс | 0,14 мкс | 200 нс...1,4 мкс | 2,1 мкс |
Коробки переключения передач для электромобилей
На электромобилях используются коробки переключения передач (КПП), примерно такие же, как на автомобилях с ДВС. Эффективность привода электромобилей зависит от оборотов. Двигатель переменного тока обычно имеет КПД не менее 80% в диапазоне 2000...12000 об/мин, двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением — 70% в диапазоне 2000...5000 об/мин. Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет КПД больше 85% в диапазоне 3000...8000 об/мин.
Большинство конструкций электродвигателей имеют постоянный момент на валу в диапазоне от 0 до 4000...5000 об/мин, при более высоких оборотах момент падает. Это значит, что при скоростях 65...105 км/час электромобиль плохо ускоряется, при движении по шоссе это опасно.
Приведенные примеры показывают, что для эффективной работы электродвигатель должен иметь обороты более 2000...3000 в минуту, с другой стороны, колесо автомобиля на скорости 105 км/час делает только 500 оборотов в минуту. Вот почему, несмотря на электронное управление приводом, большинство электромобилей имеют механические коробки переключения передач с диапазоном передаточных отношений 4:1...8:1.
В электромобилях с КПП используется обычная автомобильная технология, когда ведущие колеса соединяются с валом двигателя через дифференциал и ручную или автоматическую коробку передач. На многих электромобилях, переделанных из обычных автомобилей, вместо ДВС устанавливается электродвигатель, коробка передач не меняется. Тем не менее многоскоростные коробки передач устанавливаются и на конструктивных (не переделанных) электромобилях. Например, электромобиль Fiat Panda Electric с двигателем 9,2 кВт имеет ручную коробку передач с четырьмя передними и одной задней скоростями.
Многоскоростные КПП устанавливаются совместно с электродвигателями постоянного тока с последовательным возбуждением, имеющими удовлетворительный КПД в относительно узком диапазоне оборотов. Коробка переключения передач в этом случае позволяет лучше согласовать характеристики электродвигателя с дорожными условиями.
Односкоростные КПП применяются совместно с электродвигателями, эффективно работающими в широком диапазоне оборотов (например, двигатели переменного тока). В этом случае для согласования характеристик двигателя с дорожными условиями достаточно одной понижающей передачи. На автомобилях, изначально спроектированных как электромобили, применяются именно такие передачи. Например, на модели Ford Ranger EV трехфазный электродвигатель встроен непосредственно в передний ведущий мост. На рис. 10.7 показан бесколлекторный двигатель постоянного тока с максимальным числом оборотов 7500 об/мин, встроенный в ведущий мост, с передаточным отношением 7,5:1.
Рис. 10.7. Ведущий мост со встроенным электродвигателем. 1 - постоянный магнит, 2 - статор, 3 - магнитная цепь, 4 - электрические провода, 5 - коронная шестерня, 6 - планетарная передача, 7 - планетарный дифференциал, 8 - выход дифференциала на левое колесо, 9 - выход на правое колесо, 10 - вход дифференциала, 11 - полый вал
Непосредственный привод
В электромобилях желательно подключать колеса непосредственно к электродвигателю без механических передач, что упрощает механическую конструкцию. Но такая схема требует сложных алгоритмов управления и ухудшаются ездовые характеристики электромобиля. Типичный пример реализации привода «мотор-колесо» приведен на рис. 10.4. Характеристики непосредственного привода могут быть улучшены возможностью коммутации обмоток трехфазного двигателя из звезды в треугольник и обратно, а для коллекторного двигателя постоянного тока — переключением обмоток возбуждения, последовательной и независимой.