ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ

Transcript

1 ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Ε. Μητρονίκας, I. Τσούµας, Α. Σαφάκας Πανεπιστήµιο Πατρών Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Ριο-Πάτρα Τηλ , Fax Περίληψη Στην παρούσα εργασία γίνεται µια συστηµατική ανάλυση του ηλεκτροκινητήριου συστήµατος ενός ηλεκτρικού οχήµατος. Για το σκοπό αυτό, γίνεται κατ αρχήν µια συγκριτική µελέτη των βασικών τύπων των ηλεκτρικών κινητήρων, που είναι κατάλληλοι για την προώθηση µικρών ηλεκτρικών ή υβριδικών οχηµάτων σε συνδυασµό µε αντίστοιχους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος, που είναι απαραίτητοι για τον έλεγχο των λειτουργικών τους παραµέτρων. Εκτός από τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, επισηµαίνεται το κόστος ως σηµαντικός παράγοντας για την επιλογή ενός κινητηρίου συστήµατος για ηλεκτρικά οχήµατα. Επιπροσθέτως, αναλύονται οι ενεργειακές απαιτήσεις ενός οχήµατος συναρτήσει των παραγόντων που τις καθορίζουν. Πρόκειται για µια γενικευµένη µελέτη, η οποία δεν περιορίζεται σ ένα τύπο ηλεκτρικού οχήµατος, αλλά αντιµετωπίζει µε µια γενικευµένη µέθοδο τις ενεργειακές απαιτήσεις ενός οχήµατος, λαµβάνοντας υπόψη πιθανές φορτίσεις κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, κάτι που µπορεί να γίνει σ ένα ηλιακό ή υβριδικό αυτοκίνητο. Για τον ποσοτικό υπολογισµό των ενεργειακών απαιτήσεων δηµιουργήθηκε πρόγραµµα, το οποίο εκτός των άλλων µπορεί να λάβει υπόψη δεδοµένα από προκαθορισµένες οδικές διαδροµές. Η εν λόγω ανάλυση χρησιµοποιήθηκε για την επιλογή του ηλεκτροκινητηρίου συστήµατος για την κίνηση ενός ηλιακού οχήµατος, που κατασκευάσθηκε και έλαβε µέρος στον αγώνα «ΦΑΕΘΩΝ 2004», ο οποίος διοργανώθηκε στην Ελλάδα στα πλαίσια της πολιτιστικής ολυµπιάδας Από την εφαρµογή αυτή θα παρατεθούν χαρακτηριστικά παραδείγµατα. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην ανατολή του εικοστού πρώτου αιώνα, η ηλεκτροκίνηση εµφανίζεται δυναµικά στο χώρο των συγκοινωνιών δίνοντας πολύ ικανοποιητικές λύσεις όσον αφορά τα µέσα µεταφοράς σταθερής και ηµισταθερής τροχιάς (ΜΕΤΡΟ, ηλεκτρικά τρένα, τραµ), που χρησιµοποιούνται σήµερα καθηµερινά από εκατοµµύρια ανθρώπους σ όλον τον πλανήτη. Από την άλλη πλευρά, η συντριπτική πλειοψηφία των µικρότερων, κι όχι µόνο, οχηµάτων, εξακολουθεί να κινείται µε κινητήρες εσωτερικής καύσης συµβάλλοντας ενεργά στη ρύπανση της ατµόσφαιρας και στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται µια στροφή των κατασκευαστών αυτοκινήτων στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων. Η χρήση των ηλεκτρικών κινητήρων, είτε προωθούν εξ ολοκλήρου το όχηµα στα αµιγώς ηλεκτροκίνητα οχήµατα, είτε λειτουργούν συµπληρωµατικά µε τη µηχανή εσωτερικής καύσης στα υβριδικά οχήµατα, θα συµβάλλει στις επόµενες δεκαετίες στη µείωση των ρύπων, µε τους οποίους η ανθρώπινη δραστηριότητα επιβαρύνει το περιβάλλον. Από την άλλη πλευρά, σε σχέση µε τους συµβατικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι ηλεκτρικοί κινητήρες εµφανίζουν καλύτερες χαρακτηριστικές ροπής-στροφών, λειτουργούν αθόρυβα, έχουν ελάχιστες ανάγκες για συντήρηση και υψηλό ενεργειακό βαθµό απόδοσης. Η επιλογή των χαρακτηριστικών του ηλεκτροκινητήριου συστήµατος ενός ηλεκτρικού οχήµατος αποτελεί το αντικείµενο της παρούσας εργασίας. Για το σκοπό αυτό, γίνεται µια συγκριτική µελέτη των βασικών τύπων των κινητήρων, που είναι διαθέσιµοι στο εµπόριο και µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε ηλεκτροκίνητα οχήµατα. Αναφέρονται τα κύρια λειτουργικά χαρακτηριστικά κάθε τύπου και περιγράφονται µε συντοµία τα βασικά πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατά τους. Με βάση τα στοιχεία αυτά, γίνεται µια σύντοµη ανάλυση των παραγόντων, οι οποίοι οδηγούν στην επιλογή ενός συγκεκριµένου τύπου ηλεκτρικού κινητήρα. Στη συνέχεια γίνεται µια ανάλυση των - 1 -

2 ενεργειακών απαιτήσεων του ηλεκτροκινητήριου συστήµατος ενός ηλεκτρικού οχήµατος σε διάφορες καταστάσεις λειτουργίας αυτού. 2. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Η ανάλυση των ενεργειακών απαιτήσεων του ηλεκτροκινητηρίου συστήµατος ενός ηλεκτροκίνητου οχήµατος είναι ένα ιδιαίτερα απαιτητικό θέµα, καθόσον κάποιοι από τους παράγοντες που καθορίζουν την απαιτούµενη ισχύ σε µια χρονική στιγµή αλλά και τη συνολική ενέργεια που απαιτείται για να καλυφθεί µια συγκεκριµένη διαδροµή, δεν είναι προκαθορισµένοι εκ των προτέρων. Τέτοιοι παράγοντες είναι οι ιδιαιτερότητες µιας συγκεκριµένης διαδροµής καθώς και οι απαιτήσεις του οδηγού σε κάθε χρονική στιγµή. Λόγω του γεγονότος αυτού, δεν είναι δυνατό να γίνει εκ των προτέρων ακριβής υπολογισµός της ενεργειακής κατανάλωσης ενός οχήµατος, παρά µόνον µια εκτίµηση αυτής, βασισµένη σε κάποιες παραδοχές και προσεγγίσεις. Αυτό που µπορεί να υπολογιστεί µε ακρίβεια, είναι η απαιτούµενη ισχύς του κινητήρα. Θεωρώντας ως παράµετρο την κατεύθυνση της ροής της ηλεκτρικής ενέργειας στο ηλεκτροκινητήριο σύστηµα ενός ηλεκτροκίνητου οχήµατος, µπορούµε να διακρίνουµε τέσσερις καταστάσεις λειτουργίας, όπως φαίνεται και στο σχ. 1: α) Ροή ενέργειας από την ηλεκτρική γεννήτρια και τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές προς τον κινητήρα. β) Ροή ενέργειας από την ηλεκτρική γεννήτρια προς τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές και τον κινητήρα. γ) Ροή ενέργειας από τον κινητήρα και την ηλεκτρική γεννήτρια προς τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές. δ) Ροή ενέργειας από τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές προς τον κινητήρα και αντίστροφα, χωρίς να λειτουργεί κάποια ηλεκτρική γεννήτρια. Από τις παραπάνω καταστάσεις λειτουργίας σ ένα αµιγώς ηλεκτροκίνητο όχηµα το οποίο δεν διαθέτει κάποια άλλη ενσωµατωµένη πηγή ενέργειας, εµφανίζεται µόνο η περίπτωση (δ), ενώ και οι τέσσερις συναντώνται σε υβριδικά και ηλιακά οχήµατα. Αξίζει εδώ να σηµειωθεί ότι, η παρούσα εργασία αποτελεί γενίκευση των υπολογισµών που χρησιµοποιήθηκαν για τον υπολογισµό των απαιτήσεων του ηλεκτροκινητήριου συστήµατος ενός ηλιακού οχήµατος, το οποίο και κατασκευάστηκε από οµάδα επιστηµόνων του Πανεπιστηµίου Πατρών και έλαβε µέρος στον αγώνα ηλιακών οχηµάτων «ΦΑΕΘΩΝ 2004». Για την ανάλυση των ενεργειακών απαιτήσεων του οχήµατος παρουσιάζεται στις παρακάτω παραγράφους η ισχύς που απαιτείται για την κίνηση του οχήµατος. (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 1. Ροή ενέργειας στο ηλεκτροκινητήριο σύστηµα ενός ηλεκτροκίνητου οχήµατος

3 Α. Ενεργειακές απαιτήσεις για την κίνηση του οχήµατος Η συνολική µηχανική ισχύς που απαιτείται για την κίνηση ενός ηλεκτροκίνητου οχήµατος υπολογίζεται από τη µαθηµατική σχέση [5]: P = P + P + P + P + P + P, (1) mech air roll tr mot asc acc όπου: 1 3 P air είναι οι αεροδυναµικές απώλειες του αµαξώµατος ( Pair = CD ρ A u ). Όπως είναι φανερό, οι 2 αεροδυναµικές απώλειες είναι ανάλογες της τρίτης δύναµης της ταχύτητας u. Συνεπώς ο αεροδυναµικός συντελεστής του αµαξώµατος C D αποτελεί κρίσιµη κατασκευαστική παράµετρο του οχήµατος, καθότι γίνεται καθοριστικός για την απαιτούµενη ισχύ και, κατά συνέπεια, για τις ενεργειακές απαιτήσεις του οχήµατος προκειµένου να επιτύχουµε µια επιθυµητή τελική ταχύτητα. P roll είναι οι απώλειες κύλισης του οχήµατος. P tr είναι οι απώλειες του συστήµατος µετάδοσης. P mot είναι οι µηχανικές απώλειες του ηλεκτρικού κινητήρα. Η ισχύς P asc απαιτείται για τη διατήρηση της κινητικής ενέργειας στην περίπτωση που το οδόστρωµα έχει κλίση. Ένα µέρος της ενέργειας που απαιτείται για την ανάβαση σ ένα δρόµο µε κλίση ανακτάται κατά τη διάρκεια της κατάβασης, όπως θα δούµε παρακάτω. Στο πρόγραµµα που αναπτύχθηκε για τον υπολογισµό των ενεργειακών µεγεθών, έχουµε τη δυνατότητα να υπολογίσουµε και να συγκρίνουµε τη συνολική κατανάλωση του ηλεκτρικού οχήµατος θεωρώντας ενεργοποιηµένη τη λειτουργία της ανάκτησης ενέργειας και χωρίς αυτή, συνεπώς και να συµπεράνουµε τα πλεονεκτήµατα της λειτουργίας της ανάκτησης ενέργειας. P acc είναι η ισχύς που απαιτείται για την επιτάχυνση του οχήµατος. Β. Ηλεκτρικές απώλειες ενός ηλεκτρικού οχήµατος Οι συνολικές ηλεκτρικές απώλειες ενός ηλεκτρικού οχήµατος υπολογίζονται από την εξίσωση (2) P = P + P + P + P + P (2) el elmot convl bat cable s όπου: P elmot είναι οι ηλεκτρικές απώλειες του ηλεκτρικού κινητήρα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του. P conv είναι η ισχύς απωλειών του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος ο οποίος τροφοδοτεί τον ηλεκτρικό κινητήρα. Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος επιτρέπει +τη λειτουργία τους µε βαθµούς απόδοσης που ξεπερνούν το 95% σε ονοµαστική κατάσταση λειτουργίας. P bat είναι οι απώλειες ισχύος στον ηλεκτρικό συσσωρευτή. Για τις ανάγκες των υπολογισµών, ένα ιδιαίτερα απλοποιηµένο µοντέλο συσσωρευτή χρησιµοποιήθηκε στην περίπτωσή µας, στο οποίο λαµβάνεται υπόψη µια µέση τιµή για την ωµική αντίσταση της µπαταρίας. P cable είναι η ισχύς που καταναλώνεται στους αγωγούς ισχύος του ηλεκτροκινητήριου συστήµατος. Στην περίπτωση του ηλιακού οχήµατος η αντίσταση ελήφθη υπόψη, καθότι ο η τροφοδοσία του κινητήρα γινόνταν µε χαµηλή τάση και είχε µεγάλο ονοµαστικό ρεύµα, όπως θα δούµε στη συνέχεια. P S είναι οι ισχύς που καταναλώνεται στα βοηθητικά κυκλώµατα ελέγχου του ηλεκτροκινητήριου συστήµατος. Η ισχύς αυτή είναι πολύ µικρή και στην πράξη παραλείπεται στους υπολογισµούς. Γ. Ανάκτηση ενέργειας κατά την επιβράδυνση Ένα από τα πολλά πλεονεκτήµατα της χρήσης ηλεκτροκινητήρων για την κίνηση οχηµάτων είναι η δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας κατά την επιβράδυνση. Σε αντίθεση µε τους συµβατικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι οποίοι καταναλώνουν ενέργεια ακόµα κι όταν το όχηµα κινείται επιβραδυνόµενα, οι ηλεκτρικοί κινητήρες δίνουν τη δυνατότητα, µε κατάλληλη κατασκευή του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος, της ανάκτησης ενέργειας σε εκείνες τις καταστάσεις λειτουργίας στις οποίες η δυναµική ή η κινητική ενέργεια του οχήµατος απαιτείται να µειωθεί. Ένα ποσό - 3 -

4 της πλεονάζουσας ενέργειας µπορεί να αποθηκευτεί στους ηλεκτρικούς συσσωρευτές. Κατά την οδήγηση ενός οχήµατος, ανάκτηση ενέργειας µπορεί να γίνει στις παρακάτω περιπτώσεις: Επιβράδυνση του οχήµατος. Οδήγηση σε κατωφέρειες µε σταθερή ταχύτητα. Οδήγηση σε κατωφέρειες και επιβράδυνση του οχήµατος. Η ανάκτηση ενέργειας έχει ως συνέπεια τη µείωση της συνολικής κατανάλωσης σε ένα υβριδικό όχηµα, ενώ οδηγεί σε αύξηση της αυτονοµίας όταν πρόκειται για αµιγώς ηλεκτρικό ή ηλιακό όχηµα. Στην κατεύθυνση αυτή είναι σηµαντικό να αξιοποιείται στο έπακρο η δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας, τόσο από τα ηλεκτρονικά συστήµατα ελέγχου της ηλεκτροκίνησης του οχήµατος, όσο και από τον οδηγό, χρησιµοποιώντας κατάλληλες στρατηγικές οδήγησης. Βέβαια, το ποσό της ενέργειας που τελικά µπορεί ν ανακτηθεί σε µια διαδροµή δεν µπορεί ποτέ να υπολογιστεί µε απόλυτη ακρίβεια, αφού εξαρτάται από πολλούς επιπρόσθετους παράγοντες, όπως οι κυκλοφοριακές συνθήκες, η κατάσταση του οδοστρώµατος, κ.α. 3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ ΜΙΑΣ ΙΑ ΡΟΜΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΟΧΗΜΑ Κατά το αρχικό στάδιο της µελέτης του ηλιακού οχήµατος συλλέχθηκαν µε προσοχή τα στοιχεία που αφορούσαν κάθε τµήµα του οχήµατος, δίνοντας έµφαση τόσο στο µηχανολογικό τµήµα αυτού, για το οποίο τα δεδοµένα (συντελεστής τριβής, τριβή κύλισης, βάρος, κ.α.) υπολογίσθηκαν από τους ειδικούς επιστήµονες στα µηχανολογικά θέµατα της οµάδας, όσο και για το ηλεκτρικό µέρος του οχήµατος. Τελικός σκοπός ήταν η κατασκευή ενός οχήµατος, το οποίο αφενός θα πληρούσε κάποιες βασικές προδιαγραφές που είχαν τεθεί από τον κανονισµό της εκδήλωσης (δυνατότητα εκκίνησης σε δρόµο µε συγκεκριµένη κλίση) και αφετέρου από την απαιτούµενη τελική ταχύτητα του οχήµατος. Με βάση τα στοιχεία αυτά υπολογίσθηκε η ονοµαστική ισχύς του ηλεκτροκινητήρα. Για τον υπολογισµό όµως της αυτονοµίας του οχήµατος κρίθηκε απαραίτητο να υπολογισθεί η ενεργειακή κατανάλωση σε προσδιορισµένες διαδροµές. Για το σκοπό αυτό δηµιουργήθηκε ένα πρόγραµµα χρησιµοποιώντας το περιβάλλον MATLAB, λαµβάνοντας υπόψη όλες τις παραµέτρους που προαναφέρθηκαν. Τα βασικά χαρακτηριστικά του προγράµµατος αυτού είναι τα παρακάτω: Για τον υπολογισµό της ενεργειακής κατανάλωσης ενός οχήµατος θεωρήθηκε απαραίτητη η δυνατότητα εισαγωγής στο πρόγραµµα υπολογισµού στοιχεία για την ακολουθούµενη διαδροµή, µε σηµαντικότερο την κλίση του οδοστρώµατος συναρτήσει της απόστασης από την αφετηρία. Για το λόγο αυτό εισάγονται τα δεδοµένα µέσω ενός αρχείου που περιέχει στοιχεία για το ύψος του δρόµου συναρτήσει της διανυόµενης απόστασης. Τα στοιχεία για τη διαδροµή του αγώνα ήταν διαθέσιµα από τους διοργανωτές του αγώνα, αλλά µπορούν να βρεθούν και για οποιαδήποτε διαδροµή µε τη χρήση µιας συσκευής GPS. υνατότητα εισαγωγής της ταχύτητας του οχήµατος ως συνάρτηση της απόστασης από την αρχή της διαδροµής. υνατότητα εισαγωγής της ταχύτητας του ανέµου ως παραµέτρου στο πρόγραµµα, ώστε να µπορεί να γίνει εκτίµηση των συνολικών απωλειών στη χειρότερη περίπτωση. Ένα µέγεθος που επίσης µπόρεσε να εισαχθεί µέσω ενός αρχείου ήταν το διάγραµµα της εισερχόµενης ενέργειας από τον ήλιο κατά τη διάρκεια της διαδροµής. Στη γενική περίπτωση, για ένα υβριδικό όχηµα η ενέργεια αυτή θα ήταν η ενέργεια που παρέχεται µέσω της ηλεκτρογεννήτριας στους συσσωρευτές. Στο γραφικό περιβάλλον του προγράµµατος τα παραµετρικά στοιχεία του οχήµατος αλλάζουν εύκολα (αεροδυναµική, βάρος, στοιχεία κινητήρα), ενώ τα αποτελέσµατα προκύπτουν σ ένα γραφικό περιβάλλον από το οποίο εύκολα µπορούν να εξαχθούν συµπεράσµατα για την ενεργειακή συµπεριφορά του οχήµατος. Για τη µελέτη που αφορά το ηλιακό όχηµα θεωρήθηκε βάρος 300kg και συντελεστής αεροδυναµικής τριβής C D =0,17. Με δεδοµένη τη διαδροµή του αγώνα «ΦΑΕΘΩΝ 2004», υπολογίστηκαν οι ενεργειακές απαιτήσεις του ηλιακού οχήµατος. Στα σχ. 2 και 3 παρουσιάζεται η οθόνη του προγράµµατος µε ενδεικτικά αποτελέσµατα των υπολογισµών, θεωρώντας ενεργοποιηµένη και απενεργοποιηµένη αντίστοιχα την ανάκτηση ενέργειας. Στο κάτω µέρος - 4 -

5 Σχήµα 2. Υπολογισµοί της απαιτούµενης ενέργειας, θεωρώντας ενεργοποιηµένη τη λειτουργία ανάκτησης. Σχήµα 3. Υπολογισµοί της απαιτούµενης ενέργειας θεωρώντας απενεργοποιηµένη τη λειτουργία ανάκτησης

6 της οθόνης φαίνεται αριθµητικά για κάθε διαδροµή η ενέργεια που απαιτείται για την κίνηση του οχήµατος καθώς και ο εκτιµώµενος χρόνος κάλυψης της διαδροµής. Από τις γραφικές απεικονίσεις φαίνεται καθαρά ότι η µέγιστη ισχύς που απαιτείται είναι 4,5kW. H ισχύς, που είχε υπολογιστεί µε βάση τις προδιαγραφές ώστε το όχηµα να εκκινεί σε κλίση 18%, είναι 6 kw. 4. ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ Ενώ στην αγορά είναι διαθέσιµη σήµερα µια µεγάλη ποικιλία ηλεκτρικών κινητήρων για βιοµηχανική χρήση, η επιλογή ενός κινητήρα για χρήση σε ηλεκτρικό όχηµα πρέπει να υπακούει σε κάποιες βασικές απαιτήσεις, η σηµαντικότερη εκ των οποίων είναι ο µεγάλος λόγος ονοµαστικής ισχύος προς βάρος. Μια άλλη απαίτηση είναι ότι, πολλές φορές εξ αιτίας περιορισµών που αφορούν τους ηλεκτροχηµικούς συσσωρευτές αλλά και για λόγους ασφάλειας των επιβαινόντων απαιτείται περιορισµένη ονοµαστική τάση του κινητήρα. Ειδικά στην περίπτωση του ηλιακού οχήµατος έπρεπε να βρεθεί ένας ηλεκτρικός κινητήρας διαθέσιµος σε µικρό χρονικό διάστηµα, αλλά και σε σχετικά χαµηλή τιµή. Τα είδη των κινητήρων που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την κίνηση ενός ηλεκτρικού οχήµατος και που παράγονται µαζικά από τους κατασκευαστές είναι οι ασύγχρονοι κινητήρες, οι κινητήρες συνεχούς ρεύµατος και οι κινητήρες συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες: Οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες είναι οι πλέον πλεονεκτικοί από τις µηχανές που κυκλοφορούν στο εµπόριο παρουσιάζοντας καλά δυναµικά χαρακτηριστικά και υψηλό συντελεστή απόδοσης. Από την αναζήτηση, σε διεθνείς κατασκευαστικούς οίκους βρέθηκαν ακόµη και κινητήρες µεταβλητού διακένου, των οποίων το διάκενο µπορεί να µεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους µεταβάλλοντας τη χαρακτηριστική ροπής-στροφών. Για την κατασκευή του δροµέα των κινητήρων αυτών χρησιµοποιούνται µόνιµοι µαγνήτες που παράγουν ιδιαίτερα ισχυρό µαγνητικό πεδίο και αυτό έχει ως αποτέλεσµα να παρουσιάζουν µεγάλο λόγο ονοµαστικής ισχύος προς βάρος. Το βασικό µειονέκτηµα των µηχανών αυτών είναι το υψηλό κόστος απόκτησης της µηχανής και του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος για την τροφοδοσία της. Εδώ σηµειώνεται ότι το Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστηµίου Πατρών διαθέτει τη σχετική τεχνολογία για τη µελέτη και την κατασκευή του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος, αλλά το χρονικό περιθώριο που υπήρχε µέχρι τη διεξαγωγή του αγώνα θα ήταν απαγορευτικό για να γίνει η κατασκευή και οι δοκιµές σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας που απαιτούνταν. Η ασύγχρονη µηχανή αποτελεί µια άλλη λύση, η οποία συνδυάζει αξιοπιστία και στιβαρότητα µε χαµηλή τιµή, ενώ σε συνδυασµό µε κατάλληλο έλεγχο µπορεί ν αποκτήσει πολύ καλή δυναµική συµπεριφορά. Το µεγάλο της µειονέκτηµα είναι ότι, λόγω της αρχής λειτουργίας της παρουσιάζει µικρό λόγο ονοµαστικής ισχύος προς το βάρος, και για το λόγο αυτό δεν προτιµήθηκε για την κατασκευή του ηλιακού οχήµατος. Μια άλλη επιλογή είναι η χρήση µηχανής συνεχούς ρεύµατος, της οποίας η διέγερση γίνεται µε τη χρήση ισχυρού µόνιµου µαγνήτη. Οι κινητήρες του είδους αυτού έχουν καλή δυναµική συµπεριφορά, µικρό βάρος, χαµηλή τιµή και τροφοδοτούνται από µετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, που είναι απλός στην κατασκευή και έχει χαµηλό κόστος. Με δεδοµένο ότι το κόστος αποτέλεσε βασικό κριτήριο για την επιλογή του κινητήρα για το ηλιακό όχηµα, τελικά επιλέχθηκε να χρησιµοποιηθεί κινητήρας συνεχούς ρεύµατος, κατασκευασµένος από τον Ελβετικό οίκο BRUSA, τα χαρακτηριστικά του οποίου φαίνονται στον πίνακα Ι. ΠΙΝΑΚΑΣ Ι Τεχνικά χαρακτηριστικά του κινητήρα PMG132 Ονοµαστική τάση 72V Ονοµαστικό ρεύµα 110 A Μέγιστο ρεύµα 200 A Ονοµαστική ισχύς 7.22 kw Ονοµαστική ροπή 20.5 Nm Ονοµαστική ταχύτητα 3380 rpm - 6 -

7 Ο ονοµαστικός συντελεστής απόδοσης του κινητήρα αυτού είναι 93%, ενώ σύµφωνα µε τις καµπύλες απόδοσης του κατασκευαστή, η απόδοση δεν πέφτει πολύ κάτω από 90% για τις διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Με τη χρήση του κατάλληλου ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος προκύπτει ένα σύστηµα ηλεκτροκίνησης µε µέγιστο βαθµό απόδοσης 91% και µε δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας στις κατωφέρειες και κατά την επιβράδυνση. Στο σχ. 4. φαίνεται το ηλεκτρικό διάγραµµα του ηλεκτροκινητηρίου συστήµατος του κατασκευασθέντος ηλιακού οχήµατος. Σε συνδυασµό µε µια συστοιχία ηλεκτροχηµικών συσσωρευτών λιθίου-ιόντων πολυµερούς, συνολικής χωρητικότητας 5,5kWh, και µε ηλιακή γεννήτρια αποτελούµενη από φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου του κατασκευαστή Isofoton τοποθετηµένα στο πάνω µέρος του οχήµατος, το παραπάνω κινητήριο σύστηµα επέδειξε ικανοποιητική λειτουργία στα 800 περίπου συνολικά χιλιόµετρα της διαδροµής του αγώνα «ΦΑΕΘΩΝ 2004», φτάνοντας σε κάποια σηµεία τη µέγιστη ταχύτητα των 90 km/h. Στα σχ. 5 και 6 φαίνονται φωτογραφίες του ηλιακού οχήµατος, που ονοµάστηκε «ΕΡΜΗΣ», κατά τη διάρκεια του αγώνα στο δρόµο για την Ολυµπία και στη γραµµή του τερµατισµού στην Αθήνα αντίστοιχα. Στο σχ. 7 φαίνεται το εσωτερικό του οχήµατος, όπου διακρίνονται (α) ο ηλεκτρικός κινητήρας και (β) τα κυκλώµατα ελέγχου του κινητήρα. Σχήµα 4. Κύκλωµα ισχύος του ηλιακού οχήµατος. Σχήµα 5. Το ηλιακό όχηµα «ΕΡΜΗΣ» κατά τη διάρκεια του αγώνα «ΦΑΕΘΩΝ 2004». Σχήµα 6. Ο «ΕΡΜΗΣ» στη γραµµή του τερµατισµού στην Αθήνα

8 Σχήµα 7. Άποψη του εσωτερικού µέρους του ηλιακού οχήµατος «ΕΡΜΗΣ». 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία, έγινε µια συστηµατική παρουσίαση των παραγόντων που επηρεάζουν την ενεργειακή συµπεριφορά ενός ηλεκτρικού οχήµατος. Για τον υπολογισµό των απαιτήσεων σε ισχύ αλλά και της ενεργειακής συµπεριφοράς ενός ηλιακού οχήµατος στις διαδροµές του αγώνα αναπτύχθηκαν οι κατάλληλες µαθηµατικές σχέσεις και δηµιουργήθηκε λογισµικό υπολογισµού σε περιβάλλον MATLAB. Ενδεικτικά αποτελέσµατα προερχόµενα από τους υπολογισµούς παρουσιάστηκαν για να καταδειχθεί η ενεργειακή συµπεριφορά του οχήµατος. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Yoichi Hori, Future Vehicle Driven By Electricity And Control Research On Four-Wheel-Motored Uot Electric March Ii IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 51, No. 5, October 2004, Pp [2] J. M. Tyrus, R. M. Long, M. Kramskaya, Y. Fertman, And A. Emadi,Hybrid Electric Sport Utility Vehicles, IEEE Transactions On Vehicular Technology, Vol. 53, No. 5, September 2004, Pp [3] Safacas A., Tatakis E.: "Electric Vehicles - Current Activities and Perspectives", International Power Electronics And Motion Control Conference And Exhibition (PEMC' 96), Budapest (Hungary), September 2-4, 1996, Vol. 2, Pp. 2/ /117 (Invited Paper). [4] O. Fujii, "The Application Of Solar Car and Solar EV", Evs 19 Symposium Proceedings, Bexco, Korea, October 19-23, 2002, Pp [5] Safacas Et. Al., ECVET (Environmentally Clean Vehicle Technologies, Project In Frame Of The Programme Stride Hellas , 3 rd Report, Research Group of Electromechanical Energy Conversion Laboratory, University Of Patras, [6] E. Rikos, E. Tatakis, "Mathematical Study for Electric Motor Power Losses Used In Electric Vehicles", EVS 18 Symposium Proceedings, Berlin, Germany, October 20-24,

9 [7] S.H. Moon, J.H. Jung, "Criteria For Specification Decision Of Electric Vehicle Motor Considering Driving Cycle", EVS 19 Symposium Proceedings, Bexco, Korea, October 19-23, 2002, Pp [8] L. Sun, W. Bai, F. Sun, "State-Of-The-Art Electric Vehicle Simulation Technology", EVS 19 Symposium Proceedings, Bexco, Korea, October 19-23, 2002, Pp [9] M. Fujinaka, Y. Nishida, M. Furukawa, "A Practical Ev That Has A Range Of More Than 700 At A Full Charge", EVS 19 Symposium Proceedings, Bexco, Korea, October 19-23, 2002, Pp [10] F.V. Conte, "Systemic Approach In The Analysis Of The Electric System In Modern Light Vehicle", EVS 19 Symposium Proceedings, Bexco, Korea, October 19-23, 2002, Pp [11] A. Szumanowski, G. Brusaglino, P. Piorkowski, K.V. Nguyen, A. Hajduga, "General Approach For Developed Designing Of Light Locomotion Systems", EVS 18 Symposium Proceedings, Berlin, Germany, October 20-24, [12] J.P.H. Shu, C.T. Wu, C.T. Hsu, C.T. Wu, S.M. Lo, C.C. Lo, "The Development Of The Modular Propulsion System For The Light-Vehicle Applications", EVS 18 Symposium Proceedings, Berlin, Germany, October 20-24, [13] S.A. Randi, S. Astier, B. Sareni, "Full Modelling Approach Of Electric Vehicle For Design Optimisation", EVS 18 Symposium Proceedings, Berlin, Germany, October 20-24, [14] B. Asaei, "Electric Vehicle Design Based On Maximum Efficiencya And Minimum Cost", EVS 18 Symposium Proceedings, Berlin, Germany, October 20-24, [15] F. Gillon, F. Durand, P. Brochet, "Optimization Of The Performances Of A Fun Electric Car", EVS 18 Symposium Proceedings, Berlin, Germany, October 20-24, [16] M. Tsunakawa, M. Ueho, "Energy Efficient Electric Vehicles", EVS 18 Symposium Proceedings, Berlin, Germany, October 20-24,