Automobilių pasaulis sparčiai keičiasi, o elektrifikacija tampa nebe tolima ateitimi, o kasdiene realybe. Entuziastai jau seniai savo senus automobilius konvertuoja į elektromobilius. Tai yra pakankamai sudėtingas procesas, reikalaujantis surasti sudaužytą elektromobilį, sugalvoti, kaip pritaikyti jo baterijų modulius ir variklius, bei gerai apgalvoti sistemos saugumą. Tai daro ir didesnės kompanijos - „Volkswagen“ verčia „Käfer“ elektriniu Vabalu, o Silverstone įsikūrusi „Lunaz“ elektrifikuoja senus „Jaguar“ ir „Rolls-Royce“. Tokios transformacijos rodo didėjantį poreikį efektyviems ir lengvai integruojamiems elektriniams varikliams.
„Swindon Powertrain“ HPD Modulis: Kompaktiškas Elektrifikacijos Sprendimas
Britų kompanijos „Swindon Powertrain“ pasiūlymas rinkoje yra pakankamai unikalus. Tai - į vieną modulį sumontuoti automobiliams skirti elektros varikliai ir jiems reikalingi komponentai.
Kas yra HPD modulis?
600 x 440 x 280 mm dydžio mazge, vadinamame High Power Density arba HPD moduliu, telpa elektros variklis, inverteris, transmisija ir aušinimo sistema. Šis modulis sveria tik 70 kg ir yra toks mažas, kad lengvai telpa po klasikinio MINI kapotu ar net vietoje keturračio variklio. Gamintojas teigia, kad HPD tiks pačioms įvairiausioms mašinoms - nuo klasikinių automobilių iki nedidelių sunkvežimių.
Modulio savybės ir lankstumas
Modulinė HPD konstrukcija leidžia šį modulį montuoti įvairioje technikoje. Galima keisti inverterio ir aušinimo bloko pozicijas, o pats modulis turi kelis montavimo taškus, kad tvarkingai įsitaisytų po sportinio automobilio kapotu ar po gatvės šlavimo mašinos kėbulu. „Swindon Powertrain“ teigia, kad modulis gali būti ir visiškai atsparus vandeniui, todėl jis tinka ir rekreaciniam transportui, įskaitant visureigius ir keturračius.
HPD išvysto 80 kW galią, tačiau modulis yra toks mažas, kad vienas automobilis galėtų turėti ir po vieną HPD modulį kiekvienai ašiai. Tai buvo vienas iš pagrindinių reikalavimų HPD dizainui - „Swindon Powertrain“ siekė, kad tas pats modulis tiktų tiek priekiniais, tiek galiniais ratais varomoms mašinoms. Aišku, išvystoma galia nėra įspūdinga, tačiau prisiminkite, kad elektromobiliai pasižymi ypatinga sukimo momento kreive - visi niutonmetrai prieinami iš karto. Ateityje „Swindon Powertrain“ galbūt išplės siūlomų HPD modulių gamą ir galingesniais variantais.
Kam skirtas HPD modulis?
„Swindon Powertrain“ taikosi ne į paprastus entuziastus, bet į mažiausius elektromobilių gamintojus bei įmones, kurios atliks tokias modifikacijas klasikiniams automobiliams. Kokybiški, lengvai pritaikomi elektros varikliai šiuo metu nėra lengvai prieinami, todėl mažesni nepriklausomi automobilių gamintojai sunkiai prisitaiko prie naujų elektrifikacijos tendencijų. Tokia „Swindon Powertrain“ strategija tikriausiai reiškia, kad HPD modulis bus gana brangus, nors ir turėtų būti nesunkiai pritaikomas ir instaliuojamas. Taip pat reikėtų nepamiršti, kad elektros variklis, transmisija ir inverteris nėra visas elektromobilis - juk dar reikės baterijų. Taigi, nors į vieną modulį sudėti patys svarbiausi elektromobilio komponentai palengvins vidaus degimo variklių keitimą elektrinėmis sistemomis, tai nėra stebuklinga LEGO kaladėlė, kurią galėtų sumontuoti bet kas. „Swindon Powertrain“ HPD modulis rinkoje pasirodė 2020-ųjų birželį.
Elektros Variklių Technologijos Pagrindai
Kad suprastume elektros variklio montavimą, svarbu žinoti, kaip jis veikia ir kokios technologijos slypi jo viduje.
Kaip veikia elektromobilio variklis?
Kaip veikia elektromobilis? | Tesla Model S
Elektrinėje transporto priemonėje, kai vairuotojas įjungia akceleratoriaus pedalą, automobilio akumuliatorius tiekia elektros energiją į statorį, todėl rotorius sukasi, o vėliau suteikia mechaninę energiją automobilio pavaroms pasukti. Kai pavaros sukasi, ratai taip pat sukasi. Visa tai vyksta akimirksniu ir be iškastinio kuro degimo!
Kintamosios srovės (AC) ir nuolatinės srovės (DC) varikliai
Kintamoji srovė (AC) ir tiesioginė srovė (DC) yra du skirtingi elektros srauto tipai. Tiesioginė srovė yra tada, kai elektros krūvis teka tik viena kryptimi, o kintamoji srovė periodiškai keičia kryptį. Varikliai, varomi nuolatinės srovės, gali būti randami elektrinėje transporto priemonėje, bet tik kaip maži, mini varikliai, naudojami, pavyzdžiui, priekinio stiklo valytuvams ir elektriniams langams, bet ne pačiai transporto priemonei varyti. Elektrinės transporto priemonės traukai naudojamas kintamosios srovės variklis.
Elektros variklių tipai: asinchroniniai ir sinchroniniai
Yra dviejų tipų kintamosios srovės elektrinis variklis, naudojamas elektros transporto priemonės traukai sukurti: asinchroninis (dar žinomas kaip indukcinis) ir sinchroninis.
Asinchroniniai (indukciniai) varikliai
Asinchroniniame arba indukciniame variklyje rotorius traukiamas į sukimąsi, nuolat bandydamas "pasivyti" besisukantį magnetinį lauką, kurį sukūrė statorius. Šio tipo elektrinis automobilių variklis yra žinomas dėl savo didelės galios ir yra įprastas variklis transporto priemonėse.
Sinchroniniai varikliai
Kita vertus, sinchroniniame variklyje rotorius sukasi tokiu pačiu greičiu kaip magnetinis laukas. Tai užtikrina didelį sukimo momentą važiuojant mažu greičiu, todėl jis idealiai tinka važiuoti mieste. Kitas privalumas yra jo dydis: sinchroninis elektrinis automobilio variklis gali būti kompaktiškas ir mažo svorio. Pavyzdžiui, „Renault“ iš išorės sužadinamas sinchroninis variklis (EESM) užtikrina puikų galios ir našumo santykį. Jo naudingumo koeficientas siekia 91 %. Dėl suvynioto rotoriaus konstrukcijos jis neturi nuolatinio magneto, todėl jam nereikia reaktyvių metalų.
Kaip maitinamas elektrinis variklis ir įkrovimas?
Prieš tai, kai asinchroninis ar sinchroninis elektrinis automobilio variklis gali pasisukti, reikiama elektros energija turi praeiti kelis etapus, kol ji pasiekia galutinę paskirties vietą kaip trauką. Nors elektrinis automobilio variklis naudoja kintamosios srovės sistemą, akumuliatorius turi gauti savo elektros energiją DC. Todėl būtina perskaičiuoti iš kintamosios į nuolatinę srovę transporto priemonėje arba už jos ribų.
Galia iš tinklelio visada yra AC. Tada ji eina per elektrinės transporto priemonės borto įkroviklį (kintamosios srovės ir nuolatinės srovės konverterį), kuris tada siunčia energiją į akumuliatorių. Tačiau greito įkrovimo stotelės, kurias galite rasti greitkelyje, automobilių stovėjimo aikštelėse ir miesto gatvėse, pačios atlieka kintamosios srovės ir nuolatinės srovės konversijos procesą, o tai reiškia, kad akumuliatoriaus energija patenka tiesiai į automobilį kaip tiesioginė srovė. Jos yra greitesnės nei kintamosios srovės elektros lizdai, tačiau užima daug daugiau vietos. Automobilis DC srovę į kintamąją srovę varikliui paverčia naudodamas inverterį, kuris yra jėgos agregato dalis.
Elektriniame automobilyje elektrinis variklis yra tik viena didesnio bloko, vadinamo jėgos agregatu, dalis. Čia taip pat randame "Power Electronic Controller" (PEC), atsakingą už elektroniką, valdančią variklio maitinimo šaltinį ir akumuliatoriaus įkrovimą, ir pavarų variklį, kuris reguliuoja sukimo momentą (sukimo jėgą) ir sukimosi greitį. „Renault“ CMF-EV platforma, pavyzdžiui, su itin plokščiu 60 kWh talpos akumuliatoriumi ir kompaktišku 160 kW galios elektriniu varikliu, demonstruoja pastangas didinti elektrinių variklių veiksmingumą.
Po grindų danga įrengtas akumuliatorius - vienas svarbiausių elektromobilio komponentų. Jis kaupia važiavimui reikalingą energiją ir yra įkraunamas, automobilį prijungus prie įkrovimo stotelės arba sparčiojo įkrovimo lizdo. Dėl įvairių įkrovimo galimybių elektromobilio įkrovimo įranga yra universali ir suderinama su įvairiais tinklais (viešaisiais ir privačiais): 7,4 kW vienfazės kintamosios srovės, iki 22 kW trifazės kintamosios srovės, iki 130 kW nuolatinės srovės (sparčiojo įkrovimo stotelėse). Europos CCS* standarto įkrovimo lizdas (arba įkrovimo prievadas) uždengiamas dangteliu. * CCS - kombinuotoji įkrovimo sistema (angl. Combined Charging System). Važiuojant sistema užtikrina nepertraukiamą kintamosios srovės (KS) elektros energijos pavertimą nuolatinės srovės (NS) energija ir šios perdavimą iš traukos akumuliatoriaus į elektrinį variklį.
Elektromobilių Platformos ir Konstrukcija
Elektromobilių konstrukcija skiriasi nuo tradicinių vidaus degimo varikliais varomų automobilių, o tai turi įtakos variklio montavimui ir bendrai erdvės panaudojimo efektyvumui.
Platformų evoliucija ir salono erdvė
Pirmieji elektromobiliai išsiskyrė savo išvaizda, tačiau didžiausi jų privalumai atsiskleidė tuomet, kai pasirodė ant specialių platformų pagaminti naujos kartos modeliai. Daugelis elektromobilių gamintojų iki šiol naudoja adaptuotas universalias arba ne tik elektros, bet ir hibridinėms pavaroms skirtas platformas. Kauno technologijos universiteto (KTU) Elektros ir elektronikos fakulteto docentas Jonas Vanagas pastebi, kad elektromobilių technologijos pastaraisiais metais tobulėja itin sparčiai.
Automobilių konstrukcija, anot J. Vanago, neišvengiamai turėjo keistis, nes iki šiol naudotos platformos buvo pritaikytos vidaus degimo varikliams, transmisijai ir degalų bakams. Tobulinant elektromobilius reikšmingą darbą atliko ne tik kėbulų inžinieriai ar dizaineriai, bet ir medžiagotyros specialistai, taip pat itin svarbus buvo elektros bei elektronikos inžinierių bei kitų sričių specialistų indėlis.
Elektromobiliams skirtose platformose visiškai pašalintas centrinis tunelis ir gerokai į priekį pastumta variklio skyriaus pertvara. Tai leido smarkiai išplėsti salono erdvę. „Viena vertus, inžinieriai ir dizaineriai gavo daugiau laisvės, tačiau jiems vis tiek reikėjo sugalvoti, kaip tinkamai išdėstyti kėbulo elementus ir sutalpinti visus mazgus. Elektromobilis turi būti atsparus smūgiams, atlaikyti gniuždymo jėgas ir įvairias perkrovas. Kiekvienu atveju reikalingi specifiniai sprendimai“, - dėsto J. Vanagas.
Vienas svarbiausių elektromobiliams skirtų platformų pokyčių - grįžimas prie galinių varančiųjų ratų pavaros. Dėl didelio elektros motoro sukimo momento pajudant iš vietos priekiniai ratai yra linkę labai greitai prasisukti. Dėl montuojamų baterijų pasikeitė ir automobilio dugnas - jis įgijo kone taisyklingą stačiakampio formą. Žvelgiant iš apačios, nauji elektromobiliai primena riedlentes. Saugią konstrukciją galima sukurti tik skiriant tam gana stambias investicijas. Tai atsispindi ir šiek tiek aukštesnėje nei įprastų modelių elektromobilių kainoje. Didžiausias privalumas žvelgiant į naujos kartos elektromobilių vidų - lygios salono grindys. Elektros motoras įprastai montuojamas gale, todėl priekinė ašis maksimaliai pastumiama į priekį. Šiuo aspektu elektromobiliai pranašiausi, palyginti su vidaus degimo variklius arba hibridines jėgaines turinčiais modeliais. Tarp vidutinio dydžio šeimyninių automobilių salono erdve išsiskiria „Tesla Model 3“, „Hyundai Ioniq 5“ ar „Audi Q4 e-tron“ modeliai.
Variklio montavimo padėties reikšmė (Skersai/Išilgai)
Universalios taisyklės, kuri variklio padėtis yra geresnė, paprasčiausiai nėra, nes tiek skersai, tiek išilgai sumontuotas variklis turi savų pliusų ir minusų, kurie aktualūs ir elektrinėms pavaroms.
Skersai montuojami varikliai
Skersai montuojamas variklis yra visuotinis automobilių pramonės standartas. Tokia konstrukcija leidžia gerokai sutrumpinti variklio skyrių, taip atlaisvinant daugiau vietos keleiviams ir jų bagažui. Kadangi variklis ir pavarų dėžė suprojektuoti kaip vientisas blokas (integruotos elektrinės pavaros atveju), jų gamyba gamintojui atsieina pastebimai pigiau nei išilgai montuojamų sistemų. Dar vienas neginčijamas skersinio montavimo privalumas yra puiki trauka. Priekinių varančiųjų ratų konfigūracijoje sunkaus variklio svoris tiesiogiai spaudžia priekinę ašį, o tai optimizuoja padangų sukibimą su asfaltu ir pagerina pagreitį. Be to, tokiems pavaros mechanizmams reikia mažiau judančių detalių, todėl jie paprastai būna šiek tiek lengvesni už savo išilginius analogus.
Išilgai montuojami varikliai
Variklio montavimą išilgai inžinieriai dažniausiai renkasi kurdami sportinius automobilius, didelius visureigius ir modelius, varomus galine ar abiem ašimis. Tokia konfigūracija leidžia pasiekti tolygesnį svorio pasiskirstymą tarp priekinės ir galinės ašių. Tai lemia puikiai subalansuotą trauką ir itin tikslų valdymą, kas yra gyvybiškai svarbu važiuojant dideliu greičiu ar agresyviai įveikiant posūkius. Išilginė variklio padėtis atveria duris didesniems varikliams arba leidžia efektyviau išdėstyti kitus komponentus, pavyzdžiui, galios elektroniką. Kadangi variklio skyriuje lieka daugiau erdvės šonuose, inžinieriai gali pritaikyti pažangesnes pakabos sistemas, leidžiančias priekiniams ratams pasisukti didesniu kampu - dėl to automobilio apsisukimo spindulys pastebimai sumažėja. Su šia komponuote taip pat kur kas paprasčiau integruoti visų varančiųjų ratų sistemas, o mechanikams lengviau atlikti priežiūros darbus, nes prie daugelio mazgų priėjimas tampa atviresnis. Tačiau už šiuos privalumus tenka susimokėti komforto sąskaita - išilgai sumontuotas variklis gali sumažinti erdvę keleiviams, prietaisų skydelis gerokai pasislenka į saloną.
Hibridinės Jėgainės ir Pereinamieji Sprendimai
Nors elektromobiliai yra ateitis, hibridinės jėgainės atlieka svarbų tarpinį vaidmenį elektrifikacijos kelyje.
Hibridinės technologijos evoliucija
Iš esmės šiuo metu yra tik keturi automobilių pavarų tipai: vidaus degimo variklis, varomas iškastiniu kuru, ir įvairių tipų elektrinės pavaros. Pastarosios gali būti arba visiškai elektrinės, arba pusiau elektrinės, tai yra hibridiniai automobiliai. Juos apjungia tai, jog juose dera vidaus degimo ir elektrinės technologijos. Hibridinis automobilis prieš daugiau nei 20 metų buvo tikra revoliucija. Mažos kubatūros vidaus degimo motoras ir jam asistuojantis elektros variklis buvo pirmas technologinis žingsnis į elektromobilių pasaulį. Nors hibridinių automobilių vien elektra nuvažiuojamas atstumas niekad nebuvo didelis, tačiau dažnam mieste užtenka tų kelių dešimčių kilometrų, o ir įprastas variklis bet kada gali ateiti į pagalbą, ir tokiu atveju automobilio įveikiamas atstumas jau niekuo nesiskiria nuo įprastą kurą vartojančių transporto priemonių. Mišrus judėjimo būdas ne tik taupo kurą, bet ir padeda išsaugoti švaresnį orą miestuose, kur hibridų technologija pati efektyviausia.
Lengvieji hibridai (Mild Hybrid)
Lengvasis hibridas yra paprasčiausio perėjimo prie elektromobilių galimybė. Benzininis variklis teikia energiją, o elektros akumuliatorius padeda įsibėgėti, įvažiuoti įkalnėn ar važiuoti pastoviu greičiu. Šie „vos vos“ hibridai išgyvena tam tikrą renesansą. Tai „minkštai“ pritaikyta elektrinė technologija, kurioje nėra elektrinio motoro, tačiau yra akumuliatorius ir specialus integruotas starteris/generatorius, kurie padeda vidaus degimo varikliui (VDV). Kai kurie automobilių gamintojai pasitelkia šį „asistentą“ gerinti kuro suvartojimo rodiklius, kitiems tai būdas trumpam pridėti varikliui galios.
Hibridai su išoriniu įkrovimu (Plug-in Hybrid)
Logiškas sekantis žingsnis automobilių elektrifikavime buvo leisti iš išorinio tinklo pakrauti elektromotorą maitinančią bateriją. Nedidelis patobulinimas iškart suteikė šiems hibridams daug didesnes galios, pravažumo ir nuvažiuojamo atstumo galimybes. Automobilio rekuperacinis stabdymas dabar jau nėra būtinas, be to, automobiliai nepraranda vidaus degimo variklio galios baterijos krovimui, todėl tokie automobiliai iškart sulaukė įvairių gamintojų dėmesio. Nors elektros baterijos įkrovimas iš išorinio šaltinio yra papildomas „darbas“, tačiau gaunamos naudos nusvėrė nedidelius papildomus rūpesčius. Hibridinė elektrinė transporto priemonė naudoja tiek vidaus degimo variklį, tiek kintamosios srovės variklį, varomą akumuliatoriumi.
Serijiniai hibridai (e-POWER)
Rinkoje pasirodo ir „atvirkštinis hibridas“, kuriame, skirtingai nuo ankstesnių hibridų modelių, svarbiausias vaidmuo tenka elektros pavarai, tuo tarpu VDV naudojamas tik baterijos pakrovimui ir yra niekaip nesujungtas su ratais. Tiesiog, jei ilgos kelionės metu baigtųsi elektros energija, o sustoti būtų nevalia, įsijungtų nedidukas benzininis ar dyzelinis generatorius, kuris gamintų elektros energiją, leidžiančią keliauti toliau. „e-POWER“ yra akumuliatorių įkraunančio benzininio variklio ir ratus sukančio elektros variklio derinys. Jis veikia panašiai kaip elektromobilis, mažiau teršia aplinką ir jo eksploatacinės išlaidos mažesnės, be to, jo nereikia jungti prie elektros tinklo, todėl nereikės keisti ir vairavimo įpročių.
Kuro elementų (vandenilio) automobiliai
Kuro celių elektromobilių krauti iš išorės šaltinių nereikia - jie gamina elektros energiją patys. Cheminė reakcija kuro elementuose naudoja vandenilį elektros gamybai, ir nors šis būdas labai ekologiškas ir perspektyvus, bet automobiliai susiduria su naujais technologiniais iššūkiais. Automobilių su degalų elementais ratus taip pat suka elektros varikliai, tačiau vietoje baterijų montuojamos vandenilio talpyklos. Prognozuojama, kad ateityje didelis dėmesys bus skiriamas vandenilio technologijoms, ties tuo intensyviai pluša ir KTU mokslininkai.
Elektros Variklio Savybės ir Veiksmingumas
Elektros varikliai pasižymi unikaliomis savybėmis, kurios lemia jų veiksmingumą ir ilgaamžiškumą.
Galia, sukimo momentas ir efektyvumas
Svarbiausia ne galia, o kaip ja pasinaudoji. Kalbant apie elektrinę transporto priemonę, galios galia apima skirtumą tarp tiekiamos elektros energijos (įvesties) ir "naudingos" mechaninės energijos, kuri varo variklį (išvestį), santykį, vadinamą energijos konversijos efektyvumu. Dėl karščio ir trinties dalis šios energijos gali būti prarasta kelyje, o tai reiškia, kad variklis negauna naudos iš visos elektros energijos, gaunamos iš elektrinio automobilio akumuliatoriaus.
Elektrinio automobilio galia priklauso nuo jo variklio tūrio ir gaunamos srovės galingumo. Pavyzdžiui, „Renault ZOE“ generuoja 100 kW galią, o geresnis sukimo momentas yra 245 Nm. Dėl 52 kWh akumuliatoriaus WLTP* nuvažiuojamas atstumas yra 395 kilometrai, naujasis ZOE veikia ypač gerai, kai kalbama apie energijos vartojimo efektyvumą. Šiuolaikinių elektromobilių varikliai savo galia nė kiek nenusileidžia vidaus degimo varikliams. Ne visi elektromobiliai vienodai galingi - viskas priklauso nuo variklio ir akumuliatoriaus galios.
Gyvavimo trukmė ir priežiūra
Elektrinio automobilio variklio gyvenimo trukmė priklauso nuo tiek daug kintamųjų, kad sunku tiksliai įvertinti. Idealiomis sąlygomis buvo pasiūlyta, kad optimali gyvenimo trukmė yra nuo 15 iki 20 metų. Palyginti su vidaus degimo varikliu, elektrinis automobilio variklis turi mažiau dalių, o tai reiškia mažesnę ir lengvesnę priežiūrą.
Įkrovimo greitis ir baterijos ilgaamžiškumas
Naujos kartos elektromobilių platformos išsiskiria ir pažangiais įkrovimo būdais. Pavyzdžiui, naujojo „Hyundai Ioniq 5“ bateriją nuo 10 iki 80 proc. galima įkrauti per trumpą laiką. „Šiuolaikinės technologijos leidžia 100 km reikalingą energiją įkrauti per dvi minutes. Tačiau toks įkrovimas iki 500 amperų srove - papildomas stresas baterijai, nes jos įkrovimo ciklų skaičius mažėja. Taigi tenka rinktis tarp įkrovimo greičio ir baterijos ilgaamžiškumo“, - paaiškina J. Vanagas.
Elektromobilių Ateitis
Elektromobiliai ryžtingai stumia iš rinkos visas kitas automobilių rūšis. Jie ne tik ekologiški, komfortabilūs ir turi beprotišką sukimo momentą, bet ir, skaičiuojant ilgesnę eksploataciją, pigesni nei jų dūmijantys broliai. Konservatorius šiek tiek gąsdina nauja technologija, bet automobilių gamintojai nerizikuoja savo reputacija ir į kelius išleidžia tik tuos automobilius, kuriems gali suteikti tokias pat garantijas, kaip ir VDV mašinoms. Be to, suvilioti tvariu transportu bando ir vyriausybės, kurioms nulinės CO2 emisijos automobiliai yra sveikos visuomenės būtina sąlyga.
Mūsų didžiausias teršalų šaltinis yra automobilių gamyba, tačiau dedama daug pastangų, kad sumažintume į aplinką išmetamų teršalų kiekius. Viena svarbiausių užduočių - tvarus elektromobilio gyvavimo ciklas nuo pagaminimo iki utilizavimo. Pavyzdžiui, panaudotus „Nissan“ akumuliatorius atnaujina ir naudoja Amsterdamo „Johan Cruijff“ arenoje su saulės energijos sistemomis energijai saugoti. Elektromobiliai jau nebeatrodo tolima perspektyva - jie realūs ne tik Europos Sąjungos direktyvose, bet ir gatvėse. Dar perspektyvesnė elektromobilio su „elektrine“ versija viduje yra saulės ir kitą aplinkinę energiją naudojantys automobiliai. Atsinaujinanti energetika šiuo metu sulaukia išskirtinio dėmesio.
tags: #elektros #variklis #montuojamas #i #automobili