Хибриден електрически мотор: това пък какво е?
Фокусът върху техниката на електрическите автомобили е върху батериите, но и добрият стар електрически мотор претърпя различни метаморфози през последните години по своя път към съвършенството. Въпреки че сами по себе си електрическите мотори са изключително ефективни машини, в електрическите автомобили се използват най-различни техни разновидности. Затова, в този материал ще надникнем в света на електрическите машини.
При представянията на различни автомобили често се споменават термини като синхронни, асинхронни, електрически мотори с превключваемо магнитно съпротивление. Какво всъщност означават тези неща и как електрическите мотори позволяват на електромобилите да функционират само с една единствена предавка?
Азбучна истина е фактът, че проблемите на електрическите автомобили са свързани с източника на енергия, но те биха могли да бъдат видени и от друга гледна точка. Както множество неща в живота, които приемаме за даденост, електрическият мотор и системата за управление в електромобилите се приемат за най-ефективното и надеждно звено в тези машини. За да се достигне до това състояние на нещата обаче, те са изминали дълъг път на еволюция – от откриването на връзката между електричество и магнетизъм, до ефективното ѝ превръщане в механична сила.
Един или два мотора
Ако погледнете графика на характеристиката на един електрически мотор, независимо от типа му, ще забележите, че той притежава коефициент на полезно действие над 85 процента, често над 90 процента, но също и че има най-висок КПД при ниво на натоварване от около 75 процента от максимума. С увеличаване обаче на мощността и респективно размера на електромотора диапазонът на ефективността се разширява, при което той може да достигне своя максимум значително по-рано – понякога още при 20 процента натоварване. Монетата обаче има и друга страна – въпреки разширения диапазон на по-висока ефективност, използването на много мощни мотори с много ниско натоварване отново ще доведе до често навлизане в зона на ниска ефективност. Затова решенията по отношение на размера, мощността, броя (един, два и в редки случаи дори три мотора) и използването им (един или два в зависимост от натоварването) са процеси, които са част от проектната работа при конструирането на автомобила.
В този контекст става ясно и защо е по-добре един електрически автомобил да бъде оборудван с два вместо един много мощен електрически мотор, в пълна противоположност на парадигмата при автомобилите с двигатели с вътрешно горене. Когато разполагате с два по-малки електрически мотора, задвижването може да се настрои така, че да не се навлиза често в зони на ниска ефективност, благодарение на възможността при ниски натоварвания единият мотор да бъде изключен. Такова е решението при повечето от автомобилите, използващи два електрически мотора, които в повечето случаи използват само задния двигател. В по-маломощните версии на автомобилите той е и единствен, а при по-динамичните версии към предния мост се поставя един (в повечето случаи) асинхронен. Това е още едно предимство на електрическите автомобили – мощността може да бъде увеличена по-лесно, режимите се използват в зависимост от изискванията за ефективност, а полезният страничен ефект е двойното предаване. По-ниската ефективност при малко натоварване обаче не пречи на факта, че за разлика от двигателя с вътрешно горене, електромоторът създава тяга и при нулеви обороти заради коренно различния си принцип на работа и взаимодействието между магнитните полета дори и в такива условия. Гореспоменатият факт за ефективността е в основата на проектирането на двигателите и режимите на работа – както казахме, един преоразмерен двигател, работещ постоянно в режими на ниско натоварване, би бил неефективен.
В бурното развитие на електрическата мобилност разнообразието от производствена гледна точка в тази област също се разширява. Създават се нови и нови съглашения и договорености, при които някои производители като BMW и VW проектират и произвеждат сами машините си, други купуват дялове от компании свързани с този бизнес, трети възлагат това на доставчици като Bosch. В повечето случаи, ако прочетете характеристиките на даден модел с електрическо задвижване, ще откриете, че моторът му е „променливотоков, синхронен, с постоянни магнити“. Пионерът Tesla обаче използва други решения в тази насока – асинхронни мотори и комбинация от асинхронен и синхронен, включващ „технология с превключваемо магнитно съпротивление (Switched Reluctance Motor)" като задвижващ агрегат на задния мост при Model 3. В по-евтините версиите само със задно предаване той е единствен. За какво всъщност става дума?
Електрическата машина на Никола Тесла
Фактът, че Никола Тесла изобретява асинхронния, или другояче казано „индукционен“ електромотор (още в края на 19 век), няма пряка връзка с факта, че моделите на Tesla Motors са сред малкото автомобили, задвижвани от подобна машина. Всъщност принципът на работа на двигателя на Тесла става по-популярен през 60-те години, когато полупроводниковите прибори постепенно заемат място под слънцето и американският инженер Алън Кокони конструира портативни полупроводникови инвертори, които могат да превръщат постоянния ток (DC) на батерията в променлив (AC), какъвто е необходим за тази машина и обратно (в процеса на рекуперация). Тази комбинация от инвертор (известен и като трансвертер при електроинженерите) и електрически мотор, проектирана от Кокони, става основа на задвижването на небеизвестния GM EV1 (1996 г.), а в по-усъвършенстван вид и в спортния AC Propulsion tzero. По подобие на търсенията на японските инженери от Toyota в процеса на създаването на Prius и откриването на патента с две електрически машини и планетарен механизъм на компанията TRW, създателите на Tesla откриват този автомобил. В края на краищата те купуват лиценза на tzero и го използват при създаването на Tesla Roadster. Подобна основа е нужна на млада компания, имаща намерение да развива сериозно електрическата мобилност и търсеща всевъзможни начини за намаляване на високата себестойност на електромобилите. По подобен начин при Tesla стои и въпросът с батериите и използването на стандартните цилиндрични клетки по това време, но това е един друг разказ.
Най-голямото предимство на индукционния мотор се състои във факта, че не използва постоянни магнити и не се нуждае от скъпи или редки метали, които освен това често се добиват в условия, създаващи морални дилеми в потребителите им. Както индукционните, така и синхронните мотори с постоянни магнити обаче се ползват с пълна сила от технологичния напредък в областта на полупроводниковите прибори и в създаването на MOS FET транзисторите и по-късно двуполюсните транзистори с изолиран гейт (IGBT). Именно този напредък позволява създаването на гореспоменатите компактни инверторни устройства и въобще цялата силова електроника в електромобилите. Фактът, че възможността за ефективно преобразуване на постоянния ток на батериите в променлив трифазен и обратно се дължи в голяма степен на прогреса в областта на технологиите за управление може да звучи тривиално, но трябва да се има предвид, че големината на тока в силовата електроника достига нива в пъти по-големи от обичайните в битовата електрическа мрежа и нерядко стойностите надвишават 1000 Ампера. При това се генерират големи количества топлина, с които силовата електроника трябва да се справи. Възможен начин за намаляването на тока е увеличаването на напрежението, но то поставя още повече изисквания по отношение на прецизността на контрола от страна на силовата електроника, с увеличаване на електромагнитните загуби, проблеми с натрупване на статична енергия и не на последно място увеличаване на цената заради липсата на икономии от обема. Попитайте за целта конструкторите на Hyundai или Porsche/Audi.
Но да се върнем на въпроса с електромоторите. Както и двигателите с вътрешно горене, те могат да бъдат разделяни по различни квалификационни параметри и „синхронизацията“ е един от тях. Всъщност тя е следствие от много по-важния различен конструктивен подход от гледна точка на генерирането и взаимодействието на магнитните полета. Въпреки факта, че източникът на електрическа енергия в лицето на акумулаторната батерия е постояннотоков, конструкторите на електрическите системи и за миг не си помислят да използват постояннотокови електромотори. Дори при отчитане на загубите от преобразувания, променливотоковите агрегати и най-вече синхронните печелят съревнованието с постояннотоковите. И така, какво всъщност означава синхронен или асинхронен мотор?
Индукция без постоянни магнити
Както синхронните, така и асинхронните мотори са от типа електрически машини с въртящо се магнитно поле, които имат по-висока плътност на мощността. В общия случай роторът на асинхронните се състои от прост пакет плътни ламарини, метални пръти от алуминий или мед (все по-често използван напоследък) с намотки в затворена верига. Токът тече в намотките на статора в срещулежащи двойки, като във всяка една двойка протича ток от една от трите фази. Тъй като във всяка една от тях той е дефазиран на 120 градуса спрямо другата се получава така нареченото въртящо се магнитно поле. Пресичането на намотките на ротора от магнитните силови линии от полето създадено от статора води до протичане на ток в ротора по подобие на взаимодействията при трансформатора. Създаденото в резултат от това магнитно поле си взаимодейства с „въртящото“ се в статора и това води до механично увличане на ротора и последващо въртене. При този тип електромотори обаче роторът винаги изостава спрямо полето, защото ако няма относително движение между полето и ротора, няма да си индуцира магнитно поле в ротора. Така нивото на максималните обороти се определя от честотата на захранващия ток и натоварването. И все пак, поради по-високата ефективност на синхронните мотори, повечето производители се придържат към тях. Въпреки по-ниската си ефективност, асинхронните мотори са добро решение, защото не използват скъпи магнитни материали или сложни намотки в ротора и имат възможно най-ниската себестойност.
Да, тези машини са по-евтини, но пък имат своите несъвършенства и едно от тях е драстичното намаляване на ускорението с всяко следващо повторение. Процесът на индукция и протичане на ток водят до нагряване и когато при голямо натоварване машината не бъде охладена, топлината се натрупва и възможностите и значително намаляват. С цел предпазване електрониката намалява големината на тока, а показателите по отношение на ускорението се влошават. И още нещо – за да бъде използван като генератор, асинхронният мотор трябва да бъде подмагнитен – тоест да „пусне“ първоначален ток през статора, който да генерира поле и ток в ротора за да започне процесът. След това той може сам да се захранва. Първият изцяло електрически модел на Audi – е-tron (който междувременно бе преименуван на Q8 e-tron), базиран на модифицирана MLB Evo платформа, се задвижва от два асинхронни мотора (с променена конструкция за новия модел), които използват воден контур в роторите си за да могат да бъдат охладени. Останалите модели на марката имат съвсем различни конфигурации в зависимост от това дали използват платформата J1, MEB или PPE.
Асинхронни или синхронни мотори
Синхронните агрегати имат значително по-високо КПД и плътност на мощността. Съществената разлика с асинхронния мотор е, че магнитното поле в ротора не се индуцира при взаимодействие със статорното, а е резултат или от протичащият ток през допълнителни намотки монтирани в него, или от постоянни магнити. Така полето в ротора и това в статора са синхронни, а максималните обороти на двигателя също зависят от въртенето на полето, респективно от честотата на тока и натоварването. За да се избегне необходимостта от допълнително захранване на намотките, с което се увеличава разходът на електроенергия и сложността на управлението на тока, в съвременните електромобили и хибридни модели в повечето случаи се използват електромотори с постоянно възбуждане, тоест с постоянни магнити. Както споменахме, много производители на подобни автомобили в момента използват агрегати от този тип, поради което, според мнозина специалисти, тепърва ще се появява проблемът с дефицита на скъпите редкоземни елементи неодим и диспрозий. Намаляването им е част от търсенията на инженерите в тази област.
Конструирането на роторната сърцевина дава най-много възможности за подобряване на показателите на електрическата машина. Съществуват различни технологични решения – с повърхностен монтаж на магнитите, дискова форма на ротора, с вътрешно интегрирани магнити. Интересно тук е решението на Tesla, използваща за задвижването на задния мост на Model 3 споменатата по-горе технология наречена електромотор с превключваемо магнитно съпротивление (Switched Reluctance Motor). „Релуктантността“ или магнитното съпротивление е термин обратен на магнитната проводимост по подобие на електрическото съпротивление и електрическата проводимост на материалите. При двигателите от този тип се използва явлението, при което магнитният поток се стреми да премине през частта от материала с най-малко магнитно съпротивление. Като следствие от това той измества физически материала, през който протича, за да премине през частта с най-ниско съпротивление. Този ефект се използва в електромотора за създаване на въртеливо движение – за целта в ротора се редуват материали с различно магнитно съпротивление, така наречените твърди (под формата на феритни неодимови дискове) и меки (стоманени дискове). В стремежа си да премине през материала с по-ниско съпротивление магнитният поток от статора завърта ротора, докато не се позиционира така, че това да се случва с минимално съпротивление. С управление на тока полето постоянно завърта ротора в удобно положение.
Да обобщим: при този тип мотори или режими на работа на комбинирани мотори въртенето не се инициира от взаимодействието на магнитни полета, а от стремежа на полето да протече през материала с най-ниско съпротивление и произтичащият от това ефект на завъртане на ротора. Вариантите за осъществяване на тези процеси са или с гореспоменатото превключваемо магнитно съпротивление, или под формата на така наречените синхронни релуктантни мотори. Първите имат по-малък брой полюси на ротора, а при вторите той е формиран с много по-прецизни магнитопроводими „фуги“. С редуването на различни материали се намалява количеството на скъпите компоненти.
Хибридни конструкции
В зависимост от конструкцията се променя и кривата на ефективността, респективно въртящият момент в зависимост от оборотите на двигателя. По начало най-ниска ефективност има асинхронният мотор, а най-висока този в повърхностно монтирани магнити, но при последния тя силно намалява с оборотите. Своеобразна хибридна конструкция имаше моторът на BMW за i3, който използва конструкция, съчетаваща постоянни магнити и гореописаният ефект на „релуктантност“. Така той достига високите нива на постоянна мощност и въртящ момент характерни за машините с електрическо възбуждане на ротора, но със значително по-ниско тегло от тях (последните са ефективни по много параметри, но с ниски показатели по отношение на теглото).
Интересен е фактът, че при подобни „хибридни“ електрически мотори (терминът в случая няма нищо общо с хибридното задвижване, а обозначава съчетаването на два различни начина на взаимодействие, респективно възникващи сили между ротор и статор) в режими на работа на релуктантност постоянните магнити в ротора играят ролята на сегментите с по-голямо магнитно съпротивление. В по-новите си електрически модели BMW премина към ротор с токови намотки и електромагнитно възбуждане. Той изразходва допълнително електричество, за да осигури магнитното поле на ротора, но не използва скъпите постоянни магнити, освен това инженерите от BMW твърдят, че по този начин могат да модифицират магнитното поле на ротора така, че да си взаимодейства със статорното в зависимост от условията.
Тъй като електрическите мотори боравят с много по-високи оборотни режими от двигателите с вътрешно горене и запазват своята ефективност в сравнително широк диапазон, конструкторите си позволяват да използват една единствена фиксирана предавка при електрическите автомобили. Това обаче е сериозен компромис – с увеличаване на оборотите се увеличава и генерираното обратно електричество от страна на електрическия мотор, инертните сили и се влошават магнитните взаимодействия (включително и при увеличаване на температурата), в резултат от което значително се намалява ефективността. Въртящият момент започва да спада и по този начин с увеличаване на обороти мощността не нараства, а се запазва същата (мощността е производна на обороти и въртящия момент, за целта можете да видите статията „Кривата на максималното удоволствие“ в секцията Анатомията на автомобила). При високите оборотни режими започват да се генерират изключително силни инерционни сили, които поставят особено високи изисквания към конструкцията на роторите. В новите си електрически мотори Tesla например използва много мощни постоянни магнити и карбонов кожух, за да запази интегритета на електрическия мотор.
Най-разпространената компановка в момента е синхронен мотор с постоянни магнити на задния мост и асинхронен на предния. Асинхронният мотор не генерира токове, когато се върти паразитно, и е изключително удобен за целта, още повече, че не се използва постоянно и няма опасност от термично натоварване. Когато компановката включва два синхронни мотора като при Jaguar I-Type, те трябва винаги да работят едновременно като мотори или като генератори. Конструкторите на Hyundai използват за модели като Ioniq 5 два синхронни мотора с постоянни магнити, но в името на икономичността при малки натоварвания използват само задния и изключват предния с помощта на механичен съединител. При актуализацията на модела си XC40 Recharge Volvo например премина от компановка с два синхронни мотори с постоянни магнити към асинхронен на предния мост.
Освен всичко друго, електромоторите са различни и в зависимост от посоката на взаимодействие на магнитните полета спрямо оста на електромотора. Става дума за радиални и аксиални машини. Аксиалните магнитопоточни мотори имат по-плоска форма, а магнитните взаимодействия, респективно сили на взаимодействие, се случват в периферията на ротора и успоредно на оста на ротора. Един от големите специалисти в тази посока е британската фирма Yasa. Те осигуряват по-голям въртящ момент, но са по-малко разпространени, тъй като големите инерционни сили произтичащи от тази компановка изискват по-сложна конструкция и по-скъпи материали. В сложния си шестфазен електрически мотор Dark Matter конструкторите на Koenigsegg съчетават по сложен начин радиални и аксиални магнитни мотори, постигайки мощност от 800 к.с. в своя Raxial мотор с тегло от едва 38 кг.
Как да бъдат разполагани моторите?
Двигателите на автомобилите с чисто електрическо задвижване обикновено се закрепват непосредствено към главното предаване и диференциала на задвижващия мост и мощността се пренася до колелата с помощта на полувалове, с което се намаляват загубите от механичен пренос. При подобно подподово разположение се снижава центърът на тежестта, а общата блокова конструкция е по-компактна. Съвсем различно стоят нещата при компановката на хибридните модели. При пълните хибриди от типа one mode (Toyota и Lexus) електродвигателите са свързани по специфичен начин с планетарните механизми в хибридната трансмисия, а компактността изисква конструкцията им да бъде издължена и с по-малък диаметър. В класическите паралелни Plug-in хибриди, изискванията за компактност водят до това агрегатът, който се поставя между маховика и предавателната кутия, да е с по-голям диаметър и по скоро плосък, като производители като Bosch, ZF Sachs и Conti дори залагат на дисковидна конструкция на ротора.
Вариации има и по отношение на ротора като при някои производители въртящият се ротор е отвън. Последната конструкция е изключително подходяща и в случаите, когато електромоторите са монтирани в главините на колелата. Тези конструкции са неподходящи за автомобили поради големите неокачени маси, но могат да бъдат добро решение при автомобили с ниска скорост на движение като използваните в складови помещения или в различни строителни машини, където прилагането на големия въртящ момент е важен компонент от приложението на машината.
По-подробно за магнитните и електрически взаимодействия, управлението, материалите, конструкциите и разработките на производителите в тази насока ще можете да прочете в друг материал в секцията „Анатомията на автомобила“ скоро.