PRIMJENA ELEKTRIČNIH MAŠINA I ENERGETSKIH PRETVARAČA U ELEKTRIČNIM VOZILIMA

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

2. 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.

3. 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): Prednosti: • 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 Nedostaci: • Složena regulacija brzine • Postojanje vučnog pretvarača za promjenu napona i učestanosti statora

4. 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

5. 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).

6. 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

7. 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

8. 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 brzinamaωr<ωnmanjim 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

9. 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).

11. 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

12. Energetska efikasnost Tabela1.Poređenja različitih tipova vozila prema efikasnosti

13. 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).