Wie man Motorleistung und Drehmoment für Elektrofahrzeuge auswählt

Die Bestimmung der Motorleistung und des Drehmoments für ein Elektrofahrzeug (EV) ist einer der wichtigsten Schritte bei der Konstruktion eines EV. Ein unterdimensionierter Motor führt zu schlechter Beschleunigung, Überhitzung und verringerter Zuverlässigkeit, während ein überdimensionierter Motor Kosten, Gewicht und Energieverbrauch erhöht.

Der Zweck dieses Artikels ist es, Ingenieuren und Herstellern von EVs zu helfen, die geeignete Menge an Leistung und Drehmoment für ihr EV genau zu bestimmen und die verschiedenen Faktoren zu behandeln, die bei der Bestimmung dieser Mengen eine Rolle spielen.

Verständnis der funktionalen Unterschiede zwischen Leistung und Drehmoment

Sehr wichtig: Um einen Motor für ein EV genau auszuwählen, ist es wichtig, die funktionalen Unterschiede zwischen LEISTUNG und DREHMOMENT in Bezug auf Motoren zu verstehen. Im einfachsten Sinne:

(1) DREHMOMENT bezieht sich auf die Menge an Rotationskraft, die von einem Motor erzeugt werden kann. Es beeinflusst direkt Folgendes:

Beschleunigung (die Geschwindigkeit, mit der ein Fahrzeug seine Höchstgeschwindigkeit erreichen kann)

Bergauffahrfähigkeit oder "Steigfähigkeit"

Fähigkeit, eine Last zu tragen.

(2) LEISTUNG bezieht sich darauf, wie schnell (über die Zeit) dieses DREHMOMENT erzeugt werden kann.

Es beeinflusst hauptsächlich:

Höchstgeschwindigkeit

Anhaltende Fahrleistung

Fähigkeit, unter Hochgeschwindigkeits-Autobahnbedingungen zu fahren.

Die häufigste Anwendung für Drehmoment und Leistung in EVs ist, dass Drehmoment hauptsächlich die Leistung bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten beeinflusst; während Leistung die Leistung bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten beeinflusst.

Phase 1: Bestimmung der Fahrzeuganwendung und des Betriebszyklus

Bei der Auswahl eines Motors für ein EV ist der erste Schritt, die beabsichtigte Anwendung des EV, für das Sie den Motor verwenden möchten, klar zu definieren.

Um dies zu tun, sollten Sie mehrere Schlüssel Fragen beantworten:

Wird dieses EV hauptsächlich für den Stadtverkehr oder für Langstreckenfahrten genutzt?

Wird das EV schwere Lasten transportieren oder wird dieses EV hauptsächlich nur unbeladen betrieben?

Wird das EV einer großen Anzahl von Start- und Stoppvorgängen ausgesetzt sein?

Muss das EV nur auf flachen Oberflächen betrieben werden oder steile Hänge erklimmen?

Alle EV-Typen (Personenkraftwagen, Elektrostapler, Golfwagen, AGV's, Nutzfahrzeuge usw.) haben unterschiedliche Drehmoment- und Leistungsanforderungen, obwohl sie bei ähnlichen Geschwindigkeiten betrieben werden.

Phase 2: Berechnung des Bedarfs an Radmoment

Das Motordrehmoment wird hauptsächlich durch die Widerstandskräfte bestimmt, die auf die Räder des Fahrzeugs wirken und Folgendes umfassen können:

Rollwiderstand

Aerodynamischer Widerstand

Steigungswiderstand (Hang)

Beschleunigungskraft

Bei Starts mit niedriger Geschwindigkeit ist der Bedarf an Radmoment am höchsten. Der Motor muss die erforderliche Drehmomentmenge (nach jeder erforderlichen Reduzierung durch ein Getriebe, falls zutreffend) liefern, um diese Kräfte unter Worst-Case-Bedingungen zu überwinden.

Die Mehrheit der in der Industrie tätigen EVs (z. B. in der Fertigungs- oder Distributionsanwendung) muss ein größeres Anlaufdrehmoment liefern als andere EVs, wie z. B. Golfwagen und AGV's (automatische geführte Fahrzeuge).

Phase 3: Berechnung der erforderlichen Ziele für Beschleunigung und Steigfähigkeit

Sowohl die Beschleunigungsleistung als auch die Steigfähigkeit haben einen großen Einfluss auf die Drehmomentauswahl, wenn das erdgebundene Drehmoment zur Bestimmung der Drehmomentleistungsfähigkeit eines EV verwendet wird.

Bei der Bestimmung der Beschleunigungs- und Bergsteigfähigkeiten sollten Sie die folgenden Kriterien berücksichtigen:

Gewünschte Zeit zur Erreichung der maximalen Beschleunigung (d. h. 0–30 km/h)

Die maximale Steigung, die vom EV bewältigt werden muss

Masse des Fahrzeugs im voll beladenen Zustand.

Wenn ein höheres Drehmoment verwendet wird, bietet dies folgende Vorteile:

Größere Beschleunigungsreaktion

Stabiler Betrieb auf Rampen und Hängen

Reduzierte Belastung des Antriebsstrangs (Antriebsstrangkomponenten) des EV

Im Allgemeinen ist bei der Konstruktion von kommerziellen und industriellen EVs die kontinuierliche Drehmomentfähigkeit wichtiger als die kurzzeitige Spitzenmomentfähigkeit.

Geschwindigkeit und kontinuierliche Betriebsbedingungen des Fahrzeugs. Der Leistungsbedarf steigt mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, da:

• Der aerodynamische Widerstand mit der Geschwindigkeit zunimmt

• Die anhaltende Last des Fahrzeugs bei Reisegeschwindigkeit

Der höchste Leistungsbedarf fällt mit hoher Geschwindigkeit zusammen, während der höchste Drehmomentbedarf mit niedrigen Geschwindigkeiten zusammenfällt.

Faktoren, die die wichtigsten Faktoren bestimmen

Bei der Berechnung der erforderlichen Motorleistung und des erforderlichen Drehmoments sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen, darunter:

• Die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs

• Dauer der Zeit bei Höchstgeschwindigkeit

• Thermische Grenzen des Motors

Um richtig dimensioniert zu sein, sollte der Motor bei der häufigsten Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs am effizientesten arbeiten und nicht nur bei seiner Spitzenleistung.

Übersetzungsverhältnis und Antriebsstranglayout

Die Leistung und das Drehmoment des Motors können erst bestimmt werden, wenn alle Antriebsstrangkomponenten berücksichtigt wurden. Das Design des Antriebsstranglayouts muss Folgendes berücksichtigen:

• Ob ein Ein- oder Mehrganggetriebe verwendet werden soll

• Ob ein Direktantrieb oder eine Untersetzung erfolgen soll

• Der Wirkungsgrad des Differenzials und der Achse

Bei der Berechnung des Übersetzungsverhältnisses liefert ein richtig dimensionierter Motor ein ausreichendes Radmoment und kann in jedem Betriebsbereich besser genutzt werden. Durch die Optimierung der Übersetzungsverhältnisse können EV-Designs die physische Größe des Motors reduzieren und gleichzeitig die Leistung beibehalten.

Kontinuierliche vs. Spitzenwerte

Die meisten EV-Motortypen können sowohl bei Spitzenwerten (kurzfristig) als auch bei kontinuierlichen (thermisch begrenzten) Aspekten gut funktionieren. Eine Analyse der kontinuierlichen Nennwerte ist unerlässlich, um die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit eines Motors im Normalbetrieb zu bestimmen. Die kontinuierliche Leistungs- und Drehmomentnennung gewährleistet eine langfristige Leistung; Spitzenleistungs- und Drehmomentwerte sind nur typischerweise bei Beschleunigungsereignissen oder schnellen Betriebsänderungen relevant.

Wenn ein Elektrofahrzeugdesigner bei der Auswahl nur die Spitzenleistung des Motors verwendet, kann der Designer die kontinuierlichen Nennwerte falsch einschätzen. Dies kann zu Überhitzung und in einigen Fällen zu erheblichen Schäden oder einer kürzeren als normalen Lebensdauer führen.

Motordatenblatt abgestimmt auf die Steuerstrategie

Motorsteuerungen und Steuerstrategien beeinflussen direkt, wie nutzbares Drehmoment und Leistung aus dem Motor gewonnen werden. Zu berücksichtigende Punkte sind:

• Feldabschwächungsfähigkeiten

• Präzision der Drehmomentregelung

• Regenerative Bremsfähigkeit

Elektrofahrzeuge (EVs) verwenden am häufigsten Motordesigns mit großem Drehzahlbereich und fortschrittliche Steuerungsalgorithmen, um Drehmoment, Leistung, Effizienz und thermische Leistung zu verwalten.

Häufige Fehler bei der Motorauswahl

Häufige Fehler, die EV-Konstrukteure bei der Auswahl des Elektromotors machen, sind:

• Überdimensionierung oder keine Dimensionierung für die Leistung des Motors; dies führt dazu, dass die Betriebszyklen nicht berücksichtigt werden.

• Ignorieren der kontinuierlichen Drehmomentanforderungen.

• Verwendung von Spitzenmomentwerten im Gegensatz zum nutzbaren Drehmoment am Rad.

• Versäumnis, genau zu bestimmen, an welche Art von Antriebsstrang der Motor angeschlossen wird.

Durch die Vermeidung dieser Fehler können Designer die Effizienz des elektrischen Systems verbessern und wiederum die Gesamtkosten des Fahrzeugs senken.

Schlussfolgerung

Die Entscheidung über die Leistung und das Drehmoment eines Elektromotors ist eine technische Entscheidung auf Systemebene und erfordert mehr als nur die Auswahl eines einzelnen Parameters. Die richtige Auswahl von Motorleistung und Drehmoment muss Folgendes berücksichtigen:

• Wie das Fahrzeug genutzt wird und seine Betriebsumgebung

• Welches Drehmoment für den Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit und die Ladekapazität benötigt wird

• Welche Leistung zur Aufrechterhaltung der Reisegeschwindigkeiten erforderlich ist

• Der Gesamtbetrieb, einschließlich aller Antriebsstrangkomponenten, der Steuerstrategie und der thermischen Grenzen.

Durch das Gleichgewicht dieser Faktoren kann der Elektrofahrzeugdesigner die Variablen am besten nutzen, um ein optimal funktionierendes Elektrofahrzeug mit überlegener Effizienz, Zuverlässigkeit und Kosteneigenschaften zu schaffen.