De structuur en het ontwerp van een volledig elektrisch voertuig verschillen van die van een traditioneel voertuig met een verbrandingsmotor. Het is bovendien een complexe systeemtechniek. Het vereist de integratie van accutechnologie, motortechnologie, autotechnologie en moderne regeltechniek om een optimaal regelproces te bereiken. In het ontwikkelingsplan voor elektrische voertuigen blijft het land vasthouden aan de R&D-strategie van "drie verticale en drie horizontale" en legt het de nadruk op onderzoek naar gemeenschappelijke sleuteltechnologieën van "drie horizontale" in lijn met de technologietransformatiestrategie van "volledig elektrische aandrijving", dat wil zeggen onderzoek naar de aandrijfmotor en het bijbehorende regelsysteem, de accu en het bijbehorende beheersysteem, en het aandrijflijnregelsysteem. Elke grote fabrikant formuleert zijn eigen bedrijfsontwikkelingsstrategie in overeenstemming met de nationale ontwikkelingsstrategie.
De auteur beschrijft de belangrijkste technologieën in het ontwikkelingsproces van een nieuwe energie-aandrijflijn en biedt daarmee een theoretische basis en referentie voor het ontwerp, de testen en de productie van de aandrijflijn. Het boek is opgedeeld in drie hoofdstukken waarin de belangrijkste technologieën van de elektrische aandrijving in de aandrijflijn van volledig elektrische voertuigen worden geanalyseerd. Vandaag beginnen we met een introductie van het principe en de classificatie van elektrische aandrijftechnologieën.
Figuur 1 Belangrijke schakels in de ontwikkeling van aandrijflijnen
Momenteel omvatten de belangrijkste technologieën voor de aandrijflijn van volledig elektrische voertuigen de volgende vier categorieën:
Figuur 2 De belangrijkste kerntechnologieën van de aandrijflijn
De definitie van een aandrijfmotorsysteem
Afhankelijk van de status van de accu en de energiebehoefte van het voertuig, zet het elektrische aandrijfsysteem de door de ingebouwde energieopslag om in mechanische energie. Deze energie wordt via de transmissie naar de aandrijfwielen overgebracht. Een deel van de mechanische energie van het voertuig wordt omgezet in elektrische energie en teruggevoerd naar de energieopslag wanneer het voertuig remt. Het elektrische aandrijfsysteem bestaat uit een motor, een transmissiemechanisme, een motorcontroller en andere componenten. De technische parameters van een elektrisch aandrijfsysteem omvatten hoofdzakelijk vermogen, koppel, snelheid, spanning, overbrengingsverhouding, voedingscapaciteit, uitgangsvermogen, spanning en stroomsterkte.
1) Motorcontroller
Ook wel omvormer genoemd, zet het de gelijkstroom van het accupakket om in wisselstroom. Belangrijkste componenten:
◎ IGBT: vermogenselektronische schakelaar, principe: via de controller wordt de IGBT-brugarm aangestuurd om met een bepaalde frequentie en volgorde te schakelen en zo driefasige wisselstroom op te wekken. Door de vermogenselektronische schakelaar te sluiten, wordt de wisselspanning omgezet. Vervolgens wordt de wisselspanning opgewekt door de duty cycle te regelen.
◎ Filmcondensator: filterfunctie; stroomsensor: detectie van de stroom in de driefasige wikkeling.
2) Besturings- en aansturingscircuit: computerbesturingskaart, aansturende IGBT
De motorcontroller zet gelijkstroom (DC) om in wisselstroom (AC), ontvangt elk signaal en levert het bijbehorende vermogen en koppel. De kerncomponenten zijn: een vermogenselektronicaschakelaar, een foliecondensator, een stroomsensor en een aansturingscircuit dat verschillende schakelaars opent, waardoor stromen in verschillende richtingen ontstaan en wisselspanning wordt opgewekt. Hierdoor kan de sinusvormige wisselstroom worden opgedeeld in rechthoeken. De oppervlakte van deze rechthoeken wordt omgezet in een spanning met dezelfde hoogte. De lengte van de x-as wordt geregeld door de duty cycle aan te passen, wat uiteindelijk resulteert in een equivalente omzetting van de oppervlakte. Op deze manier kan de gelijkstroom worden aangestuurd om de IGBT-brugarm met een bepaalde frequentie en in een bepaalde volgorde te sluiten via de controller, waardoor driefasige wisselstroom wordt opgewekt.
Momenteel zijn de belangrijkste componenten van het aansturingscircuit afhankelijk van import: condensatoren, IGBT/MOSFET-schakelbuizen, DSP's, elektronische chips en geïntegreerde schakelingen. Componenten die weliswaar zelf geproduceerd kunnen worden, maar waarvan de productiecapaciteit beperkt is, zijn speciale schakelingen, sensoren en connectoren. Voedingen, diodes, spoelen, meerlaagse printplaten, geïsoleerde draden en koelers kunnen eveneens zelf geproduceerd worden.
3) Motor: zet driefasige wisselstroom om in machine-energie.
◎ Structuur: voor- en achterdeksels, behuizingen, assen en lagers
◎ Magnetisch circuit: statorkern, rotorkern
◎ Schakeling: statorwikkeling, rotorgeleider
4) Zendapparaat
De versnellingsbak of reductiekast zet het koppel en de snelheid die de motor levert om in de snelheid en het koppel die het hele voertuig nodig heeft.
Type aandrijfmotor
De aandrijfmotoren worden onderverdeeld in de volgende vier categorieën. Momenteel zijn wisselstroominductiemotoren en permanentmagneetsynchrone motoren de meest voorkomende typen in elektrische voertuigen op nieuwe energiebronnen. Daarom richten we ons op de technologie van wisselstroominductiemotoren en permanentmagneetsynchrone motoren.
| DC-motor | AC-inductiemotor | Synchrone motor met permanente magneet | Geschakelde reluctantiemotor | |
| Voordeel | Lagere kosten, lage eisen aan het besturingssysteem | Lage kosten, breed vermogensbereik, geavanceerde besturingstechnologie, hoge betrouwbaarheid | Hoge vermogensdichtheid, hoog rendement, klein formaat | Eenvoudige structuur, lage eisen aan het besturingssysteem. |
| Nadeel | Hoge onderhoudsvereisten, lage snelheid, laag koppel, korte levensduur | Klein efficiënt oppervlak, lage vermogensdichtheid | Hoge kosten, slechte aanpasbaarheid aan de omgeving | Grote koppelfluctuatie, hoog werkgeluid. |
| Sollicitatie | Klein of mini elektrisch voertuig met lage snelheid | Elektrische bedrijfsvoertuigen en personenauto's | Elektrische bedrijfsvoertuigen en personenauto's | Voertuig met gemengde aandrijving |
1) AC-inductie asynchrone motor
Het werkingsprincipe van een asynchrone wisselstroommotor is dat de wikkeling door de stator en de rotor loopt. De rotor bestaat uit dunne stalen platen met een hoge magnetische geleidbaarheid. Driefasige elektriciteit stroomt door de wikkeling. Volgens de wet van Faraday wordt een roterend magnetisch veld opgewekt, waardoor de rotor gaat draaien. De drie spoelen van de stator zijn met elkaar verbonden onder een hoek van 120 graden, en de stroomvoerende geleider genereert magnetische velden eromheen. Wanneer driefasige stroom op deze speciale opstelling wordt aangesloten, veranderen de magnetische velden in verschillende richtingen met de verandering van de wisselstroom op een bepaald moment, waardoor een magnetisch veld met een uniforme rotatiesnelheid ontstaat. De rotatiesnelheid van het magnetische veld wordt de synchrone snelheid genoemd. Stel dat er een gesloten geleider in de lus is geplaatst. Volgens de wet van Faraday zal de lus, omdat het magnetische veld variabel is, een elektromotorische kracht ondervinden, waardoor er stroom in de lus ontstaat. Deze situatie is vergelijkbaar met een stroomvoerende lus in een magnetisch veld, die een elektromagnetische kracht op de lus opwekt, waardoor de rotor begint te draaien. Met behulp van iets dat lijkt op een kooianker, wekt een driefasige wisselstroom een roterend magnetisch veld op via de stator. Deze stroom wordt geïnduceerd in de kooiankerstang die kortgesloten is door de eindring, waardoor de rotor begint te draaien. Dit is de reden waarom de motor een inductiemotor wordt genoemd. In plaats van rechtstreeks elektriciteit op te wekken via elektromagnetische inductie, worden isolerende ijzeren kernen in de rotor aangebracht. De kleine ijzerdeeltjes zorgen voor minimale wervelstroomverliezen.
2) Wisselstroom synchrone motor
De rotor van een synchrone motor verschilt van die van een asynchrone motor. De permanente magneet is op de rotor gemonteerd en kan worden onderverdeeld in een opbouwtype en een inbouwtype. De rotor is gemaakt van siliciumstaalplaat en de permanente magneet is erin ingebed. De stator is aangesloten op een wisselstroom met een faseverschil van 120°, die de grootte en fase van de sinusvormige wisselstroom regelt. Hierdoor is het magnetische veld dat door de stator wordt opgewekt tegengesteld aan dat van de rotor, waardoor de rotor roteert. Op deze manier wordt de stator door de magneet aangetrokken en roteert deze met de rotor. Door de wisselstroom van stator en rotor wordt elke cyclus opnieuw gegenereerd.
Conclusie: De motorbesturing voor elektrische voertuigen is inmiddels gemeengoed geworden, maar is niet uniform en juist gediversifieerd. Elk motorbesturingssysteem heeft zijn eigen kenmerken. Elk systeem wordt toegepast in bestaande elektrische voertuigen. De meeste systemen maken gebruik van asynchrone motoren en permanentmagneet-synchrone motoren, terwijl er ook geëxperimenteerd wordt met reluctantiemotoren. Het is belangrijk te benadrukken dat motorbesturing technologieën zoals vermogenselektronica, micro-elektronica, digitale technologie, automatische regeltechnologie en materiaalkunde integreert, wat de brede toepassingsmogelijkheden en ontwikkelingsperspectieven van deze disciplines weerspiegelt. Het is een sterke concurrent op de markt voor elektromotoren in elektrische voertuigen. Om een plaats te veroveren in de toekomstige elektrische voertuigen, moeten alle soorten motoren niet alleen de motorstructuur optimaliseren, maar ook voortdurend de intelligente en digitale aspecten van het besturingssysteem onderzoeken.
Geplaatst op: 30 januari 2023
