Электрический автомобиль- это транспортное средство, приводимое в движение специальными электрическими двигателями. Питание электродвигателя осуществляется от аккумуляторной батареи,специализированных топливных элементов или солнечной батареи.
В недалеком будущем электромобили смогут полностью заменить автомобили с ДВС. Множество компаний по всему миру сосредоточили все усилия, чтобы разработать электромобиль, а способствует этому рост цен на нефтепродукты. Кроме того, актуальность электромобилей состоит еще и в том, что атмосфера становится все более загрязненной, поэтому нужно бороться с вредными выбросами двигателей внутреннего сгорания.
На данный момент самыми крупными рынками электромобилей являются такие ведущие страны как США, Япония, а также ряд европейских стран. В частности, в Германии до 2020 года на рынкедолжен быть 1 миллион электромобилей, и ФРГ должна стать ведущим рынком для электромобилей.
Лидирующими компаниями-производителями электромобилей являются такиепроизводители как, Tesla, Nissan, Toyota, Ford и др.
Электромобили разделяют на 3 условные группы:
— городские, с максимальной скоростью до 100 км/ч;
— шоссейные, максимальная скорость которых более 100 км/ч;
— спортивные. Их максимальная скорость более 200 км/ч.
Аккумуляторная батарея требует подзарядки через определенное время работы, которая осуществляется как от различных источников извне, так и от генератора, который устанавливается на борту автомобиля. Последний способ имеет особенность – генератор приводится в движение простым двигателем, так что такое авто стоит считать не электромобилем, а разновидностью гибридных автомобилей.
Конструкция электромобиля, в отличие от автомобиля с двигателями внутреннего сгорания, немного проще, но она более надежна, ведь в ней минимальное количество подвижных деталей и узлов. Основными конструктивными элементами электромобиля являются: аккумуляторная батарея, электродвигатель, трансмиссия, бортовое зарядное устройство, инвертор, преобразователь постоянного тока, электронная система управления (рис. 17.7).
Для того чтобы обеспечить питание главного тягового электродвигателя, в автомобиле установлена мощная тяговая аккумуляторная батарея.
На электромобили чаще всего применяют литий-ионную батарею, подобную устанавливаемую на гибридных автомобилях. Батарея состоит из нескольких модулей, соединенных между собой. Такие батареи представляют собой более современное поколение аккумуляторных батарей и сконструированы на основе соединений лития. В качестве электродов используются — различные оксиды металлического лития и графит, в качестве электролита различные растворители для солей лития.
Высоковольтная батарея (на примере электромобиля Mercedes-Benz KER System) состоит из 12 модулей, каждый из которых содержит 72 литий-ионных полимерных элементов, с общим числом элеменов – 864. АКБ Тесла имеет 16 модулей, состоящих из 7000 элементов.
В состав электромобиля входит электронная система управления, которая ответственна за безопасность, энергосбережение и за комфорт пассажиров. Она необходима для того, чтобы:
— управлять высоким напряжением;
— производить регулирование тяги;
— обеспечивать оптимальное движение;
— оценивать насколько хватит заряда батареи;
— управлять тормозной системой и контролировать расход энергии от аккумулятора.
Эта система объединяет в себе определенные входные датчики, блок управления, инвертор, преобразователь и другие устройства, которые имеются в электромобиле.
Чтобы преобразовать постоянное высокое напряжение, выдаваемое аккумуляторной батареей в трехфазное — переменное, производители используют специализированный инвертор (преобразователь), представляющий собой трансформатор. При этом три фазы переменного напряжения вначале выпрямляются, а затем сглаживаются, чтобы получить практически неизменное постоянное напряжение. При обратном преобразовании для привода электродвигателя постоянное напряжение батареи преобразуется в трёхфазное переменное напряжение.
Кроме того, такой преобразователь также предназначен для того, чтобы заряжать дополнительную 12 Вт батарею. Она нужна для питания других узлов и приспособлений. К ним относятся кондиционер, электрический усилитель руля, аудиосистема и др.
Источники зарядки преобразует переменный ток из электрической сети общего пользования, подводимый через вывод для зарядки, в постоянный ток. На специальных зарядных станциях, которые имеют мощность 50 кВт, аккумулятор заряжается на 80% всего за 30 минут. Кроме того, аккумуляторную батарею можно заменить. Это делается на специальной обменной станции. Все эти способы требуют реализации особой инфраструктуры, которая будет направлена на обслуживание электромобилей.
Электронная система управления преобразует постоянный ток от высоковольтной АКБ в трехфазный переменный ток, необходимый для привода синхронных электродвигателей, а также регулирует поток энергии в системе в любых условиях эксплуатации.
Электрический двигатель для современного электромобиля может быть, как постоянного, так и переменного тока. Его основная задача — передача крутящего момента на движитель электромобиля. Электродвигатели, работающие от переменного тока, могут быть асинхронные либо синхронные. Их мощность начинается от 15 кВт. Максимальная мощность может быть более 200 кВт. Если сравнивать электродвигатель с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), то эффективность первого по отношению к последнему составляет 90%:25%. Кроме того, у электродвигателя существует ряд других преимуществ, которые также очень важны и востребованы, а именно:
— максимального крутящего момента можно добиться при любой скорости;
— конструкция достаточно проста и нет необходимости в дополнительном охлаждении;
— может работать и в режиме генератора.
Выделяют два основных типа трехфазных двигателей переменного тока – синхронные и асинхронные.
Синхронный электродвигатель электромобиля включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.
Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом (рис. 17.8), либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.
В качестве электродвигателей наиболее часто используются электродвигатели трёхфазного тока.
Такой электродвигатель питается трёхфазным переменным током. Его принципиальная схема включает три катушки, которые в качестве статора расположены вокруг ротора и соответственно электрически соединены с одной из трёх фаз.
На роторе этого синхронного электродвигателя расположено несколько пар постоянных магнитов. Вследствие того, что на три катушки последовательно, на одну за другой, подаётся электрический ток, они в итоге генерируют вращающееся электромагнитное поле, которое приводит ротор во вращение.
Асинхронные двигатели, название обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно с вращающимся полем статора.
Особый интерес представляет собой оригинальный индукционный асинхронный бесщеточный электродвигатель электромобиля Tesla (рис.), который состоит из статора и ротора (рис. 17.9). Ротор представляет собой набор электропроводящих стержней 3 накоротко замкнутых с торцов дисками 2. Трехфазный переменный ток подается на статор. Проходя по обмоткам ток создает вращающееся четырех полюсное магнитное поле 4, которое индуцирует ток в стержнях ротора.
Питание электродвигателя осуществляется от АКБ выдающей напряжение порядка 288 В, ток от которой передается в инвертор 3 (рис.). Инвертор управляет частотой и амплитудой переменного тока, Изменяя частоту изменяют частоту вращения вала ротора, а значит и скорость движения электромобиля, изменяя амплитуду изменяют крутящий момент.
Электромобиль имеет систему рекуперации энергии. Во время торможения магнитное поле системы рекуперации начинает противодействовать вращению вала электродвигателя автомобиля, а рекуперируемая энергия заряжает аккумуляторную батарею. Электродвигатель в это время работает как генератор. Для того чтобы электродвигатель работал в режиме генератора, необходимо чтобы частота вращения ротора стала выше частоты магнитного поля. Инвертор генерирует электроэнергию в катушки статора, образуя больше энергии, чем требуется для работы электромобиля. Сгенерированный переизбыток электричества после его преобразования в постоянный ток идет на зарядку АКБ. Во время зарядки на ротор действует противоэлектродвижущаяся сила, поэтому ведущие колеса автомобиля замедляются.
Система охлаждения. Для защиты от перегрева все чувствительные компоненты электромобиля включены в контур жидкостного охлаждения (рис. 17.10).
Температура охлаждающей жидкости может доходить до 65 °C. Она контролируется и регулируется блоком управления двигателя. В контур жидкостного охлаждения входят следующие компоненты:
• высоковольтная АКБ;
• электропривод трёхфазного тока;
• зарядное устройство высоковольтной батареи;
• блок силовой и управляющей электроники электропривода.
Для охлаждения элементов АКБ используется гликолевый хладагент, который проходит по металлическим трубкам 11, через зазоры между элементами 12. Нагретый гликоль охлаждается, проходя через радиатор, установленный в передней части автомобиля.
При низких температурах окружающей среды аккумуляторы быстро нагреваются с помощью нагревательного элемента. Это помогает обеспечить гарантированный срок службы батарей. При очень высоких температурах окружающей среды, для охлаждения батарей дополнительно может быть задействована система кондиционирования воздуха.
Для увеличения срока службы элементов батареи в электромобилях постоянно контролируется напряжение каждой пары элементов и температуру каждого из модулей батареи. Такой контроль позволяет поддерживать все элементы в оптимальном диапазоне напряжения и температуры, что способствует продлению их срока службы.
В блоке аккумуляторных батарей возможно отличие в заряженности отдельных аккумуляторов (рис. 17.11), что снижает ёмкость батареи. С целью обеспечения одинакового уровня заряда осуществляется регулирование уровня заряда всех элементов батареи для достижения максимально возможной ёмкости батареи. Блок управления контроля модулей аккумуляторов измеряет напряжения и разряжает полностью зарядившиеся элементы через встроенные резисторы. Тем самым обеспечивается равномерный заряд всех элементов батареи и максимальное использование ёмкости батареи.
Для электромобиля возможны два вариант зарядки: от обычной сети переменного тока и от специальных колонок постоянного тока. При этом на выводы батареи для зарядки всегда подаётся постоянный ток. Различие заключается в том, к какому внешнему источнику тока подключается автомобиль. При зарядке от сети переменного тока система использует собственный бортовой выпрямитель. В зарядном устройстве переменный ток преобразуется в необходимый для заряда батареи постоянный ток.
При зарядке постоянным током напряжение подаётся на батарею через разъём для зарядки высоковольтной батареи непосредственно, без выпрямителя. Постоянный ток для зарядки создаётся при этом во внешнем зарядном устройстве.
При зарядке высоковольтной батареи заряжается также АКБ бортовой сети 12 В.
При подключении зарядного разъёма активируется БУ напряжения заряда высоковольтной АКБ. Он инициирует блокирование зарядного разъёма и активирует БУ двигателя. Этот блок управления обеспечивает, в свою очередь, перевод в состояние готовности блоков управления всех высоковольтных компонентов. Если все блоки управления исправны, замыкаются высоковольтные контакторы. БУ двигателя выдаёт БУ напряжения заряда высоковольтной АКБ разрешение заряжать батарею. В ходе зарядки он контролирует блоки управления всех включённых в этот процесс высоковольтных компонентов. При возникновении неисправности или сбоя БУ двигателя прекращает процесс зарядки.
Трансмиссия. Крутящий момент от электродвигателя к ведущим колесам передается через двухступенчатый редуктор (рис. 17.12).
Применение двухступенчатого редуктора обусловлено тем, что скорость вращения вала электродвигателя очень высокая, а снизить ее без потери мощности двигателя иным образом невозможно. Вращение от вала двигателя через шестерню 2 и шестерни промежуточного вала 3 передается на шестерню 4, связанную жестко с корпусом дифференциала 5. Вращающийся корпус дифференциала через сателлиты передает вращение на полуосевые шестерни и затем на приводные валы колес.
На электромобилях устанавливается обычный дифференциал, а не дифференциал с повышенным сопротивлением, позволяющим произвести полную или частичную блокировку колес. Это обусловлено тем, что привод трансмиссии от электродвигателя, в отличие от привода от двигателя внутреннего сгорания, позволяет при наличии разных коэффициентов сцепления колес производить кратковременные отключения трансмиссии. А это в свою очередь выравнивает передачу крутящего момента на колеса.
Задний ход электромобиля обеспечивается изменением порядка чередования фаз.