ЭЛЕКТРОМОБИЛИ И ЧТО С НИМИ ДЕЛАТЬ

Анализируя своё выступление на слёте диагностов относительно электромобилей, не мог отделаться от мысли, что тема электромобилей не была принята коллегами с  энтузиазмом, а скорее с некоторым раздражением и даже сожалением. Хотелось бы понять причины. Очевидно, что рынок автомобилей на углеводородном топливе обнаружил начало своего конца. Всё больше автопроизводителей заявляют о выпуске новых моделей исключительно на электротяге. Лидеры же этого движения, такие как Nissan, Tesla, BMW… давно имеют электромобили в серии. А BMW уже официально продаёт их в Украине.

Все, кто пробовал электромобиль в движении, несомненно, оценили его достоинства:

– отсутствие шума и вибрации;

– максимальный крутящий момент с 0 до 9000 мин-1;

– прекрасную управляемость;

– бесплатную по сравнению с «углеводородниками» цену эксплуатации;

– простоту и красоту идей, реализованных в электромобилях;

– экологическую чистоту.

Да, многие из нас преуспели в ремонте и обслуживании сложных систем автомобилей  с  ДВС. И этот бизнес неплохо поддерживает,  в том числе и меня. Но прогресс не остановить.  И можно смело разделить нас с вами, уважаемые коллеги, на тех, кто будет делать свой бизнес на электромобилях и тех, чей автобизнес  медленно умрёт. Можно конечно говорить о недостатках:

– малый запас хода;

– большое время подзаряди батареи;

– отсутствие инфраструктуры станций зарядок и обслуживания электромобилей;

– малую надёжность полукустарных сборок типа ZZ…

Только это всего лишь болезни роста, а развитие инновационных технологий производства батарей, систем управления и композиционных материалов в скором времени полностью изменят автомобильный рынок. И кому, как не нам, уважаемые коллеги диагносты, быть в числе первых игроков этого зарождающегося рынка.

В этой статье предлагаю начать рассматривать технические аспекты конструкции, эксплуатации, обслуживания и ремонта электромобилей и особенности построения их систем.

Электропривод  в автомобилях известен гораздо раньше, чем привод на основе ДВС. Первые документально зафиксированные факты появления электромобилей датируются 1841 годом. И можно себе представить на каком уровне технологий электропривода мы бы сейчас были, если бы 175 лет  совершенствовали именно этот тип привода для автомобилей. И пророческие слова Николо Тесла, возможно, были бы сегодня нашей реальностью:

«Электрический ток – это поток эфира. Электричество буквально растворено в пространстве… Электричество должно быть таким же бесплатным для людей, как воздух».

Для начала рассмотрим  принципы работы двигателя и основы его управления:

Двигатель представляет собой трёхфазный бесколлекторный двигатель постоянного тока, отчасти похожий на шаговый двигатель. В иностранной литературе его ещё часто называют BLDC (Brushless Direct Current Motor – бесщёточный мотор постоянного тока). В отечественной литературе встречается термин «вентильные двигатели».
Такой двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два вида подобных двигателей:
Inrunner, – моторы, у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner,- моторы, у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками.

Работа такого двигателя основана на принципах, знакомых нам с детства:

  • Разноимённые полюса магнитов притягиваются, а одноимённые отталкиваются;
  • Катушка, запитанная постоянным током, становится электромагнитом;
  • Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита вызывают вращение ротора  мотора.

Запитанная постоянным напряжением катушка статора, становится электромагнитом и притягивает противоположный полюс постоянного магнита ротора.

Переключая питание на фазах статора, мы вызовем вращение магнитного поля, а следовательно вращение ротора.

А с учётом отталкивания одноимённых полюсов:

В процессе создания статьи ни один ослик не пострадал!

Управление  фазами  BLDC мотора выполняется  инвертером на основе сигналов с датчика положения ротора, работающего на эффекте Холла.

Рассмотренная схема Outrunner BLDC мотора (моторколесо) имеет ряд преимуществ в реализации идей полного привода, индивидуального управления крутящим моментом на колесе, функций электронной стабилизации курсовой устойчивости автомобиля и других прогрессивных систем управления и безопасности. Однако большая величина неподрессоренных масс делает её применение менее целесообразной, чем  схема Inrunner BLDC мотора.

На рисунке изображён силовой агрегат электромобиля. Особое умиление вызывает одноступенчатая коробка передач (больше не нужно, максимальный крутящий момент во всём диапазоне работы двигателя). Интересно, к какому типу трансмиссии её отнести механическому или автоматическому.

Управление BLDC двигателем  построено на инвертере напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Инвертер – (от лат. inverto – поворачивать, переворачивать) – элемент вычислительной схемы, осуществляющий определённые преобразования сигнала изменяемой амплитуды и частоты.
Двигатель постоянного тока имеет три вывода (т.е. три фазы), на которые в разный момент времени подаётся “+” и  “-” питания. Это реализуется при помощи IGBT биполярных транзисторов с изолированным затвором, представляющих  электронные силовые ключи, включённые по мостовой схеме. Замыкая ключ SW1, «+» подаём  на фазу V, а замыкая SW6, «-»  подаётся  на фазу U. Таким образом, ток потечет от «+» батареи через фазы V и U.

Для обеспечения обратного направления движения (задний ход автомобиля), открывается SW5 и SW2. В этом случае ток потечет от «+» батареи через фазы U и V в обратном направлении. При работе двигателя одновременно должен быть открыт только один верхний и один нижний ключ.
При включении ключей, как показано выше, на двигатель подается полное напряжение питания. При этом двигатель развивает максимальные обороты (мощность). Чтобы обеспечить управление мощностью, нужно регулировать напряжение питания двигателя. Изменение действующего напряжения осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Управляем средним значением напряжения фаз путём изменения скважности импульсов на управляющих IGBT- ключах.

Напряжение от ШИМодулятора, подаваемое на обмотку двигателя показано в виде прямоугольных импульсов. Пунктирной линией грубо изображён магнитный поток в статоре двигателя. Магнитный поток имеет приблизительно синусоидальную форму, благодаря соответствующему закону ШИМ. Ключи открыты не все время, а открываются, и закрываются с фиксированной частой, но изменяемой скважностью. Таким образом, изменяется действующее напряжение от нулевого до напряжения питания.

Микроконтроллер электронного блока управления, программно формирует ШИМ для каждого из ключей (IGBT). В программу контроллера, производитель закладывает определённый алгоритм и все данные для управления различными режимами работы  двигателя электромобиля.

Продолжение в следующем номере…

Полная версия см. журнал Автомастер №5 2016 http://a-master.com.ua/archives/3079

Игорь Духненко