يختلف هيكل وتصميم السيارة الكهربائية الخالصة عن هيكل وتصميم السيارة التقليدية التي تعمل بمحرك الاحتراق الداخلي. كما أنها نظام هندسي معقد، إذ تتطلب دمج تقنيات بطاريات الطاقة، وتقنيات محركات الدفع، وتقنيات السيارات، ونظريات التحكم الحديثة لتحقيق عملية تحكم مثالية. في خطة تطوير علوم وتكنولوجيا السيارات الكهربائية، تواصل الدولة الالتزام بمخطط البحث والتطوير "ثلاثي الأبعاد" (ثلاثي الأبعاد) وتركز بشكل أكبر على البحث في التقنيات الرئيسية المشتركة "ثلاثي الأبعاد" وفقًا لاستراتيجية التحول التكنولوجي "للمحرك الكهربائي الخالص"، أي البحث في محركات الدفع ونظام التحكم الخاص بها، وبطاريات الطاقة ونظام إدارتها، ونظام التحكم في مجموعة نقل الحركة. تضع كل شركة مصنعة رئيسية استراتيجيتها الخاصة لتطوير أعمالها وفقًا لاستراتيجية التنمية الوطنية.
يُفصّل المؤلف التقنيات الرئيسية في عملية تطوير نظام نقل حركة جديد، مُقدّمًا بذلك أساسًا نظريًا ومرجعًا لتصميم نظام نقل الحركة واختباره وإنتاجه. يُقسّم الكتاب إلى ثلاثة فصول لتحليل التقنيات الرئيسية للدفع الكهربائي في نظام نقل الحركة للسيارات الكهربائية الخالصة. سنبدأ اليوم بعرض مبدأ وتصنيف تقنيات الدفع الكهربائي.
الشكل 1 الروابط الرئيسية في تطوير مجموعة نقل الحركة
في الوقت الحاضر، تشمل التقنيات الأساسية الرئيسية لنظام نقل الحركة للسيارات الكهربائية الخالصة الفئات الأربع التالية:
الشكل 2 التقنيات الأساسية الرئيسية لمجموعة نقل الحركة
تعريف نظام محرك القيادة
وفقًا لحالة بطارية السيارة ومتطلباتها من الطاقة، تُحوّل الطاقة الكهربائية المُنتَجة من جهاز توليد الطاقة المُخزّن على متن السيارة إلى طاقة ميكانيكية، ثم تُنقل هذه الطاقة إلى عجلات القيادة عبر جهاز الإرسال، بينما تُحوَّل أجزاء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، وتُعاد إلى جهاز تخزين الطاقة عند كبح السيارة. يتكون نظام القيادة الكهربائية من المحرك، وآلية نقل الحركة، ووحدة التحكم في المحرك، ومكونات أخرى. تشمل المعايير التقنية لنظام قيادة الطاقة الكهربائية بشكل رئيسي: الطاقة، وعزم الدوران، والسرعة، والجهد، ونسبة التخفيض في النقل، وسعة مصدر الطاقة، وطاقة الخرج، والجهد، والتيار، وغيرها.
1) وحدة تحكم المحرك
يُسمى أيضًا العاكس، وهو يُحوّل التيار المستمر المُدخل من بطارية الطاقة إلى تيار متردد. المكونات الأساسية:
◎ IGBT: مفتاح إلكتروني للطاقة، المبدأ: من خلال وحدة التحكم، يتم التحكم في ذراع جسر IGBT لإغلاق تردد معين ومفتاح تسلسل لتوليد تيار متردد ثلاثي الطور. بإغلاق مفتاح إلكتروني للطاقة، يمكن تحويل الجهد المتردد. ثم يتم توليد جهد التيار المتردد عن طريق التحكم في دورة التشغيل.
◎ سعة الفيلم: وظيفة الترشيح؛ مستشعر التيار: اكتشاف تيار اللف ثلاثي الطور.
2) دائرة التحكم والقيادة: لوحة التحكم بالكمبيوتر، قيادة IGBT
دور وحدة تحكم المحرك هو تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد، واستقبال كل إشارة، وإخراج الطاقة وعزم الدوران المناسبين. المكونات الأساسية: مفتاح إلكتروني للطاقة، مكثف غشاء، مستشعر تيار، دائرة تحكم لفتح مفاتيح مختلفة، وتشكيل تيارات في اتجاهات مختلفة، وتوليد جهد متردد. لذلك، يمكن تقسيم التيار المتردد الجيبي إلى مستطيلات. تُحوّل مساحة المستطيلات إلى جهد بنفس الارتفاع. يُحقق المحور السيني التحكم في الطول من خلال التحكم في دورة العمل، وأخيرًا يُحقق التحويل المكافئ للمساحة. بهذه الطريقة، يمكن التحكم في طاقة التيار المستمر لإغلاق ذراع جسر IGBT عند تردد معين، ومفتاح تسلسلي من خلال وحدة التحكم لتوليد طاقة تيار متردد ثلاثية الطور.
في الوقت الحاضر، تعتمد المكونات الرئيسية لدائرة القيادة على الواردات: المكثفات، وأنابيب التبديل IGBT/MOSFET، وDSP، والرقائق الإلكترونية والدوائر المتكاملة، والتي يمكن إنتاجها بشكل مستقل ولكن لديها سعة ضعيفة: الدوائر الخاصة، وأجهزة الاستشعار، والموصلات، والتي يمكن إنتاجها بشكل مستقل: إمدادات الطاقة، والثنائيات، والمحاثات، ولوحات الدوائر متعددة الطبقات، والأسلاك المعزولة، والمشعات.
3) المحرك: تحويل التيار المتناوب ثلاثي الطور إلى آلات
◎ الهيكل: أغطية أمامية وخلفية، وقذائف، وأعمدة ومحامل
◎ الدائرة المغناطيسية: قلب الجزء الثابت، قلب الدوار
◎ الدائرة: لف الجزء الثابت، موصل الجزء الدوار
4) جهاز الإرسال
يقوم صندوق التروس أو المخفض بتحويل سرعة عزم الدوران الناتجة عن المحرك إلى السرعة وعزم الدوران المطلوبين للمركبة بأكملها.
نوع محرك القيادة
تُقسّم محركات الدفع إلى الفئات الأربع التالية. حاليًا، تُعدّ محركات التيار المتردد الحثية والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم أكثر أنواع المركبات الكهربائية التي تعمل بالطاقة الجديدة شيوعًا. لذا، نركز على تقنية محركات التيار المتردد الحثية والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم.
| محرك تيار مستمر | محرك تحريض التيار المتردد | محرك متزامن ذو مغناطيس دائم | محرك الممانعة المبدل | |
| ميزة | تكلفة أقل ومتطلبات منخفضة لنظام التحكم | منخفضة التكلفة، تغطية طاقة واسعة، تكنولوجيا تحكم متطورة، موثوقية عالية | كثافة طاقة عالية، كفاءة عالية، حجم صغير | هيكل بسيط، متطلبات منخفضة لنظام التحكم |
| عيب | متطلبات صيانة عالية، سرعة منخفضة، عزم دوران منخفض، عمر قصير | منطقة كفاءة صغيرة وكثافة طاقة منخفضة | تكلفة عالية، قدرة ضعيفة على التكيف مع البيئة | تقلبات كبيرة في عزم الدوران وضوضاء عمل عالية |
| طلب | مركبة كهربائية صغيرة أو صغيرة منخفضة السرعة | السيارات الكهربائية للأعمال وسيارات الركاب | السيارات الكهربائية للأعمال وسيارات الركاب | مركبة مختلطة الطاقة |
1) محرك حثي غير متزامن بالتيار المتردد
مبدأ عمل محرك التيار المتردد الحثي غير المتزامن هو مرور الملف عبر فتحة الجزء الثابت والجزء الدوار: وهو مُرصَّع بصفائح فولاذية رقيقة ذات موصلية مغناطيسية عالية. تمر الكهرباء ثلاثية الطور عبر الملف. ووفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، يتولد مجال مغناطيسي دوار، وهو سبب دوران الجزء الدوار. تتصل ملفات الجزء الثابت الثلاثة بفاصل 120 درجة، ويولد الموصل الحامل للتيار مجالات مغناطيسية حولها. عند توصيل هذا النظام الخاص بمصدر طاقة ثلاثي الطور، تتغير المجالات المغناطيسية في اتجاهات مختلفة مع تغير التيار المتردد في لحظة محددة، مما يُولِّد مجالًا مغناطيسيًا بكثافة دوران منتظمة. تُسمى سرعة دوران المجال المغناطيسي بالسرعة المتزامنة. لنفترض وجود موصل مغلق داخل الملف، ووفقًا لقانون فاراداي، لأن المجال المغناطيسي متغير، ستستشعر الحلقة القوة الدافعة الكهربائية، مما يُولِّد تيارًا في الحلقة. يشبه هذا الوضع حلقة حمل التيار في المجال المغناطيسي، مما يُولّد قوة كهرومغناطيسية عليها، فيبدأ هوان جيانغ بالدوران. باستخدام شيء يُشبه قفص السنجاب، يُولّد تيار متردد ثلاثي الطور مجالًا مغناطيسيًا دوارًا عبر الجزء الثابت، ويُستحث التيار في قضيب قفص السنجاب المُقصر بحلقة النهاية، فيبدأ الدوار بالدوران، ولهذا يُسمى المحرك محركًا تحريضيًا. بمساعدة الحث الكهرومغناطيسي، بدلًا من توصيله مباشرةً بالدوار لتوليد الكهرباء، تُملأ رقائق الحديد العازلة في الدوار، مما يضمن الحد الأدنى من فقدان التيار الدوامي.
2) محرك متزامن التيار المتردد
يختلف دوار المحرك المتزامن عن دوار المحرك غير المتزامن. يُركّب مغناطيس دائم على الدوار، والذي يمكن تقسيمه إلى نوعين: سطحي ومُدمج. يُصنع الدوار من صفائح فولاذ السيليكون، والمغناطيس الدائم مُدمج. يتصل الجزء الثابت أيضًا بتيار متردد بفارق طور قدره 120، والذي يتحكم في حجم وطور تيار الموجة الجيبية المتردد، بحيث يكون المجال المغناطيسي الناتج عن الجزء الثابت معاكسًا للمجال المغناطيسي الناتج عن الدوار، ويدور المجال المغناطيسي. بهذه الطريقة، ينجذب الجزء الثابت إلى مغناطيس ويدور مع الدوار. تتولد دورة تلو الأخرى عن طريق امتصاص كل من الجزء الثابت والدوار.
الخلاصة: أصبح نظام الدفع بالسيارات الكهربائية هو السائد، ولكنه ليس نظامًا واحدًا بل متنوعًا. لكل نظام دفع بالسيارات مؤشره الشامل الخاص. يتم تطبيق كل نظام في نظام الدفع بالسيارات الكهربائية الحالي. معظمها محركات غير متزامنة ومحركات متزامنة ذات مغناطيس دائم، بينما يحاول البعض الآخر تبديل محركات الممانعة. تجدر الإشارة إلى أن نظام الدفع بالسيارات يدمج تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، وتكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة، والتكنولوجيا الرقمية، وتكنولوجيا التحكم الآلي، وعلوم المواد، وغيرها من التخصصات ليعكس آفاق التطبيق والتطوير الشاملة للعديد من التخصصات. إنه منافس قوي في محركات السيارات الكهربائية. من أجل احتلال مكانة في المركبات الكهربائية المستقبلية، لا تحتاج جميع أنواع المحركات إلى تحسين هيكل المحرك فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى استكشاف الجوانب الذكية والرقمية لنظام التحكم باستمرار.
وقت النشر: 30 يناير 2023
