วิธีเลือกกำลังมอเตอร์และแรงบิดสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

การกำหนดกำลังมอเตอร์และแรงบิดที่จะใช้ใน รถยนต์ไฟฟ้า (EV) เป็นหนึ่งในขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการออกแบบ EV มอเตอร์ที่มีขนาดเล็กเกินไปจะส่งผลให้การเร่งความเร็วต่ำ ความร้อนสูงเกินไป และความน่าเชื่อถือลดลง ในขณะที่มอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่เกินไปจะเพิ่มต้นทุน น้ำหนัก และการใช้พลังงาน

วัตถุประสงค์ของบทความนี้คือเพื่อช่วยวิศวกรและผู้ผลิต EV ในการกำหนดปริมาณกำลังและแรงบิดที่เหมาะสมสำหรับ EV ของตนได้อย่างถูกต้อง รวมถึงครอบคลุมปัจจัยต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการกำหนดปริมาณเหล่านี้

ความเข้าใจความแตกต่างในการทำงานระหว่างกำลังและแรงบิด

สำคัญมาก: เพื่อเลือกมอเตอร์สำหรับ EV ได้อย่างถูกต้อง สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจความแตกต่างในการทำงานระหว่างกำลังและแรงบิดที่เกี่ยวข้องกับมอเตอร์ ในความหมายที่ง่ายที่สุด:(1) แรงบิด หมายถึง ปริมาณแรงหมุนที่มอเตอร์สามารถผลิตได้ มีผลโดยตรงต่อสิ่งต่อไปนี้:

การเร่งความเร็ว (ความเร็วที่รถสามารถทำความเร็วสูงสุดได้)

ความสามารถในการปีนเขา หรือ "Gradeability"

ความสามารถในการบรรทุก

(2) กำลัง หมายถึง ความเร็ว (เมื่อเวลาผ่านไป) ที่สามารถผลิตแรงบิดได้

มีผลหลักต่อ:

ความเร็วสูงสุด

ประสิทธิภาพการขับขี่อย่างต่อเนื่อง

ความสามารถในการทำงานในสภาวะการขับขี่บนทางหลวงความเร็วสูง

การใช้งานแรงบิดและกำลังที่พบบ่อยที่สุดใน EV คือ แรงบิดมีผลต่อประสิทธิภาพที่ความเร็วรถต่ำเป็นหลัก ในขณะที่กำลังมีผลต่อประสิทธิภาพที่ความเร็วรถสูง

ระยะที่ 1: กำหนดการใช้งานรถและรอบการทำงาน

เมื่อเลือกมอเตอร์สำหรับ EV ขั้นตอนแรกคือการกำหนดการใช้งาน EV ที่ตั้งใจจะใช้มอเตอร์ให้ชัดเจน

ในการดำเนินการนี้ คุณควรตอบคำถามสำคัญหลายข้อ:

EV นี้จะใช้สำหรับการเดินทางในเมืองเป็นหลัก หรือสำหรับการเดินทางไกลหรือไม่?

EV จะบรรทุกน้ำหนักมากหรือไม่ หรือ EV นี้จะทำงานเฉพาะเมื่อไม่มีน้ำหนักบรรทุกเป็นหลักหรือไม่?

EV นี้จะมีการสตาร์ทและหยุดบ่อยครั้งหรือไม่?

EV ต้องทำงานบนพื้นผิวเรียบเท่านั้น หรือต้องปีนทางลาดชันหรือไม่?

EV ทุกประเภท (รถยนต์นั่งส่วนบุคคล รถยกไฟฟ้า รถกอล์ฟ AGV รถยนต์อเนกประสงค์ ฯลฯ) มีความต้องการแรงบิดและกำลังที่แตกต่างกัน แม้ว่าจะทำงานที่ความเร็วใกล้เคียงกันก็ตาม

ระยะที่ 2: คำนวณความต้องการแรงบิดที่ล้อ

แรงบิดมอเตอร์ส่วนใหญ่กำหนดโดยแรงต้านทานที่จะกระทำต่อล้อรถ ซึ่งอาจรวมถึง:

แรงต้านทานการหมุน

แรงต้านอากาศพลศาสตร์

แรงต้านทางลาดชัน

แรงเร่ง

ในการสตาร์ทความเร็วต่ำ ความต้องการแรงบิดที่ล้อจะสูงสุด มอเตอร์ต้องให้ปริมาณแรงบิดที่ต้องการ (หลังจากการลดทอนที่จำเป็นผ่านการใช้กระปุกเกียร์ หากมี) เพื่อเอาชนะแรงเหล่านี้ภายใต้สภาวะที่เลวร้ายที่สุด

EV ส่วนใหญ่ที่ใช้งานในอุตสาหกรรม (เช่น ในการผลิตหรือการกระจายสินค้า) จำเป็นต้องให้แรงบิดเริ่มต้นมากกว่า EV อื่นๆ เช่น รถกอล์ฟและ AGV (รถยนต์อัตโนมัติ)

ระยะที่ 3: คำนวณเป้าหมายที่ต้องการสำหรับการเร่งความเร็วและความสามารถในการปีนเขา

ทั้งประสิทธิภาพการเร่งความเร็วและความสามารถในการปีนเขามีผลกระทบอย่างมากต่อการเลือกแรงบิดเมื่อใช้แรงบิดที่ปล่อยออกมาจากโลกเพื่อกำหนดความสามารถด้านประสิทธิภาพแรงบิดใน EV

เมื่อกำหนดความสามารถในการเร่งความเร็วและการปีนเขา คุณควรพิจารณาเกณฑ์ต่อไปนี้:

เวลาที่ต้องการเพื่อให้ได้การเร่งความเร็วสูงสุด (เช่น 0–30 กม./ชม.)

ความชันสูงสุดที่ EV ต้องปีน

มวลของรถเมื่อบรรทุกเต็มที่

เมื่อใช้แรงบิดที่มีขนาดสูงขึ้น จะให้ประโยชน์ดังต่อไปนี้:

การตอบสนองการเร่งความเร็วที่ดีขึ้น

การทำงานที่เสถียรบนทางลาดและทางชัน

ลดความเครียดบนระบบส่งกำลัง (ส่วนประกอบระบบส่งกำลัง) ของ EV

โดยทั่วไป เมื่อออกแบบ EV เชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม ความสามารถของแรงบิดต่อเนื่องมีความสำคัญมากกว่าความสามารถของแรงบิดสูงสุดในระยะสั้น

ความเร็วและสภาวะการทำงานต่อเนื่องของรถ ความต้องการกำลังเพิ่มขึ้นตามความเร็วของรถเนื่องจาก:

แรงต้านอากาศพลศาสตร์เพิ่มขึ้นตามความเร็วภาระต่อเนื่องของรถที่ความเร็วคงที่

ความต้องการกำลังสูงสุดจะเกิดขึ้นพร้อมกับความเร็วสูง ในขณะที่ความต้องการแรงบิดสูงสุดจะเกิดขึ้นพร้อมกับความเร็วต่ำ

ปัจจัยที่กำหนดปัจจัยที่สำคัญที่สุด

เมื่อคำนวณกำลังมอเตอร์และแรงบิดที่ต้องการ มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณารวมถึง:

ความเร็วสูงสุดของรถ

ระยะเวลาที่ความเร็วสูงสุด

ขีดจำกัดความร้อนของมอเตอร์

เพื่อให้ถือว่ามีขนาดเหมาะสม มอเตอร์ควรทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดที่ความเร็วในการขับขี่ที่บ่อยที่สุดของรถ และไม่ใช่แค่ที่กำลังสูงสุดเท่านั้น

อัตราทดเกียร์และรูปแบบระบบส่งกำลัง

กำลังและแรงบิดของมอเตอร์จะไม่สามารถกำหนดได้จนกว่าจะพิจารณาส่วนประกอบระบบส่งกำลังทั้งหมด รูปแบบการออกแบบระบบส่งกำลังต้องคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้:

ว่าจะใช้กระปุกเกียร์ความเร็วเดียวหรือหลายความเร็ว

ว่าจะใช้การขับตรงหรือการลดทอน

ประสิทธิภาพของเฟืองท้ายและเพลา

เมื่อคำนวณอัตราทดเกียร์ มอเตอร์ที่มีขนาดเหมาะสมจะให้แรงบิดที่ล้อเพียงพอและสามารถใช้งานได้ดีขึ้นในทุกช่วงการทำงาน การปรับอัตราทดเกียร์ให้เหมาะสม การออกแบบ EV สามารถลดขนาดทางกายภาพของมอเตอร์ได้ ในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพไว้

การให้คะแนนต่อเนื่องเทียบกับคะแนนสูงสุด

มอเตอร์ EV ส่วนใหญ่สามารถทำงานได้ดีทั้งในด้านสูงสุด (ระยะสั้น) และต่อเนื่อง (จำกัดความร้อน) การวิเคราะห์การให้คะแนนต่อเนื่องเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกำหนดความน่าเชื่อถือและความทนทานของมอเตอร์เมื่อทำงานตามปกติ การให้คะแนนกำลังและแรงบิดต่อเนื่องจะให้ความมั่นใจในประสิทธิภาพระยะยาว ค่ากำลังและแรงบิดสูงสุดมักจะใช้ได้เฉพาะในช่วงการเร่งความเร็วหรือการเปลี่ยนแปลงการทำงานอย่างรวดเร็วเท่านั้น

หากนักออกแบบรถยนต์ไฟฟ้าใช้เพียงการให้คะแนนสูงสุดของมอเตอร์ในการเลือก นักออกแบบอาจคำนวณการให้คะแนนต่อเนื่องผิดพลาด ซึ่งอาจนำไปสู่ความร้อนสูงเกินไป และในบางกรณีอาจเกิดความเสียหายอย่างมากหรืออายุการใช้งานสั้นกว่าปกติ

ข้อมูลจำเพาะของมอเตอร์ที่จับคู่กับกลยุทธ์การควบคุม

ตัวควบคุมมอเตอร์และกลยุทธ์การควบคุมจะมีผลโดยตรงต่อการนำแรงบิดและกำลังที่ใช้งานได้จากมอเตอร์มาใช้ รายการที่ต้องพิจารณาคือ:

ความสามารถในการลดสนามแม่เหล็ก

ความแม่นยำของการควบคุมแรงบิด

ความสามารถในการเบรกแบบสร้างพลังงาน

รถยนต์ไฟฟ้า (EV) ส่วนใหญ่ใช้การออกแบบมอเตอร์ที่มีช่วงความเร็วที่กว้างและอัลกอริทึมการควบคุมขั้นสูงเพื่อจัดการแรงบิด กำลัง ประสิทธิภาพ และประสิทธิภาพทางความร้อน

ข้อผิดพลาดทั่วไปในการเลือกมอเตอร์

ข้อผิดพลาดทั่วไปที่นักออกแบบ EV ทำเมื่อเลือกมอเตอร์ไฟฟ้า ได้แก่:

มอเตอร์มีขนาดใหญ่เกินไปหรือไม่เหมาะสมกับกำลังของมอเตอร์ ซึ่งจะนำไปสู่การไม่คำนึงถึงรอบการทำงาน

การละเลยข้อกำหนดแรงบิดต่อเนื่อง

การใช้ตัวเลขแรงบิดสูงสุด แทนที่จะเป็นแรงบิดที่ใช้งานได้ที่ล้อ

การไม่สามารถกำหนดประเภทของระบบส่งกำลังที่มอเตอร์กำลังจะเชื่อมต่อได้อย่างถูกต้อง

การหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดเหล่านี้ นักออกแบบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของระบบไฟฟ้า และลดต้นทุนรวมของรถได้

สรุป

การตัดสินใจเกี่ยวกับกำลังและแรงบิดของมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมในระดับระบบ และต้องมากกว่าแค่การเลือกพารามิเตอร์เดียว การเลือกกำลังและแรงบิดมอเตอร์ที่ถูกต้องต้องคำนึงถึง:

รถจะถูกใช้งานอย่างไรและสภาพแวดล้อมการทำงาน

จะต้องใช้แรงบิดระดับใดสำหรับการทำงานที่ความเร็วต่ำและความสามารถในการรับน้ำหนัก

จะต้องใช้กำลังเท่าใดเพื่อรักษาความเร็วคงที่

การทำงานโดยรวมรวมถึงส่วนประกอบระบบส่งกำลังทั้งหมด กลยุทธ์การควบคุม และขีดจำกัดความร้อน

ด้วยการสร้างสมดุลของปัจจัยเหล่านี้ นักออกแบบรถยนต์ไฟฟ้าสามารถใช้ตัวแปรต่างๆ ได้ดีที่สุดเพื่อสร้างรถยนต์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ซึ่งมีประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และลักษณะต้นทุนที่เหนือกว่า