Die Struktur und das Design eines rein elektrischen Fahrzeugs unterscheiden sich von denen eines herkömmlichen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Es handelt sich zudem um ein komplexes System. Für einen optimalen Regelungsprozess müssen Antriebsbatterietechnologie, Motorantriebstechnologie, Fahrzeugtechnik und moderne Regelungstechnik integriert werden. Im Entwicklungsplan für die Elektromobilität hält das Land weiterhin an der Forschungs- und Entwicklungsstrategie der „drei vertikalen und drei horizontalen“ Bereiche fest und legt gemäß der Technologietransformationsstrategie „rein elektrischer Antrieb“ besonderen Wert auf die Forschung an gemeinsamen Schlüsseltechnologien der „drei horizontalen“ Bereiche. Dies umfasst die Forschung an Antriebsmotor und dessen Steuerungssystem, Antriebsbatterie und deren Managementsystem sowie Antriebsstrang-Steuerungssystem. Jeder große Hersteller formuliert seine eigene Geschäftsentwicklungsstrategie im Einklang mit der nationalen Entwicklungsstrategie.
Der Autor erläutert die Schlüsseltechnologien im Entwicklungsprozess eines neuen Antriebsstrangs und liefert damit eine theoretische Grundlage und Referenz für dessen Konstruktion, Erprobung und Produktion. Das Werk ist in drei Kapitel unterteilt, die die Schlüsseltechnologien des elektrischen Antriebs in rein elektrischen Fahrzeugen analysieren. Heute werden wir zunächst die Prinzipien und die Klassifizierung elektrischer Antriebstechnologien vorstellen.
Abbildung 1: Wichtige Verbindungen in der Antriebsstrangentwicklung
Die Kerntechnologien des Antriebsstrangs von rein elektrischen Fahrzeugen umfassen derzeit die folgenden vier Kategorien:
Abbildung 2 Die wichtigsten Kerntechnologien des Antriebsstrangs
Definition des Antriebsmotorsystems
Entsprechend dem Ladezustand der Fahrzeugbatterie und den Leistungsanforderungen des Fahrzeugs wandelt das elektrische Antriebssystem die vom Bordenergiespeicher erzeugte elektrische Energie in mechanische Energie um. Diese Energie wird über das Getriebe an die Antriebsräder übertragen. Beim Bremsen wird ein Teil der mechanischen Energie des Fahrzeugs wieder in elektrische Energie umgewandelt und in den Energiespeicher zurückgespeist. Das elektrische Antriebssystem besteht aus Motor, Getriebe, Motorsteuerung und weiteren Komponenten. Zu den wichtigsten Auslegungsparametern des elektrischen Antriebssystems gehören Leistung, Drehmoment, Drehzahl, Spannung, Untersetzungsverhältnis, Kapazität der Stromversorgung, Ausgangsleistung, Spannung und Stromstärke.
1) Motorsteuerung
Auch Wechselrichter genannt, wandelt er den vom Akku erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Kernkomponenten:
◎ IGBT: Leistungselektronischer Schalter, Funktionsprinzip: Über einen Controller werden die Brückenzweige des IGBT mit einer bestimmten Frequenz und Sequenz angesteuert, um dreiphasigen Wechselstrom zu erzeugen. Durch Ansteuern des Schaltvorgangs wird die Wechselspannung umgewandelt. Die Wechselspannung wird anschließend durch Steuerung des Tastverhältnisses erzeugt.
◎ Folienkapazität: Filterfunktion; Stromsensor: Erfassung des Stroms der Dreiphasenwicklung.
2) Steuer- und Ansteuerschaltung: Computersteuerplatine, Ansteuerung des IGBT
Die Aufgabe des Motorcontrollers besteht darin, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, jedes Signal zu empfangen und die entsprechende Leistung und das Drehmoment auszugeben. Kernkomponenten sind: Leistungselektronische Schalter, Folienkondensatoren, Stromsensoren und eine Ansteuerschaltung, die verschiedene Schalter öffnet, Ströme in unterschiedliche Richtungen erzeugt und so eine Wechselspannung generiert. Dadurch lässt sich der sinusförmige Wechselstrom in Rechtecke unterteilen. Die Fläche dieser Rechtecke wird in eine Spannung gleicher Höhe umgewandelt. Die Längensteuerung entlang der x-Achse erfolgt durch Steuerung des Tastverhältnisses, wodurch letztendlich die äquivalente Flächenumwandlung realisiert wird. Auf diese Weise kann die Gleichstromleistung so gesteuert werden, dass die IGBT-Brückenzweige mit einer bestimmten Frequenz und Schaltsequenz über den Controller geschlossen werden, um dreiphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
Derzeit sind die wichtigsten Komponenten der Ansteuerschaltung auf Importe angewiesen: Kondensatoren, IGBT/MOSFET-Schaltröhren, DSP, elektronische Chips und integrierte Schaltungen, die zwar selbst hergestellt werden können, aber eine geringe Kapazität aufweisen: Spezialschaltungen, Sensoren, Steckverbinder, die selbst hergestellt werden können: Netzteile, Dioden, Induktivitäten, mehrlagige Leiterplatten, isolierte Drähte, Kühlkörper.
3) Motor: Umwandlung von dreiphasigem Wechselstrom in mechanische Energie
◎ Aufbau: vordere und hintere Enddeckel, Gehäuse, Wellen und Lager
◎ Magnetischer Kreis: Statorkern, Rotorkern
◎ Schaltung: Statorwicklung, Rotorleiter
4) Sendevorrichtung
Das Getriebe bzw. der Untersetzungsantrieb wandelt das vom Motor erzeugte Drehmoment in die für das gesamte Fahrzeug erforderliche Drehzahl und das erforderliche Drehmoment um.
Art des Antriebsmotors
Die Antriebsmotoren lassen sich in vier Kategorien unterteilen. Derzeit sind Wechselstrom-Induktionsmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren die gängigsten Motorentypen für Elektrofahrzeuge mit alternativen Antrieben. Daher konzentrieren wir uns auf die Technologie von Wechselstrom-Induktionsmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren.
| Gleichstrommotor | Wechselstrom-Induktionsmotor | Permanentmagnet-Synchronmotor | Geschalteter Reluktanzmotor | |
| Vorteil | Geringere Kosten, niedrigere Anforderungen an das Steuerungssystem | Niedrige Kosten, breites Leistungsspektrum, ausgereifte Steuerungstechnik, hohe Zuverlässigkeit | Hohe Leistungsdichte, hoher Wirkungsgrad, geringe Größe | Einfacher Aufbau, geringe Anforderungen an das Steuerungssystem |
| Nachteil | Hoher Wartungsaufwand, niedrige Drehzahl, niedriges Drehmoment, kurze Lebensdauer | Kleine effiziente Fläche, niedrige Leistungsdichte | Hohe Kosten, geringe Umweltanpassungsfähigkeit | Große Drehmomentschwankungen, hohes Betriebsgeräusch |
| Anwendung | Kleines oder Mini-Elektrofahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit | Elektrische Nutzfahrzeuge und Pkw | Elektrische Nutzfahrzeuge und Pkw | Gemischtmotorfahrzeug |
1) Wechselstrom-Asynchronmotor
Das Funktionsprinzip eines induktiven Asynchronmotors mit Wechselstrom beruht darauf, dass die Wicklung durch die Statornut und den Rotor verläuft. Der Rotor besteht aus dünnen Stahlblechen mit hoher magnetischer Leitfähigkeit. Dreiphasenstrom fließt durch die Wicklung. Gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz entsteht ein rotierendes Magnetfeld, das die Rotation des Rotors bewirkt. Die drei Statorspulen sind in einem Abstand von 120 Grad angeordnet, und der stromdurchflossene Leiter erzeugt Magnetfelder um sich herum. Wird an diese spezielle Anordnung Drehstrom angelegt, ändern sich die Magnetfelder mit dem Wechselstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt in unterschiedliche Richtungen und erzeugen so ein Magnetfeld mit gleichmäßiger Rotationsstärke. Die Rotationsgeschwindigkeit dieses Magnetfelds wird als Synchrondrehzahl bezeichnet. Befindet sich nun ein geschlossener Leiter im Inneren des Rotors, so erfährt dieser aufgrund des veränderlichen Magnetfelds gemäß dem Faradayschen Gesetz eine elektromotorische Kraft, die einen Stromfluss in der Schleife induziert. Diese Situation entspricht der eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld, der eine elektromagnetische Kraft auf sich ausübt und den Rotor in Rotation versetzt. Ähnlich einem Kurzschlussläufer erzeugt ein Drehstromwechselstrom im Stator ein rotierendes Magnetfeld. Durch die Induktion des Stroms im Kurzschlussläufer des Kurzschlussläufers am Endring wird der Rotor in Rotation versetzt, weshalb der Motor als Induktionsmotor bezeichnet wird. Anstatt den Strom direkt im Rotor zu induzieren, wird hier die elektromagnetische Induktion genutzt. Isolierende Eisenkernplättchen füllen den Rotor, um die Wirbelstromverluste durch die geringe Größe der Eisenpartikel zu minimieren.
2) Wechselstrom-Synchronmotor
Der Rotor eines Synchronmotors unterscheidet sich von dem eines Asynchronmotors. Der Permanentmagnet ist auf dem Rotor montiert und kann entweder oberflächenmontiert oder eingebettet sein. Der Rotor besteht aus Siliziumstahlblech, der Permanentmagnet ist eingebettet. Der Stator ist ebenfalls mit einem Wechselstrom mit einer Phasenverschiebung von 120° verbunden. Dieser steuert Amplitude und Phase des sinusförmigen Wechselstroms, sodass das vom Stator erzeugte Magnetfeld dem vom Rotor erzeugten entgegengesetzt ist und sich dreht. Dadurch wird der Stator vom Magneten angezogen und rotiert mit dem Rotor. Durch die Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor entsteht ein kontinuierlicher Zyklus.
Fazit: Motorantriebe für Elektrofahrzeuge haben sich weitgehend etabliert, sind aber nicht einheitlich, sondern vielfältig. Jedes Antriebssystem weist spezifische Kennwerte auf und findet Anwendung in bestehenden Elektrofahrzeugen. Die meisten Systeme basieren auf Asynchron- und Permanentmagnet-Synchronmotoren, während vereinzelt Reluktanzmotoren zum Einsatz kommen. Hervorzuheben ist, dass Motorantriebe Leistungselektronik, Mikroelektronik, Digitaltechnik, Automatisierungstechnik, Materialwissenschaften und weitere Disziplinen integrieren und so die umfassenden Anwendungs- und Entwicklungsperspektiven verschiedener Fachrichtungen widerspiegeln. Sie stellen einen starken Wettbewerber im Bereich der Elektrofahrzeugmotoren dar. Um in zukünftigen Elektrofahrzeugen eine Rolle zu spielen, müssen alle Motortypen nicht nur ihre Struktur optimieren, sondern auch die intelligenten und digitalen Aspekte ihrer Steuerungssysteme kontinuierlich weiterentwickeln.
Veröffentlichungsdatum: 30. Januar 2023
