مقارنة بين محركات المركبات الكهربائية المختلفة

إن تعايش البشر مع البيئة والتنمية المستدامة للاقتصاد العالمي يجعل الناس حريصين على البحث عن وسائل نقل منخفضة الانبعاثات وفعالة في استخدام الموارد، ولا شك أن استخدام السيارات الكهربائية هو حل واعد.

السيارات الكهربائية الحديثة هي منتجات شاملة تدمج مختلف التقنيات عالية التقنية مثل الكهرباء والإلكترونيات والتحكم الميكانيكي وعلوم المواد والتكنولوجيا الكيميائية.يعتمد أداء التشغيل الإجمالي والاقتصاد وما إلى ذلك أولاً على نظام البطارية ونظام التحكم في تشغيل المحرك.يتكون نظام قيادة المحرك في السيارة الكهربائية عمومًا من أربعة أجزاء رئيسية، وهي وحدة التحكم.محولات الطاقة والمحركات وأجهزة الاستشعار.في الوقت الحاضر، تشمل المحركات المستخدمة في السيارات الكهربائية عمومًا محركات التيار المستمر، والمحركات الحثية، ومحركات الممانعة التبديلية، والمحركات بدون فرش ذات المغناطيس الدائم.

1. المتطلبات الأساسية للسيارات الكهربائية للمحركات الكهربائية

إن تشغيل المركبات الكهربائية، على عكس التطبيقات الصناعية العامة، معقد للغاية.ولذلك، فإن متطلبات نظام القيادة مرتفعة للغاية.

1.1 يجب أن تتمتع محركات السيارات الكهربائية بخصائص الطاقة اللحظية الكبيرة، وقدرة التحميل الزائد القوية، ومعامل التحميل الزائد من 3 إلى 4)، وأداء التسارع الجيد، وعمر الخدمة الطويل.

1.2 يجب أن تتمتع محركات السيارات الكهربائية بنطاق واسع من تنظيم السرعة، بما في ذلك منطقة عزم الدوران الثابتة ومنطقة الطاقة الثابتة.في منطقة عزم الدوران الثابت، مطلوب عزم دوران عالي عند التشغيل بسرعة منخفضة لتلبية متطلبات البدء والتسلق؛في منطقة الطاقة الثابتة، تكون السرعة العالية مطلوبة عندما يكون عزم الدوران منخفضًا مطلوبًا لتلبية متطلبات القيادة عالية السرعة على الطرق المسطحة.يتطلب.

1.3 يجب أن يكون المحرك الكهربائي للسيارات الكهربائية قادرًا على تحقيق الكبح المتجدد عندما تتباطأ السيارة، ويستعيد الطاقة ويعيدها إلى البطارية، بحيث تتمتع السيارة الكهربائية بأفضل معدل لاستخدام الطاقة، وهو ما لا يمكن تحقيقه في مركبة محرك الاحتراق الداخلي .

1.4 يجب أن يتمتع المحرك الكهربائي للسيارات الكهربائية بكفاءة عالية في نطاق التشغيل بأكمله، وذلك لتحسين نطاق الإبحار بشحنة واحدة.

بالإضافة إلى ذلك، من المطلوب أيضًا أن يتمتع المحرك الكهربائي للسيارات الكهربائية بموثوقية جيدة، ويمكن أن يعمل لفترة طويلة في بيئة قاسية، وله هيكل بسيط ومناسب للإنتاج الضخم، وله ضوضاء منخفضة أثناء التشغيل، وسهل الاستخدام وصيانتها، ورخيصة الثمن.

2 أنواع وطرق التحكم في المحركات الكهربائية للمركبات الكهربائية
2.1 العاصمة
المحركات المزايا الرئيسية لمحركات التيار المستمر المصقولة هي التحكم البسيط والتكنولوجيا الناضجة.يتميز بخصائص تحكم ممتازة لا مثيل لها في محركات التيار المتردد.في السيارات الكهربائية التي تم تطويرها مبكرًا، تم استخدام محركات التيار المستمر في الغالب، وحتى الآن، لا تزال بعض السيارات الكهربائية مدفوعة بمحركات التيار المستمر.ومع ذلك، نظرًا لوجود الفرش والمبدلات الميكانيكية، فإن ذلك لا يحد فقط من التحسين الإضافي لقدرة التحميل الزائد للمحرك وسرعته، ولكنه يتطلب أيضًا صيانة متكررة واستبدال الفرش والمبدلات إذا تم تشغيله لفترة طويلة.بالإضافة إلى ذلك، بما أن الفقد موجود في الدوار، فمن الصعب تبديد الحرارة، مما يحد من التحسين الإضافي لنسبة عزم دوران المحرك إلى الكتلة.في ضوء العيوب المذكورة أعلاه في محركات التيار المستمر، لا يتم استخدام محركات التيار المستمر بشكل أساسي في السيارات الكهربائية المطورة حديثًا.

2.2 محرك حثي ثلاثي الطور يعمل بالتيار المتردد

2.2.1 الأداء الأساسي للمحرك الحثي ثلاثي الطور AC

المحركات الحثية ثلاثية الطور AC هي المحركات الأكثر استخدامًا.يتم تغليف الجزء الثابت والعضو الدوار بصفائح فولاذية من السيليكون، ولا توجد حلقات انزلاق ومبدلات ومكونات أخرى تتلامس مع بعضها البعض بين الأجزاء الساكنة.هيكل بسيط، عملية موثوقة ودائمة.تغطية الطاقة للمحرك التعريفي AC واسعة جدًا، وتصل السرعة إلى 12000 ~ 15000r/min.يمكن استخدام التبريد الهوائي أو التبريد السائل، مع درجة عالية من حرية التبريد.إنها تتمتع بقدرة جيدة على التكيف مع البيئة ويمكنها تحقيق كبح ردود الفعل المتجددة.بالمقارنة مع نفس محرك التيار المستمر، تكون الكفاءة أعلى، ويتم تقليل الجودة بمقدار النصف تقريبًا، والسعر رخيص، والصيانة مريحة.

2.2.2 نظام التحكم

للمحرك التعريفي AC لأن المحرك التعريفي ثلاثي الطور AC لا يمكنه استخدام طاقة التيار المستمر التي توفرها البطارية مباشرة ، والمحرك التعريفي ثلاثي الطور AC له خصائص إخراج غير خطية.لذلك، في السيارة الكهربائية التي تستخدم محركًا حثيًا ثلاثي الطور يعمل بالتيار المتردد، من الضروري استخدام جهاز أشباه موصلات الطاقة في العاكس لتحويل التيار المباشر إلى تيار متناوب يمكن تعديل تردده وسعته لتحقيق التحكم في التيار المتردد. محرك ثلاثي الطور.هناك بشكل أساسي طريقة التحكم v/f وطريقة التحكم في تردد الانزلاق.

باستخدام طريقة التحكم في المتجهات، يتم التحكم في تردد التيار المتردد لملف الإثارة للمحرك التعريفي ثلاثي الطور AC والتعديل الطرفي للمحرك التعريفي ثلاثي الطور AC للإدخال، والتدفق المغناطيسي وعزم الدوران للمجال المغناطيسي الدوار يتم التحكم في المحرك الحثي ثلاثي الطور AC، ويتحقق تغيير المحرك الحثي ثلاثي الطور AC.يمكن أن تلبي السرعة وعزم الدوران الناتج متطلبات خصائص تغيير الحمل، ويمكن أن تحصل على أعلى كفاءة، بحيث يمكن استخدام المحرك التعريفي ثلاثي الطور AC على نطاق واسع في السيارات الكهربائية.

2.2.3 عيوب

محرك حثي ثلاثي الطور يعمل بالتيار المتردد استهلاك الطاقة للمحرك الحثي ثلاثي الطور يعمل بالتيار المتردد كبير، والدوار سهل التسخين.من الضروري التأكد من تبريد المحرك الحثي ثلاثي الطور AC أثناء التشغيل عالي السرعة، وإلا فسيتعرض المحرك للتلف.عامل الطاقة للمحرك التعريفي ثلاثي الطور AC منخفض، لذا فإن عامل طاقة الإدخال لجهاز تحويل التردد وتحويل الجهد منخفض أيضًا، لذلك من الضروري استخدام جهاز تحويل التردد وتحويل الجهد ذو السعة الكبيرة.تكلفة نظام التحكم للمحرك الحثي ثلاثي الطور AC أعلى بكثير من تكلفة المحرك الحثي ثلاثي الطور AC نفسه، مما يزيد من تكلفة السيارة الكهربائية.بالإضافة إلى ذلك، فإن تنظيم سرعة المحرك الحثي ثلاثي الطور AC ضعيف أيضًا.

2.3 محرك DC بدون فرش مغناطيسي دائم

2.3.1 الأداء الأساسي لمحرك DC بدون فرش ذو مغناطيس دائم

محرك DC بدون فرش ذو مغناطيس دائم هو محرك عالي الأداء.أكبر ميزة له هي أنه يتمتع بالخصائص الخارجية لمحرك DC بدون بنية اتصال ميكانيكية مكونة من فرش.بالإضافة إلى ذلك، فهي تعتمد دوارًا مغناطيسيًا دائمًا، ولا يوجد فقدان للإثارة: يتم تثبيت ملف المحرك المسخن على الجزء الثابت الخارجي، وهو ما يسهل تبديد الحرارة.ولذلك، فإن محرك DC بدون فرش ذو المغناطيس الدائم لا يحتوي على شرارات تخفيف، ولا تداخل لاسلكي، وعمر طويل وتشغيل موثوق.سهولة الصيانة.بالإضافة إلى ذلك، فإن سرعتها لا تقتصر على التبديل الميكانيكي، وإذا تم استخدام محامل الهواء أو محامل التعليق المغناطيسي، فيمكن أن تعمل بسرعة تصل إلى عدة مئات الآلاف من الدورات في الدقيقة.بالمقارنة مع نظام محرك DC بدون فرش ذو مغناطيس دائم، فهو يتمتع بكثافة طاقة أعلى وكفاءة أعلى، وله احتمالية تطبيق جيدة في السيارات الكهربائية.

2.3.2 نظام التحكم للمحرك DC بدون فرش المغناطيس الدائم

محرك DC بدون فرش ذو مغناطيس دائم نموذجي هو نظام تحكم في ناقل الحركة شبه منفصل.نظرًا لأن المغناطيس الدائم يمكنه فقط توليد مجال مغناطيسي ذو سعة ثابتة، فإن نظام محرك DC بدون فرش ذو المغناطيس الدائم مهم جدًا.إنها مناسبة للتشغيل في منطقة عزم الدوران الثابت، بشكل عام باستخدام التحكم في التباطؤ الحالي أو طريقة SPWM من نوع التغذية المرتدة الحالية لإكمالها.من أجل توسيع السرعة بشكل أكبر، يمكن لمحرك DC بدون فرش ذو المغناطيس الدائم أيضًا استخدام التحكم في إضعاف المجال.إن جوهر التحكم في إضعاف المجال هو تعزيز زاوية الطور لتيار الطور لتوفير إمكانية إزالة مغنطة المحور المباشر لإضعاف وصلة التدفق في ملف الجزء الثابت.

2.3.3 قصور

محرك DC بدون فرش بمغناطيس دائم يتأثر محرك DC بدون فرش بالمغناطيس الدائم ويقيد بعملية مادة المغناطيس الدائم، مما يجعل نطاق الطاقة لمحرك DC بدون فرش بالمغناطيس الدائم صغيرًا، والحد الأقصى للطاقة هو عشرات كيلووات فقط.عندما تتعرض مادة المغناطيس الدائم للاهتزاز ودرجة الحرارة العالية والتيار الزائد، قد تنخفض نفاذيتها المغناطيسية أو تختفي المغناطيسية، مما يقلل من أداء محرك المغناطيس الدائم، بل ويتلف المحرك في الحالات الشديدة.الزائد لا يحدث.في وضع الطاقة الثابتة، يكون تشغيل محرك DC بدون فرش ذو المغناطيس الدائم معقدًا ويتطلب نظام تحكم معقدًا، مما يجعل نظام القيادة لمحرك DC بدون فرش ذو المغناطيس الدائم مكلفًا للغاية.

2.4 محرك التردد المتغير

2.4.1 الأداء الأساسي لمحرك الممانعة المبدلة

محرك الممانعة المبدل هو نوع جديد من المحركات.يحتوي النظام على العديد من الميزات الواضحة: هيكله أبسط من أي محرك آخر، ولا توجد حلقات انزلاق ولفائف ومغناطيس دائم على الجزء الدوار للمحرك، ولكن فقط على الجزء الثابت.هناك لف مركز بسيط، ونهايات اللف قصيرة، ولا يوجد وصلة بين الطور، وهو سهل الصيانة والإصلاح.لذلك، الموثوقية جيدة، ويمكن أن تصل السرعة إلى 15000 دورة/دقيقة.يمكن أن تصل الكفاءة إلى 85% إلى 93%، وهي أعلى من المحركات الحثية AC.الخسارة بشكل رئيسي في الجزء الثابت، والمحرك سهل التبريد؛الدوار عبارة عن مغناطيس دائم، وله نطاق تنظيم واسع للسرعة وتحكم مرن، وهو ما يسهل تحقيق متطلبات خاصة مختلفة لخصائص سرعة عزم الدوران، ويحافظ على كفاءة عالية في نطاق واسع.إنه أكثر ملاءمة لمتطلبات أداء الطاقة للسيارات الكهربائية.

2.4.2 نظام التحكم في محرك التردد

يتمتع محرك الممانعة المبدلة بدرجة عالية من الخصائص غير الخطية، وبالتالي فإن نظام القيادة الخاص به أكثر تعقيدًا.يتضمن نظام التحكم الخاص بها محول طاقة.

أ.لف الإثارة لمحرك التردد المحول لمحول الطاقة، بغض النظر عن التيار الأمامي أو التيار العكسي، يظل اتجاه عزم الدوران دون تغيير، ويتم تبديل الفترة.تحتاج كل مرحلة فقط إلى أنبوب مفتاح طاقة بسعة أصغر، وتكون دائرة محول الطاقة بسيطة نسبيًا، ولا يوجد بها عطل مباشر، وموثوقية جيدة، وسهولة تنفيذ التشغيل الناعم والتشغيل الرباعي للنظام، وقدرة كبح متجددة قوية .التكلفة أقل من نظام التحكم العاكس للمحرك التعريفي ثلاثي الطور AC.

ب.مراقب

تتكون وحدة التحكم من معالجات دقيقة ودوائر منطقية رقمية ومكونات أخرى.وفقًا لإدخال الأمر من قبل السائق، يقوم المعالج الدقيق بتحليل ومعالجة موضع الدوار للمحرك الذي يتم تغذيته بواسطة كاشف الموضع وكاشف التيار في نفس الوقت، ويتخذ القرارات في لحظة، ويصدر سلسلة من أوامر التنفيذ التحكم في محرك التردد المتغير.التكيف مع تشغيل المركبات الكهربائية في ظل ظروف مختلفة.يعتمد أداء وحدة التحكم ومرونة التعديل على تعاون الأداء بين البرامج والأجهزة الخاصة بالمعالج الدقيق.

ج.كاشف الموقف
تتطلب محركات الممانعة المبدلة كاشفات موضعية عالية الدقة لتزويد نظام التحكم بإشارات التغيرات في موضع وسرعة وتيار دوار المحرك، وتتطلب تردد تحويل أعلى لتقليل ضوضاء محرك الممانعة المبدلة.

2.4.3 عيوب محركات الممانعة المبدلة

يعد نظام التحكم في محرك التردد المتغير أكثر تعقيدًا قليلاً من أنظمة التحكم في المحركات الأخرى.يعد كاشف الموضع هو المكون الرئيسي لمحرك الممانعة المبدل، وأدائه له تأثير مهم على عملية التحكم في محرك الممانعة المبدل.نظرًا لأن محرك الممانعة المبدلة عبارة عن هيكل بارز بشكل مضاعف، فهناك حتماً تقلب في عزم الدوران، والضوضاء هي العيب الرئيسي لمحرك الممانعة المبدلة.ومع ذلك، فقد أظهرت الأبحاث في السنوات الأخيرة أنه يمكن قمع ضجيج محرك الممانعة المبدل تمامًا من خلال اعتماد تكنولوجيا التصميم والتصنيع والتحكم المعقولة.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للتقلبات الكبيرة في عزم الدوران الناتج لمحرك الممانعة المبدل والتقلب الكبير في تيار التيار المستمر لمحول الطاقة، يجب تركيب مكثف مرشح كبير على ناقل التيار المستمر.اعتمدت السيارات محركات كهربائية مختلفة في فترات تاريخية مختلفة، وذلك باستخدام محرك التيار المستمر الذي يتمتع بأفضل أداء للتحكم وبتكلفة أقل.مع التطوير المستمر لتكنولوجيا المحركات وتكنولوجيا تصنيع الآلات وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة وتكنولوجيا التحكم الآلي ومحركات التيار المتردد.تُظهر محركات التيار المستمر بدون فرش ذات المغناطيس الدائم والمحركات ذات الممانعة التبديلية أداءً فائقًا مقارنة بمحركات التيار المستمر، وتحل هذه المحركات محل محركات التيار المستمر تدريجيًا في السيارات الكهربائية.يقارن الجدول 1 الأداء الأساسي للمحركات الكهربائية المختلفة المستخدمة في السيارات الكهربائية الحديثة.في الوقت الحاضر، لا تزال تكلفة محركات التيار المتردد والمحركات ذات المغناطيس الدائم ومحركات الممانعة التبديلية وأجهزة التحكم الخاصة بها مرتفعة نسبيًا.وبعد الإنتاج الضخم، ستنخفض أسعار هذه المحركات وأجهزة التحكم في الوحدات بسرعة، مما سيلبي متطلبات المنافع الاقتصادية ويجعل سعر المركبات الكهربائية منخفضًا.