Kluczowe aspekty projektowania pojazdów elektrycznych

Na rynku pojazdów elektrycznych pojawiają się liczne innowacje. Przedsiębiorstwa zajmują się udoskonalaniem produkcji akumulatorów, silników, przekładni i innych części samochodu, które są niezbędne do jego prawidłowego funkcjonowania. Prace prowadzone są też w zakresie produkcji paliw wodorowych i ogniw paliwowych.

Auto elektryczne – jaki jest zakres naszych prac?

W MES pracujemy nad zarządzaniem termiką i doradzamy przy projektowaniu komponentów stosowanych w pojazdach elektrycznych. Dziś to kluczowe obszary naszych badań. Dopracowujemy aspekty umożliwiające rozwój pojazdów elektrycznych, koordynujemy projekty komponentów, analizę porównawczą różnych globalnych projektów pojazdów elektrycznych oraz prace badawczo-rozwojowe nad metodami testowania, kombinacjami materiałów i cechami konstrukcyjnymi, które pomogą zaprojektować wysoce wydajne komponenty.

1) Przetworniki prądu stałego: Sercem każdego pojazdu elektrycznego jest wysokonapięciowy akumulator. Niezbędne jest obniżenie tego wysokiego napięcia prądu do obwodu pokładowego 12/24V, aby zasilić różne aplikacje i komponenty w pojeździe elektrycznym.

2) Falowniki: konwertują prąd stały z akumulatorów na prąd zmienny używany do zasilania silników elektrycznych pojazdów. Prąd stały jest doprowadzany do uzwojenia pierwotnego w transformatorze znajdującym się w obudowie przetwornicy. Poprzez elektroniczny przełącznik, kierunek przepływu prądu jest stale i regularnie odwracany.

3) Korektory akumulatorów: Wąskim gardłem pojazdów elektrycznych jest zestaw akumulatorów wysokiego napięcia, który zajmuje większość miejsca i zwiększa masę pojazdu. Obecnie głównym wyzwaniem dla przemysłu elektronicznego jest wyrównanie ogniw pakietu akumulatorów. Korektory baterii zwiększają jednorodność ogniw baterii i wydłużają żywotność baterii jako całości. Podstawowa technika wykorzystuje prosty izolowany przetwornik DC-DC z pojemnościowym filtrem wyjściowym oraz transformatorem z wieloma uzwojeniami. Wielu producentów OEM opracowało i nadal rozwija i stosuje integrację funkcji ładowania podtrzymującego z funkcją wyrównywania ładowania. Poprawiając tym wydajność, żywotność i wdrażanie niższych kosztów zamiast częstego ładowania lub używania większej liczby akumulatorów niż jest to wymagane.

4) Napęd elektryczny: Układ napędowy jest centralnym elementem pojazdu akumulatorowo-elektrycznego. Składający się z elektroniki sterującej, silnika elektrycznego, przekładni i akumulatora. Układ napędowy nie generuje emisji CO2 i zapewnia pełny moment obrotowy od samego początku. W 2030 roku jeden na trzy pojazdy będzie pojazdem akumulatorowo-elektrycznym, dzięki stale rosnącej wydajności napędu elektrycznego i malejącym całkowitym kosztom posiadania takich modeli.

5) Generatory (ładowarki pokładowe): Pokładowe ładowarki samochodowe przetwarzają energię prądu zmiennego z sieci elektrycznej na energię prądu stałego, niezbędną do ładowania akumulatorów. Ładowarki akumulatorów dla pojazdów elektrycznych typu plug-in są obecnie oparte na tradycyjnych układach ładowania o wysokiej częstotliwości. Mogą one być umieszczone w pojeździe lub poza nim, jako część szybkiej ładowarki DC.

6) Elektroniczne jednostki sterujące zasilaniem: Jednostka sterujące jest połączeniem przetwornicy i konwertera, który ładuje akumulator pojazdu elektrycznego podczas hamowania rekuperacyjnego, podczas którego odzyskuje energie kinetyczną i zamienia na prąd. Przepływ energii do i z akumulatora jest sterowany za pomocą jednostki kontrolnej w połączeniu z kombinacją przetwornica-akumulator.

7) Systemy termiczne: Komponenty pojazdów elektrycznych, takie jak falowniki, silniki, akumulatory, korektory baterii, zarządzanie energią i inne, zużywają ogromną ilość energii i generują dużo ciepła. Zarządzanie termiczne obejmuje regulację przepływu ciepła wewnątrz pojazdu. Komponenty muszą być eksploatowane w swoim optymalnym zakresie temperatur i jednocześnie zapewniać przyjemne temperatury dla pasażerów we wnętrzu pojazdu. Systemy te są bardzo złożone w porównaniu z konwencjonalnymi pojazdami wyposażonymi w silniki spalinowe. W pojazdach elektrycznych osie muszą być chłodzone przez cały czas, podczas gdy akumulator musi być chłodzony lub ogrzewany w zależności od danej sytuacji napędowej. Obieg czynnika chłodniczego i obieg chłodzenia muszą być optymalnie skoordynowane, aby transportować ciepło do wnętrza pojazdu i zapewnić wymagane temperatury. Połączenie tych dwóch obiegów zmienia się w zależności od zapotrzebowania na ogrzewanie lub chłodzenie.

8) Zestaw akumulatorów: Rozwój technologii zestawów akumulatorów był czynnikiem najbardziej ograniczającym rozwój i wykorzystanie pojazdów elektrycznych. Baterie są wykorzystywane do zasilania wielu systemów wysokiego napięcia, takich jak HVAC i silniki oraz systemów niskiego napięcia zasilających różne elementy pojazdów elektrycznych. Najczęściej stosowanym typem akumulatorów w nowoczesnych pojazdach elektrycznych są akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe, ze względu na ich wysoką gęstość energii w stosunku do ich masy. Inne rodzaje baterii wielokrotnego ładowania to między innymi baterie kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe, niklowo-wodorkowe.

9) Skrzynie biegów: Silniki spalinowe generują użyteczny moment obrotowy i moc tylko w wąskim zakresie prędkości obrotowych silnika. Aby przyspieszyć pojazd, wielobiegowe skrzynie biegów zmniejszają prędkość, zmieniając przełożenia, aby utrzymać silnik w jego zakresie mocy. Utrzymywanie silnika w jego zakresie mocy również okazuje się być najbardziej wydajne i trwałe. Co ciekawe, silniki elektryczne generują 100% swojego momentu obrotowego przy bardzo niskich prędkościach obrotowych. Posiadają również szeroki zakres działania. Nie trzeba pracować na biegu jałowym, a po naciśnięciu pedału gazu dostępna jest pełna moc. Z tego powodu pojazdy elektryczne nie potrzebują tradycyjnej wielobiegowej skrzyni biegów. Stąd też pojazd taki jak Tesla Model S, wyposażony jest w jednobiegową przekładnię o przełożeniu 9,73:1 typu step-down.