Навчальний посібник з дисципліни «електронне та мікропроцесорне обладнання автомобілів» для студентів усіх форм навчання освітньо-кваліфікаційного рівня «Бакалавр» за спеціальністю сторінка 14

193
електромобіля. Бортовий комп'ютер управляє процесом заряду, а мережа змінного струму підключається до електромобілів. Це притаманно пристроям 1-го рівня живлення та пристроям 2-го рівня з безпосереднім підключенням. Стаціонарний зарядний пристрій монтується в настінному шкафу чи стенді. Регульована постійна напруга подається безпосередньо на акумулятори електромобіля. Це притаманно технології третього рівня. У гібридних системах електромобіль може підключатися до мережі змінного струму або до стаціонарних зарядних пристроях. За безпосереднього підключення зарядний пристрій приєднується до електромобілів власним кабелем чи кабелем електромобіля із сильним струмовим розніманням в металевому захисному корпусі. Металеве розняття приблизно таке саме, як для зовнішніх побутових приладів.
Найвища вимога: високий рівень захисту, здатність витримувати неправильне підключення і вандалізм. Будь-яка несправність розняття визначається системою захисту, яка відключається у цьому випадку напруга.
При підключенні з гальванічної розв'язки використовується магнітний зв'язок між обмотками спеціального високоточного трансформатора, первинна обмотка якого розміщена на зарядній станції (зарядної колонці), а вторинна — на електромобілі. При передачі енергії відстань між частинами трансформатора забезпечується мінімальним для хорошого індуктивного зв'язку обмоток (рисунок 10.2).
Рисунок 10.2 - Підключення з гальванічною розв'язкою
У зарядному пристрої напруга мережі змінного струму промислової частоти 50/60 гц випростується і фільтрується. Потім постійна напруга перетворюється в інверторі не перемінну підвищеної частоти. Підвищення частоти в інверторі до 25...40 кГц дозволяє зменшити массогабарити трансформатора і витрати міді в обмотках. Регулювання енергії виробляється у інверторі чи випрямлячі. Змінна напруга підвищеної частоти випрамляється вже на борту електромобіля і подається на акумуляторну батарею для заряду. Підключення з гальванічною розв'язкою можна використовувати щодо різноманітних режимів заряду. Наприклад, електромобіль Chevrolet P.S 10 випускається з бортовим зарядним пристроєм потужністю 6,6 кВт з індуктивною розв'язкою і часом заряду 2,5...3 години від однофазної мережі. Для прискорення заряду використовується трифазна мережа, у якій споживається потужність 150... 160 кВт. Зарядний пристрій зазвичай контролює ступінь заряду акумуляторної батареї і індукує час до закінчення заряду. Користувач вставляє термінал стаціонарного зарядного влаштування у спеціальний приймач на борту електромобіля. Після закінчення заряду термінал автоматично виштовхується з приймача. Система управляється мікропроцесорами по

194
обидва боки. Службовий зв'язок виробляється через радіоканал в 915 МГн. Є конструкції, де електромобіль наїжджає на шафу зарядного устрою в такий спосіб, щоб первинна (стаціонарна) обмотка і вторинна (автомобілем) виявилися індуктивно пов'язаними. Основною зручністю такої системи є гальванічний зв'язок електромобіля з допомогою електричної мережі, це підвищує електробезпеку. Основним елементом будь-якого бортового зарядного пристрою є керований ректифікатор, регулюючий напругу на акумуляторній батареї при заряді. У найпростішому випадку це однофазна тиристорна схема з фазним управлінням. Трансформатор підвищує мережну напругу
(110 В чи 220 В) до необхідного рівня. Зазвичай, перетворювальна частина зарядного устрою застосовується також як контролер який керує тяговим електродвигуном. Крім тиристорів як комутувальних елементів використовуються силові польові чи біполярні транзистори.
Зарядні станції зазвичай добре захищені. Мікропроцесори контролюють струм і непередбачуване напруження заряду. Що стосується перевантажень по струму, замикань, несправності заземлення та інших аварійних ситуацій постачання електроенергії припиняється, користувач інформується про несправності. Громадські зарядні станції є потужними споживачами електроенергії. Там для підвищення коефіцієнта потужності застосовуються спеціальні коригувальні електронні ланцюги для компенсаціх втрат у індуктивних реактивностях преобразованих каскадів.
10.4.2 Захисні пристрої
Акумулятори, електричні ланцюги й бортові споживачі електромобіля мають бути захищені. Замикання в електропроводці електромобіля веде до розряду акумуляторної батареї. Під час несправності енергія акумуляторної батареї перетворюється на тепло, дроти під великим струмом можуть розплавитися. Замикання в мережі постійного струму можуть призвести до виникнення електричної дуги як наслідок, — до пожежі.
Генерація тепла і дугового розряду небезпечна для життя людини. У багатьох електромобілів напруга тягової акумуляторної батареї близько 300В. За такого рівня напруги можливі електротравми, від яких водій і пасажири мають бути захищені навіть у суху погоду. У електромобілях металеві частини корпусу не використовують як провідника (маси), вся електропроводка ізольована від корпусу, колісні покришки
(шини) ізолюють корпус від дороги. Порушення ізоляції між електричним ланцюгом і корпусом лише у 1 точці не призводить до появи значних струмів, здатних розрядити акумулятори. Пробій на другій точці дає підстави замикання акумуляторної батареї і дуже небезпечний для користувача. Ймовірний сценарій появи коротких замикань:
• проводять відкладення з акумуляторів створюють перший контакт з корпусом чи
іншими металевими частинами;
• тертя дротів об корпус може пошкодити їх ізоляцію і буде створено другий контакт, що веде до короткого замикання На рисунку 10.3 показані можливі варіанти виникнення замикання на електромобілі.Конче важливо знайти перше порушення
ізоляції. І тому використовують чутливі системи виміру струмів витоку (менш 0,01 мА), аналогічні тим, що встановлюються у сучасних ванних кімнатах і душових.

195
Рисунок 10.3 - Варіанти виникнення замикань
Друге порушення ізоляції веде до короткого замикання, ланцюг якого має бути розірвано протягом кількох мілісекунд задля унеможливлення розряду акумулятора. І тому застосовують електромагнітні і електронні швидкодіючі контактори, запобіжники.
При експлуатації електромобілів у важких умовах (сніг, бруд, тривалий підйом) перевантажуються
і перегріваються акумулятори, тяговий електродвигун, електропроводка. Перегрівання скорочує термін служби цих систем. Електропровідні пристрої мають вмонтовану напівпровідникову систему захисту від перевантажень, але крім запобігання виходу з експлуатації дорогого устаткування використовуються додаткові захисні пристрої у формі запобіжників і автоматів. До того ж для безпечної експлуатації електромобілів застосовуються різні апаратні чи програмні блокування.
Наприклад, коли термінал зарядного пристрою вставлено до приймальника електромобіля, заблоковано включення тягового двигуна. Під час заряду заблоковано включення системи управління кліматом салону.
10.5 Електродвигуни і привідні системи електромобіля
Спочатку електромобілі оснащували звичайними електродвигунами постійного чи змінного струму. Сьогодні на електромобілях використовують у основному спеціальні електродвигуни змінного струму. До таких електродвигунів пред'являються вимоги високої ефективності при сталості тягових характеристик, потреби у періодичному техобслуговуванні, здібності витримувати перевантаження і забруднення.
10.5.1 Двигуни змінного струму
Використовуються трифазні асинхронні електродвигуни з короткозамкнутим ротором. Обороти двигуна регулюються з допомогою контролера змінної частоти живлення напруги. Така конструкція практично не вимагає обслуговування. ККД електродвигуна залежить від кількості оборотів ротора. Наприклад, двигун потужністю
7 кВт має ККД 97% при 6000 об./хв і 82% при 1500 об./хв, максимальна кількість оборотів — 15000 об./хв. Момент на валу змінюється при комутації обмоток статора з трикутника на зірку і навпаки. При поєднанні обмоток статора в трикутник двигун розвиває великі оберти, що необхідно під час руху по шосе, при поєднанні в зірку збільшується момент на валу — це потрібно при прискоренні чи під час руху на підйом.
Перемикання обмоток зірка — трикутник аналогічно переключенню швидкостей в коробці передач. Сучасний трифазний двигун електромобіля GM EV1 розвиває потужність 137 к.с. в діапазоні 7000...13000 об./хв, має момент на валу 50 н - метрів в діапазоні 0...7000 об./хв.

196
10.5.2 Електродвигуни постійного струму
Поруч із трифазним асинхронним двигуном на сучасних електромобілях використовуються електродвигуни постійного струму з послідовним порушенням, які мають хороші швидкісні і тягові характеристики. Обороти електродвигуна постійного струму пропорційні напрузі харчування, що спрощує управління. ККД електродвигунів постійного струму нижче, ніж в двигунів змінного струму, конструкція їх важча, вони потребують регулярного обслуговування, чутливіші до перевантажень, максимальні оберти нижчі.
На електромобілях з двигунами постійного струму встановлюють багато швидкісні механічні коробки передач. У двигунах постійного струму, використовуваних на електромобілях, обмотки порушення та ротора включені послідовно. При рушанні момент на валу такого двигуна великий, але зменшується зі зростанням оборотів. Така характеристика задовільна0 для їзди по місту, але малопридатна для руху по шосе.
Зміна смуги вимагатиме руху під прискоренням, якого електродвигун забезпечити неспроможний. Тому на згадуваних деяких електромобілях використовуються електродвигуни зі змішаним
(послідовно-паралельним) включенням обмоток порушення. Ефективність двигунів постійного струму зростає при заміні електрично збудженого статора постійними магнітами. Дорогі постійні магніти створюють сильніше магнітне поле, ніж обмотки статора, двигуни мають менші габарити й масу. Двигуни постійного струму для електромобілів використовуються обмежено і звичайно невеликими автоскладальними підприємствами.
10.5.3 Бісколекторні електродвигуни постійного струму
Такі електродвигуни складаються з ротора з урахуванням постійних магнітів й трьох чи чотирьох секційних обмоток на статорі. Електронний комутатор по черзі збуджує секції обмотки і шоб магнітне полі постійно приводило в рух ротор з магнітами. Позиція ротора визначається системою управління з допомогою датчика.
Перевагою такого електродвигуна є стираючі щітки, іскріння в колекторі, ефективність і надійність вище, ніж в звичайних електродвигунів постійного струму. Недолік — значне зростання вартості. Безколекторні електродвигуни постійного струму особливо ефективні при їзді із високим постійною швидкістю, тому більшість гоночних електромобілів оснащені саме такими двигунами.
Рисунок 10.4. Мотор-колесо з урахуванням безколекторного електродвигуна
постійного струму:
1 — ротор з набором постійних магнітів,

197 2 — статор,
3 — статорна обмотка,
4 — обод колеса,
5 — шина
Електродвигуни на електромобілях під’єднанні до коліс через механічні коробки перемикання передач, іноді безпосередньо. На рисунку 10.4 показано розміщення безколекторного тягового електродвигуна постійного струму у колесі, розробка компанії
Tokyo Electric Power Company. Таку конструкцію називають мотор-колесом. У обод колеса вмонтовано кільце із постійних магнітів з урахуванням кобальту — самарію.
Обмотки збудження статора пов'язані з віссю колеса. Експериментальний автомобіль мав привід всіх чотирьох коліс. Відсутність механічної передачі зробило управління двигунами занадто складним. Серійна модель Toyota RAV4-EV наводиться в рух безконтактним електродвигуном постійного струму з напругою живлення 288 В, потужністю 45 кВт буде в діапазоні 2600...2800 об./хв. Передні колеса провідні, використовується високошвидкісна коробка передач.
10.5.4 Електроприводні системи
Схеми управління тяговими електродвигунами регулюють обороти і момент на валу, обмежують максимальний струм. Використовуються електроприводи постійного і перемінного струму. Принаймні після появи нових електронних компонентів змінюється технологія приводу, виробники електромобілів експериментують з різними схемами, домагаючись максимальної ефективності. Найвища вимога:
• плавне регулювання числа оборотів в усьому діапазоні;
• високий ККД;
• можливість рекуперації під час гальмування;
• захист від перезагрузок перенесених від перегріву;
• високий момент на старті;
• можливість реверсу. У приводах постійного струму використовуються традиційні колекторні електродвигуни з послідовним порушенням. Обороти регулюються з допомогою імпульсних перетворювачів постійної напруги. У безколекторних двигунах постійного струму потреба у обслуговуванні значно зменшена, вони конкурують із двигунами змінного струму. Двигуни змінного струму недорогі, майже не потребують обслуговування, краще, ніж двигуни постійного струму, підходять до масового виробництва. Для їх управління потрібні складні трифазні інвертори, які формують напругу перемінної частоти. Останні досягнення у галузі силової електроніки здешевлюють електропривод змінного струму.
10.5.5 Електропривод постійного струму
Схема показана на рисунку 10.5 . Обороти електродвигуна регулюються величиною подаваної напруги. Ключі польові чи біполярні, для шунтування реактивних струмів зустрічно-паралельно транзисторів включені вентилі. Ключ VT регулює середню напругу на клемах двигуна. Коли VT замкнутий, напруга U,]m акумуляторної батареї подається в двигун, коли VT, розімкнений, реактивний струм замикається через вентиль
VD2. Середнє значення напруги па клемах двигуна пропорційно коефіцієнту шпаруватості (відношення часу замкнутого стану транзистора VTдо періода) перетворювача напруги на транзисторі VTX. У режимі рекуперативного гальмування ключ VT, розімкнений. Електродвигун працює як генератор і подає зарядний струм в акумулятор через вентиль VDt. 218

198
Рисунок 10.5 - Схема підключення двигуна постійного струму
Зарядний струм регулюється коефіцієнтом шпаруватості перетворювача постійної напруги на транзисторі Vl.
10.5.6 Прихід безколекторних двигунів постійного струму
Це одне з досягнень сучасної силової електроніки. На роторі електричної машини розміщені постійні магніти, на статорі — обмотки. Для обертання ротора обмотки по черзі підключаються до джерела живлення електронним комутатором. Є датчик визначення кутового положення ротора. Обмотки статора можуть підключатися до шин живлення різною полярністю, ніж досягається реверс. Комутуючі транзистори захищені зворотними діодами.
10.5.7 Електропривод змінного струму
Використовуються трифазні асинхронні електродвигуни. Для управління оборотами
і моментом на валу застосовуються трифазні інвертори із регульованою частотою і широтноімпульсною модуляцією. На риунку 10.6 показана схема підключення електродвигуна до інвертора. Інвертор складається з трьох паралельних гілок із двома послідовними ключами у кожному.
Рисунок 10.6 - Схема підключення електродвигуна змінного струму

199
Ключі комутуются в такій послідовності: 123, 234, 345, 456, 561, 612, 123... При такому алгоритму роботи інвертора напруги на його виходах прямокутні і регулювання струму двигуна відсутнє. Для регулювання струму використовується широтно-
імпульсна модуляція. Синусоїдний сигнал на частоті основної гармоніки порівнюється зі високочастотним розгортаючим сигналом трикутної форми. Кожен ключ під час своєї яка провідного стану (не більше інтервалу в 180°) відкривається кілька разів, коли напруга розгорнення перевищує напругу синусоїди. Обмотка двигуна виконує роль низькочастотного фільтра, і струм у ній стає близькими до синусоїдального із регульованою амплітудою. ККД приводів змінного струму для електромобілів становить
85...91%, вони добре працюють під час руху електромобіля містом.
10.5.8 Напівпровідникові ключові пристрої
Основним елементом в привід постійного чи змінного струму є напівпровідниковий ключовий пристрій. Для електромобілів з двигунами потужністю 40...45 кВ та багато швидкісною коробкою перемикання передач ключ повинен працювати у напругах до
200 В і токах до 250 А. Щодо одношвидкісної коробки передач — до 400...600 В і
400...500 А. Ключові елементи в електроприводах працюють на частотах 10...20 кГц.
Підвищена частота комутації зменшує шум в звуковому діапазоні, але збільшує комутаційні втрати, випромінювання електромагнітних перешкод. Бажано мати час перемикання ключа менш 1 мкс. В якості ключових елементів на електромобілях використовуються різні електронні пристрої:
• Тиристори давно застосовують у приводах, витримують великі струми і напруження, мають низьке напруження у відкритому стані. Не відключаються по ланцюгу управління, їх відключення на постійному струмі вимагає наявності складних додаткових електричних схем.
• Замикаючі тиристори відключаються по ланцюгу управління, але працюють у вузькому частотному діапазоні 1...5 кГц, напруження у відкритому стані більше, ніж в звичайних тиристорів. Енергія, подана в ланцюг управління, також більше, що підвищує втрати потужності.
• Біполярні транзистори працюють у широкому діапазоні частот, струмів і напруг.
Зазвичай використовуються як транзисторні модулі збільшення коефіцієнта посилення по напрузі. У приводах сучасних електромобілів найчастіше використовують саме біполярні транзистори.
• Потужні польові транзистори (MOSFET) управляються напругою, а не струмом, як біполярні транзистори чи тиристори, це спрощує ланцюг управління. Працюють в широкому діапазоні частот. Недоліки: велика напруга насичення і чутливість до перегріву.
• Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ — IGBT) — це біполярні транзистори з польовими транзисторами у ланцюгу управління. Управляються напругою. Напруга насичення вища, ніж в звичайних транзисторних модулів. Поєднання широкого діапазону робочих частот, струмів, напруг із можливістю управління напругою робить БТІЗ перспективними до застосування на електромобілях. Проте їхня вартість поки що досить висока.
• Тиристори з ланцюгами управління на польових транзисторах (МСТ — MOS
Controlled Thyristor). МСТ-тиристор включається і відключається по ланцюгу управління напругою.
Має широкий діапазон частот, струмів і напруг, перспективний до застосування на