Badania i parametry znamionowe silników pojazdów elektrycznych

Dane dotyczące silników pojazdów elektrycznych mają znaczenie tylko wtedy, gdy znane są granica badania, czas trwania, temperatura, napięcie i punkt pracy. Moc szczytowa, moc ciągła, sprawność silnika, sprawność zespołu napędowego, moment obrotowy na osi i moment na kołach opisują różne pomiary i nie można ich stosować zamiennie.

Zacznij od granicy układu pomiarowego

Silnik można badać samodzielnie na hamowni, wraz z falownikiem, z przekładnią redukcyjną, jako kompletną oś albo wewnątrz pojazdu. Każda granica obejmuje inne straty.

Sprawność silnika porównuje mechaniczną moc na wale z mocą elektryczną na zaciskach silnika. Sprawność zespołu silnika i falownika jest liczona od wejścia prądu stałego falownika. Sprawność zespołu napędowego może dodatkowo obejmować koła zębate, mechanizm różnicowy, łożyska, uszczelnienia, pompy smarowania i moc układów sterowania. Sprawność od akumulatora do kół obejmuje jeszcze więcej elementów: rezystancję akumulatora, przewody, styczniki, urządzenia pomocnicze, opony i inne odbiorniki w pojeździe.

Dwa wyniki o takiej samej wartości procentowej nie są porównywalne, dopóki nie odpowiadają sobie ich granice wejściowe i wyjściowe. Istotny jest również kierunek przepływu energii, ponieważ napędzanie i rekuperacja odbywają się przy innych warunkach prądu, napięcia i strat.

Moment obrotowy, prędkość i moc

Moc na wale jest iloczynem momentu obrotowego i prędkości kątowej:

power = torque × rotational speed

Wysoki moment obrotowy przy zerowej prędkości daje w tej chwili zerową moc mechaniczną. Moc rośnie wraz z prędkością w zakresie stałego momentu obrotowego. Powyżej prędkości bazowej ograniczenia napięcia i siły przeciwelektromotorycznej zwykle wymuszają spadek momentu, umożliwiając powstanie obszaru w przybliżeniu stałej mocy.

Hamownia mierzy moment obrotowy i prędkość wału. Przyrządy elektryczne mierzą jednocześnie napięcie i prąd fazowy lub stały. Dokładne wyznaczanie sprawności wymaga zsynchronizowanych pomiarów, ponieważ niewielki błąd czasu lub kalibracji może zdominować obliczoną stratę, gdy sprawność jest wysoka.

Momentu obrotowego silnika nie należy mylić z momentem na osi lub kołach. Przekładnia redukcyjna zwiększa moment w przybliżeniu zgodnie ze swoim przełożeniem i sprawnością. Siła na kole zależy następnie od efektywnego promienia opony.

Moc szczytowa, ciągła i 30-minutowa

Moc szczytowa to najwyższa moc wyjściowa dostępna w określonych warunkach. Może być ograniczona przez moc rozładowania akumulatora, prąd falownika, prąd silnika, napięcie, prędkość wirnika, przyczepność opon lub oprogramowanie, a nie wyłącznie przez silnik. Wartość szczytowa bez podanego czasu trwania i temperatury początkowej niewiele mówi o powtarzalności.

Moc ciągła jest pojęciem związanym z równowagą cieplną: ciepło wytwarzane w punkcie pracy można odprowadzać bez dalszego wzrostu temperatur ponad ich granice. Wartość zmienia się wraz z temperaturą i przepływem płynu chłodzącego, warunkami otoczenia, temperaturą oleju, prędkością pojazdu oraz tym, które komponenty współdzielą obieg cieplny.

Regulamin ONZ nr 85 określa procedury pomiaru mocy netto i maksymalnej mocy 30-minutowej elektrycznych układów napędowych stosowanych przy homologacji pojazdów. Moc trzydziestominutowa jest pomiarem regulowanym, a nie uniwersalnym synonimem mocy dostępnej ciągle przez nieograniczony czas. Akumulator pojazdu może również ograniczyć moc osiągalną podczas badania kompletnego pojazdu.

Definicje te wyjaśniają, dlaczego samochód elektryczny może być reklamowany wysoką mocą przyspieszania, a jednocześnie mieć znacznie niższą moc ciągłą lub 30-minutową w danych homologacyjnych. Obie wartości mogą być prawidłowe.

Mapy sprawności

Silnik nie ma jednej sprawności. Mapa z hamowni rejestruje sprawność w siatce punktów prędkości i momentu obrotowego. Linie konturowe pokazują, gdzie maszyna jest najbardziej wydajna i jak szeroki jest ten obszar.

Przy małej prędkości i wysokim momencie prąd jest duży, a straty w miedzi są znaczne. Przy dużej prędkości i małym momencie mogą dominować straty w żelazie, straty wentylacyjne i w łożyskach, straty przełączania falownika oraz prąd osłabiania pola. W pobliżu zerowego momentu straty stałe są duże w stosunku do mocy użytecznej, dlatego sprawność procentowa może być niska, mimo że bezwzględna strata mocy jest niewielka.

Mapa sprawności powinna określać:

czy obejmuje silnik, silnik z falownikiem czy kompletny zespół napędowy;
napięcie stałe i warunki przełączania falownika;
temperatury i przepływy płynu chłodzącego oraz oleju;
napędzanie, rekuperację lub oba kierunki;
granice maksymalnego i ciągłego momentu obrotowego;
czy uwzględniono pompy i sterowniki pomocnicze;
niepewność pomiaru i metodę interpolacji.

Najlepsza sprawność w pojedynczym punkcie jest przydatna do oceny potencjału technicznego, ale zużycie energii w cyklu jazdy zależy od tego, w których obszarach mapy pojazd rzeczywiście pracuje.

Badania cieplne

Podczas badań cieplnych czujniki umieszcza się w uzwojeniach, stojanie, płynie chłodzącym, oleju, łożyskach, modułach falownika, a czasem w wirniku. Niektóre temperatury mierzy się bezpośrednio, natomiast inne są wyznaczane na podstawie rezystancji, estymatorów lub skalibrowanych modeli.

Badania w stanie ustalonym określają zdolność do pracy ciągłej. Badania stanów przejściowych sprawdzają, jaki moment szczytowy można uzyskać przy różnych temperaturach początkowych i jak szybko układ odzyskuje możliwości. Powtarzane przyspieszenia, długotrwała duża prędkość, podjazdy górskie, holowanie, jazda terenowa z małą prędkością i powtarzana rekuperacja obciążają układ w różny sposób.

Najgorętszy komponent może zmieniać się wraz z punktem pracy. Wysoki prąd może ograniczać uzwojenia stojana lub półprzewodniki, natomiast wysoka prędkość może obciążać magnesy wirnika, łożyska, olej lub stal elektrotechniczną. Układ sterowania wykorzystuje te modele do zmniejszenia momentu, zanim sprzęt osiągnie szkodliwą temperaturę.

Granice mechaniczne i elektryczne

Badania nadmiernej prędkości weryfikują wirnik, wał, łożyska i systemy mocowania powyżej normalnej prędkości maksymalnej, z odpowiednim marginesem bezpieczeństwa. Próby wirowania mogą odbywać się bez obciążenia elektromagnetycznego, natomiast połączone badania na hamowni dodają moment obrotowy i ciepło.

Badania elektryczne obejmują rezystancję izolacji, wytrzymałość dielektryczną, w stosownych przypadkach wyładowania niezupełne, reakcję na impulsy napięciowe, rezystancję fazową, indukcyjność, siłę przeciwelektromotoryczną, ustawienie resolwera oraz pracę podczas stanów przejściowych napięcia falownika. Silniki z magnesami trwałymi wymagają także sprawdzenia nieodwracalnego rozmagnesowania i bezpiecznego napięcia obwodu otwartego.

Programy trwałościowe dodają drgania, udary mechaniczne, cykle cieplne, wilgotność, sól, oddziaływanie płynu chłodzącego lub oleju, zanieczyszczenia i powtarzane odwrócenia momentu obrotowego. Trwałość kół zębatych i łożysk ma kluczowe znaczenie, gdy ocenianym produktem jest zintegrowany zespół napędowy, a nie sam silnik.

NVH i jakość momentu obrotowego

Średni moment obrotowy może ukrywać pulsacje. Pomiar momentu o wysokiej rozdzielczości i analiza rzędów pozwalają zidentyfikować harmoniczne elektromagnetyczne, moment zaczepowy, wpływ falownika, zazębienie, częstotliwości łożysk i rezonanse strukturalne.

Badania akustyczne wykorzystują mikrofony, akcelerometry, sondy prądowe i odniesienia prędkości do powiązania słyszalnych tonów z rzędem ich źródła. Konieczne są testy z dodatnim momentem, podczas wybiegu, rekuperacji, w różnych temperaturach i z różnymi strategiami przełączania, ponieważ cichy punkt pełnego obciążenia może nie przewidywać hałasu w kabinie przy małym obciążeniu.

Normy i powtarzalność

SAE J2907 określa zalecaną praktykę powtarzalnej charakterystyki osiągów podsystemów silnika i układu sterującego zelektryfikowanych zespołów napędowych. Regulamin ONZ nr 85 dotyczy homologacyjnych pomiarów mocy netto i maksymalnej mocy 30-minutowej. Procedury te odpowiadają na różne pytania.

Laboratoria badawcze i producenci stosują również wewnętrzne metody tworzenia map sprawności, wyznaczania granic cieplnych, badania trwałości i NVH. Brak jednego uniwersalnego testu publicznego oznacza, że opublikowane wyniki należy uznawać za porównywalne tylko wtedy, gdy ujawniono metodę i granicę układu.

Niezależna powtarzalność wymaga skalibrowanych przyrządów, ustabilizowanych temperatur, zdefiniowanych płynów, korekty strat hamowni i sprzęgła oraz wystarczającego czasu ustalenia. Podanie niepewności jest częścią wyniku, zwłaszcza przy porównywaniu układów, których sprawność różni się o dziesiąte części punktu procentowego.

Jak interpretować dane techniczne pojazdu

Podczas oceny deklaracji dotyczącej silnika samochodu elektrycznego należy sprawdzić:

Czy wartość dotyczy jednego silnika, jednej osi czy całego pojazdu?
Czy moc i moment są mierzone na wale silnika, wyjściu przekładni czy na kołach?
Czy jest to moc szczytowa, 30-minutowa czy ciągła?
Jakie napięcie i stan naładowania akumulatora były dostępne?
Czy silnik i akumulator były już rozgrzane?
Czy sprawność obejmuje falownik, przekładnię, pompy i urządzenia pomocnicze?
Czy liczba dotyczy pojedynczego punktu pracy, czy wyniku cyklu jazdy?

Jeżeli brakuje tych odpowiedzi, liczba może prawidłowo opisywać pojazd, ale nie wystarcza do szczegółowego porównania technicznego.

Kontynuuj serię o silnikach

Wróć do Electric Motors and Drive Units i skorzystaj z rozdziału motor cooling, aby zrozumieć, dlaczego moc utrzymywana zmienia się wraz z warunkami cieplnymi.