Инженерный гайд по устройству электромобилей


По прогнозу Международного энергетического агентства, к 2030 году количество электромобилей в мире вырастет до 125 миллионов. И с учетом растущего спроса на ископаемое топливо и проблем с загрязнением от его сгорания такое будущее кажется наиболее вероятным. В связи с этим все крупные производители автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, такие как Ford и GM, постепенно переключают свое внимание на электромобили. Рынок и потребители нуждаются в более дешевом личном транспорте, и, кроме того, правительство начало поддерживать электромобили посредством своей политики. Принимая во внимание все эти факты, становится очевидным, что очень скоро мы увидим, что электромобили разъезжаются по нашим дорогам.

Инженерный гайд по устройству электромобилей

Изменения в этой сфере уже видны невооруженным взглядом. За последние несколько лет появилось много успешных производителей электромобилей, таких как Tesla, Kia Soul, Navistar и Kandi, и это лишь некоторые из них. И благодаря им произошло множество технологических прорывов в области аккумуляторов и двигателей электромобилей. Пока изменения идут, пришло время нам, инженерам, понять, что находится под капотом электромобиля и как все это работает. Итак, в этой статье давайте разберем электромобиль до "костей и плоти", чтобы узнать как можно больше о принципах работы электромобилей.

Важное примечание: прежде чем мы углубимся, я хотел бы упомянуть, что термин «электромобиль» имеет обширную основу. Любой локомотив, у которого нет топливного бака, называется электромобилем. Но в этой статье об электромобилях мы будем иметь ввиду только электромобили, автобусы и грузовики. Если не указано иное, специальные электромобили, такие как сегвеи, бортовые или водные электромобили, не входят в сферу рассмотрения этой статьи.

Из каких компонентов состоит электромобиль?

Электромобиль сам по себе является автомобилем и состоит из множества компонентов и большого набора проводов, соединяющих их все. Но для электромобиля существует несколько базовых минимальных компонентов, которые показаны на блок-схеме ниже.

Основные компоненты электромобиля

Двигатель обычного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания заменяется электрическим двигателем, а топливный бак заменяется аккумуляторной батареей. Из всех этих компонентов только аккумулятор и двигатель составляют около 50% общего веса и цены автомобиля. Как вы можете видеть, аккумуляторная батарея, контроллер системы управления батареями (BMS), двигатель и трансмиссия составляют основные компоненты электромобиля.

Жизненно важные части электромобиля

Аккумуляторная батарея является источником топлива электромобиля. Поскольку в аккумуляторную батарею входят сотни ячеек, для контроля этих ячеек требуется специальная схема, эта схема называется схемой мониторинга батареи. Напряжение постоянного тока от аккумулятора нельзя использовать для привода двигателя, поэтому нам нужен контроллер, который управляет двигателем, а система трансмиссии передает энергию вращения от двигателя на колеса через соответствующие механизмы передачи. Давайте подробно рассмотрим каждую из этих частей, чтобы лучше понять как работают электромобили.

Аккумуляторы для электромобилей

Аккумуляторы являются источником топлива для электромобилей, но важно также знать, что аккумуляторы — не единственный источник топлива. Существуют и другие альтернативы топлива для электромобилей, такие как топливный элементы или суперконденсаторы, но оба они все еще находятся на стадии разработки и пока еще не получили коммерческого рапространения. Итак, давайте в этой статье сосредоточимся только на электромобилях с батарейным питанием.

Первое, что вам следует знать об аккумуляторах в электромобилях, заключается в том, что, в отличие от вашего мобильного телефона, в котором есть только один аккумулятор, электромобили питаются от сотен, если не тысяч батарей, соединенных вместе в блок. Чтобы дать вам представление, у Tesla 7000 батарей, а у Chevrolet Spark — 600 батарей. Полная архитектура аккумуляторов состоит из элемента, аккумуляторного модуля и аккумуляторного блока.

Ячейка

Ячейка относится к одной батарее. В зависимости от химического состава ячеек существует много разных размеров и форм. Наиболее часто используемыми химическими веществами являются свинцово-кислотные аккумуляторы и литиевые аккумуляторы. Эти батареи доступны в различных формах, таких как цилиндрические, в виде монеты, призматические и плоские, некоторые из которых показаны ниже.

Цилиндрические аккумуляторы Плоская литий-ионная батарея

Номинальное напряжение ячеек (на ячейку) будет составлять от 3,7 В для литиевых батарей и максимум 12 В для свинцово-кислотных батарей. Но, как вы уже догадались, этого напряжения недостаточно для работы электромобиля. Например, напряжение аккумуляторной батареи Tesla составляет 356 В, и даже для обычного электрического велосипеда нам нужно минимум 36 В. Так как же нам получить это более высокое напряжение от литиевых элементов, напряжение которых составляет всего 3,7 В?

Батарейный модуль

Таким образом, чтобы получить более высокое напряжение от литиевых элементов 3,7 В, используются аккумуляторные блоки, которые образуются путем объединения нескольких батарей. Когда две батареи соединяются последовательно, их номинальное напряжение суммируется, а когда две батареи подключаются параллельно, добавляется их номинал Ач. Например, предположим, что у нас есть литиевые батареи 3,7 В, 2000 мАч. Если вы соедините две 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 иметь напряжение 3,7 В и 4000 мАч.

Принцип последовательного и параллельного соединения батарей

Одного напряжения литиевого элемента и номинала Ач (Ампер-час, в англ. Ah) недостаточно для управления электромобилем, поэтому эти элементы подключаются последовательно и параллельно, чтобы увеличить результирующее напряжение системы. Этот пакет называется модулем. Для людей, которые плохо знакомы с батареями, термин «Ач» может сбить с толку: существует множество таких параметров, связанных с батареями, которые мы рассмотрим в отдельной статье. На данный момент вы можете думать о Ah как о запасе топлива электромобиля: чем больше Ah, тем больше пробег мы можем получить от электромобиля .

Модуль из литиевых батарей Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Разумеется, недостаточно просто соединить ячейки в модули и "наслаждаться" повышенным напряжением и емкостью. Не все ячейки в модуле являются полностью идентичными вследствие небольших технологических отклонений в процессе их производства, также ячейки в блоке могут неравномерно "устаревать" со временем. Чтобы бороться с этими негативными факторами применяют так называемые методы балансировки ячеек в блоках аккумуляторов.

Аккумуляторная батарея

Как только напряжение системы и номинальная мощность Ач будут получены путем объединения различных модулей в последовательной и параллельной конфигурации, эту установку следует разместить внутри электромобиля. Но это не так просто; причина - его сложность. Литиевые элементы нестабильны по своей природе. Любые неисправности, такие как короткое замыкание или чрезмерная зарядка или разрядка, могут привести к сильному нагреву батарей, что может привести к их возгоранию или взрыву. Поэтому для обеспечения безопасной работы необходимо контролировать напряжение тока и температуру каждой ячейки. Обязанность мониторинга элементов во время процедуры зарядки и разрядки возложена на схему, называемую системой управления батареями или сокращенно BMS (Battery Management system). Мы ее более подробно рассмотрим далее в этой статье.

Итак, как только аккумуляторный модуль готов, его следует подключить к BMS и системе охлаждения для безопасной эксплуатации аккумулятора. Вся установка хранится в стальном корпусе для предотвращения механических повреждений. Это полное устройство вместе с BMS, корпусом системы охлаждения и аккумуляторными модулями вместе называется аккумуляторной батареей автомобиля. Эти пакеты обычно большие и занимают всю площадь электромобиля, как показано на рисунке ниже. На этом изображении электромобиль Nissan Leaf разрезан наполовину чтобы вы могли получить представление о расположении в нем основных компонентов.

Разрезанный пополам электромобиль Nissan Leaf

О батареях электромобилей еще предстоит раскрыть массу информации, но ради этого урока давайте на этом закончим.

Система управления батареями (BMS)

Теперь, когда мы узнали об аккумуляторах в электромобилях, нам следует узнать о системе управления аккумуляторами. BMS подобна мозгу или хранителю аккумуляторов: как мы видели ранее, в электромобиле много аккумуляторов, и для обеспечения безопасности необходимо контролировать каждую батарею. Для свинцово-кислотных аккумуляторов BMS не является обязательным, хотя некоторые люди его используют, 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, при чрезмерной зарядке или чрезмерной разрядке, аккумулятор может нагреться и даже сгореть. Схема просто контролирует напряжение или ток элемента и разрывает соединение с нагрузкой, если оно превышает безопасные пределы. Для этого существует множество способов, о которых мы поговорим в отдельной статье. Хотя если вы хотите узнать больше о литиевых батареях, прочтите эту статью.

Литиевая батарея со схемой защиты

Каждая BMS измеряет только три жизненно важных параметра батареи: напряжение, ток и температуру элемента. Она 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, например, для измерения SOC и SOH батареи .

SOC (State of Charge) означает состояние заряда, а SOH (State of health) означает состояние здоровья. В отличие от автомобиля с ДВС, количество топлива, оставшегося в аккумуляторе, невозможно измерить, взглянув на него напрямую. Некоторые люди даже думают, что измерение напряжения на клеммах аккумулятора может определить емкость аккумулятора, но это неправда и это не так просто. Точно так же SOH определяет ожидаемый срок службы батареи. И SOC, и SOH являются жизненно важной информацией для потребителя, поскольку SOC сообщает вам, как далеко вы можете проехать до подзарядки, а SOH сообщает вам, когда пришло время заменить батареи. BMS обязана измерять оба этих параметра. Как происходит это измерение – это совершенно другая история, и мы рассмотрим ее в отдельной статье.

Схемы BMS часто бывают сложными, на рисунке ниже показана простая 4-ячеечная литиевая BMS. Представьте себе BMS автомобиля, который должен контролировать около 7000 ячеек.

4-ячеечная литиевая BMS

Электродвигатели для транспортных средств

Аккумуляторы — это топливные баки электромобиля, а моторы — его двигатели. В электромобилях используется много типов двигателей, и тот, который используется для скутеров и велосипедов, полностью отличается от того, который используется в автомобилях. Давайте кратко рассмотрим наиболее часто используемые из них: это двигатели BLDC, коллекторные двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели переменного тока. Также на нашем сайте вы можете прочитать статью об основах построения электродвигателей.

Двигатели BLDC

Двигатели BLDC были выбором для электромобилей с момента их появления в 1900 году. Даже сегодня они широко используются в электрических велосипедах и скутерах. BLDC означает  бесщеточный двигатель постоянного тока. Эти двигатели имеют постоянный крутящий момент и быстрый отклик, что делает их подходящими для автомобильного применения. Помимо электромобилей, эти двигатели также используются в стеклоочистителях, электрических стеклоподъемниках и т. д. Электродвигатели BLDC для электромобилей также можно разделить на следующие два типа.

Ступичные двигатели BLDC

В двигателе типа BLDC Hub ротор магнита представляет собой само колесо, а это означает, что нет необходимости в соединительном устройстве, поскольку обод колеса образует двигатель. Эти двигатели также называются двигателями с внешними направляющими BLDC. Преимущество этого типа двигателя заключается в меньших механических потерях, а также в отсутствии стоимости трансмиссии и уменьшении веса. Обратной стороной является то, что мы не можем использовать передаточное число двигателей большой мощности из-за ограничений по размеру. Ниже показан мотор-концентратор BLDC скутера. Почти все электрические велосипеды и самокаты, которые вы встретите на дороге, используют двигатели такого типа.

Внешний вид ступичного двигателя BLDC

Двигатели BLDC In-runner

Еще один тип двигателей BLDC — это In-runner. Они используются в приложениях, где требуется блок передачи. Обычно они соединены с дифференциалом для 3- или 4-колесных электромобилей. Эти двигатели выглядят как обычные двигатели с валом, который вращается при включении двигателя. Ниже показан двигатель электронного рикши с бегунком, соединенный с дифференциалом.

Внешний вид двигателя BLDC In-runner

Коллекторные двигатели постоянного тока

Коллекторный двигатель постоянного тока, также известный как последовательный двигатель постоянного тока, был предпочтительным выбором для всех старых электромобилей. Эти двигатели обеспечивают большой крутящий момент, который легко может придать электромобилю спортивный вид. Тяга/подхват электромобиля будет почти на уровне среднего обычного автомобиля, в котором эти моторы использовались гонщиками в то время. Но теперь, после 2008 года, эти двигатели больше не используются, потому что двигатели постоянного тока не могут обеспечить постоянный крутящий момент при изменяющейся нагрузке. То есть подниматься на машине в гору будет сложно. Кроме того, двигатели постоянного тока не могут запуститься без нагрузки, то есть они не могут запуститься самостоятельно из-за высокого начального тока, который может повредить сам двигатель. Сегодня эти двигатели обычно используются в гольф-карах, их изображение показано ниже.

Коллекторный двигатель постоянного тока

Асинхронные двигатели переменного тока

В большинстве современных электромобилей, таких как Tesla, используется асинхронный двигатель переменного тока. Например, модель Tesla S использует трехфазный асинхронный двигатель переменного тока. Возможно, вы уже догадались, потому что сама компания названа в честь Теслы, который изобрел трехфазный асинхронный двигатель переменного тока. Причина, по которой выбраны эти двигатели, заключается в том, что они не содержат постоянных магнитов и, следовательно, имеют низкую стоимость. Они также имеют хорошую долговечность, так как в них нет магнитов, а магниты теряют свою силу в течение дня. Обратной стороной двигателя является то, что трудно контролировать скорость и крутящий момент двигателя, и требуются сложные схемы для управления этими процессами. Ниже приведено изображение передних колес Tesla Model S.

Передние колеса Tesla Model S с асинхронными двигателями переменного тока

Контроллер

Очень велика вероятность, что этот вопрос уже назрел у вас самим собой. Мы знаем, что электромобили работают от аккумуляторов постоянного тока, и у нас есть двигатели, работающие от трехфазного переменного тока. Как они оба будут работать вместе? Эту работу выполняет контроллер автомобиля: от базового велосипеда до родстера Tesla. Каждый электромобиль имеет свой собственный контроллер, который преобразует напряжение постоянного тока от аккумулятора до уровня, подходящего для работы двигателей. Он также контролирует скорость двигателя.

Контроллер получает все входные данные от пользователя, такие как величина дроссельной заслонки (ускорение), давление отключения, режим движения и т. д., и соответствующим образом управляет скоростью двигателя. Если моторы считать мышцами автомобиля, то контроллер — это его мозг. Контроллер часто является общим термином и 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 низкочастотные устройства.

Помимо этого контроллер также обеспечивает рекуперативное торможение. Это процесс преобразования кинетической энергии в электрическую. То есть, когда электромобиль съезжает со склона, двигатель свободно вращается за счет кинетической энергии. В этой ситуации двигатели можно заставить действовать как генераторы, чтобы полученную таким образом мощность можно было использовать для зарядки аккумуляторов. Он есть у большинства современных электромобилей, но его производительность и функциональность до сих пор остаются спорными.

Зарядные устройства для электромобилей

Еще одним важным компонентом электромобиля, требующим усовершенствования, являются зарядные устройства. Среднестатистическому электромобилю требуется минимум 5 часов чтобы зарядиться, что в сочетании с его очень небольшим пробегом становится иногда катастрофой. Средний американец проезжает более 50 км в день, в этом случае электромобиль, который на полной зарядке обеспечивает запас хода 90 км, должен заряжаться почти каждый день. Это делает зарядные устройства достаточно часто используемым компонентом.

Они подключается к сети переменного тока и преобразуют переменный ток в постоянный для зарядки аккумуляторов. Но есть еще, что добавить к этому. Зарядка — это процесс, в котором батареи и зарядное устройство должны сосуществовать вместе. Вы не можете пропускать ток внутрь батареи, если батарея не готова его принять. Существует много типов зарядных устройств для электромобилей, наиболее распространенные их типы обсуждаются ниже.

Зарядное устройство уровня 1. Это самые простые зарядные устройства, и, вероятно, именно они есть в вашем автомобиле. Зарядка аккумуляторов занимает много времени, поскольку они работают от напряжения 120 В переменного тока. Они преобразуют это напряжение 120 В переменного тока в постоянный и используют его для зарядки аккумуляторов. Номинальный ток зарядного устройства также будет низким, где-то около 8-10 А, это означает, что вы будете подавать меньший ток и, следовательно, зарядка аккумуляторов в ночное время займет больше времени. Положительным моментом является то, что этот метод увеличивает срок службы аккумулятора, поскольку ток зарядки у нас меньше.

Зарядное устройство уровня 2: оно немного быстрее, чем зарядное устройство уровня 1. Зависит от производителя, предоставит ли он вам зарядное устройство уровня 1 или уровня 2. Зарядные устройства уровня 2 работают при более высоких напряжениях, например 240 В или выше, а также имеют высокий номинальный ток от 40 до 50 А. Благодаря этому автомобиль заряжается быстрее.

Зарядные устройства уровня 3. Зарядные устройства уровня 3 меняют правила игры, их также называют суперзарядными устройствами или быстрыми зарядными устройствами. Они могут зарядить ваш автомобиль до 60% от его общей емкости за 30 минут. Обратной стороной является то, что, поскольку он пропускает большой ток внутри вашей батареи, например 100 А для Теслы (безумие! Да), батареи внутри будут чувствовать себя так, словно проходят ускоренный курс весь год. Таким образом, со временем срок службы батареи сокращается. Кроме того, большинство таких зарядных устройств не заряжают аккумуляторы до 100%, поскольку для зарядки аккумулятора с 80% до 100% потребуется больше времени. На следующем рисунке показана суперзарядная станция Tesla.

Суперзарядная станция Tesla

Я полагаю, что теперь у вас есть общее представление о том, что такое электромобиль и как он работает. Теперь давайте ответим на несколько распространенных вопросов, которые возникают у каждого на уме, когда речь идет об электромобилях.

Поскольку электроэнергия поступает от угольной электростанции то экологичны ли электромобили?

Этот вопрос является спорным, поскольку электромобили работают на батареях, электричество для зарядки этих батарей поступает от электростанции, и около 61% мировой электроэнергии производится из невозобновляемых ресурсов, таких как уголь и газ, согласно исследованию, показанному ниже.

Доля ресурсов, используемых для производства электроэнергии в мире

Кроме того, аккумуляторы электромобиля изготовлены из вредных химикатов и при утилизации снова загрязняют окружающую среду. Учитывая все это, электромобиль может оказаться не таким экологичным, как мы думали. Так ли это?

Многие эксперты сходятся во мнении, что электромобили явно более экологичны, чем обычные автомобили с ДВС. Это происходит по следующим причинам.

Устойчивое развитие. Сектор возобновляемых источников энергии становится все популярнее, чем электромобили. Мы постепенно движемся к использованию ветровой и солнечной энергии для производства электроэнергии и, таким образом, делаем процесс производства электроэнергии более экологичным.

Стоимость перевозки топлива. Многие люди не учитывают это. Бензин, который вы получаете на своей заправочной станции, был перекачан, переработан и транспортирован из нефтяной скважины в другом месте. Все эти процессы на определенном уровне предполагают загрязнение. С другой стороны, для электромобилей электричество передается от электростанции в ваш дом по проводам, и эта схема не загрязняет окружающую среду.

Регенерация энергии. Еще одна возможность, которая возможна только с электромобилями, — это регенерация электроэнергии. Это не добавляет многого, но все же оказывает небольшое влияние на повышение экологичности электромобилей.

Итак, подведем итог: электромобили наверняка будут намного экологичнее, чем ДВС, если мы перейдем к возобновляемым источникам энергии для производства электроэнергии и будем практиковать безопасную утилизацию аккумуляторов.

В чем разница между гибридным автомобилем и электромобилем?

Некоторые люди склонны использовать термины «гибридный автомобиль» и «электрический автомобиль» как синонимы, но это не так. Оба имеют совершенно разное значение. Проще говоря, если транспортное средство работает как на электричестве, так и на газе, то это гибридное транспортное средство, если оно работает только на электричестве и не может работать на газе, то оно называется электромобилем. Вы можете убедиться, что автомобиль является электромобилем, проверив, есть ли у него топливный бак. Если топливного бака нет, то автомобиль наверняка является электромобилем.

И электромобили, и гибриды имеют свое значение. Гибридный автомобиль может исключить такие недостатки электромобилей, как время горения топлива, малый запас хода и т. д., но поскольку у него есть оборудование как для ДВС, так и для электромобилей, эти автомобили обычно стоят дорого.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
51 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *