Układy napędowe i magazyny energii w pojazdach elektrycznych

POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Układy napędowe i magazyny energii
w pojazdach elektrycznych oraz
systemy do ładowania baterii
Lech M. Grzesiak
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
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
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Samochód z silnikiem spalinowym
Samochód z silnikiem elektrycznym
Ø  Zanieczyszczenie powietrza
Ø  Brak emisji zanieczyszczeń
Ø  Hałas
Ø  Hałas - brak
Ø  Konieczna przekładnia mechaniczna
Ø  Może być napęd bezpośredni bez
(wielostopniowa)
przekładni mechanicznej ??
Ø  Prędkość minimalna np. 600 1/min
Ø  Prędkość minimalna 0
Ø  Silnik wymaga okresowego
Ø  Silnik nie wymaga serwisowania
serwisowania
Ø  Długa żywotność
Ø  Ograniczona żywotność
Ø  Aktualnie ograniczony zasięg
Ø  Duży zasięg
Ø  Niezawodność ?
Ø  Niezawodność ?
Ø  Koszt ?
Ø  Koszt ?
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
MAGAZYNYENERGII
(ŹRÓDŁAENERGII)
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Akumulatorylitowo-jonowe
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
MASZYNEELEKTRYCZNE
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
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
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Porównanie maszyn elektrycznych
Maszyna prądu
stałego
(DC)
Maszyna
indukcyjna
klatkowa
(IM)
Gęstość mocy
niska
średnia
Maszyna
Maszyna
synchroniczna o
synchroniczna
magnesach
reluktancyjna
trwałych
(SRM)
(PMSM)
bardzo wysoka
średnia
Sprawność
niska
wysoka
bardzo wysoka
wysoka
Koszt
niski
bardzo niski
średni
średni
Niezawodność
Koszt
sterowania
niska
bardzo wysoka
średnia
średnia
bardzo niski
średni
niski
wysoki
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Przykładowe konstrukcje PMSM
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Napędyelektryczne
wpojazdach
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Przykładowerozmieszczeniesilnikównapędowychwpojeździe
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Zależność prędkości obrotowej koła w funkcji prędkości liniowej pojazdu
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Podstawowa struktura napędu elektrycznego w pojeździe
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Charakterystyki mechaniczne (stan ustalony)
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Topologie przekształtników
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Topologie przekształtników
16
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Topologie przekształtnika z filtrem LC
6.2. Struktury sterowania napi¶cia filtru
a)
c)
b)
Ch1 (usx ): 38.8V /div
Ch2 (u⇤
sx ): 38.8V /div
97V
97V
Ch3 (usy ): 38.8V /div
Ch4 (u⇤
sy ): 38.8V /div
97V
97V
Ch1 (usa ): 25V /div
Ch2 (usb ): 25V /div
d)
Ch3 (usc ): 25V /div
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Sterowanie FOC
18
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Sterowanie
z regulatorem stanu
19
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Przykładowypojazd
znapędemelektrycznym
ihybrydowymmagazynem
energii
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Struktura systemu napędowego
z hybrydowym magazynem energii
Sygnały
zewnętrzne
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Przykładowykoncepcyjnysamochódelektryczny-ProjektECO-Mobilność
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Układnapędowyzhybrydowymmagazynemenergii
BaterieLFP
› 
Bateryjnymagazynenergii
umieszczonywramiepodwozia
Liczbacykli:~3000@80%DOD,
0.5C,25°C
› 
Gęstośćenergii:85Wh/kg
› 
Gęstośćmocy:250W/kg
Superkondesatory
› 
Liczbacykli:>1mln
› 
Gęstośćenergii:5Wh/kg
› 
Gęstośćmocy:6500W/kg
Superkondensatorowymagazyn
energii
Hybrydowy magazyn energii miejskiego samochodu elektrycznego
POLITECHNIKAW
ARSZAWSKA
CZĘŚĆ III • ROZDZIAŁ 12
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
Tabela 12-2. Zestawienie głównych elementów magazynu elektrochemicznego
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Element
Numer seryjny
Producent
Opis
Ogniwa Li-ion
Układnapędowyzhybrydowymmagazynemenergii
WB-LYP40AHA
Winston Battery
40 Ah
BMS
Emus BMS
Elektromotus
System rozproszony z jednostką centralną
Ładowarka
4000W HF/PFC
ElCon
85 V−265 V AC, 4 kW
Stycznik
ZJW-400
Nanfeng Electric
400 A
Tabela 12-3. Właściwości elektrochemicznego magazynu energii
Parametr
Wartość
Napięcie nominalne
295 V
Maksymalne napięcie pracy
331 V
Minimalne napięcie pracy
257 V
Pojemność ogniwa
40 Ah
Liczba ogniw
Energia użyteczna
92
12 kWh (100% DOD)
9.6 kWh (80% DOD)
Masa (pakiety ogniw Li-ion, BMS, ładowarka, przedział stycznikowy)
170 kg
Moc nominalna (@0.5C)
6 kW
energii równą 40 A, natomiast średni 15-sekundowy prąd chwilowy w cyklu 1-minutowym
równy 120 A. Parametry magazynu elektrochemicznego przedstawiono w tabeli 12-3.
Topologa hybrydowego magazynu energii
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Układnapędowyzhybrydowymmagazynemenergii
Rys. 12.3. Superkondensatorowy magazyn energii
Tabela 12-4. 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
prądu. Wybrany zakres napięcia jest typowym zakresem pracy magazynów superkondesatorowych (Cao and Emadi 2012), (Liang et al. 2013). Stanowi on kompromis między wykorzy-
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Zarządzaniemocąwhybrydowymmagazynieenergii
Przykładowereguływnioskowania:
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Zarządzaniamocąwhybrydowymmagazynieenergii-wynikisymulacyjne
Cykljazdy–IM240
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Power
Zarządzaniamocąwhybrydowymmagazynieenergii-wynikieksperymentalne
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
SYSTEMYŁADOWANIA
BATERII
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
RÓŻNICAWTANKOWANIIŁADOWANIUPOJAZDU
źródło:A.Rufer.ChallengesandSolu]onsTowardstheUltraFastChargingofEV's,Interna]onalConferenceonFutureMobility,Innova]oninElectricandHybrid
Vehicles,Dubai,Nov.8thand9th2015.
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
PRZYBLIŻONEZUŻYCIEENERGII
Tesla
BMW Active E1
Combined: 14 kWh/100 km
Urban: 10,5 kWh/100 km
Extra-urban: 16,0 kWh/100 km
Roadster2
Combined:12.7kWh/100km
@90km/h:14,6kWh/100km
Przybliżonezużycieenergii:~14kWh/100km
1.  http://www.practicalenvironmentalist.com/automobiles/bmw-activee-electric-car-2011.htm
2.  http://de.wikipedia.org/wiki/Tesla_Roadster#Energieumsatz
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
SZACUNKOWAWYMAGANAMOCŁADOWANIA
Czasładowania:
5-15min
Czasładowania:
95min,11kW
Ø  Moctypowegoprzyłącza
3x230Vx16A=11kW
Ø  Energiawykorzystanadojazdyw
pojeździe:~14kWh
Ø  Zwiększeniezasięgu:~100km
Ø  Sprawnośćładowaniarozładowaniabateriipojazdu:
~80%
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
KONCEPCJASTACJISZYBKIEGOŁADOWANIA
Wartośćmocyiilośćzgromadzonejenergi:
PESS EESS
tint
?
Przekształtnik
małejmocy
t
Magazynenergii
przepływenergii
podczasmagazynowania
tbuf
Przekształtnik
dużejmocy
przepływenergii
podczasładowaniapoj.
tdis
Magazynowanie
energii
Ø  „duża”mocwyjściowa,większaniżmocsiecizasilającej
Ø  pełnewykorzystaniemocysiecizasilającej
Ładowanie
pojazdu
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
RÓŻNETYPYMAGAZYNÓWENERGII
Superkondensatory
Kinetycznezasobniki
energii
Source:[2]
Source: [1]
Mocnestrony
Słabestrony
•  Dużagęstośćmocy
•  Żywotność
•  Umiarkowana
gęstośćmocy
•  Żywotność
•  Niskagęstośćenergii •  Stratyjałowe
wj.obj.
•  Niskagęstość
•  Niskagęstośćenergii
energiiwj.masy
wj.masy
[1] Maxwell Technologies; [2] Beacon Power; [3] Integreated Power Solutions;
Akumulatory
elektrochemiczne
Source:[3]
•  Dużagęstość
energii
•  Relatywnieniska
żywotność
POLITECHNIKAWARSZAWSKA
WYDZIAŁELEKTRYCZNY-ISEP
ZAKŁADNAPĘDUELEKTRYCZNEGO
Podsumowanie
Pojazd zero-emisyjny = pojazd z napędem elektrycznym
Ø  Niemieckiprogram„ElectromobilityinGermany:Vision2020and
Beyond”przewidują1mlnpojazdówelektrycznychw2020roku
Ø  Planowanejestwprowadzenieregulacjiprawnychumożliwiających
rejestrowanietylkopojazdówzero-emisyjnychw2030roku
Ø  Polskiprogram„Elektromobilność”zakłada1mlnpojazdów
elektrycznychwroku2025?