Спортивные

МЧМ: Инверторы и редукторы

Кое-что из сферы, часто остающейся в тени.

Когда ФИА и Западный автоклуб Франции (ACO) разрабатывали концепцию Нурегсагов для Марафонского чемпионата мира (FIA WEC), они стремились снизить стоимость соревнований по сравнению со старой эпохой ЛМП1. Там разработка гибридов и автомобилей вышла из-под контроля, а бюджеты были настолько велики, что лишь немногие производители могли даже подумать об участии в соревнованиях. Класс Нурегсагов, в частности правила ЛМГ (Ле-Ман Гибрид, LMH) в нем, заставил производителей строить свои автомобили с нуля. Он был разработан с расчетом в примерно на одну десятую от стоимости участия в ЛМП1. Естественно, гладко было только на бумаге, и сегодня бюджеты оцениваются примерно в одну треть от предыдущей эпохи. Тем не менее, какая-то экономия, приятная взору рекламных отделов, имеется. К этому был добавлен набор правил ЛМДг (Ле-Ман Дейтона гибрид, LMDh), который ввели в действие в сезоне-2023 после двух лет существования ЛМГ. ЛМДг был разработан совместно ИМСА и ACO. Принятие ЛМДг в качестве второго типа автомобилей в высшем классе (Нурегсагах) стало критически важным элементом в эволюции правил, особенно вокруг гибридной системы. Производители ЛМГ были вынуждены, согласно регламенту, использовать свой мотор-генератор на передней оси, в то время как в ЛМДг пришлось использовать стандартную систему «Бош» - на задней.

Под рекламными кожурками

Часть экономии средств заключалась в сокращении возможностей разработки. Автомобили омологированы, и конструкция не может быть изменена без предварительного одобрения руководящих органов. В течение срока их службы можно сделать только определенное количество изменений, но, как говорят в командах, это не означает, что разработка остановилась.

Согласно регламенту, абсолютная максимальная мощность ЛМГ ограничена 500 кВт, хотя эта цифра затем может быть дополнительно скорректирована системой «Баланса производительности» (Balance of Performance) до 520 кВт. Эта мощность может подаваться двигателем внутреннего сгорания на задние колеса или комбинацией ДВС и электрической составляющей от мотор-генераторов. Чтобы добиться плавной подачи мощности без превышения максимального выходного значения, электроника контролирует эти параметры. Цель инженеров команд — максимально приблизиться к ограничивающей кривой крутящего момента, не превышая ее ни в одной точке трассы, и обеспечить максимально плавную подачу мощности.

Все это контролируется электроникой, и вопрос заключается в том, выгоднее ли иметь собственную индивидуальную конструкцию мотора-генератора и инвертора в автомобиле ЛМГ или проще использовать стандартный узел от «Бош», который стоит на каждом автомобиле ЛМДг.

Ключевым моментом этого обсуждения является то, что, хотя аппаратное обеспечение нельзя трогать без так называемой «замены» («джокера»), программное обеспечение можно разрабатывать на протяжении всего срока службы автомобиля.

Шесть фаз

В области, где наиболее распространенным решением является трехфазный инвертор, в «Феррари» решили управлять мощностями с помощью шести фаз. Шестифазный инвертор интегрирован в общий пакет энергоустановки, а не в трансмиссию, чтобы оптимизировать компоновку, эффективность и вес.

«В отличие от ЛМДг у нас есть возможность самостоятельно проектировать аппаратное обеспечение так, как нам требуется, — говорит руководитель отдела марафонских гонок Скудерии Фердинандо Канниццо. – У нас есть исследования в области электродвигателей, силовой электроники инверторов, и важно, как наиболее эффективно согласовать электродвигатель с инвертором».
Из-за ограничения, налагаемого на общую мощность, двигатели и инверторы не рассчитаны на максимальную производительность. Поэтому нет никакой выгоды от увеличения выходной мощности двигателей, но важно как можно быстрее достигать допустимого потолка.

«Чем эффективнее управление, тем лучше для срока службы инвертора, поскольку при той же мощности выделяется меньше тепла, что означает более низкую температуру компонентов силовой электроники и меньшую нагрузку на систему охлаждения, — объясняет Канниццо. - Получается более точное преобразование, и все это допускается регламентом, который не ограничивает конструкцию электродвигателя, инвертора или аккумулятор, поэтому мы можем углубиться во все эти тонкости».

У каждого производителя есть возможность настраивать свои инверторы для управления электроэнергией, и здесь могут возникнуть различия.

«Эффективность управления различается, — уточняет Канниццо. - Шестифазное управление инвертором обеспечивает очень точное управление, и в то же время оно эффективно, сводя к минимуму тепло, выделяемое током, проходящим через силовые устройства».

Понижая обороты

Мотор-генератор на ЛМГ имеет совершенно иные требования к функционированию по сравнению с ЛМДг. Одним из ключевых отличий является редуктор. «Когда электродвигатель спереди, нужно откалибровать двигатель под скорость вращения колес, — объясняет Канниццо. - Они вращаются примерно с частотой 3000 об/мин на максимальной скорости, может быть, больше. Когда нужно разместить один генератор сзади, то он работает со скоростью вращения двигателя, которая примерно в три раза больше».

Таким образом, если двигатель работает на частоте 9000 об/мин, а максимальная скорость вращения у электродвигателя составляет 25 000 об/мин, шаг понижения меньше, чем на передних колесах.

«В нашем случае нам нужно перейти с 25 000 об/мин на 3000 об/мин. Это огромный шаг, и редуктор из-за этого больше и тяжелее», — продолжает Канниццо. – В то же время задний электромотор немного сложнее контролировать, потому что ему нужно следовать за изменениями в пиках мощности от двигателя, в то время как спереди он просто следует за скоростью вращения колес, которая меняется не так быстро. Так что есть разные проблемы, но у ЛМДг можно применять крутящий момент ДВС вместе с системой рекуперации при ускорении и торможении. У них также есть только одна приводная ось и нет ограничений в применении запасов от рекуперации, поэтому они могут ускоряться прямо со старта или устранять турбо-лаг или вялую реакцию двигателя. Они сразу же подают крутящий момент. Существует четкая разница между ЛМГ и ЛМДг, и первые с более крупным двигателем имеют преимущество среди автомобилей ЛМГ, но находятся в невыгодном положении по сравнению с ЛМДг».

Выгоды от самостоятельности

Мотор-генераторы для триумфатора Ле-Мана последних лет, «Феррари» 499П были спроектированы в самом начале работ над машиной, но их улучшение продолжается до сих пор:
«Мы продолжаем работать над этим в рамках технических правил, — подтверждает Канниццо. – Изменения есть, но в рамках документа об омологации. Когда мы впервые разрабатывали систему, мы принимали во внимание размер, сколько места у нас было для электродвигателя, какой крутящий момент, каких оборотов мы хотели бы достичь, оставляя достаточное пространство для редуктора, чтобы добиться оптимального передаточного отношения для Ле-Мана и других трасс. Все это принималось во внимание. Если бы мы делали ЛМДГ, то стандартное решение, возможно, подошло бы для средне-статистического автомобиля, но не для нашего. Я не думаю, что в «Бош» смогли бы пройти эти «последние мили» разработки».

• Вперёд >