Architektury wielosilnikowe samochodów elektrycznych

Dodanie silników zapewnia samochodowi elektrycznemu więcej niezależnie sterowanych źródeł momentu obrotowego, ale zwiększa również masę, ilość elektroniki mocy, zapotrzebowanie na chłodzenie i liczbę obracających się elementów. Wartość architektury wielosilnikowej zależy od tego, jak skutecznie samochód wykorzystuje te silniki podczas przyspieszania, pokonywania zakrętów, jazdy ze stałą prędkością, odzyskiwania energii i w warunkach awarii.

Architektury z jednym silnikiem

Jeden silnik zazwyczaj napędza dwa koła poprzez przekładnię redukcyjną i mechanizm różnicowy. Napęd na przednie koła umieszcza zespół napędowy blisko osi kierowanej i może uprościć platformy wywodzące się z samochodów przednionapędowych. Napęd na tylne koła oddziela napęd od kierowania i może poprawić przyczepność podczas przyspieszania, ponieważ obciążenie przenosi się do tyłu.

Jeden silnik nadal może zapewniać precyzyjną kontrolę trakcji, hamowanie regeneracyjne i ingerencję hamulców w ruch odchylający samochodu. Mechaniczny mechanizm różnicowy pozwala lewemu i prawemu kołu obracać się z różnymi prędkościami, natomiast elektronicznie sterowana blokada lub hamulce cierne mogą rozdzielać użyteczny moment obrotowy między kołami.

Zaletami są niewielka liczba elementów, mała masa, niskie koszty i małe straty pasożytnicze. Głównym ograniczeniem jest to, że jedna oś musi zapewniać cały napęd i odzysk energii.

Dwa silniki i elektryczny napęd na wszystkie koła

Najpopularniejsza konfiguracja wielosilnikowa wykorzystuje po jednym silniku na każdej osi. Nie ma między nimi mechanicznego wału napędowego. Sterownik samochodu może szybko zmieniać rozdział momentu między przednią i tylną osią w granicach przyczepności opon, możliwości silników i falowników, obciążeń osi oraz mocy akumulatora.

Oba silniki nie muszą być identyczne. Producent może wybrać bardzo sprawny silnik z magnesami trwałymi dla głównej osi i silnik indukcyjny do okresowego wspomagania. Audi stosuje w Q6 e-tron quattro synchroniczny silnik z magnesami trwałymi z tyłu i silnik asynchroniczny z przodu, a Tesla podaje dla odpowiednich wersji Model 3 AWD silnik z magnesami trwałymi z tyłu i silnik indukcyjny z przodu.

Przy małym obciążeniu sterownik może wykorzystywać głównie bardziej sprawną oś, dołączać drugi silnik podczas przyspieszania lub w celu poprawy przyczepności i używać jednego albo obu silników do odzyskiwania energii. Strategia ta zależy od mapy sprawności każdego zespołu napędowego, a nie od stałej zasady, że jedna oś jest zawsze lepsza.

Odłączanie zasilania i rozłączanie osi

Silnik pozbawiony zasilania nadal może powodować straty. Magnesy trwałe indukują napięcie zawsze, gdy wirnik się obraca, a koła zębate, łożyska, uszczelnienia i olej pozostają w ruchu. Maszyny indukcyjne i wzbudzane elektrycznie mogą zmniejszać strumień wirnika, gdy nie wytwarzają momentu, ale ich straty mechaniczne pozostają.

Sprzęgło rozłączające zapobiega obracaniu się części dodatkowego napędu wraz z kołami. Może to ograniczyć straty podczas jazdy ze stałą prędkością, zwłaszcza w przypadku silnika z magnesami trwałymi, ale sprzęgło i siłownik zwiększają masę i koszt, wymagają kontrolowanych przejść oraz wprowadzają dodatkowy tryb awarii. Ponowne połączenie musi zsynchronizować obracające się części i przywrócić moment bez odczuwalnego zakłócenia.

To, czy rozłączenie oszczędza energię, zależy od cyklu jazdy. Korzyść może być mała, jeśli druga oś jest często potrzebna, natomiast ten sam mechanizm może być wartościowy podczas spokojnej jazdy autostradowej.

Układy z trzema silnikami

Samochód elektryczny z trzema silnikami zwykle ma jeden silnik na jednej osi i dwa niezależnie sterowane silniki na drugiej. Jeśli każdy z pary silników ma oddzielną przekładnię prowadzącą do jednego koła, oś może rozdzielać dodatni i regeneracyjny moment obrotowy między lewą i prawą stroną bez tradycyjnego mechanizmu różnicowego.

Taki układ umożliwia bezpośrednie sterowanie momentem odchylającym: Zwiększenie momentu napędowego na zewnętrznym kole może pomóc samochodowi skręcać, a różne momenty regeneracyjne mogą wspomagać zwalnianie. Dostępne wektorowanie nadal jest ograniczone przez łączną przyczepność wzdłużną i poprzeczną każdej opony.

Trzy silniki nie zawsze oznaczają niezależny moment dla każdego koła. W innych architekturach trzy maszyny mogą być połączone za pomocą wspólnych przekładni lub sprzęgieł. Przed wyciągnięciem wniosków o możliwościach z liczby silników trzeba znać mechaniczną drogę przenoszenia siły.

Cztery silniki

Architektura z czterema silnikami może przypisać jeden silnik do każdego koła, choć samochód może również umieścić dwa silniki w każdym zespole napędowym osi. Sterownik może wtedy regulować napęd i odzysk energii na wszystkich czterech kołach.

Układ Quad-Motor drugiej generacji firmy Rivian wykorzystuje indywidualnie sterowane silniki i automatyczne rozłączanie tylnej osi. Mercedes-Benz podaje trzy silniki o strumieniu osiowym — nie cztery — w modelu AMG GT 4-Door Coupe z 2026 roku, co pokazuje, dlaczego układ osi ma większe znaczenie niż proste kategorie marketingowe.

Niezależne silniki kół mogą szybko reagować i eliminować kompromisy mechanicznego mechanizmu różnicowego. Zwiększają jednak również liczbę falowników lub kanałów falownika, czujników, łożysk, kół zębatych i obiegów chłodzenia oraz zakres koordynacji oprogramowania. Niekorzystny wzrost masy nieresorowanej właściwy dla rzeczywistych silników w piastach nie dotyczy automatycznie silników zamontowanych w nadwoziu, które napędzają koła przez półosie.

Wektorowanie momentu jest zdolnością całego układu

Wektorowanie momentu oznacza celowe wytwarzanie różnych użytecznych momentów napędowych lub regeneracyjnych między osiami albo kołami. Określenie to nie precyzuje sposobu realizacji. Układy mogą wykorzystywać:

niezależne silniki;
aktywny mechanizm różnicowy lub zestaw sprzęgieł;
ingerencję hamulców;
różne polecenia dla przedniego i tylnego silnika;
połączenie tych metod.

Sterownik szacuje możliwości opon na podstawie prędkości kół, kąta skrętu, przyspieszenia, prędkości odchylania i modeli pojazdu. Musi koordynować żądany napęd z układem stabilizacji i hamulcami ciernymi. Przy dużym przyspieszeniu poprzecznym opona może mieć niewielki zapas przyczepności wzdłużnej na dodatkowy moment wektorujący.

Moment silnika nie jest również momentem na kole. Przełożenie i sprawność układu napędowego zwielokrotniają moment na wale, natomiast promień opony zamienia moment na kole w siłę wzdłużną. Porównywanie układów wyłącznie na podstawie podanego momentu silnika bez tych wielkości jest mylące.

Sprawność, osiągi i ograniczenia termiczne

Większa zainstalowana moc silników może poprawić przyspieszenie bez zmuszania jednej maszyny do pracy na granicy możliwości. Może również rozdzielać hamowanie regeneracyjne i zapewniać rezerwę termiczną podczas wielokrotnej pracy pod dużym obciążeniem.

Podczas zwykłej jazdy dodatkowe zespoły napędowe powodują jednak straty elektryczne i mechaniczne. Sprawny sterownik wybiera kombinację o najmniejszych całkowitych stratach między akumulatorem a kołami w żądanym punkcie pracy. Może to oznaczać jedną oś, obie osie pracujące pod mniejszym obciążeniem lub rozłączoną oś.

Łącznych mocy szczytowych silników nie zawsze można zsumować. Moc rozładowania akumulatora, prąd magistrali DC, możliwości falowników, przyczepność osi i ograniczenia termiczne mogą ograniczyć moc układu poniżej sumy arytmetycznej. To samo dotyczy regeneracji, gdy aktywnym ograniczeniem jest zdolność akumulatora do przyjmowania energii.

Redundancja i praca ograniczona

Wiele silników stwarza możliwość dalszej jazdy po wyłączeniu jednego zespołu napędowego, ale redundancja nie powstaje automatycznie. Wspólne styczniki akumulatora, obiegi chłodzenia, sterowniki, łącza komunikacyjne lub magistrale wysokiego napięcia mogą pozostać wspólnymi punktami awarii.

Bezpieczny tryb pracy ograniczonej musi również kontrolować odchylenie. Nagła utrata momentu po jednej stronie osi z niezależnie napędzanymi kołami może wytworzyć moment skręcający. Sterowniki muszą wykrywać usterki, koordynować zmniejszenie momentu i zachować wystarczającą zdolność hamowania oraz stabilizacji.

Kontynuuj serię o silnikach

Wróć do Electric Motors and Drive Units, aby zobaczyć całą serię o silnikach i zespołach napędowych.