Elektromos járművek Elektromos hajtásláncok szimulációja és optimalizációja Kőrös Péter Közúti és Vasúti Járművek Tanszék / JKK Tanszéki mérnök (IS201 vagy a tanszéken) E-mail: korosp@ga.sze.hu Web: http://www.sze.hu/~korosp
2 Tartalom Probléma felvetés Elektromosautó eladások 2018 Q1 (az előadás főleg a tisztán elektromos hajtással rendelkező személygépjárműveket tárgyalja, megemlítés szintjén kezeli a többi elektromos járművet) Járműhajtásban alkalmazott villamosgép típusok Géptípusok jellemzői (Teljes terhelési görbe, hatásfokmező) Hajtásláncok (jelenleg alkalmazott elrendezések) Mérések (Stacioner és dinamikus mérés) Modell alkotás Konkrét feladat bemutatása Gyakorlati rész
3 Problémakör (IPCC 2014) Mindössze 14%-ért felelős a közlekedés Megoldás és jövőkép: Elektromos, autonóm járművek megosztása
4 Problémakör Közlekedési szektorban Közúti járművek 72%! Légi közlekedés és hajózás 10-10%
5
6 2018. évi januári eladások Európában
7 Elektromos gépek DC AC Commutator Homopolar Synchronous Step Induction Permanent Magnet Wound Field Shunt Brushless DC Hysteresis Sine Wave Series Reluctance Single Phase Three Phase Separately Excited Long Shunt Cumulative Compound Long Shunt Differential Short Shunt Cumulative Short Shunt Cumulative Permanent Magnet Salent Pole Wound Field Non-salent Pole Wound Rotor Squirrel Cage Shaded Pole Etc. Shaded Pole
8 PMSM működése (Áramok a tekercsben)
9 PMSM működése (Mágneses körök) A mágneskörök szinkronban mozognak a forgórésszel A különböző geometriai kialakítások amiatt indokoltak, mert a mágneskörök átugrása nyomatéklengést okoz
10 PMSM kialakítások Forgórész paláston elhelyezett mágnesek Süllyesztett mágnesek Geometriai módosítások Pólusszám növelése Mágnes anyagok változtatása Külső- vagy belsőforgórészes kialakítás Kimondottan optimalizálási feladat (Algoritmusokkal terveztetik, különböző kitűzött célok alapján)!
11 Mágneselrendezés változtatásának eredményei Study and Comparison of several Permanent-Magnet excited Rotor Types regarding their Applicability in Electric Vehicles
12
13
14 ASM működése
15 ASM jellemző Nyomaték-fordulatszám görbéje
16
17 PMSM vs. ASM
Elektromos hajtásláncok 18 Tisztán elektromos hajtásláncok kiépítési lehetőségei Kerékagyhajtás Áttétel nélküli Áttételezett Féltengely kihajtásos Kerekenként (torque vectoring) tengelyenként (mechanikus differenciálművel)
Direkt kerékagyhajtás 19 Előnyei: Mechanikai veszteségek minimalizálhatók Rekuperáló fékezés könnyen megvalósítható Hátrányai: Rugózatlan tömeg nagymértékben megnövekszik (futómű alkatrészeinek méretei is növekednek) Hűtőkör és elektromos kábelezési gondok
Direkt kerékagyhajtás 20 Alkalmazott géptípusok PMSM (Permanent Magnet Synchronous Machine), a nagy teljesítménysűrűségük miatt A. Radális fluxusú szinkrongép B. Axiál fluxusú szinkrongép
Direkt kerékagyhajtás: példa I. 21 Siemens (2015) Maximum teljesítmény: 2 x 120 kw Maximum nyomaték: 2 x 1250 Nm
Direkt kerékagyhajtás: példa II. 22 Prodrive (elaphe project) Maximum teljesítmény: 40-110 kw Maximum nyomaték: 400 1500 Nm Tömeg: 17-90 kg Maximum fordulatszám: 1100-1500 rpm
Direkt kerékagyhajtás: példa III. 23 Mitsuba kerékagyhajtás Mechanikus mezőgyengítés Amorf vasmag
Direkt kerékagyhajtás: példa III. 24 Mitsuba kerékagyhajtás Mechanikus mezőgyengítés nélkül Hagyományos vasmag
Direkt kerékagyhajtás: példa III. 25 Mitsuba kerékagyhajtás Mechanikus mezőgyengítés
Direkt kerékagyhajtás, hajtóművel: példa I. 26 Tipikus FS hajtáslánc Bolygóműves áttételezés Nagy fordulatszámú motorok (max. rpm 16.000 22.000) Kis tömeg Nagy telj. sűrűség Kábelezési gondok! Hűtés? (mechanikai elemek és motor is) Gyorsulási világrekord: 1.513 s (0-100 km/h) 1.87214 G
Kerekenkénti kihajtás 27 A jármű dinamikája nagymértékben javítható Drága rendszer Jól méretezhető Hajtás szempontjából legjobb felépítés Általában hajtőműves hajtás (egy- vagy kétlépcsős hajtás lassítás) Általában összkerékmeghajtás
28
Kerekenkénti kihajtás (Audi R8 e-tron, prototípus) 29
Kerekenkénti kihajtás (Audi R8 e-tron, prototípus) 30
Tengelyenkénti kihajtás 31
Tengelyenkénti kihajtás Tesla Model 3 32
33 Nissan LEAF 7.
34 KIA SOUL EV 6.
35 Hyundai Ioniq 5.
36 Smart Fortwo ED 4. Műszaki adatok: Teljesítmény: 20 kw (27 LE) folyamatos; csúcs teljesítménye 30 kw (40 LE) kb. 2 percen keresztül Nyomaték: 120 Nm Akkumulátor kapacitása: 16,5 kwh Gazdaságosság: 12 kwh / 100 km Hatótáv: 135 km (NEDC ciklusban) Legnagyobb sebesség: 100 km/h 8-as lassító áttétel
37 BMW i3 3.
38 Renault Zoé 2. 41 kwh-os lítium-ion akkumulátor (300 kg) Az akkumulátort a Renault és partnere, az LG Chem fejlesztette. Az R55 / 90-es motorra (korábbi nevén R240, a 75 és 55 kw közötti) és a 90 kw-os (66 kw) teljesítményű motorra épül 400 km hatótáv a NEDC ciklussal A Renault szerint az akkumulátor körülbelül 300 km valós hatótávval rendelkezik.
39 VW e-golf 1.
40 Hajtásláncok mérése Két nagy csoport: Stacioner (munkaponti) Dinamikus (menetciklusok) Hajtáslánc mérete, mért összetevői Motortól kerekekig? Csak motor?
41 200 kw-os tesztpad L2-K5 labor SZE
42 200 kw-os tesztpad L2-K5 labor SZE
43 5 kw-os tesztpad L2-K5 labor SZE
44 Elektromos gép mérése Célja, hogy a villamos forgógép jellemzőit mérje Mért értékek: Fázisáramok és fázisfeszültségek, mechanikai mennyiségek (nyomaték fordulatszám) A mérés bonyolult feladat (nagy frekvenciás elektromos mennyiségek mérése) Pl.: Fázisfeszültségek mérése: 16 khz kapcsolási frekvencia esetén minimum 32 khz-es mintavételezés a fázisfeszültség mérésnél stb. Veszteségteljesítmény számítások (vas, mágnes veszteségek stb.) Nem hajtáslánc vizsgálati módszer, inkább motorfejlesztés Kész mérőberendezések léteznek géptípusok alapján (kb. 8 M Ft-tól.)
45 Hajtáslánc mérések I. Munkaponti mérések Célja, hogy a hajtáslánc mechanikai és DC elektromos mennyiségeit mérje Munkaponti mérésekkel meghatározható mennyiségek Teljes terhelési görbe felvétele (Nyomaték - fordulatszám görbe) Elektromos gép és motorvezérlő együttes hatásfokmezője Teljes energetikai lánc mérése (Felvett elektromos teljesítmény -> Kerekeken leadott mechanikai teljesítmény
46 Hajtáslánc mérések II. (Hatásfokmező felvétele)
47 Hajtáslánc mérések III. (mérésfeldolgozás automatizálása) Adatfeldolgozás különböző programokban MATLAB függvény generálja le a diagramokat és összefüggéseket leíró polinomokat A feldolgozó program kb. 600 soros kb. 22.000 karakterű programkód
48 Hajtáslánc mérések IV. (hajtások összehasonlítása) Emoteq MF series PMSM Munkapontra optimalizált PMSM
49 Hajtáslánc mérések IV. (hajtások összehasonlítása)
Hajtáslánc mérések V. (hajtások összehasonlítása, ciklusmérés) 1,5%-os javulás 50
51 Dinamikus mérések (menetciklusok mérése) Mérés célja: Adott mechanikai teljesítményprofil mentén (nyomaték-sebesség) hajtásláncok vizsgálata, mechanikai és villamosteljesítmény mérése mellett Mérés követelménye: A mérésirányítórendszer kellő gyorsasága, automatizálhatósága, a fékgép kellő dinamika tartaléka (neki kell a sebességprofilt tartania), Táprendszer ingadozásmentessége A mérések révén teljesíthető feladatok: Energiatároló méretezés Villamosgép méretezés Energetikai összehasonlítások (feltétel, hogy a két hajtás egyező mechanikai munkát végez el a tesztpadon)
52 Hajtáslánc szimuláció (absztrahált modell) Hajtáslánc vizsgálatához szükséges modellek: Hajtáslánc (Kellően egyszerűsítve) Jármű (Egyszerűsített modell is lehet, pl. csak hosszirányú dinamikai modell) Pályamodell (nem kötelező, ha nincs, sík terepet feltételezünk) Pilóta (nem kötelező) Szoftver környezet: Hajtáslánc szimulációra alkalmas célprogram: pl. AVL CRUISE Teljes jármű szimulációja: pl. IPG CarMaker Előnyeik, hogy bizonyos HIL feladatokra is alkalmas programrészeket tartalmaznak Hátránya, bonyolultak, megkötésekkel rendelkeznek, saját funkciók megvalósítása nehézkes Matematikai modell alapján szimulációs modell megalkotása pl. MATLAB Simulinkben
53 Gyakorlati példa Shell Eco-marathon verseny Hallgatói csapatok Kb. 16 km távolság megtétele különböző hajtásrendszerekkel (elektromos, belsőégésű, hibrid stb.) Feladat: 16 km megtétele úgy, hogy minimális energiát használjon fel a rendszer (Joule meterrel mérik) Korlátozó tényezők: Minden körben meg kell állni a rajtvonalnál, forgalom, új pályák
54 Ötlet I. Motormérések alapján a járművet vezető pilótának jelezhetjük, hogy mennyire hatékony munkaponton üzemelteti a jármű hajtásrendszerét Motormérések alapján, ha áram szerint deriváljuk a motor munkaterét, akkor egy görbe fogja jelölni azokat a munkapontokat, ahol a villamosgép a legjobb hatásfokkal dolgozik! 1,7 %-os eredmény javulás a módszernek köszönhetően! (A motoroptimalizálás kb. 4-5 mérnök 1,5 éves feladata volt)
55 Ötlet II. Az előző módszert ne csak kijelzésre használjuk, hanem alkalmazzuk az aktuális nyomatékreferencia előállítására! Szimulációk! 3,86%-os javulás
56 Ötlet III. A hajtáslánc üzeme két jól elkülöníthető üzemre bontható: Álló helyzetből való rajtolás utazósebességre (0-28 km/h) Átlagsebesség tartása, hogy az időlimitet tartani lehessen (28 km/h) Egyszerűsített hajtáslánc modell Optimalizálás Terhelésbecslő (rendszer gyorsulása alapján) A rendszer képes a külső plusz terheléseket kiszámolni és aszerint vezetni a járművet Automatikus rajt 17% csökkentette az energiafelhasználást! A ciklusvezérlés 11% javulást hozott!
57 Ötlet IV. Automatizált bi-stabil tengelykapcsoló alkalmazása A motor szabadonfutási féknyomatéka kiküszöbölhető! Automatikus fékezés, az automata rajtprogram alapján!
Köszönöm a figyelmet! E-mail: korosp@ga.sze.hu Web: http://www.sze.hu/~korosp 58