इलेक्ट्रिक मोटर किस आरपीएम रेंज में अधिक कुशलता से काम करती है?

विद्युत मोटर अपनी अधिकतम दक्षता किसी एक बिंदु पर नहीं, बल्कि टॉर्क-आरपीएम समतल के एक विशिष्ट क्षेत्र में प्राप्त करती है; अधिकांश आधुनिक डिज़ाइनों में यह क्षेत्र कम-मध्यम आरपीएम और मध्यम टॉर्क रेंज से मेल खाता है। यानी इस सवाल का संक्षिप्त उत्तर यह है: मोटर उस मध्यम लोड क्षेत्र में सबसे अधिक कुशलता से काम करती है जहां वाहन दैनिक उपयोग के अधिकांश समय पाता है, बिना पूरे गैस या पूरी रुकावट के। दक्षता मानचित्र नामक ग्राफ ठीक इसी क्षेत्र को दर्शाता है।

दक्षता मानचित्र कैसे पढ़ें?

दक्षता मानचित्र वह ग्राफ है जो मोटर की पूरी कार्य सीमा को एक ही चौकोर में दिखाता है। क्षैतिज अक्ष पर आरपीएम और ऊर्ध्वाधर अक्ष पर टॉर्क (Nm) होता है; उस पर विद्युत शक्ति को यांत्रिक शक्ति में बदलने का प्रतिशत समोच्च रेखाओं के रूप में खींचा जाता है। द्रव स्तर मानचित्र जैसी दिखने वाली इन समोच्च रेखाओं का सबसे भीतरी क्षेत्र मोटर का दक्षता द्वीप है: जितना अधिक मोटर उस द्वीप पर काम करता है, बैटरी से ली गई ऊर्जा उतनी ही अधिक पहियों तक पहुंचती है।

इसे ठोस रूप से समझें। एक प्रकाशित आंतरिक स्थायी चुंबक (IPM) मोटर मानचित्र में मोटर, 4,000 rpm से नीचे और 250 Nm से नीचे के टॉर्क पर अपने सबसे कुशल क्षेत्र में काम कर रही है। इसका मतलब यह नहीं कि मोटर कमजोर है; यह केवल इस बात का संकेत है कि विद्युत ऊर्जा यांत्रिक ऊर्जा में सबसे कम नुकसान के साथ किस बिंदु पर बदलती है। उसी विश्लेषण में मानचित्र के साथ धारा मानचित्र और नुकसान मानचित्र भी तैयार किया जाता है; नुकसान मानचित्र जूल नुकसान, लोहे के नुकसान, यांत्रिक और अतिरिक्त नुकसान अलग-अलग दिखाता है। इंजीनियर दक्षता द्वीप को अनुकूलित करते समय वास्तव में इन नुकसानों को एक-एक करके सिमटता है।

मानचित्र को समझने के लिए दो कार्य क्षेत्रों को जानना जरूरी है। आधार गति तक मोटर स्थिर टॉर्क क्षेत्र में काम करती है: वह शून्य से ही अपना अधिकतम टॉर्क दे सकती है, इसीलिए विद्युत वाहनों का त्वरण इतना तीव्र होता है। आधार गति से ऊपर स्थिर शक्ति क्षेत्र शुरू होता है; क्षीणन क्षेत्र (field weakening) नियंत्रण सक्रिय होता है और टॉर्क लगभग गति के व्युत्क्रमानुपाती गिरता है। चूंकि शक्ति टॉर्क और गति का गुणनफल है, इसलिए टॉर्क वक्र और शक्ति वक्र एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब होते हैं।

मोटर के प्रकार के अनुसार दक्षता द्वीप कहां होता है?

हर मोटर का दक्षता मैप एक जैसा नहीं होता; द्वीप की स्थिति मोटर के प्रकार के साथ सीधे बदलती है। स्थायी चुंबकीय मोटर अपने रोटर को प्रेरण से नहीं बल्कि अपने स्वयं के चुंबकों से उत्तेजित करती हैं, इसलिए आमतौर पर अधिक दक्षता और टॉर्क घनत्व प्रदान करती हैं; पूर्ण लोड पर उनकी दक्षता अतुल्यकालिक मोटरों से अधिक होती है। इसकी कीमत रोटर में धंसे चुंबकों की लागत है। अतुल्यकालिक मोटर का चरित्र बिल्कुल उलटा है: उच्च आरपीएम और उच्च टॉर्क पर यह अपनी दक्षता को बेहतर बनाए रखती है, लेकिन कम गति और कम लोड पर कमजोर होती है; आंशिक लोड पर इसकी दक्षता स्पष्ट रूप से गिर सकती है।

इन दो मैपों का भिन्न होना अकेले कोई प्राथमिकता नहीं, बल्कि एक डिज़ाइन क्षेत्र है। शहर-प्रधान उपयोग वाहन की मोटर को अधिकांश समय कम आरपीएम और कम टॉर्क पर रखता है; ठीक वहीं जहां स्थायी चुंबकीय मोटर का द्वीप होता है। उच्च गति वाली लंबी यात्राओं में अतुल्यकालिक मोटर की दक्षता गति बढ़ने के साथ ध्वस्त नहीं होती। कुछ निर्माता पिछले अक्ष की मुख्य मोटर पर स्थायी चुंबकीय और आगे की छोटी मोटर पर अतुल्यकालिक समाधान ठीक इसी पूरकता के लिए चुनते हैं: जिन कम लोड परिस्थितियों में अतुल्यकालिक मोटर अदक्ष होती है, वहां मुफ्त लाभ नहीं होता, जरूरत पड़ने पर यह सक्रिय हो जाती है।

शहर या हाईवे: मोटर किस क्षेत्र में काम कर रही है?

इलेक्ट्रिक वाहन में दक्षता और गति का संबंध पेट्रोल वाहन से अलग होता है। आंतरिक दहन इंजन हाईवे की गतियों पर गर्म और दक्ष रूप से चलता है जबकि शहर के स्टार्ट-स्टॉप में खराब दक्षता देता है; EV में तस्वीर उलटी है। वायुगतिकीय प्रतिरोध गति के साथ नाटकीय रूप से बढ़ता है, इसलिए इलेक्ट्रिक वाहन की हाईवे खपत बढ़ जाती है, और अधिकांश मॉडलों में शहरी आंकड़ा हाईवे से बेहतर होता है। वास्तविक दुनिया की रेंज टेस्ट भी इसकी पुष्टि करती हैं: EV की वास्तविक हाईवे रेंज आमतौर पर संयुक्त आधिकारिक मूल्यों से पीछे रहती है, क्योंकि हाईवे सबसे दक्ष मोड नहीं है।

मोटर स्वयं तस्वीर की सबसे अच्छा पक्ष है। EPA द्वारा दिया गया आंकड़ा दर्शाता है कि EV बिजली से आने वाली ऊर्जा का लगभग %87-91 तक पहियों तक उपयोग कर पाती हैं; आंतरिक दहन इंजन से तुलना करने योग्य ही नहीं एक अखंडता। यह निकालना जरूरी है कि इस दक्षता में से कितना मोटर का और कितना पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का योगदान है। मोटर दक्षता संचालन गति, टॉर्क और नियंत्रण रणनीति के अनुसार बदलती है; हार्डवेयर सीमाएं निर्धारित करती हैं लेकिन क्षेत्र में उपयोग को नियंत्रण रणनीति आकार देती है। फील्ड ओरिएंटेड कंट्रोल (FOC), स्टेटर करंट को टॉर्क और फ्लक्स घटकों में विभाजित करके दोनों को स्वतंत्र रूप से प्रबंधित करते हुए मोटर को दक्षता द्वीप के भीतर रखने का काम करने वाली विधि है। इनवर्टर भी श्रृंखला की कमजोर कड़ी नहीं है: 200 kW श्रेणी के एक डिज़ाइन में चरम पर %99,57 और %5 लोड पर %98,5 दक्षता मापी गई है। यानी वाहन का शहर में दक्ष होना बड़े पैमाने पर मोटर के मैप का शहरी मोड के साथ मेल खाने का परिणाम है।

एकल गियर और गियर अनुपात: इंजन मैप को असली सड़क में बदलना

बिजली के वाहनों की विशाल बहुसंख्यक एक ही गियर के साथ आती है, क्योंकि मोटर शून्य आरपीएम से लेकर गति की एक विस्तृत श्रेणी तक टॉर्क उत्पन्न कर सकती है; गियर बदलने की आवश्यकता वाली कोई संकीर्ण बैंड नहीं होता। इसकी कीमत यह है: निश्चित गियर अनुपात के कारण, परिवर्तनशील पहिया गति और टॉर्क की मांगों के सामने मोटर मैप पर अलग-अलग बिंदुओं की ओर धकेल दी जाती है। गियर अनुपात का चुनाव टॉर्क संचरण और मोटर की कार्य स्थितियों को काफी हद तक प्रभावित करता है; अलग-अलग अनुपात त्वरण और ऊर्जा खपत दोनों को बदल देते हैं। अनुपात को एक दिशा में मोड़ने पर शहर की ड्राइविंग विधा दक्षता द्वीप पर बैठ जाती है लेकिन हाईवे आरपीएम द्वीप से बाहर चला जाता है; इसके विपरीत करने पर परिणाम उलट जाता है।

यह तनाव एक समकालीन इंजीनियरिंग बहस है। भारी वाणिज्यिक वाहनों में मोटर दक्षता सभी गति-टॉर्क संयोजनों के लिए दक्षता मैप से गणना की जाती है और गियरबॉक्स दक्षता भी टॉर्क, गति और ड्राइव गियर के अनुसार बदलती है, इसलिए कुल श्रृंखला का अनुकूलन केवल मोटर मैप से पूरा नहीं होता। एकल गियर की दक्षता क्षेत्र सीमा के समाधान के रूप में दो-गियर ट्रांसमिशन और ट्रैक्शन मोटर आकार अनुकूलन पर शोध किया जा रहा है; उद्देश्य यह सुनिश्चित करना है कि मोटर समय का बड़ा हिस्सा दक्षता द्वीप पर बिताए। भारी वाहनों में गियर अनुपात मोटर व्यवहार में चार महत्वपूर्ण कारकों को एक साथ प्रभावित करता है: टॉर्क, गति, दक्षता और भार वहन क्षमता। संक्षेप में, गियर अनुपात वह अंतिम समायोजन पेंच है जो दक्षता मैप को वास्तविक दुनिया की सड़क प्रोफ़ाइल से मिलाता है।

दो-मोटर वास्तुकला: दो मैपों का साथ उपयोग

दो मोटर वाले वाहन में प्रत्येक मोटर का अपना दक्षता मैप होता है और इनका समान होना आवश्यक नहीं है। मुख्य पिछली मोटर और छोटी अगली मोटर वास्तुकला में कुल ऊर्जा खपत इस बात पर निर्भर करती है कि टॉर्क दो एक्सलों के बीच कैसे विभाजित होता है। सरल 50/50 विभाजन दोनों मोटरों को मैप पर एक ही बिंदु पर चलाता है; जबकि अनुकूलित टॉर्क विभाजन एल्गोरिद्म ड्राइविंग और ब्रेकिंग टॉर्क को इस बात को देखकर वितरित करते हैं कि किसी भी क्षण कौन सी मोटर किस दक्षता क्षेत्र में है। एक मोटर के द्वीप के केंद्र में और दूसरी के किनारे पर काम करने वाला वितरण, दोनों मोटरों को किनारे की ओर धकेलने वाले सममित वितरण से कम ऊर्जा खर्च कर सकता है।

इस वास्तुकला में जहां विभाजन को बैटरी विद्युत वितरण के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक रूप से प्रबंधित किया जाता है, वहां लाभ कोई अमूर्त इंजीनियरिंग लक्ष्य नहीं है। दक्षता मैप आधारित टॉर्क वितरण रणनीति के साथ %8,94 तक ऊर्जा बचत प्रदर्शित की गई है; एक बैटरी से इतना अधिक वापस प्राप्त करना सीधे रेंज में जुड़ जाता है। वही तर्क ब्रेकिंग में भी काम करता है: रुकते समय कौन सी मोटर कितना रिजनरेटिव टॉर्क उत्पन्न करेगी, यह उस क्षण की गति और टॉर्क बिंदु पर दक्षता कहां है, इसके अनुसार चुना जाता है।

रिजनरेटिव ब्रेकिंग: मैप का ऋणात्मक आधा हिस्सा

रीजेनरेटिव ब्रेकिंग एक ऐसी तंत्र है जो मोटर को उल्टी दिशा में चलाकर ब्रेकिंग के दौरान ऊष्मा के रूप में नष्ट होने वाली गतिज ऊर्जा को बैटरी में वापस जमा करती है, और यह EV की ऊर्जा दक्षता का अदृश्य दूसरा मोटर है। लेकिन जब मोटर जनरेटर के रूप में काम करती है, तब भी उसका एक दक्षता मैप होता है; वापस की गई ऊर्जा का कितना हिस्सा वास्तव में बैटरी तक पहुंचता है, यह ब्रेकिंग के समय मोटर किस मैप क्षेत्र में गिरती है, उस पर निर्भर करता है। इसीलिए रीजेनरेशन के लिए अलग से मैपिंग की जाती है: विभिन्न ब्रेकिंग परिस्थितियों में ऊर्जा पुनर्प्राप्ति दक्षता का ग्राफ बनाया जाता है और नियंत्रण रणनीति उसी के अनुसार चरणबद्ध की जाती है।

यहाँ संवेदनशील बिंदु धीमी गति है: जिस क्षण वाहन लगभग रुक जाता है, तब पुनर्प्राप्त की जाने वाली ऊर्जा कम होती है और रीजेनरेशन का अक्षम क्षेत्र में काम करना बेमानी हो जाता है। नवीनतम अध्ययन बताते हैं कि हानि कम करने के लिए धीमी गति की सीमा को ड्राइविंग परिस्थितियों के आधार पर 5% तक नीचे खींचा जा सकता है; यानी सिस्टम रीजेनरेशन को कम गति तक भी कुशलता से बढ़ा सकता है। बहु-स्तरीय रीजेनरेटिव नियंत्रण रणनीतियाँ भी गतिशील प्रतिक्रिया में स्पष्ट सुधार करती हैं। चारों पहियों पर स्वतंत्र मोटर वाले वाहनों में, मैप-आधारित ऊर्जा बचत नियंत्रण ब्रेकिंग टॉर्क को पहिया-दर-पहिया दक्षता मैप के अनुसार वितरित करके ड्राइविंग और ब्रेकिंग स्तरों पर अलग-अलग अनुकूलित किया जाता है। उपयोगकर्ता के दृष्टिकोण से परिणाम सरल है: अच्छी तरह ट्यून किया गया रीजेनरेशन, उसी ट्रैफिक में अधिक रेंज का मतलब है।

व्यवहार में दक्षता मैप क्या बताता है?

पन्नों भर कंटूर ग्राफ पढ़ने के बाद ड्राइवर के लिए बचता सारांश इन तीन वाक्यों में है। पहला, शहर में और मध्यम गति पर आपके EV का कम खपत होना संयोग नहीं है, बल्कि मोटर के दक्षता द्वीप का उस क्षेत्र में स्थित होने का परिणाम है; हाईवे पर खपत का बढ़ना मोटर का नहीं बल्कि एयरोडायनामिक्स का बिल है। दूसरा, क्रूज़ कंट्रोल लंबी दूरी की ड्राइविंग में वाहन की टॉर्क मांग को सहज रखता है और मोटर को अचानक उच्च टॉर्क की मांगों के मैप से बाहर धकेले जाने से बचाता है; सहज मांग का मतलब है द्वीप में बने रहना। तीसरा, दो मोटर वाले वाहनों में सिस्टम आपके ध्यान के बिना दोनों मैप की लगातार तुलना करता है और काम को हर पल अधिक कुशल मोटर को देने की कोशिश करता है; रीजेनरेशन में भी यही तुलना पुनर्प्राप्त ऊर्जा को बढ़ाती है।

दक्षता मैप का अंतिम उपयोगकर्ता के लिए एक गुप्त इंजीनियरिंग फ़ाइल बने रहना ज़रूरी नहीं है। यह जानना कि आपका वाहन किस गति और टॉर्क बैंड में सहज रहता है, आपको अपनी ड्राइविंग आदतों को मापने योग्य आधार पर रखने की सुविधा देता है: मोटर को द्वीप के भीतर रखने वाली ड्राइविंग खपत और थर्मल भार दोनों को कम करती है। एक मैकेनिकल इंजीनियर की नज़र से देखें तो दक्षता मैप, इलेक्ट्रिक वाहन के चरित्र को एक ही तस्वीर में बताने वाला सबसे ईमानदार दस्तावेज़ है।

स्रोत

• इलेक्ट्रिक मोटर्स के लिए दक्षता मैप सरल तरीके से - Ansys
• दक्षता मैप - मोटर - Altair दस्तावेज़ीकरण
• इलेक्ट्रिक मोटर्स के लिए टॉर्क कर्व्स में महारत
• इलेक्ट्रिक वाहन संबंधी भ्रांतियाँ | US EPA
• वास्तविक दुनिया में इलेक्ट्रिक कार की रेंज की तुलना - Consumer Reports
• अपनी इलेक्ट्रिक कार में दक्षता को बेहतर कैसे बनाएं - Recurrent Auto
• सिंगल-स्पीड ड्राइवट्रेन के लिए कुशल गियर अनुपात का चयन - MDPI
• टू-स्पीड ट्रांसमिशन के साथ ट्रैक्शन मोटर का आकार अनुकूलन - McMaster
• इलेक्ट्रिक कारों के लिए कितने स्पीड अनुपात? एक उदाहरण - Gear Technology
• स्वतंत्र दोहरी-मोटर इलेक्ट्रिक वाहन के लिए टॉर्क-विभाजन रणनीतियों की तुलना - IEEE
• इलेक्ट्रिक वाहनों की ऊर्जा खपत का अनुकूलन - DiVA portal
• रीजेनरेटिव ब्रेकिंग - Wikipedia
• इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए मोटर दक्षता मैप पर आधारित ऊर्जा बचत नियंत्रण - SAGE
• रीजेनरेटिव ब्रेकिंग के लिए ऊर्जा दक्षता सुधार ढांचा - University of Minnesota
• इलेक्ट्रिक मोटर नियंत्रण: EV दक्षता में वृद्धि - EMobility Engineering
• इंडक्शन बनाम परमानेंट मैग्नेट मोटर्स - Horizon Technology
• मोटर की ऑपरेटिंग गति, टॉर्क और नियंत्रण रणनीति इसकी दक्षता को कैसे प्रभावित करती है - Charged EVs