Elektromobilių transmisijos sandara ir veikimo principas

Elektromobiliai (EV) stipriai skiriasi nuo tradicinių transporto priemonių su vidaus degimo varikliais (VDV) savo jėgos agregato architektūra. Elektromobilio branduolyje vietoj VDV naudojamas elektros variklis. Elektros variklis tiesiogiai generuoja sukimo momentą, užtikrindamas momentinį galios tiekimą ratams. Šis esminis skirtumas kelia klausimų dėl pavarų dėžių būtinumo ir konstrukcijos elektromobiliuose.

Elektromobilio varomosios pavaros charakteristikos

Šiame darbe aptariamos elektromobilio bei elektromobilio varomosios pavaros charakteristikos, jos veikimo principas, sudėtis, sensoriai, taip pat pateikiamos kinematinės pavaros bei informacijos srautų schemos.

Trumpa elektromobilio istorija

Nuo medinių ratų iki šiuolaikinių technologijų, visa automobilio atsiradimo istorija yra intriguojanti. Pirmieji automobiliai neturėjo priekinių stiklų, durų, posūkio signalų ar net apvalaus vairo. Prireikė daugybės technologinių išradimų, kad automobilis būtų panašus į tai, ką turime šiandien. Įdomiausia tai, kad prireikė daugybės skirtingų žmonių sukurti variklį, ratus, pavaras, net tokios dalys kaip valytuvai buvo sugalvoti skirtingų žmonių ir per daugiau nei penkis šimtus metų po mažo virto tuo, ką turime šiandien.

Elektromobilis - ateities transporto priemonė

Elektromobilis yra ateities transporto priemonė, suteikianti platesnes galimybes vartotojui atlikti kasdienes funkcijas paprasčiau, pigiau bei tausojant savo gyvenamąją aplinką. Elektromobilio varomoji pavara naudoja pažengusias technologijas, kurios derindamos programinės įrangos galimybes, suteikia didesnį komfortą naudoti savo automobilį įvairiomis situacijomis. Tai šansas žmonijai sutelkti jėgas prieš kintantį klimatą bei pasaulį.

Elektromobilių privalumai

Palyginti su tradicinėmis transporto priemonėmis su vidaus degimo varikliais, elektra varomos transporto priemonės turi šiuos privalumus:

• Draugiškumas aplinkai ir energijos taupymas: Elektrinėms transporto priemonėms nereikia degalų, o tik elektros, todėl pašalinama išmetamųjų teršalų tarša ir jos tampa draugiškesnės aplinkai. Be to, elektrinės transporto priemonės pasižymi didesniu energijos vartojimo efektyvumu ir taupo energiją.
• Didelis efektyvumas ir mažas triukšmas: Elektrinių transporto priemonių varikliai turi didelį greitį ir didelį sukimo momentą, leidžia greitai reaguoti į vairuotojo įvestį, išlaikant žemą triukšmo lygį, kad vairavimas būtų patogesnis.
• Mažos priežiūros sąnaudos: Elektrinių transporto priemonių varikliai yra paprastos struktūros, juose trūksta sudėtingų tradicinių variklių ir transmisijų komponentų, todėl priežiūros išlaidos mažesnės.
• Didelis lankstumas: Elektrinių transporto priemonių variklius galima reguliuoti pagal vairuotojo poreikius, todėl vairavimo stiliai yra lankstesni.

Elektromobilių transmisijos sistema

Elektromobilio transmisija yra atsakinga už galios perdavimą iš variklio į ratus. Elektrinio variklio veikimo paprastumas leidžia sukurti nesudėtingą perdavimo sistemą. Elektrinio automobilio transmisijos įtaiso funkcija yra perduoti elektros variklio sukimo momentą į automobilio varomąjį veleną. Naudojant elektrinį ratų pavarą, į daugumą transmisijos įtaiso komponentų dažnai galima nepaisyti.

Pavarų dėžės poreikis elektromobiliuose

Skirtingai nuo tradicinių transporto priemonių, kurioms reikalinga kelių greičių transmisija, kad būtų galima pritaikyti kintamą vidaus degimo variklių galią, elektromobiliuose paprastai naudojama vieno greičio pavarų dėžė. Tai įmanoma, nes elektros varikliai gali efektyviai veikti įvairiais greičių diapazonais. Kelių pavarų nebuvimas supaprastina pavarą, sumažina mechaninį sudėtingumą ir padidina patikimumą. Elektromobilio pavarų dėžės dizainas orientuotas į variklio veikimo optimizavimą, kad būtų užtikrintas geriausias pagreičio ir didžiausio greičio balansas. Viena reduktoriaus pavara sujungia variklį su ratais, paversdama greitą variklio sukimąsi į naudingą rato greitį.

Diskusija apie elektromobilių pavarų dėžę dar nesibaigė. Teoriškai grynai elektromobiliams nereikia transmisijos, tik reduktoriaus su fiksuotu santykiu. Tačiau šiandien vis daugiau žmonių supranta, kad elektromobiliams reikia automatinių pavarų dėžių. Priežastis, kodėl vietiniai elektromobilių gamintojai gamina elektrines transporto priemones nenaudodami pavarų dėžės, yra ta, kad žmonės iš pradžių neteisingai suprato, jog elektrinėms transporto priemonėms pavarų dėžės nereikia. Tada tai nėra ekonomiškai efektyvu; buitinių automobilių automatinių pavarų dėžių industrializacija vis dar yra žemo lygio, todėl nėra tinkamos automatinės pavarų dėžės, iš kurios būtų galima pasirinkti.

Fiksuoto perdavimo reduktorius turi tik vieną pavarą, todėl variklis dažnai yra žemo efektyvumo zonoje, o tai ne tik eikvoja brangią akumuliatoriaus energiją, bet ir padidina reikalavimus traukos varikliui bei sumažina transporto priemonės važiavimo atstumą. Jei sumontuota automatinė pavarų dėžė, variklio greitis gali pakeisti variklio darbinį greitį, žymiai pagerindamas efektyvumą, taupydamas elektros energiją, padidindamas važiavimo atstumą ir padidindamas greitį važiuojant mažo greičio pavaromis.

Beihango universiteto Transporto mokslo ir inžinerijos mokyklos dekano pavaduotojas profesorius Xu Xiangyang teigė: „Elektromobiliams skirta kelių greičių automatinė pavarų dėžė turi plačias rinkos perspektyvas. Grynai elektrinių keleivinių transporto priemonių elektrinis variklis turi didelį sukimo momentą mažu greičiu. Šiuo metu variklio elektromobilio efektyvumas yra itin žemas, todėl elektromobilis sunaudoja daug elektros energijos užvesdamas, įsibėgėdamas ir lipdamas stačiais šlaitais nedideliu greičiu. Tam reikia naudoti greičių dėžes, kad sumažintumėte variklio šilumą, energijos sąnaudas, padidintumėte kreiserinį atstumą ir pagerintumėte transporto priemonės dinamiką.“

Tačiau pavarų dėžės pridėjimas ne tik padidina sąnaudas, bet ir papildomai praranda efektyvumą. Net ir gera dvigubos sankabos pavarų dėžė gali pasiekti tik daugiau nei 90 % transmisijos efektyvumą, taip pat padidina svorį, o tai ne tik sumažins galią, bet ir padidins degalų sąnaudas. Įdėti ją iš esamos automobilio pavarų dėžės yra per didelis, sunkus ir brangus, o pelnas viršija nuostolius. Jei tinkamo nėra, prieš jį galima naudoti tik reduktorių su fiksuotu greičio santykiu.

Kalbant apie kelių greičių perjungimo naudojimą pagreičio našumui užtikrinti, šią idėją įgyvendinti nėra taip lengva, nes pavarų dėžės perjungimo laikas turės įtakos pagreičio našumui, o perjungimo proceso metu galia bus smarkiai sumažinta, todėl didelis perjungimo smūgis, kuris kenkia visai transporto priemonei. Prietaiso sklandumas ir patogumas turės neigiamos įtakos.

Pagrindiniai elektromobilių transmisijos komponentai

Šiuolaikinės elektromobilių elektrinės pavaros sistemos daugiausia sudarytos iš keturių pagrindinių dalių: varomųjų variklių, transmisijų, galios keitiklių ir valdiklių. Varomasis variklis yra elektrinės pavaros sistemos šerdis, o jo veikimas ir efektyvumas tiesiogiai veikia elektromobilio veikimą. Varomojo variklio dydis ir svoris bei transmisija taip pat turi įtakos bendram automobilio efektyvumui. Elektros energijos keitikliai ir valdikliai turi daug bendro su saugiu ir patikimu elektrinių transporto priemonių darbu.

Pavarų dėžė susideda iš dviejų dalių: važiuoklės ir diferencialinės pavaros. Važiuoklė susideda iš indukcinio variklio išėjimo, iš kurio sukimosi judesys papildamomis detalėmis (krumpliaračiais ir t.t.) perduodamas į transmisijos išėjimą.

Elektros variklis ir pavara

Grynai elektrinės transporto priemonės naudoja akumuliatoriaus energiją, kad varytų elektros variklį, kad ratai judėtų į priekį. Energijos srauto maršrutas yra: akumuliatorius → galios reguliatorius → elektros variklis → jėgos perdavimo sistema → varomasis ratas. Tarp jų akumuliatorius tiekia srovę, kuri, praeinant pro galios reguliatorių, perduodama į elektros variklį. Tam, kad suktųsi varomųjų ratų ašis, prie indukcinio variklio prijungta pavarų dėžė, kuri sukimąsi ir perduoda varomiesiems ratams. Ši pavarų dėžė veikia pastovaus perdavimo (angl. „Single Speed Transmission“) principu.

Varomosios pavaros analoginiai pasirinkimai vartotojui suteikia galimybę automobilį pasirinkti pagal savo poreikius bei įnorius, beveik taip pat kaip ir įprastinius automobilius, naudojančius vidaus degimo variklius.

Elektrinės pavaros sistemos tipai

Pagal elektrinės pavaros sistemos sudėtį ir išdėstymą grynos elektrinės transporto priemonės yra suskirstytos į keturis tipus:

1. Mechaninės transmisijos tipas: Iš degalų varomos transporto priemonės su priekiniais ir užpakaliniais variklio ratais išlaikoma vidaus degimo variklio pavarų dėžė, tačiau vidaus degimo variklį keičia elektros variklis. Ši struktūra gali pagerinti grynos elektrinės transporto priemonės pradinį sukimo momentą ir atsarginę galią esant mažam greičiui, be to, ji varikliui kelia mažą reikalavimą ir gali pasirinkti mažos galios variklį.
2. Be transmisijos tipas: Didžiausia pavaros sistemos savybė yra sankabos ir transmisijos pašalinimas, naudojant fiksuotą greičio santykio reduktorių, valdant variklį, kad būtų pasiekta perjungimo funkcija. Šios struktūros pranašumas yra tas, kad mechanizmo transmisija yra lengvesnė ir mažesnė pagal tūrį, tačiau reikalavimai varikliui yra didesni, ne tik reikalauja didesnio paleidimo sukimo momento, bet ir reikalauja didesnės atsarginės galios, kad būtų užtikrintas grynos elektrinės transporto priemonės dinamiškas našumas, toks kaip startas, lipimas ir pagreitis.
3. Be diferencialo tipas: Konstrukcija naudoja du elektros variklius, kad atitinkamai vairuotų du ratus per fiksuotą greičio santykio reduktorių, o kiekvieno variklio greitį galima reguliuoti atskirai. Kai automobilis sukasi, elektroninę diferencialo sistemą įgyvendina elektroninė valdymo sistema. Todėl variklio valdymo sistema yra sudėtinga.
4. Elektrinio rato tipas: Variklio montavimas tiesiai prie varančiojo rato (taip pat žinomas kaip stebulės variklis) gali dar labiau sutrumpinti galios perdavimo kelią tarp variklio ir varančiojo rato, tačiau norint sumažinti variklio greitį iki idealaus rato greičio, būtina pridėti planetinę pavarų reduktorių su santykinai dideliu lėtėjimu. Ši struktūra kelia aukštus reikalavimus kontrolės sistemos tikslumui ir patikimumui.

Pavaros ir jutikliai

Elektromobiliuose, kaip ir automobiliuose, varomuose vidaus degimo varikliais, pavaros gali būti kelių rūšių:

• Galinių varomųjų ratų pavara: galinių ratų pavara (RWD)
• Priekinių ratų pavara: priekinių ratų pavara (FWD)
• Keturių ratų pavara: Kitaip dar vadinama AWD arba 4WD.

Vieno greičio transmisija

Dauguma elektromobilių naudoja vieno greičio transmisijas, nes elektros varikliai užtikrina pastovų sukimo momentą įvairiuose apsisukimų dažniuose. Tai pašalina kelių pavarų poreikį ir supaprastina perdavimo sistemą. Vieno greičio pavarų dėžė sumažina svorį ir mechaninius nuostolius, pagerindama bendrą transporto priemonės efektyvumą. Nors vieno greičio pavarų dėžės yra dažnos, kai kuriuose elektromobiliuose yra kelių greičių transmisijos.

Vieno greičio pavarų dėžės naudojimas suteikia keletą privalumų, atitinkančių elektromobilių projektavimo tikslus. Supaprastinus transmisiją sumažėja judančių dalių skaičius, todėl sumažėja priežiūros reikalavimai ir padidėja patikimumas. Mažiau komponentų reiškia, kad mažesnė mechaninio gedimo tikimybė. Mechaninių nuostolių sumažinimas naudojant supaprastintą pavarų dėžę pagerina bendrą transporto priemonės efektyvumą. Sumažėjęs svoris prisideda prie geresnių energijos sąnaudų, praplečiančio elektromobilio veikimo diapazoną.

Kelių greičių transmisijos elektromobiliams

Papildomų pavarų įvedimas gali pagerinti našumą, ypač greitaeigiams elektromobiliams, kuriems reikalingas didesnis maksimalus greitis, nepažeidžiant pagreičio. Kelių greičių transmisijos gali pagerinti efektyvumą važiuojant įvairiais greičiais, tačiau padidina transporto priemonės sudėtingumą ir svorį.

Elektromobilio su pavarų perjungimu koncepcija pristato rankinį arba automatinį pavarų perjungimą, kad būtų galima valdyti variklio darbą. Nors tai nėra įprasta, kai kurie gamintojai tiria kelių greičių transmisijas, kad pagerintų konkrečius transporto priemonės veikimo aspektus. Pavarų perjungimas gali pagerinti pagreitį ir didžiausią greitį, nes variklis gali veikti optimaliame efektyvumo diapazone. Šis metodas ypač naudingas sportinėms elektrinėms transporto priemonėms, kurioms reikia didelio našumo. Optimizavus variklio darbo sąlygas per pavarų skaičių, kelių greičių transmisija gali padidinti energijos vartojimo efektyvumą. Tai gali lemti ilgesnius važiavimo atstumus, o tai yra labai svarbus veiksnys renkantis elektrines transporto priemones.

Pavyzdžiui, BYD's Qin komplektuojama su BYD nepriklausomai sukurta dvigubos sankabos automatine pavarų dėže, kuri žymiai pagerina vairavimo efektyvumą. Suprantama, kad elektrinėse transporto priemonėse transmisiją montuoti yra gerai, bet nėra gamintojo, kuris ją montuotų? Esmė ta, kad nėra tinkamo perdavimo. Jei atsižvelgsite tik į elektrinių transporto priemonių įsibėgėjimo charakteristikas, užtenka vieno variklio. Jei turite žemesnę pavarą ir geresnes padangas, galite pasiekti daug didesnį pagreitį starte. Todėl paprastai manoma, kad jei elektromobilis turi 3 laipsnių pavarų dėžę, našumas taip pat gerokai pagerės. Teigiama, kad tokią pavarų dėžę svarstė ir „Tesla“.

„Trys viename“ elektrinių transporto priemonių technologija

Elektrinių transporto priemonių „trys viename“ elektrinės pavaros sistemos technologija reiškia elektrinio valdymo, variklio ir reduktoriaus integravimo technologiją. Nuolat tobulėjant elektromobilių technologijoms, integruotas dizainas neabejotinai taps ateities plėtros tendencija.

Šiuo metu rinkoje yra keletas elektrinių pavaros sistemų:

• GKN GKN („Na Tiefu“): Kai nereikia grynos elektrinės ar hibridinės pavaros, variklį galima atjungti nuo varančiosios jėgos integruotu išjungimo įtaisu, naudojančiu elektromechaninę pavaros sankabą. GKN taip pat optimizavo pavarų ir guolių išdėstymą, kad būtų didesnis efektyvumas, geresnės NVH charakteristikos ir patvarumas.
• Bosch „Bosch“: Naujos „Bosch Bosch“ jėgos sistemos e-ašies elektrinis velenas leidžia elektrinio veleno pavarai užtikrinti geresnį ištvermingumą. „Bosch BOSCH“ elektrinės pavaros ašies ypatybės: labai integruotos, supaprastintos aušinimo linijos ir jėgos pavaros kabeliai, platformos dizainas lankstus, kad būtų galima pritaikyti skirtingiems modeliams.
• ZF „trys viename“ elektrinės pavaros sistema: „ZF“ elektromobilių pavaros, skirtos mažiems ir vidutiniams automobiliams, yra gerai pritaikytos būsimoms miesto eismo sąlygoms. Kelių veidų presavimo jungčių technologija yra naudojama ryšiui tarp aliuminio traukos strypo ir plieninės horizontalios struktūros realizuoti. Ji pasižymi dideliu elektros energijos konvertavimo efektyvumu ir puikiomis savybėmis.

Elektroninis valdymas ir keli varikliai

Kalbant apie elektroninį valdymą, kol naudojamas vieno pasirinkimo ir bendras režimas, variklio dydis suprojektuotas pagal poreikius ir tinka mikroautomobiliams, komercinėms transporto priemonėms, elektriniams dviračiams, elektriniams motociklams ir kt., ypač elektriniams sunkvežimiams. Yra didelis skirtumas tarp didelio ir lengvo krovinio. Yra automatinės pavarų dėžės. Naudojant daugiau nei tris variklius taip pat labai paprasta gaminti, o galios paskirstymas turėtų būti tinkamas. Tačiau valdiklis gali būti sudėtingesnis. Pasirinkus vieną valdiklį, jis naudojamas atskirai. Bendras režimas gali būti AB, AC, BC, ABC keturi elementai, iš viso septyni elementai, kuriuos galima suprasti kaip septynis greičius, o kiekvieno elemento greičio santykis yra skirtingas. Svarbiausias dalykas naudojamas yra valdiklis. Valdiklis yra paprastas ir varginantis vairuoti. Jis taip pat turi bendradarbiauti su transporto priemonės valdikliu VCU ir akumuliatoriaus valdymo sistemos BMS valdikliu, kad koordinuotų vienas kitą ir išmaniai valdytų, todėl vairuotojui būtų lengva valdyti.

Ant to paties reduktoriaus sumontuoti du varikliai, kurių greičio koeficientai skiriasi. Variklis A pasirenkamas su dideliu greičio santykiu, dideliu sukimo momentu ir lėtu greičiu. B variklio greitis yra didesnis nei mažas greitis. Dviejų variklių greitis yra skirtingas ir nesusijęs vienas su kitu. Dviejų variklių greitis dedamas vienu metu, o sukimo momentas yra vidutinė dviejų variklių išėjimo sukimo momento vertė. Pagal šį principą jis gali būti išplėstas iki daugiau nei trijų variklių, o skaičius gali būti nustatytas pagal poreikį, o jei vienas variklis yra apverstas (kintamosios srovės asinchroninis variklis netaikomas), išėjimo greitis yra perkeltas, o kai kuriems lėtam, jį reikia padidinti. Sukimo momento derinys labai tinka, ypač visureigiams elektromobiliams ir sportiniams automobiliams.

Pavyzdžiui, BYD E6 variklio galia yra 90 kW. Jei jis yra padalintas į du 50 kW variklius ir sujungtas į vieną pavarą, A variklis gali veikti 60 km/h, ir B variklis gali veikti 90 km/h greičiu, du varikliai vienu metu gali veikti 150 km/h. Jei apkrova didelė, naudokite A variklį, kad pagreitintumėte, o kai jis pasieks 40 km/h, pridėkite B variklį, kad padidintumėte greitį. Ši struktūra turi savybę, kad dviejų variklių įjungimas, išjungimas, sustabdymas ir sukimosi greitis nebus susiję arba ribojami. Kai A variklis turi tam tikrą greitį, bet jo nepakanka, B variklis bet kuriuo metu gali būti padidintas. B variklis gali būti naudojamas vidutiniam greičiui, kai nėra apkrovos. Tik vienas variklis gali būti naudojamas vidutiniam ir mažam greičiui, kad būtų patenkinti poreikiai, ir tik du varikliai vienu metu naudojami didelės spartos ir didelėms apkrovoms, todėl sumažėja energijos sąnaudos ir padidėja kreiserinis nuotolis.

Kitos sistemos

• Vairavimo įrenginys: paverčia elektros variklio sukimo momentą per ratus į žemę veikiančią jėgą, kuri varo ratus judėti. Jo sudėtis tokia pati kaip ir kitų automobilių, susidedanti iš ratų, padangų ir pakabos.
• Vairo mechanizmas: nustatytas taip, kad būtų pasiektas automobilio posūkis, kurį sudaro vairo pavara, vairas, vairo mechanizmas ir vairas. Dauguma elektromobilių naudoja priekinių ratų vairavimą, o pramonėje naudojami elektriniai šakiniai krautuvai dažnai naudoja galinių ratų vairavimą. Elektrinių transporto priemonių vairavimo įtaisai apima mechaninį vairavimą, hidraulinį vairavimą ir hidraulinį vairo stiprintuvą.
• Stabdžių takelažas: skirtas transporto priemonei sulėtinti arba sustabdyti, dažniausiai susidedantis iš stabdžio ir jo valdymo įtaiso. Elektromobiliuose paprastai yra elektromagnetinių stabdžių įtaisų, kurie gali naudoti varančiojo variklio valdymo grandinę elektrai generuoti ir stabdymo lėtėjimo metu energiją paversti akumuliatoriaus įkrovimo srove ir taip pasiekti regeneracinį panaudojimą.

tags: #elektromobiliu #transmisijos #schema