التحسين متعدد الأبعاد وتوازن الأداء في اختيار محرك توليد القوة الكهربائية للسيارات الكهربائية

التحسين متعدد الأبعاد وتوازن الأداء في اختيار محرك توليد القوة الكهربائية للسيارات الكهربائية

يشكل تصميم توليد الطاقة الكهربائي (EV) تحديًا معقدًا لهندسة النظم ، حيث يلعب اختيار المحرك دورًا محوريًا في تحديد أداء المركبات الكلي والكفاءة والتكلفة. تعتمد منهجيات اختيار المحرك التقليدية عادةً على افتراضات بنية توليد القوة المحددة مسبقًا (على سبيل المثال ، نسب التروس ، وتوزيع الطاقة بين المحاور) ، مع إهمال التأثير الشامل لهذه المعلمات على أداء المحرك والنظام بأكمله. تبحث هذه الدراسة بشكل منهجي في كيفية تأثير معلمات تصميم توليد الطاقة المرتبطة بالمحرك على الأداء المحرك ، ووزن السيارة ، والتكلفة ، والكفاءة من خلال ثلاثة تحليلات مقارنة. باستخدام برنامج ANSYS ، أجرينا دراسات حالة مع شاحنة بيك آب ذات الدفع الرباعي ، وتقييم الأداء عبر تصميمات مختلفة على المحركات ، وتكوينات نسبة الترس ، ومخططات توزيع الطاقة من خلال متطلبات السيارة الثابتة/الديناميكية واختبار دورة القيادة في وكالة حماية البيئة. توضح النتائج أن التحسين المنهجي - وخاصة من خلال التصميم المنسق للمحركات ذات نسب التروس وتوزيع الطاقة - يمكن أن يعزز بشكل كبير كل من الأداء الكلي والتواتث الاقتصادية للسيارات الكهربائية.

 [التحليل الفني]

 التفوق التكنولوجي

1. طرق التحسين على مستوى النظام

غالبًا ما يعمل التصميم التقليدي للمحرك بشكل مستقل عن مكونات توليد القوة الأخرى ، مما يؤدي إلى الإفراط في الهندسة أو غير الأداء للأنظمة الفرعية. تحقق منهجية التحسين على مستوى النظام المقترحة أداء مجموعة القوة الكلية الأمثل من خلال التقييم التكراري للتفاعلات المكونة بما في ذلك المحركات وصناديق التروس والمزولات والبطاريات. على سبيل المثال ، يوضح الأبحاث أن اختيار نسبة التروس يؤثر بشكل مباشر على الجدوى والكفاءة الحركية: فشل المحركات عالية السرعة (IPM-20KRPM)

2. مرونة نوع المحرك وتوزيع الطاقة

قارنت الدراسة الأداء المشترك لمحركات المغناطيس الدائمة (PM) مع المحركات المغناطيسية غير الدائمة مثل محركات التعريفي (IM) والمحركات المتزامنة لجرح الجروح (WRSM). أظهرت النتائج أن الاستخدام الهجين لمحركات PM وغير PM يمكن أن يحسن كلاً من الكفاءة والتكلفة. على سبيل المثال ، أظهرت مجموعة IPM-WRSM كفاءة إجمالية أعلى في دورات محرك EPA ، حيث يتفوق WRSM PM في سيناريوهات الحمل العالي بينما يتفوق PM على ذلك في ظل ظروف التحميل المنخفض.

3. التوازن بين التكلفة والأداء

من خلال التصميم الأمثل ، كشفت الأبحاث أنه لا توفر جميع تكوينات محرك PM فعالية التكلفة المثلى. على سبيل المثال ، في حين أن تكوين محرك PM المزدوج (IPMB-IPMB) يوضح الأداء الفائق ، فإنه يتحمل تكاليف أعلى. في المقابل ، يقلل مجموعة IPM-WRSM من التكاليف بنسبة 3.3 ٪ مع فقدان الطاقة بنسبة 1 ٪ فقط. بالإضافة إلى ذلك ، يؤثر الاختيار بين مركبات MOSFET و IGBT بشكل كبير على كفاءة النظام والتكلفة - توفر MOSFETs كفاءة أعلى ولكنها تأتي على حساب أكبر.

المعلمات الفنية الرئيسية

1. معلمات أداء المحرك

السرعة والعزم: Case A قارن ثلاث محركات IPM بسرعات مختلفة مصنفة (20،15 ، و 12 KRPM). تم أداء المحرك منخفض السرعة (IPM-12 KRPM) بشكل أفضل بنسبة تروس تبلغ 8: 1 ، في حين أن المحرك عالي السرعة يتطلب نسبة تروس أعلى لتلبية متطلبات عزم الدوران.

الكفاءة وكثافة الطاقة: عمومًا تكون محركات PM أكثر كفاءة من المحركات غير PM ، ولكنها تكلف أكثر. على سبيل المثال ، يؤدي IPM-B (345kw) أداءً جيدًا في دورات القيادة ، ولكنه يكلف 1630 دولارًا ، بينما تكلف WRSM (330kw) 990 دولارًا فقط.

2. تأثير نسبة التروس

يؤثر اختيار نسبة التروس مباشرة على نطاق التشغيل وكفاءة السيارة للمحرك. وجد البحث أن IPM-15KRPM حقق الحد الأقصى للمدى (395.64 كم) والكفاءة (3.9525 كم/كيلو واتو ساعة) بنسبة تروس من 10: 1 ، في حين كان أداء IPM-12krpm أفضل بنسبة تروس من 8: 1.

3. استراتيجية توزيع الطاقة

يتم تحسين كفاءة السيارة عن طريق تحسين توزيع الطاقة بين محركات المحور الأمامي والخلفي. على سبيل المثال ، يوزع مجموعة IPMB-WRSM ديناميكيًا للحفاظ على IPM تعمل في نطاق عالية الكفاءة.

4. أداء العاكس

نوع العاكس له تأثير كبير على كفاءة النظام. يعاني العاكس MOSFET من خسارة أقل من IGBT تحت نفس التيار ، ولكن تكلفته أعلى. في التصميم الأمثل ، يميل مخطط الأداء العالي إلى اختيار MOSFET.

التطبيقات الصناعية

1. تصميم توليد القوة للسيارات الكهربائية

تزود هذه الدراسة الشركات المصنعة للسيارات الكهربائية بمنهجية تصميم على مستوى النظام لتحسين اختيار المحرك ، وتكوين نسبة التروس ، وتوزيع الطاقة. على سبيل المثال ، في المركبات ذات الدفع الرباعي ، يمكن أن يؤدي الاستخدام الهجين للمحركات PM وغير PM إلى تقليل التكاليف مع الحفاظ على الأداء. بالإضافة إلى ذلك ، تدعم نتائج البحوث التحسين متعدد الأهداف (مثل النطاق والتكلفة) ، مما يوفر دعم اتخاذ القرارات القائم على البيانات.

2. سلسلة التوريد والتحكم في التكاليف

من خلال تحليل تكاليف المحرك (مثل نسبة مواد PM) واختيار العاكس ، يمكن للشركات إيجاد توازن بين الأداء والتكلفة. على سبيل المثال ، يعد مزيج من محركات PM متوسطة القوة (مثل IPM-B) و WRSM حلاً اقتصاديًا وفعالًا.

3. الاختبار الموحد والتحقق

تستخدم الدراسة دورات تعتمد على وكالة حماية البيئة ومعايير الاختبار الثابتة/الديناميكية لتوفير إطار تقييم قابل لإعادة الاستخدام للصناعة. في المستقبل ، يمكن تمديده ليشمل المزيد من المركبات وظروف التشغيل (مثل الطقس القاسي أو ظروف الطرق المعقدة).

4. اتجاهات التكنولوجيا

تشير الدراسة إلى أن تصميم توليد القوة في المستقبل يحتاج إلى زيادة دمج التحسين التعاوني للمحركات والمزولات والبطاريات. على سبيل المثال ، قد تصبح مزيج من أنظمة البطارية عالية الجهد (على سبيل المثال ، 800 فولت) والمحركات الفعالة اتجاهًا.

خاتمة

من خلال التحليل على مستوى النظام والدراسات متعددة الحالات ، ثبت أن الموضع الأساسي لاختيار المحرك في تصميم مجموعة نقل السيارات الكهربائية. ويشمل بشكل أساسي:

• يجب تصميم نسبة التروس وسرعة المحرك بالتنسيق لتلبية متطلبات الأداء ؛

• يمكن أن يؤدي الاستخدام الهجين للمحركات PM وغير PM إلى تحسين الكفاءة والتكلفة ؛

• اختيار العاكس (على سبيل المثال ، MOSFET) له تأثير كبير على كفاءة النظام.

توفر هذه الاستنتاجات إرشادات مهمة للممارسة الهندسية لمجموعة توليد الطاقة الكهربائية ومساعدة الصناعة على تحقيق أداء أعلى وأقل من حلول كهربة التكلفة.