CC BY
678
УДК 539.3
ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ И ГИБРИДНЫХ
АВТОМОБИЛЕЙ
В. Д. Мигаль, проф., д.т.н., В. Я. Двадненко, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Представлен анализ преимуществ и недостатков тяговых электродвигателей следующих типов: вентильные электродвигатели, частотно управляемые асинхронные электродвигатели, электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением и постоянного тока с последовательным возбуждением.
Ключевые слова: электромобиль, гибридный автомобиль, электропривод, преимущества и недостатки.
ВИБ1Р ЕЛЕКТРОДВИГУН1В ДЛЯ ЕЛЕКТРОМОБ1Л1В I Г1БРИДНИХ
АВТОМОБ1Л1В
В.Д. Мигаль, проф., д.т.н., В.Я. Двадненко, доц., к.т.н., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотаця. Подано анал1з переваг i недолМв електропривода таких титв: вентильм електро-двигуни, асинхронт двигуни - частотно кероват, посттного струму iз двигуном незалежного збудження та посттного струму iз двигуном по^довного збудження.
Ключов1 слова: електромобть, гiбридний автомобть, електропривiд, переваги i недолти.
SELECTION OF ELECTRIC MOTORS FOR ELECTROMOBILES AND HYBRID
VEHICLES
V. Migal, Prof., D. Sc. (Eng.), V. Dvadnenko, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. An analysis of the advantages and disadvantages of traction motors of the following types: BLDC motors, variable frequency driven asynchronous motors, DC motors with separate excitation, DC motors with series excitation is presented.
Key words: electromobile, hybrid car, electric drive, advantages and disadvantages.
Введение
Эксплуатация электромобиля в городских условиях характеризуется произвольным чередованием режимов разгона, торможения и движения с установившейся скоростью, преодоления подъемов и спусков, кратковременных стоянок (заторы, светофоры, перекрестки) и «случайной» нагрузки на систему тягового электропривода. В этих условиях электромобиль работает практически при постоянном изменении управляющего воздействия на системы автоматического регулирования (САР), которые взаимодействуют
с аккумуляторной батареей, преобразователями частоты и напряжения и с электрической машиной.
На рис. 1 приведены экспериментально снятые параметры движения электромобиля в городских условиях. САР позволяют уменьшить неблагоприятное воздействие на электромобиль переходных процессов и имеющихся нелинейных характеристик, обусловленных наличием ферромагнитных материалов в электродвигателе. Кроме того, возможность рекуперативного торможения с помощью электрической машины позволяет вернуть некоторую часть.
Рис. 1. Параметры движения электромобиля в городских условиях
энергии торможения в тяговый аккумулятор и существенно уменьшить как нагрев, так и износ тормозных колодок, тормозных дисков или тормозных барабанов.
Анализ публикаций
Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок показал [1-4], что практическое применение в электромобилях получили электроприводы следующих типов: вентильные электродвигатели (ВЭД), асинхронные частотно-управляемые (АЧУЭД), ЭД постоянного тока с независимым возбуждением (ПН) и ЭД постоянного тока с последовательным возбуждением (ПП). Сопоставление достоинств и недостатков этих двигателей с учетом эксплуатационных требований дает следующие результаты. Наиболее высокий КПД имеют ВЭД. КПД ЭД постоянного тока и асинхронных ЭД примерно равны, однако в последнее время АЧУЭД, имеющие электрические машины с малым скольжением и более точное электронное управление на основе специализированных быстродействующих микроконтроллеров с
набором соответствующих датчиков (векторное управление), достигают КПД, сравнимый с КПД ВЭД.
Цель и постановка задачи
Целью исследования является выбор электропривода электромобиля или гибридного автомобиля, позволяющего получить заданные технические, экологические и эксплуатационные качества электромобиля. Методами исследований являются: анализ, сопоставление и обобщение.
Выбор тягового электродвигателя для электромобиля и для гибридного автомобиля
Вентильные электродвигатели применяют в большинстве современных гибридных автомобилей и электромобилей. ВЭД представляет собой синхронную электрическую машину, снабженную датчиками положения ротора, запитываемую через инвертор на основе современных силовых электронных ключей и управляемую по оптимальным алгоритмам с помощью микроконтроллера с использованием минимум двух САР: по положению ротора и по предельному фазному току. Иногда добавляют САР по угловой скорости (круиз-контроль).
Синхронные электрические машины бывают с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением. Наиболее широко применяют ВЭД на основе синхронной электрической машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами на роторе. Такие ВЭД имеют более высокий КПД и лучшие электрические характеристики. Однако они имеют высокую стоимость. Кроме того, недостатком таких ВЭД является малый диапазон скоростей вращения ротора. Поскольку скорость идеального холостого хода пропорциональна напряжению питания якоря и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения ротора, для расширения скоростного диапазона, при невозможности управлять магнитным потоком, требуется увеличение напряжения питания.
Относительно недорогими и широко распространенными являются синхронные электрические машины с электромагнитным возбуждением, поскольку они применяются в качестве генераторов переменного тока, в
том числе и в качестве автомобильных генераторов. Именно этот тип электрических машин был выбран для изготовления ВЭД тягового электропривода базового автомобиля, переоборудованного в гибридный [5].
Несмотря на несколько худшие значения КПД, ВЭД на основе синхронной электрической машины с электромагнитным возбуждением, помимо невысокой стоимости, имеет ряд других важных преимуществ. Среди них - возможность организовать регулирование оборотов во второй зоне электродвигателя посредством управления потоком возбуждения. При фиксированном напряжении питания это позволяет расширить рабочий диапазон скоростей вращения ротора, а значит, увеличить передаточное число от ВЭД к ведущим колесам. В результате удаётся повысить пусковой вращающий момент и сохранить требуемую максимальную скорость. Вторым преимуществом использования ВЭД с электромагнитным возбуждением является существенно меньший тормозной момент в обесточенном состоянии, что улучшает накат гибридного автомобиля. Третье преимущество - возможность простого и эффективного управления ВЭД в режиме генератора путем регулировки сравнительно небольшого тока возбуждения. Четвертое преимущество -возможность работы без перенапряжения силовой электроники при угловой скорости, намного превосходящей угловую скорость идеального холостого хода. Такой режим необходим в гибридных автомобилях во время принудительного холостого хода ВЭД при движении автомобиля с помощью ДВС на высокой скорости. Действительно, ВЭД с постоянными магнитами имеет ЭДС вращения, пропорциональную угловой скорости, следовательно, ВЭД с постоянными магнитами должен иметь силовые ключи с рабочим напряжением, в 3-4 раза большим, чем напряжение тяговой батареи. Это приводит к существенному увеличению стоимости инвертора и снижению его КПД. В ВЭД с электромагнитным возбуждением при выключении тока обмотки возбуждения перенапряжение не возникает, поэтому рабочее напряжение ключей должно быть только примерно на 20 % выше рабочего напряжения тяговой батареи [6].
Следовательно, выбор параметров тяговых ЭД не может рассматриваться изолированно вне всей энергетической системы: аккумуля-
торная батарея - преобразователь-инвертор частоты - двигатель.
При проектировании тяговых электродвигателей используют различные критерии оптимальности, например: минимум стоимости, минимум массы, минимум проводниковых материалов, минимум потерь или максимум КПД, минимальные виброшумовые характеристики и др. Для тягового двигателя электромобиля или гибридного автомобиля критерием оптимальности могут быть минимальные потери, так как таким образом увеличивается пробег электромобиля в течение одного цикла разряда аккумуляторной батареи (АБ). Решающим критерием при выборе типа электропривода является наиболее полное использование энергии АБ. Электрическое торможение с рекуперацией энергии в АБ наиболее просто и эффективно достигается в ВЭД и ПН. В АЧУЭД осуществление этого режима затруднено, особенно в области низких частот вращения. В транспортных средствах с ПП рекуперацию не применяют.
Для оптимизации регулирования требуется возможность независимого изменения тока и потока ЭД. В полной мере такая возможность имеется в ПН, а также в ВЭД с электромагнитным возбуждением. В АЧУЭД независимое изменение тока и напряжения возможно в весьма ограниченных пределах, а в ПП связано с техническими трудностями. ВЭД и АЧУЭД имеют существенные преимущества по сравнению с ЭД постоянного тока, по массогабаритным показателям имеют существенно меньшую стоимость электрической машины, во много раз больший ресурс и надежность, практически не нуждаются в обслуживании, имеют возможность перехода двигателя в генераторный режим (режим рекуперативного торможения электромобиля). Однако СУ АЧУЭД по показателям регулирования может уступать СУ ВЭД и имеет пока более высокую стоимость. Несколько меньшую стоимость имеют СУ ПН и ПП, но у них более сложно осуществляется реверс. Наиболее сложным является выбор оптимальных параметров элементов тягового электродвигателя электромобиля. Критерием оптимальности служит, как правило, достижение максимального пробега L или максимальной полезной транспортной работы А = L•mn, где тп - масса перевозимого груза, а также оптимизация закона регулирования ЭД с целью возврата возможно
большей части запасенной при разгоне электромобиля кинетической энергии в АБ в ходе электрического рекуперативного торможения. Асинхронный двигатель с короткоза-мкнутым ротором при работе от статического преобразователя частоты-напряжения сочетает достоинства наиболее простой тяговой электрической машины переменного тока с хорошими пусковыми и регулировочными свойствами двигателя постоянного тока. Для этого он должен быть спроектирован с соблюдением всех требований, предъявляемых к тяговым электрическим машинам: обеспечением защиты от воздействия окружающей среды, с современными подшипниками, не требующей замены или добавления смазки в течение 30000-50000 часов. Асинхронный двигатель позволяет практически полностью исключить техническое обслуживание в течение назначенного безопасного ресурса автомобиля. При питании электродвигателя от аккумуляторной батареи через преобразователь частоты и напряжения (инвертор) в выражении М/Р (минимальная масса/электромагнитная мощность) необходимо учитывать массу электронного блока и потери в этом блоке. Увеличение массы двигателя обычно не служит препятствием при проектировании электропривода электромобиля, так как масса двигателя обычно не превышает 2-5 % полной массы электромобиля и несоизмеримо меньше массы аккумуляторной батареи. КПД новых серий тяговых двигателей повышают по сравнению с выпускаемыми ранее двигателями за счет увеличения расхода меди и стали в том же объеме, уменьшения воздушного зазора в системе ротор-статор, повышения коэффициента заполнения пазов якоря медью. Дальнейшее совершенствование ТАБ, а также тягового электропривода позволит значительно улучшить технико-
эксплуатационные характеристики электромобилей и обеспечит их широкое распространение.
Выводы
Выбор электродвигателей для электромобилей и гибридных автомобилей должен рассматриваться с учетом всей энергетической системы и условий эксплуатации автомобиля. Тяговые коллекторные двигатели постоянного тока в новых разработках электромобилей и гибридных автомобилей не
применяют, поскольку их высокая стоимость и эксплуатационные недостатки не могут быть компенсированы несколько более низкой стоимостью силового электронного управляющего блока. По сравнению с ними ВЭД и АЧУЭД имеют значительные преимущества по массогабаритным показателям, КПД и затратам на техническое обслуживание.
Литература
1. Косой Ю.М. Некоторые особенности проектирования асинхронных двигателей для электромобилей / Ю.М. Косой // Труды ВНИИЭМ. Вопросы проектирования и исследования специальных машин. - 1984. - Том 5. - С. 64-69.
2. Богдан Н.В. Троллейбус. Теория, конструирование, расчет / Н.В. Богдан, Ю.Е. Атаманов, А.И. Сафонов. - Минск: Ураджай, 1999. - 262 с.
3. Доржинкевич И.Б. Особенности применения тягового электродвигателя в системе электропривода электромобиля / И.Б. Доржинкевич, А.А. Максимчук,
A.С. Ройтман // Труды ВНИИЭМ. Вопросы проектирования и исследования специальных машин. - 1984. - Том 5. -С.70-75.
4. Пбридш автомобш / О.В. Бажинов, О.П. Смирнов, С.А. Серков та ш.; за заг. ред. О.В. Бажинова. - Х.: ХНАДУ, 2008. - 328 с.
5. Синергетичний автомобшь. Теорiя и практика / О.В. Бажинов, О.П. Смирнов, С.А. Серков, В.Я. Двадненко; за заг. ред. О.В. Бажинова. - Х.: ХНАДУ, 2011. - 236 с.
6. Двадненко В. Я. Особенности двухзоно-вого регулирования вентильного электропривода гибридного автомобиля /
B. Я. Двадненко, С. А. Сериков // Перспективы развития автомобилей. Развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками: материалы 75-ой Международной научно-технической конференции ААИ 14.1115.11.2011. - Тольятти, Россия. - 2011.
Рецензент: А.В. Бажинов профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 3 октября 2016 г.
