Proiect CEEX nr. X2C24 / 11.09.2006 Autoritatea Contractanta IPA S.A.

1. Proiect CEEX nr. X2C24 / 11.09.2006 Autoritatea Contractanta IPA S.A. Testarea modelului experimental de vehicul Etapa V

2. Tn2 M1 Tn1 M2 Tp1 F/R Contactor C1 Baterii tractiune S1 2x16mm2 VT1 S2 0,75mm2 D1 S4 4x16mm2 VT2 16mm2 Intreruptor I1 CHEIE CONTACT B2 S3 B1 Releu CR1 Lc Fig.5.0.1. Schema electrica de actionare 5.0 Studii si încercări suplimentare realizate 5.0.1. Schema electrică a modelului experimental

3. 5.0.2. Dispunerea elementelor componente ale schemei de acţionare Motoarele electrice sunt aşezate în compartimentul motor (faţă) sub capotă, pe puntea din faţă pe suporţi construiţi special Fig.5.0.2 Poziţionarea motoarelor electrice de tracţiune

4. Fig.5.0.3 Cuplarea la rotă a unui motor electric de tracţiune

5. Bateriile de tracţiune sunt dispuse in locul banchetei spate pe două rânduri perpendiculare pe axa mediană a vehiculului, ocupând şi o parte din portbagaj. Fig. 5.0.4 Dispunerea bateriilor de tracţiune

6. Convertoarele de tensiune sunt dispuse în spate, deasupra bateriilor, fixate de structura metalică a acestora Fig. 5.0.5 Dispunerea convertoarelor de tensiune

7. Sigurantele de forţă sunt dispuse în imediata apropiere a bateriilor, pe suporţii acestora, pentru a asigura o protecţie eficientă Fig. 5.0.6 Dispunerea siguranţelor de forţă

8. Elemetele de comutaţie:contactor şi întreruptor, au fost amplasate pe suportul bateriilor de tracţiune, pentru minimizarea traseelor şi asigurarea protecţiei pasagerilor Fig. 5.0.7 Dispunerea elementelor de comutaţie

9. Traductorul de pedală este acţionat prin cablul de acceleraţie al maşinii, cuplat la pedala de acceleraţie a vehiculului original Fig. 5.0.8 Dispunerea potenţiometrului de pedală

10. PC VT1 M1 Tn1 120VCC RP GF Intreruptor I1 I Fig. 5.0.9. Schema de incercare variator 5.0.3. Acţiuni preliminare de pregătire şi verificare 5.0.3.1. Echilibrarea în laborator a celor două acţionări

11. Gradul de incarcare [%] Fig.5.0.10.Relatia grad incarcare-t.e.m. Fig.5.0.11.Caracteristicile de incarcare GB12-100 5.0.3.2. Verificarea şi încărcarea bateriilor de tracţiune Tabel 5.0.1.Estimarea gradului de incarcare

12. 5.0.3.3. Verificarea schemei de acţionare şi protecţie S-a verificat: - funcţionarea schemei de comandă; verificarea s-a facut prin închiderea şi deschiderea cheii de contact; - izolarea galvanică faţă de masa maşinii a schemei de forţă; s-a măsurat rezistenţa între firele de alimentare de forţă şi masa maşinii obţinându-se valori mai mari de 100MΩ, ceea ce indică o izolare galvanică bună; - inexistenţa scurgerilor la masă; s-a conectat o sarcina pe care convertoarele au debitat 10A şi s-au măsurat curenţii la intrare şi la ieşire; s-au obţinut aceleaşi valori, ceea ce indică inexistenţa scurgerilor la masă; - alimearea convertoarelor de tensiune; după montarea bateriilor şi înainte de conectarea convertoarelor s-a măsurat tensiunea în gol la intrare şi la ieşire din întrerupător, respectiv contactor, şi s-au obţinut valori identice; măsurătorile s-au repetat pe o sarcină rezistivă pe care bateriile debitau un curent de 10A şi s-au obţinut tot valori identice. - funcţionarea variatoarelor; fără conectarea motoarelor s-au alimentat variatoarele care au fost cuplate pe o sarcină rezistivă pe care debitau un curent de valoare redusă 1A; s-a urmărit ca valoarea curentului să urmarescă valoarea prescrisă. - funcţionarea motoarelor în gol; s-au conectat motoarele şi traductoarele, iar roţile motoare au fost ridicate pe capre, astfel încât să se poată roti în gol; s-a urmărit ca la o anumită apăsare a pedalei turaţiile roţilor să fie cât mai egale –abaterea maximăadmisă fiind de 5%; s-a efectuat egalizarea cuplurilor dezvoltate de motoare prin modificarea factorului de amplificare al valorii impuse de curent pentru variatorul VT2. verificarea s-a făcut la 3 poziţii ale traductorului de pedala şi a fost necesară pentru a compensa frecările diferite la roţi.

13. 5.0.4. Specificaţia tehnică pentru încercarea modelului experimental Pentru a determina şi demonstra posibilităţile modelului experimental a fost necesară elaborarea unei Specficaţii tehnice pe baza căreia să se efectueze încercările. Specificaţia tehnică analizează funcţionarea modelului experimental ca ansamblu, considerând că toate elementele componente satisfac condiţiile de bună funcţionare.

14. 5.0.5. Studiul comparativ privind soluţiile alese pentru motoarele electrice Obiectivul imediat al proiectului a fost cercetarea, conceperea, dezvoltarea şi realizarea a două soluţii noi, originale de motoare electrice pentru acţionarea vehiculelor electrice diferite prin forma tensiunii de alimentare. a. b. Fig. 5.0.12 Dimensiunile de gabarit ale motoarelor proiectate a. motorul de curent continuu b. motorul de curent alternativ

15. În condiţiile concrete ale aplicaţiei se poate alege una din soluţii, pe baza unor criterii denatură tehnică, economică sau de exploatare: ►din punct de vedere constructiv: motorul de curent continuu este mai complex, ca urmare a existenţei sistemului mecanic de contacte alunecătoare pentru comutaţie, care afectează tehnologia, preţul şi fiabilitatea acestuia; motorul de curent alternativ necesită doar sistemulde traductoare de poziţie, fiind în mod cert mai simplu, mai fiabil şi mai ieftin; sub acest aspect,este de preferat motorul de curent alternativ; ►din punctul de vedere al acţionării: motorul de curent continuu necesită doar electronică de puterecu două ramuri, câte una pentru fiecare sens de rotaţie, pe când motorul de curent alternativ necesităelectronică de putere cu trei ramuri; avantajele înclină spre motorul de curent continuu, dar soluţia adoptatăîn poiect foloseşte acelaşi convertor de tensiune, existând diferenţe numai în soft; sub acest aspectnu sunt diferenţe majore între cele două tipuri; ►din punctul de vedere al pierderilor Joules care influienţează sensibil randamentul motorului,pierderile electrice în înfăşurări aduc avantaj motorului de c.c. însă acesta se caracterizează prin pierderiînsemnate la nivelul contactelor mobile perii – colector, ceea ce conduce la pierderi totale sensibil egale;sub acest aspect nu sunt diferenţe majore între cele două tipuri; ►din punct de vedere al răcirii, datorită problemelor privind evacuarea căldurii degajate la colector,este de preferat motorul de curent alternativ;

16. ►din punct de vedere al mărimii tensiunii de alimentare a convertorului de tensiune, respectiv a reduceriicurentului absorbit din baterie; odată cu creşterea tensiunii de alimentare, a vitezei de rotaţie şi a curentului desarcină, motorul de c.c. dezvoltă la colector un arc electric de o anumită intensitate, ceea ce limitează tensiuneamaximă; motorul de curent alternativ nu prezintă dezavantajele de mai sus, insă odată cu creştereavitezei de rotaţie şi a curentului de sarcină, se constată o creştere a defazajului dintre curent şi tensiune,deci o scădere a factorului de putere; în condiţiile de acţionare preconizate şi a respectării diametrului exterioral carcasei, motoarele proiectate şi executate se comportă diferit: motorul de curent alternativ proiectatpoate fi alimentat până la 110 Vcc, fara a se ivi pericol pentru integritatea sa, iar motorul de c.c. poate fialimentat în sarcină până la 80 Vcc, îşi menţine mai bine constanta de cuplu, dar dezvoltă o viteză de rotaţiemai redusă decât viteza motorului de c.a.; sub acest aspect este depreferat motorul de c.a., care poatefuncţiona la o tensiune mai ridicată. Din cele prezentate, rezultă că preferinţa se îndreaptă spremotorul de curentalternativ, motiv pentru care echipa de cercetare a decissă utilizeze pentru acţionarea modelului experimentaldouă motoare de curent alternativ, în construcţia proiectată.

17. 5.1.Încercări de laborator pentru modelul experimental de vehicul electric, cu acţionare independentă pe roţi, cu motoare de c.c. În conformitate cu această hotărârea prezentată în capitolul 5.0.5 , nu s-a mai construit al doilea motor de curent continuu, suma economisită fiind cheltuită pentru acoperirea costurilor suplimentare necesare dotării modelului experimental. Rezultatele acestor încercări sunt evidenţiate în Buletinul de Încercări nr. 001 ataşat. 5.2.Încercări de laborator pentru modelul experimental de vehicul electric, cu acţionare independentă pe roţi, cu motoare de c.a. Dupa încercările efectuate conform capitolului 5.1 s-au montat pe modelul experimental motoarele de curent alternativ. S-a recofigurat prin soft comanda convertoarelor de tensiune pentru a putea fi utilizate pentru motoarele de curent alternativ. Rezultatele acestor încercări sunt evidenţiate în Buletinul de Încercări nr. 002 ataşat.

18. 5.3.Studiu comparativ tehnic şi economic întrevariantele constructive propuse. 5.3.1. Analiza soluţiei tehnice cu motor de curent continuu Motorul de curent continuu cercetat şi realizat în cadrul acestui contact de cercetare este un motor de curent continuu special, cu număr foarte redus de crestături pe pol (practic o crestătură), ceea ce face posibil să se construiască cu un număr ridicat de poli. Se ştie că tocmai acest fapt permite obţinerea unui volum redus la o constantă de cuplu suficient de mare. Se reiterează faptul că motorul ales pentru această aplicaţie a fost studiat, în construcţia cu înfăşurările conectate în stea şi deconectarea secţiei care comută, în cadrul unei teze de doctorat aparţinând unuia dintre membrii echipei de cercetare. Motorul studiat şi realizat în cadrul acestui proiect are înfăşurările dispuse în poligon (înseriate), iar secţia care comută se află în scurtcircuit. În mod cert, această ultimă soluţie s-a dovedit a fi superioară şi reprezintă, de asemenea, obiectul tezei de doctorat a unuia dintre membrii tineri ai echipei de cercetare.

19. 5.3.1.1. Particularităţi constructive 5.3.1.2. Concluzii privind caracteristicile de funcţionare Urmărind caracteristicile de funcţionare ale motorului de curent continuu în cele două situaţii, respectiv caracteristicile predeterminate şi cele obţinute în urma măsurătorilor, se constată următoarele: ► valorile obţinute sunt similare şi sensibil apropiate ► diferenţele apar atât ca urmare a realizării practice (tehnologii, calitatea materialelor, toleranţe, asamblări etc.) cât şi ca urmare a funcţionării efective în diverse regimuri (apariţia unor pierderi mai mari decât cele estimate, datorită suprapunerii unei rezistenţe electrice a arcului electric de comutaţie în paralel cu rezistenţa motorului din regim static)

20. 5.3.1.3. Concluzii generale privind soluţia de motor de curent continuu cu colector Principalele avantaje ale soluţiei: ►Motorul de curent continuu cu colector este o soluţie deosebit de avantajoasă pentru acţionarea vehiculelor electrice datorită valorii ridicate a cuplului specific (cuplul util raportat la volumul sau la masa motorului) ►Motorul de curent continuu cu colector poate fi acţionat relativ uşor atât datorită caracteristicii sale mecanice cât şi datorită faptului că necesită doar două ramuri pentru electronica de putere (câte una pentru fiecare dintre cele două sensuri de rotaţie) ►Motorul de curent continuu cu colector permite, la un anumit gabarit (ne referim la diametrul exterior al motorului), obţinerea unei constante de cuplu mai mari pe seama valorii mai ridicate a razei circuitului indusului ►Motorul de curent continuu cu colector se bobinează mai uşor întrucât bobinajul se află pe rotor, simplificarea bobinajului rezultând şi din numărul redus de crestături faţă de o soluţie clasică (se utilizează de patru – cinci ori mai puţine bobine)

21. ► Capetele de bobine nu se suprapun, ceea ce conduce la eliminarea riscului de scurtcircuitare a bobinelor diferite, dar şi la o răcire naturală mai bună a acestor capete; de asemenea, se reduce dimensiunea axială a rotorului ►La motorul de curent continuu cu colector magneţii prezintă risc mai redus de desprindere în timpul funcţionării întrucât aceştia se montează pe stator ►Numărul relativ redus de crestături (25 – 35 de crestături) face ca tehnologia de realizare a tolei să fie mai simplă în raport cu soluţiile clasice (ne referim atât la tehnologia de execuţie a ştanţei cât şi la procesul de ştanţare) ►Pot fi montate mai multe perii în paralel, ceea ce reduce valoarea curentului pe o pereche de perii, cu consecinţe avantajoase asupra comutaţiei ►Numărul redus de crestături simplifică şi construcţia colectorului, iar scăderea curentului pe o pereche de perii permite micşorarea gabaritului lamelei colectorului, ceea ce conduce de cele mai multe ori la posibilitatea realizării colectorului în construcţie axială, cu consecinţe deosebit de favorabile asupra gabaritului de ansamblu al motorului şi a posibilităţii de răcire naturală a colectorului ►Principial, motorul de curent continuu se caracterizează prin valori rezultante mici ale rezistenţei şi inductivităţii electrice.

22. Principalele dezavantaje ale soluţiei: ►Motorul de curent continuu, în principiu, prezintă o costrucţie mai complexă prin existenţa sistemului de comutaţie cu contacte mecanice perii – colector ►De asemenea, sistemul de comutaţie reduce fiabilitatea şi durata de viaţă a motorului ►Soluţia de motor de curent continuu cu colector dezvoltată în cadrul proiectului prezintă principial câteva limite, dintre care principalele sunt: tensiunea de alimentare se limitează la 60 – 70 Vcc; curentul pe o pereche de perii se limitează la 8 – 10 A în regimurile de funcţionare dinamice de vârf; ►Motorul are probleme specifice privind răcirea colectorului. ►Deşi pierderile relative în înfăşurarea rotorului sunt mici, pierderile electrice totale în zona de comutaţie sunt de valoare ridicată şi cresc odată cu creşterea tensiunii de alimentare, a vitezei de rotaţie şi a curentului absorbit, datorită apariţiei unei rezistenţe electrice de pierderi a arcului electric, rezistenţă care se cuplează în paralel cu rezistenţa circuitului electric al rotorului din regim static.

23. 5.3.2. Analiza soluţiei tehnice cu motor de curent alternativ 5.3.2.1. Particularităţi constructive Fig. 5.3.5 Principiul de funcţionare al unui motor trifazat

24. 5.3.2.2. Concluzii privind caracteristicile de funcţionare Dacă se analizează comparativ caracteristicile de funcţionare ale motorului de curent alternativ în cele două situaţii, respectiv caracteristicile predeterminate şi cele obţinute în urma măsurătorilor, se constată următoarele: ► valorile obţinute sunt similare şi sensibil apropiate ► diferenţele apar atât ca urmare a realizării practice (tehnologii, calitatea materialelor, toleranţe, asamblări etc.) cât şi ca urmare a funcţionării efective în diverse regimuri (factor de putere mai mic decât cel estimat, datorită defazajului dintre curentul de fază şi tensiunea electromotoare de fază; nu s-a ţinut cont de acesta la predeterminarea caracteristicilor, unde s-a considerat un factor de putere unitar)

25. 5.3.2.3. Concluzii generale privind soluţia de motor de curent alternativ Principalele avantaje ale soluţiei: ►Motorul de curent alternativ fără contacte este o soluţie deosebit de avantajoasă pentru acţionarea vehiculelor electrice datorită valorii ridicate a cuplului specific (cuplul util raportat la volumul sau la masa motorului) ►Soluţia de motor de curent alternativ fără contacte aleasă în cadrul acestui proiect permite un bobinaj mai facil, simplificarea bobinajului rezultând din numărul redus de crestături faţă de o soluţie clasică (se utilizează de patru – cinci ori mai puţine bobine) ►Capetele de bobine nu se suprapun, ceea ce conduce la eliminarea riscului de scurtcircuitare a bobinelor diferite, dar şi la o răcire naturală mai bună a acestor capete; de asemenea, se reduce dimensiunea axială a statorului

26. ►Numărul relativ redus de crestături (21 – 28 de crestături) face ca tehnologia de realizare a tolei să fie mai simplă în raport cu soluţiile clasice (ne referim atât la tehnologia de execuţie a ştanţei cât şi la procesul de ştanţare) ►Pot fi legate mult mai simplu mai multe bobine în paralel, ceea ce reduce valoarea curentului pe o bobină, cu consecinţe avantajoase asupra schemei de bobinaj ►Motorul de curent alternativ fără contacte nu prezintă sistem mecanic de contacte mobile (perii şi colector), ceea ce simplifică construcţia acestuia şi permite reducerea gabaritului axial

27. Principalele dezavantaje ale soluţiei: ►Motorul de curent alternativ fără contacte necesită pentru acţionare un sistem de traductoare de poziţie şi electronica de comandă aferentă ►Motorul de curent alternativ fără contacte necesită pentru acţionare şase ramuri pentru electronica de putere (câte trei pentru fiecare dintre cele două sensuri de rotaţie) ►Motorul de curent alternativ fără contacte are înfăşurarea la exterior, ceea ce determină ca la un anumit gabarit (ne referim la diametrul exterior al motorului) să se obţină o constantă de cuplu mai mică pe seama valorii razei circuitului indusului – compensarea acestui dezavantaj se face prin mărirea numărului de spire ale înfăşurării, deci prin mărirea inductivităţii şi a rezistenţei electrice

28. ► La motorul de curent alternativ fără contacte, magneţii prezintă risc mai mare de desprindere în timpul funcţionării întrucât aceştia se montează pe rotor – sunt necesare măsuri suplimentare de consolidare mecanică a acestora ► Principial, motorul de curent alternativ fără contacte se caracterizează prin valori rezultante relativ mari ale rezistenţei electrice şi inductivităţii ► Pierderile relative în înfăşurarea statorului sunt mai mari ► Inductivitatea relativ ridicată conduce la apariţia unui defazaj ce creşte odată cu valoarea curentului de sarcină şi cu cea a vitezei de rotaţie – compensarea acestui efect ar putea fi realizată printr-o comandă vectorială a motorului, astfel încât comutaţia să se realizeze anticipat, utilizând o buclă de reacţie controlată de curent şi de viteză

29. 5.3.3. Analiza variantei de model funcţional Tabelul 5.3.1. Comparaţie între specificaţiile tehnice

30. 5.4 Diseminarea În cadrul etapei a 5-a a proiectului X2C24/2006 „Cercetări privind sistemul de propulsie al unui vehicul cu roţi motoare dependente”,activitatea de diseminare a constat în: ►participarea şi prezentarea la importante conferinţe internaţionale a 6 lucrări privind aspectele teoretice dezvoltate în proiect – se anexează lista lucrărilor precum şi copiile acestora; ►actualizarea paginii web a proiectului (http://sepri.amotion.pub.ro/); realizarea unui poster conform indicaţiilor primite de la Autoritatea contractantă SC IPA SA – se anexează o copie a posterului; ►publicarea unui volum cu cele 24 de lucrări elaborate şi prezentate, pe parcursul desfăşurării întregului proiect, la conferinţe internaţionale, volum cu titlul „Probleme specifice privind realizarea unui model experimental de vehicul electric”, Editura POLITEHNICA Press, Bucureşti, ISBN 978-973-7838-95-7 – se anexează un exemplar al volumului; ►organizarea unui Atelier de lucru intitulat „Probleme specifice privind realizarea unui model experimental de vehicul electric”în data de 20 august 2008, ora 9,00, în sala EA 024 din cadrul Facultăţii de Inginerie Electrică – UPB, spl. Independenţei, nr. 313, sector 6, Bucureşti. La acest Atelier au fost invitaţi prin fax aproximativ 30 de specialişti – se anexează invitaţia

31. 5.5Concluzii Dupa efectuarea incercarilor modelului experimental, se impun citeva concluzii: ► modelul experimental de vehicul s-a dovedit viabil; a trecut toate testele conform specificatiilor, lucru marcat si de buletinele de incercari respective; ► s-a demonstrat viabilitatea solutiilor tehnice adoptate, printre care: ■ posibilitatea de a dezvolta motoare cu cuplu ridicat, care sa permita actionarea directa a rotilor, fara reductor; ■ posibilitatea de a renunta la diferential, prin comanda electronica inteligenta a celor doua roti motoare; ■ strategia de comanda a convertoarelor de tensiune este adecvata; aceasta poate fi relativ simplu extinsa pentru controlul optim al dinamicii vehiculului, de exemplu la implementarea unui sistem ASR, EPS, etc.

32. ► motorul fara perii s-a dovedit superior atit ca performante, cit si ca pret si ca usurinta de executie; ► s-au demonstrat capabilităţile în domeniu ale colectivului de cercetare ► s-a demonstrat posibilitatea de dezvoltarea în Romania a unor actionari si vehicule performante.