Zintegrowane elektryczne zespoły napędowe

Zintegrowany elektryczny zespół napędowy łączy kilka funkcji napędu w jednym podzespole. Co najmniej obejmuje silnik trakcyjny i przekładnię redukcyjną; wysoce zintegrowana e-oś może ponadto zawierać falownik, mechanizm różnicowy, blokadę postojową, układ smarowania, pompy, kanały chłodzące, czujniki i elektronikę sterującą.

Co oznacza integracja

Terminy e-oś, elektryczny zespół napędowy, elektryczny moduł napędowy i zintegrowany zespół napędowy nie określają znormalizowanych granic produktu. Jeden dostawca może nazwać e-osią zespół silnika i przekładni, a inny używa tego samego określenia tylko wtedy, gdy w skład wchodzą falownik i mechanizm różnicowy.

Łańcuch funkcjonalny pozostaje taki sam:

prąd stały wysokiego napięcia dociera do falownika;
sterowany prąd fazowy wytwarza moment silnika;
przekładnia redukcyjna zamienia prędkość silnika na wyjściowy moment obrotowy;
mechanizm różnicowy lub oddzielne tory przekładni rozdzielają moment na koła;
łożyska, smarowanie, chłodzenie, czujniki i oprogramowanie utrzymują zespół w granicach roboczych.

Integracja zmienia fizyczne położenie tych granic. Nie usuwa funkcji, które się za nimi kryją.

Zalety w zakresie zabudowy i układu elektrycznego

Umieszczenie falownika blisko silnika skraca wysokoprądowe połączenia prądu przemiennego. Krótkie szyny prądowe lub wewnętrzne przewodniki mogą zmniejszyć masę przewodów, rezystancję, indukcyjność, emisje elektromagnetyczne, liczbę złączy i etapów montażu. Wspólne obudowy i ściany konstrukcyjne mogą ograniczyć zajmowaną objętość i wyeliminować powielone wsporniki.

Napęd piątej generacji BMW łączy silnik, elektronikę mocy i przekładnię w jednej obudowie. Bosch opisuje eAxle integrującą te same trzy główne funkcje, a modułowa platforma ZF traktuje również oprogramowanie i, gdy jest to potrzebne, przetwornicę jako elementy systemu.

Kompaktowa zabudowa może zwolnić miejsce na ogniwa akumulatora, geometrię zawieszenia, strukturę zderzeniową, kabinę lub bagaż. Układy współosiowe ustawiają w jednej linii wał silnika, koła zębate, mechanizm różnicowy i półosie, natomiast układy z osiami równoległymi przesuwają silnik, aby dopasować go do wysokości osi i dostępnej przestrzeni. Żaden z nich nie jest z natury sprawniejszy; wynik zależy od zazębienia, obciążeń łożysk, przełożenia, chłodzenia i ograniczeń zabudowy.

Wspólne chłodzenie i smarowanie

Integracja pozwala projektować drogi przepływu ciepła dla całego systemu. Obieg wody z glikolem może chłodzić falownik i obudowę stojana, natomiast olej smaruje koła zębate i łożyska oraz bezpośrednio chłodzi uzwojenia lub wirnik. Ciepło może być wymieniane między olejem, płynem chłodzącym, czynnikiem chłodniczym i szerszym układem cieplnym pojazdu.

Wspólny płyn może wyeliminować część elementów, ale stwarza wymagania dotyczące kompatybilności. Środek smarny musi zapewniać właściwy kontakt zębów, trwałość łożysk, działanie pompy, izolację elektryczną, zgodność z miedzią i polimerami, kontrolę napowietrzania oraz przewidywalną lepkość w całym zakresie temperatur. Metalowe cząstki zużycia nie mogą docierać do wrażliwych odstępów izolacyjnych.

Układy z suchą miską wykorzystują pompę do odbierania oleju i dostarczania go tam, gdzie jest potrzebny, zamiast pozostawiać obracające się koła zębate głęboko zanurzone. Może to ograniczyć straty mieszania i poprawić sterowanie chłodzeniem, ale moc pompy, filtracja, zawory i obsługa awarii stają się częścią sprawności i trwałości zespołu napędowego.

Łożyska, wały i prądy elektryczne

Łożyska silnika podtrzymują wirnik przy dużej prędkości i utrzymują wąską szczelinę powietrzną, natomiast łożyska przekładni i mechanizmu różnicowego przenoszą siły rozdzielające koła zębate oraz obciążenia od kół. Architektura określa, które obciążenia współdzielą wał lub obudowę. Rozszerzalność cieplna, sztywność obudowy, napięcie wstępne, smarowanie i dokładność ustawienia podczas produkcji wpływają na tarcie, hałas i trwałość.

Przełączanie falownika może wytwarzać napięcie wspólne między wirnikiem a stojanem. Jeżeli napięcie wału rozładuje się przez łożysko, powtarzające się łuki elektryczne mogą uszkodzić bieżnie i środek smarny. Ryzyko to ogranicza się za pomocą szczotek uziemiających, ścieżek przewodzących, łożysk izolowanych lub hybrydowych, filtracji składowej wspólnej, konstrukcji uzwojeń i sterowania falownikiem.

Uszczelnienia muszą utrzymywać środek smarny wewnątrz i zanieczyszczenia na zewnątrz bez nadmiernych oporów. Uszczelnienie dobrze działające przy małej prędkości może wytwarzać ciepło przy wysokich obrotach silnika; zmiany ciśnienia i napowietrzony olej dodatkowo komplikują zadanie.

Hałas i drgania projektuje się na poziomie systemu

Siły elektromagnetyczne silnika, przełączanie falownika, wzbudzenie zazębienia, częstotliwości łożysk, pompy oleju i rezonanse obudowy zajmują różne, lecz wzajemnie oddziałujące części pasma słyszalnego. Cichszy silnik może ujawnić wycie przekładni, które wcześniej było maskowane.

Koła zębate o uzębieniu śrubowym mogą łagodzić gwałtowne wejście zębów w zazębienie, ale wytwarzają obciążenie osiowe. Mikrogeometria zębów, wykończenie powierzchni, podparcie łożysk, segmentacja wirnika, strategia przełączania, żebra obudowy, mocowania i środek smarny wpływają na dźwięk docierający do kabiny.

Integracja może poprawić charakterystykę hałasu i drgań, dając inżynierom kontrolę nad całą konstrukcją. Może też silniej sprzęgać źródła poprzez wspólną obudowę. Dlatego symulacje i testy na hamowni wymagają modeli elektromagnetycznych, konstrukcyjnych, akustycznych i sterowania zamiast odrębnych celów dla poszczególnych elementów.

Sprawność i ryzyko optymalizacji komponentów

Najsprawniejszy silnik nie staje się automatycznie częścią najsprawniejszego zespołu napędowego. Geometria silnika wymagająca większego przełożenia może zwiększyć straty w przekładni lub łożyskach. Częstotliwość przełączania ograniczająca harmoniczne silnika może podnieść straty falownika. Gęstszy olej może chronić koła zębate pod obciążeniem, a jednocześnie zwiększać straty mieszania na zimno.

Optymalizacja systemu ocenia straty od akumulatora do kół w całym przewidywanym cyklu pracy. Istotne straty obejmują:

przewodzenie i przełączanie w falowniku;
straty elektromagnetyczne stojana i wirnika;
koła zębate, łożyska, uszczelnienia i mieszanie oleju;
pompy oleju i płynu chłodzącego;
elektronikę sterującą i elementy wykonawcze;
rozłączniki osi lub blokady postojowe, gdy są włączone albo obracają się.

Dlatego dostawcy coraz częściej przedstawiają silnik, falownik, przekładnię, chłodzenie i oprogramowanie jako jeden skalibrowany produkt.

Trwałość, bezpieczeństwo i serwis

Zintegrowany zespół musi wytrzymywać zmiany kierunku momentu, uderzenia w krawężnik przenoszone przez wały, zanieczyszczenia drogowe, kontakt z płynem chłodzącym i olejem, drgania, cykle cieplne, nadmierną prędkość oraz usterki wysokiego napięcia. Blokady postojowe i sprzęgła rozłączające wprowadzają własne przypadki obciążeń.

Mniejsza liczba połączeń zewnętrznych może poprawić niezawodność. Wspólna obudowa może też podnieść koszt naprawy miejscowej awarii, jeśli strategia serwisowa przewiduje wymianę całego zespołu. Modułowa konstrukcja wewnętrzna, zakres diagnostyki, możliwość obsługi płynów, wymienna elektronika mocy i plany regeneracji decydują o tym, czy integracja fizyczna staje się również integracją serwisową.

Bezpieczeństwo zderzeniowe musi zapobiegać pęknięciu obudowy, wyciekom płynów, odsłonięciu wysokiego napięcia i niekontrolowanemu momentowi. Bezpieczny stan falownika oraz napięcie generowane przy prędkości przez silnik z magnesami trwałymi pozostają istotne nawet po wyłączeniu momentu.

Co powinny ujawniać dane techniczne

Użyteczna specyfikacja zespołu napędowego wskazuje zawarte komponenty i granicę pomiaru. Powinna podawać typ silnika, technologię falownika, napięcie prądu stałego, przełożenie, moment silnika i moment wyjściowy, moc szczytową i ciągłą, maksymalną prędkość silnika, metodę chłodzenia, strategię smarowania, masę całkowitą oraz informację, czy sprawność obejmuje falownik i przekładnię.

Bez tej granicy nie można rzetelnie porównywać wartości gęstości mocy i sprawności różnych dostawców.

Kontynuuj serię o silnikach

Wróć do Electric Motors and Drive Units albo przeczytaj powiązane rozdziały o traction inverter, motor cooling i reduction gears and transmissions.