Глубокий анализ электромобилей: полные принципы работы от основных компонентов до интеллектуальных систем
Будучи ключевым направлением трансформации и модернизации автомобильной промышленности, электромобили меняют транспортный ландшафт благодаря своим преимуществам экологичности, эффективности и интеллектуальности. От крошечной винтовой прокладки до сложной системы интеллектуального вождения — совместная работа каждого компонента обеспечивает плавность работы электромобиля. Исходя из базовых принципов, эта статья систематически разбирает основные компоненты, рабочие механизмы и интеллектуальные технологии электромобилей, помогая вам получить всестороннее понимание «внутренней логики» электромобилей.
I. Энергетическое ядро: Принцип работы моторов электромобилей
Мотор — это «сердце» электромобиля, и его эффективность преобразования электрической энергии в механическую напрямую определяет динамические характеристики автомобиля. От самого базового явления электромагнитной индукции до промышленных трехфазных асинхронных двигателей развитие моторов для электромобилей всегда сосредоточено на трех ключевых целях: «высокая эффективность, высокий крутящий момент и высокая стабильность».
(I) Электромагнитная индукция: Основополагающая физическая база моторов
Рабочая суть мотора исходит из взаимодействия электромагнитной индукции и электромагнитной силы. Мы можем понять его основную логику через ряд простых экспериментов.
Основное электромагнитное взаимодействие: Когда вращающийся металлический стержень приближают к магниту, стержень поворачивается в сторону магнита. Если металлический стержень заменить железным диском и двигать его вместе с U-образным магнитом, диск будет вращаться вместе с магнитом и даже проявлять самовращение. На первый взгляд это явление вызвано силой притяжения магнита, но если заменить железный диск на алюминиевый (неферромагнитный материал), движение магнита все равно заставляет диск вращаться, что раскрывает ключевую роль электромагнитной индукции.
Синергия между электромагнитной индукцией и электромагнитной силой: Магнитное поле U-образного магнита течет от полюса N к полюсу S. Когда магнит движется, его магнитное поле пересекает диск (проводник). Согласно принципу электромагнитной индукции на диске возникает индуцированный ток. Направление индуцированного тока можно определить по правилу правой руки, указывающему в центр диска. Правило левой руки позволяет определить направление силы, действующей на диск — указательный палец направлен в сторону магнитного поля, средний палец — в сторону тока, а большой палец указывает направление электромагнитной силы, которая приводит диск в вращение. Ключевой момент в том, что должна быть разница в угловой скорости между магнитом и диском. Если скорости вращения совпадают, электромагнитная индукция не происходит, и диск теряет способность к самовращению.
(II) Итерация конструкции двигателя: от простых устройств к промышленному дизайну
Для достижения непрерывной и стабильной подачи мощности конструкция двигателя прошла несколько этапов оптимизации и модернизации.
Улучшение базовой конструкции: Заменить алюминиевый диск на железный цилиндр, а U-образный магнит — на два стержневых магнита. При вращении магнита цилиндр будет вращаться соответственно. Из анализа сил магнитное поле течет от полюса N к полюсу S. Когда магнит движется вниз относительно цилиндра, цилиндр эквивалентно движется вверх. Индуцированный ток возникает согласно правилу правой руки, а направления сил с обеих сторон цилиндра (одна вниз, другая вверх) определяются правилом левой руки, что в итоге приводит к вращению цилиндра.
Применение электромагнитов: Катушка создает магнитное поле при подаче тока. Такой электромагнит, который "магнитен при включении и немагнитен при отключении", обладает большей управляемостью, чем традиционные постоянные магниты — повышение напряжения усиливает магнитное поле, а изменение направления тока меняет полюса магнита. Исходя из этой характеристики, несколько катушек размещаются вокруг цилиндра. Постоянно меняя направление тока, можно сформировать вращающееся магнитное поле, которое заставляет цилиндр вращаться непрерывно без механического вращения магнита, что является ключевой логикой конструкции двигателя.
(III) Трехфазный переменный ток: Метод реализации вращающегося магнитного поля
Электромобили обычно используют трехфазные асинхронные двигатели, основа которых заключается в генерации стабильного вращающегося магнитного поля с помощью трехфазного переменного тока.
Генерация трехфазного переменного тока: Когда магнит вращается вокруг катушки, изменения магнитного поля вызывают генерацию переменного тока в катушке (форма волны однофазного переменного тока представляет собой синусоиду). Если три катушки расположены с интервалом в 120 градусов, вращающийся магнит будет генерировать три группы переменного тока с фазовым сдвигом в 120 градусов, то есть трехфазный переменный ток. Один конец трех катушек соединяется для формирования нейтральной линии, а другой конец выводится как три фазные линии. Напряжение между фазными линиями составляет 380 вольт, а напряжение между фазной линией и нейтральной линией — 220 вольт. Различные методы подключения могут удовлетворять разные потребности в потреблении электроэнергии.
Намотка катушек и формирование магнитного поля: Двигатель состоит из статора и ротора, а катушка наматывается в отверстиях статора. Конкретный способ намотки: катушка входит с порта A и выходит в противоположном направлении из противоположного порта A; входит с порта B с интервалом 120 градусов и выходит в противоположном направлении из порта B; аналогично завершается намотка катушки в порту C, и в конце провода, возвращающиеся в противоположном направлении, соединяются вместе, а трёхфазные линии подключаются к трёхфазному переменному току.
Генерация вращающегося магнитного поля: Форма волны трёхфазного переменного тока периодически меняется со временем. В разные моменты полярность и величина тока в трёх фазах различны. Например, в определённый момент фаза R положительна, а фазы S и T отрицательны; в следующий момент фазы R и S положительны, а фаза T отрицательна. Это изменение вызывает непрерывное смещение направления магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Согласно правилу Ампера, направление магнитного поля, создаваемого каждой катушкой (по часовой или против часовой стрелки), меняется вместе с током. После наложения магнитных полей нескольких катушек формируется непрерывно вращающееся магнитное поле, а скорость вращения магнитного поля положительно связана с частотой переменного тока.
(IV) Конструкция и классификация реальных двигателей
Промышленные электродвигатели для электромобилей были точно оптимизированы на основе основных принципов и в основном делятся на две категории: индукционные двигатели (асинхронные двигатели) и синхронные двигатели с постоянными магнитами.
Индукционные двигатели (асинхронные двигатели):
Конструкция сердечника: Состоит из статора и ротора. Внутри статора имеются пазы для установки обмоточных катушек. Ротор выполнен в виде клетки белки с изолированными железными пластинами с пазами внутри и проводящими стержнями, встроенными в пазы.
Рабочие характеристики: При прохождении переменного тока через обмотку статора создаётся вращающееся магнитное поле. Проводящие стержни ротора пересекают линии магнитного поля, чтобы индуцировать ток, а затем приводятся во вращение электромагнитной силой. Поскольку скорость ротора всегда меньше скорости магнитного поля (существует скольжение), такой двигатель называется асинхронным.
Оптимизация обмоток: в промышленном производстве набор обмоточных катушек обычно содержит сотни или тысячи витков. После намотки машиной они покрываются изоляционной краской, которая не только улучшает изоляционные свойства, но и повышает теплопроводность. Для решения проблемы неравномерности магнитных полей увеличивается количество пазов статора (например, 12, 24), а катушки соединяются последовательно и складываются для формирования различных магнитных структур, таких как двухполюсные и четырехполюсные. Двухполюсные двигатели имеют высокую скорость, четырехполюсные — большой крутящий момент, а многопазовая конструкция дополнительно улучшает стабильность магнитного поля и эффективность двигателя.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами:
Конструктивное улучшение: дугообразные постоянные магниты установлены снаружи ротора (заменяя ротор с короткозамкнутой клеткой). Постоянные магниты создают фиксированное магнитное поле, которое взаимодействует с вращающимся магнитным полем, создаваемым обмоткой статора.
Основные преимущества: скорость ротора синхронизирована со скоростью магнитного поля статора без потерь энергии, вызванных индуцированным током (потери энергии в асинхронных двигателях составляют около 3%-4%), а также двигатель обладает большим пусковым моментом и отличными характеристиками на низких скоростях.
Существующие проблемы: при движении на высокой скорости обратная электродвижущая сила, создаваемая постоянным магнитом, направлена противоположно направлению электродвижущей силы двигателя, что снижает эффективность двигателя; одновременно постоянный магнит вызывает вихревые токи, приводящие к дополнительным потерям энергии.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами и реляктансом:
Гибридная конструкция: сочетая преимущества низкоскоростных и высокомоментных двигателей с постоянными магнитами и высокоскоростной стабильности синхронных двигателей с реляктансом, постоянные магниты встроены в пазы синхронных двигателей с реляктансом, образуя композитную структуру.
Оптимизация производительности: путем регулировки угла между вращающимся магнитным полем и магнитным полем постоянного магнита можно ослабить или даже компенсировать обратную электродвижущую силу, что позволяет двигателю эффективно работать как на низких, так и на высоких скоростях. При запуске поддержание угла вращающегося магнитного поля около 50 градусов обеспечивает максимальный крутящий момент.
II. Источник энергии: принцип работы литиевых батарей и конструкция аккумуляторного блока
Мощность двигателя исходит от электрической энергии, а основным компонентом хранения энергии в электромобилях являются литиевые батареи. Литиевые батареи стали предпочтительным устройством для хранения энергии в электромобилях благодаря своим преимуществам: высокой плотности энергии, длительному сроку службы и возможности быстрой зарядки.
(I) Основная структура и принцип работы литиевых аккумуляторов
Энергетическое преобразование литиевых аккумуляторов основано на интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития, а основная структура включает положительный электрод, слой электролита и отрицательный электрод.
Материалы электродов:
Отрицательный электрод: в основном состоит из слоёв графита. Графит имеет кристаллическую слоистую структуру, обеспечивающую пространство для интеркаляции ионов лития.
Положительный электрод: металлооксиды, содержащие литий (например, никель-кобальт-марганцевые оксиды для тройных литиевых аккумуляторов и литий-железо-фосфат для литий-железо-фосфатных аккумуляторов).
Электролит: органический раствор литиевой соли, нанесённый на сепаратор, позволяющий проходить ионам лития, но блокирующий электроны.
Процесс зарядки и разрядки:
Зарядка: при подключении внешнего источника питания положительный электрод источника притягивает электроны литиевых атомов в материале положительного электрода. Электроны текут по проводу, а литиевые атомы теряют электроны и превращаются в ионы лития, которые проходят через электролитный слой к отрицательному электроду и интеркалируются в кристаллическую слоистую структуру графита, пока все ионы лития не интеркалируются и аккумулятор полностью не зарядится.
Разрядка: при подключении цепи к нагрузке (например, мотору) ионы лития возвращаются к положительному электроду через электролитный слой для восстановления стабильного состояния. Электроны текут по проводу к положительному электроду и рекомбинируют с ионами лития, образуя ток для питания нагрузки.
Ключевые механизмы защиты:
Защита безопасности: в середине электролита предусмотрен изоляционный слой для предотвращения коротких замыканий между положительным и отрицательным электродами (короткие замыкания вызывают высыхание электролита и пожары).
Формирование SEI-плёнки: во время первой зарядки литиевого аккумулятора ионы лития проходят к отрицательному электроду через электролитный слой. Некоторые электроны реагируют с молекулами растворителя и графитом, образуя твёрдую электролитную межфазную плёнку (SEI-плёнку). SEI-плёнка блокирует контакт между молекулами растворителя электролита и отрицательным электродом, предотвращая деградацию электролита. Хотя это потребляет около 5% активных ионов лития, общие преимущества перевешивают недостатки. Учёные продолжают улучшать характеристики аккумулятора, оптимизируя толщину и химические свойства SEI-плёнки.
(II) Типы литиевых аккумуляторов и конструкция аккумуляторного блока
Распространённые типы литиевых аккумуляторов:
Тройные литиевые аккумуляторы: положительный электрод представляет собой пропорциональную смесь никеля, кобальта и марганца. Они имеют высокую энергоёмкость и хорошую работу при низких температурах, подходят для моделей, ориентированных на запас хода и мощность.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы: материал положительного электрода — литий-железо-фосфат. Они обладают высокой безопасностью, длительным сроком службы и низкой стоимостью, подходят для моделей, ориентированных на стабильность и экономичность.
Состав и система охлаждения аккумуляторных блоков:
Модульный дизайн: отдельный литиевый аккумулятор имеет ограниченное напряжение и емкость. Аккумуляторный блок электромобиля объединяет тысячи литиевых аккумуляторов последовательно и параллельно (например, в некоторых моделях аккумуляторных блоков содержится более 7000 литиевых аккумуляторов) для формирования высоковольтного аккумуляторного блока.
Система теплового управления: аккумуляторы выделяют тепло во время работы. Слишком высокие или низкие температуры влияют на производительность и безопасность. Аккумуляторный блок оснащен системой охлаждения. Охлаждающая жидкость циркулирует по металлическим трубкам, снижая температуру аккумулятора; одновременно система теплового управления может контролировать температуру аккумулятора и нагревать его при низких температурах. Конструкция из множества небольших аккумуляторов обеспечивает равномерное распределение температуры, уменьшает горячие точки и продлевает срок службы аккумулятора.
Структурное расположение: аккумуляторный блок обычно устанавливается под шасси, используя модульный интегрированный дизайн, который не только экономит внутреннее пространство, но и снижает центр тяжести автомобиля, улучшая устойчивость при движении.
III. Преобразование энергии: основные функции и рабочие механизмы электронной системы управления
Электронная система управления электромобилем — это «мозг», отвечающий за координацию работы основных компонентов, таких как аккумуляторы и двигатели. Ее основные функции включают преобразование постоянного и переменного тока, управление выходной мощностью и тепловое управление, что является ключевым для обеспечения эффективной работы автомобиля.
(I) Состав и архитектура электронной системы управления
Электронная система управления представляет собой сложный комплекс из нескольких подсистем, включающих в себя:
Система теплового управления: контролирует температуру аккумуляторов, двигателей, электронных блоков и других компонентов, поддерживая каждый компонент в оптимальном диапазоне рабочих температур с помощью систем охлаждения или нагрева.
Модуль управления двигателем: ядром является инвертор, который отвечает за преобразование постоянного тока, выдаваемого аккумулятором, в переменный ток, необходимый для двигателя, и управление частотой переменного тока для регулировки скорости двигателя, обеспечивая ускорение и замедление автомобиля.
Модуль распределения высоковольтной энергии: распределяет электрическую энергию на высоковольтные компоненты, такие как компрессоры кондиционера, нагреватели аккумулятора и преобразователи постоянного тока.
Преобразователь постоянного тока: преобразует высоковольтный постоянный ток аккумуляторного блока в низковольтный постоянный ток (например, 12 вольт) для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора, который затем питает низковольтные компоненты, такие как автомобильные фары, стеклоочистители и датчики.
(II) Инвертор: ядро преобразования постоянного тока в переменный
Инвертор является ядром модуля управления двигателем. Его принцип работы заключается в преобразовании постоянного тока в плавный синусоидальный переменный ток путем быстрого переключения цепей.
Базовое переключение цепи: простая схема инвертора включает четыре группы переключателей. Управляя включением и выключением переключателей, меняется направление тока. Например, при включении S1 и S4 ток течёт в одном направлении; при включении S2 и S3 — в противоположном. Непрерывное переключение переключателей может генерировать переменный ток квадратной волны.
Высокоскоростное переключение и оптимизация формы сигнала: в качестве переключающих элементов используются транзисторы, которые могут переключаться тысячи раз в секунду, удовлетворяя требованиям мотора по частоте переменного тока (обычно 50 герц, требующих 100 переключений в секунду). Однако напряжение квадратной волны переменного тока меняется резко и должно быть преобразовано в плавную синусоиду. Путём усреднения импульсов квадратной волны формируется кривая, близкая к синусоиде, после чего добавляется пассивный фильтр для настройки частоты сигнала, в итоге получая синусоидальный переменный ток, необходимый мотору.
Проектирование защиты цепи: для предотвращения коротких замыканий в цепи установлен логический элемент NOT, который гарантирует, что только один переключатель из каждой группы может быть открыт; одновременно используется компаратор для сравнения синусоиды с треугольной волной, что генерирует специфическую форму квадратной волны, дополнительно оптимизируя плавность формы сигнала.
IV. Передача мощности: упрощение и эффективный дизайн трансмиссии
По сравнению со сложными многоступенчатыми коробками передач автомобилей с ДВС, трансмиссия электромобилей проще. В основном используется коробка передач с одной скоростью, достигающая эффективной передачи мощности за счёт оптимизированного дизайна.
(I) Основная структура трансмиссии
Путь передачи мощности: при нажатии на педаль акселератора батарея передаёт электрическую энергию в модуль управления мотором. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный и передаёт его мотору. Вращение ротора мотора приводит в движение приводной вал. Ведущая шестерня на приводном валу зацепляется с выходной шестернёй через редуктор и, в конечном итоге, передаёт мощность на колёса.
Механизм замедления и увеличения крутящего момента: редуктор состоит из двух шестерен — большой и маленькой. Большая шестерня зацепляется с ведущей, а маленькая — с ведомой. За счёт передачи шестерён скорость уменьшается, а крутящий момент увеличивается, чтобы удовлетворить требования мощности автомобиля во время движения.
Реализация задней передачи: дополнительная задняя передача не требуется. Контроллер меняет направление вращения мотора согласно команде заднего хода для осуществления движения автомобиля назад.
(II) Дифференциал: ключевой компонент для решения разницы скоростей колес
Когда транспортное средство поворачивает, внешнее колесо проходит большее расстояние, чем внутреннее. Если скорость одинаковая, внутреннее колесо будет проскальзывать. Функция дифференциала — регулировать скорость внутренних и внешних колес.
Принцип работы: дифференциал состоит из корончатой шестерни, сателлитов и полуосевых шестерён. Мощность передаётся от приводного вала на корончатую шестерню, заставляя сателлиты вращаться. Сателлиты одновременно зацепляются с полуосевыми шестернями с обеих сторон. При повороте сателлиты вращаются вокруг своих осей, увеличивая скорость внешней полуосевой шестерни и уменьшая скорость внутренней, обеспечивая динамическую регулировку скорости колёс.
Оптимизация конструкции: электромобили в основном используют открытые дифференциалы. За счёт точного зацепления шестерён обеспечивается непрерывность и стабильность передачи мощности, а также предотвращается пробуксовка колёс при повороте.
(III) Полуось и шарнир: гарантия соединения для передачи мощности
Полуось отвечает за передачу крутящего момента, вырабатываемого двигателем, на колеса, а её ключевым компонентом является шарнир равных угловых скоростей.
Конструкция шарнира равных угловых скоростей: состоит из шариков, клети для шариков, внутреннего и наружного колец с пылезащитным чехлом снаружи. Внутреннее кольцо соединено с приводным валом через шлицы. Клетка для шариков расположена внутри наружного кольца, а шарики установлены между клеткой и внутренним и наружным кольцами.
Ключевые преимущества: независимо от изменения угла между двумя валами, угловые скорости ведущего и ведомого валов всегда одинаковы (передача с постоянной скоростью). Характеризуется высокой эффективностью передачи, высокой точностью и сильной способностью компенсировать углы, что позволяет эффективно передавать крутящий момент двигателя и повышать эффективность движения автомобиля.
V. Устойчивость при движении: дизайн подвески и шасси
Подвеска и шасси являются основой для устойчивости и комфорта при движении электромобилей. Дизайн шасси электромобилей оптимизирован на базе традиционных автомобилей для адаптации к интеграции батарей и электродвигателей.
(I) Подвеска: поглощение ударов и стабилизация кузова автомобиля
Основная функция подвески — нести вес кузова автомобиля, поглощать ударные нагрузки, вызванные неровностями дороги, и уменьшать вибрацию кузова. Она делится на независимую, зависимую и полу-независимую подвески. Электромобили в основном используют подвеску с двойным поперечным рычагом среди независимых подвесок.
Конструкция подвески с двойным поперечным рычагом: состоит из нижнего рычага, верхнего рычага, поворотного кулака, амортизатора и стабилизатора поперечной устойчивости. Верхний и нижний рычаги соединены с поворотным кулаком колеса через шаровые шарниры рулевого управления. Рулевой рычаг управляется рулевым колесом, чтобы заставить колесо вращаться; стабилизатор поперечной устойчивости используется для контроля амплитуды крена автомобиля при повороте.
Принцип работы амортизатора: амортизатор состоит из пружины и демпфера. Пружина поглощает энергию ударов от дорожного покрытия и уменьшает раскачивание кузова; демпфер подавляет колебания при отскоке пружины и ускоряет затухание вибраций. Внутри демпфера находятся рабочий цилиндр и резервуарный цилиндр. Движение поршня контролируется потоком гидравлического масла. При движении поршня вниз гидравлическое масло выдавливается в резервуарный цилиндр; при движении поршня вверх масло возвращается в рабочий цилиндр, поддерживая его заполненным для обеспечения амортизационного эффекта. Расширяющийся жидкий азот, заполненный в резервуарном цилиндре, может уменьшать сопротивление, зазоры и разрывы.
Синергетический эффект стабилизатора поперечной устойчивости: полагаться только на амортизатор для контроля крена требует использования слишком жёстких пружин и амортизаторов с высоким коэффициентом демпфирования, что снижает способность поглощать дорожные вибрации. Стабилизатор работает в синергии с амортизатором, эффективно контролируя амплитуду крена автомобиля при поворотах без ухудшения поглощения вибраций, улучшая устойчивость при вождении.
(II) Шасси Skateboard: инновационный дизайн для модульной интеграции
Электромобили обычно используют дизайн шасси skateboard, который интегрирует основные компоненты, такие как моторы, аккумуляторы, электронные блоки управления, трансмиссии и подвески, в шасси, формируя структуру, похожую на скейтборд.
Ключевые преимущества:
Модульная разработка: кузов отделён от шасси. Механические соединения сокращены благодаря системам drive-by-wire. Кузов может разрабатываться независимо в модулях. Разные кузова могут быть установлены на одно и то же шасси, что сокращает цикл разработки моделей и снижает производственные затраты.
Оптимизация пространства: аккумулятор размещается горизонтально на шасси, экономя внутреннее пространство и улучшая комфорт при езде; одновременно это снижает центр тяжести автомобиля, уменьшая раскачивание во время движения и повышая устойчивость.
Выбор материалов: шасси должно поддерживать вес всего кузова автомобиля и обычно изготавливается из высокопрочной стали и алюминиевого сплава. Сталь прочна и долговечна, а алюминиевый сплав лёгкий, что позволяет реализовать облегчённый дизайн шасси и увеличить запас хода.
VI. Интеллектуальное управление: применение и расширение технологии drive-by-wire
Технология drive-by-wire является основой интеллекта электромобилей. Она реализует управление мощностью через провода или электронные сигналы, заменяя традиционные механические жёсткие соединения для достижения электронной и точной работы. Широко используется в таких системах, как акселераторы, тормоза и рулевое управление.
(I) Разводка проводов и классификация по напряжению
Электрические компоненты электромобилей делятся на высоковольтные компоненты (аккумуляторы, моторы, инверторы и т.д. с напряжением 250-750 вольт) и низковольтные компоненты (фары, дворники, датчики и т.д. с напряжением менее 250 вольт). Соответствующие провода также делятся на две категории:
Высоковольтные кабели: Оранжевые, толстые по диаметру, с защитой от электромагнитных помех, соединяющие высоковольтные компоненты, такие как зарядные порты, бортовые зарядные устройства, аккумуляторные блоки, моторы и модули распределения высоковольтной энергии.
Низковольтные провода: Желтые, соединяющие низковольтные компоненты и питаемые свинцово-кислотными аккумуляторами.
(II) Реализация основных систем с проводным управлением
Акселератор с проводным управлением:
Традиционные автомобили с двигателем внутреннего сгорания соединяют педаль акселератора с двигателем через стальной трос, который не может точно контролировать подачу воздуха; акселератор с проводным управлением в электромобилях заменяет механическую пружину датчиком. При нажатии педали датчик посылает электрический сигнал блоку управления мотором, который регулирует скорость мотора в зависимости от силы сигнала для точного контроля скорости автомобиля.
Тормоз с проводным управлением:
Традиционная конструкция дискового тормоза: Состоит из ступичного узла, тормозного диска, тормозного суппорта и гидравлической системы. При нажатии педали тормоза механическая сила передается на главный тормозной цилиндр через толкатель тормоза, который подает гидравлическое масло к гидравлическому поршню колеса, приводя тормозной суппорт в действие для зажима тормозного диска и осуществления торможения.
Улучшение тормоза с проводным управлением: Механическое соединение между педалью тормоза и главным цилиндром удалено. На педаль установлен датчик, а тормозной суппорт заменен на мотор-управляемый тип. При нажатии тормоза датчик посылает электрический сигнал контроллеру, который приводит суппорт в действие, реализуя электронное торможение с более быстрой реакцией и более точным управлением.
Вспомогательная тормозная система:
Антиблокировочная система тормозов (ABS): Датчики установлены на колесах. Когда обнаруживается, что колеса собираются заблокироваться, блок модулятора ABS прерывисто отпускает тормозные колодки, чтобы колеса вращались прерывисто, избегая пробуксовки и позволяя водителю сохранять контроль над автомобилем, особенно эффективно при экстренном торможении.
Система помощи при трогании на подъеме: Она обнаруживает давление тормоза через датчик давления главного цилиндра и определяет наклон дороги через датчик продольного ускорения. Когда водитель отпускает педаль тормоза, система продолжает поддерживать давление тормоза в течение нескольких секунд, предоставляя время для переключения на педаль акселератора, чтобы предотвратить откат автомобиля, что подходит для подъема и спуска.
Рулевое управление drive-by-wire:
Традиционная рулевая система соединяет рулевое колесо и рейку через механический вал, полагаясь на электронную систему усилителя руля для снижения усилия; рулевое управление drive-by-wire устраняет механическое соединение. При повороте рулевого колеса датчик посылает электрический сигнал контроллеру, который управляет электродвигателем на рейке для управления поворотом колес. Это более подходит для модульного дизайна разъединённого шасси и кузова с более высокой точностью управления.
(III) Принципы работы других компонентов drive-by-wire
Стеклоочистители:
Ранние механические стеклоочистители приводились в движение двигателями постоянного тока, вращающими червяки и шестерни, и не могли регулировать скорость в зависимости от осадков; стеклоочистители drive-by-wire используют транзисторные управляющие цепи в сочетании с конденсаторами и резисторами для достижения прерывистой работы. Они определяют осадки с помощью датчика дождя на крыше и автоматически регулируют частоту очистки для обеспечения четкого обзора.
Подушки безопасности:
Традиционные подушки безопасности полагаются на инерционные шариковые датчики. При столкновении шарик перемещается, замыкая цепь, что зажигает азид натрия для генерации азота для надувания, но существует риск токсичных газов и ложных срабатываний; современные подушки безопасности drive-by-wire используют нитрат натрия в качестве газогенерирующего материала в сочетании с датчиками Mams, расположенными по кузову автомобиля, для точного определения силы и места столкновения и завершения надувания за 30 миллисекунд для защиты водителя и пассажиров.
VII. Гарантия комфорта: принципы отопления и охлаждения системы кондиционирования
Электромобили не имеют двигателей и не могут использовать тепловые отходы двигателя для отопления, как топливные автомобили. Их системы кондиционирования обеспечивают комфортную температуру в салоне с помощью специально разработанных устройств отопления и охлаждения.
(I) Система охлаждения: принцип работы автомобильного кондиционера
Суть охлаждения заключается в передаче тепла через фазовый переход хладагента. Основные компоненты включают компрессор, конденсатор, осушитель, расширительный клапан и испаритель.
Рабочий процесс:
После запуска компрессор сжимает газообразный хладагент низкого давления в высокотемпературный и высоконапорный газообразный хладагент, который транспортируется в конденсатор через трубопроводы;
Конденсатор рассеивает тепло через трубопроводы и ребра, а вентилятор ускоряет теплоотдачу, превращая высокотемпературный и высоконапорный газообразный хладагент в высоконапорный жидкий хладагент;
Жидкий хладагент разделяется на газ и жидкость через осушитель и поступает в расширительный клапан, где давление резко падает, превращаясь в хладагент низкой температуры;
Хладагент низкой температуры поступает в испаритель за приборной панелью. Испаритель поглощает тепло горячего воздуха в салоне автомобиля для охлаждения воздуха, а вентилятор нагнетает холодный воздух в салон;
После поглощения тепла хладагент снова переходит в газообразное состояние и возвращается в компрессор для завершения цикла.
Переключение температуры: Направление воздушного потока контролируется смешивающей заслонкой. Когда трубопровод испарителя закрыт, воздух проходит только через теплообменник (нагревательное устройство) для генерации горячего воздуха; когда трубопровод теплообменника закрыт, воздух проходит только через испаритель для генерации холодного воздуха.
(II) Система отопления: PTC нагреватель и система теплового насоса
PTC нагреватель:
Принцип работы: Использование материалов PTC (термисторы с положительным температурным коэффициентом), таких как никель-хромовый сплав, при прохождении тока электрическая энергия преобразуется в тепловую за счет сопротивления. Сопротивление материалов PTC увеличивается с повышением температуры, и поверхность поддерживает стабильную температуру после достижения определенного значения, обеспечивая постоянный нагрев.
Место установки: Внутри канала теплого воздуха. После прохождения воздуха через нагреватель он нагревается и затем подается в салон через вентиляционный канал.
Преимущества и недостатки: Простая конструкция и быстрая скорость нагрева, но потребляет энергию аккумулятора и сокращает запас хода автомобиля.
Система теплового насоса:
Принцип работы: Похоже на «обратный кондиционер», использует тепло воздуха для обогрева салона автомобиля. Наружный конденсатор в режиме обогрева работает как испаритель, поглощая тепло из наружного воздуха и превращая внутренний хладагент из жидкого состояния в газообразное; хладагент поступает в компрессор и сжимается в высокотемпературный и высоконапорный газ, который направляется в конденсатор внутри приборной панели. Вентилятор продувает воздух через конденсатор, чтобы поглотить тепло, а затем подает его в салон для обогрева.
Основные преимущества: Не потребляет электрическую энергию напрямую для генерации тепла, а переносит тепло из воздуха. Имеет более высокий коэффициент энергоэффективности, может уменьшить потерю запаса хода и подходит для использования в условиях низких температур.
VIII. Энергоснабжение: Система зарядки и управление аккумулятором
Эффективность зарядки и безопасность аккумулятора электромобилей зависят от совместной работы системы зарядки и системы управления аккумулятором (BMS), чтобы обеспечить эффективную зарядку и разрядку аккумулятора в безопасном диапазоне.
(I) Методы зарядки: Медленная зарядка переменным током и быстрая зарядка постоянным током
Медленная зарядка переменным током:
Рабочий процесс: Зарядная станция выдает переменный ток, который через зарядный порт автомобиля подключается к бортовому зарядному устройству. Бортовое зарядное устройство преобразует переменный ток в постоянный для зарядки аккумуляторного блока.
Характеристики: Медленная скорость зарядки (обычно занимает несколько часов для полной зарядки), но низкая стоимость оборудования и небольшой износ аккумулятора, подходит для домашних условий.
Быстрая зарядка постоянным током:
Рабочий процесс: Зарядная станция выполняет преобразование переменного тока в постоянный внутри себя и напрямую заряжает аккумуляторный блок без участия бортового зарядного устройства.
Характеристики: Быстрая скорость зарядки (можно зарядить до 80% мощности за полчаса), но высокая стоимость оборудования и определённый износ батареи, подходит для сценариев общественных станций быстрой зарядки.
(II) Основные функции системы управления батареей (BMS)
Балансировка батареи:
Аккумуляторный блок состоит из тысяч маленьких батарей, соединённых последовательно и параллельно. Существуют различия в состоянии заряда и мощности каждой батареи. BMS регулирует это двумя методами: активным и пассивным балансированием.
Активное балансирование: Используя компоненты, такие как конденсаторы и трансформаторы, избыточный заряд батарей с достаточной мощностью передаётся батареям с недостаточной мощностью для достижения баланса.
Пассивное балансирование: Используя нагрузочные резисторы, избыточная энергия расходуется в виде тепла, чтобы выровнять мощность каждой батареи.
Управление температурой:
Она контролирует температуру аккумуляторного блока. При слишком высокой или низкой температуре активируется система терморегулирования, которая нагревает или охлаждает батарею с помощью охлаждающей жидкости, чтобы обеспечить работу батареи в оптимальном температурном диапазоне (обычно 20-40℃), избегая перегрева, пожаров или ухудшения характеристик из-за чрезмерного холода.
Защита безопасности:
Она в реальном времени контролирует напряжение, ток и мощность батареи, чтобы предотвратить аномальные ситуации, такие как перезаряд, переразряд и короткие замыкания. Во время зарядки при обнаружении риска перезаряда автоматически отключает питание зарядной станции; при разрядке, если ток слишком велик, своевременно регулирует выход для защиты срока службы батареи и безопасности использования.
IX. Рекуперация энергии: Принцип работы системы рекуперативного торможения
Система рекуперативного торможения — это характерная функция электромобилей, которая может преобразовывать кинетическую энергию при торможении в электрическую энергию для её восстановления и хранения, увеличивая запас хода.
(I) Основной принцип: Двунаправленное преобразование между мотором и генератором
Прямая работа (режим движения): Вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, пересекает ротор, вызывая наведённый ток и электромагнитную силу, которая приводит ротор во вращение. Мотор преобразует электрическую энергию в механическую.
Обратная работа (режим генерации): Во время торможения инерция автомобиля приводит колёса во вращение, что, в свою очередь, заставляет ротор мотора вращаться. В этот момент инвертор управляется для регулировки частоты переменного тока так, чтобы скорость ротора была выше скорости вращающегося магнитного поля. Ротор пересекает магнитное поле, генерируя обратный наведённый ток, и крутящий момент меняет направление для достижения замедления. Мотор становится генератором, преобразующим кинетическую энергию в переменный ток.
(II) Процесс рекуперации энергии
Инвертор выпрямляет переменный ток, генерируемый генератором, в постоянный ток;
DC-преобразователь преобразует постоянный ток в напряжение, соответствующее напряжению батареи;
Преобразованная электрическая энергия хранится в аккумуляторном блоке. Этот процесс может увеличить запас хода более чем на 10%.
X. Множественная энергия: гибридные и электромобили с увеличенным запасом хода
Помимо чисто электрических автомобилей, гибридные и электромобили с увеличенным запасом хода являются важными моделями на переходном этапе, объединяя преимущества топлива и электроэнергии.
(I) Гибридные электромобили (Hybrid Electric Vehicles)
Основная структура: оснащен двигателем, двумя мотор-генераторными установками (MG1 и MG2), инвертором и литий-ионным аккумуляторным блоком с планетарным механизмом в качестве ядра.
Режимы работы:
Движение на низкой скорости: двигатель не запускается, MG2 приводит колеса, обеспечивая чисто электрическое вождение и снижая расход топлива.
Ускоренное движение: батарея подает питание на MG1 и MG2. MG1 запускает двигатель, а двигатель и MG2 совместно приводят колеса, обеспечивая мощный привод.
Движение на высокой скорости: двигатель является основным приводом, MG1 работает как генератор для зарядки батареи, а MG2 поддерживает заряд батареи.
Торможение/замедление: MG2 переключается в режим генератора, преобразуя кинетическую энергию колес в электрическую для зарядки батареи.
Преимущества: отсутствие беспокойства о запасе хода, экологичность при низких скоростях за счет чистой электроэнергии, высокая эффективность двигателя на высоких скоростях, подходит для сложных дорожных условий.
(II) Электромобили с увеличенным запасом хода
Основная структура: оснащен двигателем, генератором, аккумуляторным блоком и мотором. Двигатель не приводит колеса напрямую, а только приводит в движение генератор для выработки электроэнергии.
Принцип работы:
Когда заряд батареи достаточен, мотор приводит в движение колеса, обеспечивая чисто электрическое вождение;
Когда заряд батареи недостаточен, двигатель запускается для привода генератора и выработки электроэнергии. Электрическая энергия подается на мотор или заряжает батарею, при этом мотор всегда отвечает за привод колес.
Суть: относится к категории чисто электрического привода. Двигатель служит только "энергетическим банком", решая проблему запаса хода электромобилей, а опыт вождения близок к опыту чисто электрических автомобилей.
XI. Интеллектуальное обновление: технический анализ системы интеллектуального вождения
Интеллектуальное вождение является одной из ключевых компетенций электромобилей. Благодаря взаимодействию трех основных систем: восприятия, принятия решений и исполнения, реализуются функции помощи при вождении или даже автономного вождения, повышая безопасность и удобство управления.
(I) Система восприятия: «Глаза и уши» электромобилей
Система восприятия состоит из различных датчиков, собирающих данные об окружающей среде для обеспечения основы принятия решений:
Камеры: распознают визуальную информацию, такую как линии разметки, дорожные знаки, пешеходы и транспортные средства, опираясь на алгоритмы для анализа потенциальных рисков, но сильно зависят от освещения.
Миллиметроволновой радар: обнаруживает расстояние, скорость и направление объектов с помощью радиоволн, имеет большую дальность обнаружения (более десятков метров), не зависит от освещения и погодных условий, компенсируя недостатки камер.
Ультразвуковой радар: использует высокочастотные звуковые волны для измерения расстояния до близко расположенных объектов, в основном применяется для помощи при парковке и предотвращения столкновений на низкой скорости.
Лидар: излучает лазерные лучи для сканирования окружающей среды, создавая 3D-карты с высокой точностью обнаружения объектов и способностью точно идентифицировать сложные дорожные условия, но стоимость высокая.
(II) Система принятия решений и управления: «Мозг» электромобилей
Обработка данных: слияние и анализ многоканальных данных, собранных системой восприятия, удаление избыточной информации и выделение ключевых признаков (например, положения препятствий, информации о полосах, дорожных знаков).
Формирование стратегии: разработка стратегий вождения на основе предустановленных правил и алгоритмов (например, моделей глубокого обучения), включая инструкции по ускорению, замедлению, рулевому управлению, смене полосы и парковке.
Взаимодействие человек-машина: когда система не справляется с экстренными ситуациями, она напоминает водителю взять управление на себя с помощью звуковых и световых сигналов для обеспечения безопасности вождения.
(III) Исполнительная система: преобразование инструкций в действия
Исполнительная система получает инструкции для принятия решений и управляет ускорением, торможением, рулевым управлением и другими действиями автомобиля с помощью технологии drive-by-wire. Она в основном опирается на ранее упомянутые системы drive-by-wire акселератора, тормоза и рулевого управления для обеспечения точности и своевременности выполнения команд.
(IV) Стандарты классификации интеллектуального вождения
Согласно классификации Общества автомобильных инженеров (SAE), интеллектуальное вождение делится на уровни от 0 до 5:
Уровень 0: Отсутствие автоматизации — полностью ручное управление водителем без каких-либо вспомогательных функций.
Уровень 1: Помощь при вождении — система обеспечивает ограниченную автоматизацию (например, адаптивный круиз-контроль, предупреждение о выходе из полосы), и водитель должен контролировать транспортное средство постоянно.
Уровень 2: Частично автономное вождение — система может одновременно контролировать ускорение и рулевое управление (например, помощь в удержании полосы, помощь в пробках), водителю нужно сохранять внимание и быть готовым взять управление в любой момент.
Уровень 3: Условно автономное вождение — система выполняет большинство операций вождения в определённых условиях (например, на автомагистралях), водителю не нужно постоянно наблюдать, но необходимо взять управление на себя по напоминанию системы.
Уровень 4: Высокий уровень автономного вождения, система выполняет все задачи вождения в зонах, покрытых высокоточным картографированием, без вмешательства водителя (например, городская навигация, автоматическая парковка).
Уровень 5: Полное автономное вождение, реализующее автономное управление в любых погодных условиях и на любой местности, водитель не нуждается в управлении и может сосредоточиться на других делах.
В настоящее время интеллектуальное вождение основных электромобилей находится в основном на уровне 2 — продвинутого вспомогательного вождения. Автономное вождение уровня 3 и выше все еще находится на стадии тестирования и внедрения. Полное автономное вождение (уровень 5) требует преодоления множества препятствий, таких как технологии и нормативы.
XII. Резюме: Техническое ядро и тенденции развития электромобилей
Работа электромобилей является результатом совместной работы основных компонентов: мотор обеспечивает мощность как «сердце», литиевая батарея хранит электрическую энергию как «источник энергии», электронная система управления координирует и контролирует как «мозг», трансмиссия, подвеска и шасси обеспечивают устойчивость движения, системы управления проводом и интеллектуального вождения улучшают опыт управления, а системы зарядки и рекуперативного торможения решают проблему энергоснабжения.
С точки зрения технологического развития электромобили эволюционируют в направлении «более эффективных, более безопасных, более интеллектуальных и более экологичных»: моторы будут дальше повышать энергоэффективность и плотность мощности, литиевые батареи будут развиваться в сторону большей энергоемкости, более быстрой зарядки и более длительного срока службы, интеллектуальное вождение постепенно перейдет от вспомогательного к высокоуровневому автономному вождению, а модульные шасси и технологии управления проводом будут способствовать стандартизации и диверсификации разработки моделей.
Стоит отметить, что хотя технология электромобилей становится все более зрелой, вопросы безопасности по-прежнему требуют серьезного внимания — будь то тепловое управление аккумулятором, надежность интеллектуального вождения или стабильность систем управления проводом, необходима постоянная оптимизация. Для потребителей, наслаждаясь удобством, которое приносят электромобили, также важно сохранять осознание безопасности, особенно в режиме интеллектуального вождения, и быть готовыми в любой момент взять управление на себя для обеспечения безопасности поездки.
Появление электромобилей не только изменило способ передвижения, но и способствовало трансформации энергетической структуры и обновлению промышленности. С постоянными технологическими прорывами будущие электромобили станут ближе к потребностям пользователей, станут основным выбором для устойчивых путешествий и заложат основу для создания зеленой и интеллектуальной транспортной экосистемы.
