Come selezionare la potenza del motore e la coppia per i veicoli elettrici

La determinazione della potenza e della coppia del motore da utilizzare in un veicolo elettrico (EV) è uno dei passaggi più importanti nella progettazione di un EV. Un motore sottodimensionato porterà a scarsa accelerazione, surriscaldamento e ridotta affidabilità, mentre un motore sovradimensionato aumenterà i costi, il peso e il consumo di energia.

Lo scopo di questo articolo è aiutare ingegneri e produttori di EV a determinare accuratamente la quantità appropriata di potenza e coppia da utilizzare per il proprio EV, nonché a coprire i vari fattori coinvolti nella determinazione di queste quantità.

Comprensione delle differenze funzionali tra potenza e coppia

Molto importante: per selezionare accuratamente un motore per un EV, è importante comprendere le differenze funzionali tra POTENZA e COPPIA in relazione ai motori. Nel senso più semplice:

(1) COPPIA si riferisce alla quantità di forza rotazionale che può essere prodotta da un motore. Influenza direttamente quanto segue:

Accelerazione (la velocità con cui un veicolo può raggiungere la sua velocità massima)

Capacità di salita in pendenza o "pendenza"

Capacità di trasportare un carico.

(2) POTENZA si riferisce a quanto velocemente (nel tempo) la COPPIA può essere prodotta.

Influenza principalmente:

Velocità massima

Prestazioni di guida sostenute

Capacità di operare in condizioni di guida autostradale ad alta velocità.

L'applicazione più comune per coppia e potenza negli EV è che la coppia influisce principalmente sulle prestazioni a basse velocità del veicolo; mentre, la potenza influisce sulle prestazioni ad alte velocità del veicolo.

Fase 1: Determinare l'applicazione del veicolo e il ciclo di lavoro

Quando si seleziona un motore per un EV, il primo passo è definire chiaramente l'applicazione prevista dell'EV per cui si intende utilizzare il motore.

Per fare ciò, è necessario rispondere a diverse domande chiave:

Questo EV sarà utilizzato principalmente per spostamenti urbani o per viaggi a lunga distanza?

L'EV trasporterà carichi pesanti o questo EV opererà principalmente solo a vuoto?

Questo EV subirà un gran numero di operazioni di avvio e arresto?

L'EV deve operare solo su superfici piane o deve salire pendenze ripide?

Tutti i tipi di EV (autovetture, carrelli elevatori elettrici, golf cart, AGV, veicoli utilitari, ecc.) hanno requisiti di coppia e potenza diversi, nonostante vengano utilizzati a velocità simili.

Fase 2: Calcolare il requisito per la coppia alle ruote

La coppia del motore è determinata principalmente dalle forze di resistenza che agiranno sulle ruote del veicolo, che possono includere:

Resistenza al rotolamento

Resistenza aerodinamica

Resistenza alla pendenza

Forza di accelerazione

Nelle partenze a bassa velocità, la richiesta di coppia alle ruote è al suo massimo. Il motore deve fornire la quantità richiesta di coppia (dopo qualsiasi riduzione necessaria tramite l'uso di un cambio, se applicabile) per superare queste forze in condizioni peggiori.

La maggior parte degli EV che operano nell'industria (ad esempio, in applicazioni di produzione o distribuzione) necessita di fornire una maggiore quantità di coppia di avviamento rispetto ad altri EV, come golf cart e AGV (veicoli a guida automatica).

Fase 3: Calcolare i target richiesti per l'accelerazione e la capacità di salita

Sia le prestazioni di accelerazione che la capacità di salita hanno un impatto significativo sulla selezione della coppia quando si utilizza la coppia emessa dalla Terra per determinare la capacità di prestazione della coppia in un EV.

Quando si determinano le capacità di accelerazione e di salita in pendenza, è necessario considerare i seguenti criteri:

Tempo desiderato per raggiungere l'accelerazione massima (ad esempio, 0-30 km/h)

La pendenza massima che deve essere superata dall'EV

Massa del veicolo a pieno carico.

Quando si utilizza una maggiore magnitudo di coppia, si ottengono i seguenti vantaggi:

Maggiore risposta all'accelerazione

Funzionamento stabile su rampe e pendenze

Riduzione dello stress sulla trasmissione (componenti della trasmissione) dell'EV

In generale, quando si progettano EV commerciali e industriali, la capacità di coppia continua è più importante della capacità di coppia di picco di breve durata.

Velocità e condizioni operative continue del veicolo. I requisiti di potenza aumentano con la velocità del veicolo perché:

• La resistenza aerodinamica aumenta con la velocità

• Il carico sostenuto del veicolo a velocità di crociera

La massima richiesta di potenza coincide con l'alta velocità, mentre la massima richiesta di coppia coincide con le basse velocità.

Fattori che determinano i fattori più importanti

Quando si calcola la potenza e la coppia del motore richieste, ci sono diversi fattori da considerare, tra cui:

• La velocità massima del veicolo

• Durata del tempo alla velocità massima

• Limiti termici del motore

Per essere considerato correttamente dimensionato, il motore dovrebbe funzionare in modo più efficiente alla velocità di guida più frequente del veicolo e non solo al suo output di picco.

Rapporto di trasmissione e layout della trasmissione

La potenza e la coppia del motore non possono essere determinate finché tutti i componenti della trasmissione non sono stati considerati. Il progetto del layout della trasmissione deve tenere conto di quanto segue:

• Se utilizzare un cambio a singola o a più velocità

• Se avere una trasmissione diretta o una riduzione

• L'efficienza del differenziale e dell'assale

Quando si calcola il rapporto di trasmissione, un motore correttamente dimensionato fornisce una coppia alle ruote sufficiente e può essere utilizzato meglio in ogni intervallo operativo. Ottimizzando i rapporti di trasmissione, i progetti di EV possono ridurre le dimensioni fisiche del motore pur mantenendo le prestazioni.

Valori nominali continui rispetto ai valori di picco

La maggior parte dei tipi di motori per EV può funzionare bene sia in termini di picco (a breve termine) che continui (limitati termicamente). Un'analisi dei valori nominali continui è essenziale per determinare l'affidabilità e la durata di un motore durante il normale funzionamento. La potenza e la coppia nominali continue garantiranno prestazioni a lungo termine; i valori di potenza e coppia di picco sono generalmente applicabili solo durante eventi di accelerazione o rapidi cambiamenti operativi.

Se un progettista di veicoli elettrici utilizza solo il valore nominale di picco del motore durante la selezione, il progettista potrebbe calcolare erroneamente i valori nominali continui. Ciò può portare a surriscaldamento e, in alcuni casi, a danni estesi o a una vita utile più breve del normale.

Specifiche del motore abbinate alla strategia di controllo

I controller del motore e la strategia di controllo influenzeranno direttamente come la coppia e la potenza utilizzabili vengono derivate dal motore. Gli elementi da prendere in considerazione sono:

• Capacità di indebolimento del campo

• Precisione del controllo di coppia

• Capacità di frenata rigenerativa

I veicoli elettrici (EV) utilizzano più comunemente progetti di motori ad ampio intervallo di velocità e algoritmi di controllo avanzati per gestire coppia, potenza, efficienza e prestazioni termiche.

Errori comuni nella selezione del motore

Gli errori comuni commessi dai progettisti di EV nella selezione del motore elettrico includono:

• Sovradimensionato o non dimensionato per la potenza del motore; ciò comporterà il mancato rispetto dei cicli di lavoro.

• Ignorare i requisiti di coppia continua.

• Utilizzare i numeri di coppia di picco anziché la coppia utilizzabile alla ruota.

• Mancata determinazione accurata del tipo di trasmissione a cui è collegato il motore.

Evitando questi tipi di errori, i progettisti possono migliorare l'efficienza del sistema elettrico e, a loro volta, ridurre il costo totale del veicolo.

Conclusione

La decisione sulla potenza e sulla coppia di un motore elettrico è una decisione ingegneristica a livello di sistema e richiede più della semplice selezione di un singolo parametro. Le corrette selezioni di potenza e coppia del motore devono tenere conto di:

• Come verrà utilizzato il veicolo e il suo ambiente operativo

• Quale livello di coppia sarà necessario sia per il funzionamento a bassa velocità che per la capacità di carico

• Quale quantità di potenza sarà richiesta per sostenere le velocità di crociera

• Funzionamento generale, inclusi tutti i componenti della trasmissione, la strategia di controllo e i limiti termici.

Attraverso l'equilibrio di questi fattori, il progettista di veicoli elettrici può utilizzare al meglio le variabili per creare un veicolo elettrico dalle prestazioni ottimali che abbia caratteristiche superiori di efficienza, affidabilità e costo.