900 В карбид-кремниевые MOSFET от Wolfspeed для инверторов электромобилей

900 В карбид-кремниевые MOSFET от Wolfspeed для инверторов электромобилей

Александр Шрага (г. Москва)

Технологические инновации, реализованные компанией Wolfspeed в области MOSFET на базе карбида кремния, позволили ей стать лидером рынка инверторных приводов современных электромобилей, а также разработать – на базе того же карбида кремния – решения для бортовых и внешних зарядных устройств электромобилей.

Постепенный отказ от углеводородов и переход на альтернативные источники энергии ставит перед разработчиками и производителями электроники новые задачи, связанные с повышением энергоэффективности устройств. С этим связано пристальное внимание многих производителей к технологиям, использующим полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG), и соответствующее финансирование исследований в этой области. Дело в том, что полупроводниковые материалы с WBG по сравнению с традиционным кремнием выдерживают гораздо более высокие напряжения и температуры, что позволяет создавать более компактные, быстрые, энергоэффективные и надежные силовые приборы. Напомним, что ширина запрещенной зоны – это энергия, необходимая для перехода электронов из валентной зоны материала в зону проводимости. В таблице 1 приведены размеры запрещенной зоны ряда популярных полупроводниковых материалов.

Таблица 1. Ширина запрещенной зоны ряда полупроводниковых материалов

МатериалУсловное обозначениеШирина запрещенной
зоны (WBG), эВ
КремнийSi1,1
Арсенид галлияGaAs1,4
Карбид кремнияSiC3,3
Нитрид галлияGaN3,4

По данным Министерства энергетики США, полупроводники WBG выдерживают напряжения, более чем в 10 раз превышающие напряжения на кремниевых устройствах, и теоретически могут сократить до 90% потерь мощности при передаче энергии. Увеличение напряжения при заданной мощности и пропорциональное уменьшение тока позволяет сократить потери на сопротивлениях проводников, открытых каналов транзисторов и прочее.

Все это открывает широкие перспективы в области разработки и производства преобразователей энергии на основе WBG-полупроводников для различных приложений, таких как солнечные батареи, ветроэнергетические установки, гибридный и электротранспорт, беспилотные летательные аппараты и пр.

Одним из лидеров в области разработки и производства приборов на основе материалов с WBG является американская компания Wolfspeed (дочерняя компания концерна Cree), которая специализируется на дискретных устройствах на основе карбида кремния (SiC) и модулях для радиочастотных и силовых устройств.

Транзисторы SiC MOSFET от компании Wolfspeed обеспечивают более высокую частоту переключений и позволяют уменьшить размеры таких компонентов, как катушки индуктивности, конденсаторы, фильтры и трансформаторы. SiC MOSFET могут не только заменить кремниевые транзисторы, но и обеспечить более низкие потери на переключение и проводимость с более высокими значениями блокирующих напряжений. Компания установила новый стандарт энергоэффективности силовых ключей, когда в 2011 году создала первый в отрасли МОП-транзистор на основе карбида кремния, и с тех пор совершенствует эту технологию. SiC от Wolfspeed является основой для бесчисленного множества приложений на автомобильном, промышленном и энергетическом рынках.

Ключевые моменты, связанные с применением и перспективами развития технологии и производства SiC, которые приведены ниже, взяты из интервью директора Wolfspeed по продукции силовой электроники Гая Мокси (Guy Moxey) журналу Charged Electric Vehicles.

Применение и коммерческие возможности роста рынка устройств на основе SiC

Компания Cree – пионер в области технологии, использующей карбид кремния, в частности, для светодиодов высокой мощности. Рынок SiC является относительно новым, но за предыдущее десятилетие продукты стали коммерчески жизнеспособными. Рынок быстро растет благодаря следующим возможностям этой технологии:

  • Сокращение до 90% потерь мощности при AC/DC- и DC/AC-преобразовании энергии;
  • Работа при более высоких максимальных температурах по сравнению с кремниевыми устройствами, что повышает общую надежность системы;
  • Существенное уменьшение массогабаритных характеристик устройств;
  • Работа на более высоких частотах по сравнению с кремниевыми устройствами, что позволяет создавать не только более компактные, но и менее дорогостоящие изделия.

SiC, в основном, делает то же самое, что и кремний, но делает это гораздо эффективнее. Рынок приборов на основе SiC растет за счет законодательной поддержки, потребительского спроса и сокращения стоимости энергии.

Карбид кремния лучше всего подходит для высоковольтных приложений. Силовой полупроводник SiC вряд ли можно найти в сотовом телефоне, который работает при максимальном напряжении около 4 В. В ультрапортативных приложениях кремний работает нормально, отлично справляется со своей задачей и довольно экономичен для низковольтных систем.

Карбид кремния предназначен прежде всего для применения в диапазоне напряжений от 600 В до 10 кВ.

В краткосрочной и среднесрочной перспективе устройства SiC будут дороже кремниевых из-за стоимости сырья. Однако для многих приложений питания повышение эффективности, обеспечиваемое SiC, приведет к большей экономии затрат по всей системе.

Применение SiC – это не просто замена кремниевого ключа в изделии на ключ на базе карбида кремния. При использовании компонентов на основе SiC необходим редизайн устройства: изменение компоновки компонентов, трассировка платы и прочее. Взамен разработчик сможет, например, уменьшить количество ключей, увеличить частоту коммутации, уменьшить размер и стоимость всех связанных компонентов. Другими словами, SiC позволяет повысить общую эффективность системы и сократить расходы на материалы.

Известно, что применительно к электромобилям и другим транспортным средствам важными характеристиками являются форм-фактор, размер, вес и охлаждение. Использование SiC позволяет не только увеличить эффективность системы, но и уменьшить все эти характеристики.

Сегодня компания Wolfspeed выпускает целый ряд SiC MOSFET, специально предназначенных для силовых агрегатов (drivetrain) электромобилей, которые позволяют повысить эффективность использования энергии, снизить высокие затраты на аккумуляторные батареи, сократить время зарядки и увеличить запас хода.

Wolfspeed предлагает самый полный в отрасли перечень высокопроизводительных SiC-компонентов, которые представлены семейством устройств в новой серии E. Это первые коммерчески доступные SiC MOSFET и диоды, прошедшие сертификацию AEC-Q101 для автомобилей и соответствующий PPAP. Серия Е обеспечивает самые низкие в отрасли потери на переключение и самый высокий показатель качества. MOSFET-транзисторы серии E оптимизированы для использования в зарядных устройствах электромобилей и высоковольтных DC/DC-преобразователях. Серия предлагает разработчикам высочайшую доступную удельную мощность и коррозионную стойкость для бортовых и внешних автомобильных систем преобразования энергии, инверторов солнечных батарей и других приложений.

Среди продукции компании – широкий спектр SiC MOSFET третьего поколения с максимальными напряжениями «сток-исток» (Uси макс.) 650 В, 900 В, 1000 В, второго и третьего поколений с Uси макс.=1200 В и второго поколения с Uси макс.=1700 В.

Ниже, в таблице 2, приведены основные параметры доступных, рекомендуемых для новых разработок 900 В транзисторов третьего поколения.

Таблица 2. Рекомендуемые для новых разработок 900 В SiC MOSFET третьего поколения

НаименованиеUСИ МАКС. , ВRDS(ON), T=25°C, мОмIС НОМ., АQЗАТВ., нКлCВЫХ, пФPTOT, ВтTМАКС. ПЕРЕХОДА, °CКорпус
E3M0280090D90028011,59,52054150TO-247-3
E3M0120090D90012023174097150TO-247-3
E3M0065090D90065353060125150TO-247-3
C3M0280090J90028011,59,52050150TO-263-7
C3M0280090D90028011,59,52054150TO-247-3
C3M0120090J90012022174083150TO-263-7
C3M0120090D90012023174097150TO-247-3
C3M0065090J90065353066113150TO-263-7
C3M0065090D90065363066125150TO-247-3
C3M0030090K900306387131149150TO-247-4

На рисунке 1 представлены транзисторы с блокирующим напряжением 1000 В. Изделия оптимизированы для устройств с быстрым переключением, таких как системы зарядки электромобилей, промышленные источники питания и системы возобновляемых источников энергии. Например, четырехвыводной транзистор на рисунке 1 – C3M0065100K (UСИ=1000 В, ID@25°C =35 A, RDS(ON)= 65 мОм).

Рис. 1. SiC MOSFET C3M0065100K

Рис. 1. SiC MOSFET C3M0065100K

Серийные автомобили, содержащие силовые продукты SiC

Сегодня на дорогах можно встретить электромобили различных марок, содержащие SiC-продукцию силовой электроники Wolfspeed. За последние годы компания выиграла множество тендеров на проектирование систем бортовой зарядки и DC/DC-преобразователей для электромобилей на основе SiC, которые, как указывалось выше, обеспечивают более высокую частоту переключений, меньшие потери, меньшие размеры системы, что является огромным преимуществом для автомобиля.

Среди номенклатуры, которую предлагает Wolfspeed, имеются мощные чипы, отвечающие требованиям, характерным для силовых агрегатов электромобилей. Компания выполнила все необходимые исследования и разработки, создала коммерческий продукт и продолжает работу с разработчиками электромобилей. Текущий рейтинг новых чипов Wolfspeed дает разработчикам то, чего они ждали от технологии SiC.

В автомобильной промышленности проводится тщательное тестирование систем, но окончательная проверка – это испытания в полевых условиях. Качество и надежность должны быть на высшем уровне.

Сегодня, с запуском в производство изделий, ориентированных на инверторы двигателей, компания Wolfspeed сфокусировала свое внимание на силовых агрегатах электромобилей.

Преимущества SiC перед традиционными высокоэффективными кремниевыми коммутаторами систем «двигатель/инвертор»

В электромобиле потери инверторного привода составляют около 7% от общих потерь. Так что инвертор и система двигателя довольно эффективны по сравнению с коробкой передач и подшипниками. Но в электромобиле очень важно с максимальным КПД использовать аккумулятор. То, что может показаться небольшим увеличением КПД, на самом деле приводит к заметному увеличению расстояния, которое может пройти электромобиль без подзарядки аккумулятора.

По данным Wolfspeed, использование 900 В SiC MOSFET с сопротивлением открытого канала Rds 10 мОм может снизить потери инвертора на целых 78%. Таким образом, потери энергии в приводе мотора, составляющие примерно около 7% от общих потерь автомобиля, можно снизить до 2%, и, спроектировав инвертор с SiC, уменьшить емкость аккумуляторной батареи, достигнув той же дистанции пробега без подзаряда, или увеличить дистанцию для данного аккумулятора.

Силовой модуль на 900 В, который продемонстрировала компания Wolfspeed, имеет удивительно низкое сопротивление Rds(on) 2,5 мОм. Это очень важный параметр. Уменьшение величины Rds(on) напрямую связано с уменьшением потерь.

Самые большие проблемы Wolfspeed при разработке устройств SiC для инверторов

Корпусирование – одна из проблем, связанных с сильноточными чипами SiC. Если взять типовой модуль и просто заменить в нем устаревшие кремниевые чипы на SiC-чипы, то получить заявленные для SiC параметры не удастся. Кремниевые чипы переключаются медленно, поэтому модули на их основе могут иметь большие индуктивности. Но если разработчику необходимо увеличить частоту переключений в три, четыре или пять раз, придется грамотно спроектировать плату с учетом возникающих паразитных связей. Необходимо минимизировать индуктивности и использовать потенциал SiC, изменив проводные соединения и детали, которые вы подключаете или паяете. Кроме того, тепловые характеристики SiC сильно различаются, поэтому компоненты управления температурой также должны быть переработаны.

По сути, когда вы подключаете SiC, используя корпус модуля для кремниевых транзисторов, это все равно, что взять двигатель от Lamborghini и поместить его в четырехдверный седан эконом-класса. Поэтому Wolfspeed постоянно работает над совершенствованием корпусирования.

Модуль CAS325M12HM2 (рисунок 2) – первый в мире коммерческий модуль, разработанный специально для SiC. На рисунке 3 представлен полумостовой модуль CAB760M12HM3 (1200 В, 760 А) с ультравысокой плотностью мощности и рабочей температурой перехода до 175°С.

Рис. 2. Модуль CAS325M12HM2 на основе транзисторов SiC

Рис. 2. Модуль CAS325M12HM2 на основе транзисторов SiC

Рис. 3. Дизайн полумостового модуля CAB760M12HM3 с ультравысокой плотностью мощности

Рис. 3. Дизайн полумостового модуля CAB760M12HM3 с ультравысокой плотностью мощности

Силовой агрегат электромобиля/главный инвертор

Cиловой агрегат электромобиля (рисунок 4) приводит его в движение. Инженеры стремятся разработать систему, которая заставляет все движущиеся части выполнять свою работу плавно, но быстро, с меньшим энергопотреблением и по более низкой цене. Многие разработки сегодня базируются на SiC MOSFET 1200 В от Wolfspeed благодаря его способности выдерживать большой ток и самому низкому в отрасли сопротивлению «сток-исток», что увеличивает пробег автомобиля от одной зарядки аккумулятора.

Рис. 4. Главный инвертор и силовой агрегат электромобиля

Рис. 4. Главный инвертор и силовой агрегат электромобиля

Ниже (рисунки 5, 6) приведены внешний вид и структурная схема трехфазного инвертора мощностью 250 кВт с лучшими в своем классе удельной мощностью и эффективностью на уровне системы. Этих показателей удалось достичь за счет использования силовых модулей XM3 от Wolfspeed. В инверторе использованы три полумостовых модуля SiC CAB425M12XM3 1200 В, 425 А и три драйвера затворов CGD12HBXMP. Платформа силового модуля XM3 оптимизирована для SiC MOSFET с высокой плотностью мощности и низкой индуктивностью, что снижает потери на уровне системы и упрощает ее общую схемотехнику.

Рис. 5. 250 кВт трехфазный инвертор CRD250DA12E-XM3

Рис. 5. 250 кВт трехфазный инвертор CRD250DA12E-XM3

Рис. 6. Структурная схема инвертора CRD250DA12E-XM3

Рис. 6. Структурная схема инвертора CRD250DA12E-XM3

Отличия продукции для инверторов от изделий, используемых для зарядных устройств и DC/DC-преобразователей

Зарядное устройство имеет такое же напряжение, но его номинальная мощность намного ниже. Обычно мощность бортового зарядного устройства составляет от 3 до 6 кВт, а для привода двигателя нужны сотни кВт. Кроме того, эти изделия работают по разному. Например, с преобразователем DC/DC необходимо работать на максимально возможной частоте, потому что чем выше частота, тем меньше размеры трансформаторов, что снижает стоимость и вес всей системы. При использовании кремния в DC/DC-преобразователях частота переключения ограничена несколькими сотнями кГц, в противном случае происходит перегрев и устройство становится неэффективным, тогда как с SiC мы можем добиться в несколько раз большей частоты без каких-либо потерь эффективности.

Приборы SiC, используемые в бортовых зарядных устройствах, меньше, легче и быстрее, чем разработанные Wolfspeed изделия для автомобильного привода. Это связано с тем, что инвертору нужен большой ток и относительно низкая частота коммутации. Компания разработала бескорпусный транзистор SiC (Bare Die SiC MOSFET) с самым высоким номинальным током – MOSFET на 900 В, 10 мОм, рассчитанный на 196 А непрерывно протекающего тока стока (CPM3-0900-0010A).

Встроенные DC/DC-преобразователи

Разнообразные системы электромобилей питаются от различных напряжений – силовая установка, система отопления, вентиляции и кондиционирования, стеклоподъемники, внутреннее и внешнее освещение, информационно-развлекательная система и датчики ремня безопасности – вот лишь некоторые из очень длинного списка этих систем. Встроенный DC/DC-блок (рисунок 7) должен корректно преобразовывать и распределять напряжения для каждого устройства в режиме реального времени, позволяя всем системам работать как одно целое. Устройства SiC гарантируют, что этот процесс будет происходит быстрее, надежнее и с большей эффективностью, чем любое решение на основе кремния.

Рис. 7. Встраиваемый DC/DC-преобразователь электромобиля

Рис. 7. Встраиваемый DC/DC-преобразователь электромобиля

Внешнее быстрое зарядное устройство

Внешнее зарядное устройство (рисунок 8) преобразует входной переменный ток от внешнего источника в постоянный ток, необходимый для экосистемы электромобилей. Водители, привыкшие к пятиминутной заправке бензином, не горят желанием часами ждать, пока их автомобиль сможет снова выехать на дорогу. Превосходная скорость переключения, обеспечиваемая карбидом кремния, лежит в основе новых быстрых зарядных устройств.

Рис. 8. Внешнее устройство для быстрой зарядки электромобиля

Рис. 8. Внешнее устройство для быстрой зарядки электромобиля

Бортовое зарядное устройство

Данное устройство (рисунок 9) преобразует мощность постоянного тока от аккумуляторной подсистемы в мощность переменного тока для главного двигателя, а когда автомобиль получает питание от внешней сети, схема выпрямителя преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока для подзарядки аккумулятора. Помимо этого, система собирает кинетическую энергию, создаваемую при движении транспортного средства посредством рекуперативного торможения, и также направляет ее в аккумулятор. На каждой стадии компоненты на основе карбида кремния выполняют эти функции быстрее, с меньшими выделениями тепла и меньшими потерями энергии, чем в решениях на базе кремния. Выигрыш может составлять до 60%.

Рис. 9. Бортовое зарядное устройство

Рис. 9. Бортовое зарядное устройство

GaN – еще одна технология WBG. Потенциал применения GaN в электромобилях

Wolfspeed производит больше изделий GaN, чем кто-либо другой в мире, но в основном использует их для мощных радиочастотных устройств. Компания считает, что эти изделия лучше всего подходят для низковольтных сверхвысокочастотных переключений в мегагерцевом и гигагерцевом диапазонах. Некоторые компании работают над использованием GaN на кремнии в силовых преобразователях, однако это достаточно инновационный технологический подход.

Специалисты компании Wolfspeed считают, что GaN хорошо дополняет SiC, поскольку отлично работает в приложениях с диапазоном напряжений 40…600 В. По словам экспертов в области GaN, эти устройства могут быть более экономичными, чем компоненты на основе кремния. Так что, если GaN сможет работать лучше и продаваться по более низкой цене, у этой технологии есть перспективы.

Но для такого применения, как инвертор силового агрегата электромобиля, GaN не подходит. В случае GaN для получения больших токов необходимы очень большие чипы, более крупные корпуса и более высокие затраты.

Вся продукция компании Wolfspeed доступна для приобретения у ее официального дистрибьютора на территории Российской Федерации – компании КОМПЭЛ.

На Токе
заряженный портал

Устройство современного электромобиля — На токе

Устройство современного электромобиля

Устройство современного электромобиля

На форуме не мало статей об электромобилях: их достоинствах, недостатках, будущем и прошлом. Однако, если среднестатистическому автолюбителю задать в лоб вопрос — а как устроен современный электрокар и какие компоненты входят в состав конструкции, то гражданин вряд ли сможет дать внятные объяснения. Электродвижок, аккумуляторная батарея, аппаратура там всякая, да и всё на этом. Ах, да, ещё и экологиячистый он, потому как питается от розетки.

А вот такой вопрос к примеру: есть ли на борту электрокара коробка передач? Сомнительно, что человек никогда не ездивший на электрическом автомобиле сможет дать чёткий правильный ответ. Итак, в теме я хочу в подробностях рассказать об устройстве современного электрокара, дабы пользователи у которых нет его в распоряжении, имели хотя бы поверхностное представление, как устроено это четырёхколёсное, экологически чистое достижение технического прогресса.

Содержание:

  • Что такое электромобиль?
  • Внутреннее устройство электромобиля.
  • Особенности кузова электрического автомобиля.
  • «Сердце» электрокара — что оно из себя представляет?
  • Нужна ли трансмиссия электромобилю?
  • Дополнительные узлы.
  • Аккумуляторная батарея электрокара и способы её подзарядки.
  • Что входит в задачи контроллера?
  • Как в электромобиле работает печка?
  • Общий принцип работы электрокаров.
  • Перспективы электромобилей.

Что такое электромобиль?

screenshot-2020-06-05-scale-1200-izobrazhenie-webp-1200-760-pikselov-masshtabirovannoe-63.png

Внешний вид, кузов и салон электромобиля, а также грузоподъёмность, ничем не отличаются от традиционных средств передвижения оборудованных двигателями внутреннего сгорания. Но в то же время, именно то место, где покоится ДВС у обычной машины, у электрокара преобразовано в значительной степени. Электрический силовой агрегат оказался настолько совершенен, что у инженеров появилась великолепная возможность упростить конструкцию до предела, отказавшись от большого количества традиционных узлов и агрегатов. Что и говорить, затрат на обслуживание и ремонт транспортного средства у обладателей электрокаров существенно поубавилось. Кроме того, такие автомобили стали предельно надёжными в эксплуатации, да и разница в ценах на бензин и электричество — просто вселенская!

Внутреннее устройство электромобиля

2015-576552-bmw-i3-chassis1.jpg

Как уже было сказано выше, электрокар по сравнению с ДВС-никами устроен намного проще и имеет минимальное количество движущихся элементов. Так, для запуска электрического мотора не требуется стартер, а на трансмиссию уже не возложены такие серьёзные обязанности как у авто с ДВС. Причина этого в общем-то проста: электродвигатель предлагает высокий показатель тяги начиная с самого момента запуска.

Совершенство электромоторов даёт их обладателям ещё несколько преимуществ:

  • нет требуется система охлаждения;
  • не нужна и выхлопная система, а значит не будет шума и вредных выбросов в атмосферу.

Каждый уважающий себя автогигант и не только, выделяет на разработку электромобилей огромные средства, прекрасно понимая, что за ними будущее и от этого никуда не деться. Так почему бы не начать всё как можно раньше?

Основные компоненты у большинства электромобилей такие:

  • электрический силовой агрегат (может быть один, а может и несколько);
  • аккумуляторная батарея;
  • упрощённая трансмиссия (ступенчатая либо бесступенчатая);
  • тяговый инвертор;
  • интегрированное зарядное устройство;
  • электронный контроллер управления компонентами системы.

Особенности кузова электрического автомобиля

1524391889-nissan-leaf.jpg

Как должен выглядеть современный электромобиль? Очень интересный вопрос, на который кстати, имеется множество ответов. Дизайнеры, как правило, стараются выделить «электрички» из общего потока однотипных транспортных средств оснащённых ДВС, придавая своим творениям футуристический, смелый и даже диковинный образ. Этим стилисты хотят подчеркнуть то обстоятельство, что их разработка тесно связана с будущим. Но в то же время, имеет место и масса электрокаров, которые внешне можно легко спутать с традиционными машинами, к которым все привыкли с детства. Кроме того, производитель, дабы снизить затраты на производство своей продукции, часто идёт более рациональным путём: кузов не требующий глобальных переделок, просто берётся от «старшего брата» с двигателем внутреннего сгорания, поэтому внешне, обе модификации практически идентичны.

При создании электромобиля с нуля, особое внимание уделяется аэродинамическим свойствам его кузова и делается это по той причине, что автомобиль с низким сопротивлением воздушным массам, как и в случае с обыкновенными авто, будет затрачивать меньше энергии. Однако в случае с электрической машиной, это намного важнее, так как современные электрокары не могут на данный момент похвастать внушительным пробегом на одном заряде. Есть конечно и исключения, но их не много и всё равно они грандиозно проигрывают автомобилям с ДВС.

Вот пример: всенародно любимый Форд Фокус работающий на бензине, сподобился проехать на полном баке 1789 километров, в то время как элитный электрокар Tesla Model S, может протянуть на полном заряде всего 500 километров. А знаете, сколько пройдёт электрическая вариация Ford Focus Electric? 185 километров, всего-навсего! Как думаете, для кого показатель аэродинамического сопротивление окажется критичней? Думается, после таких технических характеристик, всем, итак, понятно, почему разработчики борются за каждый лишний километр пробега электромобиля любыми способами.

«Сердце» электрокара — что оно из себя представляет?

1521650385-img-0604-1024.jpg

К электрическому силовому агрегату устанавливаемому на электромобили, инженеры предъявляют особые требования, причём они достаточно жёсткие. Не первом месте у разработчиков стоит мощность мотора, варьирующаяся от нескольких десятков, до нескольких сотен кВт. Производители ставят на свои электрифицированные средства передвижения разные типы электродвигателей, отличающиеся устройством, принципом запитки и управления. Это могут быть электродвигатели постоянного и переменного тока, асинхронные и синхронные, коллекторные и бесщёточные.

Но, какой бы электрический мотор не установили конструкторы на своё детище, его характеристики, надёжность и простота эксплуатации весомо перебивают возможности ДВС.

Преимуществ тут целый набор:

1. Если брать по коэффициенту полезного действия, то тут у электромотора бесспорное превосходство над двигателем внутреннего сгорания: КПД электрического агрегата — 90-95%, КПД традиционных ДВС — 22-60%.

2. Максимальный крутящий момент доступен практически с первых секунд запуска электрического силового агрегата и кроме того, он держится на максимуме при любых оборотах.

3. Электродвигатели, которые устанавливаются на среднестатистический электромобиль, не нуждаются в принудительном охлаждении.

4. Электромотор может функционировать как генератор (в режиме рекуперации).

5. Электрический двигатель практически не нуждается в обслуживании.

Нужна ли электромобилю трансмиссия?

visio-m-191014-1024-03.jpg

Это очень интересный вопрос, на котором был сделан акцент ещё в начале статьи, ведь несведущие юзеры действительно не знают, есть ли на электрокарах коробка передач, вернее они думают, что по традиции точно есть. Так вот, коробка передач в электрической машине в привычном понимании практически не используется, её место занимает простенький редуктор с одной ступенью. Он преобразует высокие обороты электромотора в более низкие, которые требуются для передачи на ведущие колёса транспортного средства.

Очень эффективным решением является мотор-колесо, когда весь электродвижок дислоцируется непосредственно в ступице колеса. Поэтому, сами понимаете, потребность в трансмиссии здесь просто отпадает сама собой. Однако у такой компоновки имеет место и недостаток: по причине увеличения неподрессоренной массы на колёсах, даёт о себе знать ухудшение управляемости авто. Подробнее о мотор-колёсах для электромобиля писалось в этой теме, так что, данная разработка без сомнений имеет перспективы, но, к сожалению, развивается всё это мероприятие довольно медленно.

Конечно, бывают случаи, когда коробка передач всё-таки присутствует на электрифицированном автомобиле, но здесь речь идёт о «домашних» переделках: типа ВАЗовская классика и иже с ней с электродвигателем под капотом. Естественно, это не электромобиль с чистого листа, а всего лишь переделанный ДВС-ник. Подробнее от таких технических манёврах можно узнать из этой статьи.

Дополнительные узлы

4588269s-1920.jpg

Электронная составляющая современных электрокаров развита по полной программе, ведь на ней лежит большая ответственность. Она должна обеспечивать слаженную работу всех датчиков и систем, эффективно отслеживать заряд аккумуляторной батареи, дабы электрокар просто не остановился в самый неподходящий момент прямо посредине дороги, да много чего ещё делает умная и сложная электроника.

Основное, что здесь отличает электрокар от обычной машины — зарядное устройство, предназначенное для того, чтобы была возможность заряжать «электричку» от бытовой розетки. Естественно, как и у обычных авто, на борту электрических имеются осветительные приборы и как правило, максимально энергоэффективные, сами понимаете, для электрокара экономия электроэнергии, одна из первостепенных задач, ведь каждый километр пробега на вес золота. Комфорт в салоне обеспечивает такое же оборудование, как и в стандартных машинах: электропакет, кондиционер, электрический усилитель рулевого управления, аудиосистема и т. д.

Также на электрической машине может быть установлено такое интересное приспособление, как имитатор звука работы двигателя внутреннего сгорания. Изобретение скажем так действительно полезное, ведь электромобили настолько тихие при движении, особенно на низких скоростях, что пешеход может их легко не заметить, создав тем самым аварийную ситуацию.

Аккумуляторная батарея электрокара и способы её подзарядки

На современных электромобилях широко используются высокоэффективные литий-ионные аккумуляторы, которые предлагают своим обладателям срок службы до десятка лет. В то же время, у этих изделий имеются и существенные недостатки: тяговая Li-ion батарея является самым капризным и дорогостоящим компонентом любого электрокара.

Однако литий-ионные АКБ не единственная разновидность электронакопителей наилучшим образом подходящих для электрокара: в настоящее время ведутся работы по внедрению литий-полимерных аккумуляторов и суперконденсаторов. Многие лидеры мирового автопрома грозятся в ближайшее время поставить такую продукцию на поток и тогда, электрокары ещё больше приблизятся к техническому совершенству.

В зависимости от ёмкости батареи установленной на машине, на её полную подзарядку может потребоваться 8-12 часов, но процесс можно ускорить в значительной степени, правда с ущербом для накопителя. Есть специальные зарядные комплексы, позволяющие «заправить» агрегат на 80% всего за 30 минут. В некоторых странах можно воспользоваться специальными «обменными пунктами», на которых севший аккумулятор можно легко поменять на заряженный такого же типа.

Разработчики идут на разные ухищрения, чтобы увеличить пробег машины на одном заряде и одним из таких фокусов, является использование солнечных панелей, позволяющих хоть и немного, но подзаряжать электромобиль во время движения.

Что входит в задачи контроллера?

h259a40f02d03477c91a8453a1095de51o.png

Электроника преобразовывает постоянное высокое напряжение, отдаваемое электробатареей, в требуемое в определённый момент. На контроллер возложены обязанности по энергосбережению, обеспечению комфорта при движении, также данный элемент следит за безопасностью водителя и пассажиров.

Конкретно, устройство предлагает такие функции:

  • управление высокими токами и напряжением;
  • регулировка тяги и динамики;
  • обеспечение оптимального расхода электроэнергии;
  • мониторинг состояния аккумуляторной батареи;
  • управление рекуперацией торможения;
  • зарядка обыкновенного аккумулятора на 12 V (обычная батарейка также присутствует на борту электромобиля).

Как в электромобиле работает печка?

electricheskij-obogrevatel-avto.jpg

Зимой с электромобилем дела обстоят не так, как с его оппонентами оборудованными двигателями внутреннего сгорания, но в любом случае, у печки электрокара принцип работы прост: её спирали нагреваются за счёт электроэнергии аккумулятора. Несмотря на то, что в последнее время в сети всё чаще встречается информация об инновационных разработках касающихся подачи тепла и его источников, принцип обогрева внутреннего пространства электрокара, остаётся вполне традиционным.

Акцент на энергосбережении вынуждает разработчиков делать обогрев салона максимально эффективным: температура внутреннего пространства доходит до комнатного показателя или даже выше, всего за несколько минут. Особое внимание уделено подогреву рулевого обода и посадочных мест, не отбирающего много энергии у АКБ.

Но, как ни крути, а печка электрокара может забрать у накопителя весьма солидную долю заряда, что естественным образом повлияет на сокращение пробега на одном заряде. Если взять за пример такой популярный электрический автомобиль как Ниссан Лиф, то, как показывает опыт эксплуатации большого количества обладателей этой машины, в летнее время на одном заряде можно вытянуть 150 километров, однако если за бортом температура хотя бы -2 градуса, от 150-километрового пробега не остаётся и следа — можно рассчитывать максимум на 90-110 км. Но и это ещё не всё: когда столбик термометра опускается до температуры -15, то преодолеваемая дистанция становится просто смехотворной — 40-80 километров, это во зависимости от поддерживаемой температуры и стиля езды.

Из всего выше сказанного можно сделать вполне логический вывод: зима — самое худшее время года для езды на электрокаре и если в нём нет такой острой необходимости, то зимой лучше отдать предпочтение общественному транспорту.

Общий принцип работы электрокаров

В общем, подавляющее количество современных электромобилей имеют довольно простое устройство, а отличия между ними наблюдаются лишь в отдельных моментах организации функционирования оборудования.

Для того, чтобы электрокар мог ездить, в его распоряжении должно быть не так уж и много:

  • электрический силовой агрегат;
  • аккумуляторная батарея;
  • контроллер.

От электронакопителя ток подаётся на контроллер, коммутируется в тот, который нужен в конкретный момент и далее направляется к электродвигателю. Регулировка количеством поставляемой на мотор энергии осуществляется посредством педели газа — при воздействии на неё, будет формироваться соответствующий сигнал. Сопоставляя эти данные с данными других систем и датчиков, контроллер регулирует мощность поставляемую на силовой агрегат.

Перспективы электромобилей

perspektivy-elektromobilej-v-nepale.jpg

Конечно, у электрокаров имеется большое количество неоспоримых преимуществ над ДВС-никами и если бы не критическая зависимость от источников питания и завязанный на это запас хода (естественно, куда более скромный по сравнению с бензиновыми и дизельными оппонентами), то вполне вероятно, ДВС не занимали бы лидирующие позиции в автопроме целое столетие. Электрическую тягу на транспортных средствах начали использовать ещё за 50 лет до того, как придумали двигатели работающие на горючем и кстати, первые рекорды скорости были установлены именно электромобилями.

Что касается России, то электромобили у нас всё ещё воспринимаются рядовыми гражданами в штыки: стоят они для добропорядочного человека непомерно дорого, да и «заправлять» по большому счёту их просто негде, кроме как у себя дома, томясь многочасовым ожиданием. Но в то же время, российские производители уже взяли прицел на мировой тренд, предложив общественности такие разработки как «Ока электро», «Лада Ellada» и «Лада Веста EV».

Могут ли они предложить своим владельцам что-то наподобие американской Теслы или хотя бы Ниссан Лиф на худой конец? Навряд ли! Отечественные разработки являются скорее суррогатами, нежели альтернативами зарубежных электромобилей. Причём предпочтение отечественному производителю, мало кто отдаёт — все берут прорекламированную продукцию, а не изделие от АвтоВАЗа, которые и с двигателями внутреннего сгорания, явно не конкуренты оппонентам из зарубежья. Кроме того, в отечественных разработках используются импортные детали, без которых на данный момент просто не возможно обойтись российскому автопрому, решившему поддержать «электромобильный» ход.

Заключение

Однозначно, электромобиль перед классическим исполнением транспортных средств остаётся в выигрыше практически во всём. Очевидно, будущее как раз именно за ним, ну а пробелы с высокой себестоимостью и несовершенством аккумуляторных батарей, со временем неизбежно сойдут на нет, нужно только подождать и всё будет как нужно, как было в случае с тем же ДВС.

https://www.compel.ru/lib/141369
https://natoke.ru/articles/224-ustroistvo-sovremennogo-elektromobilja.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *