Wybór silnika w aucie elektrycznym: synchroniczny, asynchroniczny czy z magnesami trwałymi

W samochodach elektrycznych stosuje się trzy główne typy silników: silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM), silnik asynchroniczny (indukcyjny) oraz silnik synchroniczny z wzbudzeniem zewnętrznym (EESM). PMSM oferuje najwyższą sprawność i gęstość mocy, silnik asynchroniczny wyróżnia się wytrzymałością i brakiem magnesów, a EESM precyzyjną kontrolą momentu obrotowego; wybór to decyzja inżynierska podejmowana między sprawnością, kosztem i zależnością od metali ziem rzadkich.

Fizyka silnika: Jak wirujące pole magnetyczne wytwarza moment obrotowy?

Wszystkie silniki trakcyjne opierają się na tej samej zasadzie fizycznej. Przewodnik, przez który płynie prąd, wytwarza pole magnetyczne; zmiana tego pola indukuje nowy prąd w pobliskim przewodniku. Siła Lorentza działająca na część wirującą działa prostopadle do pola magnetycznego i kierunku ruchu, obracając wirnik. Różnica między typami silników tkwi w tym, skąd pochodzi to pole magnetyczne i jak wirnik odnosi się do wirującego pola.

Każdy silnik ma dwa podstawowe elementy: nieruchomy stator zasilany trójfazowym prądem przemiennym oraz wirujący rotor. Stator wytwarza wirujące pole magnetyczne, którego częstotliwość określa falownik. To, czy rotor pozostaje w synchronizacji z tym polem, czy nieco je wyprzedza, określa klasę silnika.

Silnik asynchroniczny (indukcyjny): wytrzymały, tani, bez magnesów

Rotor silnika asynchronicznego ma konstrukcję "klatki wiewiórczej" składającą się z prętów aluminiowych lub miedzianych zatopionych w blachach stalowych. Wirujące pole statora indukuje napięcie i prąd w prętach wirnika; własne pole magnetyczne wytwarzane przez te prądy oddziałuje z polem statora, tworząc moment obrotowy. Rotor nigdy nie dogoni wirującego pola: obroty są zawsze nieco niższe, a tę różnicę nazywa się poślizgiem (slippage). Bez poślizgu nie ma indukcji ani momentu obrotowego.

Mocne strony tej konstrukcji są konkretne: nie ma magnesów trwałych, nie ma styków ślizgowych, więc zużycie jest niskie, a koszt produkcji umiarkowany. Silnik jest wytrzymały. Z drugiej strony sprawność pozostaje w tyle za konstrukcjami synchronicznymi, szczególnie przy częściowym obciążeniu i niskich prędkościach; indukowanie prądu w wirniku oznacza ciągłe straty. Regulacja prędkości też jest mniej precyzyjna, a do sterowania silnikiem konieczny jest przekształtnik częstotliwości.

Starsze modele Tesla Model S i Model X znane są z silników asynchronicznych; w niektórych starszych wersjach na osi przedniej stosowano silnik asynchroniczny, a na osi tylnej silnik z magnesami trwałymi. W całej branży, ze względu na wzrost cen miedzi i lukę w sprawności, udział silnika asynchronicznego powoli, lecz stabilnie przechodzi na konstrukcje synchroniczne.

Silniki synchroniczne: Rotor wiruje razem z polem

W silniku synchronicznym wirnik obraca się z tą samą prędkością co wirujące pole stojana; obroty silnika zależą bezpośrednio od częstotliwości prądu stojana. To sprzężenie zapewnia wysoką wydajność, dużą gęstość mocy, precyzyjną kontrolę prędkości i dobre zachowanie dynamiczne. Platforma VW MEB oraz modele takie jak Audi, Škoda i Porsche Taycan korzystają z rodziny silników synchronicznych. Koszt ma swoją cenę: dzieli się on na dwa rodzaje w zależności od źródła pola magnetycznego.

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM): Dlaczego dominująca technologia?

W PMSM magnesy trwałe osadzone w wirniku wytwarzają stałe i silne pole magnetyczne bez potrzeby zewnętrznego wzbudzenia. Ponieważ nie trzeba indukować prądu w wirniku, potencjał wydajności jest wysoki; wydajność szczytowa odpowiada zgłaszanym zakresom od 93-95% do 95-98%. Różnice wartości wynikają z różnic w pomiarach i definicjach: to, który punkt prędkości i obciążenia uznaje się za "szczytowy", różni się u poszczególnych producentów. Najważniejsza nie jest wartość szczytowa, lecz fakt, że PMSM może pozostawać w obszarze wysokiej wydajności w większości typowych warunków użytkowania pojazdu - przy niskich i średnich prędkościach zarówno wydajność, jak i gęstość mocy wyraźnie się wyróżniają.

Są jednak koszty, które trzeba ponieść: magnesy z metali ziem rzadkich to główny czynnik kosztowy PMSM. Ponadto niesie ryzyko demagnetyzacji w wysokiej temperaturze; dlatego zarządzanie ciepłem jest krytyczną kwestią w projekcie. BMW i3, VW ID.3 i ID.4 oraz nowe modele Nissan Leaf to znane przykłady stosujące PMSM.

Projekt z magnesami wewnętrznymi (IPM): Dlaczego magnesy są wewnątrz wirnika?

W silnikach IPM magnesy nie są umieszczone na powierzchni wirnika, lecz osadzone w jego wnętrzu. To rozmieszczenie pozwala lepiej wykorzystać strumień magnetyczny, zwiększa gęstość mocy, poszerza użyteczny zakres prędkości i zmniejsza podatność na demagnetyzację. W zamian produkcja wirnika jest skomplikowana. Tylna oś Porsche Taycan oraz Audi e-tron GT to drogowe zastosowania tego projektu.

Silnik synchroniczny wzbudzany zewnętrznie (EESM): Rozwiązanie synchroniczne bez magnesów

W EESM pole magnetyczne wirnika wytwarzane jest nie przez magnes trwały, lecz przez oddzielną cewkę zasilaną dodatkowym źródłem prądu. Daje to inżynierowi duże pole manewru: siłę pola wirnika można regulować w zależności od warunków pracy, kontrola momentu obrotowego i prędkości jest bardzo dobra, a osłabienie pola (field weakening) zapewnia szeroki zakres prędkości. Jest nieco za PMSM pod względem wydajności, a projekt wymaga; w klasycznym zastosowaniu wymaga szczotek i pierścieni ślizgowych. Ponieważ eliminuje zależność od metali ziem rzadkich, jest to architektura, która obecnie przeżywa ponowny wzrost zainteresowania.

Silniki reluktancyjne: Wirnik bez cewek i bez magnesów

W silnikach reluktancyjnych moment obrotowy wynika z znacznie prostszej tendencji: strumień magnetyczny zawsze wybiera ścieżkę o najmniejszej reluctancji (oporności magnetycznej). Wirnik próbuje obrócić się w kierunku tej pozycji o niskiej oporności i w ten sposób powstaje moment obrotowy. W wirniku nie ma ani cewek, ani magnesów - w konsekwencji nie ma ani metali ziem rzadkich, ani strat w wirniku. Istnieją dwa główne typy: silnik o przełączanym wzbudzeniu reluktancyjnym (SRM) i silnik reluktancyjny synchroniczny (SynRM).

Cena leży po stronie sterowania: elektronika sterująca jest skomplikowana, a w SRM hałas i wahania momentu obrotowego są wyraźne. Niemniej przewaga kosztowa i zrównoważonego rozwoju jest poważna; dzięki rozwijającej się elektronice sterującej spodziewa się upowszechnienia tych silników. Przegląd akademicki podkreśla, że niska masa, wysoka niezawodność i tolerancja awarii czynią SRM odpowiednim do EV.

Najciekawszym zastosowaniem w praktyce jest jednak podejście hybrydowe: w Tesli Model 3 i Model Y łączy się moment magnesów trwałych z momentem reluktancyjnym. Hyundai Kona Electric również opiera się na technologii reluktancyjnej. Konstrukcja SRIPM, łącząca reluktancję z magnesem o biegunach wewnętrznych, obniża koszty i zależność od metali ziem rzadkich, używając mniej magnesów niż PMSM; podczas gdy PMSM dominuje pod względem sprawności szczytowej i wysokich obrotów, SRIPM jest zrównoważony, solidny i opłacalny w różnych warunkach pracy.

Sprawność i wydajność: Porównanie w liczbach

Same liczby dotyczące sprawności są mylące; prawdziwe pytanie brzmi, jak sprawny jest silnik w nisko-średnim zakresie obrotów, czyli w rzeczywistym profilu użytkowania pojazdu. Poniższa tabela podsumowuje charakter trzech głównych typów silników.

Trzeba właściwie osadzić skalę liczb: różnica sprawności wydająca się wynosić 5-7% rośnie, gdy przekłada się na rozmiar baterii potrzebnej do zachowania tego samego zasięgu. Konkretny przykład pokazuje, jak dobrze PMSM robi to - hybrydowy silnik magnesowo-reluktancyjny Modelu 3 z baterią 75 kWh zapewnił zasięg równoważny Modelowi S 100D o pojemności 100 kWh. Z kolei silnik asynchroniczny ma swoją wyjątkową rolę w sprawności: silnik asynchroniczny na przedniej osi AWD Modelu 3 może swobodnie się obracać, praktycznie nie zużywając prądu, gdy nie jest potrzebny, co daje pojazdowi z napędem na cztery koła nieoczekiwaną przewagę w zasięgu.

Zależność od metali ziem rzadkich: Problem, który przekształca branżę

Dominacja rynkowa PMSM jest spleciona z geografią surowców. Podaż pierwiastków ziem rzadkich znajduje się w dużej mierze w rękach jednego kraju; ta zależność zmobilizowała producentów do działania w dwóch kierunkach. Pierwsze podejście, nakreślone przez IEEE Spectrum, to rozwijanie magnesów trwałych bez metali ziem rzadkich (na przykład alternatyw na bazie żelaza); drugie to zwrócenie się ku typom silników całkowicie pozbawionych magnesów - asynchronicznym lub reluktancyjnym.

Przykłady są uderzające: Tesla w 2017 roku przeszedł na silniki z metalami z ziem rzadkich, jednak ogłosił, że silniki nowej generacji ponownie będą bez metali z ziem rzadkich. Toyota, w obawie o niedobory w łańcuchu dostaw, rozwija silniki zawierające nawet o 50% mniej metali z ziem rzadkich. W obliczu chińskich ograniczeń eksportowych Indie przyspieszyły testy silników reluktancyjnych o wysokiej gęstości, wytwarzających siłę magnetyczną za pomocą ciasno nawiniętych cewek metalowych zamiast magnesów. Co ciekawe, w tym napięciu między wydajnością a kosztem materiałów rynek nadal inwestuje w silniki z magnesami trwałymi: wysoka gęstość mocy i momentu obrotowego jest na razie na tyle cenna, że równoważy koszt.

Falownik i energoelektronika: Co naprawdę określa charakter silnika?

Akumulator dostarcza prąd stały (DC), natomiast silnik trakcyjny jest zasilany prądem zmiennym (AC). Konwersją zajmuje się falownik; za pomocą PWM (modulacji szerokości impulsu) generowany jest stabilny przebieg AC, a sprawna praca silnika zależy od jakości tego wyjścia. Każdy postęp w falowniku przekłada się bezpośrednio na zasięg, osiągi i koszty. Wysoki, piszczący dźwięk słyszalny podczas jazdy pochodzi dokładnie z tego wysoko-częstotliwościowego przełączania.

Falownik umożliwia również wektorowanie momentu obrotowego w pojazdach z wieloma silnikami: każdy silnik jest sterowany oddzielnym falownikiem, a moment obrotowy jest precyzyjnie rozdzielany między osie. Energoelektronika oparta na SiC (węgliku krzemu) i GaN (azotku galu) zapewnia wyższą częstotliwość przełączania, niższe straty i wyższą sprawność. Z drugiej strony architektury wysokonapięciowe mają swoją cenę także po stronie silnika: silniki pracujące przy 800 V i wyżej są bardziej podatne na wyładowania niezupełne, co może negatywnie wpływać na izolację uzwojeń. Kierunek branży to integracja - uzwojenia hairpin, chłodzenie olejem oraz zintegrowane jednostki napędowe łączące silnik, skrzynię biegów i energoelektronikę w jedną całość.

Jaki silnik w jakim pojeździe: Jak podejmować decyzję o wyborze?

Wybór silnika to nie poszukiwanie jednego "najlepszego" rozwiązania, lecz kwestia priorytetów:

• Pojazdy z priorytetem zasięgu i sprawności: PMSM lub IPM; doskonała sprawność w zakresie niskich i średnich prędkości rekompensuje koszty akumulatora.
• Pojazdy z priorytetem osiągów i precyzyjnej kontroli: rodzina synchroniczna; decydująca jest wysoka gęstość mocy i dobre właściwości dynamiczne.
• Pojazdy AWD z wieloma silnikami: kombinacja magnesów trwałych na osi tylnej i silnika asynchronicznego na przedniej; sprawność z magnesów trwałych, niemal zerowy opór podczas biegu wolnego z silnika asynchronicznego.
• Producenci obciążeni ryzykiem łańcucha dostaw: konstrukcje oparte na EESM lub reluktancji; eliminują zależność od ziem rzadkich.

Wynikiem jest wyraźna równowaga inżynieryjna: PMSM dominuje dziś, ponieważ szczytowo wypada pod względem sprawności i kompaktowości, silnik asynchroniczny dzięki swojej wytrzymałości i brakowi magnesów wciąż znajduje zastosowanie w określonych rolach, a konstrukcje EESM i reluktancyjne zyskują na znaczeniu zarówno ze względu na osiągi, jak i bezpieczeństwo dostaw. Patrząc na wskaźnik zasięgu samochodu elektrycznego, pytanie o typ silnika jest równie istotne jak pytanie o pojemność baterii.

Źródła

• Silniki elektryczne w pojazdach elektrycznych: przegląd
• Wydajna i mocna technologia silników elektrycznych
• Przegląd silników trakcyjnych do zastosowań w pojazdach elektrycznych
• PMSM czy silnik indukcyjny: 3 decyzje, które uratują Twój pojazd elektryczny
• Wykonanie PMSM i silnika indukcyjnego w pojazdach elektrycznych
• Chińska dominacja w dziedzinie metali ziem rzadkich uzależnia producentów pojazdów elektrycznych
• Indie przyspieszają testy alternatywnych silników do pojazdów elektrycznych, gdy Chiny ograniczają eksport metali ziem rzadkich
• Rozwój silników elektrycznych mniej zależnych od magnesów z metali ziem rzadkich
• Jak budować silniki pojazdów elektrycznych bez metali ziem rzadkich
• Rynek pojazdów elektrycznych stawia na magnesy trwałe
• Czym jest falownik w pojeździe elektrycznym?
• Technologia falowników w pojazdach elektrycznych: najnowsze osiągnięcia i trendy
• Dwa typy silników Tesli Model 3
• Silnik z magnesami trwałymi w Tesli Model 3