Как выбрать мощность и крутящий момент двигателя для электромобиля

Определение мощности и крутящего момента двигателя, используемых в электромобиле (EV), является одним из важнейших этапов при проектировании электромобиля. Недостаточно мощный двигатель приведет к плохой динамике разгона, перегреву и снижению надежности, в то время как чрезмерно мощный двигатель увеличит затраты, вес и энергопотребление.

Цель данной статьи — помочь инженерам и производителям электромобилей точно определить соответствующее количество мощности и крутящего момента для их электромобилей, а также охватить различные факторы, связанные с определением этих величин.

Понимание функциональных различий между мощностью и крутящим моментом

Очень важно: Для точного выбора двигателя для электромобиля важно понимать функциональные различия между МОЩНОСТЬЮ и КРУТЯЩИМ МОМЕНТОМ применительно к двигателям. В простейшем смысле:

(1) КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ относится к величине вращательной силы, которую может развить двигатель. Он напрямую влияет на следующее:

Динамика разгона (скорость, с которой автомобиль может достичь максимальной скорости)

Способность преодолевать подъемы или «уклон»

Способность перевозить груз.

(2) МОЩНОСТЬ относится к тому, как быстро (во времени) МОЖЕТ быть развит КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ.

Она в основном влияет на:

Максимальная скорость

Устойчивая производительность при движении

Способность работать в условиях высокоскоростного движения по автомагистрали.

Наиболее распространенное применение крутящего момента и мощности в электромобилях заключается в том, что крутящий момент в основном влияет на производительность при низких скоростях автомобиля; тогда как мощность влияет на производительность при высоких скоростях автомобиля.

Этап 1: Определение применения электромобиля и рабочего цикла

При выборе двигателя для электромобиля первым шагом является четкое определение предполагаемого применения электромобиля, для которого вы намерены использовать двигатель.

Для этого вам следует ответить на несколько ключевых вопросов:

Будет ли этот электромобиль в основном использоваться для городских поездок или для дальних поездок?

Будет ли электромобиль перевозить тяжелые грузы, или этот электромобиль будет в основном работать только без груза?

Будет ли электромобиль испытывать большое количество операций старт-стоп?

Должен ли электромобиль работать только на ровных поверхностях или должен преодолевать крутые склоны?

Все типы электромобилей (легковые автомобили, электрические вилочные погрузчики, гольф-кары, AGV, коммерческие автомобили и т. д.) имеют разные требования к крутящему моменту и мощности, несмотря на работу на одинаковых скоростях.

Этап 2: Расчет требуемого крутящего момента на колесах

Крутящий момент двигателя в основном определяется силами сопротивления, которые действуют на колеса автомобиля, и могут включать:

Сопротивление качению

Аэродинамическое сопротивление

Сопротивление подъему (уклон)

Сила ускорения

При низкоскоростных стартах потребность в крутящем моменте на колесах максимальна. Двигатель должен обеспечивать требуемый крутящий момент (после любого необходимого снижения с помощью редуктора, если применимо) для преодоления этих сил в наихудших условиях.

Большинство электромобилей, используемых в промышленности (например, в производстве или дистрибуции), должны обеспечивать больший пусковой крутящий момент, чем другие электромобили, такие как гольф-кары и AGV (автоматизированные управляемые транспортные средства).

Этап 3: Расчет требуемых показателей для ускорения и способности преодолевать подъемы

Как динамика разгона, так и способность преодолевать подъемы оказывают значительное влияние на выбор крутящего момента при использовании крутящего момента, создаваемого Землей, для определения характеристик крутящего момента в электромобиле.

При определении характеристик ускорения и преодоления подъемов следует учитывать следующие критерии:

Желаемое время достижения максимального ускорения (например, 0–30 км/ч)

Максимальный уклон, который должен преодолевать электромобиль

Масса автомобиля при полной загрузке.

Использование более высокого значения крутящего момента дает следующие преимущества:

Большая отзывчивость при ускорении

Стабильная работа на рампах и склонах

Снижение нагрузки на трансмиссию (компоненты трансмиссии) электромобиля

В целом, при проектировании коммерческих и промышленных электромобилей непрерывная мощность крутящего момента важнее, чем кратковременная пиковая мощность крутящего момента.

Скорость и условия непрерывной эксплуатации автомобиля. Требования к мощности увеличиваются со скоростью автомобиля, потому что:

• Аэродинамическое сопротивление увеличивается со скоростью

• Устойчивая нагрузка автомобиля при крейсерской скорости

Наибольший спрос на мощность совпадает с высокой скоростью, тогда как наибольший спрос на крутящий момент совпадает с низкими скоростями.

Факторы, определяющие наиболее важные факторы

При расчете требуемой мощности и крутящего момента двигателя необходимо учитывать множество факторов, в том числе:

• Максимальная скорость автомобиля

• Продолжительность времени при максимальной скорости

• Тепловые пределы двигателя

Чтобы считаться правильно подобранным, двигатель должен работать наиболее эффективно при наиболее частой скорости движения автомобиля, а не только при максимальной выходной мощности.

Передаточное число и компоновка трансмиссии

Мощность и крутящий момент двигателя не могут быть определены до тех пор, пока не будут учтены все компоненты трансмиссии. При проектировании компоновки трансмиссии необходимо учитывать следующее:

• Использовать односкоростную или многоскоростную коробку передач

• Использовать прямой привод или понижающий редуктор

• КПД дифференциала и оси

При расчете передаточного числа правильно подобранный двигатель обеспечивает достаточный крутящий момент на колесах и может быть лучше использован в каждом рабочем диапазоне. Оптимизируя передаточные числа, конструкции электромобилей могут уменьшить физический размер двигателя, сохраняя при этом производительность.

Непрерывные и пиковые номинальные значения

Большинство типов двигателей электромобилей могут хорошо работать как в пиковом (кратковременном), так и в непрерывном (ограниченном тепловыми режимами) режимах. Анализ непрерывных номинальных значений необходим для определения надежности и долговечности двигателя при нормальной эксплуатации. Непрерывные номинальные значения мощности и крутящего момента обеспечат уверенность в долгосрочной работе; пиковые значения мощности и крутящего момента обычно применимы только во время ускорения или быстрых изменений в работе.

Если дизайнер электромобилей использует только пиковое значение двигателя при выборе, он может неправильно рассчитать непрерывные значения. Это может привести к перегреву, а в некоторых случаях к обширным повреждениям или сокращению срока службы.

Спецификации двигателя, соответствующие стратегии управления

Контроллеры двигателя и стратегия управления напрямую влияют на то, как полезный крутящий момент и мощность извлекаются из двигателя. Следует учитывать следующие моменты:

• Возможности ослабления поля

• Точность управления крутящим моментом

• Возможность рекуперативного торможения

Электромобили (EV) чаще всего используют конструкции двигателей с широким диапазоном скоростей и передовые алгоритмы управления для управления крутящим моментом, мощностью, эффективностью и тепловыми характеристиками.

Распространенные ошибки при выборе двигателя

Распространенные ошибки, допускаемые дизайнерами электромобилей при выборе электродвигателя, включают:

• Слишком большой или неправильно подобранный по мощности двигатель; это приведет к игнорированию рабочих циклов.

• Игнорирование требований к непрерывному крутящему моменту.

• Использование пиковых значений крутящего момента вместо полезного крутящего момента на колесах.

• Неспособность точно определить тип трансмиссии, к которой подключается двигатель.

Избегая подобных ошибок, дизайнеры могут повысить эффективность электрической системы и, в свою очередь, снизить общую стоимость автомобиля.

Заключение

Выбор мощности и крутящего момента электродвигателя является инженерным решением на системном уровне и требует большего, чем просто выбор одного параметра. Правильный выбор мощности и крутящего момента двигателя должен учитывать:

• Как будет использоваться автомобиль и его рабочая среда

• Какой уровень крутящего момента потребуется как для низкоскоростной работы, так и для грузоподъемности

• Какое количество мощности потребуется для поддержания крейсерской скорости

• Общая эксплуатация, включая все компоненты трансмиссии, стратегию управления и тепловые пределы.

Путем балансировки этих факторов дизайнер электромобиля может наилучшим образом использовать переменные для создания электромобиля с оптимальной производительностью, превосходной эффективностью, надежностью и стоимостью.