Создаёт движение электричеством в электромобиле или гибриде
Электрическая тяга: устройство и принцип работы
Как едет электромобиль
Батарея — бак. Энергия хранится в ячейках. Напряжение около 355 В зависит от заряда: 330 В почти пустая, 400 В полная.
Инвертор — педаль газа. Он управляет током в обмотках мотора: больше ток — больше момент. Он же при торможении возвращает энергию в батарею.
Мотор — без коробки передач. Полный момент с нуля и до 4300 об/мин, дальше — постоянная мощность до 16 000 об/мин. Одного редуктора 9,0 хватает на все скорости.
Два способа зарядки. От сети через бортовое зарядное (до 11 кВт, ночь) или постоянным током прямо в батарею (до 150 кВт, полчаса до 80 %).
Детали в модели «Электропривод: батарея, инвертор, мотор»
Тяговая батарея. 12 модулей по 8 призматических ячеек, все 96 соединены последовательно медными шинами: около 355 В, 75 кВт·ч. Модули стоят в поддоне с поперечинами на алюминиевой плите с каналами жидкостного охлаждения. Плата системы контроля ячеек (BMS) следит за напряжением и температурой, сервисный разъём на крышке разрывает цепь посередине батареи.
Высоковольтные контакторы. Два главных контактора (плюс и минус) и контактор предзаряда с резистором. При включении сначала через резистор заряжается конденсатор инвертора, потом замыкается главный.
Инвертор. Три силовых модуля-полумоста (шесть ключей) на плите жидкостного охлаждения переключаются около 10 000 раз в секунду и делают из постоянного тока батареи трёхфазный переменный нужной частоты. Конденсатор сглаживает ток батареи, датчик тока и плата драйверов управляют ключами. При торможении работает наоборот. Насос гонит охлаждающую жидкость через плиту инвертора и рубашку мотора.
Тяговый электромотор. Литой корпус с рубашкой охлаждения, статор с 48 пазами и медными шпильками-обмотками, ротор с 8 полюсами из V-образных неодимовых магнитов, датчик положения ротора (резольвер). До 16 000 об/мин, КПД до 96 %. Двухступенчатый косозубый редуктор 54/20 × 60/18 = 9,0 и открытый дифференциал в одном картере передают момент на приводные валы с шарнирами.
Высоковольтные кабели. Оранжевые экранированные кабели соединяют батарею с инвертором, бортовым зарядным устройством и зарядным портом. Оранжевый цвет предупреждает: под изоляцией сотни вольт.
Зарядный порт. Верхняя часть разъёма — для переменного тока (бортовое зарядное), две толстые контакт-шины внизу — для быстрой зарядки постоянным током прямо в батарею. Привод замка фиксирует штекер на время зарядки, крышка закрывает контакты от воды и грязи.
Бортовое зарядное устройство. Выпрямляет переменный ток сети (до 11 кВт от трёх фаз) и поднимает напряжение до уровня батареи: дроссели, конденсаторы, трансформатор и ряд силовых транзисторов на радиаторе. При быстрой зарядке постоянным током не используется.
Показ по шагам
Где что стоит. Под полом плоская батарея из 12 модулей. Сзади на оси — мотор с редуктором и инвертор над ним. Сбоку — зарядный порт и бортовое зарядное.
Батарея в разрезе. 96 ячеек по 3,7 В соединены последовательно — около 355 В. Снизу плита с охлаждающей жидкостью, у заднего края — блок контакторов.
Контакторы и предзаряд. Высокое напряжение выходит из батареи только через контакторы. При включении сначала замыкаются минусовой и контактор предзаряда: через резистор плавно заряжается конденсатор инвертора. Затем замыкается главный плюсовой, а контактор предзаряда размыкается.
Инвертор делает переменный ток. Постоянный ток батареи инвертор «нарезает» в три фазы. Частота задаёт обороты мотора, сила тока — момент.
Мотор в разрезе. Вращающееся поле статора тянет за собой магниты ротора. 330 Н·м доступны сразу с места, а редуктор 9,0 умножает их на колёсах.
Редуктор и дифференциал. Две косозубые пары: шестерня мотора 20 зубьев ведёт колесо 54, его шестерня 18 зубьев — колесо дифференциала 60. 54/20 × 60/18 = 9,0: мотор крутится в девять раз быстрее колёс.
Торможение мотором. Отпустили педаль — мотор становится генератором, ток идёт обратно в батарею. Обычное замедление даёт мотор, резкое торможение — колодки.
Быстрая зарядка. Постоянный ток станции идёт прямо в батарею мимо бортового зарядного. Мощность максимальна до 50–55 % и падает к 80 %, чтобы беречь ячейки.
Что ломается и как это проявляется
Ошибка изоляции. Признаки: машина не переходит в режим «готов», на панели предупреждение о высоковольтной системе. Иногда проблема появляется после мойки или езды по лужам. Что проверить: только в сервисе с допуском к высокому напряжению: ошибки блока батареи, измерение сопротивления изоляции мегаомметром по участкам, осмотр разъёмов и уплотнений.
Слабый модуль батареи. Признаки: запас хода стал на 15–25 % меньше, при низком заряде машина ограничивает мощность, быстрая зарядка медленнее. Что проверить: напряжения ячеек по диагностике: разброс больше 30–50 мВ под нагрузкой — признак слабого модуля. Модули меняют и балансируют.
Не работает насос охлаждения привода. Признаки: после нескольких минут быстрой езды или подъёма машина ограничивает мощность, появляется предупреждение о перегреве привода. Что проверить: уровень охлаждающей жидкости контура привода, работа насоса и его предохранителя, ошибки температуры инвертора.
Оборван резистор предзаряда. Признаки: при включении слышен щелчок под полом, затем машина сообщает об ошибке и не готова к движению. Что проверить: В сервисе: ошибка предзаряда, напряжение на входе инвертора при включении, сопротивление резистора и катушки контактора.
Отказ бортового зарядного. Признаки: дома и на медленных станциях зарядка не идёт или прерывается, а на быстрой станции постоянного тока машина заряжается нормально. Что проверить: ошибки зарядного, заземление и фазы розетки, другой кабель и станция. Если на быстрой зарядке всё нормально — виновато бортовое зарядное.
Упрощения модели
Скорость машины считается: момент мотора через редуктор минус сопротивление качению и воздуха (машина 2050 кг); в режиме «Тормозим мотором» она падает до остановки, на зарядке машина стоит. Ползунком можно сразу задать скорость.
Каждая нарисованная ячейка заменяет группу параллельных ячеек: в модуле 8 таких групп последовательно. Провода низкого напряжения, датчики температуры ячеек и крышка блока контакторов не показаны. Контакторы схематичны: подвижный мостик вынесен наверх, чтобы было видно, замкнут ли контактор; шины в блоке проложены условно.
Ротор и шестерни на экране крутятся медленно (обороты уменьшены для глаза), но точно в отношении зубьев: шестерня мотора к колесу 54/20, промежуточная шестерня к колесу дифференциала 60/18, всего 9,0. Машина едет прямо, поэтому дифференциал вращается целиком, сателлиты внутри не проворачиваются. Стояночная блокировка редуктора, сальники и масло не показаны.
Оранжевые кабели и шланги охлаждения нарисованы толще настоящих, чтобы их было видно на общем виде. Радиатор контура привода не показан: шланги идут к штуцерам у задней стенки батареи.
Напряжения модулей при неисправности «Слабый модуль» считаются из тока: у ячеек слабого модуля сопротивление вчетверо больше и напряжение покоя на 40 мВ ниже — условные значения. Утечка изоляции показана в одном разъёме; на деле место ищут измерением по участкам.
Напряжение и сопротивление батареи, кривая быстрой зарядки и КПД — типичные значения. Заряд и температура батареи меняются в 30 раз быстрее, чем в жизни, чтобы это было видно; батарею греют потери в её сопротивлении, а жидкостное охлаждение держит на полной мощности около 45 °C.
Торможение мотором ограничено примерно 0,2 g и не зависит от заряда и температуры; в настоящей машине при полной или холодной батарее рекуперация слабее, и больше работают колодки.
Работы с высоким напряжением выполняют только обученные специалисты: оранжевые кабели и разъёмы нельзя трогать самостоятельно.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.