Sähköautojen monimoottoriarkkitehtuurit
Moottorien lisääminen antaa sähköautolle enemmän toisistaan riippumatta säädettäviä vääntömomentin lähteitä, mutta kasvattaa myös massaa, tehoelektroniikan määrää, jäähdytystarvetta ja pyörivien osien lukumäärää. Monimoottoriarkkitehtuurin hyöty riippuu siitä, kuinka tehokkaasti auto käyttää moottoreita kiihdytyksissä, kaarteissa, tasaisessa ajossa, regeneroinnissa ja vikatilanteissa.
Yhden moottorin arkkitehtuurit
Yksi moottori käyttää tavallisesti kahta pyörää alennusvaihteen ja tasauspyörästön kautta. Etuveto sijoittaa voimansiirtoyksikön lähelle ohjaavaa akselia ja voi yksinkertaistaa etuvetoisista autoista johdettuja alustarakenteita. Takaveto erottaa vedon ohjauksesta ja voi parantaa pitoa kiihdytyksessä, koska kuorma siirtyy taaksepäin.
Yksi moottori voi silti tarjota tarkan luistoneston, regeneratiivisen jarrutuksen ja jarruihin perustuvan puuttumisen auton kiertoliikkeeseen. Mekaaninen tasauspyörästö sallii vasemman ja oikean pyörän pyöriä eri nopeuksilla, kun taas elektronisesti ohjattu lukitustoiminto tai kitkajarrut voivat jakaa käytettävissä olevan pyörämomentin uudelleen.
Etuja ovat osien vähäinen määrä, pieni massa, alhaiset kustannukset ja vähäiset loishäviöt. Suurin rajoitus on se, että yhden akselin on tuotettava kaikki vetovoima ja regenerointi.
Kaksi moottoria ja sähköinen neliveto
Yleisin monimoottoriratkaisu käyttää yhtä moottoria kummallakin akselilla. Niiden välillä ei ole mekaanista kardaaniakselia. Auton ohjain voi muuttaa etu- ja taka-akselin välistä momentinjakoa nopeasti renkaiden pidon, moottorien ja invertterien rajojen, akselikuormien ja akkutehon sallimissa rajoissa.
Moottorien ei tarvitse olla samanlaisia. Valmistaja voi valita pääakselille erittäin tehokkaan kestomagneettimoottorin ja ajoittaista lisätehoa varten induktiomoottorin. Audi käyttää Q6 e-tron quattro -mallissa takana kestomagneettitahtimoottoria ja edessä epätahtimoottoria, kun taas Tesla ilmoittaa soveltuvissa Model 3 AWD -versioissa takana kestomagneettimoottorin ja edessä induktiomoottorin.
Kevyellä kuormalla ohjain voi käyttää pääasiassa tehokkaampaa akselia, ottaa toisen moottorin mukaan kiihdytykseen tai pidon parantamiseen ja käyttää yhtä tai molempia regenerointiin. Strategia riippuu kunkin voimansiirtoyksikön hyötysuhdekartasta eikä kiinteästä säännöstä, jonka mukaan toinen akseli olisi aina parempi.
Akselin virrattomaksi tekeminen ja irtikytkentä
Virraton moottori voi edelleen aiheuttaa häviöitä. Kestomagneetit indusoivat jännitettä aina roottorin pyöriessä, ja hammaspyörät, laakerit, tiivisteet sekä öljy jatkavat liikkumista. Induktiokoneet ja sähköisesti magnetoidut koneet voivat pienentää roottorivuota, kun ne eivät tuota momenttia, mutta mekaaniset häviöt säilyvät.
Irtikytkentäkytkin estää osaa toissijaisesta voimansiirrosta pyörimästä pyörien mukana. Se voi vähentää tasaisen ajon häviöitä etenkin kestomagneettimoottorin yhteydessä, mutta kytkin ja toimilaite lisäävät massaa ja kustannuksia, edellyttävät hallittuja siirtymiä ja tuovat uuden vikaantumistavan. Uudelleenkytkennän on synkronoitava pyörivät osat ja palautettava momentti ilman havaittavaa häiriötä.
Irtikytkennän energiansäästö riippuu käyttöjaksosta. Hyöty voi olla pieni, jos toista akselia tarvitaan usein, kun taas sama laitteisto voi olla arvokas tasaisessa moottoritieajossa.
Kolmen moottorin järjestelmät
Kolmimoottorisessa sähköautossa on tavallisesti yksi moottori toisella akselilla ja kaksi toisistaan riippumatta ohjattua moottoria toisella. Jos kummallakin parin moottorilla on oma vaihdeyhteys yhteen pyörään, akseli voi jakaa veto- ja regenerointimomentin vasemmalta oikealle ilman tavanomaista tasauspyörästöä.
Tämä rakenne mahdollistaa kiertomomentin suoran hallinnan: Vetomomentin lisääminen ulommalla pyörällä voi auttaa autoa kääntymään, ja erilaiset regenerointimomentit voivat tukea hidastamista. Käytettävissä olevaa momentin vektorointia rajoittaa silti kunkin renkaan yhdistetty pitkittäis- ja sivuttaispito.
Kolme moottoria ei aina tarkoita pyöräkohtaista momenttia. Muissa arkkitehtuureissa kolme konetta voidaan yhdistää yhteisten vaihteiden tai kytkinten kautta. Mekaaninen voimareitti on tunnettava ennen kuin moottorien määrästä päätellään järjestelmän ominaisuuksia.
Neljä moottoria
Neljän moottorin arkkitehtuuri voi osoittaa yhden moottorin kullekin pyörälle, vaikka auto voi myös sijoittaa kaksi moottoria kumpaankin akselin voimansiirtoyksikköön. Ohjain voi tällöin säätää vetoa ja regenerointia kaikilla neljällä pyörällä.
Rivianin toisen sukupolven Quad-Motor-järjestelmä käyttää yksittäin ohjattuja moottoreita ja taka-akselin automaattista irtikytkentää. Mercedes-Benz ilmoittaa vuoden 2026 AMG GT 4-Door Coupe -mallissa kolme aksiaalivuomoottoria — ei neljää — mikä osoittaa, miksi akselirakenne on yksinkertaisia markkinointiluokkia tärkeämpi.
Itsenäiset pyörämoottorit voivat reagoida nopeasti ja välttää mekaanisen tasauspyörästön kompromissit. Ne myös moninkertaistavat invertterien tai invertterikanavien, anturien, laakerien, hammaspyörien ja jäähdytysreittien määrän sekä ohjelmiston koordinointitarpeen. Varsinaisten napamoottorien jousittamattoman massan haitta ei automaattisesti koske koriin asennettuja moottoreita, jotka käyttävät pyöriä vetoakseleiden kautta.
Momentin vektorointi on järjestelmän ominaisuus
Momentin vektorointi tarkoittaa tarkoituksellisesti erilaisten käytettävissä olevien veto- tai regenerointimomenttien tuottamista akseleille tai pyörille. Termi ei määritä, miten tämä toteutetaan. Järjestelmät voivat käyttää:
- itsenäisiä moottoreita;
- aktiivista tasauspyörästöä tai kytkinpakkaa;
- jarrujen toimintaa;
- erilaisia komentoja etu- ja takamoottorille;
- näiden menetelmien yhdistelmää.
Ohjain arvioi renkaiden kapasiteettia pyörien nopeuksien, ohjauskulman, kiihtyvyyden, kiertonopeuden ja ajoneuvomallien perusteella. Sen on sovitettava pyydetty vetovoima yhteen ajonvakautuksen ja kitkajarrujen kanssa. Suurella sivuttaiskiihtyvyydellä renkaalla voi olla vain vähän pitkittäispitoa jäljellä lisävektorointimomenttia varten.
Moottorin vääntömomentti ei myöskään ole sama kuin pyörämomentti. Välityssuhde ja voimansiirron hyötysuhde kertovat akselimomentin, kun taas renkaan säde muuntaa pyörämomentin pitkittäisvoimaksi. Järjestelmien vertaaminen vain ilmoitetun moottorimomentin perusteella ilman näitä suureita johtaa harhaan.
Hyötysuhde, suorituskyky ja lämpörajat
Suurempi asennettu moottoriteho voi parantaa kiihtyvyyttä pakottamatta yhtä konetta rajalleen. Se voi myös jakaa regeneratiivista jarrutusta ja tarjota lämpöreserviä toistuvassa suuren kuormituksen käytössä.
Tavallisessa ajossa ylimääräiset voimansiirtoyksiköt aiheuttavat kuitenkin sähköisiä ja mekaanisia häviöitä. Tehokas ohjain valitsee yhdistelmän, jonka kokonaishäviö akusta pyörille on pienin pyydetyssä toimintapisteessä. Se voi tarkoittaa yhtä akselia, molempia akseleita kevyemmällä kuormalla tai irtikytkettyä akselia.
Moottorien yhteenlaskettuja huipputehoja ei aina voida summata. Akun purkausteho, DC-väylän virta, invertterien kapasiteetti, akseleiden pito ja lämpörajat voivat rajoittaa järjestelmätehon aritmeettista summaa pienemmäksi. Sama koskee regenerointia, kun akun kyky vastaanottaa latausta muodostaa aktiivisen rajoitteen.
Redundanssi ja rajoitettu toiminta
Useat moottorit mahdollistavat ajon jatkamisen yhden voimansiirtoyksikön poistuttua käytöstä, mutta redundanssi ei synny automaattisesti. Yhteiset akkukontaktorit, jäähdytyspiirit, ohjausyksiköt, tietoliikenneyhteydet tai suurjänniteväylät voivat edelleen olla yhteisiä vikaantumispisteitä.
Turvallisen rajoitetun toimintatilan on hallittava myös kiertoliikettä. Momentin äkillinen menetys toiselta puolelta akselia, jonka pyöriä käytetään itsenäisesti, voi synnyttää ohjausmomentin. Ohjaimet tarvitsevat vian tunnistuksen, koordinoidun momentin pienennyksen sekä riittävän jäljellä olevan jarrutus- ja vakautuskyvyn.
Jatka moottoriartikkelien sarjaa
Palaa kohtaan Electric Motors and Drive Units nähdäksesi koko moottoreita ja voimansiirtoyksiköitä käsittelevän sarjan.