Układy napędowe i magazyny energii w pojazdach elektrycznych oraz systemy do ładowania baterii

Transkrypt

1 Układy napędowe i magazyny energii w pojazdach elektrycznych oraz systemy do ładowania baterii Lech M. Grzesiak

2 Plan prezentacji Ø Wprowadzenie Ø Magazyny energii Ø Maszyny elektryczne w napędach pojazdów elektrycznych Ø Przekształtnikowe układy napędowe i metody sterowania Ø Przykładowe rozwiązanie samochodu miejskiego z napędem elektrycznym Ø Stacje ładowania baterii dla samochodów elektrycznych Ø Podsumowanie

3 Samochód z silnikiem spalinowym Samochód z silnikiem elektrycznym Ø Zanieczyszczenie powietrza Ø Hałas Ø Konieczna przekładnia mechaniczna (wielostopniowa) Ø Prędkość minimalna np /min Ø Silnik wymaga okresowego serwisowania Ø Ograniczona żywotność Ø Duży zasięg Ø Niezawodność? Ø Koszt? Ø Brak emisji zanieczyszczeń Ø Hałas - brak Ø Może być napęd bezpośredni bez przekładni mechanicznej?? Ø Prędkość minimalna 0 Ø Silnik nie wymaga serwisowania Ø Długa żywotność Ø Aktualnie ograniczony zasięg Ø Niezawodność? Ø Koszt?

4 MAGAZYNY ENERGII (ŹRÓDŁA ENERGII)

5 Akumulatory litowo-jonowe

6 MASZYNE ELEKTRYCZNE

7 Wymagania stawiane maszynom elektrycznym w pojazdach: Ø Wysoka gęstość mocy Ø Wysoka sprawność Ø Niezawodność Ø Mały ciężar Ø Niskie tętnienia momentu Ø Duża przeciążalność momentem

8 Porównanie maszyn elektrycznych Maszyna prądu stałego (DC) Maszyna indukcyjna klatkowa (IM) Maszyna synchroniczna o magnesach trwałych (PMSM) Maszyna synchroniczna reluktancyjna (SRM) Gęstość mocy niska średnia bardzo wysoka średnia Sprawność niska wysoka bardzo wysoka wysoka Koszt niski bardzo niski średni średni Niezawodność niska bardzo wysoka średnia średnia Koszt sterowania bardzo niski średni niski wysoki

9 Przykładowe konstrukcje PMSM

10 Napędy elektryczne w pojazdach

11 Przykładowe rozmieszczenie silników napędowych w pojeździe

12 Zależność prędkości obrotowej koła w funkcji prędkości liniowej pojazdu

13 Podstawowa struktura napędu elektrycznego w pojeździe

14 Charakterystyki mechaniczne (stan ustalony)

15 Topologie przekształtników

16 Topologie przekształtników 16

17 Topologie przekształtnika z filtrem LC a) b) Ch1 (u sx ): 38.8V /div Ch2 (u sx ): 38.8V /div 97V 97V Ch3 (u sy ): 38.8V /div Ch4 (u sy ): 38.8V /div 97V 97V Ch1 (u sa ): 25V /div Ch2 (u sb ): 25V /div Ch3 (u sc ): 25V /div

18 Sterowanie FOC 18

19 Sterowanie z regulatorem stanu 19

20 Przykładowy pojazd z napędem elektrycznym i hybrydowym magazynem energii

21 Struktura systemu napędowego z hybrydowym magazynem energii Sygnały zewnętrzne

22 POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY - ISEP ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO Przykładowy koncepcyjny samochód elektryczny - Projekt ECO-Mobilność

23 POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY - ISEP ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO Układ napędowy z hybrydowym magazynem energii Baterie LFP Bateryjny magazyn energii umieszczony w ramie podwozia Liczba cykli: DOD, 0.5C, 25 C Gęstość energii: 85 Wh/kg Gęstość mocy: 250 W/kg Superkondesatory Liczba cykli: >1mln Gęstość energii: 5 Wh/kg Gęstość mocy: 6500 W/kg Superkondensatorowy magazyn energii

24 Układ napędowy z hybrydowym magazynem energii Tabela Właściwości elektrochemicznego magazynu energii Napięcie nominalne Maksymalne napięcie pracy Minimalne napięcie pracy Pojemność ogniwa Parametr Wartość Liczba ogniw 92 Energia użyteczna Masa (pakiety ogniw Li-ion, BMS, ładowarka, przedział stycznikowy) Moc nominalna (@0.5C) 295 V 331 V 257 V 40 Ah 12 kwh (100% DOD) 9.6 kwh (80% DOD) 170 kg 6 kw

25 Układ napędowy z hybrydowym magazynem energii Właściwości superkondensatorowego magazynu energii Parametr Wartość Napięcie nominalne 485 V Pojemność ogniwa 310 F Liczba ogniw 176 Całkowita energia zgromadzona 55 Wh Masa 11 kg Moc nominalna 8 kw Moc maksymalna 70 kw

26 Zarządzanie mocą w hybrydowym magazynie energii Przykładowe reguły wnioskowania:

27 Zarządzania mocą w hybrydowym magazynie energii - wyniki symulacyjne Cykl jazdy IM240

28 POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY - ISEP ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO Power Zarządzania mocą w hybrydowym magazynie energii - wyniki eksperymentalne

29 SYSTEMY ŁADOWANIA BATERII

30 RÓŻNICA W TANKOWANI I ŁADOWANIU POJAZDU źródło: A. Rufer. Challenges and Solu]ons Towards the Ultra Fast Charging of EV's, Interna]onal Conference on Future Mobility, Innova]on in Electric and Hybrid Vehicles, Dubai, Nov. 8th and 9th 2015.

31 POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY - ISEP ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO PRZYBLIŻONE ZUŻYCIE ENERGII Tesla BMW Active E1 Combined: 14 kwh/100 km Urban: 10,5 kwh/100 km Extra-urban: 16,0 kwh/100 km Roadster2 Combined: km/h: 14,6 kwh/100km Przybliżone zużycie energii: ~14kWh/100km

32 SZACUNKOWA WYMAGANA MOC ŁADOWANIA Czas ładowania: 5-15 min Czas ładowania: 95 min, 11kW Ø Moc typowego przyłącza 3x230Vx16A = 11 kw Ø Energia wykorzystana do jazdy w pojeździe: ~14 kwh Ø Zwiększenie zasięgu: ~100 km Ø Sprawność ładowaniarozładowania baterii pojazdu: ~80%

33 KONCEPCJA STACJI SZYBKIEGO ŁADOWANIA Wartość mocy i ilość zgromadzonej energi: P ESS E ESS t int? t Przekształtnik małej mocy Magazyn energii Przekształtnik dużej mocy t buf t dis przepływ energii podczas magazynowania przepływ energii podczas ładowania poj. Magazynowanie energii Ładowanie pojazdu Ø duża moc wyjściowa, większa niż moc sieci zasilającej Ø pełne wykorzystanie mocy sieci zasilającej

34 RÓŻNE TYPY MAGAZYNÓW ENERGII Super kondensatory Kinetyczne zasobniki energii Akumulatory elektrochemiczne Source: [1] Source:[2] Source:[3] Mocne strony Duża gęstość mocy Żywotność Umiarkowana gęstość mocy Żywotność Duża gęstość energii Słabe strony Niska gęstość energii w j. obj. Niska gęstość energii w j. masy Straty jałowe Niska gęstość energii w j. masy Relatywnie niska żywotność [1] Maxwell Technologies; [2] Beacon Power; [3] Integreated Power Solutions;

35 Podsumowanie Pojazd zero-emisyjny = pojazd z napędem elektrycznym Ø Niemiecki program Electromobility in Germany: Vision 2020 and Beyond przewidują 1 mln pojazdów elektrycznych w 2020 roku Ø Planowane jest wprowadzenie regulacji prawnych umożliwiających rejestrowanie tylko pojazdów zero-emisyjnych w 2030 roku Ø Polski program Elektromobilność zakłada 1 mln pojazdów elektrycznych w roku 2025?