Nowe trendy w elektromobilności ocena (częściowo) subiektywna Lech M. Grzesiak
Plan prezentacji Ø Wprowadzenie Ø Elektryczne układy napędowe i metody sterowania Ø Przykładowe rozwiązanie samochodu miejskiego z napędem elektrycznym Ø Stacje ładowania baterii dla samochodów elektrycznych Ø Podsumowanie
May 15 2017 at 11:08 AM, Stanford University Economist's views " A Tesla Model S, which has 18 moving parts, one hundred times fewer than a combustion engine car. "Maintenance is essentially zero," says Stanford University economist Tony Seba. "That is why Tesla is offering infinite-mile warranties. You can drive it to the moon and back and they will still warranty it." No more petrol or diesel cars, buses, or trucks will be sold anywhere in the world within eight years. The entire market for land transport will switch to electrification, leading to a collapse of oil prices and the demise of the petroleum industry as we have known it for a century. Only nostalgics will cling to the old habit of car ownership. The rest will adapt to vehicles on demand. It will become harder to find a petrol station, spares, or anybody to fix the 2000 moving parts that bedevil the internal combustion engine. Dealers will disappear by 2024.
Samochód z silnikiem spalinowym Ø Płyta podłogowa Ø Napęd - silnik spalinowy o Konieczna przekładnia Różnice Samochód z silnikiem elektrycznym Ø Płyta podłogowa Odmienne podwozie dostosowane do umieszczenia baterii mechaniczna (wielostopniowa) o Prędkość minimalna np. 600 1/min o Silnik wymaga okresowego serwisowania o Ograniczona żywotność Ø Źródło zasilania paliwo Ø Ogrzewanie - chłodzenie elektrochemicznej Ø Napęd silnik elektryczny o Może być napęd bezpośredni bez przekładni mechanicznej?? o Prędkość minimalna 0 o Silnik nie wymaga serwisowania o Długa żywotność Ø Źródło zasilania bateria el. Ø Ogrzewanie chłodzenie?
Przykładowe rozmieszczenie silników napędowych w pojeździe
Przykładowe rozmieszczenie silników napędowych w pojeździe
Podstawowa struktura napędu elektrycznego w pojeździe Źródło energii Przekształtnik energoelektroniczny Maszyna elektryczna pomiary System sterowania pomiary
Zespół napędowy z baterią elektrochemiczną Bateria elektrochemiczna Przekształtnik energoelektroniczny Maszyna elektryczna pomiary System sterowania pomiary
Zespół napędowy z ogniwem paliwowym (wodór) Ogniwo Paliwowe + Dynamiczny magazyn energii Przekształtnik energoelektroniczny Maszyna elektryczna pomiary System sterowania pomiary
Sterowanie FOC 10
Topologie przekształtników
Topologie przekształtników 12
FY 2015 Annual Progress Report - Electric Drive Technologies GM s Next Generation Inverter 55kW : cel do osiągnięcia gęstość mocy 13.4kW/L oraz 14.1kW/kg. Przekształtnik skalowalny dla większych mocy. Projekt przewiduje że w 2020 cena będzie wynosiła $3.30/kW przy produkcji rocznej 100 000 szt.
FY 2015 Annual Progress Report - Electric Drive Technologies Prototypowy falownik: zintegrowana obudowa i radiator, struktury półprzewodnikowe montowane bezpośrednio na radiatorze, sterowniki i układ sterowania na wspólnej płycie drukowanej podpiętej bezpośrednio do tranzystorów SiC MOSFET.
Wymagania stawiane maszynom elektrycznym w pojazdach: Ø Wysoka gęstość mocy (momentu) Ø Wysoka sprawność Ø Niezawodność Ø Niskie tętnienia momentu Ø Duża przeciążalność momentem Ø Niska cena
Rodzaje maszyn elektrycznych stosowanych w pojazdach: Ø Silnik komutatorowy prądu stałego DC Ø Silnik bezszczotkowy prądu stałego BLDC Ø Silnik synchroniczny o magnesach trwałych PMSM Ø Silnik synchroniczny o wzbudzeniu elektromagnetycznym Ø Silnik indukcyjny klatkowy Ø Silnik reluktancyjny Ø Silniki hybrydowe
Prace rozwojowe w obszarze maszyn elektrycznych: Ø Wykorzystanie Cobalt Iron (CoFe) Materials (2,35T) Ø Wprowadzenie blach magnetycznych o wysokiej zawartości krzemu Blacha powszechnie stosowana ma 2 3% Si. Blacha o zawartości 6,5% Si ma wyższą rezystywność i pozwala ograniczyć straty na prądy wirowe i straty histerezowe o 35% Ø Zastąpienie magnesów trwałych NdFeB (indukcja 1.2 T) innymi materiałami (np. ferrytami). Ø Wykorzystanie momentu reluktancyjnego do zwiększenia momentu maksymalnego w maszynach z NdFeB. Ø Skoncentrowane uzwojenie ograniczenie strat w uzwojeniach i lepsza wymiana ciepła oraz lepszy współczynnik wypełnienia. Ø Silniki PMSM z podwójnym stojanem lub wirnikiem (większa gęstość momentu)
Przykładowe konstrukcje PMSM
POLITECHNIKA WARSZAWSKA Przykładowy koncepcyjny samochód elektryczny - Projekt ECO-Mobilność
Struktura systemu napędowego z hybrydowym magazynem energii Sygnały zewnętrzne
POLITECHNIKA WARSZAWSKA Układ napędowy z hybrydowym magazynem energii Baterie LFP Bateryjny magazyn energii umieszczony w ramie podwozia Superkondensatorowy magazyn energii Liczba cykli: ~3000 @80% 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
Zarządzanie mocą w hybrydowym magazynie energii Przykładowe reguły wnioskowania:
POLITECHNIKA WARSZAWSKA Power Zarządzania mocą w hybrydowym magazynie energii - wyniki eksperymentalne
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.
BEZPRZEWODOWE ŁADOWANIE BATERII POJAZDU ELEKTRYCZNEGO 120 V or 240 V PFC CONV HF INV Air cores AC-DC CONV Off vehicle parts Loosely coupled coils In vehicle parts
May 15 2017 at 11:08 AM, Stanford University Economist's views It is an existential threat to Ford, General Motors, and the German car industry. They will face a choice between manufacturing EVs in a brutal low-profit market, or reinventing themselves a self-drive service companies, variants of Uber and Lyft. They are in the wrong business. The next generation of cars will be "computers on wheels". Google, Apple, and Foxconn have the disruptive edge, and are going in for the kill. Silicon Valley is where the auto action is, not Detroit, Wolfsburg, or Toyota City. China is moving in parallel, pushing for 7 million electric vehicles by 2025, enforced by a minimum quota for "new energy" vehicles that shifts the burden for the switch onto manufacturers. "The trend is irreversible," said Wang Chuanfu, head of the Chinese electric car producer BYD, backed by Warren Buffett's Berkshire Hathaway. EVs will increase US electricity demand by 18 per cent, but that does not imply the need for more capacity. They will draw power at times of peak supply and release it during peak demand. They are themselves a storage reservoir, helping to smooth the effects of intermittent solar and wind, and to absorb excess base-load from power plants.
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. Planowane jest wprowadzenie regulacji prawnych umożliwiających rejestrowanie tylko pojazdów zero-emisyjnych w 2030 roku. Ø Chiny przewidują, że będzie 7mln pojazdów elektrycznych w 2025 roku. Ø Polski program Elektromobilność zakłada 1 mln pojazdów elektrycznych w roku 2025?
Dziękuję za uwagę