مجموعة نقل الحركة هي نظام من المكونات في السيارة يحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة ميكانيكية تدفع حركة السيارة. إنه نظام ميكانيكي يتألف من عناصر مثل نظام توليد الطاقة ونظام توزيع الطاقة (نقل) ومكونات ميكانيكية متنوعة للحركة.
تحتوي مركبة الاحتراق الداخلي على العديد من الأجزاء المتحركة المعقدة. مكوناته الرئيسية هي المحرك وناقل الحركة وأعمدة الإدارة ، إلى جانب المكونات الأخرى لأنظمة الانبعاثات والعادم وتبريد المحرك. في حالة السيارات الكهربائية ، يكون تصميم مجموعة نقل الحركة ومكوناتها أبسط بكثير من أنظمة السيارات التقليدية القائمة على محرك الاحتراق الداخلي.
تتكون مجموعة نقل الحركة النموذجية من حزمة بطارية ومحولات لنقل الطاقة ومحرك (محركات) كهربائي من خلال محرك التخفيض النهائي. للمركبات الهجينة والمركبات الهجينة الموصولة بالكهرباء ، هناك مكونات إضافية في مجموعة نقل الحركة ، مثل ICE ، ونظام نقل وعادم مخصص.
المكونات الرئيسية لمجموعة نقل الحركة EV هي:
- علبة بطاريات. تتكون حزمة البطارية من خلايا متصلة في مجموعات من التكوينات المتسلسلة والمتوازية. يتم تعيين حدود جهد البطارية والتيار من خلال عدد التوصيلات المتسلسلة والمتوازية للتحكم في خرج الطاقة.
- محولات الجر. تقوم محولات الجر بشكل أساسي بتحويل التيار المستمر من حزمة البطارية إلى خرج التيار المتردد لتشغيل المحرك الكهربائي. ميزة أخرى مهمة هي الكبح الكهربائي ، والذي يحسن من عمر أنظمة الكبح الميكانيكية من خلال تقليل التآكل غير الضروري.
- محرك كهربائي ومحرك التخفيض. ينتج المحرك الكهربائي الطاقة الميكانيكية للدفع بناءً على ديناميكيات الطاقة الكهربائية المستلمة من ناقل الحركة. يعمل محرك التخفيض النهائي على تحويل المدخلات من المحرك إلى خرج عالي عزم الدوران إلى العجلات لتسريع السيارة. لتحسين استخدام البطارية وتحسين المسافة المقطوعة بالميل ، تم تصميم المركبات الكهربائية لتعيين نسبة القيادة النهائية لكل مواصفات السيارة وظروف القيادة. هي نسبة سرعة إدخال المحرك إلى سرعة إخراج العجلة. تؤدي نسبة القيادة النهائية الأعلى إلى عزم دوران أعلى أو تسارع أفضل ، بينما تسمح نسبة عزم الدوران المنخفضة بسرعات قصوى للمركبة.
- شاحن على متن الطائرة (OBC). يتحكم OBC في التيار المتردد المستلم عبر منفذ الشحن ويحوله إلى DC لتخزين البطارية.
تعمل البرامج المتعددة مع مكونات مجموعة نقل الحركة EV المحددة لتبادل البيانات ومعالجتها. تسمى هذه البرامج الثابتة وحدة التحكم الإلكترونية (ECU). والمثال الأساسي على ذلك هو وحدة التحكم في المحرك ، التي تتحكم في محول التيار المباشر / التيار المتردد لتعديل كمية وتردد الجهد الموفر للمحرك بناءً على مدخلات سائق السيارة من التسارع والفرملة.
بعض وحدات التحكم الإلكترونية الأساسية الأخرى في نظام توليد القوة الكهربائية هي نظام إدارة البطارية (BMS) لمراقبة صحة حزمة البطارية ؛ محول DC / DC لتحويل الجهد من حزمة البطارية إلى مكونات السيارة الإضافية مثل المساحات والأضواء ونوافذ الطاقة وفقًا لمتطلبات الجهد الخاصة بهم ؛ نظام إدارة حراري للتحكم في البرامج الثابتة اللازمة للحفاظ على درجة الحرارة المثلى لنظام توليد القوة ؛ ووحدة تحكم بالجسم للتحكم في المكونات الإضافية مثل النوافذ والمرايا الكهربائية.
بالنسبة للمركبات الكهربائية ، يمكن تصنيف كل مكون إلى واحدة من ثلاث فئات لتوليد القوة:
- نظام توليد الطاقة: بطارية ، OBC
- نظام توزيع الطاقة (ناقل الحركة): محول التيار المتردد / التيار المتردد (عاكس الجر) ، محول DC / DC ، BMS
- المكونات الميكانيكية: المحركات الكهربائية ، محرك التخفيض النهائي ، مكونات الملحقات الإلكترونية مثل النوافذ الكهربائية والمرايا
تصميم مجموعة نقل الحركة EV
يمكن تحسين الكفاءة والمسافة المقطوعة والأداء العام للمركبة الكهربائية على مستوى المكونات والبنية والتحكم.
على سبيل المثال ، يتم ضبط حجم البطارية والمحرك (المحركات) والمحرك على مستوى المكونات لتلبية متطلبات القيادة المستهدفة ، مثل القيادة قصيرة المدى داخل المدينة أو القيادة على الطرق السريعة طويلة المدى. أيضًا ، يمكن لهندسة مجموعة نقل الحركة EV تحسين أداء المركبات بشكل كبير من خلال الدمج والتبديل بين أوضاع القيادة المتعددة بناءً على الظروف. وضع القيادة هو تكوين لمكونات خاصة بحالة استخدام معينة ، مثل تسارع السيارة (عزم دوران مرتفع) أو الانطلاق (بسرعات عالية). تعمل وحدات التحكم الإلكترونية على زيادة بنية الأجهزة الحالية لتحويل الخانق من السائق إلى تعليمات للبطارية والمحرك (المحركات) لتلبية متطلبات الأداء مثل التسارع من 0 إلى 60 ميل في الساعة عند استهلاك الطاقة شبه الأمثل. يتم تحديد سياسات التحكم المثلى باستخدام خوارزميات مثل البرمجة الديناميكية أو مبدأ الحد الأدنى من Pontryagin أو استراتيجية تقليل الاستهلاك المكافئ.
دور إلكترونيات القوى
الهدف الرئيسي من تصميم مجموعة نقل الحركة EV هو الكفاءة ، حيث تؤدي الكفاءة العالية إلى إدارة حرارية أفضل ونطاق. يؤدي انخفاض الكفاءة إلى زيادة فقد الطاقة ، مما يؤدي إلى زيادة التسخين ، والتي يجب زيادة حجم EV من أجل تبديد الحرارة. معلمة أخرى مهمة لتحسين مجموعات نقل الحركة الكهربائية هي كثافة الطاقة (الطاقة التي يتم توفيرها لكل حجم وحدة مركبة).
لتحقيق هذين الهدفين ، بصرف النظر عن تصميم مجموعة نقل الحركة ، تلعب مفاتيح تبديل الطاقة الإلكترونية القائمة على أشباه الموصلات دورًا مهمًا في تحسين الكفاءة وكثافة الطاقة. يدفع الطلب المتزايد على المركبات الكهربائية إلى إجراء بحث مكثف في محولات إلكترونيات الطاقة مثل IGBTs و MOSFETs القائمة على السيليكون (Si) لتحسين خصائص التبديل لتحقيق كفاءة أفضل.
بالإضافة إلى ذلك ، كان هناك اهتمام متزايد باستخدام دوائر MOSFET من كربيد السيليكون بناءً على قدرتها على تحسين الكفاءة وتقليل حجم محول الطاقة:
- توفر SiC MOSFETs ، كأجهزة ذات فجوة نطاق واسعة ، العديد من المزايا التي تناسب صناعة السيارات الكهربائية. تتميز SiC MOSFETs بخسائر تحويل وتوصيل أقل من Si IGBTs أو MOSFETs ، والتي تعد ضرورية لزيادة الأميال المقطوعة للمركبات الكهربائية.
- تتمتع أجهزة التبديل القائمة على SiC بدرجة حرارة تقاطع أعلى تبلغ 175 درجة مئوية ، مقارنة بـ 150 درجة مئوية للأجهزة القائمة على Si ، مما يجعل من الممكن تصميم مجموعة نقل حركة متكاملة مع متطلبات تبريد منخفضة.
- بالإضافة إلى ذلك ، فإن تردد التحويل العالي للأجهزة القائمة على SiC يقلل من حجم المكونات السلبية مثل مكثف DC-link ، ومحث التعزيز ومرشح EMI. تتيح ميزات أجهزة أشباه الموصلات القائمة على SiC تقليل الحجم الكلي لمجموعة نقل الحركة ، مما يحقق بشكل غير مباشر كثافة طاقة أعلى بكثير للمركبة الكهربائية.
بصرف النظر عن الكفاءة الأفضل ، يقوم مصنعو أشباه الموصلات بترقية تقنيات تغليف السيليكون لمعالجة تطبيقات السيارات المختلفة مثل الإدارة الحرارية وتحسين حزم أشباه الموصلات لتحدي كثافات الطاقة.
بصرف النظر عن مواد أشباه الموصلات مثل Si أو SiC ، فإن الحلول القائمة على IGBT و MOSFET تتطور للإدارة الحرارية العالية لتقليل حجم EV والتكلفة عن طريق تقليل الحاجة إلى أنظمة التبريد باهظة الثمن. بدأت وحدات IGBT المدمجة ثنائية الجانب – للتبريد 750-V مع درجة حرارة على مستوى الرقاقة ووحدات تحكم إلكترونية مستشعر التيار في الظهور لتطبيقات عاكس الجر بقدرة 400 فولت. أيضًا ، توفر حزم MOSFET المزودة بتغليف مبتكر مثبت على السطح وتبريد الجانب العلوي تغليف عاكس للجر مضغوط ، مما يقلل من حجم السيارة.
