حساسية آلات سحب التيار المتردد في المركبات الكهربائية

يساعد التصميم القوي في مجموعات نقل الحركة المكهربة بشكل كبير على تعزيز الكفاءة الإجمالية للسيارة، كما تأتي تحليلات المتانة مصحوبة بالتعقيد والتكاليف الحسابية على مستوى السيارات الكهربائية، بحيث اكتسب استخدام أساليب تحليل الحساسية (SA) في مرحلة التصميم شعبية في السنوات الأخيرة لتحسين أداء المركبات على الطرق مع تحسين الموارد وتقليل التكاليف وتقصير وقت التطوير.

تحليل حساسية آلات سحب التيار المتردد في المركبات الكهربائية

تعد إدارة المتطلبات البيئية ومتطلبات الطاقة للنقل البري عن طريق كهربة المركبات مهمة صعبة، وذلك بسبب التكلفة والوقت الحسابي والطبيعة المعقدة لمجموعة نقل الحركة، كما أن التعقيدات التي تم تحديدها ناتجة عن عدم النضج التقني لأن المركبات المكهربة لم تخترق السوق بعد على نطاق واسع، بحيث يوضح تحليل الحساسية (SA) في الدراسات والتجارب كما هو مطبق في صناعة السيارات.

كما أن استخدام طرق (SA) المختلفة قد تم إجراؤه على نطاق واسع، وذلك اعتماداً على نوع الدراسة والمهارات الرياضية للمصممين، بحيث يختلف مستوى المساهمة واختيار المنهجية، كذلك يتم استخدام ترتيب العوامل وتحديد العوامل وقطع التباين وتعيين العوامل في التطبيقات الهندسية مثل السيارات الكهربائية، كما يجب على مصممي السيارات الكهربائية والهجينة بالكامل على وجه الخصوص:

• تمييز سلوك الأهداف في محركات (HEV / EV)، على سبيل المثال لا يمكن تتبع الطبيعة غير الخطية لاتجاه عزم الدوران في المحركات الكهربائية إلا إذا تم حساب المعادلات التفاضلية ذات الترتيب الأعلى، أما السؤال الذي سيتم فحصه هو “هل يجب تحديد الخطية أو اللاخطية للهدف؟”.

• القيام بتقييم خطأ القياس لطرق (SA) المختلفة التي تؤدي إلى مستوى أعلى من الثقة في مجموعة نقل الحركة، أما السؤال الذي سيتم فحصه هو “ما هو مستوى عدم اليقين الموجود في كل منهجية؟”.

• التعرف على آثار أقدام التصميم المتغيرة في مجموعة نقل الحركة والتي تكون صاخبة، وبمعنى آخر يمكن أن تتعرض متغيرات إدخال مجموعة نقل الحركة، مثل سعة البطارية والكتلة وتصنيفات العاكس والمحركات الكهربائية، إلى عدم اليقين في الإخراج. السؤال الذي يجب فحصه هو “أين أصل هذه الشكوك وكيف تؤثر على أهداف مجموعة نقل الحركة؟”.

تداعيات التصميم في أنظمة نواقل الحركة وتأثر استهلاك الطاقة

تمت مناقشة مجموعات نقل الحركة المكهربة لمعظم متغيرات تصميم النقل على أداء المكونات المذكورة أعلاه، بحيث ستوفر معرفة أهمية متغيرات التصميم المقابلة المذكورة، وهي رؤى جديدة حول كيفية استهلاك الطاقة ومجموعة نقل الحركة والتغيرات الفورية في السرعة بسبب سلوك القيادة والسرعة وتغييرات الكبح بمرور الوقت.

كذلك يمكن تقييم هذه التغييرات في ظل دورات قيادة معيارية مختلفة، حيث يتم تقديم دورات محرك موجهة للتطبيق، وبسبب هذه الظروف؛ زادت أهمية عزم الدوران المطلوب والسرعة من التدقيق، وفي الواقع يُفترض دائماً أن أداء السيارة يعمل في ظل دورات القيادة المحددة مسبقاً، والتي يتم قياسها لمختلف القيادة الواقعية، لذلك؛ فإن ملف تعريف كفاءة سرعة عزم الدوران ودرجة الحرارة العابرة للمحركات الكهربائية المستخدمة ستكون غير خطية وغير رتيبة.

وعلى وجه الخصوص يمكن أن تؤدي زيادة درجة الحرارة في (PMS) إلى تقليل كثافة عزم الدوران للمحرك بشكل كبير، بحيث يساعد مستوى المكون (SA) المصممين على تحسين أداء المحركات الكهربائية في نطاق واسع من السرعة، ومع ذلك؛ فإن هذا لا يسمح لهم بتقييم أداء المحرك في ظل دورات قيادة الحالة الحقيقية، حيث يحدث المزيد من اللاخطية بسبب الطبيعة الديناميكية للتطبيق، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

المحركات الكهربائية ضمن مجموعات نقل الحركة المكهربة

يستعرض هذا القسم أحدث النتائج على مستوى مكونات محركات (HEV / EV)، بالإضافة إلى ذلك سوف نقترح تعييناً للسلوك الخطي أو غير الخطي للمخرجات الرئيسية، وذلك لفحص ما إذا كانت أساليب (SA) المطبقة مناسبة أم لا لهذا المكون المحدد في المعالجة.

في الآلات الكهربائية (EM)، ترد الأنواع الحديثة المتاحة من الكهرومغناطيسية المستخدمة في المركبات المكهربة على النحو التالي:

•  المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM)، وفي سوق النقل؛ فإنه تم استخدام (PMSM) على نطاق واسع مؤخراً، ونظراً لبعض المزايا الرائعة لهذا النوع من المحركات، مثل نطاق سرعة عزم الدوران الواسع بكفاءة عالية وعزم الدوران العالي وكثافة الطاقة.

• في محركات التردد الكهربائي المحولة (SRM)، تكون (SRMs) هي نوع معروف من المحركات التي يمكن استخدامها في (HEV / EVs) في المستقبل، حيث أن فائدتها الرئيسية هي الاستقلال عن المغناطيس الدائم، وبالتالي انخفاض تكاليف المواد المرتبطة بها، كما بسبب متانتها وموثوقيتها الاستثنائية في عمليات البيئة القاسية المتسامحة مع الأخطاء.

• في المحركات الحثية (IM)؛ أحدث ما توصل إليه العلم هو ناضج جداً في التصميم والتحسين وكذلك إستراتيجية التحكم الكهربائي، بحيث يمكن تصنيف هذه المحركات الى غير متزامن (أو مزدوج التغذية) وكذلك نوع قفص السنجاب.

كما يبقى لدى (IMs) مصادر حرارة في كل من قلب الجزء الثابت والدوار، وبالتالي يمكن أن تكون متطلبات نظام التبريد أحد عيوبها وتؤثر على توزيع درجة الحرارة، حيث أن هناك حاجة إلى طول محوري أطول لتوفير عزم دوران وكفاءة مماثلة لتقنيات الماكينة الأخرى، مثل (PMSMs) و (SRMs)، وهذا يعني أن (IMs) يتأخر في ميزات الاكتناز والوزن المنخفض والتي تعتبر مهمة في تطبيقات (HEC / EVs).

الخصائص الكهربائية المرتبطة بمحركات التيار المتردد

يقدم الجدول التالي الخصائص الموجهة لتطبيق الجر (النقل) للمحركات المذكورة أعلاه، بحيث يشير ملف تعريف سرعة عزم الدوران للمحركات الكهربائية إلى أداء المحرك، وبالتالي؛ فإن معرفة سلوكه أثناء ظروف القيادة المختلفة يساعد مصنعي السيارات على اختيار أفضل نوع محرك ممكن، بحيث يتطلب التسارع خاصية عزم دوران عالية يمكن العثور عليها في (PMSMs) و (SRM).

كما تسمح القدرة العالية القائمة على الكهرومغناطيسية، مثل القوة العالية وكثافة عزم الدوران لأجهزة (PMSM) بأداء أفضل خلال دورة قيادة تسلق التل، في حين أن الحمل الزائد عالي السرعة لـ (SRM) قد سلط الضوء بشكل كبير على هذا النوع من المحركات بين الباحثين، بحيث يرجع التموج العالي لعزم الدوران لـ (IMs) و (SRM) إلى قوى (Maxwell) التوافقية والقوى المثيرة (الناتجة عن تفاعلات الفتحة لكل عمود).

كما يتسبب تكوين الفتحة المفتوحة في توافقيات تموج الفتحة، مما يزيد من خسائر المحرك وكذلك الاهتزازات والضوضاء، وعلى الرغم من أنه يمكن تقليل هذه التأثيرات باستخدام تقنيات بديلة؛ إلا أن (PMSMs) تقدم اهتزازات وضوضاء أقل بسبب التشوه التوافقي المنخفض في القوى الدافعة المغناطيسية، بحيث أظهر ملف تعريف سرعة عزم الدوران لـ (PMSM) قدرة أفضل مقارنة بالأنواع الأخرى.

وأخيراً؛ فإن أهم ما يميز (SRM) هو قدرة التحميل الزائد التي توفر حمولة زائدة وتخضع لواجب صارم للغاية، بحيث تعمل معظم مجموعات نقل الحركة المكهربة مع أكثر من محرك واحد (غالباً محركان أو أربعة محركات كهربائية لمركبة متوسطة الحجم) لإدارة التحميل، ومن ثم يجب أن يكونوا قادرين على العمل بشكل متوازي ومقترن ميكانيكياً، بحيث تلبي الخصائص الرئيسية، مثل خاصية عزم الدوران وسرعة التيار الخاصة.