موتور خودروی برقی: انواع و ساختار

مقدمه

با شنیدن نام خودروی برقی، به یاد باتری و شارژ آن میفتید. اما در حقیقت باتری مخزن ذخیره انرژی یک خودروست و این «موتور خودروی برقی» است که آن را به حرکت در می‌آورد. به این ترتیب که باتری انرژی الکتریکی دریافتی از شارژر را به فرم انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره می‌نماید و در هنگام نیاز، به شکل انرژی الکتریکی در مدار آزاد می‌نماید. سپس موتور انرژی الکتریکی را تبدیل به انرژی جنبشی روی محور چرخ‌ها می‌نماید و کل خودروی برقی را با سرعت مورد نظر راننده حرکت می‌دهد.

در این مطلب به بررسی انواع موتور خودروی برقی مورد استفاده در خودروهای برقی مدرن امروزی می‌پردازیم.

اصلاً چرا موتور خودروی برقی AC است؟

در خودروهای برقی از انواع موتورهای AC (جریان متناوب) استفاده می‌گردد. پس نخستین پرسشی که برای شما پیش می‌آید این است که:

«باتری یک خودروی برقی ولتاژ و جریان یکسو (DC) تولید می‌نماید.  پس چرا در خودروهای برقی امروزی به جای انواع موتور AC فعلی، از انواع DC استفاده نمی‌کنیم تا نیاز به اینورتر برای تغییر شکل موج جریان از DC به AC نداشته باشیم؟»

پاسخ در برتری موتورهای سه‌فاز AC نسبت به DC در موارد زیر نهفته است:

بازده بالاتر

در موتورهای DC دارای جاروبک (Brush) و همچنین موتورهای بدون جاروبک (BLDC مخفف Brush-Less DC) مقداری تلفات انرژی در حین انتفال انرژی به روتور و همچنین در سیم‌پیچ خود روتور اتفاق میفتد.

سیستم خنک‌سازی ساده‌تر

در هر دو مدل موتور DC (با یا بدون جاروبک) در سیم‌پیچ روتور نیز جریان برق جریان دارد. پس علاوه بر سیم‌پیچ استاتور، سیم‌پیچ روتور نیز نیاز به دفع حرارت از طریق سیستم خنک‌‌کننده دارد. در حالی که در موتورهای سه‌فاز با آهن‍ربای دائم، سیم‌پیچ روتور وجود ندارد.

کنترل دقیق و همزمان گشتاور و سرعت

وقتی راننده خودروی برقی پدال گاز را فشار می‌دهد، سیستم کنترل موتور می‌بایست در هر میلی‌ثانیه تعداد زیادی محاسبه انجام دهد تا گشتاور و سرعت موتور در بهینه‌ترین حالت ممکن باشد. در غیر این صورت خودرو از شتاب کافی برخوردار نیست و تلفات انرژی نیز افزایش خواهد یافت. در این راستا، کنترل بسیار دقیق سرعت و گشتاور موتورهای AC با روش‌هایی مانند کنترل برداری (Vector Control) یا FOC (مخفف Field-Oriented Control) مقدور است. این روش‌ها نسبت به روش‌های قدیمی ولتاژ/فرکانس (V/f) دارای دقت بسیار بیشتری هستند. اما به دلیل نیاز به حجم زیادی از محاسبات عددی در واحد زمان، نیاز به پردازشگر با توان محاسباتی بسیار بالا دارند. در نقطه مقابل، تنظیم سرعت و گشتاور موتورهای DC با این دقت مقدور نیست. چون در این موتورها فقط پارامتر ولتاژ قابل تغییر است. در حالی که در موتورهای AC، هم می‌توانید ولتاژ را تنظیم نمایید و هم فرکانس را.

سیستم بازیابی انرژی با کارایی بالاتر

موتورهای AC از لحاظ «سیستم بازیابی انرژی» یا همان RBS (مخفف Regenerative Braking System) نسبت به موتورهای DC از بازده بالاتری برخوردارند.

انواع موتور خودروی برقی

شرکت‌های خودروساز بسته به استراتژی خود برای اولویت دادن به کارایی یا قیمت، یکی از انواع موتورهای AC زیر را روی خودروهای برقی نصب می‌نمایند. البته فاکتورهای دیگری مانند ملاحظات زیست محیطی در مورد عدم استفاده از عناصر کمیاب یا REE (مخفف Rare-Earth Elements) نیز بر این انتخاب تأثیرگذار می‌باشند.

موتور سنکرون

در این نوع موتور، سرعت چرخش مکانیکی روتور با سرعت گردش بردار میدان مغناطیسی استاتور یکیست. به همین دلیل به آن «سنکرون» (Synchronous) به معنی «همگام» می‌گویند. میدان مغناطیسی روتور با زاویه‌ای که به آن زاویه بار (Load Angle) می‌گویند، در پی میدان مغناطیسی استاتور می‌چرخد. گشتاور موتور از برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی دوار استاتور و روتور ایجاد می‌گردد.

موتور خودروی برقی نوع سنکرون با آهن‌ربای دائم

در موتور سنکرون با آهن‌ربای دائمی یا PMSM (مخفف Permanent Magnet Synchronous Motor)، روتور حاوی یک آهن‌ربای بسیار قوی از جنس آلیاژی از عناصر مغناطیسی مانند آلیاژهای زیر می‌باشد:

جدول 1 – مقایسه آلیاژهای مختلف مورد استفاده در آهن‌ربای دائم موتور خودروهای برقی نوع PMSM

* دمای Curie به دمایی می‌گویند که از آن به بعد پدیده «تضعیف خاصیت مغناطیسی (Demagnetization)» یک آهن‌ربای دائمی آغاز می‌گردد.

بنابراین موتور خودروی برقی نوع PMSM نیازی به سیم‌پیچ روتور ندارد و از نظر وزن سبک‌تر و از نظر بازده، بهترین کارایی را در بین انواع دیگر داراست. اما نیاز آهن‌ربای روتور به عناصر کمیاب هزینه ساخت آن را بالا می‌برد. زیرا این عناصر به فرم خالص در طبیعت وجود ندارند و فقط به مقدار بسیار کم در واحد حجم (PPM) به صورت ترکیب با عناصر دیگر یافت می‌گردند و استخراج آنها از ترکیبیات رایج در طبیعت، نیاز به صرف انرژی بسیار زیاد و فرآیندهای پیچیده فیزیکی و شیمیایی دارد که هزینه استخراج را بسیار بالا می‌برد.

موتور خودروی برقی نوع IPM Syn-RM

نام این نوع موتور مخفف «Internal Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor» به معنی «موتور سنکرون رلوکتانسی با آهن‌ربای دائمی داخلی» می‌باشد. موتور نامبرده جدیدترین نوع موتور خودروی برقی نوع سنکرون است. شکل 1 استاتور، روتور و چیدمان قطعات آهن‌ربای دائمی در داخل هسته روتور را نشان می‌دهد:

شکل 1 – موتور خودروی برقی تسلا 3 نوع IPM-SynRM واقع در محور عقب

مزایای این موتور نسبت به موتور سنکرون دارای آهن‌رباهای سطحی (Surface-Mounted PMSM) عبارتند از:

1. دارای گشتاور بالاتر نسبت به نوع معمولی به دلیل داشتن گشتاور رلوکتانسی علاوه بر گشتاور نرمال ناشی از تفاوت زیاد رلوکتانس محورهای d و q
2. حل مشکل «ولتاژ برگشتی القایی» (Back EMF) در سرعت‌های بالا به دلیل تفاوت زیاد اندوکتانس محورهای d و q
3. محافظت بهتر از آهن‌رباها به دلیل قرارگرفتن در داخل هسته روتور به جای سطح آن

موتور آسنکرون (القایی)

در موتور آسنکرون، سرعت چرخش روتور از سرعت میدان مغناطیسی گردان استاتور کمتر است که درصد اختلاف این دو را «لغزش» (Slip) می‌گویند. روتوز این نوع موتور حاوی هادی‌های طولی مسی یا آلومینیومی است که در هر دو طرف توسط رینگ اتصال کوتاه شده‌اند. بنابراین در اثر قطع خطوط شارژ (Flux) مغناطیسی استاتور توسط این هادی‌ها، ولتاژی در آنها القاء می‌گردد. این ولتاژ نیز به خاطر اتصال کوتاه بودن هادی‌ها، جریانی را در سیم‌پیچ روتور القاء می‌کنند که خود مولد میان مغناطیسی روتور خواهد بود. گشتاور تولیدی از هم برکنش این دو میدان مغناطیسی، روتور را به گردش در می‌آورد.

شکل 2 موتور القایی محرک محور جلوی خودروی تسلا مدل 3 را نشان می‌دهد:

شکل 2 – موتور خودروی برقی تسلا 3 نوع آسنکرون (مربوط به محور جلوی مدل‌های دو موتوره Performance و Long Range)

ملاحظات طراحی موتور خودروی برقی

اثر جریان‌های گردابی

در تمامی انواع موتور، سازندگان هسته‌های استاتور و روتور را به صورت ورقه‌ای (Laminated) می‌سازند. چون در صورت ساخت به صورت یکپارچه، «جریان‌های گردابی» (Eddy Currents) القایی ناشی از میدان‌های مغناطیسی متغیر، دمای هسته را بسیار بالا می‌برند. به ویژه در مورد روتور موتورهای PMSM توجه داشته باشید که دمای بالا، منجر به پدیده Demagnetization می‌گردد و از قدرت مغناطیسی آهن‌رباهای دائم می‌کاهد.

شکل 3 – ساختار ورقه‌ای هسته روتور موتور

به همین علت، آهنربا‌های دائم را نیز نه به صورت یکپارچه، بلکه به صورت قطعات جدا از هم می‌سازند.

شکل 4 روتور موتور خودروی برقی Lucid Air را نشان می‌دهد که با تکنولوژی «مونتاژ هیبرید» (Hybrid Assembly) ساخته شده است. همانطور که در شکل ملاحظه می‌نمایید، آهن‌رباهای دائم برای کاهش جریان‌های گردابی در دسته‌های 5 تایی در هر شکاف جای گرفته‌اند. سپس برای تقویت میدان مغناطیسی و استفاده بیشنیه از فضای هسته روتور، فضاهای خالی این شکاف‌ها را با پودر مغناطیسی پر می‌کنند. جهت هدایت شار مغناطیسی در مسیر بهینه رلوکتانس، چیدمان شکاف‌ها نسبت به یکدیگر به شکل حرف V می‌باشد:

شکل 4 – چیدمان قطعات آهنرباهای دائم در شکاف‌های V شکل در روتور موتور سنکرون خودروی Lucid Air

گفتنی است که شرکت Lucid نیز همانند شرکت‌های BYD و Tesla در زمینه توسعه تکنولوژی‌های جدید طراحی و ساخت خودروهای برقی پیشرو می‌باشد.

سیستم خنک‌‌کننده

منابع تولید حرارت در موتور خودروی برقی عبارتند از:

• عبور جریان از سیم‌بندی استاتور و همچنین هادی‌های روتور (در موتور آسنکرون)
• جریان‌های گردابی در هسته‌های روتور و استاتور
• اصطکاک محور روتور

سیستم خنک‌کننده موتور گرمای تولیدی را به بیرون از آن هدایت می‌نماید. مایع خنک‌کننده (Coolant) در موتورهای با توان پایین، ترکیب با نسبت 50/50 از آب مقطر و اتیلن گلیکول (Ethylene Glycol) می‌باشد که هم ضدجوش است و هم ضدیخ. اما در موتورهای با توان بالا، مایع Coolant روغن است. این مایع باید دارای نقطه جوش بسیار بالا و نقطه انجماد بسیار پایین باشد تا خواص خنک‌کنندگی و عدم یخ‌زدن در سرمای شدید را همزمان داشته باشد. همچنین، می‌بایست ضریب هدایت الکتریکی آن نیز بسیار پایین باشد تا در صوت نشتی، منجر به اتصال کوتاه در بخش‌های دارای ولتاژ بالا (400 یا 800 ولت بسته به معماری سیستم) نگردد.

مسیر مایع ‌خنک‌کننده به صورت یک حلقه بسته از داخل کانال‌های داخل هسته استاتور و همچنین مرکز محور روتور می‌گذرد.

کنترل بهینه گشتاور و سرعت موتور خودروی برقی

محاسبات ریاضی

یافتن نقطه بهینه کنترل گشتاور و سرعت موتور خودروی برقی طبق مراحل زیر انجام می‌گردد:

• پارامترهای ورودی سیستم عبارتند از:
  
  • سرعت
  • موقعیت پدال گاز
  • موقعیت روتور
  • موقعیت پدال ترمز
  • دما
  • شیب جاده
  • منحنی اشباع مغناطیسی روتور و استاتور
  • زاویه موقعیت مکانیکی روتور
  • درصد بازیافت انرژی تنظیمی توسط راننده
• ولتاژ و جریان سه‌فاز استاتور با «تبدیل αβ یا «تبدیل کلارک» (Clarke Transformation)» به چارچوب مرجع استاتور (Reference Frame) عمود بر هم αβ منتقل می‌گردد.
• سپس مقادیر فوق با «تبدیل dq یا تبدیل پارک (Park Transformation)» به چارچوب مرجع روتور منتقل می‌گردند. لازم به ذکر است که محور d در امتداد بردار میدان مغناطیسی روتور و محور q عمود بر آن می‌باشد.
• پس از محاسبات ریاضی، نقطه بهینه سرعت و گشتاور در پردازنده سیستم محاسبه می‌گردد.
• پردازنده با کنترل زاویه آتش (Fire Angle) ماژول‌های الکترونیک قدرت IGBT (مخفف Insulated Gate Bipolar Transistor) یا SiC MOSFET (مخفف Silicon Carbide Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) به نقطه بهینه مطلوب گشتاور و سرعت می‌رسد. گفتنی است که عرض پالس خروجی اینوتر با شکل موج PWM، ولتاژ موتور و فرکانس سوییچینگ، سرعت آن را تعیین می‌نماید.

کنترل موتور خودروی برقی توسط اینورتر

در حال حاضر هر دو نوع المان الکترونیک قدرت IGBT و SiC MOSFET برای کنترل سرعت و گشتاور موتور خودروی برقی توسط اینورتر کاربرد دارند. به این صورت که اینورتر در ورودی خود ولتاژ 400 یا 800 ولت باتری را دریافت می‌نماید و سپس با کنترل زاویه سوییچ‌ها، شکل موج سینوسی را در خروجی به ترمینال‌های ورودی موتور تحویل می‌دهد. جدول 2 مقایسه مزایا و معایب این دو را نشان می‌دهد:

جدول 2 – مقایسه IGBT و SiC MOSFET در اینورتر خودروهای برقی

هنگام شروع حرکت خودروی برقی، میدان‌های مغناطیسی ناشی از آهن‌رباهای دائم روتور و همچنین میدان گردان ناشی از سیم‌پیچ سه‌فاز استاتور در وضعیت سکون قرار دارند. اما به ازای زاویه معینی بین موقعیت مکانیکی روتور و میدان گردان الکتریکی استاتور، گشتاور راه‌اندازی و در نتیجه شتاب شروع حرکت خودرو به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد.

شکل 5 نشان می‌دهد که زاویه بهینه جهت داشتن بیشترین گشتاور و شتاب، 50 درجه است:

شکل 5 – زاویه بهینه جهت داشتن ماکزیمم گشتاور و شتاب خودرو در شروع حرکت بین موقعیت مکانیکی روتور و میدان گردان استاتور

لازم به ذکر است که یک سنسور، زاویه موقعیت مکانیکی روتور را می‌سنجد و به سیستم کنترل ارسال می‌نماید. سپس سیستم کنترل، زاویه میدان گردان استاتور در لحظه شروع را طوری تنظیم می‌نماید که با زاویه مکانیکی روتور (زاویه محور d یا همان محور مغناطیسی آن) 50 درجه اختلاف داشته باشد.

جدول خلاصه مزایا و معایب انواع موتور خودروی برقی

جدول 3 – خلاصه مزایا و معایب انواع موتور خودروی برقی

مطالعه بیشتر

• کاربرد پین‌های کنترل شارژ
• مزایای شارژرهای ترکیبی
• چگونه پیمایش خودروی برقی را افزایش دهیم؟
• آشنایی با اصطلاحات تخصصی خودروهای برقی
• خودروهای برقی دارای ویژگی V2L در بازار ایران