Эволюция трансмиссий гибридного и полностью электрического транспорта

Введение

Электрическая тяга появилась одновременно с проникновением электродвигателей в промышленность. В то же время в некоторых областях она пробовала себя, но не оправдала надежд. С развитием силовой электроники у электрической тяги появилось «второе дыхание», так как стало возможным применение не только традиционных двигателей постоянного тока, но и асинхронных, синхронных, вентильно-индукторных и других типов машин. Развитие компактных накопителей электроэнергии для питания, таких как аккумуляторы и топливные элементы, и суперконденсаторов, работающих в режиме буфера для приема энергии торможения, послужило стимулом к созданию гибридных и полностью электрических транспортных средств, не имеющих постоянное подключение к питающей сети посредством контактного рельса или проводов.

Вместе с тем на рынке в настоящее время представлено не так много разнородных решений в области гибридного и полностью электрического транспорта, много старых решений. В данной статье предлагается рассмотреть эти решения, проведя аналогии с развитием общепромышленного электропривода, прошедшего достаточно эволюционных превращений с однозначной оценкой применимости в конкретных ситуациях.

Типы электрических тяговых двигателей

В прошлом веке в транспорте применялся в основном двигатель постоянного тока последовательного возбуждения. Его характеристики хорошо подходят для систем с ограниченной мощностью питающей сети. Регулирование осуществлялось реостатным способом, переключением обмоток и регулированием напряжения с помощью управляемого выпрямителя для сетей переменного тока. С широким распространением силовой электроники стали появляться системы с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом. Данный тип электропривода не имеет щеточного контакта, двигатель не требует обслуживания и более компактен по сравнению с двигателем постоянного тока.

Характеристики асинхронного двигателя в режиме векторного управления позволяют осуществлять глубокое ослабление поля.
Характеристика может быть разбита на 3 участка:
1. зона постоянства момента (зона роста мощности),
2. зона постоянства мощности,
3. зона, где мощность падает обратно пропорционально скорости.

Эти три участка представлены на рис. 1, где показаны предельные характеристики различных исполнений для кратковременного режима. Для режима S1 зона постоянства мощности значительно шире, чем показано для автомобиля Tesla Model S и 3-ей зоны может не достигать.

К достоинствам асинхронного двигателя можно отнести бесщёточную конструкцию, отработанные методики расчета таких машин, отсутствие потерь холостого хода на высоких скоростях, возможность свободного
вращения без управления.

 К недостаткам надо отнести следующие факторы:

В асинхронном двигателе необходимо отводить потери от ротора. Это осуществляется продувкой машины или более экзотическими способами, позволяющими интенсифицировать охлаждение, такими как полый вал, охлаждаемый тосолом. Однако конструкции с водяным охлаждением ротора увеличивают габариты привода в осевом направлении, что не позволяет использовать их в приводах мотор-колес малой мощности.

Асинхронный двигатель является машиной с очень малой магнитной анизотропией. В среднем порядка 20 зубцов на статоре и на роторе, число которых непостоянно и меняется в зависимости от пожеланий конструктора машины. Некоторое время назад исследователи активно занялись разработкой самосенсорных систем управления, основанных на идентификации углового положения ротора с использованием несимметричного отклика
на инжектированный сигнал, вызванного магнитной анизотропией машины. И если для синхронных машин уже сейчас имеются коммерческие системы самосенсорного управления, работающие в полном диапазоне скоростей, то для асинхронного привода практическая реализация таких методов оказалась невозможной. Для выделения девиаций, вызванных магнитной анизотропией, потребовалось бы иметь чувствительность канала измерения тока не хуже 1%
от инжектируемого. При том, что инжектируемый ток не должен быть более 10% от номинального, чтобы не оказывать существенное влияние на характеристики самого привода, то итоговая точность должна быть не хуже 0.1%, что не достижимо в общепромышленном приводе. Кроме того, неповторяемость конструкций асинхронных двигателей в части количества и соотношения числа зубцов статора и ротора делает самосенсорное управление для этого типа привода нереализуемым. То есть это единственный тип тягового привода, требующий обязательную установку датчика положения на вал машины, что в конечном итоге снижает надежность привода в целом.

В некоторых источниках в качестве недостатка указывается относительно низкий коэффициент мощности асинхронного тягового привода, однако необходимо понимать, что данное сравнение производится с неявнополюсной синхронной машиной с постоянными магнитами в зоне постоянства момента. В остальных режимах работы, как ослабление поля, или для других типов двигателей этот вопрос нельзя интерпретировать столь однозначно.

Рис. 1. Тяговые характеристики Tesla Model S с асинхронным электроприводом.

Синхронные машины с постоянными магнитами всё чаще применяют в электрической тяге.

Упрощенно их можно разделить на три основных типа:

Рис. 2. Различные типы синхронных машин с постоянными магнитами

  • синхронные машины с поверхностно размещенными постоянными магнитами (рис. 2а);
  • синхронные машины с инкорпорированными постоянными магнитами (рис. 2б);
  • реактивные машины с дополнительным возбуждением от постоянных магнитов (рис. 2в).

Синхронные машины с поверхностно размещенными магнитами имеют не большую
индуктивность фазы и не могут работать в режиме глубокого ослабления поля.
Их удел в тяговом приводе — это совместная работа с механической коробкой передач.

Синхронные машины с инкорпорированными постоянными магнитами для тяги проектируются с соотношением,         — потокосцепление постоянных магнитов, а   — амплитуда тока для режима S1. В этом случае имеется возможность полностью нивелировать действие ЭДС со стороны постоянных магнитов введением отрицательного тока по оси d. Характеристика такого двигателя имеет бесконечно широкую зону постоянства мощности. Максимальная скорость ограничена лишь увеличением потерь от постоянных магнитов. Как правило, индуктивность оси d оказывается ниже, чем по оси q. Это позволяет извлечь больший момент при том же токе за счет использования реактивного момента.

Третий тип машин очень похож на второй, но магниты рассчитываются на точку максимальной скорости, а внизу основным моментом является реактивный.
При этом постоянные магниты служат, в том числе, для увеличения коэффициента мощности электродвигателя. Когда машина проектируется с соотношением продольной и поперечной проводимостей от 5 до 10, коэффициент мощности не уступает асинхронному двигателю.

Преимущества этого класса машин следующие. Машины имеют зону постоянства мощности в широком диапазоне скоростей. Они обладают лучшими массогабаритными показателями. Для всех этих машин возможно создание самосенсорных алгоритмов управления за счет явно выраженной магнитной анизотропии, хотя для обеспечения самосенсорности во всем диапазоне моментов требуется специальным образом проектировать машину, предусматривая траекторию наблюдаемой магнитной анизотропии на поверхности моментов во всем необходимом диапазоне изменения токов продольной и поперечной осей.
Для синхронной машины можно выделить следующие недостатки.

Постоянные магниты меняют свою силу в зависимости от температуры. При нагреве двигателя их сила снижается, и момент двигателя падает. Возможна также деградация магнитов при высокой температуре и их размагничивание.

В процессе вращения даже без нагрузки на холостом ходу постоянные магниты вызывают в двигателе потери холостого хода (вихревые токи и гистерезис),
что ограничивает возможность буксировки транспортных средств без работающей системы принудительного охлаждения.

Основной недостаток машин с постоянными магнитами кроется в неотключаемом магнитном поле. Этот недостаток фактически исключает возможность применения таких машин в многоколесных транспортных средствах, таких как трамвай, поезд, где тягу создают сразу несколько электродвигателей. При выходе из строя одного из двигателей в виду, например, короткого замыкания в обмотке, транспортное средство не может продолжать движение,
так как в неисправном двигателе будет наводиться ЭДС, которая вызовет тормозной момент, перегрев обмоток и в конечном итоге пожар.

Вентильно-индукторный двигатель считается возможной альтернативой асинхронному и синхронному электроприводу и привлекает внимание ученых уже более 20 лет. В основе его лежит самый простой принцип преобразования электрической энергии в механическую — магнитная система пытается прийти в состояние с максимальной магнитной проводимостью (см. рис. 3). Характеристики с постоянством момента получаются в диапазоне ниже номинальной скорости (см. рис. 4а, кривая 1). Значение момента определяется заданием тока, который поддерживается в фазе двигателя постоянным на интервале коммутации с помощью, например, релейного регулятора. При дальнейшем росте скорости постоянный ток фазы держать не получается, так как приложенного напряжения не хватает, чтобы увеличить потокосцепление до номинального значения за интервал коммутации. Как следствие, падают и ток, и поток, что приводит к снижению момента обратно пропорционально квадрату скорости (см. рис. 4а, кривая 2). То есть, режима постоянства мощности данный двигатель не обеспечивает.

Рис. 3. Функциональная схема вентильно-индукторного электропривода.

К достоинствам данного двигателя относят простую конструкцию и высокую перегрузочную способность. Следует отметить, что простота конструкции оборачивается весьма неприятным эффектом. Из-за самого принципа создания момента конструкция очень чувствительна к любому перекосу вала и неравномерности зазора, который приводит к возникновению больших радиальных усилий, воздействующих на подшипники двигателя.

Двигатель имеет явно выраженную магнитную анизотропию и его отключенные фазы можно использовать в качестве датчика положения, прикладывая к ним тестовые импульсы
и измеряя индуктивность можно вычислить положение вала.

Рис. 4. ВИД: а) траектории при разных скоростях; б) к вопросу о радиальных силах.

Недостатков у вентильно-индукторного привода много. Он требует однополярного питания. И хотя силовой преобразователь рис. 3, работая в режиме одиночной коммутации теоретически может передать двигателю в 1,5 раза большую мощность, чем для другой машины переменного тока при тех же параметрах транзисторов, но стоимость этого преобразователя получается в 1,8 раза дороже из-за применения специализированных силовых модулей (верхний и нижний чопперы на каждую фазу). А вместе с быстрым падением мощности такое решение становится неэффективным в зоне ослабления поля.

Этому двигателю присущи сильные пульсации момента. Если в режиме постоянства момента до номинальной скорости можно профилировать ток в функции положения, добиваясь минимальных пульсаций момента двигателя, то в режиме ослабления поля ток в фазе меняется сам по себе и неконтролируем системой управления. В таких условиях добиться равномерного момента на обороте можно только для определенной скорости и нагрузки за счет конструкции двигателя.
В любой другой точке моментная характеристика изменится и пульсация проявится.

Вентильно-индукторная машина с независимым возбуждением является промежуточным вариантом между классической вентильно-индукторной машиной и синхронной машиной с регулируемым возбуждением. Она описывается уравнениями синхронной машины и не имеет контактных колец. Построение самосенсорной системы управления для данной машины возможно и сейчас ведутся активные исследования по данной тематике. К недостаткам машины следует отнести сложную конструкцию в части обмотки возбуждения, устанавливаемой между двумя пакетами ротора, и необходимость обеспечивать обмотку возбуждения регулируемым питанием.

В настоящее время на базе данной машины реализовано несколько успешных проектов как НИР «Крымск» и ОКР «Платформа». Проходят испытания опытные образцы полностью электрического автобуса «Волгабус» и беспилотного шаттла «Матрёшка».

Типы электрических трансмиссий

Все имеющиеся транспортные средства, использующие для перемещения электричество можно разделить на две группы: полностью электрические и гибридные. В гибридных транспортных средствах предусмотрен некоторый источник питания необратимого принципа. Например, это может быть топливный элемент или двигатель внутреннего сгорания.

В свою очередь полностью электрические транспортные средства подразделяют на автономные и неавтономные. К автономным транспортным средствам относится электромобиль, имеющий на борту батарею, обеспечивающую некоторый запас хода. Неавтономные средства должны постоянно питаться от контактного рельса (поезда в метро) или от контактной сети (трамвай, автобус, электропоезд). В некоторых случаях может использоваться смешанное и/или даже беспроводное питание. Так, известны случаи оборудования троллейбусов суперконденсаторами и/или аккумуляторами для преодоления неэлектрифицированных участков. Системы беспроводного питания пока не реализованы на практике, однако имеются проекты по созданию дорог со встроенными в полосы движения индукторами для бесконтактной передачи энергии на автомобиль посредством магнитного поля.

Гибридные транспортные средства могут иметь не только необратимый источник энергии, но и один или несколько накопителей типа суперконденсаторов или аккумуляторных батарей. Эти элементы служат для нескольких целей. Во-первых, это прием энергии торможения транспортного средства. Ведь торможение предпочтительнее делать электрической частью, так как сгенерированную энергию, запасенную в супер-конденсатор или аккумулятор можно будет повторно использовать при разгоне. Во-вторых, наличие буферных элементов в системе позволяет загружать основную силовую установку в режиме максимального КПД. Так, двигатель внутреннего сгорания может работать в номинальной точке, а аккумулятор покрывает недостаток мощности, либо принимает ее избыток. При полном заряде аккумулятора, двигатель может быть просто выключен, чтобы не тратить топливо, пока необходимость его подзарядить не появится снова.

Размер буферного накопителя определяет возможность использования гибридного транспортного средства в режиме подключаемого к сети. Если аккумулятора или супер-конденсатора нет или они малы, то заряжать такой гибрид от сети не имеет смысла. Однако если запас хода от буферного накопителя составляет хотя бы несколько километров, то связка «аккумулятор – зарядное устройство – сеть» дает широкий спектр дополнительных полезных функций. Это заряд батареи для экономии топлива в на начальном этапе пути. Для некоторых гибридов пробег без включения ДВС составляет несколько километров, что в ряде случаев достаточно для поездки из дома на работу и обратно. Во-вторых, это функции работы электромобиля в энергосистеме. Таких функций очень много, часть из них критикуется и считается вредными, однако сейчас становятся понятны условия и режимы, которые можно реализовывать не в ущерб сроку службы батареи транспортного средства.

Заполнение долин (valley filling), когда заряд производится только при недогрузке сетей ниже установленного уровня. Срез пиков (peak shaving), когда при перегрузки сети транспортное средство участвует в генерировании энергии, разряжая батарею, но поддерживая сеть. Тарифный насос (carbitrage), когда заряд производится по минимальным тарифам, а после энергия продается на аукционе по более высокой цене. Такие функции, безусловно, создают лишнюю нагрузку на батарею, снижая ее ресурс. Но последние исследования показывают, что при ограничении токов заряда и разряда можно сохранить ресурс батареи на прежнем уровне при незначительном уменьшении эффективности тарифного насоса. Выравнивание перекосов фаз в населенных пунктах с малой мощностью питающей сети и перекосах в потреблении также может решаться средствами подключаемых гибридов. Компенсация реактивной мощности и гармонических искажений доступна практически бесплатно без использования ресурса аккумулятора.

Кроме того, применение подключаемых гибридов в странах с холодным климатом позволяет создать более комфортные условия для водителя и пассажиров за счет подготовки автомобиля перед поездкой, прогрева салона и подогрев ДВС перед запуском на сильном морозе.

С точки зрения организации механической части реализаций достаточно много, можно выделить:

  • привод через автоматическую коробку передач,
  • привод с механическим сложением скоростей из разных источников,
  • привод типа «мотор – ось»,
  • привод типа «мотор – полуось»,
  • привод типа мотор-колесо.

Если первые два типа имеют еще ДВС, то их условно относят к классу параллельных гибридов. Оставшиеся три типа не позволяют использовать ДВС непосредственно для приведения в движение колес, поэтому выработка энергии производится в одном месте, а затем в электрическом виде она передается на электродвигатель, каким-либо образом связанный с колесами.

Привод через автоматическую коробку передач уже присутствует на рынке, например, Mercedes-Benz E 300 BlueTec Hybrid (см. рис. 5). Привод с механическим сложением скоростей на базе планетарной передачи применяется в Toyota Prius (см. рис. 6), а в гибридных Lexus к такому приводу добавляется схема «мотор – ось» для второй оси машины (см. рис. 7).

Рис. 5. Компоновка электромотора в Mercedes-Benz E 300 BlueTec Hybrid.

 

Рис. 6. Трансмиссия Toyota Prius (рисунок с сайта 24auto.ru).

 

Рис. 7. Схема трансмиссии Lexus GS 450h и Lexus LS 600h (рисунок с сайта http://vodorod-tex.ru/statia/hybrid-synergy-drive.html).

Схема «мотор – ось» состоит из мотора, редуктора с фиксированным передаточным отношением, механического дифференциала и колес. Такая компоновка удобна, так как позволяет выпускать машины с электроприводом путем относительно простой модификации серийных бензиновых машин. По сути, сохраняется вся стандартная трансмиссия, где вместо коробки передач к входному валу дифференциала стыкуется электромотор-редуктор. Подвеска, тормоза, колеса при этом остаются штатными.

Схема «мотор – полуось» имеет по мотору на каждое ведущее колесо. Как правило, это два мотора на заднюю или переднюю ось. Схема содержит электромотор-редуктор, вал постоянной скорости вращения, колесо. Данное решение более дорогое за счет большего числа приводов, однако имеет значительно лучшую управляемость по сравнению с «мотор – ось», что не всегда может быть востребовано в городских условиях. Здесь в полной мере электрически решаются вопросы противо-буксовочной системы и антиблокировочной системы тормозов за счет управления моментом по каждому колесу. Кроме того, из схемы уходит механических дифференциал, а также один датчик положения. Если в схеме с дифференциалом требуется три датчика положения (один на электродвигатель, два для работы антиблокировочной системы на каждое колесо), то при индивидуальном приводе нужны только датчики колес.

Система мотор-колесо считается наиболее перспективной, однако до успешной коммерческой реализации она дошла только в самосвалах БЕЛАЗ. Сказать однозначно, что именно привлекает ученых и конструкторов к такому решению сложно, хотя в некоторых случаях это может быть единственно возможное решение, как, например, в НИР и ОКР «Платформа», где заданный ход подвески практически исключает возможность применения иных решений.

Недостатков мотор-колеса много:

  • необходимость гибко подводить провода питания, которые находятся в грязи, воде и снегу, что вызывает проблемы с изоляцией за счет ее естественного перетирания;
  • электродвигатель также постоянно находится в грязи и воде;
  • надо организовывать охлаждение электродвигателя и подключать помимо электрики и тормозной системы еще и тосол;
  • масса колеса существенно увеличивается, что создает дополнительную нагрузку на подвеску машины;
  • объем колеса весьма мал для электрической машины, редуктора и штатной тормозной системы, сосредоточенных в одном месте;
  • безредукторные мотор-колеса сильно ограничены по углу подъема и спуска по сравнению с обычными транспортными средствами.

Вместе с тем, развитие технологий и новых материалов может позволить в недалеком будущем начать применять мотор-колеса в транспорте повсеместно. Но на настоящее время система «мотор – полуось» является предпочтительной. Нет проблем с нагрузкой на подвеску, двигатель можно разместить в относительно чистом окружении с надежным подводом электрического питания и охлаждающей жидкости.

Эволюция трансмиссий

Рассматривая всё многообразие современных решений хочется определить, на каком уровне развития эти решения находятся, на сколько они оптимальны и в каком направлении будут развиваться гибридные и полностью электрические трансмиссии?

Чтобы ответить на этот вопрос необходимо вспомнить ступени развития обычного общепромышленного привода и наложить текущие решения на временную ось эволюции.

Первым делом рассмотрим Mercedes-Benz E 300 BlueTec Hybrid. Это гибридная трансмиссия с коробкой передач. Моменты на колесах распределяются какими-то интеллектуальными механизмами. Такое решение ни что иное, как групповой привод начала 20-го века. Один приводной двигатель, а от него ременной передачей механическая мощность распределяется по станкам. Вся гибридная инновация заключается в размещении ДВС на одном валу с электрической машиной.

Тойота (см. рис. 6) предлагает более сложное и интересное решение. Два электродвигателя/генератора, основной двигатель, который можно выключать. Избытки энергии можно перенаправлять в батарею для ее заряда. Решение очень похоже на электромеханический каскад (см. рис. 8), который был популярен в середине 20-го века.

Рис. 8. Электромеханический каскад.

Очевидно, что индивидуальный привод на колесо занимает более высокую ступень эволюции, чуть отстает «мотор – ось», а в далекой перспективе их место займет мотор-колесо, как показано на рис. 9.

Рис. 9. Эволюция трансмиссий (не принимать всерьёз).

Выводы

Очевидно, что развитие трансмиссий придёт в итоге к индивидуальному приводу. Возможно, это будут мотор-колеса, когда новые материалы и конструктивные решения позволят сделать этот узел надежным и компактным независимо от мощности и диаметра колеса. Много внимания будет уделяться самосенсорному управлению, которое существенно увеличивает надежность электропривода за счет исключения датчика положения из системы. Однако окончательную победу гибридного и полностью электрического транспорта следует ожидать, когда появятся совершенные накопители электрической энергии, не боящиеся морозов, высоких токов заряда/разряда.