О лидерстве Tesla (да, они тоже используют асинхронный эл.двигатель)(репост)

25 May 2020

Как мы уже упоминали, Тесла, сегодняшний лидер электротранспорта, давно и успешно комплектует свои электромобили асинхронными электродвигателями. Возможно, это одна из причина того, что компания завоевала лидерство на мировом рынке.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/32/Tesla_Model_S_motor_cutout.jpg/290px-Tesla_Model_S_motor_cutout.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/32/Tesla_Model_S_motor_cutout.jpg/290px-Tesla_Model_S_motor_cutout.jpg

В то же время, известные автогиганты пошли другими путями. И вот что из этого получилось.

Поделимся интересным обзором от блогера.

Tesla и характеристики двигателей

(с) Matt Taylor, www.narrowband.org

Tesla удерживает абсолютное лидерство в части главных показателей эффективности, существенно превосходя прогнозы Министерства энергетики США, сделанные задолго до 2020 г. BMW и Chevy продвинулись, конечно, не настолько сильно.

Той осенью были представлены некоторые интересные разборы Model 3 (ссылка) и конкурирующих двигателей. В заключении указывается, что стоимость двигателя Tesla составила около $745.

Пиковая мощность стандартного двигателя Model 3 (заднеприводная) составляет около 211 кВт. Для стандартного двигателя Model S зафиксирована пиковая мощность в 270 кВт. Важно понимать, что это пиковые мощности, т.к. они значительно превышают мощности, которые двигатель принципиально может выдавать в течение длительного времени. Возможно, кратковременные форсирования, но, вероятно, в течение нескольких секунд, но не минут. Model S, двигающаяся по ровной поверхности со скоростью 80 миль/час, будет потреблять около 28 кВт от батареи, а Model 3 в тех же условиях – около 22 кВт. Температурное ограничение у Model S предположительно наступает при движении с продолжительными периодами на скорости 100 км/ч или около того, при этом потребление составит около 45 кВт (ограничение может быть связано с двигателем или с батареей, точно неизвестно). Но имейте в виду, что эти пиковые мощности нужны для резких ускорений, которые занимают секунды.

В любом случае, показатели двигателей, указываемые в спецификации, относятся к пиковым значениям, а не к показателям в режиме продолжительной работы. И если мощность Model S при продолжительной работе составляет 45 или 50 кВт, то пиковое значение примерно в 5,5 раз выше. Этот разрыв огромен. И определённо, это достигается не путём увеличения габарита двигателя. Если вы идёте по этому пути, вы выходите из области высокой эффективности нагрузок, что заставляет вас увеличивать также ёмкость батареи. Потом, сравните массу двигателя Tesla и BMW. Первые весят немного меньше, при этом обеспечивая заметно большую мощность.

Поместив цифры, полученные при разборе, в таблицу, получим следующее сравнение для Model 3, i3 и Bolt.

О лидерстве Tesla (да, они тоже используют асинхронный эл.двигатель)(репост)

Из таблицы выше видно, что при оценочной стоимости в $754 и пиковой мощности в 211 кВт стоимость киловатта мощности составит около 3,6 $/кВт. Это чрезвычайно значимое достижение для электротехники. И это одна из причин заинтересованности многих государственных ведомств в этом показателе: чем сильнее отрасль преуспеет в снижении этих цифр, тем скорее общество оценит преимущества электричества перед ДВС. И Tesla убивает его.

Интересно взглянуть на данные Министерства энергетики США 2014 года и их прогнозы относительно того, что будет актуально к 2020 году. Ниже они приводят разбивку (детализацию) по стоимости для силовой электроники (инвертера) и двигателя привода с пиковой мощностью 55 кВт и долговременной 30 кВт. По-видимому, эти предположения основываются на том, что Model S рассматривалась с приводом мощностью 270 кВт и стоимостью $5400, откуда получается 20 $/кВт для всего привода.

О лидерстве Tesla (да, они тоже используют асинхронный эл.двигатель)(репост)

В любом случае, двигатель Tesla Model 3 с пиком 3,6 $/кВт существенно превзошла прогнозы Министерства энергетики, которое рассчитывало на $4,7. И Tesla добилась этого почти на 2 года раньше, чем ожидало министерство.

Интересный факт, который стоит учитывать в оценках министерства: они приняли соотношение пиковой и длительной мощностей почти как 2:1 – довольно типичное и консервативное представление для того времени. Если представим, что модели Bolt и i3 потребляют около 40 кВт на своих максимальных скоростях, то обе они будут иметь соотношение значительно ниже, чем 5,5 у Tesla. Но всё ещё существенно выше исторически используемого 2:1.

Обычно ограничение пиковой мощности связано с насыщением магнитного поля, вследствие чего дальнейшее увеличение тока не приводит к ожидаемому усилению поля. При достижении этой точки КПД двигателя начинает резко снижаться. Повышение тока вдвое больше не даёт двукратного увеличения вращающего момента. КПД, который в среднем равен около 95 %, может снизиться до 90 % и ниже. Выглядит всё ещё очень неплохо, но это означает, что 10 % от ваших 200 кВт, т.е., 20 кВт, теряются в виде тепла. А это много.

Эволюцию двигателей электротранспорта можно проиллюстрировать картами КПД, приведёнными ниже (ссылка на источник https://www.coilwindingexpo.com/berlin/media/pages/Tutorial-1-D--Staton-&-J--Goss-MDL.PDF)

Слева представлена карта для двигателя Honda Accord Hybrid 2005 года, справа – Tesla Model S. В левой части вы можете видеть классический вид карты КПД электродвигателя (на пост. магнитах – прим. Licc/Lr43). Обратите внимание на пиковый КПД, обозначенный тёмно-красным, – он расположен в довольно маленькой области с соответствующими условиями работы. При превышении скорости вы получите более низкие КПД при любых вращающих моментах. Сравните это с картой КПД в правой (асинхронный – прим. Licc/Lr43) части и обратите внимание на то, насколько расширена область эффективной работы с пиковыми КПД (> 96%). Белая точка указывает на карте область, в которой вы бы находились, двигаясь со скоростью 80 миль/час по ровной поверхности (примем, что 80 миль/час = 9200 об/мин * 29 Нм даёт потребление 28 кВт).

О лидерстве Tesla (да, они тоже используют асинхронный эл.двигатель)(репост)

Итак, в итоге, Tesla, похоже, действительно добилась сильного увеличения соотношения пиковой мощности к длительной и получили огромное преимущество за счёт этого. И я не уверен, что ребята из BMW и Chevy вполне понимают, как им это удалось.

Matt Taylor (https://www.narrowband.org/blog?author=582b933a2994cab6e0ce775f)

-

Перевели: Igor/Yana.

От себя добавим – на номограммах ясно видно насколько у асинхронного привода шире эффективный диапазон мощностей, чем у моторов на ПМ.