Хотя электромотор в автомобиле может показаться тривиальной версией двигателя внутреннего сгорания, достижение его оптимальной производительности требует скрупулезной проработки схемотехнических решений на всех этапах проектирования. Основная функция электромобиля — это некоторая форма накопления и преобразования электрической энергии, сопряженная с технологией зарядки и подачи ее в систему управления электродвигателем. А еще это набор регуляторов мощности, сенсорных датчиков, обеспечивающих регенеративное торможение — основу экономичности. Все данные аспекты определяют предел производительности электромобиля, экспериментальное подтверждение которого можно получить только в дорожных испытаниях.
Электродвигатель, рекуперация, трансмиссия
Электродвигатели преобразуют электрическую энергию аккумуляторов в механическую энергию вращения. Электродвигатель состоит из неподвижного статора с большими электрическими обмотками, создающими магнитный поток, который воздействует на магниты во вращающемся роторе. Электродвигатели также работают в обратном направлении: движущийся автомобиль без подачи извне электрической энергии заряжает свои аккумуляторы. Этот метод называется рекуперативным торможением электромобилей.
Передача крутящего момента от электродвигателя выполняется через коробку передач к трансмиссии. Трансмиссия электромобиля — это система, которая преобразует накопленную электрическую энергию в полезную механическую. Большинство коммерческих электромобилей и даже трансмиссии болидов автомобилей Формулы E имеют только одну передачу, которая менее сложна и более эффективна, чем многоцелевая трансмиссия.
В силу того, что кривые мощности бензиновых моторов имеют предел от 1500 до 6000 об/мин, они рассчитывают на эффективную работу сложной трансмиссии со сцеплением и многоступенчатой коробкой передач. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, электродвигатели обычно работают на высоких оборотах. Разрыв в показателях усугубляется еще высоким коэффициентом полезного действия электродвигателей. В сочетании с рекуперированием он достигает 90%, в то время как существующие барьеры ограничивают эффективность двигателей внутреннего сгорания значениями от 25% до 50%.
О питании электродвигателей
Для трехфазных асинхронных электромоторов, применяемых в электромобилях класса «люкс», требуется схема преобразования мощности батареи постоянного тока в переменный ток — инвертор. Это очень непростая задача, поскольку оптимальный режим переключающих инверторов может быть обеспечен за счет усложнения схемотехники и применения дорогостоящих полупроводниковых компонентов. Только так получится создать электронное устройство, сглаживающее скачки тока и/или напряжения. При этом требуется не выпускать из поля зрения эффективность решения: высокий коэффициент полезного действия, низкое выделение тепла и надежную его утилизацию.
Аккумуляторы и зарядные устройства
Технология хранения электрической энергии (которую часто рассматривают как самый важный и ограничивающий фактор) — основа концепции электромобиля. Существует большое разнообразие способов накопления электрической энергии — это и ультраконденсаторы, химические и твердотельные батареи. Каждый из них демонстрирует различные характеристики в плане массо-габаритных параметров, гравиметрической энергоемкости и плотности, эффективности, удельной стоимости. Среди этих типов накопителей энергии литий-ионная электрохимия в настоящее время предлагает наиболее практичный баланс производительности и коммерческой жизнеспособности.
Сегодня в оснастке электромобилей применяются пять основных литиевых технологий: никель-кобальт-алюминий (NCA), никель-марганец-кобальт (NMC), литий-марганец (LMO), литий-титанат (LTO) и литий-фосфат железа (LFP). Существуют компромиссы для каждой электрохимии лития, такие как безопасность, удельная мощность, удельная стоимость и срок службы. Большинство электромобилей используют один из электрохимических вариантов литиевых аккумуляторов. Это относится и к серийным автомобилям, и к гоночным болидам Формулы E, где обычно стоит стандартизированная литий-ионная аккумуляторная батарея емкостью в 54 кВт⋅ч.
Батарея транспортных средств состоит из тысяч крошечных элементов питания, объединенных в большие сборки. Такой подход объясняется существующими ограничениями по размеру, рабочему току и рабочему напряжению литиевых батарей. Конструирование аккумуляторных сборок является одним из наиболее эффективных способов компоновки батарей с гораздо большей плотностью мощности и рабочим напряжением с наилучшими массо-габаритными показателями. Желательно иметь батареи, которые заряжаются и разряжаются при высоких напряжениях, так как сила тока, необходимого для доставки желаемой мощности, уменьшается с увеличением напряжения. Сила тока определяет также потери в проводниках за счет оммического сопротивления и, следовательно, количество выделяемого при этом тепла. В итоге, большинство электромобильных аккумуляторов рассчитаны на рабочее напряжение в сотни вольт.
Разряжаясь, источник питания электромобиля ожидает также циклов зарядки, чтобы оказаться полезным в будущем. Алгоритмы, используемые для зарядки аккумуляторной батареи, зависят от схемных решений и системы управления аккумуляторной батареей. BMS (Battery Management System) — это технология, разработанная для обеспечения безопасной эксплуатации аккумулятора и сбалансированного износа его элементов. Это особенно для литиевых батарей, где несбалансированная или быстрая зарядка может привести к химическому повреждению и тепловому разгону, которые потенциально способны вызвать катастрофический отказ аккумулятора.
Как правило, электромобили оснащаются встроенными преобразователи переменного тока в постоянный для зарядки от сети, либо рассчитаны на работу с высоковольтными зарядными устройствами постоянного тока, которые берут на себя заботу о преобразовании переменного тока в постоянный вне транспортного средства. Так устроена схема питания болидов Формулы Е, поскольку они не предназначены для обслуживания бытовыми устройствами, а каждый лишний грамм вызывает беспокойство конструкторов и пилотов. По понятным причинам, электромобили такого класса не комплектуются встроенным зарядным оборудованием, полагаясь на внешние преобразователи и схемы зарядки.
Резервная батарея
Кроме инвертора переменного тока, питающего электромотор, как правило, применяется еще и дополнительный преобразователь DC-DC, который преобразует постоянный ток высокого напряжения от основной батареи для зарядки низковольтной резервной батареи. Она берет на себя питание электромобиля, когда основная батарея не активна. В такой ситуации вспомогательная батарея обеспечивает функционирование систем безопасности транспортного средства даже в случае аварии главных питающих цепей.
Компания Renesas, например, разработала и построила BMS (Battery Management System) и модуль мониторинга низковольтной аккумуляторной батареи, которые повысили безопасность и эффективность гоночного электроболида Mahindra Racing, участвующего в автогонках Formula E.
О зарядке
Инверторы постоянного тока в переменный и преобразователи переменного тока в постоянный — это мощные электронные сборки, предназначенные для того, чтобы обеспечить пиковое потребление двигателями или даже более экстремальные значения мощности, используемой для зарядки батарей. В электромобилях таковая варьируется от 1,5 кВт при питании от бытовых розеток до 400 кВт для быстрых зарядных устройств. В большинстве домов мощность зарядки стандартно ограничена 7 кВт на двухфазных линиях, рассчитанных на 220 В переменного тока. Такие устройства предполагают наличие инвертора, преобразующего переменный ток бытовой сети в соответствующее напряжение постоянного тока, требуемое для зарядки электромобильных аккумуляторов.
Типичные быстрые зарядные устройства постоянного тока имеют диапазон от 50 кВт до 200 кВт — от 400 В до 600 В постоянного тока, силой до 300 Ампер. Эти типы зарядных устройств требуют очень сложной силовой электроники в самом зарядном устройстве. Поскольку владельцам электромобилей может потребоваться гибкость в отношении того, как они заряжают транспортное средство, существует стандарт Общества автомобильной техники для комбинированных систем зарядки (CCS), который включает режимы зарядки как переменного, так и постоянного тока — SAE J1772 CCS.
Датчики и встроенная электроника
Схема управления электромобилем предполагает множество разнообразных и полезных сенсоров, задействованных в системах мониторинга и безопасности. Все они призваны повысить эффективность, обеспечивая информацией центральный компьютер данными о температуре узлов и деталей, токе и напряжении, ударных нагрузках и вибрации, направлении и силе магнитного потока, скорости, ускорении и так далее. Качество этих датчиков, а также их надежность являются ключевым фактором в работе электромобилей.
Несмотря на то, что все рычаги управления электромобилем доступны водителю, компьютерное управление более эффективно и безопасно, если используются системы интеллектуального анализа дорожной обстановки. Этот уровень сложности обеспечивает расширенные возможности вождения, такие как повышение эффективности в дальних поездках, автономные функции автомобиля и новаторские функции безопасности, которые могут предотвратить несчастные случаи и аварии. Крайне важно, чтобы эти датчики и встроенная электроника, которой делегируются поведенческие функции, соответствовала высоким автомобильным стандартам.