KOMITET B4 PRIMJENA ELEKTRIČNIH MAŠINA I ENERGETSKIH PRETVARAČA U ELEKTRIČNIM VOZILIMA Svrkota Dragomir, AD Prenos

Uvod U radu se razmatra primjena električnih mašina i energetskih pretvarača u električnim vozilima. Izloženi su prednosti i nedostaci i data električna šema pogona jednog električnog automobila. Date su karakteristike električnog automobila “Tesla Roadster”. Razmatra se koncept energetske efikasnosti električnih vozila.

Električni pogoni kod električnih automobila Mašine jednosmjerne struje (MJS) Prednosti: ukupna cijena motora i pretvarača niža je za motor jednosmjerne struje, ali se odnos tih cijena mijenja. Nedostaci: manji stepen korisnog dejstva, veća cijena i postojanje kolektora i potreba za njihovim održavanjem. * BLDC (Brushless DC motor) Mašine naizmjenične struje (MNS): cijena 2 do 3 puta niža od motora jednosmjerne struje brzina za 50% do 150% veća od maksimalne brzine MJS efikasnost iznosi 95% do97% za razliku od 85% do 89% kod MJS Složena regulacija brzine Postojanje vučnog pretvarača za promjenu napona i učestanosti statora

Električni pogoni kod električnih automobila Mašine naizmjenične struje (MNS): Asinhroni motori sa kratko spojenim (kavezom) rotorom Sinhroni motor sa permanentnim magnetima na rotoru (PMSM) Reluktantni motori (SRM) Električna vozila ne posjeduju trofazne izvore napona. Primarni izvori su često baterije, koje daju jednosmjerni napon. Neophodno je obezbijediti vučni pretvarač na čije priključke se dovodi jedan od pomenutih načina napajanja, a koji na svojim izlazima nudi simetričan trofazni, regulisan napon promenljive frekvencije. Sl.1. Uprošćena električna šema

Sl.2. Električna šema pogonskog sistema jednog električnog automobila Električni pogoni kod električnih automobila Legenda: - Mrežni ispravljač (MI); - Visokofrekventni DC/AC pretvarač (VFP); - Ispravljački stepen VFP-a (VFI); - Akumulatorska baterija 72V ; - Trofazni tranzistorski invertor (TTI); - Motor naizmenične struje (MNS). Sl.2. Električna šema pogonskog sistema jednog električnog automobila

Sl.3. Princip bezkontaktnog punjenja baterija Punjenje baterija akumulatora kod električnih vozila ( automobila ) Jednofazni punjači: obezbjeđuju spori proces punjenja (7 do 10 sati). Trofazni punjači: obezbjeđuju veću snagu pa je vrijeme punjenja kraće (1,5 do 2 sata). Princip bezkontaktnog punjenja Povećanjem f može se dobiti veća prenijeta snaga P. To je razlog što se ide na visoke učestanosti ( f ). Punjenje se vrši impulsno. Transformator je ograničen strujom i fluksom. Snaga je UI, a napon Φf, pa je dimenziono: P ~ ΦfI. Sl.3. Princip bezkontaktnog punjenja baterija Sl.4. Priključak na mrežu pomoću mrežnih dioda

Asinhroni vučni motor i trofazni tranzistorski invertor kao vučni pretvarač u električnom automobilu (AM+TTI) Sa aspekta polaznog momenta i rada u oblasti slabljenja polja asinhroni motor se nameće kao jeno od najoljih rešenja problema pogona u električnoj vuči Radi postizanja konrolabilnosti vučne sile pribjegava se vektorskom upravljanju ainhronim motorom Skalarna ili U/f regulacija promjena brzine putem promjene učestanosti proporcionalno sa promjenom napona napajanja

Asinhroni vučni motor i trofazni tranzistorski invertor kao vučni pretvarač u električnom automobilu ( AM+TTI ) TTVP je poznati Trofazni Tranzistorski Vučni Pretvarač. (Sl.5.) Invertor je napravljen tako je njegov maksimalni izlazni napon jednak nominalnom naponu asinhronog motora (naponu trajnog rada bez oštećenja izolacije). Pri rotorskim brzinama ωr<ωn manjim od nominalne (U / f = const.) vučni motor radi u režimu konstantnog fluksa. Sl.6. Napajanje AM iz TTVP-a preko energetskog konvertora Sl.5.Trofazni tranzistorski invertor

Automobil Tesla Roadster Kao motor se koristi četvoropolni indukcioni Teslin motor (snage 180 kW), sa specijalno izrađenim rotorom. Pronalazač Martin Eberhard je prilagodio litijum-jonske baterije, slične onim u laptop-ovima. Naime on je pronašao način kako da spoji ove baterije u veća pakovanja, sa naponskom nivoom koji omogućava duži ciklus i bolje održavanje temperature. Kapacitet baterija je 50 kWh. DC/AC Invertor se sastoji od 72 tranzistora koji emituju malo toplote što olakšava hlađenje. Kao reprezentativno električno vozilo naveden je automobil Tesla Roadster. Ovaj automobil troši oko 110 Wh (0.40 MJ) elektrićne energije po kilometru ili 2.53 km/MJ. Tesla Roadster je potpuno električno sportsko vozilo ubrzava od 0 do 100 km/h za manje od 4s, dostiže punu brzinu od 230 km/h, ima radijus 415 km, a puni se za svega nekoliko sati po cijeni od 2,50 $ (USA).

Koeficijent energetske efikasnosti je odnos pređenih kilometara po jedinici energije dobijene iz izvora Osim što se posrredstvom EV koriste različiti izvori energije, ona su i energetski efikasnija od klasičnih vozila. Konverzija toplotne energije u električnu se odvija u elektranama gdje je taj proces maksimalno optimizovan Svi električni uređaji u EV su maksimalno efikasni tako da su gubici minimalni EV koriste mogučnost reverzibilnog kočenja pa se energija ne troši u slučaju zastoja u saobraćajnim gužvama

Energetska efikasnost Tehnologija Tip Potrošnja Koeficijent Energ.ef. ubrzanje Električni motor Tesla Roadtser 110Wh/km 1.14km/MJ 3.9 sec Benzinski motor Honda Civic 21.7km/l 0.52km/MJ 9.4 Dizel motor Jetta Diesel 21km/l 0.48km/MJ 11.0 sec Prirodni gas Honda CNG 14.9km/l 0.32km/MJ 12.0 sec Hibrid Insight 27km/l 0.64km/MJ 12.3 sec Gorivne ćelije Honda FCX 64km/kg 0.35km/MJ 15.8 sec Tabela1.Poređenja različitih tipova vozila prema efikasnosti

Zaključak Ovaj rad se bavi rezultatima mnogobrojnih istraživanja u sasvim novoj oblasti prmjene električnih mašina i konvertora kojima se oni napajaju. Zbog kompleksnosti oblasti bilo je dosta teško sveobuhvatno predstaviti sve moguće tehničke probleme. U budućim automobilima energetska elektronika će se upotrebljavati da bi ispunila tri različita zahtjeva. Prvi je jednostavno uključenje i isključenje potrošača, koje se izvodi putem mehaničkih prekidača i releja kod klasičnih automobila. Drugi zahtijev je kontrola električnih mašina. Treći zahtijev je ne samo povećanje ili smanjenje naponskog nivoa, već i konverzija jednog oblika električne energije u drugi putem konvertora ( DC – DC, DC – AC i AC – DC).