ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ - 1 -

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ - 1 -"

Transcript

1 - 1 - ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ατμοσφαιρική ρύπανση στην Ευρώπη Τα συστατικά των ρύπων των οχημάτων Ευρωπαϊκά πρότυπα για τις εκπομπές ρύπων Φίλτρο σωματιδίων πετρελαίου (DPF) για την προσαρμογή στο πρότυπο Euro Τα αποθέματα πετρελαίου Χρήση υβριδικών οχημάτων...17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Η υβριδική τεχνολογία στην αυτοκίνηση 2.1 Ορισμός του υβριδικού οχήματος Συνοπτική παρουσίαση των βασικών υβριδικών τεχνολογιών Κατηγοριοποίηση των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων ανάλογα με το βαθμό υβριδοποίησης Μικροϋβριδικά (micro hybrid) Ήπια υβριδικά (mild hybrid) Πλήρως υβριδικά (full hybrid) Κατηγοριοποίηση των υβριδικών οχημάτων ανάλογα με τη διάταξη του συστήματος πρόωσης Σειριακή διάταξη Παράλληλη διάταξη Σειριακή παράλληλη διάταξη Complex διάταξη Ανεξάρτητη διάταξη EREVs Κατηγοριοποίηση των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων ανάλογα με τον τρόπο ανεφοδιασμού τους Υβριδικά οχήματα ανεφοδιαζόμενα από σταθμούς υγρών καυσίμων Υβριδικά οχήματα εφοδιαζόμενα από τοc δίκτυο...29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Παρουσίαση χαρακτηριστικών υβριδικών και ηλεκτρικών οχημάτων 3.1 ΤΟΥΟΤΑ PRIUS HONDA INSIGHT FORD ESCAPE MERCEDES BENZ CITARO G BUS TESLA ROADSTER INDUS YOSPEED..42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Είδη ηλεκτρικών κινητήρων 4.1 Γενικά κριτήρια επιλογής κινητήρα 43

2 Παρουσίαση στα είδη κινητήρων Κινητήρας συνεχούς ρεύματος Σύγχρονος κινητήρας με μόνιμο μαγνήτη στο δρομέα Brushless DC motor (BLDC) Ασύγχρονος κινητήρας Σύγκριση μεταξύ των ειδών των κινητήρων...50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Μέσα αποθήκευσης ενέργειας 5.1 Ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές Χαρακτηριστικά της μπαταρίας και κριτήρια για την επιλογή της Είδη συσσωρευτών Συσσωρευτές οξέος μολύβδου Μπαταρίες νικελίου (Ni) Μπαταρίες νατρίου (Na) Μπαταρίες λιθίου (Li) Μπαταρίες αέρος μετάλλου Φόρτιση των μπαταριών Μοντελοποίηση της χωρητικότητας της μπαταρίας Το μέλλον των συσσωρευτών στην αυτοκίνηση Ενεργειακές κυψέλες (Fuel cells) Υπερπυκνωτές (super capacitors ultra capacitors)..79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Μετατροπή συμβατικού αυτοκινήτου σε υβριδικό ηλεκτρικό 6.1 Το πειραματικό αυτοκίνητο Η διάταξη του υβριδικού συστήματος κίνησης Σύστημα μετάδοσης της κίνησης του ηλεκτρικού κινητήρα Βάση των συσσωρευτών Παράμετροι που επηρεάζουν την κίνηση του οχήματος Κινητήρας Επιλογή του κατάλληλου κινητήρα Ψύξη κινητήρα Επιλογή των συσσωρευτών Γενική περιγραφή της λειτουργίας των ηλεκτρονικών συστημάτων του αυτοκινήτου Η λειτουργία του αυτοκινήτου..108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: Σχεδιασμός και κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα ισχύος 7.1 Θεωρητική ανάλυση τριφασικού αντιστροφέα ισχύος Τριφασικός αντιστροφέας του οχήματος Σχεδιασμός τριφασικού αντιστροφέα Ημιαγωγικοί διακόπτες Απαγωγή της θερμότητας των ημιαγωγικών στοιχείων Καλωδιώσεις κυκλώματος υψηλής τάσης Κύκλωμα προστασίας..117

3 Ηλεκτρονικό κύκλωμα χαμηλής τάσης Κύκλωμα ελέγχου τριφασικού αντιστροφέα ισχύος Γενική περιγραφή πλακέτας παλμοδότησης Κύκλωμα παλμοδότησης των ημιαγωγικών διακοπτών Οπτική απομόνωση μέσω οπτοζευκτών Αντιστροφείς Πύλες NOT Οδηγοί ημιαγωγικών διακοπτών Κύκλωμα λήψης των μετρήσεων Επεξεργασία ληφθέντων σημάτων Όργανα ένδειξης των μετρήσεων Τροφοδοσία της πλακέτας ελέγχου Κουτί ηλεκτρονικών συστημάτων.135 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: Σχεδιασμός και κατασκευή αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή 8.1 Θεωρητική μελέτη του μετατροπέα Μετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή (Boost converter) Mετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή (Buck converter) Μέθοδος ελέγχου των μετατροπέων Boost και Buck O μετατροπέας της εφαρμογής Εξομοίωση του μετατροπέα Περιγραφή του σχεδίου λειτουργίας του μετατροπέα Σχεδιασμός του μετατροπέα Ημιαγωγικοί διακόπτες Περιγραφή της πλακέτας του μετατροπέα Κύκλωμα ελέγχου Το κύκλωμα παλμοδότησης των ημιαγωγικών διακοπτών Κύκλωμα λήψης των μετρήσεων Επεξεργασία ληφθέντων σημάτων Τροφοδοσία της πλακέτας ελέγχου Το πηνίο του μετατροπέα Υπολογισμός της επαγωγής του πηνίου Υπολογισμός των υπόλοιπων χαρακτηριστικών του πηνίου Δοκιμή των πηνίων 159 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: Έλεγχος τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα 9.1 Μετασχηματισμός Park Τεχνικές ελέγχου τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα Έλεγχος του λόγου της τάσης προς τη συχνότητα Διανυσματικός έλεγχος Άμεσος έλεγχος ροπής (DTC) Έλεγχος τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με χρήση της τεχνικής DTC Εφαρμογή της μεθόδου DTC 177

4 Υπολογισμός τάσεων στάτη στο σύστημα d q Υπολογισμός ρευμάτων στάτη στο σύστημα d q Υπολογισμός μαγνητικής ροής στάτη Υπολογισμός τομέα Υπολογισμός ηλεκτρομαγνητικής ροπής Σύγκριση ροής και ροπής με τα μεγέθη αναφοράς Υπολογισμός διανύσματος τάσης.187 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Μετρήσεις Πειραματικά αποτελέσματα 10.1 Εισαγωγή Δοκιμή οδήγησης παλμών στην είσοδο του κυκλώματος ισχύος Δοκιμή σε τριφασικό ωμικό φορτίο Δοκιμή τριφασικού αντιστροφέα σε τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα με ηλεκτρομαγνητικό φορτίο Μετρήσεις με μεταβολή φορτίου Μετρήσεις με μεταβολή της ροής αναφοράς Δοκιμές επί του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα της εφαρμογής με το όχημα ακινητοποιημένο Δοκιμή με τροφοδοσία από το δίκτυο με χρήση μετασχηματιστή Δοκιμή με τροφοδοσία από τροφοδοτικό συνεχούς και χρήση του αντιστροφέα Δοκιμή με τροφοδοσία από τους συσσωρευτές και χρήση του αντιστροφέα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Σχεδιασμός ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Πρόγραμμα άμεσου ελέγχου ροπής Η ομάδα φοιτητών που κατασκεύασε το υβριδικό αυτοκίνητο στο πλαίσιο εκπόνησης των διπλωματικών τους εργασιών 283 Επιστημονικές εργασίες / Δημοσιεύσεις.284

5 - 5 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή [1],[2],[3],[4],[14],[39] 1.1 Ατμοσφαιρική ρύπανση στην Ευρώπη Η ατμοσφαιρική ρύπανση αποτελεί σημαντική απειλή για την υγεία του ανθρώπου και των οικοσυστημάτων κι έγινε αντιληπτή από νωρίς στην Ευρώπη. Μια συνθήκη της Ευρωπαϊκής Οικονομικής Κομισιόν (ECE) για τη διασυνοριακή ατμοσφαιρική ρύπανση σε μεγάλη απόσταση (CLRTAP) υπογράφτηκε το 1979 και τέθηκε σε ισχύ το 1983 για τη μείωση των εκπομπών επιβλαβών ουσιών που προκύπτουν από ανθρωπογενείς παράγοντες. Οι κύριοι τομείς και δραστηριότητες στους οποίους οφείλεται η ατμοσφαιρική ρύπανση στη Δυτική Ευρώπη κατά τις τελευταίες τρεις δεκαετίες είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, οι μεταφορές, η βιομηχανία, η γεωργία και η αποθήκευση και η διανομή των ορυκτών καυσίμων. Στις χώρες της Κεντρικής και Ανατολικής Ευρώπης (ΚΑΕ), η παραγωγή ενέργειας και η βαριά βιομηχανία ήταν ανέκαθεν οι τομείς που συντελούσαν περισσότερο στη ρύπανση της ατμόσφαιρας, ενώ οι μεταφορές ήταν πάντα ιδιαίτερα ζημιογόνες στις μεγάλες πόλεις. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, η οικονομική ύφεση προκάλεσε εμμέσως και τη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης αλλά ταυτόχρονα παρατηρήθηκε μια απότομη αύξηση της χρήσης των Ι.Χ. Για παράδειγμα, ακόμη και κατά την περίοδο με τη μεγαλύτερη οικονομική ύφεση (1990 έως 1994), ο αριθμός των αυτοκινήτων στην Αρμενία, τη Ρωσία και την Ουκρανία αυξήθηκε περισσότερο από 100%. Αυτή η ραγδαία αύξηση των Ι.Χ μετατρέπει τη μεταφορά σε έναν όλο και σημαντικότερο παράγοντα υποβάθμισης της ποιότητας του αέρα. Οι εκπομπές των περισσότερων βασικών ατμοσφαιρικών ρύπων έχουν μειωθεί σε ολόκληρη την Ευρώπη από τις αρχές της δεκαετίας του Μέχρι το τέλος του 2000, οι εκπομπές θειούχων ενώσεων είχαν περιοριστεί σε λιγότερο από το ένα τρίτο των επιπέδων του 1980 στη Δυτική Ευρώπη και στα δύο τρίτα των εν λόγω επιπέδων στα κράτη της ΚΑΕ. Μια σημαντική αποκατάσταση της φυσικής ισορροπίας του επιπέδου οξέων του νερού και του εδάφους έχει παρατηρηθεί στην Ευρώπη, κυρίως λόγω των μείωσης των εκπομπών SO 2 (διοξείδιο του θείου), αν και οι εκπομπές εξακολουθούν να έχουν πολύ υψηλές τιμές με κίνδυνο να προκληθούν σοβαρές επιπτώσεις σε ευαίσθητα οικοσυστήματα. Υπάρχουν στοιχεία, ωστόσο, που φανερώνουν μια μεγάλη ποικιλία μεταξύ των χωρών. Για παράδειγμα, οι εκπομπές SO 2 αυξήθηκαν κατά 7% στην Ελλάδα και 3% στην Πορτογαλία μεταξύ 1990 και

6 , ενώ μειώσεις 71% και 60% παρατηρούνται στη Γερμανία και τη Φινλανδία αντιστοίχως (σύμφωνα με την EEA 2000). Οι εκπομπές NOx (οξειδίων του αζώτου) και NH 3 δεν έχουν μειωθεί σημαντικά στη Δυτική Ευρώπη, εκτός από τις εκπομπές NOx στη Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο, αλλά το NOx έχει μειωθεί σε πολλές χώρες της ΚΑΕ (από το Τσεχικό Ινστιτούτο Περιβάλλοντος και του Υπουργείου Περιβάλλοντος του 1996, για τον ΕΟΧ 2001b, GRID-Βουδαπέστη το 1999, GRID - Βαρσοβία το 1998, Διαπολιτειακή Στατιστική Επιτροπή του 1999, OECD 1999a, UNECE / EMEP / MSC 1998). Στη Δυτική Ευρώπη, οι εκπομπές SO 2, NOx και NH 3 (αμμωνία) δε συνδέονται με την αύξηση του ΑΕΠ, πράγμα που δείχνει τη μέχρι κάποιο βαθμό αποτελεσματικότητα των μέτρων που λήφθηκαν (EEA 2001a). Σε ορισμένες από τις χώρες της ΚΑΕ που ανήκαν στο πρώτο κύμα της ένταξης στην Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ), η οικονομική αναδιάρθρωση και τα μέτρα για την προστασία του περιβάλλοντος φαίνεται να είχαν επιπτώσεις στη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Σε άλλες χώρες της ΚΑΕ, η πτώση της βιομηχανικής δραστηριότητας, λόγω της ύφεσης φαίνεται να έχει τον κύριο παράγοντα στη μείωση της ρύπανσης του αέρα (OECD1999a και UNECE 1999). Σε χώρες όπως η Ρωσία και η Ουκρανία, οι εκπομπές ρύπων ανά μονάδα του ΑΕΠ έχει αυξηθεί στην πραγματικότητα, αλλά το αποτέλεσμα καλύπτεται από τη συνολική μείωση του ΑΕΠ (SCRFEP 1999).

7 - 7 - Εικόνα 1.1 Εκπομπές NO x συναρτήσει του ΑΕΠ [3] Στον πίνακα φαίνεται η σχέση των εκπομπών NO x και του ΑΕΠ κατά την πάροδο των ετών από το 1990 έως το 2007 για τις χώρες της Ευρώπης. Παρατηρεί κανείς ότι παρά τη δεδομένη αύξηση του ΑΕΠ, δεν υπάρχει ανάλογη αύξηση των εκπομπών NO x. Κατά συνέπεια, ο λόγος NO x σε γραμμάρια προς το ΑΕΠ ακολουθεί φθίνουσα πορεία κατά το πέρασμα των ετών. Είναι σαφές ότι η μείωση των εκπομπών έχει συμβεί, τουλάχιστον εν μέρει λόγω των εθνικών και τοπικών μέτρων που έχουν ληφθεί σύμφωνα με οδηγίες της ΕΕ που συνδέονται με τις εκπομπές ρύπων, όπως τις οδηγίες για τον περιορισμό των εκπομπών συγκεκριμένων ρύπων από μεγάλες εργοστασιακές εγκαταστάσεις το 1988 και λόγω διάφορων οδηγιών για τις εκπομπές των οχημάτων, όπως η αλλαγή στην αμόλυβδη βενζίνη και στο πετρέλαιο ντίζελ υψηλότερης ποιότητας αλλά και η βελτίωση του σχεδιασμού της μηχανής εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ). Παρά τη σαφή αυτή πρόοδο, πολλοί στόχοι μείωσης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης δεν έχουν ακόμη επιτευχθεί. Στη Δυτική Ευρώπη, μόνο οι στόχοι της ΕΕ και της CLRTAP για τον περιορισμό του SO 2 επιτεύχθηκαν πολύ πριν από την ημερομηνία - στόχο (τα τέλη του 2000) με μικρότερη πρόοδο για την περίπτωση των NOx και του NH 3. Δύο

8 - 8 - πρόσφατα ευρωπαϊκά μέτρα αναμένεται να προκαλέσουν περαιτέρω μείωση των ατμοσφαιρικών ρύπων: μια πρόταση για μια οδηγία της ΕΕ για εθνικά ανώτατα όρια εκπομπών για ορισμένους ατμοσφαιρικούς ρύπους (NECD). Σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες, θα απαιτηθούν πρόσθετα μέτρα για την επίτευξη των στόχων των NECD και CLRTAP. Στη δυτική Ευρώπη έχουν εδραιωθεί μέτρα για τον έλεγχο της ρύπανσης, όπως η οδική τιμολόγηση και τα φορολογικά κίνητρα, (EC 2000). Ως αποτέλεσμα της εφαρμογής της Σύμβασης της Βιέννης και του πρωτοκόλλου του Μόντρεαλ, η παραγωγή ΟDS, ουσιών καταστροφικών για το όζον, στη Δυτική Ευρώπη έχει μειωθεί σχεδόν κατά 90%, ενώ η παραγωγή των υδροχλωροφθορανθράκων (HCFC) έχει αυξηθεί (ΕΚ 1999, UNEP 1998). Η πολιτική και οικονομική μετάβαση στην ΚΑΕ έχει καθυστερήσει τη σταδιακή κατάργηση της παραγωγής ODS, αλλά υπάρχει πρόοδος. Παρά το γεγονός ότι πολλές ευρωπαϊκές χώρες είναι ενθουσιώδεις υποστηρικτές μιας παγκόσμιας συμφωνίας για την αλλαγή του κλίματος, η ήπειρος εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική πηγή εκπομπών των ανθρωπογενών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Οι περισσότερες εκπομπές CO 2 προέρχονται από την καύση ορυκτών καυσίμων (ETC / AE 2000, ΟΟΣΑ, 1999b). Ο τομέας της ενέργειας (ηλεκτρικής ενέργειας και θέρμανσης), αποτελεί τον κύριο συντελεστή (32% των εκπομπών CO2 της ΕΕ), ενώ οι μεταφορές, η καύση και η βαριά βιομηχανία διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο (ETC / AE 2000). Οι εκπομπές αερίων θερμοκηπίου στην ΕΕ μειώθηκαν κατά 2% μεταξύ 1990 και 1998 (ΕΟΧ 2001a), κυρίως ως αποτέλεσμα της σταθεροποίησης των εκπομπών CO 2 και τη μείωση των εκπομπών N 2 O και μεθανίου. Η μείωση αυτή οφείλεται, ως επί το πλείστον στη Γερμανία ως αποτέλεσμα της αύξησης της αποδοτικότητας των νέων σταθμών παραγωγής ενέργειας, της εξοικονόμησης ενέργειας στα νοικοκυριά και τις βιομηχανίες αλλά και της οικονομικής αναδιάρθρωσης στην πρώην Ανατολική Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο (μετά από μία στροφή από τον άνθρακα στο φυσικό αέριο). Στη Δυτική Ευρώπη γενικά, υπάρχει μια σαφής αποσύνδεση των εκπομπών από την οικονομική ανάπτυξη και την κατανάλωση ενέργειας, χάρη σε ένα συνδυασμό της αύξησης της ενεργειακής απόδοσης, και των αποτελεσμάτων των πολιτικών και των μέτρων για τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (ETC / AE 2000). Ωστόσο, η επίτευξη των στόχων του Κιότο θα εξακολουθεί να είναι δύσκολη Οι οικονομικές αλλαγές στην κεντρική και την ανατολική Ευρώπη συνέβαλαν στη σημαντική μείωση των «ανθρωπογενών εκπομπών» αερίων του θερμοκηπίου. Το 2000, οι εκπομπές CO 2 σε εννέα από αυτές τις χώρες ήταν 8% χαμηλότερες από το 1990 (ETC / AE 2000). Σε ορισμένες από τις χώρες της ΚΑΕ, η οικονομική αναδιάρθρωση και οι περιβαλλοντικές δράσεις φαίνεται να είχαν ως αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών CO 2 (ΟΟΣΑ 1999α), ενώ στις περισσότερες χώρες της ΚΑΕ η ύφεση και η μείωση της βιομηχανικής παραγωγής φαίνεται να παίζει τον κύριο παράγοντα στη μείωση του CO 2 (ΟΟΣΑ 1999α και β, UNECE 1999).

9 Τα συστατικά των ρύπων των οχημάτων Η ατμοσφαιρική ρύπανση συνδέεται με τον πλήρη κύκλο ζωής των αυτοκινήτων και φορτηγών. Αυτό περιλαμβάνει την ατμοσφαιρική ρύπανση που εκπέμπεται κατά τη διάρκεια λειτουργίας του οχήματος, στον ανεφοδιασμό καυσίμων, την παραγωγική διαδικασία και τη διαδικασία απόσυρσης τους. Οι πρόσθετες εκπομπές συνδέονται με τη διύλιση και τη διανομή των καυσίμων των οχημάτων. Μηχανοκίνητα οχήματα προκαλούν τόσο πρωτοβάθμια όσο και δευτεροβάθμια ρύπανση. Πρωτοβάθμια ρύπανση προκαλείται από εκπομπές ρύπων κατευθείαν στην ατμόσφαιρα. Δευτεροβάθμια ρύπανση δημιουργείται από χημικές αντιδράσεις μεταξύ των ρύπων στην ατμόσφαιρα. Τα παρακάτω είναι τα σημαντικότερα συστατικά ρύπων από μηχανοκίνητα οχήματα: Μικροσωματίδια: Αυτά τα σωματίδια αιθάλης και μετάλλων δίνουν στο νέφος το σκούρο χρώμα του. Λεπτά σωματίδια, με διάμετρο μικρότερη από το ένα δέκατο της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας, αποτελούν τη σοβαρότερη απειλή για την ανθρώπινη υγεία, καθώς μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στους πνεύμονες. Εκτός από τις άμεσες εκπομπές σωματιδίων, τα αυτοκίνητα απελευθερώνουν οξείδια του αζώτου, υδρογονάνθρακες και το διοξείδιο του θείου, τα οποία παράγουν πρόσθετά σωματίδια ως δευτερεύουσα ρύπανση. Υδρογονάνθρακες (HC): Αυτοί οι ρύποι αντιδρούν με τα οξείδια του αζώτου με την παρουσία ηλιακού φωτός για το σχηματισμό όζοντος, κύριο συστατικό του νέφους. Αν και ευεργετικό το όζον στην ανώτερη ατμόσφαιρα, στο επίπεδο του εδάφους αυτό το αέριο ερεθίζει το αναπνευστικό σύστημα, προκαλώντας βήχα, πνιγμό και μειωμένη χωρητικότητα των πνευμόνων. Τα οξείδια του αζώτου (NOx): Οι εν λόγω ρύποι μπορεί να προκαλέσουν ερεθισμό στους πνεύμονες και να αποδυναμώσουν την άμυνα του οργανισμού κατά των λοιμώξεων του αναπνευστικού, όπως την πνευμονία και τη γρίπη. Επιπλέον, συντελούν στο σχηματισμό του όζοντος σε επίπεδο εδάφους και των αιωρούμενων σωματιδίων.

10 Εικόνα 1.2 Εκπομπές NO x σε kg ανά κεφαλή για τις ευρωπαϊκές χώρες [3] Σύμφωνα με τον πίνακα, οι εκπομπές ΝΟ x σε kg ανά κεφαλή για τις ευρωπαϊκές χώρες ολοένα και μειώνονται από το 1990 μέχρι το Το μονοξείδιο του άνθρακα (CO): Αυτό το άοσμο, άχρωμο, δηλητηριώδες αέριο σχηματίζεται από την καύση των ορυκτών καυσίμων όπως η βενζίνη και εκπέμπεται κυρίως από τα αυτοκίνητα και φορτηγά. Όταν εισπνέεται, το CO εμποδίζει την μεταφορά του οξυγόνου στον εγκέφαλο, την καρδιά, και σε άλλα ζωτικά όργανα του σώματος. Τα έμβρυα, τα νεογέννητα παιδιά και τα άτομα με χρόνιες ασθένειες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στις επιπτώσεις του CO.

11 Εικόνα 1.3 Εκπομπές CO σε kg ανά κεφαλή για τις ευρωπαϊκές χώρες [3] Στον παραπάνω πίνακα απεικονίζεται η μεταβολή των εκπομπών CO σε kg ανά κεφαλή στις ευρωπαϊκές χώρες από το 1990 έως το Μπορούμε να διακρίνουμε ότι υπάρχει μία συνεχής μείωση στην εκπομπή μονοξειδίου του άνθρακα με την πάροδο του χρόνου. Διοξείδιο του θείου (SO2): Οι εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τα μηχανοκίνητα οχήματα δημιουργούν αυτό το είδος του ρύπου με την καύση καυσίμων που περιέχουν θείο, ιδίως ντίζελ. Το διοξείδιο του θείου μπορεί να αντιδράσει στην ατμόσφαιρα και να λάβει τη μορφή λεπτών σωματιδίων αποτελώντας το μεγαλύτερο κίνδυνο για την υγεία σε μικρά παιδιά και ασθματικούς. Επικίνδυνοι ατμοσφαιρικοί ρύποι (τοξικές ουσίες). Αυτές οι χημικές ενώσεις, οι οποίες εκπέμπονται από αυτοκίνητα, φορτηγά, διυλιστήρια, αντλίες βενζίνης και

12 σχετικές πηγές, συνδέονται με συγγενείς ανωμαλίες, όπως καρκίνο και άλλες σοβαρές ασθένειες. Η Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος εκτιμά ότι οι τοξικές ουσίες που εκπέμπονται από τα αυτοκίνητα και τα φορτηγά είναι ύποπτες για το ήμισυ του συνόλου των καρκίνων που προκαλούνται από την ατμοσφαιρική ρύπανση. Βενζόλιο, ακεταλδεΰδη και 1,3-βουταδιένιο αποτελούν παραδείγματα των τοξικών ατμοσφαιρικών ρύπων που συνδέονται με τις εκπομπές των μηχανοκίνητων οχημάτων. Τα αέρια του θερμοκηπίου: Τα οχήματα με μηχανές εσωτερικής κάυσης εκπέμπουν ρύπους, όπως διοξείδιο του άνθρακα, που συμβάλουν στην παγκόσμια αλλαγή του κλίματος. Ο τομέας των μεταφορών ευθύνεται σήμερα για πάνω από το ένα τέταρτο του συνόλου των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στις ΗΠΑ. Είναι προφανές ότι είναι επιτακτική η ανάγκη μείωσης των εκπεμπόμενων ρύπων από τα εκατομμύρια οχήματα που κυκλοφορούν σήμερα. Έχουν θεσπιστεί μέτρα, τα οποία καθορίζουν ακριβώς τα πρότυπα εκπομπών ρύπων και τις διαδικασίες ελέγχου συμμόρφωσης των αυτοκινητοβιομηχανιών με αυτά. 1.3 Ευρωπαϊκά πρότυπα για τις εκπομπές ρύπων Η Ευρωπαϊκή Ένωση θεσπίζει συνεχώς αυστηρότερα μέτρα, όσον αφορά τις εκπομπές ρύπων των μηχανοκίνητων οχημάτων, πιέζοντας τις βιομηχανίες αυτοκινήτων να παράγουν ολοένα και «καθαρότερα» μεταφορικά μέσα. Οι κανονισμοί αυτοί αναφέρονται στην έγκριση τύπου ελαφρών επιβατικών και εμπορικών οχημάτων σε σχέση με την εκπομπή ρύπων τους, τη συντήρηση τους και τη χρήση ανταλλακτικών συγκεκριμένων υλικών. Το πρότυπο που άρχισε να ισχύει πρόσφατα λέγεται Euro 5, ενώ στο εγγύς μέλλον θα αντικατασταθεί από το Euro 6. Συγκεκριμένα, το πρότυπο Euro 5 εφαρμόστηκε από την 1η Σεπτεμβρίου 2009 όσο αφορά την έγκριση τύπου και θα ισχύει από την 1η Ιανουαρίου 2011 όσο αφορά την ταξινόμηση και την πώληση των νέων τύπων οχημάτων, ενώ το πρότυπο Euro 6 θα εφαρμοστεί από την 1η Σεπτεμβρίου 2014 όσο αφορά την έγκριση τύπου και από την 1η Σεπτεμβρίου 2015 όσο αφορά την ταξινόμηση και την πώληση των νέου τύπου οχημάτων. Από την έναρξη ισχύος των προτύπων Euro 5 και Euro 6, τα κράτη μέλη πρέπει να αρνούνται την έγκριση τύπου, την ταξινόμηση, την πώληση ή τη θέση σε κυκλοφορία των οχημάτων που δεν τηρούν τις εν λόγω οριακές τιμές εκπομπών. Δεν πρέπει να συγχέουμε τις εκπομπές ρύπων που περιλαμβάνονται στο πρότυπο Euro 5 με τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα των αυτοκινήτων. Οι πρώτες αφορούν τους ρύπους, οι οποίοι είναι άμεσα επιβλαβείς στον άνθρωπο, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα προκαλεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου και βλάπτει άμεσα το περιβάλλον και έμμεσα τον άνθρωπο.

13 Τα οχήματα για τα οποία απαιτείται ο έλεγχος αυτός έχουν μάζα έως 2610 kg. Αυτοκίνητα τέτοιας κατηγορίας είναι τα επιβατικά, τα μικρά φορτηγά, τα εμπορικά που προορίζονται για τη μεταφορά επιβατών, εμπορευμάτων ή για άλλες χρήσεις, όπως για παράδειγμα ασθενοφόρα, ανεξαρτήτως αν το καύσιμο τους είναι η βενζίνη, το ντίζελ, το φυσικό αέριο ή το υγραέριο. Οι κατασκευαστές μπορούν να ζητήσουν τη συμμόρφωση οχημάτων τους με μάζα από 2610 kg μέχρι 2840 kg, που προορίζονται για τη μεταφορά επιβατών ή προϊόντων. Τα είδη ρύπων που καλύπτει ο κανονισμός είναι τα εξής: μονοξείδιο του άνθρακα (CO), υδρογονάνθρακες πλην του μεθανίου και συνολικοί υδρογονάνθρακες, οξείδια του αζώτου (NOx) και σωματίδια (PM). Οι εκπομπές περιλαμβάνουν τις εκπομπές των αγωγών εξαγωγής, τις εκπομπές της εξάτμισης και τις εκπομπές στροφαλοθαλάμου. Σύμφωνα με το πρότυπο Euro 5, οι ανώτατες τιμές για κάθε είδος εκπεμπόμενου ρύπου διακρίνονται ανάλογα με το καύσιμο που χρησιμοποιεί το όχημα. Για τα πετρελαιοκίνητα οχήματα ισχύουν: μονοξείδιο του άνθρακα: 500 mg / km σωματίδια: 5 mg / km. Η συνεχής πίεση της ΕΕ για μείωση των ρύπων φαίνεται από το γεγονός ότι οι εκπομπές σωματιδίων μειώθηκαν κατά 80% σε σχέση με το παλαιότερο πρότυπο Euro 4). οξείδια του αζώτου (NOx): 180 mg / km (δηλαδή μείωση των εκπομπών κατά περισσότερο από 20% σε σχέση με το πρότυπο Euro 4) συνδυασμένες εκπομπές υδρογονανθράκων και οξειδίου του αζώτου: 230 mg / km. Η μονάδα μέτρησης της ποσότητας (μάζας) των ρύπων είναι τα μιλιγραμμάρια ανά χιλιόμετρο κίνησης του οχήματος. Για τα βενζινοκίνητα οχήματα και τα οχήματα που λειτουργούν με φυσικό αέριο ή υγραέριο ισχύουν: μονοξείδιο του άνθρακα: mg / km υδρογονάνθρακες πλην του μεθανίου: 68 mg / km συνολικοί υδρογονάνθρακες: 100 mg / km οξείδια του αζώτου (NOx): 60 mg / km (δηλαδή μείωση κατά 25% των εκπομπών σε σχέση με το πρότυπο Euro 4) σωματίδια (μόνο για τα βενζινοκίνητα οχήματα με απευθείας ψεκασμό, που λειτουργούν με καύση πτωχού μείγματος): 5 mg / km (θέσπιση οριακής τιμής που δεν υπήρχε σύμφωνα με το πρότυπο Euro 4).

14 Όσον αφορά τα μικρά φορτηγά και άλλα ελαφρά εμπορικά οχήματα που προορίζονται για τη μεταφορά εμπορευμάτων, ο κανονισμός περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες οριακών τιμών εκπομπών ανάλογα με τη μάζα του οχήματος: κάτω από kg, από kg έως kg, πάνω από kg. Το νεότερο πρότυπο Euro 6 θα είναι ακόμη αυστηρότερο. Τα οχήματα που είναι εξοπλισμένα με κινητήρα ντίζελ υποχρεώνονται να μειώσουν σημαντικά τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Για παράδειγμα, για τις εκπομπές που προέρχονται από επιβατηγά αυτοκίνητα και άλλα οχήματα που προορίζονται για μεταφορά θα ισχύει ανώτατο όριο 80 mg / km (δηλαδή πρόσθετη μείωση κατά περισσότερο από 50% σε σχέση με το πρότυπο Euro 5). Οι συνδυασμένες εκπομπές υδρογονανθράκων και οξειδίων του αζώτου που προέρχονται από οχήματα ντίζελ θα μειωθούν επίσης, ώστε να τεθούν ανώτατα όρια, π.χ. 170 mg / km όσον αφορά τα επιβατηγά αυτοκίνητα και άλλα οχήματα που προορίζονται για μεταφορά. Εικόνα 1.4 Εξέλιξη των προτύπων της Ευρωπαϊκής Ένωσης για εκπομπές ρύπων [4] Στην εικόνα 1.4 παρατηρείται η εξέλιξη των προτύπων της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τις εκπομπές ρύπων επιβατικών αυτοκινήτων για ντιζελοκίνητες και βενζινοκινητήρες. Το πρώτο πρότυπο Euro 1 εφαρμόστηκε τον Ιούλιο του 1992 και συγκριτικά με το ισχύον πρότυπο η διαφορά στα ανώτατα όρια ρύπων είναι

15 εντυπωσιακή. Όπως φαίνεται, η πρώτη τολμηρή μείωση επιχειρήθηκε στο Euro 2 τον Ιανουάριο του Εκτός από την τήρηση των προαναφερθέντων οριακών τιμών εκπομπών, οι κατασκευαστές οφείλουν να εγγυώνται την ανθεκτικότητα των διατάξεων ελέγχου της ρύπανσης για απόσταση km. Επίσης, η συμμόρφωση κατά τη λειτουργία πρέπει να είναι δυνατόν να ελέγχεται επί χρονικό διάστημα έως πέντε έτη ή km. Υπενθυμίζεται ότι είναι αναγκαίο να ισχύουν ενιαία πρότυπα και για το λόγο αυτό η Επιτροπή θέσπισε ειδικές διαδικασίες, δοκιμές και απαιτήσεις που αφορούν: τις εκπομπές αγωγού εξαγωγής, συμπεριλαμβανομένων κύκλων δοκιμής, τις εκπομπές σε χαμηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος, τις εκπομπές σε λειτουργία κινητήρα εν κενώ, τη θολότητα καυσαερίου τις εκπομπές της εξάτμισης και τις εκπομπές στροφαλοθαλάμου τα ενσωματωμένα στα οχήματα συστήματα διάγνωσης (OBD) και την απόδοση των συστημάτων ελέγχου της ρύπανσης κατά τη χρήση την αντοχή των συστημάτων ελέγχου της ρύπανσης, τις διατάξεις αντικατάστασης για τον έλεγχο των εκπομπών, τη συμμόρφωση εν χρήσει, τη συμμόρφωση της παραγωγής και τον τεχνικό έλεγχο τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και την κατανάλωση καυσίμων τα υβριδικά οχήματα την επέκταση των εγκρίσεων τύπου και τις απαιτήσεις για κατασκευαστές με μικρή παραγωγή τις απαιτήσεις για εξοπλισμό δοκιμών τα καύσιμα αναφοράς, όπως βενζίνη, ντίζελ, αέρια καύσιμα και βιοκαύσιμα Η εύκολη ενημέρωση και η παροχή σαφών πληροφοριών για την επισκευή και τη συντήρηση των οχημάτων αποτελεί ουσιαστικό στοιχείο. Οι κατασκευαστές πρέπει να προσφέρουν πρόσβαση στις πληροφορίες που αφορούν την επισκευή και τη συντήρηση των οχημάτων. Η υποχρέωση αυτή καλύπτει τα ενσωματωμένα συστήματα διάγνωσης (OBD), τα διαγνωστικά εργαλεία και τον εξοπλισμό δοκιμής Φίλτρο σωματιδίων πετρελαίου (DPF) για την προσαρμογή στο πρότυπο Εuro 5 Τα αυστηρά όρια ρύπων του προτύπου Euro 5 αναμένεται να καταστήσουν την ύπαρξη ενός φίλτρου σωματιδίων πετρελαίου (DPF εικόνα 1.5) σε έναν πετρελαιοκινητήρα απαραίτητη. Μέσω τέτοιου φίλτρου παγιδεύονται τα

16 μικροσωματίδια του πετρελαίου, επιτρέποντας στους ντιζελοκινητήρες να συμμορφωθούν με το πρότυπο Euro 5. Η λειτουργία αυτή συμβαίνει όταν τα καυσαέρια βρεθούν στην εξάτμιση, εκεί όπου βρίσκεται τοποθετημένο το DPF. Καθώς, λοιπόν, τα καυσαέρια περνούν από το φίλτρο, τα σωματίδια του πετρελαίου παρακρατούνται και στη συνέχεια καίγονται μέσω της θερμότητας που αναπτύσσεται. Έτσι αποτρέπεται η εκπομπή τους στην ατμόσφαιρα. Εικόνα 1.5 Φίλτρο σωματιδίων πετρελαίου (DPF) [4] 1.4 Τα αποθέματα πετρελαίου Τα αποθέματα πετρελαίου μειώνονται με ολοένα ταχύτερους ρυθμούς. Είναι γεγονός ότι υπάρχουν αντικρουόμενες έρευνες σχετικά με την εκτίμηση της εναπομείνασας ποσότητας πετρελαίου. Οι χώρες με τη μερίδα του λέοντος των αποθεμάτων πετρελαίου είναι η Σαουδική Αραβία, ο Καναδάς, το Ιράν, το Ιράκ, το Κουβέιτ, τα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα, η Βενεζουέλα, τη Ρωσία, η Λιβύη, και τη Νιγηρία (Εικόνα 1.6).

17 Εικόνα 1.6 Οι χώρες με τα μεγαλύτερα αποθέματα πετρελαίου [39] Στην εικόνα 1.6 αναγράφονται τα αποθέματα πετρελαίου ανά χώρα σε βαρέλια. Η χώρα με τα μεγαλύτερα αποθέματα είναι η Σαουδική Αραβία με βαρέλια. Στα επίπεδα κατανάλωσης του 2005, τα υπόλοιπα αποθέματα αντιστοιχούν σε 44,6 χρόνια του πετρελαίου. Προφανώς, οι ανάγκες αυξάνονται παγκοσμίως επηρεάζοντας την κατανάλωση πετρελαίου. Τόσο η επιβάρυνση του περιβάλλοντος όσο και η μείωση των διαθέσιμων ενεργειακών πόρων καθιστά αναγκαία την εύρεση λύσης για τον περιορισμό της ρύπανσης και για την απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα. 1.5 Χρήση υβριδικών οχημάτων Είναι προφανές ότι η ανάγκη για «καθαρότερα» οχήματα είναι επιτακτική. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες παράγουν, πλέον, ή παρουσιάζουν τις ιδέες τους για την προώθηση των υβριδικών ή ακόμη και των ηλεκτρικών οχημάτων. Τα υβριδικά οχήματα έχουν να επιδείξουν μία φιλικότερη στάση προς το περιβάλλον. Επιτυγχάνοντας χαμηλότερη κατανάλωση, περιορίζουν τους εκπεμπόμενους ρύπους και δεν επιβαρύνουν όσο τα συμβατικά οχήματα την ατμόσφαιρα με αέρια του θερμοκηπίου. Επιπροσθέτως, μειώνουν τους ρύπους που είναι επιβλαβείς για τον άνθρωπο. H μειωμένη κατανάλωση περιορίζει το ρυθμό μείωσης των αποθεμάτων του πετρελαίου. Σπουδαία οφέλη απολαμβάνει, όμως, ο κάτοχος ενός υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος, μερικά από τα οποία είναι: Μειωμένο κόστος μετακίνησης: Η μειωμένη κατανάλωση καυσίμου οδηγεί στον περιορισμό των εξόδων του χρήστη κατά τη μετακίνηση του. Αυτό το σημείο είναι ιδιαίτερα σημαντικό μετά την «εκτόξευση» των τιμών των καυσίμων. Η μείωση στην

18 κατανάλωση επιτυγχάνεται με τη χρήση ΜΕΚ μικρότερου κυβισμού, με τη βελτίωση της απόδοσης των ΜΕΚ, με τη συμβολή, βεβαίως, του ηλεκτρικού κινητήρα στην κίνηση αλλά και με διάφορες άλλες βελτιώσεις, που αφορούν την αεροδυναμική του αμαξώματος, την τριβή κύλισης των ελαστικών, την κατανάλωση των συστημάτων του αυτοκινήτου (κλιματισμός, πέδηση, σύστημα διεύθυνσης, ψύξης της ΜΕΚ) Μειωμένο κόστος συντήρησης: Ο περιορισμός του κυβισμού της ΜΕΚ συμβάλλει και στην ελάττωση του κόστους συντήρησης του οχήματος. Ταυτόχρονα, ο ηλεκτροκινητήρας δεν απαιτεί καμία συντήρηση εξαιτίας της πολύ απλής κατασκευής του και της στιβαρότητας του. Περιορισμένος θόρυβος λειτουργίας: Η κίνηση αποκλειστικά μέσω ηλεκτροκινητήρα περιορίζει στο ελάχιστο το θόρυβο που εισέρχεται στην καμπίνα του οχήματος. Κατ αυτόν τον τρόπο, η μεταφορά των επιβατών γίνεται πιο ευχάριστη. Οικονομικές διευκολύνσεις: Είναι γεγονός ότι οι κυβερνήσεις αρκετών ανεπτυγμένων χωρών έχουν αντιληφθεί τα πλεονεκτήματα της υβριδικής τεχνολογίας και τα οικονομικά οφέλη στα οποία θα τις οδηγήσουν. Ήδη πολλές κυβερνήσεις, μεταξύ αυτών και η Ελληνική, κάνουν λόγο για ανάγκη αλλαγής των κυβερνητικών οχημάτων από άλλα, υβριδικής τεχνολογίας αλλά και για φορολογικές διευκολύνσεις στους κατόχους υβριδικών αυτοκινήτων. Ήδη, στην Αμερική ισχύουν τέτοιου είδους φοροελαφρύνσεις. Στην Ελλάδα οι κάτοχοι υβριδικών οχημάτων δεν πληρώνουν τέλη κυκλοφορίας και ταξινόμησης και επιτρέπεται να κινούνται συνεχώς στον δακτύλιο. Τα μέτρα αυτά όμως κρίνονται από τους περισσότερους ως ανεπαρκή για να ευαισθητοποιήσουν τους πολίτες. Στην Αυστρία, ο Φόρος Προστιθεμένης Αξίας μειώνεται στο μισό. Επίσης, υπάρχει επιδότηση μέχρι 15%, απαλλαγή από το τέλος ταξινόμησης και τα τέλη κυκλοφορίας, κυκλοφοριακές διευκολύνσεις και μειωμένα ασφάλιστρα. Στην Ιταλία επιδοτείται μέχρι και το 65% της διαφοράς τιμής. Απαλλάσσονται επίσης από τα τέλη ταξινόμησης και κυκλοφορίας. Στην Ολλανδία έχουν απαλλαγεί πλήρως από τη φορολογία, γεγονός που σημαίνει ότι είναι φθηνότερα κατά περίπου ευρώ. Επίσης, προβλέπεται απαλλαγή από τα τέλη κυκλοφορίας. Στο Bέλγιο τα κίνητρα περιλαμβάνουν επιδότηση μέχρι ευρώ και κυκλοφοριακές διευκολύνσεις. Στη Γαλλία, τα κίνητρα περιλαμβάνουν επιδότηση μέχρι ευρώ, απαλλαγή από τέλη κυκλοφορίας και κυκλοφοριακές διευκολύνσεις. Στη Βρετανία πληρώνουν μειωμένους φόρους, ενώ παρέχεται δωρεάν πρόσβαση στο δακτύλιο του Λονδίνου. Στη Σουηδία υπάρχει ολοκληρωμένο πενταετές πρόγραμμα προώθησης της τεχνολογίας, ενώ στις HΠA μείωση της φορολογίας κατά δολάρια. Τα υβριδικά οχήματα αποτελούν το μεταβατικό στάδιο της αυτοκίνησης για το πέρασμα της στην εξ ολοκλήρου ηλεκτρική κίνηση. Μέσω της υβριδικής τεχνολογίας δοκιμάζονται οι τεχνολογίες που θα εφαρμοστούν στα ηλεκτρικά οχήματα. Τα κύρια σημεία που εμποδίζουν προς το παρόν τη σταδιακή αντικατάσταση του παγκοσμίου στόλου των οχημάτων με αμιγώς ηλεκτρικά είναι η

19 εξέλιξη των μέσων αποθήκευσης ενέργειας και ο ανεφοδιασμός των οχημάτων. Το πρώτο σημείο χρειάζεται βελτίωση τόσο στον τομέα των τεχνικών χαρακτηριστικών όσο και στο θέμα της αξιοπιστίας και της ασφάλειας. Ο ανεφοδιασμός αφορά τον τρόπο παραγωγής της κατάλληλης ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας, που να καλύπτει τις παγκόσμιες ανάγκες, με τον οικονομικότερο και τον οικολογικότερο τρόπο αλλά και τη μελέτη για τη δημιουργία του δικτύου παροχής ενέργειας σε κάθε σημείο του πλανήτη.

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 H υβριδική τεχνολογία στην αυτοκίνηση [16],[17],[18] 2.1 Ορισμός του υβριδικού οχήματος Ένα υβριδικό όχημα χαρακτηρίζεται από τη δυνατότητα του να συνδυάζει για την κίνηση του δύο, τουλάχιστον, πηγές ενέργειας μία συμβατική πηγή ενέργειας και μία εναλλακτική πηγή ενέργειας, η οποία συντελεί σε κάποιο βαθμό στην πρόωση του. Η συμβατική πηγή ενέργειας είναι τα ορυκτά καύσιμα, ενώ η εναλλακτική πηγή ενέργειας μπορεί να λάβει διάφορες μορφές. 2.2 Συνοπτική παρουσίαση των βασικών υβριδικών τεχνολογιών Το σύστημα πρόωσης στο υβριδικό όχημα ποικίλει ανάμεσα σε διάφορες τεχνολογίες. Η μηχανή εσωτερικής καύσης, η οποία τροφοδοτείται από την καύση των ορυκτών καυσίμων, μπορεί να συνεργάζεται με έναν ηλεκτροκινητήρα, με ένα σφόνδυλο, δηλαδή μία στρεφόμενη μάζα, με έναν κινητήρα - αντλία, ο οποίος αποτελεί τμήμα ενός υδραυλικού συστήματος πρόωσης, ή, τέλος, με έναν ατμοστρόβιλο. Βεβαίως, παρατηρείται συνεχής εξέλιξη με αποτέλεσμα νέα δευτερεύοντα συστήματα πρόωσης ή συνδυασμό των ήδη υπαρχόντων. Το συνδυασμό του θερμικού κινητήρα με τον ηλεκτροκινητήρα συναντάμε στο υβριδικό ηλεκτρικό (HEV), το οποίο θα αναλύσουμε παρακάτω. Στην περίπτωση του υβριδικού συστήματος με σφόνδυλο (εικόνα 2.1), η κινητική ενέργεια κατά το φρενάρισμα αποθηκεύεται σε αυτόν προσωρινά και προσφέρεται ξανά στο όχημα κατά την επιτάχυνση του. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται η ζυγοστάθμιση του σφονδύλου, ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος εκτροπής του με δυσάρεστες συνέπειες.

21 Εικόνα 2.1 Σφόνδυλος [45] Όσο αφορά το θερμικό σύστημα με τον ατμοστρόβιλο, γίνεται εκμετάλλευση της θερμικής ενέργειας των καυσαερίων με σκοπό την παραγωγή ατμού. Ο ατμός οδηγείται στον ατμοστρόβιλο, ο οποίος με τη σειρά του συντελεί στην κίνηση του οχήματος μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων. Τέλος, στο υδραυλικό σύστημα ο κινητήρας αντλία αναλαμβάνει την κυκλοφορία του λαδιού, του υγρού του συστήματος, ανάμεσα σε δύο δοχεία. Το ένα δοχείο, ουσιαστικά, αποτελεί ένα έμβολο, το οποίο περιέχει ένα αέριο, ενώ το άλλο είναι η αποθήκη του υγρού. Το σύστημα αυτό ανακουφίζει τα φρένα κατά ένα μέρος στην επιβράδυνση (εικόνα 2.2 Α), όταν έχουμε λειτουργία σαν αντλία αλλά και υποβοηθά κατά την επιτάχυνση (εικόνα 2.2 Β), καθώς η αντλία λειτουργεί σαν κινητήρας και κινεί τους τροχούς. Εικόνα 2.2 Υδραυλικό σύστημα [14]

22 Συναντώνται, ακόμη, μικτά κινητήρια συστήματα, τα οποία συνδυάζουν, τα παραπάνω. 2.3 Κατηγοριοποίηση των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων ανάλογα με το βαθμό υβριδοποίησης Τα υβριδικά οχήματα, γενικά, είναι δυνατόν να καταταχθούν σε υποκατηγορίες ανάλογα με το βαθμό υβριδοποίησης τους. Με τον όρο βαθμός υβριδοποίησης εννοούμε το λόγο της ισχύος που προσφέρεται από την εναλλακτική πηγή ενέργειας προς την ισχύ που αποδίδεται από το θερμικό κινητήρα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση λόγω ιδιαίτερου ενδιαφέροντος προς τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα θα αναλύσουμε τις υποκατηγορίες που υπάρχουν σε αυτό το είδος Μικροϋβριδικά (micro hybrid) Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν τα οχήματα, τα οποία εφαρμόζουν διάφορες τεχνολογίες για τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και, συνεπώς, της εκπομπής ρύπων. Δε διαθέτουν, όμως, ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα για την εξ ολοκλήρου ηλεκτρική κίνηση του οχήματος ή έστω την υποβοήθηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Συμπεραίνουμε ότι τα μικροϋβριδικά διαφέρουν από τον ακριβή ορισμό των υβριδικών οχημάτων, όμως αποτελούν το πεδίο εφαρμογής των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στα κατεξοχήν υβριδικά. Ως παράδειγμα δίνεται η σειρά 1 της BMW. Πρέπει να διευκρινίσουμε ότι ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα στην αυτοκίνηση ονομάζουμε το συνδυασμό ενός ηλεκτρικού κινητήρα, ικανού να συμβάλλει στην κίνηση του οχήματος, με τις μπαταρίες που του παρέχουν την απαραίτητη ενέργεια και με τα ηλεκτρονικά συστήματα, τα οποία διαχειρίζονται αυτήν την ενέργεια. Χαρακτηριστικές τεχνολογίες στα μικροϋβριδικά είναι οι εξής: Η τεχνολογία της ανάκτησης ενέργειας κατά την πέδηση (αναγεννησιακή πέδηση regenerative braking), η οποία επιτυγχάνεται μέσω μίας γεννήτριας που περιστρέφεται κατά το φρενάρισμα. Έτσι, επιστρέφεται ενέργεια, η οποία θα καταναλωνόταν με τη μορφή θερμότητας. Βεβαίως, απαιτούνται κατάλληλοι συσσωρευτές για να αποθηκευθεί το μεγαλύτερο δυνατό ποσό ενέργειας. Η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται σε διάφορα συστήματα του αυτοκινήτου, όπως είναι η ηλεκτρική υποβοήθηση του συστήματος διεύθυνσης ή του συστήματος πέδησης. Η ηλεκτροποίηση των υποσυστημάτων του αυτοκινήτου, όπως το σύστημα ψύξης της ΜΕΚ, το σύστημα πέδησης, το σύστημα διεύθυνσης, ώστε να μειωθούν οι απώλειες ισχύος Η λειτουργία Start-Stop (idle - off) με την οποία τα υβριδικά οχήματα έχουν τη δυνατότητα να σβήνουν το θερμικό κινητήρα κατά τη στάση και να τον επανεκκινούν όταν ο οδηγός δώσει την εντολή. Αυτό γίνεται μέσω ενός ηλεκτροκινητήρα της τάξεως των 2,5 kw υπό τάση 12 V, ο οποίος αντικαθιστά τα συστήματα της μίζας και του εναλλάκτη των συμβατικών αυτοκινήτων. Η εξοικονόμηση καυσίμου για

23 συνθήκες οδήγησης αστικού περιβάλλοντος, δηλαδή με επαναλαμβανόμενα φρεναρίσματα και εκκινήσεις, είναι 5 με 10% Ήπια υβριδικά (mild hybrid) Τα ήπια υβριδικά είναι πιθανό να υιοθετούν όλες τις προαναφερθείσες τεχνολογίες. Διακρίνονται από την πιο πάνω κατηγορία επειδή διαθέτουν ηλεκτρικό σύστημα πρόωσης, το οποίο δύναται να συμβάλλει στην κίνηση του οχήματος, ακόμη και να την αναλάβει από μόνο του μέχρι κάποια μικρή ταχύτητα του. Ο ηλεκτρικός κινητήρας, συνήθως, διαθέτει ισχύ της τάξεως των 10 με 20k W υπό τάση 100 με 200 V. Συνδέεται άμεσα με το θερμικό κινητήρα και έχει υψηλό λόγο διαμέτρου προς μήκος ώστε να επιτευχθεί μεγάλη αδράνεια και να αντικαταστήσει το σφόνδυλο των συμβατικών οχημάτων. Η εξοικονόμηση καυσίμου σε οδήγηση μέσα στην πόλη αγγίζει το 20 με 30% με αντίστοιχη αύξηση και στο συνολικό κόστος. Ένα παράδειγμα αυτής της κατηγορίας είναι το HONDA CIVIC IMA Πλήρως υβριδικά (full hybrid) Πρόκειται για τα πιο «ισχυρά» υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, καθώς προσφέρουν όλα τα πλεονεκτήματα των παραπάνω κατηγοριών και, επιπρόσθετα, διαθέτουν ηλεκτρικό κινητήρα με ισχύ που πλησιάζει τα 50 kw υπό τάση 200 V με 300V, για να κινεί από μόνος του το όχημα, και, πιθανόν, ηλεκτρική γεννήτρια. Οι ηλεκτρικές μηχανές μπορεί να συνδέονται με το θερμικό κινητήρα με κάποιο σύστημα κατανομής της ροπής, όπως για παράδειγμα το πλανητικό ή επικυκλικό κιβώτιο. Η κίνηση του οχήματος γίνεται είτε από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης είτε από τον ηλεκτρικό κινητήρα είτε και από τους δύο μαζί για αυξημένη ισχύ σε περίπτωση πλήρους επιτάχυνσης. Ο συνδυασμός αυτών των μηχανών μπορεί ακόμη και να κινήσει το όχημα μέσω του θερμικού και του ηλεκτρικού κινητήρα ενώ, ταυτόχρονα, φορτίζονται οι μπαταρίες μέσω της γεννήτριας, η οποία εκμεταλλεύεται μέρος της ισχύος του θερμικού κινητήρα. Κατ αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνουν υψηλή οικονομία καυσίμου και πολύ «καθαρότερη» μεταφορά των επιβατών συγκριτικά με τα συμβατικά οχήματα, με τυπικές τιμές περίπου 30-50% οικονομία καυσίμου, πάντα με αντίστοιχη αύξηση του κόστους ως και 30-40%. Ως παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε το LEXUS RX450h. Τόσο στα ήπια υβριδικά όσο και στα πλήρως υβριδικά παρατηρείται η τάση της μείωσης του μεγέθους των μηχανών εσωτερικής καύσης με ευεργετικά αποτελέσματα στην οικονομία καυσίμου. Αυτό οφείλεται στην εξέλιξη των θερμικών κινητήρων και την αύξηση της απόδοσης τους αλλά και στην προσθήκη ενός ηλεκτρικού κινητήρα για την υποβοήθηση του θερμικού.

24 Κατηγοριοποίηση των υβριδικών οχημάτων ανάλογα με τη διάταξη του συστήματος πρόωσης Οι τοπολογίες, οι οποίες χρησιμοποιούνται στα πλήρως υβριδικά οχήματα με σκοπό τη βέλτιστη συνεργασία και απόδοση των δύο πηγών ενέργειας, είναι ποικίλες. Αναλυτικότερα έχουν επικρατήσει οι εξής διατάξεις: Σειριακή διάταξη Το βασικότερο σημείο στο είδος αυτό είναι ότι ο ηλεκτροκινητήρας επωμίζεται εξ ολοκλήρου την κίνηση του οχήματος, ενώ ο θερμικός κινητήρας περιορίζεται σε λειτουργία στο πιο αποδοτικό φάσμα στροφών του για να φορτίζει τη γεννήτρια. Η γεννήτρια, με τη σειρά της, φορτίζει τις μπαταρίες από τις οποίες τροφοδοτείται ο ηλεκτρικός κινητήρας. Είναι, λοιπόν, σημαντικό να τονίσουμε ότι ο θερμικός κινητήρας δε συνδέεται με τους τροχούς δίνοντας τη δυνατότητα να μη χρησιμοποιηθεί κιβώτιο ταχυτήτων στο σύστημα, αφού ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να αποδίδει σημαντικές τιμές ροπής σε μεγάλο εύρος στροφών με τον κατάλληλο έλεγχο. Η τοποθέτηση του θερμικού κινητήρα δεν είναι πλέον υποχρεωτικό να γίνει σε συγκεκριμένο σημείο δίνοντας περισσότερες επιλογές από χωροταξική άποψη. Δυστυχώς, είναι αναγκαίο να χρησιμοποιούνται τρεις μηχανές. Επιπλέον, ο συνολικός βαθμός απόδοσης μειώνεται λόγω λειτουργίας σε σειρά των μηχανών αυτών. Η απόδοση είναι βέλτιστη σε μετακινήσεις εντός πόλης, δηλαδή σε μικρές κι όχι απαιτητικές διαδρομές. Θεωρείται δεδομένο για όλες τις διατάξεις ότι προσφέρεται η λειτουργία της ανάκτησης ενέργειας από το φρενάρισμα, μέσω του ηλεκτροκινητήρα ο οποίος λειτουργεί ως γεννήτρια στρεφόμενος από τους τροχούς. Εικόνα 2.3 Σειριακή διάταξη [16]

25 Παράλληλη διάταξη Στην παράλληλη διάταξη συμμετέχουν στην κίνηση του οχήματος και τα δύο είδη κινητήρων. Η κίνηση μπορεί να δοθεί μόνο από τον ηλεκτρικό κινητήρα, αποκλειστικά από το θερμικό κινητήρα ή και από τους δύο μαζί. Απαιτείται κιβώτιο ταχυτήτων, εφόσον η ΜΕΚ συνδέεται κι αυτή με τους τροχούς, αλλά και συμπλέκτη που να συνοδεύεται από μία υπολογιστική μονάδα για τον έλεγχο της κατανομής της ισχύος ανά πάσα στιγμή. Όλα αυτά καθιστούν το σύστημα ακριβότερο, βαρύτερο και πολυπλοκότερο. Δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη γεννήτριας και η επιστροφή ενέργειας στους συσσωρευτές γίνεται από τον ηλεκτροκινητήρα είτε κατά την πέδηση, είτε εάν περιστραφεί από το βενζινοκινητήρα, όταν η ισχύς που αποδίδει η ΜΕΚ είναι μεγαλύτερη της απαιτούμενης από το φορτίο. Η αλληλοβοήθεια των δύο μηχανών για την κίνηση επιτρέπει τη μείωση των διαστάσεων τους και, άρα, τη μείωση του κόστους, του βάρους και της κατανάλωσης. Η διάταξη αυτή έχει καλύτερη απόδοση συγκριτικά με τη σειριακή σε μακρινές και πιο απαιτητικές διαδρομές Σειριακή παράλληλη διάταξη Εικόνα 2.4 Παράλληλη διάταξη [16] Σε αυτή τη διάταξη παρατηρείται τόσο η ύπαρξη γεννήτριας όσο και η σύνδεση της ΜΕΚ και του ηλεκτρικού κινητήρα με τους τροχούς. Η συνεργασία και των τριών μηχανών επιτάσσει την προσαρμογή πλανητικού κιβωτίου. Αυτή η διάταξη έχει τα πλεονεκτήματα και της σειριακής και της παράλληλης τοπολογίας. Είναι ευρέως διαδεδομένη λύση αν και αρκετά πιο πολύπλοκη και ακριβή. Η κίνηση παρέχεται και από τους δύο κινητήρες ή από καθέναν ξεχωριστά. Ο βενζινοκινητήρας μπορεί να φορτίζει, απλώς, τις μπαταρίες ή και να συμβάλει συγχρόνως στην κίνηση. Παραδείγματα αποτελούν τα υβριδικά μοντέλα της TOYOTA και της LEXUS.

26 Εικόνα 2.5 Τοπολογία για τη σειριακή παράλληλη και για τη combined διάταξη [16] Complex διάταξη Πρόκειται για μία παραλλαγή της σειριακής παράλληλης διάταξης. Είναι κι αυτή μία πολύπλοκη, ακριβή αλλά αποδοτική λύση. Η μεγάλη διαφορά από τη συγγενή της διάταξη είναι η χρήση της γεννήτριας κι ως κινητήρα όταν υπάρχει ανάγκη για αυξημένη ισχύ. Μπορεί λοιπόν να εφαρμοστεί σε οχήματα που διαθέτουν, για συγκεκριμένες περιπτώσεις, κίνηση και στους δύο άξονες Ανεξάρτητη διάταξη Η ανεξάρτητη διάταξη διαθέτει ηλεκτροκινητήρα και ΜΕΚ όπως η παράλληλη διάταξη. Η διαφορά ανάμεσα τους είναι ότι στην ανεξάρτητη τοπολογία οι δύο κινητήρες δεν έχουν καμία σύνδεση μεταξύ τους. Η μηχανή εσωτερικής καύσης κινεί το ένα ζεύγος τροχών και ο ηλεκτροκινητήρας το άλλο. Η σύνδεση μεταξύ τους γίνεται μόνο μέσω του δρόμου. Αυτή η διάταξη μπορεί να βρει εφαρμογή σε τετρακίνητα οχήματα χωρίς να απαιτείται τοποθέτηση άξονα μετάδοσης και διαφορικού, όπως συμβαίνει στα συμβατικά του είδους.

27 Εικόνα 2.6 Ανεξάρτητη διάταξη [16] EREVs Mία διάταξη, η οποία προτάθηκε σχετικά πρόσφατα, αποτελείται από έναν βενζινοκινητήρα, έναν ηλεκτρικό κινητήρα και συσσωρευτές. Τα αρχικά ΕREV σημαίνουν Extended Range Electric Vehicle. Με τη συγκεκριμένη τοπολογία ένα όχημα μπορεί να καλύψει τις, κατά μέσο όρο, καθημερινές ανάγκες του οδηγού αμιγώς ηλεκτρικά. Όμως, σε περίπτωση κατά την οποία εξαντληθούν τα αποθέματα των μπαταριών ενεργοποιείται ο βενζινοκινητήρας και η διαχείριση της ενέργειας γίνεται, πλέον, με τη λογική της σειριακής διάταξης, δίνοντας στο αυτοκίνητο σημαντική αυτονομία. Ο βενζινοκινητήρας κινεί τη γεννήτρια κι αυτή με τη σειρά της φορτίζει τις μπαταρίες. Ο ηλεκτροκινητήρας εκμεταλλεύεται την αποθηκευμένη ενέργεια των μπαταριών για τη μεταφορά του οδηγού. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτού του είδους της τοπολογίας είναι τα Fisker Karma (εικόνα 2.7) και Opel Ampera (εικόνα 2.8). Το δε πρώτο προσφέρει με καθαρή ηλεκτροκίνηση μία αυτονομία περίπου 80 km, ενώ αν καταναλωθεί η ενέργεια των μπαταριών τίθεται σε λειτουργία ένας υπερτροφοδοτούμενος βενζινοκινητήρας, ο οποίος δίνει τη δυνατότητα στον οδηγό να κινηθεί για ακόμη 483 km. Με την ίδια λογική το δεύτερο αυτοκίνητο έχει αυτονομία 60 km και στη συνέχεια ενεργοποιείται η ΜΕΚ για να προσθέσει 440 km αυτονομίας.

28 Εικόνα 2.7 Fisker Karma [45] Εικόνα 2.8 Opel Ampera [45] 2.5 Κατηγοριοποίηση των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων ανάλογα με τον τρόπο ανεφοδιασμού τους Τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να διακριθούν ανάλογα με τον τρόπο ανεφοδιασμού τους από εξωτερική πηγή ενέργειας. Είναι πιθανό ένα όχημα να προσφέρεται για ανεφοδιασμό και με τους δύο τρόπους που θα αναφέρουμε.

29 Υβριδικά οχήματα ανεφοδιαζόμενα από σταθμούς υγρών καυσίμων Τα οχήματα αυτά ανεφοδιάζονται μόνο από σταθμούς υγρών καυσίμων και αποτελούν την πλειοψηφία των υβριδικών οχημάτων Υβριδικά οχήματα ανεφοδιαζόμενα από το δίκτυο Τα οχήματα αυτά ανεφοδιάζονται και από το δίκτυο χαμηλής τάσης. Βασική προϋπόθεση είναι ένας φορτιστής κατάλληλος για τέτοιου είδους φόρτιση. Τέτοια μοντέλα είναι γνωστά με το όνομα PHEV ( Plug-in HEV) και ήδη παρουσιάζονται από διάφορες εταιρίες, όπως η GENERAL MOTORS. Μία περαιτέρω διάκριση μπορεί να γίνει στα PHEV με βάση την αυτονομία τους αν κινηθούν αμιγώς ηλεκτρικά. Η αυτονομία τους δηλώνεται με τον αριθμό των χιλιομέτρων που μπορούν να διανύσουν. Για παράδειγμα ένα PHEV30 μπορεί να διανύσει ηλεκτρικά 30 χιλιόμετρα. Η αυτονομία τους αγγίζει με βάση τα σημερινά δεδομένα τα 60 χιλιόμετρα, ενώ αυξάνεται συνεχώς χρησιμοποιώντας ολοένα και αποδοτικότερες μπαταρίες. Έχει παρατηρηθεί η προσπάθεια ιδιωτών να μετατρέψουν τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα τους σε PHEV κατασκευάζοντας φορτιστές για τη φόρτιση από το δίκτυο χωρίς, πάντοτε, τα καλύτερα αποτελέσματα για το αυτοκίνητο τους.

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Παρουσίαση χαρακτηριστικών υβριδικών και ηλεκτρικών οχημάτων [5],[17],[25],[26],[28],[29] Τα υβριδικά αυτοκίνητα αποτελούν, πλέον, συχνό φαινόμενο στους δρόμους και ικανοποιούν κάθε είδους ανάγκες και προτιμήσεις. Γνωστές αυτοκινητοβιομηχανίες παράγουν υβριδικά οικογενειακά, αγωνιστικά, μικρομεσαία και οχήματα με δυνατότητες εκτός δρόμου. Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστούν κάποια υβριδικά μοντέλα καθώς κι οι τεχνολογίες που εφαρμόζονται για την υβριδοποίηση τους. Στη συνέχεια θα γίνει αναφορά σε κάποια ηλεκτρικά οχήματα που κυκλοφορούν ήδη. 3.1 ΤΟΥΟΤΑ PRIUS Η νέα έκδοση του μικρομεσαίου οικογενειακού της TOYOTA είναι, όπως και οι προκάτοχοι του, ένα πλήρως υβριδικό όχημα σειριακής παράλληλης διάταξης. Εισήλθε στην αγορά το Μάιο του Προσφέρει την ιδιαίτερα χαμηλή για τις επιδόσεις του κατανάλωση των 3,9 λίτρων ανά 100 km στο μεικτό κύκλο, και εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα 89 γραμμάρια ανά χιλιόμετρο.

31 Eικόνα 3.1 TOYOTA PRIUS [45] To σύστημα πρόωσης του αποτελείται από ένα βενζινοκινητήρα χωρητικότητας 1,8 λίτρων ισχύος 73 kw (98 ίππων) στις 5200 rpm και ροπής 142 Νm, έναν ηλεκτρικό κινητήρα σύγχρονο μόνιμου μαγνήτη ισχύος 60 kw (80 ίππων) και ροπής 206 Νm υπό τάση 650 V και μία σύγχρονη γεννήτρια. Οι συσσωρευτές είναι νικελίου - υδριδίου μετάλλου με τάση εξόδου 202 V αποτελούμενη από 168 κυψέλες των 1,2 V, μέγιστη αποδιδόμενη ισχύ 27 kw, χωρητικότητα 6,5 Ah και μάζα μόλις 45 kg. Το όχημα μπορεί να κινηθεί αμιγώς ηλεκτρικά μόνο για 2 χιλιόμετρα λόγω της μικρής ποσότητας ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί στις μπαταρίες. Ο κινητήρας λειτουργεί με βάση το θερμοδυναμικό κύκλο του Atkinson κι όχι του Otto, όπως η πλειοψηφία των συμβατικών οχημάτων. Η λειτουργία σε κύκλο Atkinson προσφέρει οικονομία καυσίμου αλλά μικρότερη απόδοση του κινητήρα. Βασίζεται στη μεγαλύτερη διαδρομή που εκτελεί το έμβολο όταν βρίσκεται σε φάση εκτόνωσης από αυτή που εκτελεί στη φάση συμπίεσης. Για να επιτευχθεί αυτό, στον κινητήρα του Prius η συμπίεση αρχίζει πολύ αργότερα από το Κατώτατο Νεκρό Σημείο (ΚΝΣ),τη θέση, δηλαδή, του εμβόλου μέσα στον κύλινδρο στο τέλος της φάσης της εκτόνωσης. Το κλείσιμο της βαλβίδας εισαγωγής του κυλίνδρου για τη φάση συμπίεσης εξαρτάται από τον επιθυμητό βαθμό πλήρωσης, δηλαδή την αναλογία στην ποσότητα αέρα καυσίμου. Η κατανομή της ισχύος μεταξύ του βενζινοκινητήρα, του ηλεκτροκινητήρα και της γεννήτριας γίνεται μέσω ενός επικυκλικού διαφορικού. Στον «ήλιο» του διαφορικού συνδέεται η γεννήτρια, στο φορέα των πλανητών η ΜΕΚ και στη στεφάνη, μέσω της οποίας γίνεται η έξοδος της ισχύος, ο ηλεκτρικός κινητήρας. Συνεπώς, ο ηλεκτροκινητήρας είναι συνεχώς συνδεδεμένος με τον άξονα μετάδοσης της κίνησης, δηλαδή με σταθερή ταχύτητα του οχήματος στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Αντίθετα, ο βενζινοκινητήρας και η γεννήτρια έχουν συνεχώς μεταβαλλόμενο ρυθμό περιστροφής ανάλογα με τις απαιτήσεις κίνησης του οχήματος.

32 Εικόνα3.2 Διάγραμμα πλανητικού συστήματος μετάδοσης [45] Εικόνα 3.3 Σύμπλεξη βενζινοκινητήρα, γεννήτριας, ηλεκτροκινητήρα μέσω πλανητικού συστήματος στο Prius (από το συνέδριο τεχνολογική έκθεση EVS24, Mαϊου 2009, Stavanger, Νορβηγία) To κιβώτιο που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση της κίνησης στους τροχούς είναι συνεχώς μεταβαλλόμενων σχέσεων (CVT). Ουσιαστικά, βασίζεται στην απλή ιδέα της ύπαρξης δύο γραναζιών μεταβλητής διαμέτρου, ώστε η σχέση μετάδοσης μεταξύ τους να αλλάζει ανάλογα με τις ανάγκες οδήγησης. Αποτελείται από δύο υγρούς πολύδισκους συμπλέκτες καθώς και το σύστημα ιμάντων τροχαλιών. Στο CVT η επιλογή της σχέσης βασίζεται σε έναν πολύπλοκο αλγόριθμο, ο οποίος λαμβάνει υπόψη του την ταχύτητα του οχήματος, το φορτίο και τις απαιτήσεις του οδηγού. Το εύρος των σχέσεων που προσφέρει είναι μεγαλύτερο από αυτό του πεντατάχυτου κιβωτίου. Η πρώτη σχέση είναι πιο «κοντή» και η τελική πιο «μακριά» συγκριτικά με το συμβατικό κιβώτιο. To σύστημα πρόωσης ελέγχεται από τη Μονάδα Ελέγχου Ισχύος (Power Control Unit). Σε αυτή περιλαμβάνεται ένας αμφικατευθυντήριος μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή (Boost / Buck bidirectional converter), o oποίος αναλαμβάνει την ανύψωση της τάσης των μπαταριών από το επίπεδο τάσης των 202 V σε ένα επίπεδο τάσης πάνω από το επίπεδο τάσης των 650 V, που απαιτούνται από τον κινητήρα. Επιπλέον, αναλαμβάνει τη ρύθμιση της τάσης για τη φόρτιση της μπαταρίας κατά την ενεργειακή πέδηση. Περιλαμβάνεται, ακόμη, ένας τριφασικός αντιστροφέας ισχύος για τη μετατροπή της τάσης των μπαταριών από συνεχή σε τριφασική εναλλασσόμενη με είσοδο την έξοδο του αμφικατευθυντήριου μετατροπέα

33 και έξοδο τα 650 V του κινητήρα αλλά κι ένας μετασχηματιστής με τάση εισόδου 202 V και τάση εξόδου 14 V για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών καταναλώσεων του αυτοκινήτου. Οι διαστάσεις της Μονάδας Ελέγχου της ισχύος έχουν περιοριστεί σημαντικά και η μάζα της έχει περιοριστεί μόλις στα 13,5 kg. Εικόνα 3.4 Moνάδα Ελέγχου Ισχύος μαζί με τη φιάλη για την υδρόψυξη της (από το συνέδριο τεχνολογική έκθεση EVS24, Mαϊου 2009, Stavanger, Νορβηγία) Καινοτομία αποτελούν τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που έχουν τοποθετηθεί στην οροφή του νέου Prius και τροφοδοτούν τον εξαερισμό του οχήματος όταν αυτό είναι σταθμευμένο στον ήλιο. Η πορεία της TOYOTA για τα υβριδικά της οχήματα παραμένει στην υποβοήθηση του βενζινοκινητήρα από τον ηλεκτροκινητήρα και στην αμιγώς ηλεκτροκίνηση ανά διαστήματα μέσα στο αστικό περιβάλλον με ταχύτητα, συγκεκριμένα για το Prius, μέχρι 48 km/h. Τα PHEV αναμένεται να είναι εμπορικά διαθέσιμα στο εγγύς μέλλον. Εκπρόσωποι της εταιρίας έχουν δηλώσει ότι όλα τις τα μοντέλα θα είναι υβριδικά μέχρι το Παρακάτω ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας του PRIUS σε όλες τις περιπτώσεις οδήγησης.

34 Ο βενζινοκινητήρας σταματά να λειτουργεί στο εύρος στροφών που δεν είναι αποδοτικός, δηλαδή στην εκκίνηση από στάση. Το όχημα κινείται μόνο από τον ηλεκτροκινητήρα (Α στο σχήμα). Η παρεχόμενη από τη ΜΕΚ ισχύς κατανέμεται από το επικυκλικό κιβώτιο. Ένα τμήμα της ισχύος περιστρέφει τη γεννήτρια, η οποία με τη σειρά της τροφοδοτεί τον ηλεκτρικό κινητήρα (Β στο σχήμα). Η υπόλοιπη ισχύς αποδίδεται απευθείας στους τροχούς (C). Με τον έλεγχο του καταμερισμού της ισχύος επιτυγχάνεται η μέγιστη απόδοση.

35 Σε περίπτωση έντονης επιτάχυνσης προσφέρεται επιπλέον ισχύς από τους συσσωρευτές (Α), ενώ η ΜΕΚ και ο ηλεκτροκινητήρας συμβάλλουν από κοινού στην κίνηση του οχήματος.

36 Αφήνοντας το πόδι από το πεντάλ του γκαζιού ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια στρεφόμενη από τους τροχούς. Ο βενζινοκινητήρας φορτίζει τους συσσωρευτές μέσω της γεννήτριας, όποτε κρίνεται αναγκαίο από το σύστημα

37 HONDA INSIGHT Στην κατηγορία των μικρομεσαίων επιβατικών αυτοκινήτων κατατάσσεται το HONDA INSIGHT. Πρόκειται για ένα ήπιο υβριδικό (mild hybrid) όχημα, παράλληλης διάταξης, με μέση κατανάλωση στο μεικτό κύκλο 4,4 λίτρα ανά 100 km και εκπομπές CO γραμμάρια ανά χιλιόμετρο. Εικόνα 3.5 Ηonda Insight [14] To σύστημα πρόωσης του οχήματος αποτελείται από ένα βενζινοκινητήρα χωρητικότητας 1,3 λίτρων, μέγιστης ισχύος 73 kw (98 ίππων) και μέγιστης ροπής 120,6 Nm, έναν τριφασικό σύγχρονο κινητήρα ισχύος 10,4 kw (13 ίππων) και ροπής 78 Νm και συσσωρευτές νικελίου μετάλλου υδριδίου με δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας της τάξεως των 0,58 kwh. Το όχημα έχει τη δυνατότητα αμιγούς ηλεκτροκίνησης όταν το φορτίο δεν υπερβαίνει τα 5 kw κι όσο επιτρέπεται από το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας. Εξαιτίας της έλλειψης γεννήτριας οι μπαταρίες φορτίζονται αποκλειστικά μέσω ενεργειακής πέδησης. Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι διαρκώς συνδεδεμένος με το βενζινοκινητήρα και περιστρέφεται ως φορτίο από τη ΜΕΚ όταν δε τροφοδοτείται με τάση. Αντίθετα, κατά την κίνηση αποκλειστικά από τον ηλεκτροκινητήρα ανοίγουν οι βαλβίδες των κυλίνδρων του βενζινοκινητήρα, ώστε τα έμβολα του να κινούνται ελεύθερα κι ο ηλεκτροκινητήρας να έχει το ελάχιστο δυνατό φορτίο. Το κιβώτιο για τη μετάδοση της κίνησης είναι και σε αυτή την περίπτωση συνεχώς μεταβαλλόμενων σχέσεων (CVT).

38 FORD ESCAPE Πρόκειται για το πλήρες υβριδικό SUV της Ford. Επιτυγχάνεται κατανάλωση περίπου 8 λίτρων ανά 100 χιλιόμετρα στο μεικτό κύκλο και αυτονομία που αγγίζει τα 800 χιλιόμετρα. Κινείται από ένα βενζινοκινητήρα χωρητικότητας 2,3 λίτρων, ισχύος 97,8 kw (133 ίππων) στις 6000 rpm σε συνδυασμό με έναν τριφασικό, σύγχρονο μόνιμου μαγνήτη ηλεκτροκινητήρα ισχύος 69 kw (94 ίππων). Oι μπαταρίες του είναι νικελίου μετάλλου υδριδίου με τάση εξόδου 330 V. Εικόνα 3.6 Ford Escape Hybrid [28] Η μετάδοση της κίνησης γίνεται μέσω ενός ηλεκτρονικά ελεγχόμενου κιβωτίου συνεχώς μεταβαλλόμενων σχέσεων (ecvt). 3.4 MERCEDES - BENZ CITARO G BUS Μία πρόταση στα μέσα μαζικής μεταφοράς είναι το λεωφορείο Citaro G της Mercedes Benz. Πρόκειται για ένα τριαξονικό όχημα 18 μέτρων, το οποίο έχει τη δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας έως και 30 % συγκριτικά με το συμβατικό πετρελαιοκίνητο μοντέλο.

39 Εικόνα 3.7 Mercedes Benz Citaro G bus [29] H τοπολογία που έχει επιλεχθεί είναι η σειριακή. Χρησιμοποιείται ένας κινητήρας diesel 4,8 λίτρων, ο οποίος αντικατέστησε τον 6 λίτρων κινητήρα του συμβατικού οχήματος, ώστε να φορτίζει τους συσσωρευτές. Τέσσερεις τριφασικοί hub κινητήρες συνολικής ισχύος 320 kw έχουν προσαρμοστεί στους τροχούς του κεντρικού και του πίσω άξονα. Οι συσσωρευτές είναι Li ion, παρέχουν ισχύ μέχρι 180 kw, ζυγίζουν 350 kg κι έχουν τοποθετηθεί στην οροφή. H κυκλοφορία τους στο δρόμο έχει οριστεί στο τέλος του έτους TESLA ROADSTER Πρόκειται για ένα αμιγώς ηλεκτροκίνητο σπορ όχημα, το οποίο κατασκευάζεται από την αμερικανική εταιρία Tesla Motors. Το Tesla Roadster είναι το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο υψηλών επιδόσεων που βγαίνει στη γραμμή παραγωγής. Βασίστηκε στη Lotus Elise, ώστε να αποφευχθούν ο χρόνος και το κόστος σχεδίασης ενός τέτοιου οχήματος. Το κόστος του είναι υψηλό αλλά όχι υπερβολικά αν το συγκρίνουμε με το κόστος αντίστοιχων συμβατικών μοντέλων. Η ταχύτητα των 100 km από στάση επιτυγχάνεται σε 3,9 δευτερόλεπτα, ενώ η αυτονομία του αγγίζει τα 400 km. Πρέπει να σημειώσουμε ότι η αυτονομία αυτή επιτυγχάνεται μόνο με οικονομική οδήγηση και ότι με σπορ οδήγηση υποπολλαπλασιάζεται.

40 Εικόνα 3.8 Tesla Roadster [5] Ο κινητήρας του είναι τριφασικός επαγωγικός, τεσσάρων πόλων, αερόψυκτος, με ισχύ 189 kw από τις 5000 rpm έως τις 8000 rpm και ζυγίζει μόλις 32 kg. Μπορεί να στρέφεται μέχρι και τις rpm. H μέγιστη τιμή της ροπής του φτάνει τα 375 Nm από 0 έως 4500 rpm. Ο συντελεστής απόδοσης του είναι 92%, ενώ στο επίπεδο της μέγιστης ισχύος μειώνεται στο 85%, λόγω του υψηλότερου ρεύματος που συνεπάγεται μεγαλύτερη κατανάλωση. Ο έλεγχος του κινητήρα γίνεται μέσω της τεχνικής του διανυσματικού ελέγχου της ροής του στάτη.

41 Eικόνα 3.9 Τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας του Tesla Roadster sport [5] Οι συσσωρευτές είναι ιόντων λιθίου (Li-ion). Ζυγίζουν περίπου 430 kg και αποτελούνται από στοιχεία (cells). Η διάρκεια ζωής των μπαταριών υπολογίζεται για μίλια. Η διάρκεια φόρτισης τους είναι 7 ώρες σε δίκτυο τάσης 110 V. Η μετάδοση της κίνησης γίνεται μέσω χειροκίνητου κιβωτίου μόνο μίας σχέσης, εξαιτίας των εξαιρετικών τιμών ροπής που παρουσιάζει ο κινητήρας από μηδενικές στροφές. Εικόνα 3.10 Καμπύλες ροπής και ισχύος του Tesla Roadster sport [5]

42 Στο παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε με κόκκινο τη συνάρτηση ροπής στροφών του αυτοκινήτου. Η ροπή διατηρείται σταθερή στη μέγιστη τιμή της σχεδόν μέχρι τις 6000 rpm. Mε μπλε απεικονίζεται η καμπύλη ισχύος στροφών. Η σχέση των δύο αυτών μεγεθών παρουσιάζει γραμμικότητα και η ισχύς αγγίζει τη μέγιστη τιμή της στις 8000 rpm. Με μαύρο διακρίνεται η γραφική παράσταση ροπής στροφών για έναν τετρακύλινδρο βενζινοκινητήρα. Η ροπή, όπως φαίνεται, αρχίζει να παρέχεται λίγο κάτω από τις 1000 rpm και λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της περίπου στις 4000 rpm. Η σύγκριση των δύο αυτών ειδών κινητήρων μας δείχνει την υπεροχή του ηλεκτρικού κινητήρα στις χαμηλές και μεσαίες στροφές. 3.6 INDUS YOSPEED Εκτός από τα αυτοκίνητα, μία ιδιαίτερα οικονομική λύση για τη μετακίνηση εντός των ορίων μίας αστικής περιοχής προσφέρεται από την ινδική εταιρία Indus, η οποία κατασκευάζει ηλεκτροκίνητα μοτοποδήλατα (scooters). Εικόνα 3.11 Indus Yospeed [26] H κίνηση δίνεται στους τροχούς από έναν τριφασικό σύγχρονο κινητήρα ισχύος 750 W στις 570 rpm και ροπής 45 Νm στις 150 rpm προσαρμοσμένο στον μπροστινό τροχό (hub motor). Oι μπαταρίες είναι οξέος μολύβδου τεχνολογίας VRLA με τάση εξόδου 48 V και χωρητικότητα 33 Ah. O χρόνος φόρτισης είναι 6 8 ώρες. Η αποθηκευμένη ενέργεια στις μπαταρίες αντιστοιχεί σε 1584 Wh. H αυτονομία, η οποία παρέχεται είναι 70 με 75 km για έναν αναβάτη μέσου βάρους, αρκετή για τι καθημερινές ανάγκες ενός ατόμου. Mε την τιμή της kwh να ισούται με 0,08, γίνεται αντιληπτό πόσο φθηνή είναι η μετακίνηση. Ουσιαστικά, η απόσταση των 70 km διανύεται με κόστος περίπου 0,13.

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Είδη ηλεκτρικών κινητήρων [21],[22],[33],[34],[35], 4.1 Γενικά κριτήρια επιλογής του κινητήρα Η επιλογή του κατάλληλου κινητήρα αποτέλεσε, ίσως, την πιο χρονοβόρα διαδικασία του εγχειρήματος. Η ιδιαίτερη προσοχή που δόθηκε σε αυτό το σημείο δικαιολογείται, διότι πρόκειται για τη βασικότερη μονάδα του κινητηρίου συστήματος, εφόσον όλα τα υπόλοιπα στοιχεία επιλέγονται ή και σχεδιάζονται με βάση αυτό. Οι πρωταρχικές προϋποθέσεις που καλείται να καλύψει ο κινητήρας του οχήματος είναι ποικίλες. Αρχικά, απαιτείται η ονομαστική ισχύς του, η ονομαστική ροπή του, ο ονομαστικός αριθμός στροφών του, η χαρακτηριστική ροπής-ταχύτητας και γενικότερα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του να τον καθιστούν ικανό να κινεί ικανοποιητικά το αμάξωμα στο οποίο προσαρμόζεται και να ανταποκρίνεται στη μέγιστη ροπή του φορτίου. Πρέπει, λοιπόν, να επιλεγεί μία μηχανή με τη σωστή ισχύ, αφού σε περίπτωση που προτιμηθεί μικρότερη ισχύς, θα προβούμε σε υπερφόρτιση του κινητήρα, διατρέχοντας τον κίνδυνο να προκαλέσουμε βλάβη. Σε περίπτωση, πάλι, που διαλέξουμε μεγαλύτερη ισχύ από την απαιτούμενη θα τον λειτουργούμε με χαμηλό συντελεστή απόδοσης, λύση διόλου οικονομική. Επιπλέον, κρίνεται αναγκαίο οι διαστάσεις του και η μάζα του να έχουν όσο το δυνατόν μικρότερες τιμές, ώστε να είναι εύκολη η εγκατάσταση του και να μην επιβαρύνεται το όχημα μας με πρόσθετη μάζα. Δεν πρέπει, όμως, να αγνοήσουμε και τον τρόπο ψύξης του, ζωτικής σημασίας για την ασφαλή λειτουργία του και τη βέλτιστη απόδοση του. Είναι σημαντικό στην επιλογή μας να λάβουμε υπόψη την ευκολία ρύθμισης των στροφών του κινητήρα μας, ώστε να προχωρήσουμε στην κατασκευή του μετατροπέα μέσω του οποίου θα τον ελέγχουμε. Αυτό εξαρτάται από το είδος του. Συγκεκριμένα, υπήρξαν τρεις επιλογές: Σύγχρονος, ασύγχρονος και κινητήρας συνεχούς ρεύματος. Σε αυτό το σημείο είναι σκόπιμο να περιγράψουμε σύντομα τη λειτουργία του καθενός, ώστε να γίνει σαφής η σύγκριση τους. 4.2 Παρουσίαση στα είδη των κινητήρων Κινητήρας συνεχούς ρεύματος Οι αρχές λειτουργίας των τριών βασικών ειδών κινητήρων που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές κίνησης είναι αρκετά απλές συγκρινόμενες με τις μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ), βασισμένες στους θεμελιώδεις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού.

44 Αρχικά, χρειάζεται να αναφερθεί ότι κάθε ένα από τα είδη κινητήρων που θα περιγραφεί αποτελείται από το εξωτερικό ακίνητο μέρος, το στάτη, και το εσωτερικό κυλινδρικό τμήμα, το δρομέα, ο οποίος είναι ελεύθερος να περιστρέφεται. Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος διαθέτει μία περιέλιξη στο στάτη, η οποία τροφοδοτείται με συνεχή τάση. Ρυθμίζοντας αυτή την τάση, ελέγχεται το ρεύμα του στάτη, το λεγόμενο ρεύμα διέγερσης (I f ), με συνέπεια τον έλεγχο της μαγνητικής ροής που προκαλείται λόγω του Ι f στο εσωτερικό της μηχανής. Ο δρομέας περιέχει στις αυλακώσεις του, το τύλιγμα του οπλισμού, το οποίο τροφοδοτείται, επίσης, με συνεχές ρεύμα. Επειδή η διέγερση του στάτη και του δρομέα παρέχονται, συνήθως, από διαφορετικές πήγες σε αυτοκινητικές εφαρμογές, ο κινητήρας αυτός ονομάζεται ξένης διέγερσης. Η επιλογή αυτού του είδους τροφοδοσίας προσφέρει υψηλότερη ροπή ήδη από τις πολύ χαμηλές στροφές. Το μαγνητικό πεδίο του στάτη ασκεί δύναμη Laplace, στο ρευματοφόρο αγωγό του δρομέα, αναπτύσσοντας ροπή τέτοια, ώστε να περιστρέφει το δρομέα. Η ηλεκτρομαγνητική ροπή είναι ανάλογη του ρεύματος του δρομέα. Πρέπει να επισημανθεί ότι λόγω της περιστροφής του δρομέα, το ρεύμα που τον διαρρέει θα άλλαζε συνεχώς φορά, που σημαίνει ότι η ροπή που αναπτύσσεται θα άλλαζε και αυτή με τη σειρά της φορά. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ο συλλέκτη και οι ψήκτρες. Το τύλιγμα του οπλισμού συνδέεται στους τομείς του συλλέκτη, που κατασκευάζονται συνήθως από χαλκό. Οι τομείς περιστρέφονται συνεχώς μαζί με το δρομέα. Τουλάχιστον ένα ζεύγος σταθερών ψηκτρών, συνήθως από άνθρακα, χρησιμοποιούνται για να έρχονται σε επαφή οι τομείς του συλλέκτη (και κατά συνέπεια με τους αγωγούς του οπλισμού) με τους σταθερούς ακροδέκτες της περιέλιξης του οπλισμού που παρέχουν την dc τάση. Επιτυγχάνεται, λοιπόν, μία μηχανική ανόρθωση του ρεύματος στο τύλιγμα του δρομέα.

45 Εικόνα 4.1 Σχέδιο κινητήρα συνεχούς ρεύματος Στην εικόνα 4.1 φαίνεται το ζεύγος των ψηκτρών, οι οποίες έρχονται σε επαφή με το συλλέκτη. Επιπλέον, βλέπουμε το τύλιγμα του δρομέα, το οποίο έρχεται σε επαφή με το συλλέκτη και το στάτη, ο οποίος δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο. Παρακάτω παρουσιάζεται η κανονικοποιημένη χαρακτηριστική καμπύλη Ω / Ωο(Μ). Εικόνα 4.2 Χαρακτηριστική στροφών ροπής κινητήρα συνεχούς ρεύματος [21]

46 Πρόκειται για τη χαρακτηριστική ταχύτητας - ροπής μηχανών ξένης και παράλληλης διέγερσης. Από τη εικόνα 4.2 παρατηρείται ότι ο dc κινητήρας προσφέρει υψηλή τιμή ροπής, που παραμένει σταθερή για λειτουργία σε χαμηλές στροφές Σύγχρονος κινητήρας με μόνιμο μαγνήτη στο δρομέα Η δεύτερη κατηγορία κινητήρων, που συναντάμε σε εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία, είναι οι σύγχρονοι κινητήρες, οι οποίοι μαζί με τους ασύγχρονους αποτελούν τις προτιμότερες λύσεις σήμερα, γεγονός που θα επιχειρήσουμε να αιτιολογήσουμε παρακάτω. Οι σύγχρονοι κινητήρες διαθέτουν στο στάτη τριφασικό τύλιγμα, το οποίο τροφοδοτείται με τριφασικό σύστημα τάσεων, ενώ στο δρομέα έχουν τοποθετηθεί μόνιμοι μαγνήτες. Οι μόνιμοι μαγνήτες χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μικρής ισχύος (μέχρι κάποια kw). Ο δρομέας μπορεί να λάβει δύο μορφές, κυλινδρικός ή με έκτυπους πόλους. Ο κυλινδρικός δρομέας έχει ομοιόμορφο σχήμα, συνεπώς η μαγνητική διαπερατότητα του είναι σταθερή. Αντιθέτως, ο δρομέας με έκτυπους πόλους εξαιτίας της διαφορετικής μαγνητικής διαπερατότητας του, χωρίζεται σε δύο νοητούς, κάθετους μεταξύ τους άξονες, τους d και q για να διευκολυνθεί η μελέτη του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της μηχανής. O d διατρέχει όλον το δρομέα κατά το μήκος του, ενώ ο q τον «κόβει» εγκάρσια στο μέσον του. Με βάση αυτούς τους άξονες καταστρώνεται η μαθηματική ανάλυση του μοντέλου. Στο εσωτερικό της μηχανής παράγεται λόγω του στάτη στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Προϋπόθεση για να δημιουργηθεί τέτοιου είδους πεδίο είναι η τοποθέτηση των τυλιγμάτων του στάτη με διαφορά μεταξύ τους στο χώρο. Το πεδίο στάτη ασκεί δύναμη στους μαγνήτες του δρομέα. Το πεδίο, όμως, του στάτη περιστρέφεται συνεχώς και, συνεπώς, το πεδίο του δρομέα, άρα και ο δρομέας προσπαθεί να το ακολουθήσει και να συγχρονιστεί μαζί του, όπως, ακριβώς, τείνουν να ευθυγραμμιστούν δύο μαγνητικές ράβδοι. Ο κινητήρας οφείλει το όνομα του στο γεγονός ότι ο δρομέας περιστρέφεται στο σύγχρονο αριθμό στροφών, δηλαδή σε ταχύτητα ίση με τη συχνότητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου (συχνότητα του δικτύου). Καθώς αυξάνεται η γωνία μεταξύ του πεδίου του στάτη και του πεδίου του δρομέα, αυξάνεται και η ροπή που ασκείται στο δρομέα από το μαγνητικό πεδίο. Ο έλεγχος των στροφών της μηχανής πραγματοποιείται με αλλαγή της συχνότητας τροφοδοσίας.

47 Eικόνα 4.3 Χαρακτηριστικές ροπής αριθμού στροφών και ισχύος αριθμού στροφών σύγχρονου κινητήρα [14] Από τη χαρακτηριστική Μ(n) στην εικόνα 4.3 για ένα σύγχρονο κινητήρα με το πορτοκαλί χρώμα συμπεραίνουμε ότι η ροπή της σύγχρονης μηχανής είναι σχεδόν ανεξάρτητη του αριθμού στροφών της. Με έντονο πράσινο χρώμα διακρίνεται η μέγιστη μηχανική ισχύς στο δρομέα συναρτήσει του αριθμού στροφών και φαίνεται η γραμμικότητα της συνάρτησης μέχρι περίπου τις 3500 rpm Brushless DC motor (BLDC) Πρόκειται, πάλι, για κινητήρα με τριφασικό τύλιγμα στο στάτη και μόνιμους μαγνήτες στο δρομέα. Η μηχανή οδηγείται από παλμούς τάσης σχήματος ορθογωνίου ή τραπεζίου εναλλασσόμενης πολικότητας που παράγονται σύμφωνα με τη θέση του δρομέα. Στους παλμούς αυτούς συνεχούς τάσης οφείλει το όνομα του. Χρειάζονται, λοιπόν, αισθητήρες θέσης του δρομέα. Είναι σημαντικό η γωνία μεταξύ της μαγνητικής ροής του πεδίου του στάτη και του πεδίου του δρομέα να είναι κοντά στις 90 μοίρες, ώστε να παράγεται η μέγιστη ροπή. Η ύπαρξη αυτού του είδους της παραλλαγής του σύγχρονου κινητήρα οφείλεται στον ευκολότερο έλεγχο του, καθώς δεν απαιτούνται ημιτονοειδείς κυματομορφές στην τροφοδοσία του, μόνο παλμοί.

48 Εικόνα 4.4 Brushless DC motor [14] Στην εικόνα 4.4 a) διακρίνουμε το στάτη με τα τυλίγματα του και στο κέντρο το δρομέα με το μόνιμο μαγνήτη. Στην εικόνα 4.4 b) φαίνονται οι παλμοί, καθώς και η διαδοχή τους ανά φάση. Το κόστος κατασκευής των δύο αυτών ειδών σύγχρονων κινητήρων είναι υψηλό εξαιτίας των μαγνητών. Στον BLDC πρέπει να προσθέσουμε και το κόστος των αισθητήρων Ασύγχρονος κινητήρας Οι ασύγχρονοι κινητήρες διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον τύπο του δρομέα που διαθέτουν. Ο δρομέας βραχυκυκλωμένου κλωβού αποτελείται από μία σειρά αγώγιμων ράβδων που είναι τοποθετημένες σε αυλάκια της επιφάνειας του δρομέα και βραχυκυκλωμένες στα δύο άκρα τους μέσω μεγάλων δακτυλίων βραχυκύκλωσης. Ο άλλος τύπος δρομέα είναι ο δακτυλιοφόρος δρομέας, με τριφασικό τύλιγμα, τοποθετημένο έτσι ώστε να αποτελεί το κατοπτρικό είδωλο του τυλίγματος του στάτη. Στο στάτη εφαρμόζεται τριφασικό σύστημα τάσεων και τα τυλίγματα διαρρέονται από τριφασικό σύστημα ρευμάτων. Τα ρεύματα αυτά παράγουν ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της μηχανής. Το πεδίο αυτό επάγει κάποια τάση στα άκρα των αγωγών του δρομέα (τυμπάνου), οι οποίοι αρχίζουν να διαρρέονται από ρεύμα. Στο φαινόμενο αυτό οφείλεται και η εναλλακτική ονομασία ως επαγωγικός του κινητήρα αυτού. Η λειτουργία του μας θυμίζει το μετασχηματιστή και πολλές εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία του είναι κοινές. Εξαιτίας των δυνάμεων Laplace, που αναπτύσσονται μεταξύ των ρευματοφόρων, πλέον, αγωγών του δρομέα και του μαγνητικού πεδίου λόγω του ρεύματος του στάτη, αναπτύσσεται ηλεκτρομαγνητική ροπή που τείνει να περιστρέψει το δρομέα κατά τη φόρα του πεδίου και να αντισταθεί στην αιτία που το προκάλεσε (κανόνας του Lenz). Ο δρομέας δεν κατορθώνει να φτάσει πότε την ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού

49 πεδίου (σύγχρονη ταχύτητα n S ), αφού πάντα πρέπει να υπερνικήσει τη ροπή του φορτίου, έστω κι αν αυτό είναι απλώς η αντίσταση του αέρα και η τριβή κατά την περιστροφή του δρομέα. Στην ιδανική περίπτωση θα έφτανε στη σύγχρονη ταχύτητα αλλά αμέσως θα επιβράδυνε, αφού δεν θα υπήρχε σχετική κίνηση μεταξύ δρομέα και στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου, ώστε να επαχθεί τάση στα τυλίγματα του δρομέα. Συνεπώς, ο δρομέας παρουσιάζει κάποια καθυστέρηση (τη λεγόμενη ολίσθηση s), ως προς το πεδίο του στάτη, δηλαδή περιστρέφεται ασύγχρονα. Η ροπή, που αναπτύσσεται, είναι ανάλογη της ολίσθησης. Εδώ, παραθέτουμε τις σημαντικότερες καμπύλες του επαγωγικού κινητήρα (Εικόνα 4.5). Εικόνα 4.5 Χαρακτηριστικές ασύγχρονου κινητήρα [22] Ένα πρώτο σχόλιο που χρειάζεται να γίνει αφορά στις δύο πρώτες καμπύλες. Η πρώτη αποτελεί την κανονικοποιημένη καμπύλη Μ e / M k (n), όπου Μ k η ροπή ανατροπής, δηλαδή η μέγιστη τιμή που μπορεί να λάβει η ροπή Μ. Μόλις ο αριθμός στροφών υπερβεί το σύγχρονο αριθμό στροφών, ο κινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια, φαινόμενο που εξυπηρετεί την επιστροφή ενέργειας στο αποθηκευτικό μας μέσον. Στην ονομαστική του λειτουργία ο κινητήρας στρέφεται με n στροφές, όπου n, βεβαίως, μικρότερο του n S αλλά πάντα με ολίσθηση μικρότερη από s k, τιμή που αν ξεπεραστεί οδηγεί τη μηχανή σε αστάθεια. Σημαντική παρατήρηση, επίσης, είναι ότι κατά την εκκίνηση του κινητήρα τόσο το ρεύμα του στάτη όσο και του δρομέα παίρνουν μεγάλες τιμές, πολλαπλάσιες των αντίστοιχων ονομαστικών ρευμάτων ( για παράδειγμα Ι Sstart = 4-6 φορές το Ι SN ). Προφανώς, η τροφοδοσία του κινητήρα με τόσο μεγάλο ρεύμα είναι πολύ δύσκολη. Με το δεδομένο ότι ο κινητήρας μας είναι βραχυκυκλωμένου κλωβού, ένας τρόπος για να περιορίσουμε το ρεύμα αυτό μέσω του αντιστροφέα είναι ο εξής:

50 Προηγουμένως, αναφέραμε ότι υπάρχουν κοινές εξισώσεις που καθορίζουν τη λειτουργία ασύγχρονου κινητήρα και μετασχηματιστή. Μία από αυτές που έχει εφαρμογή στο πρόβλημα μας είναι η Ι S = I m + I R (σχέση 4.1), όπου Ι S, I R τα ρεύματα του στάτη και του δρομέα και Ι m το ρεύμα μαγνήτισης που προκαλεί τη μαγνητική ροή. Η υψηλή τιμή ρεύματος στο δρομέα κατά την εκκίνηση οφείλεται στο ότι είναι ευθέως ανάλογο της συχνότητας ολίσθησης f sl (το ίδιο, συνεπώς, ισχύει και για την ηλεκτρομαγνητική ροπή Τe), δηλαδή της διαφοράς ανάμεσα στη συχνότητα του μαγνητικού πεδίου του στάτη και της συχνότητας περιστροφής του δρομέα. Εφόσον η συχνότητα ολίσθησης, κατά την εκκίνηση, ισούται με τη συχνότητα που παρέχεται από τον αντιστροφέα (και συχνότητα του μαγνητικού πεδίου), συμπεραίνουμε ότι μειώνοντας τη συχνότητα κατά την εκκίνηση μειώνουμε την τιμή του ρεύματος του δρομέα. Πιο παραστατικά με μαθηματικούς τύπους έχουμε: Τ estart = c * f sl = c * f start (σχέση 4.2) και Τ en =c * f sln (σχέση 4.3), όπου c σταθερά καθοριζόμενη από στοιχεία της μηχανής, Τ estart η ηλεκτρομαγνητική ροπή εκκίνησης, Τ en η ονομαστική ηλεκτρομαγνητική ροπή, f start η συχνότητα εκκίνησης και f sln η ονομαστική συχνότητα ολίσθησης. Διαιρώντας κατά μέλη τις σχέσεις 4.2, 4.3 προκύπτει: f start = (T start / T rated ) * f sln. Με τον τρόπο αυτό, έχοντας ως δεδομένα τη ροπή εκκίνησης που απαιτείται αλλά και το ρεύμα εκκίνησης που μπορούμε να παρέχουμε στο στάτη, καθορίζουμε τη συχνότητα εκκίνησης, περιορίζοντας το ρεύμα του δρομέα. Συνεπώς, με σταθερό το ρεύμα μαγνήτισης, λόγω σταθερής μαγνητικής ροής, πετυχαίνουμε μείωση του Ι s. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο του κινητήρα περιλαμβάνει μία λειτουργία ήπιας εκκίνησης του κινητήρα. 4.3 Σύγκριση μεταξύ των ειδών των κινητήρων Εν πρώτοις, θεωρούμε σωστό να διαχωρίσουμε τους κινητήρες με βάση το είδος της τάσης που τους παρέχουμε στο στάτη και εν συνεχεία να συγκρίνουμε τις κατηγορίες μεταξύ τους. Τους χωρίζουμε, λοιπόν, σε κινητήρες συνεχούς (dc) και εναλλασσόμενης (ac) τάσης. Προφανώς στους ac συγκαταλέγoνται ο σύγχρονος και ο ασύγχρονος. Οι κινητήρες εναλλασόμενης τάσης, που χρησιμοποιούνται στον τομέα της αυτοκίνησης είναι τριφασικοί, λόγω του μεγαλύτερου συντελεστή απόδοσης συγκριτικά με τους μονοφασικούς κινητήρες. Είναι γεγονός πως οι dc κινητήρες λειτουργούν με υψηλότερο ρεύμα συγκριτικά με τους ac, έχοντας πάντα την ίδια ισχύ ως δεδομένο. Συνεπώς, οι θερμικές απώλειες (I 2 * R) στους αγωγούς είναι μεγαλύτερες στους dc. Το μεγαλύτερο ρεύμα προκαλεί πιο έντονες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) στο κύκλωμα παλμοδότησης (χαμηλής τάσης), με την προϋπόθεση ότι βρίσκεται κοντά στο κύκλωμα ισχύος, με κίνδυνο την αλλοίωση των σημάτων. Ας δούμε τώρα τα επιμέρους χαρακτηριστικά κάθε είδους μηχανής.

51 Αρχίζοντας με τα πλεονεκτήματα του dc κινητήρα, πρέπει να αναφέρουμε την ευκολία στον έλεγχο του. Μέσω ενός μετατροπέα chopper ελέγχουμε το ρεύμα του δρομέα, πετυχαίνοντας την ταχύτατη ρύθμιση της ροπής και κατ επέκταση της ταχύτητας. Το κύκλωμα του chopper είναι απλό. Λόγω, όμως της τοπολογίας του έχουμε μεγάλο ρεύμα και χρειαζόμαστε ιδιαίτερα ανθεκτικά ημιαγωγικά στοιχεία. Ο ακριβής έλεγχος έχει ως αποτέλεσμα μειωμένη κυμάτωση στη ροπή. Όπως είπαμε, προσφέρει υψηλή ροπή από μηδενικές στροφές, ιδιότητα σημαντική για οχήματα που κινούνται εντός πόλης και εκκινούν συχνά ή για οχήματα που μεταφέρουν βαρύ φορτίο. Ο συντελεστής απόδοσης είναι υψηλός. Από την άλλη πλευρά είναι πιο ογκώδεις και βαρείς συγκριτικά με τα άλλα είδη κινητήρων. Το σύστημα ψηκτρών συλλέκτη της dc μηχανής χρειάζεται τακτική συντήρηση και, ενδεχομένως, αντικατάσταση, γεγονός που την καθιστά αναξιόπιστη σε οχήματα. Η αντοχή της σε υπερφόρτιση είναι μικρή. Πλεονεκτήματα του ασύγχρονου κινητήρα είναι οι μικρές διαστάσεις του, η πολύ απλή δομή και η λειτουργία του, που αυξάνουν την αξιοπιστία του, το χαμηλό κόστος του αφού είναι ο πιο διαδεδομένος σε ηλεκτρομηχανικές εφαρμογές και το υψηλό επίπεδο τιμών ροπής που προσφέρει. Μπορεί να λειτουργήσει εύκολα και στα τέσσερα τεταρτημόρια της χαρακτηριστικής ροπής στροφών (ως κινητήρας και ως γεννήτρια). Ο έλεγχος του είναι ιδιαίτερα πολύπλοκος αλλά έχουν αναπτυχθεί διάφορες αποδοτικές τεχνικές που λύνουν αυτό το πρόβλημα. Με αυτόν τον τομέα θα ασχοληθούμε παρακάτω. Η κατασκευή του αντιστροφέα και της παλμοδότησης του είναι πιο πολύπλοκη. Το θετικό είναι ότι λόγω της τοπολογίας του διέρχονται από τα ημιαγωγικά στοιχεία μικρότερα ρεύματα. Άρα, δεν απαιτείται πρόσθετο κόστος για την προμήθεια πιο ανθεκτικών στοιχείων. Τέλος, παρουσιάζει χαμηλότερο συντελεστή απόδοσης σε μικρότερη ροπή φορτίου και καταναλώνει άεργο ισχύ εξαιτίας του τρόπου λειτουργίας του, μειώνοντας το συντελεστή ισχύος (cosφ) και έχοντας την ανάγκη για αντιστάθμιση μέσω πυκνωτών. Όσο αφορά τις δύο παραλλαγές σύγχρονου κινητήρα, έχουν ως κοινό χαρακτηριστικό τον υψηλό συντελεστή απόδοσης, τις μικρές διαστάσεις και βάρος, την υψηλή ειδική ισχύ και μεγάλη ροπή από τις χαμηλές στροφές και σε ευρύ φάσμα στροφών. Ακόμη, ο λόγος ρoπή προς αδράνεια των κινητήρων έχει υψηλή τιμή. Επιδεικνύουν ανοχή σε υπερφόρτιση. Μειονεκτήματα είναι το υψηλό κόστος κατασκευής, ο πιθανός απομαγνητισμός των μόνιμων μαγνητών του δρομέα και η πολυπλοκότητα στον έλεγχο τους, συγκριτικά με το dc. Συγκεκριμένα, ο BLDC λόγω της ιδιάζουσας τροφοδοσίας του παρουσιάζει κυμάτωση στη ροπή. Τέλος, ο έλεγχος του κινητήρα σύγχρονου μαγνήτη ταυτίζεται με αυτόν του ασύγχρονου κινητήρα.

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Mέσα αποθήκευσης ενέργειας [30],[31],[36],[37] 5.1 Ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές Η μπαταρία αποτελεί το πιο διαδεδομένο μέσο αποθήκευσης της ενέργειας και παροχής της με τη μορφή ηλεκτρικής ενέργειας. Αποτελείται από ηλεκτρικά στοιχεία κατάλληλα συνδεδεμένα μεταξύ τους, τα οποία είναι γνωστά ως cells. Το κάθε cell αποτελείται από ένα θετικό και ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο, καθώς και από τον ηλεκτρολύτη, ο οποίος τοποθετείται ανάμεσα τους. Η φύση του ηλεκτρολύτη ποικίλει (στερεά, υγρή, αέρια). Ουσιαστικά, η μπαταρία αποθηκεύει χημική ενέργεια την οποία προσφέρει με τη μορφή ηλεκτρικής ενέργειας στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος πραγματοποιείται από τη χημική αντίδραση που συμβαίνει μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη. Οι συντελεστές της χημικής αντίδρασης διαφέρουν σε κάθε τύπο μπαταρίας. Η αντιστρεπτή διαδικασία της μετατροπής χημικής σε ηλεκτρική ενέργεια συναντάται σχεδόν σε όλους τους τύπους μπαταριών. Η πειραματική εξέλιξη αυτού του αποθηκευτικού μέσου είναι διαρκής, για να επιτευχθεί η ικανοποιητικότερη δυνατή εφαρμογή του στα μέσα μεταφοράς. Κατά πολλούς, αποτελεί τη μεγαλύτερη ελπίδα για να λυθεί το πρόβλημα της οικολογικής μετακίνησης. Εικόνα 5.1 Σχηματικό διάγραμμα μπαταρίας [14] Χαρακτηριστικά της μπαταρίας και κριτήρια για την επιλογή της Αρχικά, κρίνεται αναγκαίο να παρουσιαστεί ένα απλουστευμένο ηλεκτρικό ισοδύναμο ενός cell (Εικόνα 5.1), ώστε να γίνουν πιο κατανοητά τα στοιχεία που θα

53 δοθούν στη συνέχεια. Η τάση του cell (V) είναι η τάση υπό τη οποία παρέχεται το ρεύμα (Ι) στο φορτίο, μειωμένη όμως κατά την πτώση τάσης Ι * R λόγω της εσωτερικής αντίστασης R της μπαταρίας. Τα cell μπορούν να συνδυαστούν σε σειρά για να επιτευχθεί η ζητούμενη τιμή της τάσης ή παράλληλα ώστε να παραχθεί το κατάλληλο ρεύμα τροφοδοσίας. Η τάση που καταλήγει στα άκρα του φορτίου κατά την εκφόρτιση του στοιχείου είναι V = Ε - IR, όπου ε η τάση της μπαταρίας. Κατά τη φόρτιση, η τάση με τη οποία φορτίζεται το στοιχείο πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση της μπαταρίας και συγκεκριμένα V = Ε + I * R. Συνεπώς, επιδιώκεται όσο γίνεται μικρότερη εσωτερική αντίσταση, αφού ισοδυναμεί με απώλεια ενέργειας κατά τη μεταφορά της. Τα κρισιμότερα χαρακτηριστικά μιας μπαταρίας που καθορίζουν και την επιλογή της είναι τα εξής: 1) Χωρητικότητα σε φορτίο - Χωρητικότητα σε Ampere hours (Ah) Πρόκειται για τα αποθέματα της μπαταρίας σε ενέργεια. Μονάδα μέτρησης του φορτίου στο S.I είναι το Coulomb. Ένα Coulomb ισοδυναμεί με ρεύμα ενός Αmpere για διάρκεια ροής ένα δευτερόλεπτο. Το μέγεθος που διευκολύνει είναι οι αμπερώρες (Amphours), δηλαδή η ροή ρεύματος ενός Ampere για μία ώρα. Αν υποτεθεί μία μπαταρία με χωρητικότητα 10 Ah, τότε αυτή μπορεί, θεωρητικά πάντα, για παράδειγμα να τροφοδοτεί ένα φορτίο με ρεύμα 1 A για δέκα ώρες ή 5 A για 2 ώρες. Πρακτικά, η χωρητικότητα της μπαταρίας ποικίλει ανάλογα με τον τρόπο εκφόρτισης. Όπως φαίνεται και από το σχήμα 5.1, ο ρυθμός εκφόρτισης του στοιχείου επηρεάζει τα αποθέματα του και συγκεκριμένα συνδέονται μεταξύ τους αντιστρόφως ανάλογα. Αυτό σημαίνει ρεαλιστικά ότι μία μπαταρία των 10 Ah μπορεί να παρέχει ρεύμα 1 Α για 10 ώρες αλλά σε περίπτωση ρεύματος εκφόρτισης 10 Α (υψηλός ρυθμός εκφόρτισης), θα εκφορτιστεί σε λιγότερο από μία ώρα. Στο σχήμα 5.1 βλέπουμε το διάγραμμα της χωρητικότητας σε Ah συναρτήσει του χρόνου εκφόρτισης για μία μπαταρία οξέος μολύβδου.

54 Σχήμα 5.1 Διάγραμμα χωρητικότητας συναρτήσει του χρόνου εκφόρτισης [30] Συχνά, χρησιμοποιείται ο εξής συμβολισμός: Για μία μπαταρία 40 Ah (10 ώρες εκφόρτισης) συμβολίζουμε με 0,5C10 την εκφόρτιση της με ρυθμό 20 Α για 10 ώρες, όπου C η χωρητικότητα. 2) Αποθηκευμένη ενέργεια Η αποθηκευμένη ενέργεια του στοιχείου εξαρτάται από την τάση και το αποθηκευμένο φορτίο του. Ενώ η μονάδα ενέργειας στο S.I είναι το Joule, είναι ευκολότερο η χρήση του Watthour (βατώρα). Έχουμε, λοιπόν: Watthour= V * I * hr = V * C, όπου Ι * hr είναι η αμπερώρα. Βεβαίως, η τιμή της τάσης και της χωρητικότητας μεταβάλλεται με βάση τον τρόπο λειτουργίας της μπαταρίας, αφού όπως είπαμε η απότομη εκφόρτιση του στοιχείου έχει ως συνέπεια την πτώση των τιμών των V, C. 3) Ειδική ενέργεια Πρόκειται για την ποσότητα της αποθηκευμένης ηλεκτρικής ενέργειας ανά χιλιόγραμμο μάζας της μπαταρίας (Wh / kg). 4) Ενεργειακή πυκνότητα Ορίζεται ως η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας ανά κυβικό μέτρο (Wh / m 3 ). Τόσο το 3) όσο και το 4) είναι ιδιαίτερα κρίσιμοι παράγοντες για το σχεδιασμό ενός υβριδικού οχήματος και αποτελεί κύριο κριτήριο των σχεδιαστικών τμημάτων των αυτοκινητοβιομηχανιών, αφού το αποθηκευτικό μέσο είναι από τα πιο ογκώδη ζωτικά σημεία ενός υβριδικού οχήματος.

55 - 55-5) Ειδική ισχύς Αποτελεί την ποσότητα ισχύος ανά χιλιόγραμμο μάζας (W / kg). Είναι μία μεταβαλλόμενη ποσότητα, αφού εξαρτάται από το φορτίο με το οποίο συνδέεται η μπαταρία. Οι μπαταρίες χαρακτηρίζονται από μία μέγιστη ισχύ, στην οποία όμως δε πρέπει να λειτουργούν πάνω από μερικά δευτερόλεπτα. Ο λόγος είναι η μείωση της διάρκειας ζωής και της απόδοσης τους. Κάποια είδη συσσωρευτών έχουν μεγάλη ειδική ενέργεια αλλά μικρή ειδική ισχύ. Μικρή ειδική ισχύς σημαίνει ότι η μπαταρία δε δύναται να προσδώσει σημαντική ενέργεια με ταχύ ρυθμό στο φορτίο. Οχήματα που χρησιμοποιούν τέτοιου είδους συσσωρευτές δε μπορούν να αναπτύξουν μεγάλη ταχύτητα αλλά έχουν σημαντική αυτονομία. Η αύξηση της παρεχόμενης ισχύος, δηλαδή η αύξηση του ρυθμού παροχής ενέργειας ή αλλιώς η μείωση του χρόνου εκφόρτισης, μειώνει ταχύτερα τα αποθέματα του στοιχείου. Επηρεάζεται, λοιπόν, η ειδική ενέργεια και η χωρητικότητα. Συμπερασματικά, η ειδική ισχύς και η ειδική ενέργεια εξαρτώνται από τον τρόπο χρήσης, δηλαδή τις απαιτήσεις κίνησης του οχήματος. 6) Αποδοτικότητα στη φόρτιση σε Αμπερώρες Είναι γεγονός ότι οι συσσωρευτές δεν ανακτούν πλήρως την ενέργεια τους κατά την επαναφόρτιση τους. Ο συντελεστής που καθορίζει το επίπεδο φόρτισης που θα φτάσει η μπαταρία εξαρτάται από τον τύπο της, από τη θερμοκρασία, το ρυθμό φόρτισης, καθώς και από την κατάσταση φόρτισης της (state of charge, SOC). Είναι χαρακτηριστικό το γεγονός ότι από το 20% στο 80% του SOC ο συντελεστής απόδοσης πλησιάζει τη μόναδα. Αντίθετα, στο υπόλοιπο 20% που απομένει για να φορτιστεί πλήρως, ο συντελεστής απόδοσης πέφτει κατακόρυφα. Οι λόγοι θα αναλυθούν εκτενώς παρακάτω. 7) Ενεργειακή απόδοση Είναι η παράμετρος που ορίζεται ως ο λόγος της ηλεκτρικής ενέργειας που προσφέρεται από μία μπαταρία προς την ποσότητα της ενέργειας που απαιτείται ώστε να επιστρέψει στο SOC πριν την εκφόρτιση. Πιο πρακτικά, είναι η σύγκριση του συντελεστή φόρτισης με το συντελεστή εκφόρτισης, πάντα για ίδιο ρυθμό φόρτισης - εκφόρτισης. 8) Ρυθμός αυτοεκφόρτισης Δυστυχώς, ακόμη και η διατήρηση ενός στοιχείου σε αδρανή κατάσταση είναι ενεργοβόρα αφού οι περισσότεροι τύποι αυτοεκφορτίζονται. Χρειάζεται, λοιπόν, επίβλεψη και φόρτιση. Ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης διαφέρει από στοιχείο σε στοιχείο ανάλογα με τον τύπο και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι υψηλές θερμοκρασίες ενθαρρύνουν το φαινόμενο αυτό. 9) Γεωμετρία της μπαταρίας Τα cells έχουν εμφανισθεί με διάφορα σχήματα (ορθογώνια, κυλινδρικά, πρισματικά,

56 φυλλωτά, εξαγωνικά κ.α.). Τοποθετούνται ανά ομάδες σε ειδικές συσκευασίες, τα modules σχήματος, συνήθως, ορθογωνίου. Η γεωμετρία, ο όγκος και το βάρος της μπαταρίας καθορίζουν το σημείο του οχήματος που θα τοποθετηθεί, ώστε να εξασφαλιστεί η προστασία της από καταπονήσεις όπως κρούσεις, πλευρικές επιταχύνσεις και ταλαντωτικές κινήσεις αλλά, κυρίως η ασφάλεια των επιβατών. 10) Θερμοκρασία της μπαταρίας, ανάγκες της για ψύξη ή θέρμανση Υπάρχουν τύποι μπαταριών που χρειάζονται θέρμανση κατά την εκκίνηση και ψύξη κατά τη λειτουργία. Επιπλέον, η απόδοση τους πέφτει σε πολύ χαμηλές ή υψηλές θερμοκρασίες. Άρα, η επιλογή του κατάλληλου συστήματος ψύξης ή θέρμανσης είναι ζωτικής σημασίας και επηρεάζει τη χωροταξία των συστημάτων που προσαρμόζονται στο όχημα. 11) Διάρκεια ζωής του συσσωρευτή και κύκλοι φόρτισης/ εκφόρτισης Η ιδιαιτερότητα των μπαταριών που προορίζονται για υβριδικά αυτοκίνητα είναι η φόρτιση / εκφόρτιση με παλμικά ρεύματα για μικρά χρονικά διαστήματα. Λέγοντας παλμικά ρεύματα εννοούμε ρεύματα που αποκτούν απότομα υψηλή τιμή, σταθεροποιούνται σε αυτή και ακολουθεί πτώση της τιμής τους πάλι ακαριαία. Αυτό το είδος λειτουργίας μειώνει το χρόνο ζωής τους. Η σωστή εκφόρτιση/ εκφόρτιση δεν πραγματοποιείται καθώς το όχημα είναι σε κίνηση, παρά μόνο όταν βρίσκεται σε στάση ή αν διαθέτει plug-in λειτουργία (δυνατότητα φόρτισης από την πρίζα του σπιτιού μας). Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας καθορίζεται από τον αριθμό κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης μέχρι η χωρητικότητα της μπαταρίας να πέσει κάτω από τα 15 Ah. Συνεπώς, ο αριθμός κύκλων φόρτισης/ εκφόρτισης εξαρτάται από τον τύπο της μπαταρίας και τον τρόπο λειτουργίας της Είδη συσσωρευτών Τα πιο κατάλληλα είδη μπαταριών για εφαρμογές σε υβριδικά οχήματα έχουν κριθεί τα εξής: Μπαταρίες οξέος μολύβδου,, νικελίου - καδμίου, νικελίου - μετάλλου υδριδίου, λιθίου πολυμερούς και λιθίου - σιδήρου, νατρίου - θείου και νατρίου - χλωριδίου μετάλλου. Τέλος, υπάρχουν μπαταρίες που ανεφοδιάζονται μηχανικά όπως η αλουμινίου - αέρος και ψευδαργύρου - αέρος. Παρακάτω, παρουσιάζεται κάθε είδος στοιχείου Συσσωρευτές οξέος μολύβδου (lead acid) Περιγραφή ενός στοιχείου οξέος μολύβδου και φαινόμενα που συμβαίνουν κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση του: Οι μπαταρίες οξέος μολύβδου που χρησιμοποιούνται στα υβριδικά οχήματα περιέχουν ηλεκτρολύτη σε μορφή ζελέ και όχι υγρό όπως αυτές των συμβατικών αυτοκινήτων. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο καλύπτεται στην επιφάνεια του με σπογγώδη μόλυβδο (Pb), καθιστώντας την επιφάνεια ιδιαίτερα απορροφητική. Το θετικό ηλεκτρόδιο είναι επιστρωμένο με διοξείδιο μολύβδου (PbO 2 ). Ο ηλεκτρολύτης, στον

57 οποίο βυθίζονται τα δύο ηλεκτρόδια αποτελείται από διάλυμα θειϊκoύ οξέος (Η 2 SO 4 ). Κατά την εκφόρτιση της μπαταρίας, το θειικό οξύ αντιδρά με το μόλυβδο και το διοξείδιο του μολύβδου των δύο ηλεκτροδίων, παράγοντας νερό, θειικό μόλυβδο καθώς και ηλεκτρική ενέργεια που εκλύεται κατά τη διαδικασία. O ηλεκτρολύτης γίνεται όλο και πιο αραιός λόγω του νερού, χάνοντας το θειικό οξύ. Η αντίδραση περιγράφεται από τη χημική εξίσωση: Pb + PbO 2 +2Η 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O Οι επιμέρους χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ ανόδου ηλεκτρολύτη, καθόδου ηλεκτρολύτη είναι οι εξής: Pb + SO 4 PbSO 4 + 2e - (ανόδου ηλεκτρολύτη) 2 Η 2 SO 4 4H + 2SO 4 ( ηλεκτρολύτη) PbO 2 + 4H + SO 4 + 2e - PbSO 4 + 2H 2 O Κατά τη φόρτιση, τα ηλεκτρόδια ανακτούν τις αρχικές τους ιδιότητες, μετατρέπονται, δηλαδή πάλι σε μόλυβδο και διοξείδιο του μολύβδου και ο ηλεκτρολύτης σε θειϊκό οξύ, αυξάνοντας τη συγκέντρωση του διαλύματος του. Οι χημικές εξισώσεις, που διέπουν αυτήν την αντίστροφη διαδικασία είναι: PbSO 4 + 2e - Pb + SO 4 (στην άνοδο) 2H 2 O 4H + 2Ο To παραγόμενο Η συντελεί στην ακόλουθη χημική αντίδραση 4H + 2SO 4 2Η 2 SO 4 PbSO 4 + 2Ο PbO 2 + SO 4 + 2e - Η οξέος - μολύβδου είναι το πιο διαδεδομένο είδος μπαταρίας, αφού αποτελεί μια φθηνή και αξιόπιστη λύση με σχετικά υψηλή τάση ανά cell (2V), που σημαίνει πιο περιορισμένος αριθμός τους (μείωση κόστους) στην εφαρμογή μας. Ακόμη, χαρακτηρίζεται από την πολύ μικρή εσωτερική της αντίσταση συγκριτικά με τα υπόλοιπα είδη, που, αυτομάτως, μεταφράζεται σε μικρότερη πτώση τάσης κατά τη λειτουργία της, δηλαδή λιγότερες απώλειες. Η εσωτερική αντίσταση είναι αντιστρόφως ανάλογη της επιφάνειας των ηλεκτροδίων. Ειδικά χαρακτηριστικά της μπαταρίας οξέος- μολύβδου Οι αντιδράσεις, τις οποίες περιγράψαμε παραπάνω, δεν είναι οι μοναδικές που συμβαίνουν σε ένα cell. Δυστυχώς, αντιμετωπίζουμε και το πρόβλημα της αυτοεκφόρτισης. Τα υλικά των ηλεκτροδίων δε μένουν αδρανή, όσο η μπαταρία δε χρησιμοποιείται. Αντιθέτως, η ποσότητα τους μειώνεται με αργούς ρυθμούς, μέσω των αντιδράσεων:

58 - 58-2PbO Η 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 Ο + Ο 2 ( για το θετικό ηλεκτρόδιο) Pb + Η 2 SO 4 PbSO 4 + H 2 ( για το αρνητικό ηλεκτρόδιο) Ο ρυθμός της αυτοεκφόρτισης είναι ευθέως ανάλογος της θερμοκρασίας του cell, της καθαρότητας των υλικών των ηλεκτροδίων (όσο λιγότερες προσμίξεις, τόσο καλύτερα). Τέλος, εξαρτάται από το κράμα, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί για να στηρίξει τα ηλεκτρόδια στο cell. Αυτές οι αντιδράσεις εξελίσσονται και κατά την εκφόρτιση της μπαταρίας και ο ρυθμός τους είναι ανάλογος του ρυθμού εκφόρτισης της. Η εξάρτηση αυτή δικαιολογείται από το γεγονός ότι κατά την ταχεία εκφόρτιση αναπτύσσεται υψηλή θερμοκρασία στο εσωτερικό του cell και επιταχύνεται η δραστηριότητα των ηλεκτροδίων. Αποτέλεσμα είναι η πρόσθετη απώλεια ενέργειας. Έτσι, αιτιολογείται η απότομη πτώση της χωρητικότητας της μπαταρίας κατά τη γρήγορη εκφόρτιση, φαινόμενο που αναφέραμε προηγουμένως στην ενότητα Περαιτέρω, το φαινόμενο που περιγράψαμε δε συμβαίνει εξίσου σε όλα τα cells, εξαιτίας διαφορετικών συνθηκών (θερμοκρασία κυρίως) στο καθένα. Κάποια cells χάνουν περισσότερο φορτίο από άλλα. Απαιτείται να ληφθεί προσοχή στη φόρτιση της μπαταρίας, ώστε όλα τα στοιχεία να φορτιστούν το ίδιο. Αυτό σημαίνει ότι κάποια πρέπει να «υπομένουν» κάποια υπερφόρτιση, για να φορτιστούν όλα σωστά. Στους τρόπους φόρτισης θα επεκταθούμε παρακάτω. Από τη στιγμή που η μπαταρία είναι σχεδόν πλήρως φορτισμένη και για όσο χρονικό διάστημα εξακολουθούμε να τη φορτίζουμε πραγματοποιούνται κάποιες χημικές αντιδράσεις. Αυτές έχουν ως αποτέλεσμα τη μετατροπή του νερού σε υδρογόνο, στην άνοδο, και σε οξυγόνο στην κάθοδο. Η ποσότητα του νερού, η οποία χάνεται, ζημιώνει τη λειτουργία της μπαταρίας, εφόσον είναι απαραίτητο, όπως είδαμε, στη διαδικασία επανάκτησης του ηλεκτρολύτη. Η λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η δέσμευση αυτών των αερίων μέσα στη μπαταρία, ώστε να είναι δυνατή η παραγωγή του νερού και να μην υπάρχει η ανάγκη για την προσθήκη του. Βέβαια, ο έλεγχος του ρυθμού παραγωγής αυτών των αερίων είναι αναγκαίος. Ένα άλλο χαρακτηριστικό, γενικά, των μπαταριών είναι η πτώση της τιμής της προσφερόμενης τάσης κατά την εκφόρτιση τους (Σχήμα 5.2). Στις σύγχρονες μπαταρίες αυτή η πτώση είναι κατά προσέγγιση γραμμική. Αυτό οφείλεται στη μεταβολή στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων. Εξαιτίας αυτού του φαινομένου η μέτρηση της τάσης στα άκρα της μπαταρίας, κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της, δεν είναι απόλυτα ακριβής.

59 Σχήμα 5.2 Διάγραμμα τάσης στοιχείου μπαταρίας συναρτήσει του βαθμού εκφόρτισης του [30] Εδώ παραθέτουμε σε ένα πίνακα τα ονομαστικά μεγέθη για μια lead- acid μπαταρία. Ειδική ενέργεια Wh / kg ανάλογα με ανάλογα με τη χρήση Ενεργειακή πυκνότητα Ειδική ισχύς Ονομαστική τάση ανά cell Ενεργειακή απόδοση σε Ah Wh / L 250 W/ kg 2V 80%, ποικίλει ανάλογα με ρυθμό εκφόρτισης και θερμοκρασία Εσωτερική αντίσταση εξαιρετικά χαμηλή, Ω ανά cell για cell ενός Ah Διαθεσιμότητα στην αγορά Προσφέρεται άμεσα από πολλούς προμηθευτές Θερμοκρασία λειτουργίας περιβάλλοντος, μικρή απόδοση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες Ρυθμός αυτοεκφόρτισης 2% περίπου την ημέρα

60 Διάρκεια ζωής μέχρι 800 κύκλους για αποθηκευ- μένη ενέργεια 80% Χρόνος φόρτισης 8 ώρες (στο 90% μόνο σε μία ώρα) Πίνακας 5.1 Χαρακτηριστικά μπαταρίας οξέος - μολύβδου Διάρκεια ζωής και συντήρηση της μπαταρίας Η αντικατάσταση του υγρού ηλεκτρολύτη με gel περιορίζει τη διαδικασία συντήρησης του στοιχείου. Το σφράγισμα, όμως, της μπαταρίας δεν είναι οριστικό. Υπάρχει βαλβίδα (VRLA, valve regulated sealed lead acid battery) που απελευθερώνει αέριο, το οποίο έχει παραχθεί από τις αντιδράσεις της μπαταρίας, σε συγκεκριμένη πίεση, και δε μπορεί να αντικατασταθεί. H βαλβίδα τίθεται σε λειτουργία, αν εξελιχθούν πολύ γρήγορα οι αντιδράσεις σε περίπτωση υπερφόρτισης ή αν η τιμή της τάσης φόρτισης είναι πολύ μεγάλη. Τέτοια μεταχείριση της μπαταρίας μπορεί να την καταστρέψει. Μέσω του μηχανισμού VRLA, τα στοιχεία δε χρειάζονται συντήρηση. Τα στοιχεία λέγονται κλειστού τύπου και είναι ανθεκτικά στις βαθιές εκφορτίσεις. Ακόμη και αν δεν υπάρχει απώλεια νερού, παρατηρούνται και άλλα φαινόμενα που επηρεάζουν αρνητικά τη μπαταρία όπως η θείωση. Αυτό συμβαίνει αν η μπαταρία μείνει για μεγάλο χρονικό διάστημα αφόρτιστη. Η ποσότητα θειικού μολύβδου συγκροτείται σε μεγάλους κρυστάλλους που δημιουργούν ένα στρώμα στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων και χρειάζεται αργή φόρτιση ώστε να μετατραπεί πάλι σε Pb και PbO 2 (κάποιες φόρες δε συμβαίνει αυτή η μετατροπή). Η ισχύουσα οδηγία που προκύπτει είναι ότι πρέπει να διατηρούμε τη μπαταρία σε κάποιο SOC ώστε να αποφύγουμε το φαινόμενο αυτό. Άλλο πρόβλημα είναι η διάβρωση των ηλεκτροδίων που αυξάνει την αντίσταση. Τα προβλήματα αυτά περιορίζουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας περίπου στους 700 με 800 κύκλους φόρτισης/ εκφόρτισης. Φόρτιση της μπαταρίας οξέος μολύβδου Υπάρχουν διάφορες τεχνικές φόρτισης ενός συσσωρευτή οξέος μολύβδου, που αφορούν, κυρίως, στα HEV, EV με δυνατότητα plug-in. Η πιο διαδεδομένη λέγεται φόρτιση με πολλαπλά βήματα. Σύμφωνα με αυτή, η μπαταρία φορτίζεται μέχρι η τάση του cell να φτάσει μία προκαθορισμένη τιμή. Ακολουθεί διακοπή του ρεύματος, η τιμή της τάσης φόρτισης μειώνεται σε μία συγκεκριμένη τιμή και η παροχή του ρεύματος συνεχίζεται. Οι προκαθορισμένες τιμές εξαρτώνται από το είδος της μπαταρίας και από τη θερμοκρασία Μπαταρίες νικελίου Oι μπαταρίες αυτές χρησιμοποιούν το νικέλιο στο θετικό ηλεκτρόδιο τους. Υπάρχουν δύο είδη μπαταριών νικελίου ικανά για εφαρμογές σε υβριδικά οχήματα.

61 Πρόκειται για τα στοιχεία νικελίου καδμίου (NiCd) και για τα νικελίου- υδριδίου μετάλλου (NiMH). Πρώτα, θα παρουσιάσουμε τις νικελίου- καδμίου. Οι NiCd χρησιμοποιούν οξυδροξείδιο του νικελίου στο θετικό ηλεκτρόδιο τους και μεταλλικό κάδμιο στο αρνητικό. Η χημική αντίδραση, η οποία πραγματοποιείται και παράγεται ηλεκτρική ενέργεια, εκφράζεται με τη χημική εξίσωση: Cd + 2NiO(OH) + 2Η 2 Ο Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 Οι μπαταρίες NiCad διαφέρουν στον τρόπο λειτουργίας τους, συγκριτικά με τις οξέος- μολύβδου σε δύο σημεία. Σε αντίθεση με τις lead - acid, κατά την εκφόρτιση του cell χάνεται νερό, με συνέπεια το διάλυμα του ηλεκτρολύτη να γίνεται συνεχώς πιο πυκνό. Η δεύτερη σημαντική διαφορά έχει να κάνει με τον τρόπο λειτουργίας κατά την υπερφόρτιση. Το στοιχείο, εκ κατασκευής, έχει πλεόνασμα υδροξειδίου του καδμίου στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Με αυτό το δεδομένο η άνοδος κατορθώνει, πάντα, να φορτίζεται πλήρως, διότι εξασφαλίζεται η ποσότητα υδροξυλίου που πρέπει να παραχθεί, ώστε να συμμετάσχει στην αντίδραση φόρτισης της ανόδου, όπως βλέπουμε και από τις εξισώσεις εκφόρτισης σε κάθε ηλεκτρόδιο (οι εξισώσεις φόρτισης ακολουθούν την αντίστροφη διαδικασία). Cd + 2OH Cd(OH) + 2e - (για την κάθοδο) 2NiO(OH) + 2H 2 O + 2e - 2Ni(OH) 2 + 2OH (για την άνοδο) Εξακολουθώντας να φορτίζουμε το στοιχείο έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή οξυγόνου στην άνοδο μέσω της αντίδρασης 4OH 2 H 2 O + O 2 + 4e - To oξυγόνο που παράγεται αντιδρά με το αρνητικό ηλεκτρόδιο παράγοντας υδροξείδιο του καδμίου, το οποίο με τη σειρά του αντιδρά με τα ηλεκτρόνια της παραπάνω αντίδρασης παράγοντας κάδμιο, το συστατικό της καθόδου. Με αυτόν τον τρόπο, ο ρυθμός παραγωγής υδροξειδίου του καδμίου εξισώνεται με τον αντίστοιχο του καδμίου, δηλαδή της αντίστροφης διαδικασίας. Το σύστημα, το οποίο περιγράψαμε, είναι απολύτως σταθερό και δεν παρουσιάζεται η ανάγκη για προσθήκη ή επίβλεψη της ποσότητας κάποιου αντιδρώντος, όπως, αντιθέτως, γίνεται στο στοιχείο lead - acid. Η υπερφόρτιση δεν βλάπτει το στοιχείο, μόνο αποτελεί άσκοπη δαπάνη ενέργειας. Η φόρτιση της πρέπει να γίνεται με συγκεκριμένη διαδικασία. Αρχικά, φορτίζεται με σταθερό ρεύμα μέχρι ένα επίπεδο τάσης. Στο σημείο αυτό το ρεύμα διακόπτεται και η τάση πέφτει σε ένα μία προκαθορισμένη, μικρότερη τιμή. Στη συνέχεια, το ρεύμα κυκλοφορεί ξανά. Αυτά τα βήματα ακολουθούνται μέχρι να φορτιστεί πλήρως η μπαταρία. Η μπαταρία ΝiCd έχει πολλά προτερήματα, όπως μεγάλη ειδική ενέργεια, μεγάλη διάρκεια ζωής, λειτουργία και σε ακραίες θερμοκρασίες, από -40 μέχρι 80 βαθμούς

62 Κελσίου. Επιπλέον, λόγω της σταθερότητας της λειτουργίας της έχει χαμηλούς ρυθμούς αυτοεκφόρτισης. Απαλλασσόμαστε, λοιπόν, από τη διαδικασία της επίβλεψης και της συντήρησης της, όταν δεν τη χρησιμοποιούμε. Πρόκειται για ιδιαίτερα στιβαρή κατασκευή με υψηλό ρυθμό φόρτισης. Μειονέκτημα της NiCad είναι η χαμηλή τάση ανά cell που παρέχει, που σημαίνει αύξηση του αριθμού των cells και του κόστους αγοράς. Aν συνυπολογίσουμε τη μεγάλη εσωτερική αντίσταση συγκριτικά με την οξέος - μολύβδου, τότε έχουμε υψηλότερη κατανάλωση ισχύος στο εσωτερικό της μπαταρίας. Τέλος, το κάδμιο θεωρείται βλαβερό για το περιβάλλον και καρκινογόνο. Αυτό δυσχεραίνει την ευρεία παραγωγή και ανακύκλωση της NiCad και η εφαρμογή της στις μετακινήσεις έρχεται σε αντίθεση με το γενικότερο κλίμα της προστασίας του περιβάλλοντος. Παραθέτουμε σε πίνακα τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της. Ειδική ενέργεια Wh / kg, ανάλογα με το ρεύμα φόρτισης Ενεργειακή πυκνότητα 70-90Wh /L, ανάλογα με το ρεύμα φόρτισης Ειδική ισχύς περίπου 125W/kg Oνομαστική τάση ανά cell 1.2V Ενεργειακή απόδοση σε Ah Εσωτερική αντίσταση καλή πολλή χαμηλή, 0.06Ω ανά cell για cell ενός Ah Διαθεσιμότητα στην αγορά δύσκολη στις απαιτούμενες για την εφαρμογή διαστάσεις Θερμοκρασία λειτουργίας Ρυθμός αυτοεκφόρτισης Διάρκεια ζωής -40 μέχρι 80 βαθμούς Κελσίου 0.5% την ημέρα, πολύ χαμηλός 1200 κύκλοι για αποθηκευμένη ενέργεια 80% Χρόνος φόρτισης 1 ώρα, για φόρτιση μέχρι 60% 20 λεπτά Πίνακας 5.2 Χαρακτηριστικά μπαταρίας νικελίου καδμίου

63 Οι μπαταρίες νικελίου - μετάλλου υδριδίου αποτελούν δοκιμασμένη λύση αφού χρησιμοποιούνται, ήδη, σε υβριδικά οχήματα της TOYOTA (PRIUS) και της LEXUS( RX400h, 450h και αλλού) διακρίνονται από τις νικελίου - καδμίου, επειδή το αρνητικό ηλεκτρόδιο τους απαλλάσσεται από κάδμιο και κατασκευάζεται από άλλο μέταλλο. Η μεγάλη λειτουργική διαφορά είναι ότι το μέταλλο αυτό απορροφά υδρογόνο, λειτουργώντας κατά την εκφόρτιση σα fuel cell (τη λειτουργία του θα αναλύσουμε σε επόμενη ενότητα). Στο θετικό ηλεκτρόδιο, κατά την εκφόρτιση, εξελίσσεται η ίδια χημική αντίδραση με τη NiCad. Στο αρνητικό το υδρογόνο, το οποίο δεσμεύτηκε από το μέταλλο, απελευθερώνεται και αντιδρά παράγοντας νερό και ηλεκτρόνια. Εικόνα 5.2 Δομή στοιχείου NiMH [14] Η βασική αρχή λειτουργίας αυτού είναι μία αντιστρεπτή χημική αντίδραση, κατά την οποία το υδρογόνο πότε δεσμεύεται από το μέταλλο και πότε απελευθερώνεται. Το υδρογόνο πρέπει να διατηρείται σε συγκεκριμένη πίεση. Στο εσωτερικό του cell πρέπει, συνεπώς, να επικρατεί σταθερή πίεση αλλά και να μην έχει πρόσβαση ο αέρας, αφού σε αυτή την περίπτωση θα απορροφηθεί από το κράμα του μετάλλου καταλαμβάνοντας τις θέσεις που προορίζονταν για την απορρόφηση του υδρογόνου. Οι χημικές αντιδράσεις, οι οποίες πραγματοποιούνται είναι οι εξής: MH + NiOOH M + Ni(OH) 2 (γενική χημική αντίδραση)

64 Για την κάθοδο H 2 + M MH 2 To υδρογόνο απελευθερώνεται από το μέταλλο: H 2 + 2OH 2H 2 O + 2e - Για την άνοδο 2ΝiO(OH) + 2 H 2 O + 2e - 2Ni(OH) 2 + 2OH Συγκριτικά με τη NiCad, η NiMH έχει μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα, καθώς και πυκνότητα ισχύος. Η φόρτιση της NiMH γίνεται ταχύτατα (σημαντικότατο για εφαρμογές με ανάκτηση ενέργειας, όπου το ρεύμα φόρτισης διαρκεί λίγο) αλλά παρ όλο που έχει μικρή εσωτερική αντίσταση εκλύεται αρκετή θερμότητα. Σημαντική πηγή θερμότητας είναι και η εξώθερμη αντίδραση ένωσης του μετάλλου με το υδρογόνο. Εν κατακλείδι, είναι αναγκαία η ψύξη του στοιχείου. Ένας τρόπος ψύξης, που εφαρμόζεται, είναι η προσαρμογή ανεμιστήρων στο κάλυμμα της μπαταρίας. Η διαδικασία φόρτισης ταυτίζεται με την NiCad. Μία ιδιότητα της είναι ότι η ποσότητα του ηλεκτρολύτη δε μεταβάλλεται κατά τη διαδικασία φόρτισης - εκφόρτισης και η τάση στα άκρα της μπαταρίας αλλά και η εσωτερική της αντίσταση παραμένουν σχεδόν σταθερές σε σύγκριση με άλλα είδη. Μειονέκτημα της είναι το υψηλό κόστος και ο ταχύς ρυθμός αυτοεκφόρτισης. Τα μόρια του υδρογόνου είναι πολύ μικρά και καταφέρνουν να «αποδράσουν» από το μέταλλο, κατευθυνόμενα προς το θετικό ηλεκτρόδιο, αντιδρώντας και δημιουργώντας υδροξείδιο του νικελίου, σύμφωνα με την εξίσωση ΝiO(OH) + (1/2)H 2 Ni(OH) 2 Εδώ, συμπεριλαμβάνονται τα πιο ουσιώδη στοιχεία της μπαταρίας NiMH Ειδική ενέργεια Ενεργειακή πυκνότητα Ειδική ισχύς 65 Wh/ kg 150 Wh/ L 200 W/ kg Ονομαστική τάση ανά cell 1.2V Ενεργειακή απόδοση σε Ah Εσωτερική αντίσταση πολύ καλή πολύ μικρή, 0.06 Ω ανά cell για cell ενός Ah Διαθεσιμότητα στην αγορά γίνονται όλο και πιο διαδεδομένες

65 Θερμοκρασία λειτουργίας Ρυθμός αυτοεκφόρτισης Διάρκεια ζωής Χρόνος φόρτισης περιβάλλοντος μέχρι και 5% την ημέρα 1000 κύκλοι για 80% εκφόρτιση μία ώρα, 20 λεπτά για φόρτιση μέχρι το 60% Πίνακας 5.3 Χαρακτηριστικά μπαταρίας νικελίου μετάλλου υδριδίου Μπαταρίες νατρίου (Νa) Τα είδη των μπαταριών, τα οποία βασίζονται στο νάτριο είναι τα στοιχεία θειούχου νατρίου και τα στοιχεία νατρίου - χλωριδίου μετάλλου ή αλλιώς zebra. Τα κοινά γνωρίσματα τους είναι η ύπαρξη υγρού νατρίου σε ένα ή και στα δύο ηλεκτρόδια τους και ο στερεός κεραμικός ηλεκτρολύτης. Επιπλέον, λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες ( βαθμούς Κελσίου) και τοποθετούνται σε ερμητικά κλεισμένα περιβλήματα. Στο στοιχείο θειούχου νατρίου το αρνητικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από υγρό νάτριο και το θετικό από υγρό θειούχο πολυσουλφίδιο. Ο ηλεκτρολύτης είναι στερεό, κεραμικό αργιλιοξείδιο, το οποίο άγει τα ιόντα του νατρίου και δρα ως διαχωριστική επιφάνεια για τα δύο ηλεκτρόδια. Τα cells διακρίνονται για το πολύ μικρό τους μέγεθος. Είναι αναπόφευκτο ότι το στοιχείο πρέπει να προθερμαίνεται αργά στη θερμοκρασία λειτουργίας, για να είναι έτοιμο για χρήση. Κατά τη λειτουργία του θερμαίνεται μέσω των θερμικών απωλειών αγωγής, εξαιτίας της εσωτερικής του αντίστασης. Ένα μειονέκτημα είναι ότι όταν δε λειτουργεί για πάνω από μία μέρα πρέπει να θερμαίνεται το εσωτερικό του. Ηλεκτρική ενέργεια παράγεται μέσω της ένωσης του νατρίου με το θείο, όπου προκύπτει θειούχο νάτριο. Η χημική αντίδραση είναι: 2Na + xs Νa 2 S x Η θέρμανση της μπαταρίας χρήζει ιδιαίτερης προσοχής. Η ύπαρξη αντενεργών στοιχείων στα δύο ηλεκτρόδια και ο διαχωρισμός τους, αποκλειστικά από ένα εύθραυστο κεραμικό υλικό σε σχήμα σωλήνα, δεν εγγυάται την ασφάλεια του οχήματος και των επιβατών.

66 Εικόνα 5.3 Μπαταρία Θειούχου Νατρίου [14] Ο πίνακας απεικονίζει τα γνωρίσματα της μπαταρίας θειούχου νατρίου: Ειδική ενέργεια 100 W / kg (μέχρι και 200 W / kg) Ενεργειακή πυκνότητα 150 Wh/ L Ειδική ισχύς 200 W/ kg Ονομαστική τάση ανά cell 2V Ενεργειακή απόδοση σε Ah πολλή καλή Εσωτερική αντίσταση παρόμοια με τη NiCad Διαθεσιμότητα στην αγορά καθόλου! Θερμοκρασία λειτουργίας βαθμοί κελσίου

67 Ρυθμός αυτοεκφόρτισης πολύ αργός, απαιτείται θέρμανση όταν δε λειτουργεί! Διάρκεια ζωής περίπου 1000 κύκλοι για 80% αποθηκευμένη ενέργεια Χρόνος φόρτισης 8 ώρες Πίνακας 5.4 Χαρακτηριστικά μπαταρίας θειούχου νατρίου H μπαταρία νατρίου χλωριδίου - μετάλλου έχει όλα τα πλεονεκτήματα της χλωριούχου νατρίου και έχει απαλείψει τα περισσότερα από τα μειονεκτήματα της. Με αυτό το είδος στοιχείου αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της ασφάλειας, το οποίο αναφέραμε στο χλωριούχου νατρίου. Το θετικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από χλωρίδιο νικελίου, το οποίο βρίσκεται πλέον σε στερεά κατάσταση και διαχωρίζεται από το αρνητικό (υγρό νάτριο) μέσω στερεού και υγρού ηλεκτρολύτη. Η αντοχή της έχει δοκιμαστεί επιτυχημένα σε ειδικές δοκιμές, οι οποίες περιλαμβάνουν κρούσεις με προκαθορισμένη ταχύτητα πάνω σε συγκεκριμένα υλικά. Εικόνα 5.4 Μπαταρία ZEBRA [14] Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται κατά την εκφόρτιση της μπαταρίας από την

68 αντίδραση του νατρίου με χλωρίδιο του νικελίου, δίνοντας νικέλιο και χλωρίδιο του νατρίου. Η χημική αντίδραση συμβολίζεται μέσω της εξίσωσης: 2Na + NiCl 2 Ni + 2NaCl Tα ιόντα χλωρίου κινούνται μέσω του θετικού ηλεκτροδίου στο αρνητικό. Σε καθένα ηλεκτρόδιο συμβαίνουν οι εξής αντιδράσεις ΝiCl 2 Ni + 2Cl + 2e - (θετικό ηλεκτρόδιο) Στο τέλος μένει μόνο Νi, αφού το Cl ταξιδεύει προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο 2Νa 2Na + 2Cl + 2e - ( αρνητικό ηλεκτρόδιο) Ένα μειονέκτημα αυτού στοιχείου είναι ότι στο τελευταίο στάδιο της εκφόρτισης μειώνεται σημαντικά η τάση στα άκρα της μπαταρίας από 2.5V στα 1.6V. H αύξηση της εσωτερικής αντίστασης οξύνει αυτό το φαινόμενο. Βεβαίως, χρειάζεται κι αυτή υψηλή θερμοκρασία για να λειτουργήσει σωστά (της τάξεως των 320 βαθμών Κελσίου). Η έξοδος της θερμότητας εκτός του στοιχείου εμποδίζεται, τοποθετώντας την σε ειδική συσκευασία από ατσάλι με διπλά τοιχώματα σε απόσταση 2-3cm μεταξύ τους. Ο αέρας στο ενδιάμεσο των τοιχωμάτων έχει απομακρυνθεί με προσοχή, ώστε να επικρατεί κενό αέρος και να εμποδίζεται η απαγωγή της θερμότητας. Όπως και στην περίπτωση της θειούχου νατρίου, η μπαταρία αυτή, όταν δε λειτουργεί για κάποιες ώρες και πλέον, χρειάζεται να βρίσκεται συνδεδεμένη με πηγή ώστε να διατηρείται ζεστή μέσω των απωλειών Joule. Προφανώς, οι απώλειες για τη θέρμανση της έχουν μία τιμή συγκρίσιμη με την ενέργεια που μπορεί να αποθηκεύσει, γεγονός διόλου ευκαταφρόνητο. Εννοείται ότι η μπαταρία μπορεί να αφεθεί να κρυώσει. Για να μπορέσουμε όμως να την ξαναχρησιμοποιήσουμε θα χρειάζεται να τη θερμάνουμε αργά και σταθερά για περίπου 24 ώρες. Ακολουθεί ο πίνακας με τα στοιχεία της μπαταρίας νατρίου - χλωριδίου μετάλλου. Ειδική ενέργεια 100 W/ kg Ενεργειακή πυκνότητα 150 W/ L Eιδική ισχύς 150 W/ kg Ονομαστική τάση ανά cell περίπου 2V( 2.5 πλήρως φορτισμένη)

69 Ενεργειακή απόδοση σε Ah πολλή υψηλή Εσωτερική αντίσταση πολλή χαμηλή αλλά υψηλή στο τέλος της εκφόρτισης Διαθεσιμότητα στην αγορά διαθέσιμη αλλά σε λίγους προμηθευτές Θερμοκρασία λειτουργίας βαθμούς Κελσίου Ρυθμός αυτοεκφόρτισης όταν δε χρησιμοποιείται χρειάζεται να παραμένει σε κάποια υψηλή θερμοκρα- σία και η απώλεια ενέργειας αντιστοιχεί σε 10% αυτοεκφόρτιση ημερησίως Διάρκεια ζωής πάνω από 1000 κύκλοι Χρόνος φόρτισης 8 ώρες Μπαταρίες λιθίου (Li) Πίνακας 5.5 Χαρακτηριστικά μπαταρίας χλωριδίου - μετάλλου Πρόκειται για την μπαταρία με τη μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα αλλά και το μεγαλύτερο κόστος. Χρησιμοποιείται σε μικρές και μεγάλες εφαρμογές. Υπάρχουν προβλήματα στο θέμα της ασφάλειας. Λόγω, όμως των μεγάλων δυνατοτήτων της, η εξέλιξη της είναι διαρκής. Θεωρείται ο πλέον υποσχόμενος τύπος μπαταρίας. Βρίσκεται στα πρώτα στάδια εξέλιξης, γι αυτό η τιμή της είναι, ακόμη, πολλή υψηλή συγκριτικά με τα υπόλοιπα είδη. Δύο είδη μπαταριών λιθίου που χρησιμοποιούνται ευρέως είναι οι λιθίου - πολυμερούς και οι ιόντων λιθίου. Τα στοιχεία λιθίου- πολυμερούς έχουν λίθιο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο τους και μία στρώση οξειδίου μετάλλου στο θετικό. Το λίθιο αντιδρά με το οξείδιο του μετάλλου παράγοντας οξείδιο του λιθίου και εκλύοντας ενέργεια. Το λίθιο λειτουργεί ως αντιδρούν και, ταυτόχρονα, κινείται μέσα στον ηλεκτρολύτη. Η χημική εξίσωση, η οποία περιγράφει αυτό το φαινόμενο είναι:

70 ΧLi + Μ Ψ Ο Ζ Li X M Ψ Ο Ζ To λίθιο στερεάς κατάστασης στο αρνητικό ηλεκτρόδιο προξενεί προβλήματα ασφάλειας στο cell, τα οποία αντιμετωπίζονται με τη μπαταρία ιόντων λιθίου. Η μπαταρία ιόντων λιθίου έχει στο θετικό της ηλεκτρόδιο μία στρώση οξειδίου μετάλλου, ενώ στο αρνητικό λιθιούχο άνθρακα. Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται υγρό οργανικό διάλυμα ή στερεό πολυμερές. Η ηλεκτρική ενέργεια εκλύεται από την αντίδραση του λιθιούχου άνθρακα με το οξείδιο λιθιούχου μετάλλου. Η αντίδραση αυτή έχει ως προϊόντα άνθρακα και οξείδιο λιθιούχου μετάλλου. Η χημική εξίσωση, η οποία διέπει αυτή την αντίδραση είναι: C 6 LiX + MψΟz 6C + Li X M Ψ Ο Ζ Πρέπει να αναφέρουμε ότι η φόρτιση της μπαταρίας γίνεται μόνο με άμεσο έλεγχο της τάσης φόρτισης με τη χρήση ειδικού φορτιστή. Τα γνωρίσματα της μπαταρίας ιόντων - λιθίου αναγράφονται στον πίνακα: Ειδική ενέργεια 90 W/ kg Ενεργειακή πυκνότητα 153 W/ L Ειδική ισχύς 300 W/ kg Ονομαστική τάση ανά cell 3.5V Ενεργειακή απόδοση σε Ah πολλή καλή Εσωτερική αντίσταση πολλή χαμηλή Διαθεσιμότητα στην αγορά σε λίγους προμηθευτές, κυρίως όμως για μικρές εφαρμογές

71 Θερμοκρασία λειτουργίας περιβάλλοντος Ρυθμός αυτοεκφόρτισης πολύ χαμηλός, 10% ανά μήνα Χρόνος φόρτισης 2-3 ώρες Μπαταρίες αέρος - μετάλλου Πίνακας 5.6 Χαρακτηριστικά ιόντων λιθίου Οι μπαταρίες αέρος- μετάλλου βασίζονται σε μία εντελώς διαφορετική λογική σε σχέση με τις υπόλοιπες μπαταρίες. Η φόρτιση του στοιχείου δε μπορεί να διαδεχθεί την εκφόρτιση, απλά αντιστρέφοντας τη φορά του ρεύματος. Η φόρτιση του γίνεται αντικαθιστώντας τα μεταλλικά ηλεκτρόδια του (αλλά και τον ηλεκτρολύτη του) με νέα. Η μπαταρία είναι, πλέον, έτοιμη για εκφόρτιση. Υπάρχουν δύο είδη μπαταριών αέρος μετάλλου: οι αέρος αλουμινίου και οι αέρος ψευδαργύρου. Στις μπαταρίες αέρος- αλουμινίου το αλουμίνιο τoυ αρνητικού ηλεκτροδίου αντιδρά με το οξυγόνο του αέρα και του νερού έχοντας ως προϊόν υδροξείδιο του αλουμινίου. Το θετικό ηλεκτρόδιο έχει πορώδη μορφή και αποτελείται από ένα μεταλλικό πλέγμα πάνω στο οποίο έχει προσαρμοστεί μία στρώση από καταλυτικό άνθρακα. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα αλκαλικό διάλυμα. Ταυτόχρονα, εκλύεται ηλεκτρική ενέργεια. Η χημική αντίδραση, όπως αναφέραμε, είναι μη αντιστρεπτή: 4Al + 3O2 + 6H2O 4Al(OH)3 Το αλουμίνιο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο έχει μορφή ελάσματος πάχους περίπου 1cm και κατά την εκφόρτιση συνεχώς συρρικνώνεται. Στο τέλος αντικαθιστούμε αυτά τα ηλεκτρόδια με νέα. Όπως, καταλαβαίνουμε η φόρτιση της γίνεται ιδιαίτερα γρήγορα. Το μεγάλο μειονέκτημα του στοιχείου είναι η εξαιρετικά μικρή ειδική ισχύς. Είναι χαρακτηριστικό ότι για να μας παρέχει στην έξοδο του 20kW ισχύ, απαιτούνται 2 τόνοι μπαταρίας. Αυτό το γεγονός αποκλείει τη μπαταρία από τις περισσότερες εφαρμογές στην αυτοκίνηση. Ειδική ενέργεια 225 Wh/ kg Ενεργειακή πυκνότητα 195 Wh/ L Ειδική ενέργεια 10 W/ kg

72 Ονομαστική τάση ανά cell 1.4V Εσωτερική αντίσταση αρκετά υψηλή Διαθεσιμότητα στην αγορά σε άλλου είδους εφαρμογές Θερμοκρασία λειτουργίας περιβάλλοντος Ρυθμός αυτοεκφόρτισης πολύ υψηλός, κοντά στο 10% ημερησίως μπορεί να γίνει χαμηλός, αφαιρώντας τον ηλεκτρολύτη Διάρκεια ζωής τουλάχιστον 1000 κύκλοι Χρόνος φόρτισης 10 λεπτά Πίνακας 5.7 Χαρακτηριστικά μπαταρίας αέρος αλουμινίου Η λειτουργία της μπαταρίας αέρος - ψευδαργύρου είναι παρόμοια με αυτή της αέρος- αλουμινίου. Έχει, όμως, το πλεονέκτημα της σχεδόν δεκαπλάσιας ειδικής ισχύος, τιμή που πλησιάζει τα άλλα είδη μπαταριών. Το θετικό ηλεκτρόδιο της έχει πορώδη μορφή και το αρνητικό είναι στερεός ψευδάργυρος. Εικόνα 5.5 Μπαταρία αέρος ψευδαργύρου [14]

73 Ο ηλεκτρολύτης είναι υγρό αλκαλικό διάλυμα. Η ενέργεια εκλύεται συνδυάζοντας τον ψευδάργυρο με το οξυγόνο του αέρα και σχηματίζοντας οξείδιο ψευδαργύρου. Η διαδικασία είναι μη αντιστρεπτή. Η εύρεση του τύπου αυτού για τη ζητούμενη εφαρμογή στο εμπόριο είναι πολύ δύσκολη αλλά η διαρκής εξέλιξη της θα την κάνει πιο προσιτή. Ειδική ενέργεια 230 Wh / kg Ενεργειακή πυκνότητα 270 Wh / L Eιδική ισχύς 105 W/ kg Ονομαστική τάση ανά cell 1.2V Eεσωτερική αντίσταση μεσαία Διαθεσιμότητα στην αγορά ελάχιστοι προμηθευτές Θερμοκρασία λειτουργίας περιβάλλοντος Ρυθμός αυτοεκφόρτισης υψηλός(δεν αφαιρείται ο ηλεκτρολύτης) Διάρκεια ζωής πάνω από 2000 κύκλοι Χρόνος φόρτισης 10 λεπτά Πίνακας 5.8 Χαρακτηριστικά μπαταρίας αέρος - ψευδαργύρου Σημαντική παρατήρηση είναι ότι και στα δύο αυτά είδη μπαταριών τα χρησιμοποιημένα αρνητικά ηλεκτρόδια μπορούν να συλλεχθούν και με κατάλληλη

74 επεξεργασία να χρησιμοποιηθούν ξανά Φόρτιση των μπαταριών Όπως αναφέραμε, η φόρτιση κάθε τύπου μπαταρίας απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή και συγκεκριμένη τεχνική. Εκτός εξαιρέσεων, η φόρτιση της γίνεται από πηγή εναλλασσόμενης τάσης, η οποία πρέπει να υποστεί ανόρθωση, ώστε να γίνει συνεχής και να φορτίσει την μπαταρία. Το ανορθωμένο ρεύμα έχει κυμάτωση, γεγονός που πρέπει να αντιμετωπιστεί. Αν η τάση λόγω της κυμάτωσης είναι μικρότερη της ονομαστικής τάσης φόρτισης της μπαταρίας, η μπαταρία δε φορτίζει. Αν, πάλι, η τάση φόρτισης υπερβεί κατά πολύ την ονομαστική τάση φόρτισης, μπορεί να προκληθούν βλάβες στην μπαταρία. Όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα προς ανόρθωση, τόσο δυσκολότερο είναι να απαλειφθεί η κυμάτωση. Είναι σημαντικό η μπαταρία να συνοδεύεται από κατάλληλο φορτιστή. Τι είναι το charge equalization; Κατά την εκφόρτιση παρατηρείται άνιση απώλεια φορτίου μεταξύ των cells. Αυτό, ίσως, φαίνεται λίγο περίεργο αφού τα cells είναι τοποθετημένα σε σειρά και διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. Όμως, τα φαινόμενα αυτοεκφόρτισης εξελίσσονται με διαφορετικούς ρυθμούς σε κάθε cell. Αυτό οφείλεται στον τρόπο κατασκευής που μπορεί να διαφέρει έστω και αμυδρά μεταξύ των cells, καθώς και στη διαφορά θερμοκρασίας που υπάρχει. Πιο συγκεκριμένα, εάν για παράδειγμα η μπαταρία βρίσκεται στο 50% SOC, κάποια cells μπορεί να βρίσκονται στο 52%, ενώ, ίσως, άλλα λίγο χαμηλότερα από το 50%. Ουσιαστικά, το charge equalization είναι η πλήρης φόρτιση όλων, μηδενός εξαιρουμένου, των cells σε τακτά χρονικά διαστήματα, αποφεύγοντας τα σφάλματα που περιγράψαμε. Αυτό συνεπάγεται ότι κάποια cells, ίσως, να βρίσκονται σε κατάσταση υπερφόρτισης για κάποια ώρα. Ακόμη και όταν η πλειοψηφία των cells φορτιστεί, πρέπει να συνεχιστεί η ροή ρεύματος στην μπαταρία, ώστε να εξασφαλιστεί η φόρτιση ακόμη και των cells που εκφορτίζονται γρηγορότερα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πρέπει ένα cell να αντέχει και την κατάσταση υπερφόρτισης. Στην πραγματικότητα, η τιμή του ρεύματος (ρεύμα υπερφόρτισης που φορτίζει την μπαταρία, όταν κάποια cell βρίσκονται σε κατάσταση πλήρους φόρτισης) περιορίζεται στο C/10.Έτσι εξηγείται ότι η διαδικασία πλήρους φόρτισης όλων των cells δε μπορεί να συμβεί γρήγορα και υπάρχει πάντα καθυστέρηση όταν η μπαταρία βρίσκεται στο τελευταίο στάδιο φόρτισης (λίγο πριν το 100%). Η διαδικασία διακόπτεται πριν τα cells καταστραφούν από την υπερφόρτιση. Στην περίπτωση των HEV πρέπει η μπαταρία να μη βρίσκεται πότε στο 100% κατά την κίνηση, ώστε να είναι ασφαλής η φόρτιση της σε περίπτωση πέδησης (regenerative brake). Βεβαίως, υπάρχει η δυνατότητα μέσω συστήματος αυτομάτου ελέγχου να προστατεύεται ο συσσωρευτής αν βρίσκεται στο 100% από λανθασμένη επιπλέον φόρτιση. Αυτό, όμως, έχει ως συνέπεια να χάνεται ανεκμετάλλευτο κάποιο ποσό ενέργειας προερχόμενο από την πέδηση. Η τακτική του charge equalization είναι ιδιαίτερα σημαντική για τις μπαταρίες οξέος μολύβδου, διότι σε αυτές παρατηρείται έντονα το φαινόμενο της αυτοεκφόρτισης.

75 Θεωρητικά μπορούν να φορτιστούν όλα τα cells εξίσου στο 100%, με διαρροή φορτίου από cell σε cell. Αντιμετωπίζουμε, όμως, πρακτικά προβλήματα καθώς δεν είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε το SOC κάθε cell, αφού εξαρτάται και από την θερμοκρασία. Επομένως, η τάση του cell δε μπορεί να μετρηθεί ώστε να ελεγχθεί η ροή φορτίου από cell σε cell. Είναι αναγκαίο, εδώ, να κάνουμε μία παρένθεση ώστε να προσδιορίσουμε τη σχέση μεταξύ SOC και τάσης ενός cell. Ισχύει ότι η τάση παρουσιάζει μικρή πτώση με τη μείωση του φορτίου σε ένα cell, μεταβολή, όμως, που είναι ικανή να δημιουργήσει την απαιτούμενη διαφορά δυναμικού για τη ροή φορτίου από cell σε cell. Έχουμε τη δυνατότητα με τη χρήση υπερπυκνωτών (super capacitors) να μεταφέρουμε με ακρίβεια φορτίο, λόγω της σχέσης ευθείας αναλογίας τάσης και φορτίου που τους διακρίνει. Θα επεκταθούμε, όμως, σε αυτή την τεχνολογία παρακάτω Μοντελοποίηση της χωρητικότητας της μπαταρίας Είδαμε, προηγουμένως, ότι εκφορτίζοντας τη μπαταρία με μεγαλύτερο ρεύμα, μειώνεται η χωρητικότητα της. Στην περίπτωση μας, πρόκειται για μία πολλή κρίσιμη παρατήρηση, εφόσον το ρεύμα εκφόρτισης που παρέχεται στο κινητήρα είναι αρκετά μεγάλο. Το μοντέλο Peukert προσφέρει ένα τρόπο πρόβλεψης της χωρητικότητας της μπαταρίας ανάλογα με το ρεύμα που μας παρέχει. Γνωρίζοντας το απόθεμα της σε ενέργεια σε μία δεδομένη στιγμή, είναι δυνατόν να υπολογίσουμε και την ακριβή τάση στα άκρα της. Το μοντέλο Peukert είναι πιο ακριβές για υψηλές τιμές ρευμάτων. Στο μοντέλο αυτό υπάρχει μία σταθερά (χωρητικότητα Peukert), για την οποία ισχύει: Cp = I k * T (σχέση 5.1) όπου k η σταθερά Peukert, η οποία εξαρτάται από το είδος της μπαταρίας (1.2 για την οξέος μολύβδου) και Ι το σταθερό ρεύμα εκφόρτισης για Τ ώρες. Γνωρίζοντας τη χωρητικότητα της μπαταρίας σε Ah για συγκεκριμένο αριθμό ωρών (Τ) εκφόρτισης, βρίσκουμε το ρεύμα εκφόρτισης ανά ώρα. Αντικαθιστώντας την τιμή του ρεύματος στην παραπάνω σχέση (έχοντας ως δεδομένα το Τ και το k), βρίσκουμε το Cp, το οποίο είναι σταθερό για την μπαταρία. Συνεπώς, με δεδομένο το Cp και με τη βοήθεια της σχέσης μπορούμε να βρούμε για κάθε ρεύμα εκφόρτισης το χρόνο για τον οποίο θα «αντέξει» να μας παρέχει ρεύμα η μπαταρία To μέλλον των συσσωρευτών στην αυτοκίνηση Όπως προαναφέρθηκε, οι συσσωρευτές που είναι πιο πιθανό να επικρατήσουν στο μέλλον της ηλεκτρικής αυτοκίνησης είναι αυτοί που χρησιμοποιούν ως βασικό τους συστατικό το λίθιο. Η διαρκής έρευνα στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας φέρνει, συνεχώς, στο προσκήνιο νέες τεχνολογίες μπαταριών λιθίου. Οι βασικότερες, οι οποίες συναντώνται είναι οι εξής:

76 Συσσωρευτές λιθίου αέρος: Οι μπαταρίες λιθίου αέρος χρησιμοποιούν ως υλικό ανόδου το λίθιο κι ως καθόδου το οξυγόνο του αέρα περιορίζοντας, κατ αυτόν τον τρόπο, τη συνολική μάζα του στοιχείου. Προσφέρουν σχεδόν δεκαπλάσια χωρητικότητα συγκριτικά με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Μειονέκτημα των συσσωρευτών αυτών είναι η συγκέντρωση στερεών προϊόντων της χημικής αντίδρασης εκφόρτισης στην κάθοδο, γεγονός που δυσχεραίνει την επαφή του ηλεκτρολύτη με τον αέρα. Εικόνa 5.6 Σχέδιο της αντίδρασης στο εσωτερικό στοιχείου λιθίου αέρος [36] Ένα άλλο μειονέκτημα είναι η τριπλάσια ποσότητα λιθίου που απαιτείται για τη λειτουργία τους. Πρόκληση αποτελεί η βελτίωση της διαδικασίας της επαναφόρτισης. Συσσωρευτές λιθίου - θείου: Οι συσσωρευτές αυτοί προσφέρουν σχεδόν πενταπλάσια ειδική ενέργεια συγκριτικά με τις πλέον εξελιγμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου, δηλαδή περίπου 2600 Wh / kg έναντι 585 Wh / kg. Επιπλέον, είναι φθηνότερες από τις ιόντων λιθίου. Βεβαίως, το είδος αυτό είναι, ακόμη, στο πρώτο στάδιο εξέλιξης. Ιοί για την παραγωγή στοιχείων ιόντων λιθίου: Πολύ ενδιαφέρουσα τεχνολογία είναι αυτή, όπου χρησιμοποιούνται ιοί για την παραγωγή της ανόδου και της καθόδου των στοιχείων ιόντων λιθίου. Ο τρόπος παραγωγής είναι φυσικός και φθηνός. Βεβαίως, ο ιός είναι τελείως ακίνδυνος για τον άνθρωπο και είναι δυνατόν να βλάψει μόνο βακτήρια. Η χωρητικότητα των στοιχείων που παράγονται με αυτόν τον τρόπο είναι ίδια με αυτή των συμβατικών στοιχείων ιόντων λιθίου. Τι κάνει το στοιχείο λίθιο τόσο ξεχωριστό; Το λίθιο έχει κάποια σημαντικά πλεονεκτήματα που το καθιστούν ανώτερο από τα υλικά στοιχείων άλλης τεχνολογίας. Πρωτίστως, είναι το πιο ελαφρύ στερεό

77 στοιχείο σε θερμοκρασία δωματίου κι έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Έχει μικρή τιμή σταθεράς θερμικής επέκτασης. Η θερμική επέκταση δείχνει την τάση ενός υλικού να μεταβάλλει τον όγκο του με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Τέλος, είναι από τα πιο ενεργά στοιχεία. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες λιθίου είναι ελαφρύτερες από άλλες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ίδιας χωρητικότητας. Η υψηλή ικανότητα του στοιχείου να αντιδρά με άλλα στοιχεία δείχνει ότι μπορεί να αποθηκευθεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας στους δεσμούς του προσδίδοντας μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα στη μπαταρία. Πηγές λιθίου Οι ήδη υπάρχουσες και οι πιθανές μελλοντικές πηγές λιθίου είναι η άλμη, ο πηγματίτης, οι περιοχές άντλησης πετρελαίου, η γεωθερμική άλμη και το jadarite (νάτριο βόριο πυριτικό υδροξείδιο του λιθίου). Ο πηγματίτης είναι πυριγενές πέτρωμα που προέκυψε από την κρυστάλλωση μαγματικών υγρών Πηγές λιθίου από άλμη βρίσκονται στη Χιλή, τη Βολιβία, την Αργεντινή, τη Δυτική Κίνα και το Θιβέτ. Πηγές πηγματίτη υπάρχουν πολλές στις ΗΠΑ και στην Κίνα. 5.2 Ενεργειακές κυψέλες (Fuel cells) Mία από τις πλέον ελπιδοφόρες μεθόδους αποθήκευσης ενέργειας για τα μέσα μεταφοράς είναι οι ενεργειακές κυψέλες. Όπως είδαμε, διάφορες αυτοκινητοβιομηχανίες εξελίσσουν πειραματικά, ακόμη, οχήματα, τα οποία εκμεταλλεύονται αυτή την τεχνολογία. Η βασική αρχή του fuel cell (σχήμα) είναι ότι χρησιμοποιεί υδρογόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η διαδικασία αυτή στηρίζεται στη χημική εξίσωση: 2H 2 + O 2 2H 2 O Στα προϊόντα της αντίδρασης, εκτός από τον νερό, περιλαμβάνεται και η έκλυση ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως οι μπαταρίες, οι ενεργειακές κυψέλες αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια -την άνοδο και την κάθοδο- και από τον ηλεκτρολύτη. Στην άνοδο το αέριο υδρογόνο ιονίζεται απελευθερώνοντας ηλεκτρόνια και δημιουργώντας κατιόντα υδρογόνου (πρωτόνια), ενώ στην κάθοδο το οξυγόνο, το οποίο διοχετεύεται μέσω του αέρα, αντιδρά με τα δύο προϊόντα του ιονισμού στην άνοδο δημιουργώντας νερό. Ο ρόλος του ηλεκτρολύτη είναι να εμποδίζει τα ηλεκτρόνια, που αποδεσμεύονται από την άνοδο, να κατευθυνθούν αμέσως στην κάθοδο, επιτρέποντας τη διέλευση μόνο στα πρωτόνια. Τα ηλεκτρόνια οδηγούνται μέσω του ηλεκτρικού κυκλώματος στο προς τροφοδότηση φορτίο (στην περίπτωση μας στον κινητήρα) και επιστρέφουν στην κάθοδο, όπου συντελούν στην παραγωγή νερού. Υπάρχουν διάφορα είδη ενεργειακών κυψελών και ένας τρόπος διάκρισης τους είναι το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν. Η λειτουργία, την οποία περιγράψαμε πρωτύτερα, ανήκει στο επικρατέστερο είδος για εφαρμογές σε οχήματα, το οποίο ονομάζεται Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Όπως δηλώνει

78 και το όνομα του, περιέχει έναν ηλεκτρολύτη από στερεό πολυμερές,ο οποίος επιτρέπει τη διέλευση μόνο των πρωτονίων. Ένα από τα γνωρίσματα του είδους αυτού είναι η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας του ( βαθμοί κελσίου) συγκριτικά με τα υπόλοιπα και η πολλή απλή δομή του. Βεβαίως, η χαμηλότερη θερμοκρασία δρα ως τροχοπέδη στην ταχεία αντίδραση και την παραγωγή ηλεκτρονίων, ώστε να αρχίσει η τροφοδοσία με ηλεκτρικό ρεύμα. Για την επιτάχυνση της διαδικασίας αυτής τα ηλεκτρόδια επιστρώνονται με καταλύτη (πλατίνα) με πορώδη επιφάνεια. Μία επιπρόσθετη λύση στο πρόβλημα είναι η αύξηση των διαστάσεων και, συνεπώς, του εμβαδού των ηλεκτροδίων. Ο ζεστός αέρας, ο οποίος παρέχεται στην κάθοδο και τροφοδοτεί με οξυγόνο, είναι, επιπλέον, υπεύθυνος για την εξάτμιση του παραγόμενου νερού. Η ιδανική διαφορά δυναμικού, που μπορεί να αναπτυχθεί μεταξύ των ακροδεκτών ενός PEMFC είναι 1.18 V. Όμως, η απαιτούμενη για την αντίδραση ενέργεια, η αντίσταση στον ηλεκτρολύτη και τα ηλεκτρόδια, καθώς και ο φτωχός σε οξυγόνο αέρας (συμβαίνει σε υψηλά ρεύματα, όπου ο αέρας περιέχει κυρίως άζωτο και δεν παρέχει την κατάλληλη ποσότητα οξυγόνου ως αντιδρούν), συντελούν στη πτώση τάσης στην έξοδο του cell κατά περίπου 40%, δηλαδή στα V. Η οδήγηση των ηλεκτρονίων προς το φορτίο γίνεται από όλη την επιφάνεια της ανόδου και όχι από ένα συγκεκριμένο σημείο της, για να αποφεύγεται η περαιτέρω πτώση τάσης. Πρόσφατα, άρχισαν οι προσπάθειες, ώστε η επιφάνεια μέσω της οποίας θα διέρχονται τα ηλεκτρόνια να καθορίζεται από την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος και να είναι ανάλογη αυτού, απομονώνοντας την υπόλοιπη επιφάνεια βυθίζοντας τη σε νερό παραγόμενο από το ίδιο το cell. Η προσφερόμενη διαφορά δυναμικού δεν είναι κατάλληλη ακόμη για να τροφοδοτήσει έναν κινητήρα. Πρέπει, οπωσδήποτε, πρώτα να ελεγχθεί από ένα DC DC μετατροπέα. Συγκρίνοντας την απόδοση του με αυτή ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης, συμπεραίνουμε ότι υπερέχει λίγο. Εικόνα 5.7 Γενική διάταξη ενός fuel cell [14]

79 Υπάρχουν βασικά προβλήματα, τα οποία πρέπει να λυθούν για να εισέλθουν οι ενεργειακές κυψέλες στα μελλοντικά συμβατικά αυτοκίνητα. Ένα βασικό εμπόδιο είναι το υψηλό κόστος ενός τέτοιου συστήματος ανά όχημα και η δαπάνη για την ανάπτυξη κατάλληλου δικτύου για την τροφοδοσία των οχημάτων. Μεγάλο θέμα είναι ο τρόπος παραγωγής του υδρογόνου αλλά και η αποθήκευση του στη δεξαμενή του αυτοκινήτου. Το υδρογόνο αποθηκεύεται σε υγρή μορφή σε συνθήκες πολύ υψηλής πίεσης προκαλώντας τον κίνδυνο για έκρηξη σε τυχόν κραδασμούς του οχήματος. Πρέπει να επισημάνουμε ότι η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος είναι αρκετά μικρότερη από αυτή μίας μπαταρίας. 5.3 Υπερπυκνωτές (super capacitors ultra capacitors) Οι υπερπυκνωτές είναι ένα μέσο αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο συμβάλλει στη βελτίωση της αυτονομίας και της λειτουργίας του υβριδικού αυτοκινήτου. Είναι γεγονός ότι οι μπαταρίες μειονεκτούν σε κάποιους τομείς. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, αντιμετωπίζουν προβλήματα λειτουργίας και περιορίζεται ιδιαίτερα η διάρκεια ζωής τους (κύκλοι φόρτισης- εκφόρτισης). Επιπρόσθετα, κάποια από τα υλικά κατασκευής τους δεν ανακυκλώνονται εύκολα και δεν είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Χάνεται, λοιπόν, η έννοια της οικολογικής μετακίνησης, όταν το ίδιο το μέσο συνίσταται από μη ανακυκλώσιμα υλικά. Λειτουργικά, οι μπαταρίες δεν έχουν την ικανότητα της ραγδαίας φόρτισης - εκφόρτισης, εμποδίζοντας, κατ αυτόν τον τρόπο, την άμεση επιτάχυνση και την εκμετάλλευση εξ ολοκλήρου της ανακτώμενης από το φρενάρισμα ενέργειας. Οι υπερπυκνωτές έχουν τις δυνατότητες να καταπολεμήσουν αυτά τα προβλήματα. Ένας υπερπυκνωτής αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες, στις οποίες βρίσκονται τα ηλεκτρόδια (μεταλλικά με επίστρωση ενεργού άνθρακα) και διαχωρίζονται από ένα μονωτικό φύλλο ώστε να μην επιτρέπεται η ροή φορτίου ανάμεσα στις δύο πλάκες. Αυτή η διάταξη είναι βυθισμένη σε υγρό ηλεκτρολύτη. Κατά τη φόρτιση του, τα ηλεκτρόδια φορτίζονται με αντίθετα φορτία, προκαλώντας ηλεκτρικό πεδίο το οποίο συγκρατεί στον πυκνωτή το συγκεντρωμένο φορτίο (Q). Τα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι συγκεντρωμένα στο ένα ηλεκτρόδιο, έλκουν τα θετικά ιόντα του ηλεκτρολύτη και τα θετικά φορτία στο άλλο ηλεκτρόδιο έλκουν με τη σειρά τους τα αρνητικά ιόντα του ηλεκτρολύτη. Το αποτέλεσμα είναι να δημιουργούνται εντός του πυκνωτή δύο πυκνωτές. Εξαιτίας αυτού του φαινομένου οι υπερπυκνωτές ονομάζονται double layer (διπλής στρώσης), αυξάνοντας τη χωρητικότητα τους (C), δηλαδή ικανότητα τους να αποθηκεύουν φορτίο για δεδομένη τάση στα άκρα τους.

80 Εικόνα 5.8 Διάταξη του υπερπυκνωτή [37] Η στρώση ενεργού άνθρακα στα ηλεκτρόδια είναι ιδιαίτερα πορώδης, ώστε να αποθηκεύει το μέγιστο δυνατό φορτίο. Οι υπερπυκνωτές έχουν το μεγάλο πλεονέκτημα να φορτίζονται και να εκφορτίζονται ταχύτατα, εντός λίγων δευτερολέπτων ( δευτερόλεπτα) στη χείριστη περίπτωση, υπερκαλύπτοντας τις ανάγκες για άμεση επιτάχυνση και ταχεία φόρτιση των στοιχείων της μπαταρίας κατά τη διαδικασία της αναγεννησιακής πέδησης. Λειτουργούν, ακόμη, σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και έχουν υψηλότερο συντελεστή απόδοσης κατά τη φόρτιση - εκφόρτιση ( έναντι των μπαταριών). Τέλος, μπορούν να υπερβούν τους φόρτισης- εκφόρτισης. Δεν τίθεται θέμα αντικατάστασης των μπαταριών, εφόσον οι μπαταρίες έχουν δεκαπλάσια έως εκατονταπλάσια ειδική ενέργεια συγκριτικά με τους πυκνωτές. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν συνδεδεμένοι παράλληλα με τις μπαταρίες ενός οχήματος, όπως για παράδειγμα στην εν σειρά διάταξη του παρακάτω σχήματος.

81 Εικόνα 5.9 Εν σειρά διάταξη υβριδικού (με χρήση ΜΕΚ) ή ηλεκτρικού (με χρήση μπαταριών ή fuel cells) και υπερπυκνωτών [37] Ένας άλλος λόγος για τον οποίο ο υπερπυκνωτής δε δύναται να αντικαταστήσει τη μπαταρία, είναι η μικρή τάση που μπορεί να προσφέρει στα άκρα του, μόλις 3V για υπερπυκνωτές με χωρητικότητα της τάξεως των kf ( kilofarrad). Αυτή η τιμή της τάσης είναι συγκρίσιμη με αυτή ενός cell της μπαταρίας, υπάρχει, όμως η εξής σημαντική διαφορά: Η σχέση, η οποία εκφράζει την αποθηκευμένη ενέργεια ενός πυκνωτή συναρτήσει της χωρητικότητας του και της τάσης στα άκρα του είναι η Ε = 1/2 ( C * V 2 ). Παρατηρούμε ότι η ενέργεια είναι ανάλογη του τετραγώνου της τάσης. Όμως, η τάση μπορεί να είναι το πολύ 3 V. Για να αποθηκεύσουμε αρκετή ενέργεια σε επίπεδα τάσης κοντά στην απαιτούμενη του κινητήρα μας, χρειάζονται αρκετοί πυκνωτές συνδεδεμένοι σε σειρά. Η σύνδεση τους σε σειρά προκαλεί πτώση της χωρητικότητας σε τιμή C μικρότερη από τη μικρότερη μεταξύ των δύο πυκνωτών. Άρα, μειώνεται η αποθηκευμένη ενέργεια. Συμπεραίνουμε ότι χρειάζονται πολλές μονάδες για να καλυφθούν οι ανάγκες μας, γεγονός απαγορευτικό λόγω κόστους και βάρους. Η σύνδεση σε σειρά πολλών υπερπυκνωτών ελλοχεύει τον κίνδυνο του charge equalization, φαινόμενο το οποίο αναλύσαμε προηγουμένως. Οι πυκνωτές όντας μη ιδανικοί παρουσιάζουν κάποια αυτοεκφόρτιση, διαφορετική σε κάθε έναν από αυτούς. Συνεπώς, κάποιος λιγότερο εκφορτισμένος, ίσως, να υπερφορτιστεί κατά την ταχεία φόρτιση τους και να καταστραφεί. Υπάρχουν εξειδικευμένοι φορτιστές για υπερπυκνωτές, οι οποίοι ανεβάζουν το συνολικό κόστος. Οι υπερπυκνωτές είναι εμπορικά διαθέσιμοι από κάποιες εταιρίες και, ήδη, εξελίσσονται σε κοινή συσκευασία με fuel cells, ώστε να προσφέρουν μία πιο ολοκληρωμένη λύση.

82 Εικόνα 5.10 Ολοκληρωμένο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με fuel cells και υπερπυκνωτές [37] Oι υπερπυκνωτές μπορούν να βρουν εφαρμογή και σε άλλα συστήματα του αυτοκινήτου, όπως τα flash ή το σύστημα start / stop, φορτιζόμενοι από την ανακτώμενη ενέργεια χωρίς να επιβαρύνουν τη συμβατική μπαταρία των 12 V. Ήδη, στο TOYOTA PRIUS χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία της ηλεκτρικής αντλίας του υδραυλικού συστήματος πέδησης.

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Παρουσίαση του αυτοκινήτου της διπλωματικής εργασίας 6.1 Το πειραματικό αυτοκίνητο Το αυτοκίνητο, το οποίο επιλέχθηκε για να χρησιμοποιηθεί στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, είναι ένα Chevrolet Blazer S-10 μοντέλο του Η επιλογή του συγκεκριμένου οχήματος στηρίχθηκε σε μία σειρά πλεονεκτημάτων που το διακρίνουν. Εν πρώτοις, η στιβαρή κατασκευή του, καθώς διαθέτει φύλλα σούστας ως αναρτήσεις στους πίσω τροχούς, και ο μεγάλος ωφέλιμος χώρος της καμπίνας του, επιτρέπουν την τοποθέτηση των συσσωρευτών, του ηλεκτροκινητήρα μαζί με τη βάση του και του κουτιού με τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς. Η γενικότερη κατασκευή του είναι απλή. Η μετάδοση της κίνησης γίνεται αποκλειστικά στους πίσω τροχούς, μέσω του άξονα μετάδοσης που καταλήγει στο διαφορικό. Το γεγονός αυτό διευκολύνει τη σύνδεση του ηλεκτροκινητήρα απευθείας με τον άξονα αλλά και με το βενζινοκινητήρα, χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα χωροταξίας. Το αυτοκίνητο παραχωρήθηκε από τον οργανισμό διαχείρισης δημοσίου υλικού (Ο.Δ.Δ.Υ) διευκολύνοντας την ερευνητική ομάδα και απαλλάσσοντας από επιπλέον έξοδα. Εικόνα 6.1 Chevrolet Blazer

84 Το συγκεκριμένο μοντέλο κινείται από ένα βενζινοκινητήρα χωρητικότητας 2.8 λίτρων με διάταξη των έξι κυλίνδρων του σε σχήμα V που αποδίδει 82 kw (110 ίππους) και ροπή 201 N * m. Η μάζα του πριν τη μετατροπή ήταν 1430 kg. Μετά τη μετατροπή η μάζα του υπολογίστηκε στα 1700 kg. 6.2 Η διάταξη του υβριδικού συστήματος κίνησης Η διάταξη, η οποία επιλέχθηκε για το σύστημα πρόωσης του αυτοκινήτου, είναι η παράλληλη. Ο ηλεκτρικός κινητήρας συνδέεται με το βενζινοκινητήρα μέσω του άξονα μετάδοσης. Οι δύο κινητήρες έχουν τη δυνατότητα να κινούν το όχημα είτε ανεξάρτητα ο καθένας είτε κι οι δύο μαζί ταυτόχρονα. Η διαφορά με την αμιγώς παράλληλη τοπολογία είναι ότι ο ηλεκτρικός κινητήρας δε αποσυμπλέκεται από τον άξονα μετάδοσης με αποτέλεσμα κατά την κίνηση του οχήματος μόνο με το βενζινοκινητήρα να περιστρέφεται κι ο δρομέας του ηλεκτρικού κινητήρα ως μικρό πρόσθετο φορτίο στον άξονα της ΜΕΚ. Η σειριακή διάταξη απορρίφθηκε εφόσον θα χρειαζόταν μία επιπλέον γεννήτρια αλλά και ένας πιο ισχυρός ηλεκτρικός κινητήρας στον οποίο θα βασιζόταν αποκλειστικά η κίνηση του αυτοκινήτου. Επιπλέον, θα γινόταν σαφώς πιο πολύπλοκη η μηχανολογική μετατροπή, αφού θα χρειαζόταν η κατάλληλη τοποθέτηση της γεννήτριας και η ζεύξη της με τον βενζινοκινητήρα. Οι πιο πολύπλοκές διατάξεις απορρίπτονται λόγω της ιδιαίτερα μεγαλύτερης δαπάνης για την κατασκευή του συστήματος. Συγκεκριμένα, εκτός από δύο ηλεκτρικές μηχανές απαιτείται και κατάλληλο επικυκλικό κιβώτιο. Τέλος, όσο αφορά την ανεξάρτητη διάταξη θα χρειαζόταν να προσαρμοστεί ο ηλεκτροκινητήρας στους πίσω τροχούς και να επιτελεστεί δύσκολη μηχανολογική εργασία, ώστε ο βενζινοκινητήρας να κινεί τους εμπρός τροχούς. Εικόνα 6.2 Tοπολογία της διάταξης 6.3 Σύστημα μετάδοσης της κίνησης του ηλεκτρικού κινητήρα Το πρώτο μέλημα ήταν να γίνουν οι απαραίτητοι έλεγχοι στο αυτοκίνητο σε ένα συνεργείο ώστε να διαπιστωθεί η σωστή λειτουργία του. Αφού προστέθηκαν

85 υγρά φρένων, λιπαντικά κι έγινε αλλαγή της μπαταρίας, το αυτοκίνητο μεταφέρθηκε στο εργαστήριο ώστε να μελετηθούν οι πιθανές επιλογές για τις μετατροπές. Ακολούθησε η σχεδίαση της ακριβούς διάταξης του συστήματος πρόωσης και κατόπιν συναντήσεων με έμπειρους μηχανικούς αυτοκινήτων δόθηκε το έναυσμα για να αρχίσουν οι μηχανολογικές εργασίες από την ερευνητική ομάδα σε συνεργασία με το μηχανουργείο του Πανεπιστημίου Πατρών. Οι κατασκευές που έγιναν, ήταν αυστηρά στα πλαίσια του σχεδιασμού της ερευνητικής ομάδας. Στο εμπρόσθιο τμήμα του αυτοκινήτου δεν έγινε καμία εργασία. Βεβαίως, η απουσία συστήματος ηλεκτρονικού ψεκασμού θα αποτελέσει πρόκληση για νέες εργασίες που θα βελτιώσουν τη συνεργασία ηλεκτροκινητήρα και ΜΕΚ. Ο ηλεκτρικός κινητήρας βιδώθηκε σε μία σιδερένια βάση, η οποία στηρίζεται με φύλλα σιδήρου, βιδωμένα κι αυτά πάνω της, στις εξόδους του διαφορικού (μετατρόχια). Οι έξοδοι του διαφορικού είναι ικανές να υποστηρίξουν το βάρος του κινητήρα και της βάσης του. Ο κινητήρας με τη βάση στήριξης βρίσκονται επί το πλείστον πάνω από το επίπεδο του πατώματος του οχήματος. Αυτό συνέβη επειδή η θέση της δεξαμενής καυσίμου δεν επέτρεψε να τοποθετηθεί πιο χαμηλά ο κινητήρας, Η έξοδος του διαφορικού, στο σημείο ένωσης με τον άξονα μετάδοσης έχει μία κλίση προς τα δεξιά, εφόσον το κιβώτιο ταχυτήτων βρίσκεται κι αυτό δεξιά στο μπροστινό μέρος του οχήματος. Επιπλέον, έχει και μία κλίση προς τα επάνω. Το σώμα του ηλεκτροκινητήρα με τη βάση στηρίζεται και από μια αντηρίδα, η οποία είναι προσαρμοσμένη στο σημείο σύνδεσης του διαφορικού με τον άξονα και μέσω της οποίας μπορεί να ρυθμιστεί η κλίση του σώματος του ηλεκτροκινητήρα με τη βάση ως προς το πάτωμα του οχήματος.

86 Εικόνα 6.3 Κάτω γρανάζι, ιμάντας, τανυστής και σημείο προσαρμογής της αντηρίδας Ο δρομέας του κινητήρα παραλληλίστηκε με τον άξονα μετάδοσης. Στο δρομέα τοποθετήθηκε μία προστατευτική ασπίδα, ώστε να αποφευχθεί ο κίνδυνος της επαφής των επιβατών ή κάποιου αντικειμένου με αυτόν όταν περιστρέφεται. Με την τοποθέτηση του κινητήρα πάνω στο διαφορικό διασφαλίζεται ότι δε θα υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ του δρομέα και του άξονα μετάδοσης αφού αποτελούν ένα ενιαίο σώμα. Αποφεύγεται, έτσι, το «γλίστρημα» του ιμάντα που συνδέει το δρομέα με τον άξονα ή ακόμα και η αποσύμπλεξη τους. Ο ιμάντας που χρησιμοποιήθηκε είναι ανθεκτικός από πολυεστέρα. Διατηρείται τεντωμένος από έναν τανυστή. Ο έλεγχος της έκτασης του ιμάντα πραγματοποιείται μέσω της ρύθμισης της θέσης του τανυστή. Υπολογίστηκε συγκεκριμένος λόγος μετάδοσης ανάμεσα στο δρομέα και στον άξονα και κατασκευάστηκαν αλουμινένια γρανάζια για να επιτευχθεί ο λόγος αυτός. Παρακάτω φαίνονται τα επιμέρους στοιχεία της κατασκευής.

87 Εικόνα 6.4 Σώμα βάσης ηλεκτροκινητήρα Στη φωτογραφία 6.4 διακρίνει κανείς το σώμα βάσης ηλεκτροκινητήρα, το μικρό γρανάζι προσαρμοσμένο στο δρομέα, τον ιμάντα μετάδοσης της κίνησης, τον τανυστή, καθώς και τη βίδα για τη ρύθμιση της κλίσης της βάσης.

88 Eικόνα 6.5 Προσαρμογή βάσης ηλεκτροκινητήρα στις εξόδους του διαφορικού Εικόνα 6.6 Τανυστής Φαίνεται ότι ο τανυστής στηρίζεται στη βάση του κινητήρα κι ότι η έκταση του ιμάντα ρυθμίζεται μέσω του οδηγού που υπάρχει στο στήριγμα του τανυστή. Όσο πιο δεξιά στη φωτογραφία τοποθετήσουμε τον τανυστή, τόσο πιο πολύ τεντώνεται ο ιμάντας.

89 Εικόνα 6.7 Συνολική άποψη του συστήματος μετάδοση Παρατηρείται η σύνδεση των δύο γραναζιών μέσω του ιμάντα μετάδοσης της κίνησης. Είναι φανερή η έκταση που προκαλεί ο τανυστής στον ιμάντα.

90 Εικόνα 6.8 Γρανάζι προσαρμοσμένο στον άξονα μετάδοσης Στη φωτογραφία 6.8 φαίνεται το μεγάλο γρανάζι το οποίο προσαρμόστηκε στο «σταυρό» του διαφορικού. Αρχικά, υπήρχε η σκέψη να παρεμβληθεί σε κάποιο σημείο του άξονα μετάδοσης, ώστε ο κινητήρας να τοποθετηθεί πιο μπροστά και μην εμποδίζεται από το ρεζερβουάρ να κατέβει κάτω από το επίπεδο του πατώματος του οχήματος. Η μηχανολογική εργασία, όμως, θα ήταν ιδιαίτερα επίπονη, καθώς θα χρειαζόταν κόψιμο του άξονα μετάδοσης, παρεμβολή του γραναζιού και αφαίρεση από τον άξονα ενός τμήματος με μήκος ίσο με το πάχος του γραναζιού, έτσι ώστε να μπορεί να ξαναπροσαρμοστεί ο άξονας μεταξύ του κιβωτίου ταχυτήτων και του διαφορικού. Κατά την αφαίρεση του άξονα μετάδοσης παρατηρήθηκε ότι στο σημείο του διαφορικού που ενώνεται με τον άξονα ήταν δύσκολη η προσαρμογή του γραναζιού. Λήφθηκε, λοιπόν, η απόφαση να τοποθετηθεί το γρανάζι στην έξοδο του διαφορικού. Ακολουθούν οι υπολογισμοί για το λόγο μετάδοσης: Η διάμετρος της τροχού υπολογίστηκε ως εξής: Dτροχού = Dζάντας + 2* (προφίλ ελαστικού) = * (215 mm * 75 %) = 381mm + 161,25 mm * 2 = 703,5 mm Υποτίθεται ότι το προφίλ του ελαστικού συμπιέζεται κατά 75% από το βάρος του οχήματος. Περίμετρος ελαστικού = π * Dτροχού = 3,14 * 703,5 mm = 2,208 m

91 Λαμβάνοντας ως μέγιστη ταχύτητα του οχήματος τα 100 km / h = 27,77 m / s: O τροχός θα πρέπει να εκτελεί σε κάθε δευτερόλεπτο: n = (27,77 m / s) / (2.208 m) = 12,62 rps, Mε δεδομένο ότι ο λόγος μετάδοσης κίνησης του διαφορικού μετρήθηκε: differential ratio = 3,42:1, θα ισχύει ότι μία περιστροφή του τροχού θα ισοδυναμεί με 3,42 του άξονα μετάδοσης. Δηλαδή, 12,62 περιστροφές του τροχού αντιστοιχούν σε 43,18 στροφές του άξονα μετάδοσης, Γνωρίζοντας ότι ο κινητήρας μπορεί να περιστραφεί με μέγιστο αριθμό στροφών τις 9000 rpm = 150 rps, χρησιμοποιούνται γρανάζια με λόγο μετάδοσης της κίνησης Λ = 150 / 43,18 = 3,47. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η μέγιστη ροπή για την εκκίνηση του οχήματος. Άρα, το σύστημα γραναζιών θα παίζει το ρόλο μειωτήρα στροφών από τον ηλεκτρικό κινητήρα στον άξονα μετάδοσης αυξάνοντας την παρεχόμενη ροπή που παράγει ο δρομέας. Συγκεκριμένα, το γρανάζι, το οποίο προσαρμόστηκε στον άξονα μετάδοσης θα είναι 3,47 φορές μεγαλύτερο από το γρανάζι στο δρομέα του ηλεκτροκινητήρα. Ο τελικός λόγος μετάδοσης ανάμεσα στους τροχούς και στον κινητήρα είναι 11,97 / 1. Ακολουθεί η αναφορά των διαστάσεων των εξαρτημάτων του συστήματος μετάδοσης: Πολυεστερικός Ιμάντας: Πλάτος 40 mm / Πάχος δοντιού 5 mm / Πάχος ιμάντα μαζί με δόντι 10 mm Γρανάζι ηλεκτροκινητήρα: Εξωτερική διάμετρος 130 mm / Εσωτερική διάμετρος 105 mm / Εσωτερική διάμετρος μαζί με δόντια 115 mm / Πάχος 75 mm Γρανάζι κεντρικού άξονα: Εξωτερική διάμετρος 400 mm / Εσωτερική διάμετρος 375 mm / Εσωτερική διάμετρος μαζί με δόντια 385 mm / Πάχος 45 mm Τανυστής: Διάμετρος 80 mm / Πάχος 50 mm 6.4 Βάση των συσσωρευτών Η βάση των συσσωρευτών τοποθετήθηκε ακριβώς πίσω από τα μπροστινά καθίσματα, ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη δυνατή κατανομή βάρους. Ουσιαστικά, το πίσω μέρος του αμαξώματος στηρίζει το βάρος του ηλεκτροκινητήρα, της βάσης του, του συστήματος μετάδοσης και των μετατροπέων, το μπροστινό τη ΜΕΚ και το κιβώτιο ταχυτήτων, ενώ στο κέντρο τοποθετήθηκαν οι συσσωρευτές. Πρόκειται για μία βάση των οκτώ μπαταριών πίσω από τα μπροστινά καθίσματα, μία, ακριβώς πίσω της και μπροστά από τον ηλεκτροκινητήρα, των τεσσάρων μπαταριών και δύο «πύργους» των δύο μπαταριών έκαστος στα άκρα της βάσης των οκτώ μπαταριών. Οι βάσεις κατασκευάστηκαν με ανθεκτικές σιδερογωνίες. Οι μπαταρίες δέθηκαν από πάνω κατά μήκος των βάσεων πάλι με σιδερογωνίες, οι οποίες στηρίζονται σε μακριές βίδες που σφίγγουν με παξιμάδια στις βάσεις και στις σιδερογωνίες. Δόθηκε

92 ιδιαίτερη προσοχή στην εργονομία της κατασκευής, ώστε να υπάρχει εύκολη πρόσβαση σε καθεμία από τις 16 μπαταρίες. Τέλος, βιδώθηκε στη βάση των οκτώ μπαταριών και σε κάθε πύργο από ένα σιδερένιο πλέγμα, το οποίο στέκεται πάνω από τις μπαταρίες υπό κλίση, ώστε να εμποδίζεται η οποιαδήποτε επαφή των επιβατών με τους πόλους των μπαταριών. Εικόνα 6.9 Βάση μπαταριών Στην εικόνα 6.9 φαίνεται η βάση των μπαταριών από την πλευρά του καθίσματος του οδηγού. 6.5 Παράμετροι που επηρεάζουν την κίνηση του οχήματος Οι παράμετροι, οι οποίες επηρεάζουν την κίνηση του αυτοκινήτου, αναφέρονται στις εφαρμοζόμενες από το περιβάλλον δυνάμεις σε αυτό. Οι δυνάμεις αυτές αντιτίθενται στην κύλιση και ο κινητήρας καλείται να τις υπερνικήσει. Τρία είναι τα είδη δυνάμεων που ασκούνται στο όχημα: η αντίσταση κύλισης, η οποία εφαρμόζεται στα ελαστικά η αεροδυναμική αντίσταση, η οποία ασκείται σε όλο το αμάξωμα η αντίθετη δύναμη εξαρτώμενη από την κλίση του δρόμου Προφανώς, ο κινητήρας θα πρέπει όχι μόνο να ασκεί μία ίση και αντίθετη με το άθροισμα των παραπάνω δύναμη αλλά και να παρέχει μία επιπλέον ώθηση, ώστε το αυτοκίνητο να μπορεί να επιταχύνει.

93 Καταρχήν, η αντίσταση κύλισης υπολογίζεται από τον τύπο: F r = RRC * F * cosθ, όπου το RRC (Rolling Resistance Coefficient) συμβολίζει το συντελεστή κυλιόμενης αντίστασης τροχών, F (Νt) το φορτίο που ασκείται κάθετα σε κάθε τροχό σε Nt και cosθ το συνημίτονο της γωνίας θ που σχηματίζει το οδόστρωμα. O συντελεστής RRC κυμαίνεται, συνήθως, από 0,0073 μέχρι 0,0136. Υποτίθεται, εν συνεχεία, ότι το βάρος του οχήματος ισοκατανέμεται στους τέσσερεις τροχούς. Η αεροδυναμική αντίσταση εκφράζεται από τη σχέση: F d = 1/2 * ρ * υ 2 * Α * C d με το ρ να συμβολίζει την πυκνότητα του αέρα, το υ η σχετική ταχύτητα του αέρα ως προς το αυτοκίνητο, Α την μετωπική του επιφάνεια και C d τον αεροδυναμικό συντελεστή του. Λαμβάνουμε ως δεδομένα ότι η πυκνότητα του αέρα στη θάλασσα είναι 1,2754 kg/ m 3 σε θερμοκρασία 0 C και ότι η σχετική ταχύτητα του αέρα είναι κατά προσέγγιση ίση με αυτή του οχήματος. Τέλος, η δύναμη λόγω κίνησης του οχήματος σε ανωφέρεια ισούται με: F θ = Β * sinθ όπου Β το βάρος του οχήματος και θ η γωνία της κλίσης του δρόμου. Όπως αναφέραμε, ο κινητήρας όχι μόνο πρέπει να υπερνικά αυτές τις δυνάμεις αλλά να μπορεί να επιταχύνει το όχημα, έστω με μία τυπική τιμή των 2 km/ h το δευτερόλεπτο ή αλλιώς 0,5 m/ s 2. H συνολική δύναμη, που θα πρέπει να μπορεί να προσφέρει ο κινητήρας, δίνεται από τη σχέση: F ολ = λ * ( 4 * F d + F r + F θ + F a ) και η απαιτούμενη ροπή Μ = F ολ * R με R την ακτίνα του τροχού. 6.6 Κινητήρας Επιλογή του κατάλληλου κινητήρα Ο επιθυμητός βαθμός υβριδοποίησης ήταν της τάξεως του 20%. Τα υποψήφια είδη κινητήρων για την εφαρμογή μας ήταν οι κινητήρες συνεχούς, οι τριφασικοί σύγχρονοι κινητήρες και οι τριφασικοί ασύγχρονοι, λόγω εμπορικής διαθεσιμότητας. Πρέπει να επισημάνουμε τη δυσκολία εύρεσης κινητήρων για αυτοκινητικούς σκοπούς. Η πλειοψηφία αυτών που βρήκαμε ήταν βιομηχανικοί που υστερούσαν σε χαρακτηριστικά, όπως ροπή, συντελεστή απόδοσης και είχαν μεγαλύτερες διαστάσεις

94 και βάρος. Οι κινητήρες συνεχούς προσφέρονταν σε αισθητά χαμηλότερες τιμές, παρ όλα αυτά είχαν μεγαλύτερες διαστάσεις και η παραγόμενη ροπή τους ήταν χαμηλότερη από τους εξελιγμένους, πλέον, τριφασικούς κινητήρες. Η τάση των αυτοκινητοβιομηχανιών να προτιμούν τους κινητήρες εναλλασσόμενης τάσης μας κίνησε να ερευνήσουμε την αγορά αναζητώντας μηχανές αυτού του είδους. Ενδιαφέρουσα περίπτωση ήταν οι κινητήρες κατασκευασμένοι από την εταιρία Siemens, τους οποίους προμήθευε η εταιρία Evisol. Δυστυχώς, η πολιτική της εταιρίας Evisol να προωθεί μαζί με τους κινητήρες τους αντίστοιχους αντιστροφείς δεν επέφερε κάποια συμφωνία. Πρόκειται για έναν τριφασικό σύγχρονο μόνιμου μαγνήτη με κωδικό 1FV5104-6WS09 και έναν τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα ( 1LH5118-4AA9 Z) και οι δύο με εξαιρετικά χαμηλό βάρος και πολύ καλά τεχνικά χαρακτηριστικά. Πίνακας 6.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά υποψηφίων κινητήρων [38] Η τελική μας επιλογή είναι ο τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα με κωδικό 1PH4107 4NF26 της εταιρίας Siemens με τα ακόλουθα τεχνικά χαρακτηριστικά: Ονομαστική ισχύς ( P N ) Μέγιστή ισχύς ( P max ) Ονομαστικός αριθμός στροφών ( n N ) 14 kw 22,5 kw (για λειτουργία S6-25%) 1500 rpm

95 Μέγιστος αριθμός στροφών ( n max ) Ονομαστική ροπή ( Μ Ν ) Μέγιστη ροπή ( Μ m a x ) Ονομαστικό ρεύμα ( Ι Ν ) Μέγιστο ρεύμα ( Ι m a x ) 9000 rpm 89 Νm 143 Nm (για λειτουργία S6-25%) 46 Α 68 A (για λειτουργία S6-25%) Ονομαστική τάση ( V N ) 265 V ( πολική ) Αριθμός ζευγών πόλων ( p ) 2 Ροπή αδράνειας ( J ) 0,031 kg * m 2 Μάζα ( m ) 80 kg Σύνδεση Αστέρας ( Y ) Καθεστώς λειτουργίας Προστασία S1 ΙP65 Πίνακας 6.2 Στοιχεία κινητήρα Εικόνα 6.10 Ταμπέλα κινητήρα πειραματικού οχήματος Το καθεστώς λειτουργίας S1 σημαίνει ότι λειτουργεί στην ονομαστική λειτουργία του, ενώ το S6 25% δηλώνει ότι, για παράδειγμα, σε κύκλο λειτουργίας 10 λεπτών ο κινητήρας τροφοδοτείται για 2,5 λεπτά και μένει ανενεργός για τον υπόλοιπο χρόνο. Ο κύκλος λειτουργίας S6 25% αντιστοιχεί σε υπερφόρτιση του κινητήρα και στο διάστημα που βρίσκεται ανενεργός επαναφέρεται η θερμοκρασία στις φυσιολογικές τιμές της, ώστε να αποφευχθεί η υπερθέρμανση. Ο κωδικός ΙP65 δηλώνει ότι παρέχεται προστασία από σωματίδια σκόνης και πλήρης στεγανότητα

96 από όλες τις κατευθύνσεις. Ο κινητήρας έχει ενσωματωμένο στροφόμετρο, ώστε να γίνεται ακριβέστερος ο έλεγχος του. Εικόνα 6.11 Χαρακτηριστικές του κινητήρα [42] Στην πρώτη καμπύλη της εικόνας 6.11 βλέπουμε τη συνάρτηση της ισχύος με τις στροφές του δρομέα για τα διάφορα καθεστώτα υπό τα οποία μπορεί να λειτουργήσει ο κινητήρας. Παρατηρούμε ότι η ισχύς παρουσιάζει γραμμικότητα μέχρι τον ονομαστικό αριθμό στροφών, ενώ από αυτό το σημείο και μετά είναι σταθερή μέχρι περίπου τις rpm. Αντίστοιχα, στο επόμενο διάγραμμα απεικονίζεται η σχέση ροπής και στροφών. Η ροπή είναι σταθερή μέχρι τον ονομαστικό αριθμό στροφών κι έπειτα μειώνεται σταδιακά. Για ονομαστικό ρεύμα Ι Ν = 46 Α, προκύπτει ότι η μέγιστη ροπή είναι 89 Νm και δατηρείται σταθερή μέχρι τις 1500 rpm. Με το σύστημα του μειωτήρα υπολογίζεται ότι ο ηλεκτρικός κινητήρας μπορεί να προσφέρει στους τροχούς τιμή ροπής της τάξεως των 1080 Νm περίπου με ταχύτητα οχήματος μέχρι 16,5 km / h περίπου, αν δε ληφθούν υπόψη οι απώλειες στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης του μειωτήρα στροφών και του διαφορικού.

97 Ψύξη κινητήρα Εικόνα 6.12 Ο τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας της εφαρμογής Σημαντικό στοιχείο είναι ότι ο κινητήρας είναι υδρόψυκτος αλλά δε διαθέτει σύστημα ψύξης. Στο εγχειρίδιο του κινητήρα περιγράφεται μέσω του παρακάτω σχήματος (Εικόνα 6.13) το σύστημα ψύξης και αναφέρονται οι απαιτήσεις του, ώστε να επιτευχθεί η ασφαλής λειτουργία του. Βλέπουμε στο κύκλωμα ψύξης μία δεξαμενή με νερό με κάποια προσθετικά για να μη διαβρωθούν τα υλικά του κυκλώματος, στην οποία είναι εμβαπτισμένη μία σερπαντίνα. Η σερπαντίνα διαρρέεται από ψυκτικό υγρό, το οποίο απάγει τη θερμότητα από το νερό της δεξαμενής. Η ροή του ψυκτικού υγρού της σερπαντίνας γίνεται μέσω ενός συμπιεστή. Το νερό της δεξαμενής κυκλοφορεί μέσω μίας αντλίας στον κινητήρα και τον ψύχει. Στο κύκλωμα του κινητήρα υπάρχει, επίσης, ένα φίλτρο για να εμποδίζει τα μικροσωματίδια συγκεκριμένης διαμέτρου και άνω, μία βαλβίδα ελέγχου της ροής του νερού κι ένας αισθητήρας θερμοκρασίας βυθισμένος στο νερό της δεξαμενής. Οι απαιτήσεις του συστήματος ψύξης είναι ροή του νερού ίση με 6 L / min, μέγιστη επιτρεπτή πίεση του νερού τα 3 bar και ψυκτική απόδοση του συνολικού συστήματος 3000 W ανά δευτερόλεπτο. Ουσιαστικά, η ψυκτική απόδοση ισούται με το ποσό της θερμότητας που απομακρύνεται από τη μηχανή. Στο εγχειρίδιο αναφέρεται χαρακτηριστικά ότι όσο καλύτερη είναι η ψύξη της μηχανής, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση της. Η ιδανική θερμοκρασία του νερού για την απόδοση του κινητήρα είναι οι 30 0 C, με τις υψηλότερες θερμοκρασίες να μειώνουν το συντελεστή απόδοσης του κινητήρα. Στο

98 διάγραμμα απεικονίζεται το σύστημα ψύξης, το οποίο προτείνεται από το εγχειρίδιο του κινητήρα. Εικόνα 6.13 Κυκλωματικό διάγραμμα του συστήματος ψύξης Η αναζήτηση των κατάλληλων στοιχείων ξεκίνησε από την αντλία. Η εύρεση κατάλληλης ηλεκτρικής αντλίας, η οποία να τροφοδοτείται από DC τάση των 12 ή 24 V, ώστε να αντλεί ενέργεια από τις μπαταρίες, αποδείχτηκε ιδιαίτερα δύσκολη. Βρέθηκε μία μεταχειρισμένη μηχανική αντλία αυτοκινήτου με σκοπό να συνδεθεί μηχανικά με τον άξονα μετάδοσης της κίνησης ή με τον ίδιο το δρομέα του ηλεκτρικού κινητήρα. Ο δρομέας του κινητήρα όντας συνεχώς συνδεδεμένος με τον άξονα, μπορεί να τροφοδοτεί την αντλία και η σύζευξη μεταξύ τους φαίνεται πιο εφικτή λύση. Η προσαρμογή, όμως, της αντλίας κρίθηκε ως επίπονη διαδικασία. Επόμενη σκέψη ήταν η χρήση του ήδη υπάρχοντος ψυγείου του αυτοκινήτου για την παράλληλη ψύξη του βενζινοκινητήρα και του ηλεκτροκινητήρα. Το νερό, όμως, ψύχοντας τη ΜΕΚ σταθεροποιείται περίπου στη θερμοκρασία των 90 0 C. Αυτή η θερμοκρασία κρίθηκε ακατάλληλη για την ψύξη του, εφόσον η κατάλληλη θερμοκρασία για τη λειτουργία του συγκεκριμένου κινητήρα είναι από 30 0 C έως 60 0 C. H τελική ιδέα ήταν η προσαρμογή ενός ψυγείου από συμβατικό όχημα μάρκας Suzuki με διαστάσεις 49cm * 20cm * 5cm μπροστά και κάτω από τη μάσκα του οχήματος. Στο ψυγείο (Εικόνα 6.14), μεταβλήθηκαν οι θέσεις των εξαγωγών του, ώστε να διευκολυνθεί η προσαρμογή των σωληνώσεων του κυκλώματος ψύξης.

99 Εικόνα 6.14 Ψυγείο, ανεμιστήρες και γεννήτρια συστήματος ψύξης Η θέση αυτή ορίστηκε επειδή η κυκλοφορία του αέρα κατά την κίνηση του οχήματος μπορεί να ψύξει επαρκώς το ψυκτικό υγρό, σε συνεργασία με δύο ανεμιστήρες βιδωμένους στο ψυγείο (Εικόνα 6.15), που τροφοδοτούνται με συνεχή τάση από τη συμβατική μπαταρία του αυτοκινήτου. Η τροφοδοσία των ανεμιστήρων ελέγχεται από ένα διακόπτη τοποθετημένο σε κεντρικό σημείο του ταμπλό του αυτοκινήτου Εικόνα 6.15 Ανεμιστήρας

100 Η κυκλοφορία του νερού γίνεται μέσω αντλίας τοποθετημένης κοντά στο. Η αντλία είναι ηλεκτρική τύπου «Ιn Line GP9955» της εταιρίας Whale. Η τάση τροφοδοσίας της είναι 12 V και είναι κοινή με των ανεμιστήρων του ψυγείου. Η τροφοδοσία της ελέγχεται από ένα διακόπτη τοποθετημένο δίπλα στο διακόπτη των ανεμιστήρων. Η μέγιστη ανύψωση νερού (μανομετρικό) της αντλίας (εικόνα 6.16) είναι 3 μέτρα. Εικόνα Αντλία [44] Εικόνα Διάγραμμα της αντλίας με παραμέτρους το μανομετρικό, την παροχή και το ρεύμα τροφοδοσίας [44] Στην εικόνα 6.17 φαίνεται η συνάρτηση της παροχής του ψυκτικού υγρού με μονάδα μέτρησης L / min, του ρεύματος τροφοδοσίας της αντλίας σε Α και του μανομετρικού σε μέτρα. Παρατηρείται ότι η αύξηση της παροχής μειώνει το μανομετρικό και απαιτεί μεγαλύτερη τιμή ρεύματος τροφοδοσίας.

101 Εικόνα 6.18 Αντλία Χρησιμοποιήθηκε ένα δοχείο πλήρωσης από μοντέλο αυτοκίνητου Seicento της μάρκας Fiat (Εικόνα 6.19), το οποίο προσαρμόστηκε στο πίσω μέρος της καμπίνας του οχήματος, κάτω από το αριστερό παράθυρο, σε σημείο ψηλότερο από αυτό που βρίσκεται ο κινητήρας. Εικόνα 6.19 Δοχείο πλήρωσης

102 Οι σωληνώσεις του κυκλώματος έχουν εξωτερική διάμετρο 14 mm και εσωτερική 12 mm. Έχουν εσωτερική ενίσχυση που αυξάνει την αντοχή του Στηρίχτηκαν στο κάτω μέρος του οχήματος με πλαστικούς σφιγκτήρες και εισέρχονται στο πίσω μέρος της καμπίνας του οχήματος μέσω της οπής που δημιουργήθηκε για τη ζεύξη του κινητήρα με τον άξονα μετάδοσης της κίνησης. Προσαρμόστηκαν στις εξόδους του κινητήρα με τα κατάλληλα ρακόρ και σφίχτηκαν με κατάλληλους μεταλλικούς σφιγκτήρες. Με μεταλλικούς σφιγκτήρες έγινε και η προσαρμογή των σωληνώσεων στις εξόδους του ψυγείου. Μεταξύ της εξόδου του κινητήρα και της εισόδου του ζεστού νερού στο ψυγείο παρεμβλήθηκε ένας αισθητήρας θερμοκρασίας, ο οποίος στέλνει τη μέτρηση στο ψηφιακό όργανο ένδειξης. Με αυτόν τον τρόπο μετρείται η θερμοκρασία στο εσωτερικό του κινητήρα. Ο αισθητήρας (Εικόνα 6.20) είναι μία ράβδος συνδεδεμένη με δύο καλώδια για την επικοινωνία με το όργανο. Η ράβδος εμβαπτίζεται σε ένα χάλκινο κέλυφος, τη φωλιά (Εικόνα 6.21) η οποία έρχεται σε επαφή με το ψυκτικό υγρό. Για την καλύτερη μεταφορά της θερμότητας από τη φωλιά στη ράβδο προστέθηκε στο κέλυφος λάδι. Εικόνα 6.20 Αισθητήρας θερμοκρασίας

103 Εικόνα 6.21 Αισθητήρας θερμοκρασίας όπως παρεμβάλλεται στο κύκλωμα H ένδειξη της μέτρησης της θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού γίνεται μέσω ενός ψηφιακού οργάνου της εταιρίας lae (Εικόνα 6.23). Εικόνα 6.22 Σύνδεση του κινητήρα με το σύστημα ψύξης

104 Επιλογή των συσσωρευτών Εικόνα 6.23 Όργανο μέτρησης της θερμοκρασίας Το είδος των συσσωρευτών που επιλέξαμε ήταν οι οξέος μολύβδου (lead acid) με την τεχνολογία VRLΑ της εταιρίας Fullriver. Τα κύρια κριτήρια για αυτή μας την προτίμηση ήταν η άμεση εμπορική διαθεσιμότητα τους και το χαμηλό τους κόστος συγκριτικά με τα άλλα είδη μπαταριών που χρησιμοποιούνται για τέτοιου είδους εφαρμογές. Προμηθευτήκαμε 16 modules των 12 V έκαστο. Το κάθε module περιλαμβάνει 6 cells των 2 V. Συνδέοντας τα modules σε σειρά σχηματίσαμε μία συστοιχία με την επιθυμητή τάση εξόδου των 192 V. Κάθε module έχει χωρητικότητα 45Ah, είναι σχετικά περιορισμένo σε διαστάσεις όμως έχει σημαντικό βάρος με 13,5 kg και συνολική μάζα των συσσωρευτών 216 kg, ενώ μπορεί να παρέχει υψηλό ρεύμα εκφόρτισης της τάξεως των 660Α για 5 δευτερόλεπτα. Η χωρητικότητα των 45Ah σημαίνει ότι το στοιχείο μπορεί να εκφορτίζεται για 20 ώρες με ρεύμα εκφόρτισης 2,25 Α και τάση στο τέλος της εκφόρτισης ίση με 10,5 V.

105 Εικόνα 6.24 Συσσωρευτής πειραματικού οχήματος και χαρακτηριστικές εκφόρτισης [43] Στην εικόνα 6.24 διακρίνεται ένας συσσωρευτής του ιδίου τύπου με αυτούς που χρησιμοποιούνται στο πειραματικό αυτοκίνητο. Στο διάγραμμα της εικόνας 6.24 φαίνεται η πτώση τάσης του συσσωρευτή συναρτήσει του χρόνου εκφόρτισης για διάφορα ρεύματα σε θερμοκρασία 25 0 C. H ταχύτερη εκφόρτιση του έχει ως αντίκτυπο τη μείωση της χωρητικότητας του. Η συνολική αποθηκευμένη ενέργεια στους συσσωρευτές ισούται με 45 Αh * 12 V * 16 modules, δηλαδή 8,640 kwh. Συγκεκριμένα, για την εφαρμογή μας το ρεύμα που απαιτείται από τις μπαταρίες για να λειτουργήσει ο κινητήρας σε ονομαστική ισχύ (στη λειτουργία S1) εκτιμήθηκε στα 111Α, τιμή την οποία μπορούν να δώσουν οι μπαταρίες για περίπου 8 λεπτά σύμφωνα με το συνοδευτικό τους ενημερωτικό έγγραφο. Εικόνα 6.25 Χαρακτηριστική του χρόνου εκφόρτισης του συσσωρευτή συναρτήσει του ρεύματος [43]

106 Στη χαρακτηριστική της εικόνας 6.25 φαίνεται ότι ο χρόνος εκφόρτισης της μπαταρίας είναι αντιστρόφως ανάλογος του ρεύματος εκφόρτισης. Η διάρκεια εκφόρτισης των μπαταριών σε αυτή την τιμή ρεύματος θεωρήθηκε επαρκής χαρίζοντας του σημαντική αυτονομία κίνησης μόνο μέσω του ηλεκτροκινητήρα, για τα δεδομένα των υβριδικών οχημάτων. Αυτά τα χαρακτηριστικά προσφέρουν σχετικά ικανοποιητική ειδική ενέργεια, ειδική ισχύ και ενεργειακή πυκνότητα. Τέλος, οι μπαταρίες χαρακτηρίζονται από χαμηλό ρυθμό αυτοεκφόρτισης της τάξεως του 9% για τρεις μήνες χωρίς φόρτιση. Εικόνα 6.26 Συσσωρευτές 6.8 Γενική περιγραφή της λειτουργίας των ηλεκτρονικών συστημάτων του αυτοκινήτου Το σύστημα πρόωσης του πειραματικού οχήματος αποτελείται από το βενζινοκινητήρα, τον ηλεκτροκινητήρα, τις μπαταρίες και τους κατάλληλους ηλεκτρονικούς μετατροπείς για τη διαχείριση της ενέργειας. Σκοπός του όλου εγχειρήματος είναι η δημιουργία ενός ήπιου υβριδικού, το οποίο θα μπορεί να κινείται από στάση αποκλειστικά ηλεκτρικά. Ο ηλεκτροκινητήρας θα συμβάλλει στην επιτάχυνση του οχήματος υποβοηθώντας τη ΜΕΚ και θα επιστρέφει ενέργεια στις μπαταρίες λειτουργώντας σα γεννήτρια μέσω της ενεργειακής πέδησης. Η λογική της λειτουργίας είναι ότι η συνεχής τάση των μπαταριών μετατρέπεται μέσω ενός τριφασικού αντιστροφέα ισχύος σε εναλλασσόμενη για να τροφοδοτήσει τον κινητήρα κατά τη φάση της επιτάχυνσης του οχήματος.

107 Γνωρίζουμε ότι η πολική τάση για τη λειτουργία του κινητήρα στην ονομαστική ισχύ των 14 kw είναι τα 265 V. Ο τριφασικός αντιστροφέας, για να έχει ως τάση εξόδου τα 265 V, θα πρέπει να δέχεται τάση εισόδου 380 V με την εκμετάλλευση ανώτερων αρμονικών. H τάση εισόδου του αντιστροφέα παρέχεται από τους συσσωρευτές. Για να επιτευχθεί αυτό το επίπεδο τάσης, θα απαιτούνταν διπλάσιος αριθμός μπαταριών με δυσάρεστες συνέπειες στο βάρος, την οδική συμπεριφορά και την κατανάλωση του οχήματος. Ορίστηκαν, λοιπόν, τα 192 V ως επίπεδο τάσης των μπαταριών και χρησιμοποιήθηκε η διάταξη του μετατροπέα συνεχούς σε συνεχή τάση (Βοοst converter), με στόχο την ανύψωση της τάσης στα 380 V. Αντίστοιχα, κατά τη φάση της ανάκτησης ενέργειας, η ισχύς επιστρέφει μέσω του τριφασικού αντιστροφέα ισχύος και των μετατροπέων ανύψωσης τάσης στους συσσωρευτές. Τώρα, η τάση στα άκρα της γεννήτριας κινητήρα πρέπει να ρυθμιστεί στα 192 V, ώστε να φορτιστούν οι μπαταρίες. Οι παράλληλοι μετατροπείς ανύψωσης τάσης λειτουργούν σε αυτή τη φάση ως μετατροπείς υποβιβασμού συνεχούς σε συνεχή τάση (Buck converters). Kατ αυτόν τον τρόπο, ο μετατροπέας, που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο εργαστήριο, είναι αμφικατευθυντήριος μετατροπέας συνεχούς σε συνεχή τάση (bidirectional Boost / Buck converters). H ακριβής ανάλυση της λειτουργίας του και η περιγραφή της κατασκευής του, όπως και για τον τριφασικό αντιστροφέα ισχύος, αναλύεται σε επόμενα κεφάλαια. Εικόνα 6.27 Διάγραμμα ενεργειακής διαχείρισης του συστήματος πρόωσης Στην εικόνα 6.27 παρατηρούμε με το κόκκινο βελάκι την πορεία της ενέργειας κατά τη λειτουργία της ηλεκτρικής μηχανής ως κινητήρας, ενώ με μπλε κατά τη λειτουργία της ως γεννήτρια στη φάση της ανάκτησης ενέργειας. Ακολουθούν οι υπολογισμοί της ροής ισχύος σε όλη τη διαδρομής της. Έχοντας ως δεδομένο ότι ο κινητήρας αποδίδει μηχανική ισχύ στο δρομέα ίση με P mech = 14 kw συνεχίζουμε:

108 Η παρεχόμενη στον κινητήρα ενεργός ισχύς P e ισούται με: P e = 3 * V π * Ι * cosφ = 3 * 265 V * 46 A * 0,82 = 17,313 kw Ο συντελεστής απόδοσης του κινητήρα είναι n m = P mech / P e = / = 0,81 Με την προϋπόθεση ότι ο συντελεστής απόδοσης του αντιστροφέα στη λειτουργία με ονομαστική ισχύ είναι περίπου n inv = 0,9 έχουμε: P in,inv = P e / n inv = 19,2 kw, όπου P in,inv η μέση ισχύς στην είσοδο του αντιστροφέα. Το ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα συμβολίζεται ως I in,inv. P in,inv = V out,boost * I in,inv <=> I in,inv = P in,inv / V out,boost = 19,2 kw / 380 V = 50,5 A Η τιμή της τάσης εξόδου του αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή στη λειτουργία ανύψωσης της τάσης αγγίζει τα 400 V. Λαμβάνοντας ως δεδομένο ότι ο συντελεστής απόδοσης του μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή είναι n boost = 0,9 προκύπτει: P in,boost = P out,bat = P in,inv / n boost = 21,333 kw I in,boost = I out,bat = P out,bat / V bat = W / 192 V = 111 Α δηλαδή η ισχύς εισόδου του αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή είναι 21,333 kw και, αντίστοιχα, το ρεύμα εισόδου 111 Α. 6.9 Η λειτουργία του αυτοκινήτου Ο οδηγός ξεκινά από στάση μόνο με τον ηλεκτροκινητήρα μέσω του περιστροφικού ποτενσιόμετρου, με το βενζινοκινητήρα ενεργό και με νεκρά στο κιβώτιο ταχυτήτων. Είναι απαραίτητη η εκκίνηση του βενζινοκινητήρα, ώστε να λειτουργούν η υδραυλική πέδηση και η υδραυλική υποβοήθηση του συστήματος διεύθυνσης. Ο ηλεκτροκινητήρας με την υψηλή τιμή ροπής του απαλλάσσει το βενζινοκινητήρα από την ενεργοβόρα εκκίνηση του οχήματος. Όταν το αυτοκίνητο αποκτήσει μία μικρή ταχύτητα, γίνεται σύμπλεξη και της Μ.Ε.Κ μέσω του κιβωτίου, ο οδηγός βάζει σχέση στο κιβώτιο ταχυτήτων ανάλογα με την ταχύτητα με την οποία κινείται και η κίνηση επιτυγχάνεται πλέον μόνο από το βενζινοκινητήρα. Μόλις ο οδηγός κρίνει ότι χρειάζεται να επιταχύνει έντονα, δίνει σήμα μέσω του ποτενσιόμετρου κι εκκινεί τον ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος υποβοηθά τη ΜΕΚ. Καθώς στην κίνηση του οχήματος συμβάλλει ο ηλεκτρικός κινητήρας, αν ο οδηγός επιχειρήσει να μειώσει τις στροφές του ηλεκτρικού κινητήρα μέσω του ποτενσιόμετρου, ο ηλεκτρικός κινητήρας λειτουργεί αυτόματα ως γεννήτρια κι επιστρέφει ενέργεια στις μπαταρίες, συμβάλλοντας και στο φρενάρισμα (αναγεννητική πέδηση) του αυτοκινήτου και αναλαμβάνοντας ένα μέρος του φορτίου των φρένων.

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Σχεδιασμός και κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα ισχύος [24],[49] 7.1 Θεωρητική ανάλυση τριφασικού αντιστροφέα ισχύος Το γεγονός ότι η πηγή ενέργειας (μπαταρίες) του οχήματος παρέχει συνεχή τάση στον κινητήρα, ο οποίος, αντιθέτως, είναι τριφασικός εναλλασσόμενος οδηγεί στη χρήση του τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Ουσιαστικά, πρόκειται για έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα, ο οποίος έχει ως είσοδο συνεχή τάση και ως έξοδο τριφασική εναλλασσόμενη. Eικόνα 7.1 Τοπολογία τριφασικού αντιστροφέα ισχύος Στην εικόνα παρατηρεί κανείς την τριφασική γέφυρα, η οποία παρεμβάλλεται μεταξύ της πηγής συνεχούς τάσεως και του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα. Αποτελείται από τρεις κλάδους, εκ των οποίων ο καθένας έχει από δύο ημιαγωγικούς διακόπτες και κάθε διακόπτης διαθέτει αντιπαράλληλη δίοδο. Είναι πιθανό, οι διακόπτες κάθε κλάδου μαζί με τις αντιπαράλληλες διόδους τους να περιλαμβάνονται σε ένα στοιχείο (module). Οι τρεις επάνω διακόπτες χρειάζονται ώστε το ρεύμα να οδηγηθεί στο φορτίο, ενώ οι τρεις κάτω για να επιστρέψει στην πηγή. Η κατάλληλη επιλογή της

110 αγωγής κάθε διακόπτη έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή ημιτονοειδούς τάσης στην έξοδο του κυκλώματος οδήγησης. Eικόνα 7.2 Χαρακτηριστικές καμπύλες τριφασικού αντιστροφέα ισχύος [24] Στην εικόνα διακρίνονται οι τάσεις σε κάθε φάση του κινητήρα (V a, V b, V c ) και η πολική τάση V ab μεταξύ των φάσεων a, b. Η αύξουσα παρυφή στις φασικές τάσεις συμβαίνει όταν ο ημιαγωγικός διακόπτης άγει. Παρατηρείται ότι η βασική αρμονική της πολικής τάσης έχει ημιτονοειδή μορφή. O τριφασικός αντιστροφέας, γενικότερα, αποτελείται από δύο βασικά τμήματα: το κύκλωμα υψηλής τάσης και το κύκλωμα χαμηλής τάσης κύκλωμα ελέγχου. Το κύκλωμα υψηλής τάσης, ή αλλιώς κύκλωμα ισχύος, αποτελείται, κυρίως, από τους ημιαγωγικούς διακόπτες και την ψύκτρα στην οποία προσαρμόζονται, καθώς και τις κατάλληλες καλωδιώσεις. Το κύκλωμα χαμηλής τάσης είναι η πλακέτα παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων. Τέλος, υπάρχει, απαραιτήτως, κύκλωμα προστασίας για να εξασφαλίζεται η ασφαλής λειτουργία του συστήματος. 7.2 Τριφασικός αντιστροφέας του οχήματος Σχεδιασμός του τριφασικού αντιστροφέα Ο σχεδιασμός της πλακέτας του τριφασικού αντιστροφέα έγινε στο λογισμικό Altium Designer DXP.

111 Ημιαγωγικοί διακόπτες Η επιλογή του είδους των ημιαγωγικών στοιχείων και εν συνεχεία των χαρακτηριστικών λειτουργίας τους είναι ζήτημα πρωταρχικής σημασίας για τον τριφασικό αντιστροφέα. Η ισχύς του τριφασικού αντιστροφέα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική ισχύ του κινητήρα (14 kw). Επιπλέον, η διακοπτική συχνότητα του επιλέχτηκε να είναι 20 khz. Με αυτή την τιμή της συχνότητας αποφεύγεται ο θόρυβος στο ανθρώπινο αυτί (ακουστική συχνότητα 20 Hz 20 khz). Επιπλέον, μετατοπίζονται οι ανώτερες αρμονικές σε υψηλότερες συχνότητες, αποφεύγοντας αυτές κοντά στην πρώτη αρμονική, οι οποίες έχουν μεγάλο πλάτος. Τα υποψήφια είδη ημιαγωγικών στοιχείων είναι τα θυρίστορς, τα MOSFET, τα IGBTs, τα GTOs και τα BJTs. Αρχίζοντας από τα θυρίστορς πρέπει να αναφέρουμε ότι είναι τα στοιχεία με τη μεγαλύτερη ανοχή σε υψηλά ρεύματα και τάσεις. Σημαντικό μειονέκτημα τους είναι η σβέση τους, η οποία γίνεται μόνο μέσω εξαναγκασμένου κυκλώματος καθιστώντας τα θυρίστορς ανίκανα να λειτουργήσουν σε υψηλές διακοπτικές συχνότητες. Αντιθέτως, τα GTOs (Gate Turn-off Thryristor) έχουν τη δυνατότητα να διακόψουν την αγωγή του ρεύματος μέσω αρνητικού παλμού, ενώ διατηρούν το χαρακτηριστικό της στιβαρότητας των θυρίστορς. Ως σοβαρά μειονεκτήματα τονίζονται η ανικανότητα του να λειτουργήσει σε επίπεδα διακοπτικών συχνοτήτων της τάξεως των μερικών δεκάδων khz κι ότι ο αρνητικός παλμός σβέσης έχει πολύ υψηλή τιμή, ίση με το ¼ του κυρίου ρεύματος παρουσιάζοντας σημαντική κατανάλωση. Επιπλέον, παρουσιάζει κατά τη σβέση «ουρά» στην κυματομορφή του ρεύματος καθυστερώντας να σβήσει και αυξάνοντας τις διακοπτικές απώλειες. Αποκλείοντας τα δύο παραπάνω είδη ημιαγωγικών στοιχείων συνεχίζουμε με την τεχνολογία των τρανζίστορς και τα BJTs (Bipolar Junction Transistor). Τα στοιχεία αυτά έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν σε ιδιαίτερα υψηλές συχνότητες. Δεν είναι, όμως, στιβαρά και κρίνονται ακατάλληλα για το επίπεδο ισχύος του συγκεκριμένου αντιστροφέα. Επιπλέον, έχουν υψηλές απώλειες αγωγής, ενώ ο παραλληλισμός των στοιχείων, αναγκαίος στον αντιστροφέα, είναι δύσκολος και μπορεί να προκαλέσει την καταστροφή τους. Συγκεκριμένα, ακόμη και τα στοιχεία της ίδιας σειράς παραγωγής είναι δυνατόν να έχουν λίγο διαφορετικά χαρακτηριστικά εξαιτίας διαφορετικών προσμίξεων. Αυτό σημαίνει ότι σε ένα στοιχείο μπορεί να διαρρεύσει ρεύμα μεγαλύτερης τιμής με αποτέλεσμα να αυξηθεί η θερμοκρασία του. Έχοντας ως δεδομένο ότι η αγωγιμότητα του BJT είναι ανάλογη της θερμοκρασίας του (αρνητικός θερμοκρασιακός συντελεστής), η διέλευση ολοένα και ισχυρότερου ρεύματος θα έχει ως αποτέλεσμα την καταστροφή του στοιχείου. Συνεπώς, χρειάζεται έλεγχος του ρεύματος κάθε κλάδου. Συνεχίζοντας με τα MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) πρέπει να πούμε ότι είναι πιο στιβαρά από τα BJTs, ενώ κι αυτά μπορούν

112 να λειτουργούν σε πολύ υψηλές συχνότητες. Επιπλέον, έχουν λιγότερες απώλειες αγωγής συγκριτικά με τα BJTs. Επιπλέον, έχουν μικρότερες απώλειες αγωγής, ενώ ο παραλληλισμός τους γίνεται ευκολότερα (θετικός θερμοκρασιακός συντελεστής). Όμως, πάλι, η μέγιστη τάση αποκοπής και το μέγιστο ρεύμα διέλευσης έχουν τιμές οριακές για το συγκεκριμένο αντιστροφέα. Η τελική επιλογή είναι τα ΙGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Tα IGBTs, όπως τα MOSFETs, έχουν χαμηλές απώλειες αγωγής, παραλληλίζονται εύκολα (θετικός θερμοκρασιακός συντελεστής κατά τη διέλευση υψηλών ρευμάτων), ενώ κι η διακοπτική τους συχνότητα επιτρέπει τη χρήση τους στη συγκεκριμένη εφαρμογή. Σημαντική είναι η ανοχή τους σε υψηλές τάσεις και ρεύματα, μεγαλύτερη από αυτή των MOSFETs και των BJTs. Εικόνα 7.3 Σύγκριση ημιαγωγικών διακοπτών [24] Στο σχήμα φαίνεται χαρακτηριστικά η αντοχή των MOSFETs, IGBTs, GTOs και θυρίστορς σε τάση, ρεύμα αλλά και η μέγιστη διακοπτική συχνότητα καθενός. Τα στοιχεία IGBTs,τα οποία επιλέξαμε, είναι τα MID A3 της εταιρίας IXYS. Πρόκειται για τρία ΙGBT Modules, δηλαδή για στοιχεία το καθένα εκ των οποίων περιέχει δύο ημιαγωγικούς διακόπτες με τις αντιπαράλληλες διόδους τους. Kάθε μονάδα module αποτελεί έναν κλάδο του αντιστροφέα. Η αντοχή τους σε τάση αποκοπής είναι V CE = 1200 V, ενώ το ρεύμα διέλευσης είναι I ce = 160 Α. Η πτώση τάσης κατά την αγωγή του κάθε διακόπτη είναι V CEsat = 2,2 V. Το βάρος κάθε module είναι 130 g. O χρόνος, ο οποίος απαιτείται για να αρχίσει να άγει ο

113 διακόπτης είναι t d(on) + t rise = 100 ns +60 ns = 160 ns, ενώ ο αντίστοιχος χρόνος για να σβήσει είναι t d(off) + t fall = 600 ns + 90 ns = 690 ns. Οι μετρήσεις έχουν γίνει με επαγωγικό φορτίο. Ως νεκρό χρόνο χαρακτηρίζουμε το άθροισμα του χρόνου έναυσης και σβέσης του στοιχείου και ισούται με 850 ns. Η τιμή αυτή λήφθηκε υπόψη στην παλμοδότηση των στοιχείων. Εικόνα 7.4 Κύκλωμα ΙGBT module και όψη του στοιχείου Στην εικόνα φαίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα του IGBT Module και η εξωτερική του όψη. Διακρίνονται με τους αριθμούς 1, 2 οι ακροδέκτες της σύνδεσης του στοιχείου με την πηγή της συνεχούς τάσης, ενώ με τον αριθμό 3 παριστάνεται η έξοδος του με την εναλλασσόμενη τάση. Οι ακροδέκτες 4, 5 χρησιμοποιούνται για την παλμοδότηση του κάτω διακόπτη, ενώ οι 6, 7 για το επάνω στοιχείο αντίστοιχα Απαγωγή της θερμότητας των ημιαγωγικών στοιχείων Η αγωγή υψηλών ρευμάτων μέσω των διακοπτικών στοιχείων έχει ως αποτέλεσμα την ύπαρξη απωλειών αγωγής καθώς και διακοπτικών απωλειών, οι οποίες οδηγούν στην παραγωγή θερμότητας και στην αύξηση της θερμοκρασίας των στοιχείων. Απαιτείται, λοιπόν, η χρήση συστήματος ψύξης ώστε να απάγεται η θερμότητα και να διατηρείται η θερμοκρασία σε επίπεδα χαμηλότερα από τη θερμοκρασία Curie ( 0 C), τιμή όπου το πυρίτιο χάνει τις ιδιότητες του. Το σύστημα ψύξης αποτελείται από την ψύκτρα. Η ψύκτρα είναι κατασκευασμένη από κράμα αλουμινίου, το οποίο είναι ιδιαίτερα αγώγιμο θερμικά. Επιπλέον, διαθέτει πολλές πτυχώσεις (φτερά) στο σώμα της, ώστε να αυξάνεται η επιφάνεια της, η οποία έρχεται σε επαφή με τον αέρα. Με τον τρόπο αυτό βελτιώνεται η απομάκρυνση της θερμότητας από τα στοιχεία. Τα χαρακτηριστικά της ψύκτρας υπολογίστηκαν λεπτομερώς, ώστε να γίνει η σωστή επιλογή.

114 Εικόνα 7.5 Κύκλωμα υψηλής τάσης του τριφασικού αντιστροφέα ισχύος Στη φωτογραφία βλέπει κανείς την ψύκτρα, τα τρία modules προσαρμοσμένα στο πάνω μέρος της ψύκτρας, τις κατάλληλες καλωδιώσεις και τους δύο προσαρμοσμένους ανεμιστήρες βιδωμένους στα δύο άκρα της ψύκτρας. Η ψύκτρα, η οποία επιλέχθηκε είναι η P3 της εταιρίας SEMIKROΝ,έχει διαστάσεις 18,5 * 12,5 * 13,5 (σε cm) και ζυγίζει 3,1 kg. Τα στοιχεία είναι βιδωμένα στο ψυκτικό σώμα, ενώ ενδιάμεσα έχει επαλειφτεί θερμοαγώγιμη πάστα για τη βέλτιστη μεταφορά της θερμότητας από τα modules στο σώμα. Οι ανεμιστήρες κρίθηκαν αναγκαίοι μέσω των υπολογισμών που πραγματοποιήθηκαν για την εύρεση του κατάλληλου ψυκτικού συστήματος. Καθένας έχει ισχύ 6 W και τροφοδοτείται με συνεχή τάση 12 V και ρεύμα 0,5 Α, ενώ το μήκος κάθε πλευράς του είναι 12 cm. Η μαθηματική σχέση για την επιλογή του ψυκτικού συστήματος είναι η εξής: Θ sa = (T j - T a ) / Q ( Θ jc + Θ cs ) (σχέση 7.1), όπου Θ sa : η θερμική αντίσταση του ψυκτικού συστήματος T j : η μέγιστη θερμοκρασία ορθής λειτουργίας της επαφής στο εσωτερικό του στοιχείου Τ a : η θερμοκρασία του ρευστού ψύξης το οποίο περιβάλλει το ψυκτικό σώμα ( ο αέρας στη συγκεκριμένη περίπτωση) Q : η παραγόμενη θερμότητα

115 Θ jc : η θερμική αντίσταση μεταξύ της επαφής στο εσωτερικό του στοιχείου και της θήκης που το περιέχει Θ cs : η θερμική αντίσταση μεταξύ θήκης και ψύκτρας Ο όρος θερμική αντίσταση μετριέται σε 0 C / W κι εννοείται ότι για κάθε Watt απωλειών το δεδομένο ψυκτικό σώμα αυξάνει τη θερμοκρασία του κατά 1 0 C. Συνεπώς, όσο χαμηλότερη είναι η θερμική αντίσταση τόσο αποδοτικότερο είναι το ψυκτικό σώμα. Για να προχωρήσουμε στους υπολογισμούς πρέπει να κάνουμε τις εξής παραδοχές: 1) η T j του στοιχείου είναι C 2) η Τ a μπορεί να αγγίξει τους 40 0 C (δυσμενείς συνθήκες) 3) η Θ cs είναι η θερμική αντίσταση της θερμοαγώγιμης πάστας και ισούται με 1,74 0 C / W για το υλικό πάστας που χρησιμοποιήσαμε (Silicon rubber) 4) η Θ jc βρίσκεται από τα στοιχεία των ημιαγωγικών διακοπτών κι έχει την τιμή 0,18 0 C / W. Η παραγόμενη θερμότητα Q υπολογίζεται ως το άθροισμα των διακοπτικών απωλειών και των απωλειών αγωγής του ενός module. Έχουμε: Q = P on + P sw, όπου P on : οι απώλειες αγωγής P sw : οι διακοπτικές απώλειες P on = V CEsat * I N = 2,2 V * 46 A = 101,2 W, όπου Ι N το ονομαστικό ρεύμα του κινητήρα. P sw = (Ε οn + E off ) * f sw = 20 mj * 20 khz = 400 W, όπου Ε οn, E off οι απώλειες ενέργειας στην έναυση και τη σβέση του στοιχείου στη μονάδα του χρόνου και f sw η διακοπτική συχνότητα του αντιστροφέα. Άρα, η παραγόμενη θερμότητα είναι Q = 501,2 W Αντικαθιστώντας στη σχέση 8.1 προκύπτει: Θ sa = - 1,78 0 C / W Η αρνητική θερμική αντίσταση που βρέθηκε υποδεικνύει ότι απαιτείται πρόσθετη ψύξη. Αποφασίστηκε ότι θα προστεθούν δύο ανεμιστήρες στο ψυκτικό σύστημα, εκτός της ψύκτρας. Η επιλογή της ψύκτρας έγινε με βάση τη χαμηλή της θερμική αντίσταση, μόλις 0,48 0 C / W αλλά και της δυνατότητας προσαρμογής ανεμιστήρων στο σώμα της.

116 Καλωδιώσεις κυκλώματος υψηλής τάσης Οι αγωγοί σύνδεσης της εξόδου των συσσωρευτών με την είσοδο του τριφασικού αντιστροφέα έχουν διατομή 50 mm 2. Οι κόσες, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για να δεθούν οι αγωγοί στα άκρα τους είναι Η σύνδεση των στοιχείων μεταξύ τους έγινε με μπάρες χαλκού. Οι μπάρες χαλκού παρέχουν μεγαλύτερη ασφάλεια σε υψηλά ρεύματα, ενώ οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους, όταν διαρρέονται από ρεύμα, δεν τις κινούν όπως θα έκαναν με τα καλώδια. Oι αγωγοί της τριφασικής εξόδου του μετατροπέα έχουν διατομή 16 mm 2 και προσαρμόζονται κι αυτοί με κόσες Σε κάθε κλάδο του αντιστροφέα, παράλληλα σε κάθε module, συνδέονται δύο ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές σε σειρά μεταξύ τους, χωρητικότητας 1,5 mf, ώστε να απορροφούν τις υπερτάσεις από το σβήσιμο των στοιχείων και τις ανώτερες αρμονικές του ρεύματος. Επίσης στην είσοδο του αντιστροφέα συνδέονται τέσσερεις παράλληλοι κλάδοι (Εικόνα 7.7) με δύο ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές χωρητικότητας 1,5 mf και τάσης 350 V σε σειρά σε κάθε κλάδο. H διάταξη αυτή συντελεί στη σταθεροποίηση της τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα. Στη φωτογραφία 7.6 φαίνονται οι μπλε πυκνωτές στο πάνω μέρος του κυκλώματος ισχύος. Εικόνα 7.6 Κύκλωμα υψηλής τάσης τριφασικού αντιστροφέα

117 Κύκλωμα προστασίας Εικόνα 7.7 Πυκνωτές στην είσοδο του αντιστροφέα Στην είσοδο του αντιστροφέα έχει συνδεθεί σε σειρά ένας τριφασικός διακόπτης των 160 Α (Εικόνα 7.8 ) και 650 V, του οποίου χρησιμοποιείται μόνο η μία φάση, μία μαχαιρωτή ασφάλεια των 125 Α (Εικόνα 7.9) και μία ασφάλεια υπερταχείας τήξεως των 125 Α. Επιπλέον, έχει οριστεί από το πρόγραμμα η έναυση και των τριών κάτω διακοπτών σε περίπτωση υψηλής τιμής ρεύματος.

118 Εικόνα 7.8 Τριφασικός διακόπτης Εικόνα 7.9 Μαχαιρωτή ασφάλεια Ηλεκτρονικό κύκλωμα χαμηλής τάσης Κύκλωμα ελέγχου τριφασικού αντιστροφέα ισχύος Γενική περιγραφή πλακέτας παλμοδότησης Το κύκλωμα ελέγχου είναι η πλακέτα παλμοδότησης του τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Η πλακέτα αποτελείται από:

119 ) το κύκλωμα παλμοδότησης των ημιαγωγικών διακοπτών 2) το κύκλωμα λήψης των μετρήσεων, οι οποίες προσφέρουν τα στοιχεία για την πραγματοποίηση του ελέγχου του κινητήρα 3) το κύκλωμα επεξεργασίας των μετρήσεων για τη λήψη των κατάλληλων αποφάσεων για τον έλεγχο του κινητήρα Εικόνα 7.10 Πλακέτα παλμοδότησης τριφασικού αντιστροφέα ισχύος Η τροφοδοσία όλων των στοιχείων της πλακέτας γίνεται από τα κατάλληλα τροφοδοτικά, τα οποία κατασκευάστηκαν γι αυτό το σκοπό στο εργαστήριο Κύκλωμα παλμοδότησης των ημιαγωγικών διακοπτών Στο δεξί μέρος της πλακέτας παλμοδότησης (εικόνα 7.10), διακρίνουμε το κύκλωμα παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων. Το κύκλωμα παλμοδότησης αναλαμβάνει τη λήψη του σήματος από τον επεξεργαστή και την κατάλληλη προσαρμογή του ώστε να φτάσει στις πύλες των διακοπτικών στοιχείων Οπτική απομόνωση μέσω οπτοζευκτών Αρχικά, το κύκλωμα παλμοδότησης πρέπει να έχει γαλβανική απομόνωση από την υπόλοιπη πλακέτα για να αποφευχθεί η βλάβη του μικροελεγκτή από τυχόν σφάλματα. Αυτό επιτυγχάνεται με τους οπτοζεύκτες (optocouplers). Στο εσωτερικό τους υπάρχει μία φωτοδίοδος, η οποία δέχεται ένα ηλεκτρικό σήμα και το μεταφέρει οπτικά σε ένα φωτοτρανζίστορ. Στη συγκεκριμένη περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν τα

120 ολοκληρωμένα 6Ν137 της εταιρίας FAIRCHILD. Ο κάθε 6Ν137 έχει μία μόνο έξοδο γι αυτό χρησιμοποιήθηκαν έξι, ώστε να αντιστοιχεί ένας για κάθε IGBT. Ένας, ακόμη, χρειάστηκε, ώστε σε περίπτωση σφάλματος να στείλει σήμα Shut Down (SD) στους οδηγούς παλμών και να διακόψει τη λειτουργία τους. Κατά τη διαδικασία της μετάδοσης του σήματος, η κατάσταση του αντιστρέφεται. Είναι αναγκαία η χρήση πυλών ΝΟΤ πριν τους οπτοζεύκτες. Η τροφοδοσία του γίνεται από τη πλευρά του φωτοτρανζίστορ δέκτη στους ακροδέκτες 5, 8 και είναι 5 V. Παράλληλα στην τροφοδοσία συνδέεται ένας πυκνωτής χωρητικότητας 0,1 μf για την σταθεροποίηση της τάσης. Αυτή η τακτική ακολουθείται στην τροφοδοσία κάθε ολοκληρωμένου. Σχήμα 7.1 Σχηματικό διάγραμμα οπτοζεύκτη Το σήμα εισόδου περνάει μέσω μίας αντίστασης 270 Ω για τον περιορισμό του ρεύματος. Η αντίσταση του 1 kω στην έξοδο μετατρέπει το σήμα ρεύματος σε σήμα τάσης Αντιστροφείς Πύλες ΝΟΤ Το σήμα, το οποίο έρχεται από τον μικροελεγκτή, αντιστρέφεται στον οπτοζεύκτη με αποτέλεσμα να φτάνει στον οδηγό αντεστραμμένο. Για την αποφυγή αυτής της κατάστασης συνδέεται πριν τον οπτοζεύκτη μία πύλη NOT, η οποία ταυτόχρονα ενισχύει και το σήμα. Χρησιμοποιήθηκαν δύο ολοκληρωμένα 74HC04. Σχήμα 7.2 Σχηματικό πύλης NOT

121 H πύλη αυτή τροφοδοτείται με 5 V κι έχει διαφορετική τροφοδοσία από τους οδηγούς και τους οπτοζεύκτες Οδηγοί ημιαγωγικών διακοπτών Η παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων γίνεται μέσω των οδηγών παλμών. Οι οδηγοί παλμών φορτίζουν τις πύλες των IGBTs κάνοντας τα στοιχεία αγώγιμα. Στην πλακέτα έγινε χρήση των οδηγών IR2213 της εταιρίας INTERNATIONAL RECTIFIER. Κάθε ολοκληρωμένο έχει δύο εξόδους και συνδέεται με ένα Module. Σχήμα 7.3 Σχηματικό διάγραμμα οδηγών παλμών Στην εικόνα φαίνεται ο οδηγός IR, ο οποίος συνδέεται με τα στοιχεία (ΙGBTa H, IGBTa L) ενός Module. Η τροφοδοσία του είναι κοινή με του 6Ν137. Η φόρτιση των πυλών των δύο στοιχείων γίνεται μέσω της τεχνικής bootstrap. Συγκεκριμένα, ενώ η οδήγηση του κάτω στοιχείου γίνεται απευθείας από τον οδηγό, η οδήγηση του πάνω γίνεται μέσω ενός κυκλώματος μίας διόδου και μίας αντίστασης, R bootstrap = 1,3 Ω, το οποίο φορτίζει έναν πυκνωτή 30 μf. Η φόρτιση του πυκνωτή αυτού προϋποθέτει να άγει το κάτω στοιχείο. Ο πυκνωτής φορτίζεται στην τάση των 15 V και με τη σειρά του εκφορτίζεται στην πύλη του πάνω στοιχείου. Η διαφορά δυναμικού που χρειάζονται μεταξύ πύλης και εκπομπού τα συγκεκριμένα IGBTs για να άγουν είναι 15 V. H φόρτιση των πυλών γίνεται μέσω μίας αντίστασης 10 Ω.

122 Εικόνα 7.11 Κύκλωμα φόρτισης πυκνωτή bootstrap Ακολουθούν οι υπολογισμοί της χωρητικότητας του πυκνωτή bootstrap. Για τη χωρητικότητα C του πυκνωτή ισχύει: C 2 * [2 * Q G + I QBS(max) * t on + Q LS + I CBS(leak) * t on ] / (V CC V diode V LS V min ) (σχέση 7.2) όπου, t on = 1 / f = 1 / 20 khz = 50 * 10-6 sec, η περίοδος λειτουργίας Q LS = 20 * 10-9 C I QBSmax = 230 * 10-6 A I CBSleak = 50 * 10-6 A Q G = 1 μc, το φορτίο στην πύλη V CC = 15 V, η τάση φόρτισης του πυκνωτή V LS = V Rbootstrap + V CEsat(IGBT) = 2,5 V, πτώση τάσης κατά τη φόρτιση του πυκνωτή V min = 11,3 V, ελάχιστη τάση φόρτισης του πυκνωτή Από τη σχέση 7.2, αντικαθιστώντας τις τιμές των παραπάνω μεγεθών προκύπτει: C = 8,096 μf. Λαμβάνοντας υπόψη ένα περιθώριο ασφαλείας η χωρητικότητα του πυκνωτή bootstrap γίνεται: C = 4 * 8,096 μf = 30 μf Για τον υπολογισμό της αντίστασης φόρτισης του πυκνωτή: V LS = R DS * I o R DS = V LS / I o = 2,5 V / 300 ma = 8,3 Ω R DS = R bootstrap + R CEsat = 8,3 Ω

123 V CEsat = I o * R CEsat R CE = 2,15 V / 0,3 A = 7 Ω Άρα προκύπτει: R bootstrap = 1,3 Ω Επιπλέον, προβλέφθηκε κύκλωμα προστασίας των στοιχείων από τάσεις παλμοδότησης μεγαλύτερες από 16 V. Αυτό γίνεται μέσω μίας διόδου Zener 16 V και μίας αντίστασης 200 Ω (για την προστασία της διόδου), οι οποίες συνδέονται μεταξύ της γραμμής που οδηγεί στην πύλη και της γης. Προστασία παρέχεται και στην περίπτωση επιστροφής ρεύματος στον οδηγό μέσω μίας διόδου σε σειρά με μία αντίσταση 1,8 Ω. Τέλος, στον ακροδέκτη 11 λαμβάνεται το σήμα SD Κύκλωμα λήψης των μετρήσεων Η εύρυθμη λειτουργία της τεχνικής ελέγχου του κινητήρα που εφαρμόστηκε, η οποία λέγεται άμεσος έλεγχος ροπής, προϋποθέτει τη μέτρηση των ρευμάτων δύο φάσεων του κινητήρα και της συνεχούς τάσης τροφοδοσίας. Επιπλέον, λαμβάνονται μετρήσεις του αριθμού στροφών του κινητήρα με το στροφόμετρο. Τα σήματα, τα οποία προκύπτουν από τις μετρήσεις, προσαρμόζονται και ενισχύονται για να καταστούν έτοιμα προς επεξεργασία από τον μικροελεγκτή. Μετρητικό τάσης: Το μετρητικό τάσης λέγεται LV 25 P και τροφοδοτείται με τάση +/- 15 V. Λειτουργεί ως μετασχηματιστής σύμφωνα με το φαινόμενο Hall. Δέχεται στην είσοδο ρεύμα, το οποίο δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10 ma και δίνει στην έξοδο ρεύμα με λόγο μετασχηματισμού 2500 : Μπορεί να μετρήσει από 10 έως 500 V. To ρεύμα ρυθμίζεται σε επίπεδο χαμηλότερο των 10 ma με τις κατάλληλες αντιστάσεις στην είσοδο του μετρητικού. Συγκεκριμένα, για τάση εισόδου 400 V (έξοδος του bidirectional Boost / Buck converter), χρειάζεται αντίσταση 40 kω. Επειδή, όμως, μέσω μόνο μίας αντίστασης δεν είναι δυνατόν να περάσει τόση ισχύς, συνδέουμε σε σειρά 5 αντιστάσεις των 10 kω έκαστη και με αντοχή σε ισχύ ίση με 5 W. Οι αντιστάσεις ισχύος των 10 kω ήταν οι μόνες διαθέσιμες στο εργαστήριο. Το σήμα ρεύματος στην έξοδο του μετρητικού μετατρέπεται σε σήμα τάσης συνδέοντας μία αντίσταση σε σειρά, η οποία πρέπει να έχει τιμή από 100 έως 350 Ω. H έξοδος του μετρητικού, μετά τη διαμόρφωση της, οδηγείται σε έναν ενισχυτή σήματος, το ολοκληρωμένο AD622, το οποίο έχει τροφοδοσία +/- 15 V. Στην έξοδο του ενισχυτή έχει συνδεθεί παράλληλα μία δίοδος Zener 5,1 V, η οποία εξασφαλίζει ότι δε θα φτάσει στην αναλογική είσοδο του μικροελεγκτή τάση υψηλότερη από 5 V. Η θύρα του μικροελεγκτή το μετατρέπει σε ψηφιακό σήμα.

124 Εικόνα 7.4 Σχηματικό κυκλώματος μετρητικού τάσης Μετρητικά ρεύματος: Χρησιμοποιήθηκαν δύο ίδια μετρητικά εναλλασσόμενου ρεύματος, ώστε να μετρηθεί το ρεύμα σε δύο από τις τρεις φάσεις του κινητήρα. Πρόκειται για το LA 100 P/SP13. H λειτουργία του βασίζεται στο φαινόμενο Hall. Δέχεται στην είσοδο ένα ρεύμα με μέγιστη ενεργό τιμή τα 100 Α και δίνει στην έξοδο ρεύμα τιμή μέχρι 100 ma. Λειτουργεί, δηλαδή, ως μετασχηματιστής ρεύματος με λόγο μετασχηματισμού 1 : Εικόνα 7.5 Σχηματικό κυκλώματος μετρητικού εναλλασσόμενου ρεύματος

125 Εικόνα 7.12 Φαινόμενο Hall στο μετρητικό ρεύματος Στην εικόνα 7.12 φαίνεται χαρακτηριστικά η λογική του. Το μετρητικό είναι σε σχήμα δαχτυλιδιού, μέσα από το οποίο διέρχεται ο ρευματοφόρος αγωγός. Οι συνδέσεις, οι οποίες χρειάζονται να γίνουν μεταξύ κάποιων ακροδεκτών του μετρητικού, επιτυγχάνονται σχεδιάζοντας μία πλακέτα για την προσαρμογή σε αυτή του μετρητικού. Οι ακροδέκτες συνδέονται με δρόμους χαλκού. Το σήμα στην έξοδο του μετρητικού λαμβάνεται και μεταφέρεται διαφορικά σε αντίστοιχο ακροδέκτη στην πλακέτα ελέγχου του αντιστροφέα, ώστε να αποφευχθεί όσο γίνεται ο θόρυβος. Έπειτα, το σήμα οδηγείται μέσα από μία αντίσταση, ώστε να μετατραπεί σε σήμα τάσης με εύρος +/- 2,5 V, σε έναν ενισχυτή AD622. Tο ρεύμα, το οποίο μετρείται είναι εναλλασσόμενο και, συνεπώς, το ίδιο συμβαίνει με το ρεύμα στην έξοδο του μετρητικού. Ο μικροελεγκτής, όμως, μπορεί να δεχθεί στη συγκεκριμένη θύρα αναλογικά σήματα αλλά μόνο θετικά. Έτσι, λοιπόν, δίνεται στον ενισχυτή μία τάση αναφοράς (offset) για να διατηρείται το σήμα τάσης μονίμως θετικό. Το σήμα αναφοράς είναι 2,5 V και παρέχεται στον AD622 από το ολοκληρωμένο ΑD580. Στην είσοδο του μικροελεγκτή φτάνει τάση με τιμή 0 5 V. To ΑD580 έχει την ιδιότητα να τροφοδοτείται με μία τάση μέχρι 30 V (15 V στη συγκεκριμένη περίπτωση) και να δίνει στην έξοδο του 2,5 V. Στην έξοδο του ενισχυτή τοποθετείται μία δίοδος Zener για την αποφυγή τάσεων μεγαλύτερων από 5 V στην είσοδο του μικροελεγκτή.

126 Μετρητικό ρεύματος Στην πλακέτα έχει προβλεφθεί και κύκλωμα για τη σύνδεση μετρητικού συνεχούς ρεύματος. Το μετρητικό αυτό χρειάζεται για τη μέτρηση της ροής της ενέργειας από τις μπαταρίες καθώς και των αποθεμάτων τους. Σχήμα 7.6 Σχηματικό κυκλώματος μετρητικού συνεχούς ρεύματος Ροπή αναφοράς: Η ροπή αναφοράς προέρχεται από ένα ποτενσιόμετρο, το οποίο τροφοδοτείται με 5 V και δίνει απευθείας σήμα χωρίς ενίσχυση στον επεξεργαστή από 0 έως 5 V. Η αντίσταση του είναι 5 kω. To ποτενσιόμετρο είναι απομακρυσμένο από την πλακέτα ελέγχου και συνδέεται με αυτή μέσω τριών καλωδίων, δύο για την τροφοδοσία του και ένα για το σήμα.

127 Σχήμα 7.7 Σχηματική αναπαράσταση ροπής αναφοράς Στροφόμετρο κινητήρα: Ο τριφασικός ασύγχρονος ηλεκτροκινητήρας της εταιρείας Siemens που χρησιμοποιεί το υβριδικό όχημα διαθέτει ενσωματωμένο στροφόμετρο, τα χαρακτηριστικά του οποίου παρουσιάζονται στην εικόνα Εικόνα 7.14 Χαρακτηριστικά στοιχεία στροφόμετρου ηλεκτροκινητήρα [42]

128 Τα σήματα του που μας πληροφορούν για τον αριθμό στροφών του ηλεκτροκινητήρα είναι τα Α, Β και Index (αναφέρεται ως R). Tα δύο πρώτα είναι ημιτονοειδή σήματα πλάτους 1 Vp-p και οδηγούνται διαφορικά (Α, Α*, Β, Β*). Η σχετική θέση των δύο αυτών σημάτων μας πληροφορεί για την φορά περιστροφής του ηλεκτροκινητήρα, ανάλογα με το ποιο από τα δύο προηγείται χρονικά. Mία πλήρης περιστροφή του άξονα του ηλεκτροκινητήρα ορίζει 2048 περιόδους αυτών των σημάτων. Το σήμα Index οδηγείται επίσης διαφορικά (R, R*) και αντιστοιχεί σε έναν παλμό ανά περιστροφή. Οι έξοδοι των σημάτων του ηλεκτροκινητήρα συνδέονται μέσω ενός ειδικού πολύκλωνου καλωδίου σε μία πλακέτα προσαρμογής των σημάτων σύμφωνα με την αντιστοιχία των ακροδεκτών που παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. Στο αριστερό μέρος βρίσκεται η θύρα επικοινωνίας που συνδέεται στην πλακέτα και στο δεξιό μέρος βρίσκεται η θύρα που συνδέεται στο στροφόμετρο του ηλεκτροκινητήρα. Εικόνα 7.15 Αντιστοιχία ακροδεκτών θυρών επικοινωνίας από το στροφόμετρο του ηλεκτροκινητήρα στο κύκλωμα προσαρμογής των σημάτων για τον μικροεπεξεργαστή [42] Ο επεξεργαστής διαθέτει ενσωματωμένο αποκωδικοποιητή στροφομέτρου (QEI) ο οποίος δέχεται μέχρι τρία σήματα. Για αυτό το λόγο τα σήματα που επιλέχτηκαν να οδηγηθούν για επεξεργασία είναι τα A, B και INDEX (R). Το σήμα για τη θερμοκρασία του κινητήρα TEMP μπορεί να οδηγηθεί σε μία από τις αναλογικές εισόδους του μικροεπεξεργαστή ως πρόσθετο σήμα ασφάλειας. Επειδή όλα τα παραπάνω σήματα λαμβάνονται από το στροφόμετρο διαφορικά, αυτές οι τέσσερεις δυάδες σημάτων Α, Α*, Β, Β*, R, R* και Temp, Temp* οδηγούνται ανά δύο δυάδες σε δύο διαφορικούς ενισχυτές LM358 (καθένας μπορεί να δεχτεί δύο διαφορικά σήματα προς ενίσχυση) για την ενίσχυση τους. Ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας κατάλληλες αντιστάσεις ρυθμίζονται οι ενισχυτές σε ένα σχετικά

129 μεγάλο κέρδος έτσι ώστε τα ημιτονοειδή σήματα Α και Β να μετατρέπονται σε παλμοσειρές για να μπορεί να τα επεξεργαστεί ο αποκωδικοποιητής QEI. Εικόνα 7.16 Πλακέτα στροφομέτρου Επεξεργασία ληφθέντων σημάτων Η επεξεργασία των σημάτων όλων των μετρητικών γίνεται εν τέλει στο μικροελεγκτή. Ο μικροελεγκτής είναι ένας τύπος μικροεπεξεργαστή με έμφαση στην αυτάρκεια και στην υψηλή τιμή απόδοσης / κόστους. Η διαφορά μεταξύ μικροελεγκτή και μικροεπεξεργαστή είναι ότι ο δεύτερος αποτελείται μόνο από τρία μέρη: την αριθμητική και λογική μονάδα (ALU), τη μονάδα ελέγχου (CU) και τη μνήμη (Memory και Registers). Ο μικροελεγκτής από την πλευρά του, εκτός από αυτά τα μέρη περιλαμβάνει επιπλέον κι άλλες μονάδες, όπως RAM, ROM, Εισόδους, Εξόδους, κτλ. Ο μικροελεγκτής λέγεται dspic30f4011 της εταιρίας Microcom. H κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) χρησιμοποιεί αρχιτεκτονική 16bit κι έχει μήκος εντολών 24bit.

130 Εικόνα 7.17 Μικροελεγκτής Η τροφοδοσία του είναι 5 V. Aπό τους 40 ακροδέκτες του χρησιμοποιούνται οι τέσσερεις αναλογικές είσοδοι (δύο για τις μετρήσεις των ρευμάτων στις δύο φάσεις του κινητήρα, μία για την τάση στην έξοδο των συσσωρευτών και μία για τη ροπή αναφοράς), οι έξι έξοδοι παλμών, δύο για την επικοινωνία με τον υπολογιστή μέσω του αναπτυξιακού και το σήμα MCLEAR για τη χειροκίνητη επανεκκίνηση του. Εικόνα 7.18 Αναπτυξιακό σύνδεσης του μικροελεγκτή με τον υπολογιστή

131 Η επανεκκίνηση του μικροελεγκτή μπορεί να γίνει μέσω ενός κουμπιού στην πλακέτα, το οποίο γειώνει την αντίστοιχη θύρα του. Σχήμα 7.8 Σχηματική αναπαράσταση αναπτυξιακού Σχήμα 7.9 Σχηματική αναπαράσταση κουμπιού Mclear Σχήμα 7.10 Σχηματική αναπαράσταση του μικροελεγκτή

132 Όργανα ένδειξης των μετρήσεων Στο εσωτερικό του αυτοκινήτου και, συγκεκριμένα, στο ταμπλό του προσαρμόστηκαν κατάλληλα όργανα για την εποπτεία της λειτουργίας του συστήματος. Για τη μέτρηση και την ένδειξη της πολικής τάσης στον κινητήρα χρησιμοποιείται ένα αναλογικό βολτόμετρο εναλλασόμενης τάσης με κλίμακα V διαστάσεων 72 mm * 72 mm (Eικόνα 7.19). Eικόνα 7.19 Αναλογικό βολτόμετρο 0 300V Για την ένδειξη των στροφών του κινητήρα χρησιμοποιείται το ψηφιακό στροφόμετρο ΜP5W της εταιρίας Autonics (Eικόνα 7.20 ), το οποίο λαμβάνει το σήμα από την έξοδο του μετρητικού. Eικόνα 7.20 Ψηφιακό στροφόμετρο

133 Για την ένδειξη της τιμής της τάσεως της ροπής αναφοράς του ποτενσιόμετρου χρησιμοποιείται ένα βολτόμετρο συνεχούς τάσης με κλίμακα 0 15 V διαστάσεων 72 mm * 72 mm. Για την ένδειξη της τιμής του ρεύματος του κινητήρα έχει χρησιμοποιηθεί ένα ψηφιακό αμπερόμετρο της εταιρίας Autonics το οποίο μετρά από 0 έως 100 ma και παίρνει σήμα από το μετρητικό ρεύματος Τροφοδοσία της πλακέτας ελέγχου Η πλακέτα τροφοδοσίας, η οποία σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο εργαστήριο, παρέχει την κατάλληλη τάση σε κάθε ολοκληρωμένο της πλακέτας ελέγχου του αντιστροφέα. Αποτελείται από γραμμικά τροφοδοτικά. Τροφοδοτεί με την ίδια τροφοδοσία με τάση 5 V τους οδηγούς παλμών και τους οπτοζεύκτες. Με άλλη τροφοδοσία παρέχει 5 V στο μικροελεγκτή, στους πύλες NOT και σε κάποια άλλα ολοκληρωμένα. Με τάση 15 V τροφοδοτεί το κύκλωμα φόρτισης των πυλών των IGBTs, το οποίο βρίσκεται στους οδηγούς παλμών. Τέλος, +/- 15 V παρέχονται στα μετρητικά ρεύματος, στο μετρητικό τάσης, στους ενισχυτές των σημάτων και στο AD580. Εικόνα 7.21 Πλακέτα τροφοδοσίας Στη φωτογραφία φαίνεται η πλακέτα τροφοδοσίας. Ουσιαστικά, η είσοδος της πλακέτας είναι εναλλασσόμενη τάση 220 V. Η τάση αυτή υποβιβάζεται στα 6 V μέσω μετασχηματιστή 5 VA και στα 15 V ή στα +/- 15 V μέσω μετασχηματιστή 8 VA προσφέροντας γαλβανική απομόνωση. Κατόπιν, στην έξοδο κάθε μετασχηματιστή υπάρχει ανορθωτική διάταξη, η οποία ανορθώνει την

134 εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή. Στην έξοδο κάθε ανορθωτικής διάταξης υπάρχει ένας πυκνωτής για σταθεροποίηση της τάσης και, κατόπιν, συνδέονται τα κατάλληλα σταθεροποιητικά τάσης: LM7805 για την τάση των 6 V, την οποία σταθεροποιεί στα 5 V στην έξοδο του, LM7815 για την τάση των 15 V και το LM7915 για την τάση των -15 V. Εικόνα 7.22 Κυκλωματικό διάγραμμα σταθεροποιητικού τάσης LM78XX Εν συνεχεία, είναι συνδεδεμένος σε κάθε έξοδο ένας πυκνωτής ως φίλτρο, μία ασφάλεια 0,5 Α για την προστασία του κυκλώματος σε περίπτωση σφάλματος και λαμπτήρες LED για την εξακρίβωση της λειτουργίας κάθε εξόδου. Για την τροφοδοσία του τροφοδοτικού χρησιμοποιήθηκε ένας συσσωρευτής (Εικόνα 7.24) 12 V, ο οποίος παρέχει τάση σε έναν αντιστροφέα (Εικόνα 7.23) 12 V DC σε 220 V ΑC καθαρού ημιτόνου. Ο αντιστροφέας έχει ως έξοδο ένα πολύπριζο στο οποίο συνδέεται το τροφοδοτικό. Ο αντιστροφέας πρέπει να είναι, οπωσδήποτε, καθαρού ημιτόνου, ώστε να μπορέσουν οι μετασχηματιστές του τροφοδοτικού να λειτουργήσουν. Εικόνα 7.23 Αντιστροφέας καθαρού ημιτόνου

135 Εικόνα 7.24 Συσσωρευτής Κουτί ηλεκτρονικών συστημάτων Το κουτί του μετατροπέα (Εικόνα 7.25) είναι από σίδηρο, βαμμένο με μονωτική βαφή κι έχει διαστάσεις 80 cm * 60 cm. Τοποθετείται ακριβώς πάνω στο πλέγμα των μπαταριών. Σε αυτό το κουτί βρίσκονται όλα τα απαραίτητα ηλεκτρονικά και το κύκλωμα προστασίας.. Η ψύκτρα, οι πλακέτες, ο αντιστροφέας καθαρού ημιτόνου είναι βιδωμένα στον μεταλλικό, εσωτερικό και αποσπώμενο πάτο του κουτιού. Για τους δύο συσσωρευτές των 12 V κατασκευάστηκε και βιδώθηκε στον πάτο ειδική σιδερένια βάση, ενώ για τους πυκνωτές, που δέθηκαν μεταξύ τους με πλαστικούς ιμάντες στην είσοδο του αντιστροφέα, ειδική ξύλινη βάση. Υπήρξε μέριμνα και για τον εξαερισμό του κουτιού με τη χρήση τριών ανεμιστήρων, οι οποίοι τροφοδοτούνται από τη μία μπαταρία των 12 V. Η είσοδος στο κουτί των δύο καλωδίων της DC τάσης από τις μπαταρίες και η έξοδος από το κουτί των τριών καλωδίων της AC τάσης από τον αντιστροφέα γίνεται μέσω κατάλληλων οπών. Στις οπές έχουν προσαρμοστεί πλαστικοί στυπιοθλίπτες (Εικόνα 7.26) για να μη συμβεί φθορά των καλωδίων κατά την επαφή τους με το μέταλλο. Η επαφή των αγωγών με το μέταλλο μπορεί να συμβεί όταν διαρρέονται από ρεύμα και, κατά συνέπεια, ασκούνται μεταξύ τους ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις.

136 Εικόνα 7.25 Κουτί Εικόνα 7.26 Στυπιοθλίπτες Στην εικόνα 7.27 φαίνεται το κουτί του μετατροπέα με τα ηλεκτρονικά του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος.

137 Το κουτί με τα ηλεκτρονικά του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος 7.28 Το κουτί με τα ηλεκτρονικά του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος

138 Το κουτί στο εσωτερικό του αυτοκινήτου 7.30 Ποτενσιόμετρο και ένδειξη της ροπής αναφοράς

139 Ένδειξη ροπής αναφοράς και διακόπτες για τον έλεγχο της αντλίας και των ανεμιστήρων του ψυγείου 7.32 Όργανα ένδειξης

140 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Σχεδιασμός και κατασκευή αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή [23] 8.1 Θεωρητική μελέτη του μετατροπέα Μετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή (Boost converter) Ο αμφικατευθυντήριος μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή, κατά τη λειτουργία του ως μετατροπέας ανύψωσης τάσης (Boost converter) έχει ως είσοδο, όπως αναφέρθηκε το επίπεδο τάσης των 192 V της μπαταρίας κι ως έξοδο τα περίπου 380 V που χρειάζονται στην είσοδο του αντιστροφέα. Επιτυγχάνεται, λοιπόν, ο διπλασιασμός της τάσης εισόδου. Το κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή τάσης μεγαλύτερης από την τάση εισόδου είναι ευρέως διαδεδομένο. (Εικόνα 8.1) Eικόνα 8.1 Κύκλωμα Boost converter Όπως φαίνεται στην εικόνα 8.1, η διάταξη αποτελείται από μία πηγή συνεχούς τάσης, ένα πηνίο, έναν ημιαγωγικό διακόπτη, μία δίοδο ισχύος κι έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή παράλληλα με το φορτίο στην έξοδο. Η λειτουργία του χωρίζεται σε δύο φάσεις. Κατά την πρώτη φάση (εικόνα 8.2) ρέει ρεύμα από την πηγή τάσης στο πηνίο και στο διακόπτη και επιστρέφει στην πηγή. Ταυτόχρονα υπάρχει και δεύτερος βρόχος, όπου ο πυκνωτής εκφορτίζεται στο φορτίο. Η ύπαρξη της διόδου εμποδίζει τη ροή ρεύματος από την πηγή τάσης στο

141 φορτίο, εφόσον είναι ανάστροφα πολωμένη. Σε αυτή την πρώτη φάση το πηνίο μαγνητίζεται από την πηγή. Εικόνα 8.2 Πρώτη φάση λειτουργίας Boost converter [23] Στη δεύτερη φάση (εικόνα 8.3) ο διακόπτης ανοίγει και η πηγή τροφοδοτεί απευθείας το φορτίο, φορτίζοντας και τον πυκνωτή. Η δίοδος πολώνεται ορθά. Το πηνίο, όμως, έχοντας την τάση να απομαγνητιστεί, αντιδρά δημιουργώντας μία επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη (Η.Ε.Δ.). Η τάση στα άκρα του πηνίου προστίθεται στην τάση της πηγής και εφαρμόζεται στα άκρα του φορτίου Εικόνα 8.3 Δεύτερη φάση λειτουργίας του Boost converter [23]

142 Εικόνα 8.4 Γραφικές παραστάσεις χαρακτηριστικών μεγεθών του Boost converter [23] Στην εικόνα 8.4 απεικονίζονται γραφικές παραστάσεις χαρακτηριστικών μεγεθών του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Αυτές ισχύουν όταν ο μετατροπέας λειτουργεί στη συνεχή αγωγή. Σύμφωνα με αυτόν, κατά τη διάρκεια της δεύτερης φάσης λειτουργίας το ρεύμα δε μηδενίζεται, όπως συμβαίνει στον ασυνεχή τρόπο. Ο συνεχής τρόπος λειτουργίας προτιμήθηκε για την εφαρμογή. Το σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της επιλογής είναι η μικρότερη κυμάτωση στο ρεύμα, λόγω της μεγαλύτερης τιμής της επαγωγής του πηνίου, γεγονός, όμως, που μεγαλώνει τον όγκο της κατασκευής Μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή (Buck converter) Ο αμφικατευθυντήριος μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή, κατά τη λειτουργία του ως μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (Buck converter) έχει ως είσοδο, το επίπεδο τάσης των 380 V του κινητήρα ο οποίος λειτουργεί ως γεννήτρια κι ως έξοδο τα 192 V, την τάση φόρτισης των συσσωρευτών. Το κύκλωμα που χρησιμοποιείται για τη μείωση της τάσης ως προς την τάση εισόδου φαίνεται στην εικόνα 8.5.

143 Εικόνα 8.5 Buck converter H διάταξη αυτή αποτελείται από τα ίδια ακριβώς στοιχεία με το Boost converter. Η λειτουργία του χωρίζεται σε δύο φάσεις. Κατά την πρώτη φάση (Εικόνα 8.6) ρέει ρεύμα από την πηγή τάσης μέσω του διακόπτη στο πηνίο, στον πυκνωτή και στο φορτίο. Ο πυκνωτής φορτίζεται. Από τον κλάδο της διόδου ισχύος δε διέρχεται ρεύμα επειδή η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη. Εικόνα 8.6 Πρώτη φάση λειτουργίας Buck converter [23] Στη δεύτερη φάση (Εικόνα 8.7) ο διακόπτης ανοίγει και στο πηνίο δημιουργείται επαγόμενη Η.Ε.Δ. Το πηνίο, τώρα, τείνει να διατηρήσει το ρεύμα στην ίδια φορά τροφοδοτώντας από μόνο του το φορτίο και τον πυκνωτή.

144 Εικόνα 8.7 Δεύτερη φάση λειτουργίας Buck converter [23] Εικόνα 8.8 Γραφικές παραστάσεις χαρακτηριστικών μεγεθών του Boost converter [23] Οι γραφικές παραστάσεις της εικόνας 8.8 ισχύουν κατά τη λειτουργία στη συνεχή αγωγή Μέθοδος ελέγχου των μετατροπέων Boost και Buck H μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο αυτού του είδους μετατροπέων ονομάζεται Διαμόρφωση του Πλάτους των Παλμών (PWM). Η λογική αυτού του ελέγχου στηρίζεται στη σχέση που συνδέει το πλάτος της τάσης εξόδου με το χρόνο αγωγής των ημιαγωγικών διακοπτών (t on ). Ορίζεται ως λόγος κατάτμησης δ (duty

145 cycle) ο λόγος (σχέση 8.1) του χρόνου αγωγής του διακόπτη προς την περίοδο λειτουργίας του μετατροπέα (το άθροισμα των δύο φάσεων). δ = t on / T (σχέση 8.1) Στην περίπτωση του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης η αύξηση του χρόνου αγωγής του στοιχείου οδηγεί σε αύξηση της τάσης εξόδου, η οποία, βεβαίως, διατηρείται πάντα χαμηλότερη ή το πολύ ίση με την τάση εισόδου. Η σχέση που συνδέει την τάση εξόδου με το λόγο κατάτμησης είναι: V o / V i = δ (σχέση 8.2) Στην περίπτωση του μετατροπέα ανύψωσης τάσης ισχύει η σχέση: V o / V i = 1 / (1 δ) (σχέση 8.3) Η αύξηση του χρόνου αγωγής συνεπάγεται, όπως και στο Buck, αύξηση της μέσης τάσης εξόδου. 8.2 Ο μετατροπέας της εφαρμογής Ο μετατροπέας του οχήματος συνδυάζει τη λειτουργία των δύο μετατροπέων που αναλύθηκαν. Εικόνα 8.9 Κύκλωμα αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή Εξομοίωση του μετατροπέα Προτού να επιχειρηθεί η κατασκευή του μετατροπέα, είναι φρόνιμο να εξομοιωθεί, ώστε να παρατηρηθεί η λειτουργία του κυκλώματος. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να μελετηθεί η συμπεριφορά του πηνίου κατά τους κύκλους μαγνήτισης και απομαγνήτισης του εξασφαλίζοντας ότι δεν κορένεται. Επίσης, υπολογίζεται η τάση

146 και το ρεύμα σε κάθε στοιχείο του κυκλώματος, ώστε να γίνει η σωστή διαστασιολόγηση των στοιχείων. Η εξομοίωση της λειτουργίας του μετατροπέα πραγματοποιήθηκε στο λογισμικό Orcad PSpice 9.2. Εικόνα 8.10 Σχηματική αναπαράσταση μετατροπέα στο Orcad PSpice 9.2 Στην εικόνα 8.10 απεικονίζεται η σχηματική αναπαράσταση του κυκλώματος, όπως φαίνεται στο περιβάλλον του Orcad PSpice 9.2. Η λογική είναι η εξομοίωση του φορτίου κινητήρα με ένα ωμικό - επαγωγικό φορτίο (R load = 100 Ω και L load = 0,5 H) κατά τη λειτουργία ως Boost converter και πηγή συνεχούς τάσης (V Regen = 400 V) με μία μικρή αντίσταση σε σειρά (R Regen = 0,01 Ω) κατά τη λειτουργία ως Buck. H πηγή τάσης (γεννήτρια), παρ όλο που σε πραγματικές συνθήκες λειτουργεί ως πηγή ρεύματος, θεωρείται ως πηγή τάσης με μεταβλητή τιμή και ορίστηκε να έχει αυτή την τιμή,.ωστε να είναι σε επίπεδο τάσης υψηλότερο από αυτό του πυκνωτή και να επιστρέφει ενέργεια στους συσσωρευτές φορτίζοντας ταυτόχρονα και τον πυκνωτή. Η αλλαγή από φορτίο σε γεννήτρια γίνεται μέσω iδανικού διακόπτη. Οι συσσωρευτές έχουν προσομοιωθεί με μία πηγή συνεχούς τάσης με τιμή τάσης 192 V. Τα

147 ημιαγωγικά στοιχεία, που χρησιμοποιούνται, απαιτούν για την αγωγή τους τιμή τάσης 18 V στις θύρες του. Η παλμοδότηση τους γίνεται από παλμογεννήτριες κι ο παλμός οδηγείται στην πύλη του καθενός μέσω μίας αντίστασης 3 Ω. Η τιμή της επαγωγής του πηνίου υπολογίστηκε L f = 3 mh σύμφωνα με υπολογισμούς που παρουσιάζονται παρακάτω. Το πηνίο συνδέεται σε σειρά με μια αντίσταση 50 mω, η οποία συμβολίζει την παρασιτική του αντίσταση. Σε σειρά με τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή εξόδου συνδέονται ένα πηνίο επαγωγής L cout = 5 ph (παρασιτική επαγωγιμότητα) και μία αντίσταση R cout = 5 mω. Στην εικόνα 8.11 παρατηρείται η παλμοδότηση του άνω και του κάτω διακόπτη, Τr1 και Τr2 αντίστοιχα.. Με κόκκινο χρώμα είναι η παλμοδότηση του Tr2. Στη λειτουργία ως Boost χρησιμοποιείται το Tr2, όπως φαίνεται στην εικόνα στη χρονική περίοδο από 402 ms έως 550 ms. Στο χρονικό διάστημα από 402 ms έως 550 ms, το Tr2 άγει για 25 μs ανά περίοδο 50 μs επιτυγχάνοντας να παράγει την τάση εξόδου με την απαιτούμενη τιμή των 380 V. Aντίστροφα, στη λειτουργία ως Buck, όπως φαίνεται στην εικόνα 8.10 με πράσινο χρώμα στην χρονική περίοδο από 352 ms έως 400 ms, χρησιμοποιείται το Τr1, το οποίο, ομοίως, άγει για 25 μs ανά περίοδο 50 μs επιτυγχάνοντας να παράγει την τάση εξόδου με την απαιτούμενη τιμή των 192 V. Τα 2 ms (400 ms με 402 ms) μεταξύ των φάσεων λειτουργίας Buck και Boost θεωρούνται ως επαρκής χρόνος για την απομαγνήτιση του πηνίου Εικόνα 8.11 Παλμοδότηση των Τr1, Tr2 (πειραματικά αποτελέσματα) Στην εικόνα 8.12 με πράσινο χρώμα απεικονίζεται το ρεύμα του κινητήρα συναρτήσει του χρόνου. Στο χρονικό διάστημα από 402 ms έως 430 ms η τιμή του ρεύματος αυξάνεται και λαμβάνει την τελική του ίση με 3,8 Α, την οποία και διατηρεί μέχρι τη xρονική στιγμή των 550 ms, όπου διακόπτεται η λειτουργία του Boost. Η αύξηση του ρεύματος έχει αυτή τη μορφή λόγω της φόρτισης του πυκνωτή της εξόδου. Με κόκκινο χρώμα διακρίνεται η τάση εξόδου στον κινητήρα (φάση λειτουργίας του Boost) και στον C out. Στη λειτουργία ως Buck, δηλαδή από τα 352 ms

148 έως τα 400 ms, φαίνεται η αύξηση της τάσης του πυκνωτή από τα 380 V στα 396 V, λόγω της φόρτισης του από τη γεννήτρια. Από τα 402 ms έως τα 550 ms, στη λειτουργία Boost, η τάση του πυκνωτή μειώνεται λογω της εκφόρτισης του (402 ms έως 420 ms) και σταθεροποιείται περίπου στα 380 V Εικόνα 8.12 Ρεύμα και τάση στον κινητήρα συναρτήσει του χρόνου (πειραματικά αποτελέσματα) Στην εικόνα 8.13, με πράσινο φαίνεται η κυματομορφή του ρεύματος του πηνίου συναρτήσει του χρόνου. Από τα 402 ms έως τα 425 ms περίπου η τιμή του ρεύματος αυξάνεται αργά λόγω της επαγωγής του πηνίου φτάνοντας την τιμή των 10 Α και ταλαντώνεται μέχρι τα 490 ms για να λάβει την τελική του μέση τιμή στα 8 Α. Στη λετουργία ως Buck από τα 352 ms έως τα 400 ms το ρεύμα φτάνει τη μέση τιμή των 19 Α. O λόγος που η μεταβολή του ρεύματος είναι αργή οφείλεται στην επαγωγή του πηνίου. Με κόκκινο χρώμα συμβολίζεται η τάση στους συσσωρευτές.

149 Eικόνα 8.13 Ρεύμα στο πηνίο και τάση στους συσσωρευτές συναρτήσει του χρόνου (πειραματικά αποτελέσματα) Στην εικόνα 8.14 με πράσινο χρώμα φαίνεται η κυματομορφή του ρεύματος της γεννήτριας στη λειτουργία ως Buck συναρτήσει του χρόνου. Στο χρονικό διάστημα από 352 ms έως 358 ms, παρατηρείται μία ταχεία αύξηση του ρεύματος λόγω της απότομης φόρτισης των πυκνωτών. Η μέση τιμή του ρεύματος σταθεροποιείται στα 11 Α. Eικόνα 8.14 Ρεύμα στη γεννήτρια και τάση στον πυκνωτή εξόδου (πειραματικά αποτελέσματα)

150 Περιγραφή του σχεδίου λειτουργίας του μετατροπέα Στη λειτουργία του μετατροπέα ως Boost converter, η τάση εξόδου πρέπει να είναι 380 V. Ένα μετρητικό τάσης συνδέεται παράλληλα με τον πυκνωτή εξόδου και μετράει την τάση εξόδου στέλνοντας αυτή στο μικροελεγκτή. Αν η τάση εξόδου είναι μικρότερη από 380 V, δίνεται η εντολή για αύξηση του λόγου κατάτμησης του διακόπτη, ώστε να αυξηθεί η τάση. Αν ο μετατροπέας λειτουργεί ως Boost, ενώ επιστρέφεται ενέργεια στις μπαταρίες από τη γεννήτρια κινητήρα (μπορεί να συμβεί κατά τη μείωση των στροφών του ποτενσιόμετρου από τον οδηγό), ο πυκνωτής τείνει να φορτιστεί σε επίπεδο τάσης πάνω από τα 380 V. Ο μικροελεγκτής λαμβάνοντας σήμα ότι η τάση υπερέβη τα 380 V μείωνει το λόγο κατάτμησης, ώστε να συγκρατήσει την τάση μέχρι τα 380 V. Παρ όλα αυτά, η τάση υπερβαίνει το όριο αυτό και η τάση των 450 V έχει τεθεί ως το σημείο διακοπής της λειτουργίας του Boost κι έναρξη της λειτουργίας του Buck μετατροπέα. Συγκεριμένα, όταν η τάση στα άκρα του πυκνωτή αγγίξει τα 450 V, διακόπτονται οι παλμοί στην πύλη του διακόπτη και μετά από 2 ms αρχίζει η αγωγή του διακόπτη για την έναρξη της λειτουργίας Βuck. To διάστημα των 2 ms είναι αναγκαίο, ώστε να απομαγνητιστεί το πηνίο από τη φάση του Boost και να δεχθεί ρεύμα αντίθετης φοράς. Η τάση εξόδου του Buck ρυθμίζεται, τώρα, στα 192 V για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Κατά τη λειτουργία ως Buck converter, όταν η τάση του πυκνωτή εξόδου μειωθεί κάτω από τα 400 V, ο μικροελεγκτής αυξάνει το χρόνο αγωγής του διακόπτη ώστε να εμποδίσει την πτώση της τάσης εξόδου κάτω από τα 192 V. Ταυτόχρονα, μετρείται το ρεύμα εξόδου και σε περίπτωση που υπερβεί τα 9 Α (μέγιστο ρεύμα φόρτισης της μπαταρίας), διακόπτεται η παλμοδότηση του διακόπτη. Όταν η τάση του πυκνωτή φτάσει τα 380 V, διακόπτεται η αγωγή του στοιχείου και μετά από 2 ms ο μετατροπέας είναι έτοιμος να λειτουργήσει ξανά για την ανύψωση της τάσης των συσσωρευτών. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, το ρεύμα εισόδου του μετατροπέα χρειάζεται να έχει την τιμή I in,boost = 111 A. Το ρεύμα, όμως, έχει πολύ υψηλή τιμή για να αποδοθεί από ένα μόνο μετατροπέα επειδή θα φέρει το πηνίο στον κόρο. Η λύση, που προτάθηκε, είναι η παράλληλη σύνδεση 10 μετατροπέων, ώστε να μειωθεί η τιμή του ρεύματος που θα διέρχεται από κάθε πηνίο. Ορίστηκε να δοκιμαστεί η κατασκευή ενός μετατροπέα με ισχύ εξόδου ίση με το ένα δέκατο της ισχύος εισόδου του τριφασικού αντιστροφέα, δηλαδή 1,92 kw. Η μέση τιμή του ρεύματος του πηνίου θα είναι το ένα δέκατο του ρεύματος από τους συσσωρευτές, δηλαδή 11,1 Α. Με δεδομένο ότι η τάση εξόδου του μετατροπέα θα φτάνει τα 380 V, το ρεύμα εξόδου θα είναι I out,boost = P out,boost / V out,boost = 1,92 kw / 380 V = 5 Α περίπου. Η λογική του παραλληλισμού των μετατροπέων βασίζεται στην υλοποίηση ενός δικτύου που αποτελείται από τον μικροελεγκτή κάθε μετατροπέα και έναν κεντρικό μικροελεγκτή. Κατά τη λειτουργία ως μετατροπέας ανύψωσης τάσης, ο κεντρικός μικροελεγκτής λαμβάνει μετρήσεις της τιμής του ρεύματος στην είσοδο του αντιστροφέα και τις μεταφέρει στο μικροελεγκτή κάθε πλακέτας. Ο κάθε

151 μικροελεγκτής με τη σειρά του μετράει το ρεύμα εξόδου του συγκεκριμένου μετατροπέα. Ρυθμίζει το ρεύμα εξόδου, ώστε να είναι ίσο με το 1 / 10 του ρεύματος εισόδου του αντιστροφέα. Το απαιτούμενο δίκτυο μπορεί να δημιουργηθεί και χωρίς τον κεντρικό μικροελεγκτή, συνθέτοντας ένα κατανεμημένο δίκτυο. 8.3 Σχεδιασμός του μετατροπέα Ο σχεδιασμός του μετατροπέα έγινε στο λογισμικό Altium Designer DXP Ημιαγωγικοί διακόπτες To είδος των ημιαγωγικών στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα IGBTs. Προτιμήθηκαν για τη στιβαρότητα τους. Η διακόπτικη συχνότητα που επιλέχτηκε μπορεί να επιτευχθεί από αυτούς τ&omicron