Układy napędowe i magazyny energii w pojazdach elektrycznych oraz

Transkrypt

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

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

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

4 Zależność prędkości obrotowej koła w funkcji prędkości liniowej pojazdu

5 MAGAZYNY ENERGII (ŹRÓDŁA ENERGII)

6 Porówanie różnych typów akumulatorów litowo-jonowych* LiCoO 2 LiMn 2 O 4 LiNiMnCoO 2 LiNiCoAlO 2 LiFePO 4 Li 4 Ti 5 O 15 (LCO) (LMO) (NMC) (NCA) (LFP) (LTO) Energy density (Wh/kg) Power density (W/kg) Pulse power density duration of 2s (Wh/kg) n/a n/a up to 2300 up to 2300 up to 6000 up to 3600 Cycle life (to 80% of initial capacity) Temp. range( C) discharging - 20 to to to to to to 60 charging 0 to 45 0 to 45 0 to 40 0 to 40 0 to to 55 Self-discharge per month 5% 5% - - 5% 2% Cell voltage (average) Max. load current constant 1 to 3 C up to 18 C 2.5 to 5 C 3 to 20 C 3 to 20C 2 to 10 C pulse (2s) n/a n/a 10 C 15 to 25 C 10 to 50 C 10 to 18 C charge rate Safety normal 1C 1 to 4C 0.5 to 1C 1 C 0.5 to 2 C 1 C fast n/a n/a n/a 2 to 4 C Low safety, thermally unstable * Przybliżone dane na podstawie kart katalogowych z 2010r. Low safety, thermally unstable Low safety, thermally unstable Low safety, thermally unstable 3 to 5 C 15s pulse up to 15 C Good safety, thermally stable, not flammable 6 C Good safety, thermally stable Źróło: dokumentacja wewnętrzna projektu UFCEV - Ultra-Fast Charging of Electric Vehicles, dyrektor projektu: prof. Alfred Rufer, EPFL - ENERGY CENTER

7 Akumulatory litowo-jonowe

8 MASZYNE ELEKTRYCZNE

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

10 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

11 Przykładowe konstrukcje PMSM

12 Porównanie silników o konstrukcji z podwójnym stojanem i o konstrukcji z podwójnym wirnikiem dla PMSM ~ 32kW Rodzaj wykonania Podwójny stojan Podwójny wirnik Parametry Moment [Nm] Moc[kW] Prędkość obrotow[rpm] Prąd(amplituda) wewnętrzny stojan[a] Prąd(amplituda) zewnętrzny stojan[a] Indukowane napięcie(rms) zewnętrzny stojan[v] Indukowane napięcie(rms) zewnętrzny stojan[v] Masa[kg], Gęstość momentu[nm/kg] Długość stojana [mm]

13 Napędy elektryczne w pojazdach

14 Przykładowe rozmieszczenie silników napędowych w pojeździe

15 Przykłady napędów elektrycznych [raport ECO-mobilność] Firma Rodzaj silnika elektrycznego Moc [kw] Napęd Prędkość [obr/min] TOYOTA COROLLA prądu stałego 14,3 kw pośredni BYD Auto PMSM 75 kw, 115 kw pośredni Nissan EV-11 PMSM 80 kw pośredni Tesla Roadster indukcyjny 90 kw (maksymalna) pośredni Michelin WILL pośredni, przekładnia w kole Venture PMSM 4x55kW pośredn, przekładnia w kole (maksymalna) Eliica PMSM 6x60 kw (maksymalna) pośredni z przekładnią, 6 kół Mitsubishi Colt EV PMSM 20 kw (maksymalna) bezpośredni koło na wale silnika Mitsubishi Lancer Evolution MIEV PMSM 20 kw (maksymalna) bezpośredni silnik w kole

16 Podstawowa struktura napędu elektrycznego w pojeździe

17 Charakterystyki mechaniczne (stan ustalony)

18 Topologie przekształtników

19 Topologie przekształtników 19

20 Topologie przekształtnika z filtrem LC

21 Sterowanie FOC 21

22 Strategie sterowania silnikami PMSM 1 Stały kąt (pi/2) id= 0 2 -Stały współczynnik mocy 3 Stały strumień stojana 4 Stały stosunek momentu do prądu stojana

23 Sterowanie z regulatorem stanu 23

24 Przykładowy pojazd z napędem elektrycznym i hybrydowym magazynem energii

25 Struktura systemu napędowego z hybrydowym magazynem energii Sygnały zewnętrzne

26 Przykładowy koncepcyjny samochód elektryczny - Projekt ECO-Mobilność

27 Układ napędowy z hybrydowym magazynem energii Baterie LFP Liczba cykli: DOD, 0.5C, 25 C Gęstość energii: 85 Wh/kg Gęstość mocy: 250 W/kg Superkondesatory Liczba cykli: >1mln Gęstość energii: 5Wh/kg Gęstość mocy: 6500W/kg Bateryjny magazyn energii umieszczony w ramie podwozia Superkondensatorowy magazyn energii

28 Układ napędowy z hybrydowym magazynem energii

29 Układ napędowy z hybrydowym magazynem energii

30 Przekształtniki DC/DC Parametry przekształtników DC/DC Topologia Sterownik IGBT Radiator DC-link Wymiary Waga 2-poziomowy DSC + FPGA 150 A, 600 V Chłodzony cieczą Kondensatory elektrolityczne 292 x 210 x 208 mm 8,5 kg Objętość 12,75 dm 3 Gęstość mocy 6,35 kw/kg 4,23 kw/dm 3

31 Przekształtnik napędowy DC/AC Parametry przekształtnika DC/AC Topologia Sterownik IGBT Radiator DC-link Wymiary Waga 3-poziomowy NPC DSC + FPGA 150 A, 600 V Chłodzony cieczą Kondensatory suche 320 x 210x 150 mm 7,5 kg Objętość 10dm 3 Gęstość mocy 5,1 kw/kg 3,8 kw/dm 3

32 Dyferencjał elektroniczny bazujący na modelu Ackermanna Zmiana różnicy prędkości kół napędowych w zależności od kąta skrętu i b [A] i a [A]

33 Zarządzanie mocą w hybrydowym magazynie energii Przykładowe reguły wnioskowania:

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

35 Zarządzania mocą w hybrydowym magazynie energii - wyniki eksperymentalne Power

36 SYSTEMY ŁADOWANIA BATERII

37 RÓŻNICA W TANKOWANI I ŁADOWANIU POJAZDU źródło: A. Rufer. Challenges and Solutions Towards the Ultra Fast Charging of EV's, International Conference on Future Mobility, Innovation in Electric and Hybrid Vehicles, Dubai, Nov. 8th and 9th 2015.

38 PRZYBLIŻONE ZUŻYCIE ENERGII BMW Active E 1 Tesla Roadster 2 Combined: 14 kwh/100 km Urban: 10,5 kwh/100 km Extra-urban: 16,0 kwh/100 km Combined: km/h: 14,6 kwh/100km Przybliżone zużycie energii: ~14kWh/100km

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

40 KONCEPCJA STACJI SZYBKIEGO ŁADOWANIA Wartość mocy i ilość zgromadzonej energi: przepływ energii podczas magazynowania przepływ energii podczas ładowania poj. Magazynowanie energii Ładowanie pojazdu duża moc wyjściowa, większa niż moc sieci zasilającej pełne wykorzystanie mocy sieci zasilającej

41 RÓŻNE TYPY MAGAZYNÓW ENERGII Super kondensatory Kinetycznezasobniki energii Akumulatory elektrochemiczne Mocne strony Source: [1] Source:[2] Source:[3] Duża gęstość mocy Żywotność Umiarkowana gęstość mocy Żywotność Dużagęstość energii Słabe strony Niska gęstośćenergii 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;

42 KINETYCZNY ZASOBNIK ENERGII ZALETY: + Duża moc wyjściowa + Duża sprawność dla powtarzającego się cyklu (ładowanie-rozładowanie) + Długi czas żywotności + Brak degradacji pojemności w czasie + Niewielki wpływ temperatury na właściowości magazynu + Łatwo mierzalna wartość zgromadzonej energii WADY: - Duża masa - Wysokie straty jałowe - Złożona konstrukcja - Duży koszt wykonania Źróło: DZIECHCIARUK, G., GRZESIAK, L., VEZZINI, A., HÕIMOJA, H. Analysis of a flywheel storage system for ultra-fast charging station of electric vehicles with regard to electric machine design and operational speed range. Przegląd Elektrotechniczny, 2013.

43 KINETYCZNY ZASOBNIK ENERGII Zgromadzona w masie wirującej energia jest opisana zależnością przy czym J- jest momentem bezwładności, a ω prędkością kątową. Teoretyczna gęstość energii zgromadzonej w wirującej masie przy uwzględnieniu maksymalnej wytrzymałości materiału jest wyznaczana z zależności przy czym σ max jest współczynnikiem wytrzymałości materiału, ρgęstością właściwą materiału, K współczynnikiem kształtu, a m masą.

44 MAGAZYN BATERII AKUMULATORÓW ZALETY: + gęstość energii w j. objętości i masy + sprawność pełnego cyklu (ładowanierozładowanie) + Relatywnie prosta konstrukcja + Pomijalne straty jałowe(samorozładowanie) WADY: - Parametry systemu silnie zależne od temperatury otoczenia i stopnia przewymiarownia magazynu - Degradacja parametrów magazynu w czasie - Żywotnosć zależna od warunków pracy Źróło: dokumentacja wewnętrzna projektu UFCEV -Ultra-Fast Charging of Electric Vehicles, dyrektor projektu: prof. Alfred Rufer, EPFL - ENERGY CENTER

45 PORÓWANIE SPRAWNOŚCI BATERYJNEGO I KINETYCZNEGO MAGAZYNU ENERGII PRZY UWZGLĘDNIENIU CZASU BEZCZYNNOŚCI SPRAWNOŚĆ SYSTEMU BATERYJNEGO Sprawność zależna głównie od rozmiaru systemu bateryjnego Sprawność zależna od typu maszyny elektrycznej Założenia (mag. kinet.) : - Sprawność dla cyklu o profilu: 10 kw ładowanie, 300 kw rozładowanie - Straty w łożyskach: 500 W - Straty na opory powietrza: 400 W - Magazynowana energia: 24 kwh Źróło: dokumentacja wewnętrzna projektu UFCEV - Ultra-Fast Charging of Electric Vehicles, dyrektor projektu: prof. Alfred Rufer, EPFL - ENERGY CENTER

46 WYMIAROWANIE MAGAZYNU ENERGII ZE WZGLĘDU NA MOC ROZŁADOWANIA Przebiegi testu na pojedyńczym ogniwie: i * dis 3 h -1 4 h -1 5 h -1 6 h -1 P * dis_cell W W W W η bat 87.2 % 84.2 % 81.6 % 79.3 % ΔT 4.0 C 5.8 C 8.6 C 12.7 C n cell,s m bat 592 kg 429 kg 351 kg 304 kg Profil pracy: 55 min ładowanie, 5 min rozładowywanie Moc wyjściowa: 160 kw Akumulatory litowojonowe LiFePO 4 Masa baterii uwzględnia tylko ogniwa Źródło: H. Hõimoja, A. Rufer, G. Dziechciaruk and A. Vezzini. An Ultrafast EV Charging Station Demonstrator International Symposium on PowerElectronics, Electrical Drives, Automation and Motion, Sorrento, Italy, June 20-22, 2012.

47 Podsumowanie Pojazd zero-emisyjny = pojazd z napędem elektrycznym Niemiecki program Electromobilityin Germany: Vision2020 and Beyond przewidują 1 mln pojazdów elektrycznych w 2020 roku Planowane jest wprowadzenie regulacji prawnych umożliwiających rejestrowanie tylko pojazdów zero-emisyjnych w 2030 roku Polski program Elektromobilność zakłada 1 mln pojazdów elektrycznych w roku 2025?