ภายในระบบส่งกำลังไฟฟ้า: คู่มือสำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านยานยนต์

การแนะนำ

การเพิ่มขึ้นของยานพาหนะไฟฟ้า (EVs) ได้ปฏิวัติวิศวกรรมยานยนต์ หัวใจสำคัญของการเปลี่ยนแปลงนี้คือระบบส่งกำลังไฟฟ้าซึ่งเป็นระบบที่ซับซ้อนซึ่งให้แรงขับที่เงียบสงบมีประสิทธิภาพและสะอาดเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิม (ICES) สำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านยานยนต์การทำความเข้าใจความแตกต่างของระบบส่งกำลังไฟฟ้ารถยนต์เป็นสิ่งสำคัญในการแข่งขันในตลาดที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว

คู่มือนี้ดำดิ่งสู่ประเด็นสำคัญของระบบส่งกำลัง EV จากองค์ประกอบพื้นฐานและหลักการทำงานไปจนถึงข้อดีข้อเสียและโอกาสในอนาคต

ระบบส่งกำลังคืออะไร?

ในยานพาหนะใด ๆ ระบบส่งกำลังคือชุดของส่วนประกอบที่สร้างพลังงานและส่งมอบให้กับล้อ ในยานพาหนะแบบดั้งเดิมระบบส่งกำลังรวมถึงเครื่องยนต์เกียร์, เพลาขับ, ความแตกต่างและเพลา

ระบบส่งกำลังไฟฟ้าแทนที่เครื่องยนต์สันดาปภายในด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าและระบบที่เกี่ยวข้อง ในระบบส่งกำลังรถยนต์ไฟฟ้าแหล่งพลังงานเป็นแบตเตอรี่แรงดันสูงและการแปลงพลังงานเป็นเครื่องจักรไฟฟ้าทั้งหมด สิ่งนี้เปลี่ยนวิธีการสร้างพลังงานส่งและจัดการ

การทำความเข้าใจความแตกต่างนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิศวกรยานยนต์ช่างเทคนิคและนักออกแบบที่ทำงานบนแพลตฟอร์ม EV

ส่วนประกอบสำคัญของระบบส่งกำลัง EV

ในขณะที่เลย์เอาต์ง่ายกว่าระบบส่งกำลังน้ำแข็งระบบส่งกำลังไฟฟ้าไฟฟ้ายังคงประกอบด้วยระบบย่อยที่ซับซ้อนหลายแห่ง:

ชุดแบตเตอรี่

นี่คือหัวใจของ EV มันเก็บพลังงานไฟฟ้าโดยทั่วไปในเซลล์ลิเธียมไอออน ขนาดแบตเตอรี่และเคมีกำหนดช่วงยานพาหนะเวลาการชาร์จและอายุการใช้งาน ผู้เชี่ยวชาญจะต้องพิจารณาการออกแบบแพ็คการจัดการความร้อนและมาตรการความปลอดภัย

มอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแรงบิดเชิงกล การกำหนดค่าทั่วไป ได้แก่ มอเตอร์เดี่ยว (ขับเคลื่อนล้อหน้าหรือล้อหลัง) และมอเตอร์คู่ (ไดรฟ์ทุกล้อ) มอเตอร์นำเสนอแรงบิดทันทีการทำงานที่เงียบและมีประสิทธิภาพสูง

อินเวอร์เตอร์ / อิเล็กทรอนิกส์พลังงาน

อินเวอร์เตอร์แปลงกระแสไฟฟ้า DC จากแบตเตอรี่เป็นไฟฟ้า AC เพื่อขับมอเตอร์ พลังงานอิเล็กทรอนิกส์ยังควบคุมความเร็วมอเตอร์การส่งแรงบิดและการเบรกแบบปฏิรูป

หน่วยส่งหรือลดเกียร์

EV มักใช้อุปกรณ์ลดความเร็วเดียวกำจัดการส่งสัญญาณหลายความเร็วที่ซับซ้อนที่พบในยานพาหนะน้ำแข็ง

เครื่องชาร์จออนบอร์ดและตัวแปลง DC-DC

สิ่งเหล่านี้จัดการการชาร์จจากแหล่ง AC ภายนอกและแปลงพลังงานแบตเตอรี่แรงดันสูงเป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำ (12V) สำหรับระบบเสริม

ระบบการจัดการความร้อน

ความร้อนที่เกิดจากแบตเตอรี่มอเตอร์และอินเวอร์เตอร์จะต้องได้รับการจัดการเพื่อรักษาประสิทธิภาพและความปลอดภัย

แต่ละส่วนประกอบเหล่านี้มีส่วนช่วยให้ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือที่เหนือกว่าของระบบส่งกำลังไฟฟ้า

ระบบการผลิตพลังงานในระบบส่งกำลัง EV

ซึ่งแตกต่างจากน้ำแข็งซึ่งเผาเชื้อเพลิงเพื่อสร้างพลังงานเชิงกลระบบส่งกำลังไฟฟ้าอาศัยพลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่หรือในบางกรณีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

พลังงานแบตเตอรี่

EVs ส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแหล่งพลังงานหลัก ความจุแบตเตอรี่และเคมีช่วงส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญความเร็วในการชาร์จและอายุการใช้งาน

เบรก

คุณลักษณะที่เป็นนวัตกรรมของระบบส่งกำลังรถยนต์ไฟฟ้าคือการเบรกแบบปฏิรูปซึ่งมอเตอร์ไฟฟ้าทำงานย้อนกลับในระหว่างการชะลอตัวเพื่อแปลงพลังงานจลน์กลับเป็นพลังงานไฟฟ้าเติมพลังแบตเตอรี่ใหม่

เซลล์เชื้อเพลิง

EV บางตัวโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานเชิงพาณิชย์หรืองานหนักใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเพื่อผลิตไฟฟ้าออนบอร์ดขยายระยะและลดเวลาการเติมเชื้อเพลิง

วิธีการผลิตพลังงานเหล่านี้แยกแยะระบบส่งกำลัง EV จากระบบดั้งเดิมและเปิดประตูสู่กลยุทธ์การจัดการพลังงานที่เป็นนวัตกรรม

ระบบการกระจายพลังงานในระบบส่งกำลัง EV

การกระจายพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพจากแหล่งที่มาถึงที่จำเป็นคือพื้นที่สำคัญของการออกแบบ EV

ระบบแรงดันสูง

บัสพลังงานหลักมีกระแสไฟฟ้าแรงสูงจากแบตเตอรี่ไปยังอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์

อิเล็กทรอนิกส์พลังงาน

อินเวอร์เตอร์ตัวแปลงและคอนโทรลเลอร์จัดการการไหลของพลังงานเพื่อให้มั่นใจถึงความปลอดภัยและประสิทธิภาพที่ดีที่สุด

ระบบแรงดันไฟฟ้าต่ำ

ไฟวงจรแรงดันไฟฟ้าต่ำแยกแสงไฟอินโฟเทนเมนต์ HVAC และโมดูลควบคุม

EVS ที่ทันสมัยรวมเครือข่ายการกระจายอัจฉริยะเข้ากับการตัดความปลอดภัยระบบตรวจสอบและเส้นทางที่ซ้ำซ้อนเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือ

การแปลงพลังงานไฟฟ้าเชิงกลในระบบส่งกำลัง EV

แกนกลางของระบบส่งกำลังไฟฟ้าคือกระบวนการแปลงพลังงานไฟฟ้าเชิงกล มอเตอร์ไฟฟ้าเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นการหมุนเชิงกลให้แรงบิดและการควบคุมที่แม่นยำ มอเตอร์ประเภททั่วไปที่ใช้ ได้แก่ :

มอเตอร์แบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM)

มอเตอร์เหนี่ยวนำ (IM)

เปลี่ยนมอเตอร์ Reluctance (SRM)

มอเตอร์แต่ละประเภทมีข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ในแง่ของต้นทุนประสิทธิภาพและประสิทธิภาพ ผู้เชี่ยวชาญด้านยานยนต์จะต้องเลือกเทคโนโลยีมอเตอร์ที่เหมาะสมตามแอพพลิเคชั่นไม่ว่าจะเป็นยานพาหนะผู้โดยสารที่มีประสิทธิภาพสูงหรือรถบรรทุกหนัก

ประเภทของพลังงานไฟฟ้า

การใช้พลังงานไฟฟ้าไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคน ผู้เชี่ยวชาญด้านยานยนต์ควรคุ้นเคยกับหลายรุ่น:

ยานพาหนะไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEVs)

ไฟฟ้าเต็มที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ทั้งหมด ไม่มีการปล่อย tailpipe และการบำรุงรักษาน้อยที่สุด

ปลั๊กอินไฮบริดรถยนต์ไฟฟ้า (PHEVs)

มีทั้งน้ำแข็งและมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จภายนอกได้ สามารถใช้พลังงานไฟฟ้าสำหรับการเดินทางระยะสั้น

รถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด (HEVS)

รวมมอเตอร์น้ำแข็งและไฟฟ้า แต่ไม่สามารถเสียบได้มอเตอร์ไฟฟ้าช่วยน้ำแข็งปรับปรุงการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง

ยานพาหนะไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEVs)

สร้างกระแสไฟฟ้าออนบอร์ดโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนซึ่งให้การเติมเชื้อเพลิงในระยะยาวและรวดเร็ว

แต่ละวิธีมีตลาดและแอพพลิเคชั่นของตัวเองทำให้ผู้เชี่ยวชาญมีความยืดหยุ่นเพื่อตอบสนองความต้องการของลูกค้าที่หลากหลาย

iCes vs. EV Powertrains

การเปรียบเทียบระบบส่งกำลังเครื่องยนต์สันดาปภายในและระบบส่งกำลังไฟฟ้ารถยนต์เน้นความแตกต่าง:

การเปรียบเทียบนี้แสดงให้เห็นว่าทำไม EVs จึงได้รับความสนใจโดยเฉพาะอย่างยิ่งในตลาดที่มุ่งเน้นไปที่ความยั่งยืนและประสิทธิภาพ

ข้อดีของระบบส่งกำลัง EV

ระบบส่งกำลังรถยนต์ไฟฟ้ามีข้อดีมากมาย:

• ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น: การสูญเสียพลังงานน้อยลงเมื่อเทียบกับ ICES
• แรงบิดทันที: มอเตอร์ไฟฟ้าส่งแรงบิดสูงสุดจากศูนย์รอบต่อนาที
• การบำรุงรักษาที่ต่ำกว่า: ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยลงหมายถึงการสึกหรอน้อยลงและการซ่อมแซมน้อยลง
• ศูนย์การปล่อยก๊าซหาง: ช่วยให้เป็นไปตามมาตรฐานการปล่อยมลพิษที่เข้มงวด
• การดำเนินงานที่เงียบสงบ: ปรับปรุงความสะดวกสบายของผู้ขับขี่และผู้โดยสาร

ประโยชน์เหล่านี้เป็นสาเหตุที่ผู้ผลิตรถยนต์และหน่วยงานกำกับดูแลทั่วโลกกำลังผลักดันให้มีการใช้ EV เพิ่มขึ้น

ข้อเสียของระบบส่งกำลัง EV

แม้จะมีข้อได้เปรียบ แต่ระบบส่งกำลัง EV ก็มาพร้อมกับความท้าทาย:

• ความวิตกกังวลในช่วง: ช่วง จำกัด เมื่อเทียบกับยานพาหนะน้ำมันเบนซิน
• การชาร์จโครงสร้างพื้นฐาน: ยังอยู่ระหว่างการพัฒนาในหลายภูมิภาค
• ต้นทุนแบตเตอรี่และการย่อยสลาย: ค่าใช้จ่ายสูงและประสิทธิภาพลดลงเมื่อเวลาผ่านไป
• น้ำหนัก: แบตเตอรี่เพิ่มน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อการจัดการและประสิทธิภาพ
• อุปทานวัตถุดิบ: การผลิตแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับวัสดุเช่นลิเธียมและโคบอลต์ซึ่งมีความกังวลเกี่ยวกับการจัดหาและการจัดหาจริยธรรม

การจัดการกับความท้าทายเหล่านี้เป็นจุดสนใจที่สำคัญของการวิจัยและพัฒนา EV อย่างต่อเนื่อง

การออกแบบระบบส่งกำลัง EV

การออกแบบระบบส่งกำลังไฟฟ้าต้องใช้ความเชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมไฟฟ้าเครื่องกลและซอฟต์แวร์ ข้อควรพิจารณาการออกแบบที่สำคัญ ได้แก่ :

• ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: ลดการสูญเสียในส่วนประกอบทั้งหมด
• การจัดการความร้อน: การรักษาแบตเตอรี่และมอเตอร์ให้อยู่ในอุณหภูมิที่เหมาะสม
• ระบบความปลอดภัย: การจัดการความเสี่ยงแรงดันสูงและความปลอดภัยในการชน
• โมดูลและความสามารถในการปรับขนาด: ช่วยให้การออกแบบพอดีกับแพลตฟอร์มยานพาหนะหลายแห่ง
• การรวมซอฟต์แวร์: อัลกอริทึมการควบคุมขั้นสูงสำหรับการจัดการพลังงานและระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่

การออกแบบระบบส่งกำลังไฟฟ้าที่ประสบความสำเร็จทำให้ประสิทธิภาพการทำงานและความน่าเชื่อถือในขณะที่ปฏิบัติตามกฎระเบียบและความคาดหวังของลูกค้า

อนาคตของระบบส่งกำลัง EV

อนาคตของระบบส่งกำลังรถยนต์ไฟฟ้าสดใสและเต็มไปด้วยนวัตกรรม แนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่รวมถึง:

• แบตเตอรี่โซลิดสเตต: มีแนวโน้มความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นและการชาร์จที่เร็วขึ้น
• การชาร์จแบบสองทิศทาง: อนุญาตให้ EVs ป้อนพลังงานกลับไปที่กริด (ยานพาหนะถึงกริดหรือ V2G)
• วัสดุที่มีน้ำหนักเบา: ลดน้ำหนักยานพาหนะโดยรวมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ
• การออกแบบที่กะทัดรัดและบูรณาการมากขึ้น: ลดต้นทุนและปรับปรุงบรรจุภัณฑ์
• การรวมยานพาหนะอัตโนมัติ: ระบบส่งกำลังที่ออกแบบมาเพื่อทำงานอย่างราบรื่นด้วยเทคโนโลยีการขับขี่ด้วยตนเอง

ในขณะที่รัฐบาลยังคงสร้างแรงจูงใจในการยอมรับ EV และความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีระบบส่งกำลังไฟฟ้าจะยิ่งมีความซับซ้อนและแพร่หลายมากขึ้น

บทสรุป

สำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านยานยนต์การควบคุมความซับซ้อนของระบบส่งกำลังไฟฟ้ารถยนต์ไม่ได้เป็นทางเลือกอีกต่อไป - มันเป็นสิ่งจำเป็น จากการทำความเข้าใจกับองค์ประกอบที่สำคัญและฟังก์ชั่นของพวกเขาไปจนถึงการคาดการณ์การพัฒนาในอนาคตความเชี่ยวชาญในเทคโนโลยีระบบส่งกำลังไฟฟ้าช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนไปสู่การเคลื่อนย้ายอย่างยั่งยืน

การเปลี่ยนจากน้ำแข็งเป็นระบบส่งกำลัง EV แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ยานยนต์ การรับรู้และปรับตัวได้จะช่วยให้วิศวกรนักออกแบบและผู้นำธุรกิจสามารถเจริญเติบโตได้ในยุคใหม่ของการเคลื่อนย้ายไฟฟ้า