Почему EV используют двигатель переменного тока, для которого требуется инвертор, вместо постоянного тока, который может питаться непосредственно от аккумулятора постоянного тока?
МеханикУс
Поскольку количество энергии, которое может накапливаться в аккумуляторе, весьма ограничено, почти все электромобили проектируются с учетом эффективности. Пиковая мощность большинства тяговых двигателей для автомобильной промышленности составляет от 60 до 300 кВт.
Закон Ома указывает, что потери мощности в кабелях, обмотках двигателя и соединениях аккумуляторных батарей равны P = I2R. Таким образом, уменьшение тока вдвое снижает потери мощности в 4 раза.
В результате большинство автомобилей работают при номинальном напряжении линии постоянного тока от 288 до 360 Вном (есть и другие причины для такого выбора напряжения, но давайте сосредоточимся на потерях).
Напряжение питания имеет значение, поскольку некоторые двигатели, такие как щеточные постоянного тока, имеют практические верхние пределы напряжения питания из-за образования электрической дуги в коллекторе.
Игнорируя более экзотические технологии двигателей, можно выделить три основные категории электродвигателей, используемых в автомобилестроении:
Щеточный двигатель постоянного тока (коллекторный двигатель): с механической коммутацией, для управления крутящим моментом требуется только простой "прерыватель" постоянного тока. Хотя щеточные двигатели постоянного тока могут иметь постоянные магниты, размер магнитов для тягового применения делает их непомерно дорогими. В результате большинство тяговых двигателей постоянного тока имеют последовательный или шунтирующий привод. В такой конфигурации обмотки имеются как на статоре, так и на роторе.
Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC): электронная коммутация осуществляется инвертором, постоянные магниты на роторе, обмотки на статоре.
Асинхронный двигатель (индукционный двигатель): электронная коммутация с помощью инвертора, асинхронного ротора, обмоток на статоре.
- Эффективность:
Коллекторный двигатель:
Двигатель: ~ 80%, контроллер постоянного тока: ~ 94% (пассивная обратная связь), NET = 75%.
BLDC:
Двигатель: ~ 93%, инвертор: ~ 97% (синхронное обратное или гистерезисное управление), NET = 90%.
Индукционный двигатель:
Двигатель: ~ 91%, инвертор: 97% (синхронное обратное или гистерезисное управление), NET = 88%.
- Износ / сервисное обслуживание:
Коллекторный двигатель: Щетки подвержены износу, требуют периодической замены. Подшипники (срок службы).
BLDC:
Подшипники (срок службы).
Индукционный двигатель:
Подшипники (срок службы).
- Удельная стоимость (стоимость за кВт), включая инвертор:
Коллекторный двигатель:
Маломощный двигатель и контроллер, как правило, недороги.
BLDC:
Постоянные магниты большой мощности стоят очень дорого.
Индукционный двигатель:
Инверторы повышают стоимость, но двигатель дешевый.
- Отвод тепла:
Коллекторный двигатель:
Обмотки на роторе затрудняют отвод тепла как от ротора, так и от коллектора при использовании двигателей высокой мощности.
BLDC:
Обмотки на статоре упрощают отвод тепла. Магниты на роторе нагреваются под действием вихревых токов низкой или умеренной интенсивности.
Индукционный двигатель:
Обмотки на статоре упрощают отвод тепла от статора. Индуцированные токи в роторе могут потребовать охлаждения маслом при высокой мощности (ввод и вывод через вал, а не разбрызгиванием).
- Характеристики крутящего момента / скорости:
Коллекторный двигатель:
Теоретически бесконечный крутящий момент на нулевой скорости, крутящий момент падает с увеличением скорости. Для применения в автомобилестроении с щетками постоянного тока обычно требуется 3-4 передаточных числа, чтобы охватить весь автомобильный диапазон скорости.
Один обозреватель технологий несколько лет ездил на электромобиле с двигателем постоянного тока мощностью 24 кВт, который мог воспламенять шины с места (но с трудом разгонялся до 100 км/час).
BLDC:
Постоянный крутящий момент до базовой частоты вращения, постоянная мощность до максимальной скорости. Применение в автомобилестроении возможно благодаря коробке передач с одним передаточным числом.
Индукционный двигатель:
Постоянный крутящий момент до базовой частоты вращения, постоянная мощность до максимальной скорости. Применение в автомобилестроении возможно с коробкой передач с одним передаточным числом. Для создания крутящего момента после подачи тока могут потребоваться сотни милисекунд.
- Разное:
Коллекторный двигатель:
При высоком напряжении искрение коллектора может быть проблематичным. Щеточные двигатели постоянного тока традиционно используются в гольф-картах и вилочных погрузчиках (24 В или 48 В), хотя более новые модели являются индукционными из-за повышенной эффективности. Автономное торможение является сложной задачей и требует более сложного регулятора скорости.
BLDC:
Стоимость магнитов и сложности при сборке (магниты ОЧЕНЬ мощные) делают двигатели BLDC пригодными для применения при меньшей мощности (например, в двух двигателях / генераторах Prius). Автономное торможение предоставляется, по сути, бесплатно.
Индукционный двигатель:
Двигатель относительно дешев в изготовлении, а силовая электроника для автомобильных применений значительно подешевела за последние 20 лет. Автономное торможение предоставляется, по сути, бесплатно.
Опять же, это лишь краткое изложение некоторых основных конструктивных факторов, влияющих на выбор двигателя. Я намеренно опустил конкретную мощность и конкретный крутящий момент, поскольку они, как правило, намного больше зависят от реальной реализации.
В целом, можно отметить, что BLDC используется в электокарах более высокого ценового сегмента, в первую очередь из-за дороговизны магнитов (например, спорткары).
Вот англоязычная ссылка на блог компании Tesla, где они объяснили свой выбор переменного тока вместо постоянного teslamotors.com/blog/induction-versus-dc-brushless-motors