Бурното развитие на хибридните системи за задвижване и небивалият прогрес през последните години в областта на електромобилите поставят основния акцент в разработките върху акумулаторните технологии. Те изискват най-голям ресурс от развойната дейност и са най-голямото предизвикателство за конструкторите. Не бива обаче да подценяваме факта, че прогресът в развитието на аванградните литиево-йонни технологии е съпроводен и от сериозен напредък в областта на силовото управление на електрическите потоци и електромоторите. Оказа се, че макар да имат висока ефективност електромоторите също имат сериозно поле за развитие.

Конструкторите очакват този бранш от индустрията да се развива с изключително високи темпове, не само защото електрическите автомобили стават все по-често срещано явление, но и защото електрификацията на автомобилите с двигатели с вътрешно горене е важен елемент от заложените нива на емисии в Европейския съюз.

Макар че електрическият мотор има прастара история, днес конструкторите се сблъскват с нови проблеми. В зависимост от предназначението, електромоторите могат да имат тясна конструкция и голям диаметър или малък диаметър и дълго тяло. Поведението им при чистите електромобили е различно от това при хибридите, където трябва да се отчита и топлината, генерирана от ДВГ. При електромобилите оборотният диапазон е по-широк, докато тези монтирани в паралелна хибридна система в предавателната кутия трябва да бъдат оптимизирани за работа в оборотния диапазон на двигателя с вътрешно горене. Повечето машини работят на високо напрежение, но все по-популярни ще стават електрическите машини захранвани с 48 волта.       

Защо променливотокови мотори

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. Но какво всъщност означава синхронен или асинхронен мотор. Ще ви въведем в тази част на автомобилния свят защото въпреки че електрическите машини отдавна съществуват в автомобилите под формата на стартерни електродвигатели и алтернатори напоследък се въвеждат съвсем нови технологии в тази област.

В момента Toyota, GM и BMW са сред малкото производители, поели сами развойната дейност и производството на електродвигателите. Дори дъщерната компания на Toyota – Lexus, доставя тези агрегати от друга компания – японската Aisin. Голяма част от компаниите разчитат на доставчици като ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec или на китайски фирми. Очевидно е, че бързото развитие на този бизнес дава възможност на подобни компании да берат плодовете на сътрудничеството си с автомобилните производители. Що се отнася до технологичния аспект на нещата, то понастоящем за нуждите на електромобилите и хибридите се използват основно променливотокови синхронни мотори с външен или вътрешен ротор.

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. Все пак големината на тока в силовата електроника достига нива в пъти по-големи от обичайните в битовота електрическа мрежа и нерядко стойностите надвишават 150 Ампера. При това се генерират големи количества топлина, с които силовата електроника трябва да се справи. В момента обема на управляващото електронно устройство все още е голям, защото електронните полупроводникови, управляващи устройствата, не могат да бъдат смалени с магическа пръчка.

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 със свързани накъсо намотки. 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. То от своя страна индуцира магнитно поле в ротора и взаимодействието между двете магнитни полета – въртящото се в статора и това на ротора води до увличане на последния 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 придържат към тях.

Синхронни мотори

Тези агрегати имат значително по-високо КПД и плътност на мощността. Съществената разлика с асинхронния мотор 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 зависят също 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 се използват електромотори с така нареченото постоянно възбуждане тоест с постоянни магнити. Както споменахме, почти всички 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. Синхронните мотори имат различни разновидности и смесени технологични решения като тези на BMW или на GM, но за тях ще ви разкажем допълнително.

Конструкцията

Двигателите на автомобилите с чисто елестрическо задвижване обикновено се закрепват непосредствено към диференциала на задвижващия мост и мощността се пренася до колелата с помощта на полувалове, с което се намалят 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) и two mode (Chevrolet Tahoe) електродвигателите са свързани по специфичен начин с планетарните механизми в хибридината трансмисия, а в случая компактността изисква конструкцията им да бъде издължена и с по-малък диаметър. В класическите паралелни хибриди, изискванията за компактност означава агрегатът, който се поставя между маховика и предавателната  кутия да е с по-голям диаметър и по скоро плосък, като производители като Bosch и ZF Sachs дори залагат на дисковидна конструкция на ротора. Вариации има и по отношение на ротора – докато при Lexus LS 600h въртящият се елемент е разположен от вътрешната част, при някои модели на Mercedes въртящият се ротор е отвън. Последната конструкция е изключително подходяща и в случаите когато електромоторите са монтирани в главините на колелата.

Източник: AMS.bg