Электромобиль: Эффективный под капотом | DEKRA

Электромобиль: Эффективный под капотом

03.08.2021

Электромобиль: Эффективный под капотом

Если это был бы просто вопрос эстетики, то электронный двигатель вряд ли смог бы конкурировать с элегантностью шестицилиндрового двигателя. Поскольку он в основном состоит из компактного корпуса, магнитов, медной проволоки и вала, потенциал для грандиозного зрелища довольно ограничен. Электронные двигатели должны впечатлять своими внутренними ценностями. И у них их предостаточно.

Электродвигатели поражают своей эффективностью. Фото: Shutterstock – герр Лоффлер

“Одним из больших преимуществ электродвигателя является эффективность, с которой он преобразует электроэнергию в мощность механического привода. Особенно в условиях городского движения электродвигатель превосходит двигатель внутреннего сгорания”, — говорит Андреас Рихтер, инженер Центра компетенций DEKRA в области электромобилей. С технологической точки зрения нет причин, по которым вы не должны использовать электромобиль, чтобы, например, забрать булочки в пекарне. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, у электромобиля нет проблем с холодным запуском и износом. Как объясняет Андреас Рихтер, двигатели электромобилей обладают очень высокой степенью эффективности, которая может превышать 90 процентов. Большая часть этой энергии используется для движения. Баланс для двигателей внутреннего сгорания намного хуже – в городе КПД может составлять менее десяти процентов, в то время как при средних и высоких нагрузках он достигает КПД в диапазоне от 25 до 40 процентов. Остальная энергия теряется в виде неиспользованного тепла.

Будь то электромобиль или стиральная машина – базовая конструкция двигателя одна и та же

Электродвигатели — это технология, которая была опробована и испытана в широком спектре применений в течение многих десятилетий. Поэтому базовая конструкция двигателя в электромобиле практически ничем не отличается от конструкции стиральной машины. В большинстве случаев используются двигатели переменного тока (AC), или, точнее, трехфазные двигатели. Это означает, что переменный ток поступает в корпус двигателя через три отдельных проводника (фазы). Внутри находятся два ключевых элемента привода, которые за счет взаимодействия электрических и магнитных сил преобразуют энергию, поступающую от батареи, в механическую энергию для приведения автомобиля в движение. Статор является неподвижной частью внутри корпуса и отвечает за мощность и эффективность. Ротор, в свою очередь, вращается внутри цилиндрического статора и прочно соединен со стальным валом для передачи энергии. Взаимодействие между ними начинается с момента запуска транспортного средства.

Взаимодействие магнитных сил заставляет вал двигателя вращаться

Во время электрической работы переменный ток поступает на катушки статора через клеммы на корпусе двигателя. Затем катушки непрерывно генерируют магнитное поле с короткими периодическими интервалами. Однако магнитные поля на различных катушках всегда генерируются с временным смещением друг от друга – это создает так называемое вращающееся поле внутри статора. Но как происходит вращательное движение ротора? Это зависит от конструкции электродвигателя.


Эксперты DEKRA проверяют соблюдение правил и мер безопасности на электромобилях. Фото: DEKRA Automobil

В синхронных двигателях роторы генерируют собственное магнитное поле. Используются магниты с постоянным магнитным полем – это называется синхронным двигателем с постоянными магнитами (PSM). Однако ротор также можно превратить в электромагнит с помощью постоянного тока – тогда система называется синхронным двигателем постоянного тока (FSM). В обоих случаях магнитные поля статора и ротора взаимодействуют путем притяжения и отталкивания их полюсов. Это приводит к вращательному движению, при котором ротор вращается синхронно с электромагнитным полем статора.

В асинхронных двигателях применяется другой принцип. Здесь ротор обычно не имеет ни магнитов, ни собственного источника питания. Вместо этого электромагнитное поле статора индуцирует ток в проводниках ротора, которые затем создают магнитное поле. В этой системе ротор всегда вращается немного медленнее, чем меняется электромагнитное поле статора – отсюда и название «асинхронный» двигатель. Эта конструкция считается особенно прочной и отличается высокой стабильностью на высоких скоростях. Синхронные двигатели, с другой стороны, обладают преимуществами с точки зрения плотности мощности и эффективности.

Силовая электроника берет на себя управление электропитанием

Одна из задач разработчиков двигателей состоит в том, чтобы подобрать автомобиль и силовой агрегат к желаемому профилю вождения. Это может быть проще для компактного автомобиля, чем для внедорожника с гораздо более широким использованием. Однако в обоих случаях силовая электроника является ключевым игроком в концепции привода автомобиля. Помимо прочего, электроника отвечает за управление питанием двигателя. Например, если автомобиль должен ускориться, силовая электроника определяет, сколько дополнительной энергии требуется, исходя из положения педали акселератора. Поскольку батарея отдает только постоянный ток, электроника должна обеспечивать ток в правильной форме, силе и частоте. С другой стороны, в случае рекуперации она берет на себя задачу преобразования энергии торможения в электрическую энергию постоянного тока и подачи ее в аккумулятор. Кроме того, силовая электроника постоянно следит за частотой вращения и мощностью двигателя. Она знает состояние аккумуляторных батарей и взаимодействует с зарядными станциями во время зарядки.

Полезно знать: Электрические двигатели также могут работать в режиме генератора. В этом случае они преобразуют механическую энергию в электрическую во время замедления, тем самым заряжая аккумулятор. Эта так называемая рекуперация увеличивает запас хода электромобиля. Это особенно эффективно там, где торможение требуется чаще – например, на трассах с уклоном вниз или в городском движении с часто меняющимися скоростями. По оценкам эксперта DEKRA Андреаса Рихтера, опытные водители могут увеличить запас хода на 20 процентов, умело используя рекуперацию.

Производительность электродвигателя становится очевидной на дороге


Измерение мощности: Теоретически электродвигатель также может работать в полную силу при движении задним ходом. Фото: DEKRA Automobil

Люди, которые используют электронный автомобиль в качестве второго автомобиля или чисто городского транспортного средства, могут довольствоваться меньшей мощностью. Даже при номинально слабом двигателе быстрая езда в городском движении вполне возможна. “Это связано с тем, что максимальный доступный крутящий момент электродвигателя почти полностью доступен при разгоне с места”, — говорит Андреас Рихтер. Однако на проселочных дорогах или шоссе крутящий момент слабого двигателя рано или поздно иссякает. Затем двигатель вырабатывает свой максимальный крутящий момент в доступном диапазоне оборотов – но только до тех пор, пока не достигнул максимальной мощности. В этот момент ускорение значительно уменьшается. Однако тем людям, которым нужна мощность, которые ценят максимально высокие скорости или динамичный спринт при обгоне, нужно электродвигатели более высокой мощности. Если бы существовала забавная формула для электромобиля, она звучала бы так: “Мощность можно заменить только еще большей мощностью”.

Полезно знать: Эффективная работа двигателя при любом вождении. Теоретически электродвигатель также может продемонстрировать свою полную работоспособность при реверсировании или рекуперации. Однако, как объясняет эксперт DEKRA Рихтер, производители проектируют электродвигатели таким образом, чтобы было возможно безопасное вождение с минимальным износом. По этой причине мощность электродвигателя обычно значительно снижается сразу же при реверсировании и рекуперации. Энергоэффективного использования электродвигателя также легко добиться на шоссе. Все, что нужно, – это снизить скорость — это уменьшает сопротивление воздуха, которое увеличивается со скоростью.

Трансмиссия является важным элементом в силовой установке

Чтобы механическая мощность наилучшим образом достигала колес, трансмиссия работает в качестве третьего элементы, наряду с двигателем и силовой электроникой. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, для постоянного поддержания крутящего момента и мощности в оптимальном диапазоне скоростей нет необходимости в переключении передач, поскольку электродвигатели обеспечивают свою мощность в широком диапазоне скоростей. Тем не менее, у электромобилей также есть трансмиссия. Это связано с тем, что вал ротора может вращаться с чрезвычайно высокими скоростями. Однако приводной вал для передачи механической энергии на колеса должен вращаться гораздо медленнее. Для достижения этой цели автопроизводители обычно полагаются на одноступенчатую трансмиссию, которая снижает скорость. Однако в конструкции трансмиссии есть свобода действий. Porsche Taycan, например, оснащен двухскоростной коробкой передач, которая обеспечивает максимальное ускорение и высокие максимальные скорости. Высокопроизводительные седаны также могли бы воспользоваться двухскоростной коробкой передач. Автомобильный поставщик ZF считает, что это может повысить эффективность электропривода на пять процентов. На практике это означало бы увеличение запаса хода. Но как насчет передачи заднего хода электропривода? Инженеры обходятся без этого. В конце концов, достаточно просто изменить направление вращения электродвигателя, чтобы электромобиль поехал назад.

Полезно знать: трансмиссия становится все более важной в электронном автомобиле. Volkswagen оснащает ID3 одноступенчатой коробкой передач. Поскольку электромобиль развивает максимальную скорость 160 километров в час при максимальной скорости 16 000 оборотов в минуту, потребовалось решение для достижения передаточного отношения к медленной скорости для оборотов приводного вала. Чтобы сэкономить место для установки, инженеры используют две шестерни меньшего размера вместо одного большого зубчатого колеса, которые выполняют функцию промежуточного передаточного числа. Поставщики автомобилей также разрабатывают свои собственные разработки. Например, Bosch только что объединила усилия с Технологическим университетом Эйндховена для разработки автоматической коробки передач, которая непрерывно регулирует скорость и крутящий момент электронного двигателя в соответствии со скоростью автомобиля.