Fiat Panda

Transcript

1 - 1 - ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή Η χρήση των ορυκτών καυσίµων : παρελθόν, παρόν και µέλλον Το περιβαλλοντικό πρόβληµα Κατανάλωση ενέργειας στην Ελλάδα Εξοικονόµηση ενέργειας Εισαγωγή Εξοικονόµηση ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση Εξοικονόµηση ενέργειας και µεταφορές στις ΗΠΑ Περιορισµός του ενεργειακού κόστους των µεταφορών στην Ε. Ένωση Αυτοκινητοβιοµηχανίες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Υβριδικό όχηµα Υβριδικό όχηµα Είδη υβριδικών οχηµάτων Υβριδικό όχηµα µε ηλεκτροκινητήρα Υβριδικό θερµικό σύστηµα Υδραυλικό υβριδικό σύστηµα Μηχανικό υβριδικό σύστηµα Μικτά υβριδικά συστήµατα Κατάταξη υβριδικών οχηµάτων µε ηλεκτρικό κινητήρα σύµφωνα µε τον βαθµό υβριδοποίησης Πλήρως (ισχυρό) υβριδικό όχηµα (Full Hybrid) Υβριδικά υποβοήθησης (Power Assist Hybrid) Ήπια υβριδικά (Mild Hybrid) ιάφορες τεχνολογίες που επιτρέπουν τη υβριδοποίηση ενός οχήµατος ιακοπή λειτουργίας του κινητήρα κατά την στάση (start-stop) Ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισµα Μείωση του κινητήρα εσωτερικής καύσης Εξ ολοκλήρου ηλεκτρική λειτουργία Αύξηση εµβέλειας µε χρήση πολλών συσσωρευτών ιατάξεις υβριδικών οχηµάτων Σειριακή διάταξη Παράλληλη διάταξη Συνδυασµένη λειτουργία κινητήρων Ανεξάρτητη λειτουργία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Παραδείγµατα υβριδικών οχηµάτων Εισαγωγή Υβριδική τεχνολογία της εταιρίας BMW Ανάκτηση ενέργειας Υβριδικό αυτοκίνητο Toyota Prius Υβριδικό όχηµα Lexus RX400h Υβριδικά επαγγελµατικά οχήµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Κατασκευαστικά στοιχεία ηλεκτρικών υβριδικών οχηµάτων Εισαγωγή Κινητήρας εσωτερικής καύσης

2 Γενικά Κινητήρας δύο χρόνων Κινητήρας τεσσάρων χρόνων Κινητήρας βενζίνης Κινητήρας πετρελαίου Επιπλέον κινητήρες εσωτερικής καύσης Μειονεκτήµατα και πλεονεκτήµατα κινητήρων εσωτερικής καύσης Ηλεκτρικός κινητήρας Γενικά Κινητήρας συνεχούς ρεύµατος Ασύγχρονος κινητήρας Σύγχρονος κινητήρας Κινητήρας συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες (DC brushless) Κινητήρας µαγνητικής αντίδρασης Μειονεκτήµατα, πλεονεκτήµατα και εφαρµογές των διαφόρων ειδών ηλεκτρικών κινητήρων Μέσα αποθήκευσης ενέργειας Εισαγωγή Συσσωρευτές Υπερπυκνωτές Σφόνδυλοι ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Μελέτη αυτοκίνητου διπλωµατικής εργασίας - µετατροπή του σε υβριδικό Εισαγωγή Το αυτοκίνητο Fiat Panda ιάταξη υβριδικού συστήµατος Μηχανολογικές µετατροπές Ηλεκτρικός κινητήρας Επιλογή ηλεκτρικού κινητήρα Τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας Συσσωρευτές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Έλεγχος τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα Ανάλυση λειτουργίας τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα ιανυσµατικός έλεγχος ασύγχρονου κινητήρα Εισαγωγή Ταξινόµηση των µεθόδων διανυσµατικού ελέγχου Σύγκριση των µεθόδων διανυσµατικού ελέγχου Άµεσος Έλεγχος ροπής Εισαγωγή Υπολογισµός τάσεων του συστήµατος d-q στον στάτη (V S ) Υπολογισµός ρευµάτων του συστήµατος d-q στον στάτη (Ι S ) Υπολογισµός µαγνητικής ροής στον στάτη (Ψ S ) Υπολογισµός τοµέα Υπολογισµός ηλεκτροµαγνητικής ροπής Σύγκριση ροής και ροπής µε µεγέθη αναφοράς Επιλογή διανύσµατος τάσης Ανάκτηση ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7

3 - 3 - Κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα Εισαγωγή Ηµιαγωγικά στοιχεία Σύστηµα απαγωγής της θερµότητας Καλωδιώσεις Προστασία διάταξης Ηλεκτρονικά κυκλώµατα ελέγχου Εισαγωγή Μετρήσεις Επεξεργασία σηµάτων Παλµοδότηση Τροφοδοτικά Κιβώτιο τοποθέτησης του αντιστροφέα Πειραµατικά αποτελέσµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Συµπεράσµατα Παρατηρήσεις Συµπεράσµατα Παρατηρήσεις ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Πρόγραµµα άµεσου ελέγχου ροπής

4 - 4 -

5 - 5 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1 Εισαγωγή [1],[2],[3],[4],[5],[8] 1.1 Η χρήση των ορυκτών καυσίµων : παρελθόν, παρόν και µέλλον [1] Στη διάρκεια της ιστορίας οι άνθρωποι βρέθηκαν κατά καιρούς αντιµέτωποι µε πολύ διαφορετικούς τρόπους θεώρησης της πραγµατικότητας. Σήµερα ζούµε µια αντίστοιχη περίπτωση, κατά την οποία πολλές απόψεις οι οποίες θεωρούνταν δεδοµένες καταρρέουν και ριζοσπαστικές νέες δυνατότητες εµφανίζονται στον ορίζοντα. Έτσι µια ριζική αλλαγή ετοιµάζεται να συντελεστεί στον τρόπο που χρησιµοποιούµε την ενέργεια. Η σύγχρονη εποχή αποτέλεσε προϊόν της αξιοποίησης του άνθρακα, του πετρελαίου και του φυσικού αερίου. Όλες οι εξελίξεις των τελευταίων δυο αιώνων, εµπορικές, πολιτικές ή κοινωνικές ως προς τη φύση τους, συνδέονται, µε κάποιο τρόπο, µε τη µαζική έκλυση ενέργειας από την καύση ορυκτών καυσίµων. Οι ανθρωπολόγοι αναφέρουν ότι το ποσοστό ενέργειας που καταναλώνεται κατά κεφαλή σε µια κοινωνία αποτελεί ασφαλές µέτρο της προόδου της. Η δυτική κοινωνία, στη διάρκεια των τελευταίων διακοσίων ετών, κατανάλωσε περισσότερη κατά κεφαλή ενέργεια από ότι όλες οι υπόλοιπες κοινωνίες µαζί σε όλη τη διάρκεια της καταγεγραµµένης ιστορίας. Φτάσαµε στο σηµείο να απολαµβάνουµε ένα επίπεδο ζωής άνευ προηγουµένου, και οφείλουµε την καλή µας τύχη στα αποθέµατα ορυκτών που δηµιουργήθηκαν πριν από εκατοµµύρια χρόνια. υστυχώς, η καλοτυχία κάποια στιγµή αναπόφευκτα τελειώνει. Για µεγάλο διάστηµα πιστεύαµε ότι, ακόµα και αν τα αποθέµατα δεν ήταν απεριόριστα, υπήρχε τουλάχιστον αρκετό πετρέλαιο αποθηκευµένο στις πτυχές του υπεδάφους της γης για να καλύψει τις ανάγκες µας για µεγάλο διάστηµα στο µέλλον. Όταν η παραγωγή πετρελαίου στις Ηνωµένες Πολιτείες κορυφώθηκε το 1970, σηµείο κατά το οποίο το µισό από το σύνολο των πολύτιµων αποθεµάτων είχε αντληθεί, οι γεωλόγοι άρχισαν να ανησυχούν. Όµως, όσο διάστηµα το πετρέλαιο συνέχιζε να ρέει από άλλα σηµεία του κόσµου, ο µέσος καταναλωτής δεν ασχολήθηκε καν µε το ζήτηµα. Χρειάστηκε να περάσουν τρία χρόνια, οπότε και επιβλήθηκε το αραβικό πετρελαϊκό εµπάργκο, για να στρέψουν οι καταναλωτές την προσοχή τους στο θέµα αυτό. Η αναµονή σε ουρές στα πρατήρια καυσίµων, επί ώρες κάθε φορά, µε την ελπίδα της εξασφάλισης λίγων λίτρων βενζίνης, αποτέλεσε εµπειρία που έβγαλε από το λήθαργο του ευδαιµονισµού εκατοµµύρια ανθρώπους. Τότε ορισµένοι προειδοποίησαν ότι σύντοµα το πετρέλαιο θα εξαντλούνταν. Όµως κάτι τέτοιο δεν συνέβη. Οι Ηνωµένες Πολιτείες και άλλα κράτη, καθώς και οι κορυφαίες εταιρείες ενέργειας, ξεκίνησαν µια µανιώδη αναζήτηση για νέες πηγές πετρελαίου και τις βρήκαν. Η βενζίνη έρεε άφθονη και η παγκόσµια αγορά επέστρεψε στους κανονικούς της ρυθµούς. Οι ειδικοί σε πρώτη φάση έλεγαν ότι παρότι το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο θα αρχίσουν κάποτε να εξαντλούνται, η στιγµή αυτή απέχει τουλάχιστον τριάντα µε σαράντα χρόνια, ίσως και περισσότερο, χρόνος που είναι επαρκής για να σχεδιαστεί και να προωθηθεί η εξοικονόµηση ενέργειας και η χρήση εναλλακτικών µορφών ενέργειας. Όµως, όλο και περισσότεροι κορυφαίοι γεωλόγοι προειδοποιούν ότι υπάρχει πραγµατική κρίση που διαφαίνεται στον ορίζοντα και όταν ξεσπάσει θα είναι διαρκής. Εποµένως σε ποια κατεύθυνση πρέπει να κινηθούµε τα αµέσως επόµενα χρόνια; Εάν η παγκόσµια παραγωγή πετρελαίου κορυφωνόταν κάποια στιγµή µέσα στην επόµενη δεκαετία περίπου, θα µπορούσε να προκαλέσει µια αλυσιδωτή αντίδραση η οποία µε τη σειρά της,

6 - 6 - θα απειλούσε να ανατρέψει σε µεγάλο βαθµό το βιοµηχανικό τρόπο ζωής. ύο ενδεχόµενα ειδικότερα, είναι ιδιαίτερα πιθανό να παίξουν καθοριστικό ρόλο στους επερχόµενους πετρελαϊκούς συσχετισµούς. Πρώτον, ενώ οι ειδικοί διαφωνούν ως προς το χρονικό ορίζοντα κατά τον οποίο πιθανολογείται ότι η παραγωγή πετρελαίου θα κορυφωθεί, συµφωνούν στο ότι, όταν αυτό συµβεί, το σύνολο σχεδόν των αναξιοποίητων αποθεµάτων που θα έχουν αποµείνει θα βρίσκεται στις χώρες της Μέσης Ανατολής, αλλάζοντας ενδεχοµένως την παρούσα ισορροπία ισχύος στον πλανήτη. Η αντιστρόφως ανάλογη σχέση µεταξύ των φθινόντων αποθεµάτων πετρελαίου και της τιµής τους, θα µπορούσε να απειλήσει την οικονοµική και πολιτική σταθερότητα κάθε κράτους. εύτερον, εάν η παγκόσµια ζήτηση πετρελαίου και φυσικού αερίου ξεπεράσει την παραγωγή τους, τόσο τα κράτη όσο και οι εταιρείες ενέργειας είναι πιθανόν να στραφούν σε περισσότερο «ακάθαρτα» φυσικά καύσιµα (άνθρακα, βαρύ αργό πετρέλαιο, πισσούχο άµµο ) ως υποκατάστατα. Καθώς οι προβλέψεις ήδη κάνουν λόγο για άνοδο της θερµοκρασίας του πλανήτη από 1,4 έως 5,8 βαθµούς Κελσίου έως τον 22ο αιώνα, η µετάβαση σε περισσότερο ακάθαρτα καύσιµα θα σήµαινε αύξηση στις εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα, µεγαλύτερη αύξηση της θερµοκρασίας από ό,τι υπολογίζεται τώρα και ακόµη καταστρεπτικότερες επιπτώσεις στη βιόσφαιρα της Γης από ότι έχει ήδη προβλεφθεί. Ο δικός µας δεν είναι ο πρώτος πολιτισµός στην ιστορία που βρίσκεται αντιµέτωπος µε ενεργειακή κρίση. Η ενέργεια έπαιξε σηµαντικό ρόλο στην άνοδο και την πτώση των πολιτισµών. Πολλοί ανθρωπολόγοι και ιστορικοί θα υποστήριζαν ότι πάρα πολύ συχνά η ενέργεια υπήρξε ο πλέον καθοριστικός παράγοντας. Εάν υπάρχει κάποιο δίδαγµα που µπορεί να αντληθεί, σχετικά µε το πώς άλλοι πολιτισµοί αντιµετώπισαν τις δικές τους ενεργειακές κρίσεις, τώρα είναι η ώρα να κάνουµε τον απολογισµό µας. Το γεγονός είναι ότι υπάρχουν απόλυτα δεδοµένοι κανόνες που διέπουν τη ροή της ενέργειας και αν αυτοί οι κανόνες παραβιαστούν, οι πολιτισµοί κινδυνεύουν µε αφανισµό. Οι κανόνες της θερµοδυναµικής µας λένε ότι σε τελική ανάλυση, όσο ο άνθρωπος επιδιώκει να εξουσιάσει το περιβάλλον, τόσο προσεγγίζει τα όρια αντοχής του όλου συστήµατος. Οι κοινωνίες, που υπερβαίνουν τους περιορισµούς που επιβάλλονται από τα ίδια τα ενεργειακά τους καθεστώτα, κινδυνεύουν µε κατάρρευση. Ο βαθµός στον οποίο είµαστε τρωτοί εντείνεται ακόµη περισσότερο λόγω του συγκεντρωτισµού και της ιεραρχικής υποδοµής του ενεργειακού µας συστήµατος, καθώς και της οικονοµικής υποδοµής που το συνοδεύει, την οποία δηµιουργήσαµε για να διαχειριστούµε το ενεργειακό καθεστώς των ορυκτών καυσίµων. Η εποχή των ορυκτών καυσίµων χαρακτηρίζεται από µια κάθετη οργανωτική δοµή, η οποία κατέστη αναγκαία λόγω των δυσκολιών που παρουσιάζει η δέσµευση και εκµετάλλευση δυσεύρετων µορφών ενέργειας. Το υπέρογκο κόστος που σχετίζεται µε την επεξεργασία του άνθρακα, του πετρελαίου και του φυσικού αερίου απαιτούσε τεράστια κεφάλαια επενδύσεων και οδήγησε στη δηµιουργία κολοσσιαίων επιχειρήσεων ενέργειας. Αυτή τη στιγµή, δέκα µε δώδεκα τέτοιοι κολοσσοί, τόσο ιδιωτικοί όσο και κρατικές επιχειρήσεις, υπαγορεύουν τους όρους µε τους οποίους ρέει η ενέργεια σε ολόκληρο τον πλανήτη. Με τον συγκεντρωτικό έλεγχο πάνω στους ενεργειακούς πόρους της Γης, οι εταιρείες ενέργειας δηµιούργησαν τις συνθήκες που επιβράβευαν τις οικονοµίες κλίµακας, καθώς και τη συγκέντρωση της οικονοµικής δραστηριότητας. Η καύση των ορυκτών καυσίµων επιτάχυνε επίσης την εµπορική δραστηριότητα. Η διαχείριση της αυξανόµενης πυκνότητας και ροής του ανθρωπίνου εµπορίου εδραίωσε περαιτέρω

7 - 7 - το σχηµατισµό έντονα συγκεντρωτικών, ιεραρχικών εµπορικών επιχειρήσεων. Σήµερα, λιγότερες από πεντακόσιες διεθνείς επιχειρήσεις ελέγχουν το µεγαλύτερο µέρος της οικονοµικής δραστηριότητας στον πλανήτη. Η παγκοσµιοποίηση αντιπροσωπεύει το τελικό στάδιο της εποχής των καυσίµων, µιας περιόδου κατά την οποία όλο και λιγότερες πολυεθνικές επιχειρήσεις ελέγχουν κάθε πτυχή της ενεργειακής ροής και της οικονοµικής δραστηριότητας των κοινοτήτων σε ολόκληρο τον κόσµο. εν αποτελεί έκπληξη το ότι ο έλεγχος των αποθεµάτων ορυκτών καυσίµων αποτέλεσε την κύρια µέριµνα κυβερνήσεων και βιοµηχανιών εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα. Οι γεωπολιτικοί σχηµατισµοί υπήρξαν σε πολύ µεγάλο βαθµό συνώνυµοι των πετρελαϊκών πολιτικών εδώ και πέντε γενεές. Εκείνες οι χώρες, εταιρείες και λαοί που πέτυχαν να ελέγξουν τη ροή του πετρελαίου, απόλαυσαν επίπεδα ευηµερίας που δεν είχαν προηγούµενο, ενώ εκείνοι που δεν κατόρθωσαν να εξασφαλίσουν ευνοϊκή πρόσβαση στην πλουτοπαραγωγική δυναµική του «µαύρου χρυσού» διολίσθησαν ακόµη περισσότερο στη φτώχεια και αποτέλεσαν αντικείµενο όλο και εντονότερης εκµετάλλευσης και περιθωριοποίησης. Κλασικό παράδειγµα αποτελεί η αύξηση των τιµών του πετρελαίου στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, στοιχείο που αποτέλεσε κύρια αιτία της εντεινόµενης κρίσης του χρέους στις χώρες του Τρίτου Κόσµου. Αδυνατώντας να ανταπεξέλθουν στο υψηλό κόστος του πετρελαίου στις παγκόσµιες αγορές, τα αναπτυσσόµενα κράτη αναγκάστηκαν να δανειστούν δισεκατοµµύρια δολάρια από τράπεζες και άλλα πιστωτικά ιδρύµατα, προκειµένου να πληρώσουν τις όλο και ακριβότερες εισαγωγές πετρελαίου και το αυξανόµενο κόστος όλων των άλλων δραστηριοτήτων που σχετίζονται µε το πετρέλαιο. Το βάρος των χρεών αυξήθηκε τα τελευταία χρόνια, καθώς οι αναπτυσσόµενες χώρες εξαρτήθηκαν ακόµη περισσότερο από το εισαγόµενο πετρέλαιο, προκειµένου να εκσυγχρονίσουν τις µεταποιητικές οικονοµίες τους και να ανταποκριθούν στις ανάγκες των αυξανόµενων αστικών πληθυσµών τους. Πολλές από τις φτωχότερες χώρες του πλανήτη δαπανούν πλέον περισσότερα χρήµατα για να αποπληρώσουν δάνεια του παρελθόντος από όσα διαθέτουν για βασικές υπηρεσίες προς τον άνθρωπο. Το αποτέλεσµα είναι ένας µη αναστρέψιµος κύκλος επιδείνωσης που τροφοδοτείται από τη διαρκώς εντεινόµενη φτώχεια και απελπισία. Εάν η εποχή των ορυκτών καυσίµων πλησιάζει στο τέλος της, πώς µπορούµε να δράσουµε; Ένα νέο ενεργειακό καθεστώς ανοίγεται µπροστά µας, η φύση και ο χαρακτήρας του οποίου είναι τόσο διαφορετικά από εκείνα των ορυκτών καυσίµων, όσο ήταν και τα τελευταία σε σχέση µε την ενέργεια που προερχόταν από την καύση ξύλων που είχε προηγηθεί. Με τα σηµερινά δεδοµένα η εξοικονόµηση ενέργειας και η χρήση εναλλακτικών µορφών ενέργειας φαίνεται να συνιστούν τους πλέον κατάλληλους δρόµους. 1.2 Το περιβαλλοντικό πρόβληµα [8] Η κοινά αποδεκτή και επιβεβαιωµένη διαπίστωση της συµµετοχής του ενεργειακού τοµέα σε φαινόµενα µε περιβαλλοντικές επιπτώσεις, τοπικές, περιφερειακές αλλά και παγκόσµιες, όπως το νέφος των σύγχρονων µεγαλουπόλεων, η όξινη βροχή και το φαινόµενο του θερµοκηπίου, έχουν αναδείξει το ζήτηµα «ενέργεια και περιβάλλον», ως ένα από τα σοβαρότερα θέµατα του ενεργειακού τοµέα. Οι δραστηριότητες γύρω από την ενεργειακή αλυσίδα, εξόρυξη, µεταφορά, µετατροπή, τελική χρήση ενέργειας, είναι η αιτία για µια σειρά δυσµενών περιβαλλοντικών επιπτώσεων όπως: η διαταραχή και η αλλαγή χρήσης του εδάφους, η καταστροφή οικοσυστηµάτων, η ρύπανση των ακτών, η µόλυνση του εδάφους, του νερού και του αέρα, µε άµεσες συνέπειες τόσο στην υγεία των ανθρώπων, όσο και στις διάφορες κατασκευές και εγκαταστάσεις.

8 - 8 - Οι βασικές εκποµπές από την καύση των συµβατικών ενεργειακών καυσίµων (στερεά καύσιµα, πετρέλαιο, φυσικά αέρια), που είναι το διοξείδιο του θείου (SO 2 ), τα οξείδια του αζώτου (NO x ) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), ευθύνονται για το 90% της όξινης βροχής και το 55% του φαινοµένου του θερµοκηπίου, ενώ αποκλειστική σχεδόν είναι η ευθύνη τους για τα «νέφη» των µεγάλων πόλεων. Οι εκτιµήσεις και οι υπολογισµοί για την ποσοστιαία συµµετοχή των καυσίµων καθώς και των σχετικών δραστηριοτήτων στις ετήσιες εκποµπές καυσαερίων οδηγούν στις ακόλουθες διαπιστώσεις. Για τις εκποµπές διοξειδίου του θείου κύρια πηγή είναι η καύση άνθρακα και πετρελαίου µε 64% και 26% αντίστοιχα. Οι θερµοηλεκτρικοί σταθµοί και η βιοµηχανία των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης εκτιµάται ότι εκπέµπουν το 85% περίπου των ετήσιων εκποµπών. Από τις εκποµπές οξειδίων του αζώτου σε παγκόσµιο επίπεδο, τουλάχιστον το 50%, οφείλεται στην καύση πετρελαιοειδών στον τοµέα των µεταφορών, ενώ σύµφωνα µε εκτιµήσεις του ΟΟΣΑ το 39% των εκποµπών οφείλεται στην καύση άνθρακα σε θερµοηλεκτρικούς σταθµούς και στη βιοµηχανία. Τέλος, σε ό,τι αφορά το διοξείδιο του άνθρακα, στην περίπτωση των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης, οι θερµοηλεκτρικοί σταθµοί και η βιοµηχανία ευθύνονται για περισσότερο από το 50% των εκποµπών, ενώ οι µεταφορές για περισσότερο από το 25%. Η αλόγιστη χρήση της ενέργειας στη διάρκεια της βιοµηχανικής εποχής και κυρίως κατά τη µεταπολεµική περίοδο, είχε ως αποτέλεσµα τη σηµαντική αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα και ως επακόλουθο την ενίσχυση του φαινοµένου του θερµοκηπίου, αφού αν εξαιρέσουµε το 25% της αύξησης που οφείλεται στην καταστροφή των δασών, το υπόλοιπο 75% αφορά αποκλειστικά την ενέργεια. 1.3 Κατανάλωση ενέργειας στην Ελλάδα [4] Η κατανάλωση τελικής ενέργειας στην Ελλάδα ήταν σχεδόν σταθερή την περίοδο Μεταξύ των ετών η κατανάλωση τελικής ενέργειας αυξήθηκε κατά 6,5% περίπου, ενώ από τότε ο µέσος ετήσιος ρυθµός αύξησης είναι γύρω στο 2,5%. Συνολικά, η κατανάλωση ενέργειας αυξήθηκε κατά 26% την περίοδο , κυρίως ως συνέπεια της οικονοµικής ανάπτυξης και συγκεκριµένα από 16 εκατοµµύρια τόνους ισοδυνάµου πετρελαίου (ΤΙΠ) ετησίως το 1990, σε 20,2 εκατοµµύρια ΤΙΠ ετησίως το 2005, που αντιστοιχεί σε αύξηση της τελικής κατανάλωσης πετρελαιοειδών κατά 24% (από 11,5 ΤΙΠ το 1990 σε 14,2 ΤΙΠ το 2004) και επίσης σε µεγάλη αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, κατά 78%, από 2,45 ΤΙΠ το 1990 σε 4,4 ΤΙΠ το Σε ό,τι αφορά τις τελικές χρήσεις της ενέργειας, διαπιστώνουµε καταρχάς πολύ υψηλή συµµετοχή του τοµέα των µεταφορών (συγκρίσιµη µε την αντίστοιχη των ΗΠΑ ) και αυξητικές τάσεις στις µεταφορές, στον οικιακό και στον τριτογενή τοµέα, κυρίως λόγω της µείωσης της συµµετοχής του πρωτογενή και του δευτερογενή τοµέα στη δηµιουργία του Ελληνικού Ακαθάριστού Εθνικού Προϊόντος.

9 - 9 - Σχήµα 1.1 Τελική Κατανάλωση Ενέργειας ανά Τοµέα (1990, 2005) [4] Συγκεκριµένα, ο τοµέας των µεταφορών αντιπροσωπεύει το µεγαλύτερο µερίδιο της τελικής κατανάλωσης ενέργειας στην Ελλάδα που ανήλθε σε 8 εκατοµµύρια ΤΙΠ το Η κατανάλωση ενέργειας στις µεταφορές αυξήθηκε κατά 28% από τα επίπεδα του 1990, το µερίδιο όµως των µεταφορών στην τελική κατανάλωση µειώθηκε κατά 1,9% λόγω της αύξησης του µεριδίου του οικιακού και του τριτογενούς τοµέα. Το 2004 ο δείκτης εξοικονόµησης ενέργειας παρουσιάζει µείωση κατά 27% σε σχέση µε τα επίπεδα του Στις οδικές µεταφορές παρουσιάσθηκε βελτίωση κατά 19%, η οποία οφείλεται κυρίως στη διείσδυση πολλών νέων ΙΧ αυτοκινήτων. Οι αεροπορικές, θαλάσσιες και σιδηροδροµικές µεταφορές βελτίωσαν τον δείκτη εξοικονόµησης κατά 52%, 19% και 22% αντίστοιχα λόγω της χρήσης εκσυγχρονισµένων µέσων.

10 Σχήµα 1.2 είκτης Εξοικονόµησης Ενέργειας ODEX (Πηγή ENERDATA) [4] 1.4 Εξοικονόµηση ενέργειας Εισαγωγή Εξοικονόµηση ενέργειας είναι η µείωση της χρησιµοποιούµενης ποσότητας ενέργειας. Μπορεί να επιτευχθεί µέσω αποτελεσµατικότερης χρήσης της ενέργειας που θα µας επιτρέψει να επιτύχουµε συγκρίσιµο αποτέλεσµα, ή µέσω µείωσης της κατανάλωσης ενεργειακών υπηρεσιών. Οργανισµοί και ιδιώτες που είναι απευθείας καταναλωτές ενέργειας µπορεί να επιθυµούν την εξοικονόµησή της, ώστε να µειώσουν το κόστος της και να αυξήσουν την οικονοµική τους ασφάλεια. Η βιοµηχανία και οι εµπορικοί χρήστες µπορεί να θέλουν να αυξήσουν την αποτελεσµατικότητά τους και εποµένως τα κέρδη τους Εξοικονόµηση ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση [2] Το 2006 η Ευρωπαϊκή Επιτροπή ενέκρινε ένα σχέδιο δράσης µε σκοπό τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας κατά 20% έως το Με το σχέδιο δράσης επιδιώκεται να κινητοποιηθεί το ευρύ κοινό, οι ιθύνοντες χάραξης πολιτικής και οι παράγοντες της αγοράς και να µετασχηµατισθεί η εσωτερική αγορά ενέργειας κατά τρόπο που να προσφέρει στους πολίτες της Ευρωπαϊκής Ένωσης υποδοµές (συµπεριλαµβανοµένων των κτιρίων), προϊόντα (µεταξύ άλλων συσκευές και αυτοκίνητα), διεργασίες και ενεργειακές υπηρεσίες µε τον υψηλότερο, παγκοσµίως, ενεργειακό βαθµό απόδοσης. Επίσης επιδιώκεται ο έλεγχος και η µείωση της ενεργειακής ζήτησης καθώς και η στοχοθετηµένη δράση όσον αφορά την κατανάλωση και τον εφοδιασµό. Ο στόχος αντιστοιχεί µε ετήσια εξοικονόµηση 1,5% περίπου έως το 2020.

11 Η Επιτροπή θεωρεί ότι η σηµαντικότερη εξοικονόµηση ενέργειας µπορεί να πραγµατοποιηθεί στους ακόλουθους τοµείς: στις κατοικίες και τα εµπορικά κτίρια (τριτογενής τοµέας) µε δυναµικό µείωσης που εκτιµάται από 27% έως 30%, στον τοµέα των µεταφορών, µε δυνατότητες µείωσης που εκτιµώνται στο 26% και στην µεταποιητική βιοµηχανία, µε δυνατότητες εξοικονόµησης περίπου 25%. Η τοµεακή µείωση της κατανάλωσης ενέργειας αντιστοιχεί σε συνολική εξοικονόµηση που εκτιµάται σε 390 εκατοµµύρια ΤΙΠ ετησίως, δηλαδή 100 δισεκατοµµύρια έως το Εξοικονόµηση ενέργειας και µεταφορές στις ΗΠΑ [3] Ο όρος µεταφορές περιλαµβάνει τη χρήση οχηµάτων για προσωπικούς και για εµπορικούς σκοπούς. Από την ενέργεια που χρησιµοποιείται στον τοµέα, περίπου το 65% καταναλώνεται από βενζινοκίνητα οχήµατα κυρίως προσωπικής χρήσης. Τα µεταφορικά µέσα που χρησιµοποιούν ντίζελ (τρένα, εµπορικά πλοία, φορτηγά ) καταναλώνουν το 20% και οι εναέριες µεταφορές το µεγαλύτερο µέρος του υπόλοιπου 15%. Οι δύο πετρελαϊκές κρίσεις της δεκαετίας του 1970, οδήγησαν τις ΗΠΑ στη δηµιουργία του προγράµµατος CAFΕ (Corporate Average Fuel Economy), το οποίο απαιτούσε από τους κατασκευαστές αυτοκινήτων να επιτύχουν σταδιακά υψηλότερη οικονοµία καυσίµων. Την επόµενη δεκαετία προέκυψαν σηµαντικά επιτεύγµατα στον τοµέα αυτό, κυρίως ως αποτέλεσµα της µείωσης του µεγέθους και του βάρους των οχηµάτων σε συνδυασµό µε τη µετάβαση σε εµπροσθιοκίνητα οχήµατα. Το κέρδος αυτό εξαφανίστηκε µετά το 1990, εξαιτίας της αυξηµένης δηµοτικότητας των οχηµάτων εκτός δρόµου και SUV, των ηµιφορτηγών και των µίνιβαν. Επιπλέον του προγράµµατος CAFΕ, οι ΗΠΑ προσπάθησαν να ενθαρρύνουν τη βελτίωση της αποδοτικότητας των οχηµάτων µέσω της φορολογικής πολιτικής. Από το 2002, οι φορολογούµενοι έχουν επιστροφή φόρου εάν χρησιµοποιούν υβριδικά αυτοκίνητα αερίου/ ηλεκτρισµού (gas / electric hybrid vehicles). Ένας ειδικός φόρος που επιβλήθηκε στους κατασκευαστές το 1978, για οχήµατα µε εξοικονόµηση καυσίµου, έθεσε τέλος στην κυριαρχία των µεγάλου κυβισµού οχηµάτων, αλλά σήµερα πλέον αποδίδει πολύ λίγα έσοδα καθώς η συνολική εξοικονόµηση καυσίµων έχει πλέον βελτιωθεί.

12 Σχήµα 1.3 Πωλήσεις του υβριδικού οχήµατος Toyota Prius ανά τον κόσµο (µε κόκκινο χρώµα φαίνονται οι πωλήσεις στις ΗΠΑ) [5] Μια άλλη κατεύθυνση για την εξοικονόµηση βενζίνης αφορά τη µείωση των µιλίων που πραγµατοποιεί κάθε όχηµα. Εκτιµάται ότι το 40% της χρήσης των αυτοκινήτων στις ΗΠΑ συνδέεται µε τις καθηµερινές µετακινήσεις του πληθυσµού. Πολλές αστικές περιοχές επιδοτούν τις δηµόσιες µεταφορές και διευκολύνουν την πολλαπλή χρήση τους (carpooling) παρέχοντας σε αυτά ειδικές λωρίδες κυκλοφορίας και χαµηλότερα διόδια. Τέλος γίνεται προσπάθεια να εκπαιδευτούν οι χρήστες σε συµπεριφορές µεγιστοποίησης της εξοικονόµησης καυσίµων, οι κυριότερες από τις οποίες είναι η ήπια οδήγηση, η χαµηλή ταχύτητα και το σβήσιµο του κινητήρα στα φανάρια. Σύµφωνα µε το Αµερικανικό Υπουργείο Ενέργειας, κάθε 5 µίλια/ώρα που οδηγεί κάποιος µε ταχύτητα πάνω από 60 µίλια/ώρα, ισοδυναµούν µε πρόσθετο κόστος βενζίνης 0,30$/γαλόνι Περιορισµός του ενεργειακού κόστους των µεταφορών στην Ε. Ένωση [2] Με το 20% σχεδόν της συνολικής κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας και τον ταχύτερο ρυθµό αύξησης της ενεργειακής κατανάλωσης, ο τοµέας των µεταφορών ενέχει κινδύνους για το περιβάλλον (εκποµπές αερίων θερµοκηπίου), αλλά και αποτελεί έναν από τους κυριότερους παράγοντες εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιµα. Η µείωση της κατανάλωσης των αυτοκινήτων και η προώθηση καθαρότερων εναλλακτικών µεταφορών αποτελούν ουσιαστικούς παράγοντες για την επίλυση των προβληµάτων.

13 Η Ε. Επιτροπή έχει επιβάλει δεσµευτικό στόχο µείωσης των ρυπογόνων εκποµπών των αυτοκινήτων, έτσι ώστε να επιτευχθεί το όριο των 120 gr CO 2 /km έως το Επιδιώκει επίσης να αναλάβει δράση σε δοµικά στοιχεία των αυτοκινήτων, όπως ο κλιµατισµός ή τα ελαστικά, ιδίως µέσω ενός ευρωπαϊκού προτύπου για την αντίσταση κύλισης των ελαστικών και την ενθάρρυνση της παρακολούθησης της πίεσής τους. Εξάλλου, η προώθηση των πλέον αποδοτικών οχηµάτων ως προς την ενεργειακή κατανάλωση θα πραγµατοποιηθεί µε την ενίσχυση των κανόνων σήµανσης, µε τις κατάλληλες εκστρατείες ευαισθητοποίησης και την αγορά καθαρών οχηµάτων από τις δηµόσιες αρχές. Επίσης, θα δηµοσιευθεί Πράσινη Βίβλος για τις αστικές µεταφορές, µε την οποία θα επιδιώκεται η διάδοση της αποκτηθείσας εµπειρίας προκειµένου να ενθαρρυνθεί η χρήση µέσων µεταφοράς εκτός του αυτοκινήτου, όπως π.χ. οι δηµόσιες συγκοινωνίες, οι µη µηχανοκίνητοι τρόποι µεταφοράς και η τηλεργασία. Τέλος, θα εξεταστούν τρόποι µείωσης της ενεργειακής κατανάλωσης των άλλων µέσων µεταφοράς, σιδηροδροµικών, εναέριων και πλωτών. 1.5 Αυτοκινητοβιοµηχανίες Οι αυτοκινητοβιοµηχανίες είτε από δική τους θέληση, είτε λόγω θέσπισης περιοριστικών νόµων σπεύδουν να δηµιουργήσουν οχήµατα, τα οποία δεν θα µολύνουν το περιβάλλον. Μακροπρόθεσµα αυτό θα επιτευχθεί µε την χρήση του υδρογόνου. Τα οχήµατα θα µπορούν είτε να το χρησιµοποιούν σαν καύσιµο (µηχανές εσωτερικής καύσης υδρογόνου), είτε να δηµιουργούν ηλεκτρικό ρεύµα από αυτό µε την χρήση ενεργειακών κυψελών. Τέτοια οχήµατα υπάρχουν ήδη, όµως είναι σε πειραµατικό στάδιο και µέχρι να µπούνε σε µαζική παραγωγή το κόστος τους θα είναι απαγορευτικό. Κάτι τέτοιο εκτιµάται ότι θα γίνει σε 20 µε 30 χρόνια. Σχήµα 1.4 Εκτιµώµενη µείωση κατανάλωσης βαρελιών πετρελαίου από την χρήση οχηµάτων µε ενεργειακές κυψέλες στις ΗΠΑ [5]

14 Σχήµα 1.5 Εκτιµώµενη µείωση µέσης κατανάλωσης καυσίµου από την χρήση οχηµάτων υδρογόνου και των δύο ειδών στις ΗΠΑ [5] Από τα δύο είδη οχηµάτων που χρησιµοποιούν υδρογόνο, αυτά µε τις ενεργειακές κυψέλες θα επικρατήσουν στο µέλλον, καθώς η καύση του υδρογόνου δεν είναι το ίδιο αποτελεσµατική. Εικόνα 1.1 Honda Clarity: το πρώτο αυτοκίνητο µε ενεργειακές κυψέλες περιορισµένης παραγωγής. Εκµισθώνεται σε ιδιώτες µε κόστος 500 /µήνα για δοκιµαστική χρήση

15 Μέχρι να εδραιωθούν τα υδρογονοκίνητα οχήµατα, οι αυτοκινητοβιοµηχανίες θα πρέπει να χρησιµοποιήσουν άλλες τεχνολογίες για να µειώσουν τις εκποµπές καυσαερίων των αυτοκινήτων. Αυτό µπορεί να γίνει µε τη χρήση βιοκαυσίµων ή υβριδικής τεχνολογίας. Τα βιοκάυσιµα προέρχονται από νεκρή φυτική ύλη ή από οποιαδήποτε βιολογική ύλη µε µόρια άνθρακα, µετά από κατάλληλη επεξεργασία. Η χρήση βιοκαυσίµων είναι ήδη εκτεταµένη κυρίως σε χώρες µε αυξηµένη αγροτική δραστηριότητα. Τα βιοκαύσιµα δεν αποτελούν καλή µακροπρόθεσµη λύση, αφού µπορεί να µην έχουν ως προιόντα της καύσης τους βλαβερές ουσίες όπως το CO 2 (που ευθύνεται για το φαινόµενο του θερµοκηπίου), η παραγωγή τους όµως προκαλεί πολλά προβλήµατα, κοινωνικά και περιβαλλοντικά (προτίµηση καλλιέργειας φυτών για βιοκαύσιµα και όχι για τροφή, αποψίλωση δασών, διάβρωση του εδάφους από την υπερκαλλιέργεια και άλλα). Η υβριδική τεχνολογία είναι ένας εναλλακτικός τρόπος να µειωθεί η εκποµπή καυσαερίων. Η ανάλυση της ακολουθεί στα επόµενα κεφάλαια.

16 - 16 -

17 Υβριδικό όχηµα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2 Υβριδικό όχηµα [5],[6],[7],[9],[10],[11] Υβριδικό όχηµα είναι κάθε όχηµα το οποίο συνδυάζει µια συµβατική πηγή προώθησης (κινητήρας εσωτερικής καύσης) και µια εναλλακτική πηγή ενέργειας, η οποία συµπληρώνει τη λειτουργία της συµβατικής πηγής, ενώ έχει και τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας. Η εναλλακτική πηγή ενέργειας µπορεί να πάρει πολλές µορφές ανάλογα µε το είδος της ενέργειας που θα χρησιµοποιεί. Μπορεί να είναι κατά περίπτωση ηλεκτροκινητήρας, θερµικός κινητήρας, υδραυλικό ή µηχανικό σύστηµα και άλλα. Ο κάθε κατασκευαστής επιλέγει διαφορετικό τρόπο προσέγγισης της εναλλακτικής πηγής ενέργειας. Οι περιγραφές των διαφόρων συστηµάτων κίνησης που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία βασίζονται σε διεθνείς βιβλιογραφικές πηγές (επιστηµονικά άρθρα, τεχνικά φυλλάδια, διαδίκτυο κ.α.) και υπάρχουσες εφαρµογές. 2.2 Είδη υβριδικών οχηµάτων Υβριδικό όχηµα µε ηλεκτροκινητήρα Τα οχήµατα αυτά χρησιµοποιούν ένα συµβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης και έναν ηλεκτρικό κινητήρα. Επειδή υπάρχουν πολλά είδη διατάξεων ανάλογα µε διάφορα κριτήρια, θα παρουσιασθούν αναλυτικότερα σε επόµενο κεφάλαιο Υβριδικό θερµικό σύστηµα Σε αυτά τα οχήµατα υπάρχει µια διάταξη, η οποία χρησιµοποιεί τη θερµική ενέργεια των καυσαερίων για να παράγει ατµό, ο οποίος διοχετεύεται σε έναν ατµοστρόβιλο. Ο ατµοστρόβιλος υποβοηθά την κίνηση του οχήµατος µέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων Υδραυλικό υβριδικό σύστηµα [7] Σε αυτά τα οχήµατα υπάρχει µια αντλία κινητήρας, η οποία διακινεί µια ποσότητα υδραυλικού υγρού (λαδιού) µεταξύ δύο δοχείων. Το ένα δοχείο είναι η αποθήκη του υγρού και το άλλο είναι ένα έµβολο το οποίο περιέχει ένα αέριο. Κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης του οχήµατος η αντλία αντλεί το υγρό το οποίο συµπιέζει το αέριο. Με αυτόν τον τρόπο δεν χρειάζεται να ασκηθεί µεγάλη δύναµη στα φρένα του οχήµατος και έτσι η ενέργεια που θα χανόταν σε µορφή θερµότητας µετατρέπεται σε µηχανικό έργο (αποθηκεύεται).

18 Σχήµα 2.1 Λειτουργία υδραυλικού συστήµατος κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης [7] Σχήµα 2.2 Λειτουργία υδραυλικού συστήµατος κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης [7] Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης το δοχείο µε το συµπιεσµένο αέριο εκτονώνεται και δίνει κίνηση στην αντλία κινητήρα, η οποία κινεί τους τροχούς. Έτσι δεν απαιτείται µεγάλη συµβολή του κινητήρα εσωτερικής καύσης κατά την επιτάχυνση. Η συµπεριφορά του συστήµατος ελέγχεται από έναν ψηφιακό ελεγκτή. Το σύστηµα αυτό βρίσκει εφαρµογή σε µεγάλα οχήµατα όπως φορτηγά και µεγάλα αυτοκίνητα, γιατί απαιτεί κάποιο χώρο εγκατάστασης, όµως η εγκατάσταση του µπορεί να γίνει εκ των υστέρων. Η χρήση του µπορεί να µειώσει την κατανάλωση καυσίµου κατά 20%-30% και τις εκποµπές καυσαερίων σε αντίστοιχο ποσοστό Μηχανικό υβριδικό σύστηµα [9] Ένα τέτοιο σύστηµα χρησιµοποιεί µια µεγάλη περιστρεφόµενη µάζα (σφόνδυλο) για τις ανάγκες επιβράδυνσης και επιτάχυνσης. Κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης η κίνηση από τους τροχούς µεταφέρεται απ ευθείας στον σφόνδυλο ή µέσω ενός ηλεκτρικού κινητήρα και δεν

19 χάνεται στο περιβάλλον, ενώ κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης µεταφέρεται ξανά στους τροχούς µέσω ενός κιβωτίου συνεχώς µεταβαλλόµενων σχέσεων (CVT). Η αποθηκευµένη ενέργεια είναι ανάλογη της µάζας του σφονδύλου και ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητάς του. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει αν δοθεί στη ζυγοστάθµισή του προς αποφυγή ζηµιών. Θέµα ερευνών αποτελεί η εξέλιξη των ρουλεµάν, ώστε νε µηδενισθούν οι απώλειες ενέργειας, τα λιπαντικά τους όπως και η αποτελεσµατική και αξιόπιστη σύζευξη του σφονδύλου µε την ηλεκτρική µηχανή. Βασικό µειονέκτηµα αυτής της εφαρµογής είναι ότι προσθέτει ένα υπολογίσιµο επιπλέον βάρος στο όχηµα. Σχήµα 2.3 Υβριδικό όχηµα µε σφόνδυλο [9] Μικτά υβριδικά συστήµατα [10] Ένα τέτοιο σύστηµα µπορεί να περιέχει διάφορες διατάξεις που έχουν σκοπό την υποβοήθηση του συµβατικού κινητήρα εσωτερικής καύσης, για παράδειγµα, το TIGERS (Turbo - Generator Integrated Gas Energy Recovery System, σύστηµα ανάκτησης ενέργειας µε χρήση υπερσυµπιεστή). Το σύστηµα αυτό χρησιµοποιεί την κινητική ενέργεια των καυσαερίων για τη δηµιουργία ηλεκτρικού ρεύµατος µε χρήση ηλεκτρογεννήτριας. Με αυτόν τον τρόπο ο κινητήρας εσωτερικής καύσης απαλλάσσεται από την υποχρέωση να δίνει κίνηση στο δυναµό του κινητήρα ή και σε άλλα κινούµενα µέρη.

20 Σχήµα 2.4 Σύστηµα TIGERS [10] Τέτοιες εφαρµογές αποτελούν κυρίως έργο ιδιωτών ή µικρών εταιριών και είναι δύσκολο να περάσουν στη φάση της µαζικής εκµετάλλευσης των. 2.3 Κατάταξη υβριδικών οχηµάτων µε ηλεκτρικό κινητήρα σύµφωνα µε τον βαθµό υβριδοποίησης [5],[6] Η κατάταξη αυτή µπορεί να εφαρµοσθεί σε κάθε είδος υβριδικού οχήµατος, απλά στα ηλεκτροκίνητα οχήµατα υπάρχουν περισσότερες εφαρµογές και παραδείγµατα. Τα όρια µεταξύ του βαθµού υβριδοποίησης ενός οχήµατος δεν είναι απολύτως ξεκάθαρα και ερµηνεύονται από κάθε κατασκευαστή διαφορετικά. Στις περιοχές αµιγούς κίνησης η κατηγοριοποίηση είναι πιο ξεκάθαρη (αµιγώς βενζινοκίνητο ή ηλεκτροκίνητο αντίστοιχα). Ακολουθεί ένα διάγραµµα που απεικονίζει την συµβολή κάθε έιδους µηχανής (εσωτερικής καύσης και ηλεκτρικής) στην κίνηση ανάλογα µε τον βεθµό υβριδοποίησης.

21 Σχήµα 2.5 Κατάταξη οχηµάτων σύµφωνα µε το βαθµό υβριδοποίησης [5] Πλήρως (ισχυρό) υβριδικό όχηµα (Full Hybrid) Τα πλήρως υβριδικά οχήµατα είναι οχήµατα τα οποία µπορούν να κινηθούν αµιγώς µε οποιονδήποτε από τους δύο κινητήρες τους ή µε συνδυασµένη λειτουργία αυτών. Η χωρητικότητα των µπαταριών τους είναι αρκετή, ώστε να τους δίνει µια αυτονοµία κίνησης µε αποκλειστική χρήση του ηλεκτροκινητήρα για αρκετές δεκάδες χιλιόµετρα. Παραδείγµατα πλήρως υβριδικών οχηµάτων είναι το Toyota Prius και άλλα αυτοκίνητα του οµίλου της εταιρίας Toyota Υβριδικά υποβοήθησης (Power Assist Hybrid) Τα υβριδικά αυτά αποτελούνται από τα ίδια στοιχεία µε τα ισχυρά υβριδικά, όµως η διαφορά στη λειτουργία τους βρίσκεται στο γεγονός ότι δεν είναι ικανά να κινηθούν µόνο µε τον ηλεκτροκινητήρα τους, αλλά ο τελευταίος λειτουργεί πάντα υποβοηθητικά στον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Ένα τέτοιο υβριδικό είναι το παλαιό όχηµα Honda Civic Hybrid IMA Ήπια υβριδικά (Mild Hybrid) Τα οχήµατα αυτά είναι, ουσιαστικά, συµβατικά οχήµατα τα οποία µε διάφορες τεχνολογίες καταφέρνουν να έχουν µειωµένη κατανάλωση και εκποµπή βλαβερών για το περιβάλλον ρύπων. Οι τεχνολογίες αυτές µπορεί να είναι η αποτελεσµατικότερη καύση, τα συστήµατα διακοπτόµενης λειτουργίας και άλλα.

22 ιάφορες τεχνολογίες που επιτρέπουν τη υβριδοποίηση ενός οχήµατος [5] Σχήµα 2.6 Ιδιότητες οχηµάτων µε διαφορετικό βαθµό υβριδοποίησης [11] Υπάρχουν διάφοροι µέθοδοι να καταστεί ένα όχηµα υβριδικό. Συγκεντρώνοντας τους είναι οι εξής: διακοπή λειτουργίας του κινητήρα κατά τη στάση ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισµα µείωση του κινητήρα εσωτερικής καύσης εξ ολοκλήρου ηλεκτρική λειτουργία αύξηση εµβέλειας µε χρήση πολλών συσσωρευτών Αναλυτικότερα: ιακοπή λειτουργίας του κινητήρα κατά την στάση (start-stop) Όσα οχήµατα διαθέτουν αυτήν την τεχνολογία, σε κάθε στάση του αυτοκινήτου διακόπτουν τη λειτουργία του κινητήρα εσωτερικής καύσης για εξοικονόµηση ενέργειας. Αυτή η τεχνολογία βρίσκει πολύ καλή εφαρµογή σε αστικά κέντρα, όπου οι στάσεις είναι συχνές (φανάρια, µποτιλιάρισµα). Όλα τα υβριδικά αυτοκίνητα πρέπει να έχουν αυτή τη λειτουργία, όµως όσα αυτοκίνητα την διαθέτουν, δεν είναι απαραίτητα υβριδικά (σύµφωνα και µε την κατάταξη που προηγήθηκε) Ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισµα Ένα υβριδικό αυτοκίνητο χρειάζεται την ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισµα για να επιστρέψει µέρος της χαµένης ηλεκτρικής ενέργειας στους συσσωρευτές του. Για τη λειτουργία του συγκεκριµένου συστήµατος απαιτείται ένας αρκετά µεγάλος κινητήρας, ώστε να µπορεί να αναλάβει το έργο της επιβράδυνσης (κατά την οποία θα λειτουργεί ως γεννήτρια), αλλά και µια ικανότητα αποθήκευσης αυτής της ενέργειας (πολλούς συσσωρευτές).

23 Μερικές αυτοκινητοβιοµηχανίες ενσωµατώνουν σε συµβατικά αυτοκίνητα δυναµό (ηλεκτρικές γεννήτριες), τα οποία είναι µεγαλύτερα από το κανονικό µέγεθος µε σκοπό την αποθήκευση ενέργειας για περιφερειακές λειτουργίες. Τα ενισχυµένα αυτά δυναµό κατά την λειτουργία του αυτοκινήτου δεν είναι συνεχώς συνδεδεµένα µηχανικά µε τον ιµάντα του κινητήρα, για να µην σπαταλάται ενέργεια η οποία απαιτείται για την κίνησή του. Όταν ο οδηγός επιθυµεί να επιβραδύνει το αυτοκίνητο, τότε το δυναµό συνδέεται µηχανικά και επωµίζεται εν µέρη την επιβράδυνση µετατρέποντας την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική Μείωση του κινητήρα εσωτερικής καύσης Το επόµενο στάδιο στην υβριδοποίηση ενός οχήµατος είναι η µείωση του µεγέθους του κινητήρα εσωτερικής καύσης και η υποβοήθηση του από έναν ηλεκτρικό κινητήρα. Αυτή η µέθοδος µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να επιτευχθούν δυο σκοποί. Ο πρώτος είναι να βελτιωθεί η οικονοµία καυσίµου ενός οχήµατος. Με τη χρήση ενός µικρότερου κινητήρα εσωτερικής καύσεως και ενός ηλεκτροκινητήρα επιτυγχάνονται επιδόσεις συγκρίσιµες µε ένα όχηµα µε µεγαλύτερο κινητήρα εσωτερικής καύσης και µάλιστα µε µικρότερη κατανάλωση καυσίµου. Ο δεύτερος σκοπός είναι η αύξηση της ιπποδύναµης ενός οχήµατος. Με την χρήση ενός ηλεκτροκινητήρα µπορούµε να αναβαθµίσουµε τις επιδόσεις ενός οχήµατος (κυρίως λόγω της µεγαλύτερης ροπής που αναπτύσσουν οι ηλεκτροκινητήρες σε σχέση µε τους βενζινοκινητήρες στο χαµηλό εύρος στροφών λειτουργίας τους) Εξ ολοκλήρου ηλεκτρική λειτουργία Σε αυτήν την κατηγορία βρίσκονται τα υβριδικά οχήµατα, τα οποία µπορούν να κινηθούν αποκλειστικά µε τον ηλεκτρικό τους κινητήρα για περιορισµένο αριθµό χιλιοµέτρων. Η αυτονοµία τους δεν είναι µεγάλη (40-50 χλµ.) ενώ µετά τα 30 χλµ./ώρα συνήθως ο κινητήρας εσωτερικής καύσης επωµίζεται την κίνηση του οχήµατος, γιατί η εξ ολοκλήρου λειτουργία του ηλεκτρικού κινητήρα είναι ασύµφορη σε υψηλότερες ταχύτητες, λόγω υψηλής απαίτησης σε ρεύµα. Η συνδυασµένη αυτή λειτουργία των δύο µηχανών οδηγεί στην µείωση της κατανάλωσης καυσίµου και χαρακτηρίζει τα ισχυρά υβριδικά οχήµατα Αύξηση εµβέλειας µε χρήση πολλών συσσωρευτών Τέτοια οχήµατα είναι κυρίως ηλεκτροκίνητα και οι µπαταρίες τους φορτίζονται από το δίκτυο ηλεκτροδότησης µε πρίζα (plug in hybrid, PHEV). Σε σύγκριση µε τα υπόλοιπα οχήµατα διαφέρουν στο ότι έχουν αρκετούς συσσωρευτές, ώστε να µπορούν να κινηθούν εξ ολοκλήρου µε τον ηλεκτρικό κινητήρα για πολλές δεκάδες χιλιόµετρα ( χλµ.). Επίσης διαθέτουν και έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης για µεγαλύτερες αποστάσεις αλλά και υποβοήθηση του ηλεκτρικού κινητήρα. Ακολουθεί ένα διάγραµµα το οποίο παρουσιάζει τον διαφορετικό βαθµό υβριδοποίησης των παραπάνω τεχνολογιών.

24 Σχήµα 2.7 Εκτιµώµενη οικονοµία καυσίµου για διάφορα είδη υβριδικών οχηµάτων [5] 2.5 ιατάξεις υβριδικών οχηµάτων [6],[11] Σειριακή διάταξη Ένα σειριακό υβριδικό όχηµα αποτελείται από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, έναν ηλεκτρικό κινητήρα που λειτουργεί συνεχώς ως γεννήτρια και έναν ηλεκτρικό κινητήρα. Χαρακτηριστικό αυτής της διάταξης είναι ότι οι τροχοί δέχονται κίνηση συνεχώς από τον ηλεκτρικό κινητήρα και ο κινητήρας εσωτερικής καύσης κινεί µόνο την γεννήτρια. Αυτός ανάλογα µε τις συνθήκες κίνησης τροφοδοτείται από µια συστοιχία µπαταριών, από την γεννήτρια που κινεί ο κινητήρας εσωτερικής καύσης ή και από τις δύο πηγές ενέργειας. Σχήµα 2.8 Υβριδικό όχηµα µε σειριακή διάταξη [11]

25 Κατά τη διάρκεια της κίνησης του οχήµατος λειτουργούν διαφορετικά στοιχεία του συστήµατος. Σε χαµηλές ταχύτητες οι τροχοί κινούνται µόνο µε τη συµβολή ενέργειας από τις µπαταρίες. Σχήµα 2.9 Σειριακή διάταξη κατά τη διάρκεια κίνησης. Το σύστηµα διαχείρισης αντλεί ενέργεια από την µπαταρία του οχήµατος, κινώντας το αυτοκίνητο µόνο µε ηλεκτρισµό. [11] Σε υψηλότερες ταχύτητες ο κινητήρας εσωτερικής καύσης µπαίνει σε λειτουργία και δίνει µέρος της ενέργειάς του (σε ηλεκτρική µορφή) στον ηλεκτροκινητήρα κίνησης αλλά και στις µπαταρίες. Κατά τη διάρκεια πλήρους επιτάχυνσης, ο ηλεκτροκινητήρας δέχεται όλη την ενέργεια από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης αλλά και από τις µπαταρίες για να ανταπεξέλθει στην αυξηµένη ζήτηση ροπής. Σχήµα 2.10 Σειριακή διάταξη κατά τη διάρκεια πλήρους επιτάχυνσης. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης µέσω της γεννήτριας υποβοηθά τον ηλεκτρικό κινητήρα. [11] Τέλος, κατά τη διάρκεια φρεναρίσµατος (επιβράδυνσης) ο ηλεκτροκινητήρας φορτίζει τις µπαταρίες για µελλοντική χρήση τους (ανάκτηση ενέργειας). Εκτός από συσσωρευτές µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε και υπερπυκνωτές, οι οποίοι µπορούν να δεχθούν πολύ ενέργεια γρήγορα.

26 Είναι καταλληλότεροι για απότοµα φρεναρίσµατα και έτσι οι µπαταρίες γλιτώνουν την καταπόνηση της απότοµης φόρτισης. Σχήµα 2.11 Σειριακή διάταξη κατά τη διάρκεια επιβράδυνσης. Η κινητική ενέργεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική µέσω του ηλεκτρικού κινητήρα. [11] Τα πλεονεκτήµατα αυτής της διάταξης είναι αρκετά και σχετίζονται µε τον απλό τρόπο σύνδεσης των µερών του συστήµατος. Καταρχήν ο κινητήρας εσωτερικής καύσης µπορεί να λειτουργεί συνεχώς στο βέλτιστο σηµείο λειτουργίας του, αφού δεν απαιτείται µεταβολή των στροφών του. Λόγο αυτού του γεγονότος µπορεί και να µην επιλεχθεί καν βενζινοκινητήρας, αλλά ένας άλλος µη συµβατικός κινητήρας εσωτερικής καύσης (κινητήρας µε διαφορετικό κύκλο λειτουργίας, ατµοστρόβιλος). Επίσης, το σύστηµα µετάδοσης το οποίο χρησιµοποιούν όλα τα οχήµατα, µπορεί να παραληφθεί, γιατί ο ηλεκτροκινητήρας ο οποίος δίνει κίνηση στους τροχούς µπορεί να αποδίδει ικανοποιητικά ποσά ροπής σε µεγάλο εύρος στροφών µε κατάλληλο έλεγχο. Η τοποθέτηση του κινητήρα δεν απαιτείται να συνδέεται µε τους κινητήριους τροχούς και αυτό είναι ένα µεγάλο πλεονέκτηµα για µια καλύτερη χωροταξική διάταξη των µηχανών και των µπαταριών. Όµως, η συγκεκριµένη διάταξη έχει και κάποια σοβαρά µειονεκτήµατα. Το µεγαλύτερο είναι ο χαµηλός βαθµός απόδοσης του συστήµατος, λόγω της σειριακής σύνδεσης των κινητήρων. Ο συνολικός βαθµός απόδοσης είναι ίσος µε το γινόµενο των επιµέρους βαθµών απόδοσης. Επίσης, η χρήση αυτής της διάταξης δεν ενδείκνυται για οχήµατα που διανύουν µεγάλες αποστάσεις. Αυτό συµβαίνει διότι ο ηλεκτροκινητήρας που τροφοδοτείται από τις µπαταρίες απαιτεί µεγάλα ποσά ενέργειας για µεγάλες αποστάσεις, κάτι που επιτυγχάνεται µόνο µε µεγάλες συστοιχίες µπαταριών, οι οποίες είναι ακριβές, προσθέτουν βάρος στο όχηµα και απαιτούν συντήρηση. Ακόµα ο κινητήρας εσωτερικής καύσης πρέπει να είναι και αυτός µεγαλύτερος για κάλυψη µεγάλων αποστάσεων, αφού όταν τελειώσει η αποθηκευµένη ενέργεια θα πρέπει να τροφοδοτηθεί εξ ολοκλήρου από αυτόν. Λόγω όλων των παραπάνω θετικών και αρνητικών λειτουργικών στοιχείων, οχήµατα µε σειριακή υβριδική διάταξη απευθύνονται κυρίως σε ενδοαστικές µετακινήσεις. Μέσα σε ένα αστικό περιβάλλον οι ταχύτητες που αναπτύσσονται δεν είναι πολύ µεγάλες, οι αποστάσεις επίσης, ενώ υπάρχουν και συχνά φρεναρίσµατα τα οποία προσθέτουν επιπλέον ενέργεια στους συσσωρευτές.

27 Εάν το απαιτεί η εφαρµογή, ο ηλεκτρικός κινητήρας που δίνει την κίνηση στους τροχούς µπορεί να αντικατασταθεί από δύο ή τέσσερις µικρότερους κινητήρες, έναν σε κάθε τροχό. Τέτοιες εφαρµογές έχουν παραχθεί µόνο σε πειραµατική µορφή Παράλληλη διάταξη Στη διάταξη αυτή ο κινητήρας εσωτερικής καύσης και ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι συνδεδεµένοι µηχανικά και κινούν τους κινητήριους τροχούς. Λόγω της µηχανικής σύνδεσης του κινητήρα εσωτερικής καύσης µε τους τροχούς απαιτείται κιβώτιο ταχυτήτων. Σχήµα 2.12 Υβριδικό όχηµα µε παράλληλη διάταξη [11] Κατά τη διάρκεια της κίνησης του οχήµατος η ενέργεια µπορεί, ανάλογα µε την περίπτωση, να οδηγείται από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης στον ηλεκτροκινητήρα και στη συνέχεια στους τροχούς ή στις µπαταρίες. Ένας ελεγκτής ρυθµίζει την εκάστοτε συµβολή του κάθε στοιχείου του συστήµατος, στην προώθηση των τροχών. Κατά τη διάρκεια επιτάχυνσης η κίνηση δίνεται και από τους δύο κινητήρες, ενώ κατά τη διάρκεια της κίνησης µπορεί η περίσσεια ενέργειας από τους κινητήρες να φορτίζει τις µπαταρίες. Τέλος, κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης λειτουργεί µόνο ο ηλεκτροκινητήρας σαν γεννήτρια και φορτίζει τις µπαταρίες. Η διάταξη αυτή σε σύγκριση µε την σειριακή µπορεί να µην απαιτεί µεγάλες συστοιχίες µπαταριών και ηλεκτροκινητήρα, άλλα το κόστος παραµένει το ίδιο λόγω της αναγκαίας χρήσης κιβωτίου ταχυτήτων, όπως και στα συµβατικά οχήµατα. Επίσης, λόγω της ικανότητας κίνησης από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, δεν απαιτούνται πολλοί συσσωρευτές και αυξάνεται η αυτονοµία του οχήµατος. Ακόµα, η απ ευθείας κίνηση του οχήµατος από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης αυξάνει το βαθµό απόδοσης του συστήµατος και δίνει τη δυνατότητα στο όχηµα να κινηθεί και εκτός πόλης µε µεγαλύτερες ταχύτητες.

28 Σχήµα 2.13 Παράλληλη διάταξη κατά τη διάρκεια της κίνησης. Η ενέργεια προέρχεται κυρίως από τις µπαταρίες. Επιπλέον ενέργεια µπορεί να δοθεί θέτοντας τον κινητήρα εσωτερικής καύσης σε λειτουργία. [11] Σχήµα 2.14 Παράλληλη διάταξη κατά τη διάρκεια επιβράδυνσης. Η κινητική ενέργεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική µέσω της ηλεκτρικής γεννήτριας. [11] Το µειονέκτηµα αυτής της διάταξης είναι η τεχνολογία που απαιτείται, ώστε η σύζευξη των δύο µηχανών να επιτυγχάνεται µε αποτελεσµατικό τρόπο. Αυτό απαιτεί εκτός από το κιβώτιο ταχυτήτων, έναν συµπλέκτη ο οποίος θα παρεµβάλλεται µεταξύ των δύο κινητήρων αλλά και µια υπολογιστική µονάδα που θα ελέγχει την κατανοµή της ισχύος κάθε στιγµή. Επίσης η µεγαλύτερη συµβολή του κινητήρα εσωτερικής καύσης αυξάνει και την κατανάλωση καυσίµου του οχήµατος Συνδυασµένη λειτουργία κινητήρων Αυτή η διάταξη αποτελεί την ένωση των δύο προηγούµενων διατάξεων. Η πολυπλοκότητα των µηχανικών συνδέσεων απαιτεί την ύπαρξη ενός διαφορικού, το οποίο θα µοιράζει τη ροπή σε τέσσερις διαφορετικές κατευθύνσεις. Το σύστηµα αυτό αποτελείται από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, έναν ηλεκτρικό κινητήρα, µια ηλεκτρική γεννήτρια και µπαταρίες.

29 Σχήµα 2.15 Υβριδικό όχηµα µε συνδυασµένη λειτουργία κινητήρων [11] Ανάλογα µε την κίνηση που κάνει το όχηµα, κάθε µονάδα συνεισφέρει µε διαφορετικό ποσοστό στην κίνηση. Κατά τη διάρκεια κίνησης µε χαµηλή ταχύτητα η απαιτούµενη ενέργεια αντλείται από τις µπαταρίες και µετατρέπεται σε κίνηση µόνο από τον ηλεκτρικό κινητήρα. Αυτό επιτρέπει στο όχηµα να κινηθεί σε χαµηλές ταχύτητες, χωρίς να εκκινήσει ο κινητήρας εσωτερικής καύσης, κάτι που βελτιώνει την οικονοµία καυσίµου. Σχήµα 2.16 Μικτή διάταξη κατά τη διάρκεια της κίνησης µε χαµηλή ταχύτητα. Το όχηµα κινείται ηλεκτρικά µόνο. [11] Κατά τη διάρκεια της κίνησης µε µεγαλύτερη ταχύτητα όλοι οι κινητήρες πάνω στο όχηµα χρησιµοποιούνται. Αν η παραγόµενη ενέργειά τους αρκεί για να κινηθούν οι κινητήριοι τροχοί τότε η περισσευούµενη ενέργεια αποθηκεύεται στις µπαταρίες. Εάν δεν είναι αρκετή, συµβάλλουν και οι µπαταρίες στην επιτάχυνση.

30 Σχήµα 2.17 Μικτή διάταξη κατά τη διάρκεια επιτάχυνσης. Όλοι οι κινητήρες συµµετέχουν στην παροχή ενέργειας. [11] Τέλος και αυτή η διάταξη επιτρέπει κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης οι µπαταρίες να φορτίζονται για µετέπειτα χρήση. Σχήµα 2.18 Μικτή διάταξη κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης. Η κινητική ενέργεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική µέσω της ηλεκτρικής µηχανής. [11] Ανεξάρτητη λειτουργία Η συγκεκριµένη διάταξη θεωρείται µια παραλλαγή της παράλληλης διάταξης, όµως είναι η απλούστερη δυνατή διάταξη που µπορεί να χρησιµοποιεί σε ένα υβριδικό όχηµα. Οι µπροστινοί συνήθως τροχοί κινούνται από έναν συµβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης και οι πίσω από µια ηλεκτρική µηχανή η οποία λειτουργεί είτε ως κινητήρας είτε ως γεννήτρια. Η διάταξη αυτή είναι µια πολύ καλή επιλογή για τετρακίνητα οχήµατα αφού µπορούν να κινηθούν ο µπροστινός και ο πίσω άξονας ανεξάρτητα, χωρίς την ύπαρξη άξονα µετάδοσης και διαφορικού, κάτι που µειώνει το συνολικό βάρος του οχήµατος.

31 Σχήµα 2.19 Ανεξάρτητη λειτουργία κινητήρων. Οι κινητήρες λειτουργούν εντελώς ανεξάρτητα και ανάλογα µε την στιγµιαία ζήτηση ενέργειας. [11]

32 - 32 -

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 3 Παραδείγµατα υβριδικών οχηµάτων [6],[10],[12],[13],[14],[15] 3.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιασθούν παραδείγµατα υβριδικών αυτοκινήτων αλλά και γενικότερα τεχνολογιών που βρίσκουν εφαρµογή σε συµβατικά αυτοκίνητα και έχουν σαν σκοπό τη µείωση της κατανάλωσης καυσίµου. Τα παραδείγµατα παρουσιάζουν όλες τις δυνατές βαθµίδες υβριδοποίησης ενός οχήµατος ξεκινώντας από συµβατικά οχήµατα και καταλήγοντας σε πλήρως υβριδικά αυτοκίνητα, καθώς και σε διαφορετικές διατάξεις. 3.2 Υβριδική τεχνολογία της εταιρίας BMW Ανάκτηση ενέργειας [12] Η αυτοκινητοβιοµηχανία BMW στα νέα της µοντέλα έχει προσθέσει όλες τις λειτουργίες ενός ήπιου υβριδικού συστήµατος. ηλαδή ο κινητήρας του αυτοκινήτου κατά τη διάρκεια που είναι σταµατηµένο (σε ένα φανάρι, σε κυκλοφοριακή συµφόρηση) και ο συµπλέκτης δεν είναι πατηµένος, σβήνει. Επίσης το σύστηµα υποστηρίζει και ανάκτηση ενέργειας, όταν το αυτοκίνητο δεν επιταχύνει. Αντί του συµβατικού δυναµό και µιας µπαταρίας, το σύστηµα αυτό έχει µια µεγαλύτερη µπαταρία και µια ηλεκτρική γεννήτρια. Η µεγαλύτερη µπαταρία απαιτείται για να καλύψει τις αυξηµένες απαιτήσεις των σύγχρονων αυτοκινήτων αλλά και τον αυξηµένο αριθµό εκκινήσεων. Η γεννήτρια, σε αντίθεση µε ένα δυναµό το οποίο είναι συνεχώς συνδεδεµένο µε τον κινητήρα µέσω ενός ιµάντα, λειτουργεί µόνο όταν το αυτοκίνητο δεν επιταχύνει. Με αυτόν τον τρόπο δεν προστίθενται στον κινητήρα εσωτερικής καύσης επιπλέον τριβές και απώλειες και έτσι µειώνεται η κατανάλωση του (γύρω στο 3%). Επιπλέον, όσο περισσότερα τµήµατα του αυτοκινήτου είναι εφικτό, µετατρέπονται από υδραυλικά ή µηχανικά σε ηλεκτρικά, έτσι ώστε να τροφοδοτούνται από τους συσσωρευτές και όχι από τον ιµάντα του κινητήρα (κλιµατισµός, υποβοήθηση τιµονιού και άλλα). Τέλος, τα αυτοκίνητα αυτά έχουν και κάποια περιφερειακά συστήµατα, τα οποία βοηθούν στην περαιτέρω µείωση της κατανάλωσης. Τέτοια συστήµατα είναι ενεργά πτερύγια στο σύστηµα ψύξης (ελέγχεται ηλεκτρονικά η θέση τους ανάλογα µε την θερµοκρασία του κινητήρα) για βελτίωση της αεροδυναµικής, αλλά και µια ενδεικτική λυχνία προτεινόµενης αλλαγής ταχύτητας σε µηχανικά κιβώτια ταχυτήτων. Εικόνα 3.1 Κύκλωµα ανάκτησης ενέργειας σε µια BMW Σειρά 3 [12]

34 Υβριδικό αυτοκίνητο Toyota Prius [6],[13] Το αυτοκίνητο Toyota Prius ήταν το πρώτο υβριδικό όχηµα µαζικής παραγωγής. Η παρούσα έκδοσή του έχει έναν βενζινοκινητήρα 1,5 l που αποδίδει 76 hp (57 kw) στις 5000 rpm και 115 Nm ροπής στις 4200 rpm, καθώς και έναν ηλεκτρικό κινητήρα ο οποίος παράγει 67 hp (50 kw) στις 1200 rpm και 400 Nm ροπής στις 0 rpm. Η συνδυασµένη λειτουργία τους αποδίδει 110 hp (82 kw). Τα επιµέρους χαρακτηριστικά λειτουργίας της παρούσας έκδοσης είναι: ο βενζινοκινητήρας χρησιµοποιεί τον κύκλο Atkinson, σε αντίθεση µε όλα τα συµβατικά βενζινοκίνητα αυτοκίνητα που χρησιµοποιούν τον κύκλο Otto, µε όφελος στην οικονοµία καυσίµου και απώλεια στην παραγόµενη ιπποδύναµη ο βενζινοκινητήρας χρησιµοποιεί ένα κιβώτιο ταχυτήτων συνεχώς µεταβαλλόµενης σχέσης (E-CVT) για να λειτουργεί συνέχεια στο βέλτιστο, από πλευράς απόδοσης, αριθµό στροφών έχει χαµηλή αεροδυναµική οπισθέλκουσα και ελαστικά που έχουν µειωµένη τριβή µε το οδόστρωµα (µε µια µείωση στα διαθέσιµα ποσά πρόσφυσής των) χρησιµοποιεί συνδυασµένη διάταξη (σειριακή παράλληλη) υβριδικού συστήµατος, το οποίο ονοµάζεται Hybrid Synergy Drive (HSD) ο κινητήρας ο οποίος δίνει κίνηση στους τροχούς είναι ένας σύγχρονος κινητήρας µόνιµου µαγνήτη ο κινητήρας ο οποίος λειτουργεί συνεχώς ως γεννήτρια µπορεί να περιστραφεί σε ένα εύρος στροφών από 0 rpm έως rpm ανάλογα µε τις ανάγκες κίνησης χρησιµοποιείται ένας αντιστροφέας 50 kw µε ηµιαγωγικά στοιχεία ισχύος IGBT η συστοιχία µπαταριών αποτελείται από 168 στοιχεία Νικελίου µετάλλου υδριδίου (NiMh) (1,2 V το καθένα), που έχουν τάση εξόδου 201,6 V, χωρητικότητα 6,5 Ah και βάρους 39 kg Εικόνα 3.2 Η παρούσα έκδοση του Toyota Prius [13]

35 Το συγκεκριµένο αυτοκίνητο έχει κατασκευαστεί έτσι ώστε να χρησιµοποιεί την υβριδική τεχνολογία για µείωση της κατανάλωσής του. Ο βενζινοκινητήρας του έχει µειωµένη απόδοση αλλά και κατανάλωση (4,2-5 l/100 km). Το Prius έχει δυνατότητα εξ ολοκλήρου λειτουργίας µε ηλεκτροκίνηση, αλλά και ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισµα. Οι δύο τελευταίες λειτουργίες που αναφέρθηκαν, το κατατάσσουν στην κατηγορία των πλήρως υβριδικών οχηµάτων. Το σύστηµα σύστηµα ελέγχου των διαφόρων λειτουργιών «Hybrid Synergy Drive» ανάλογα µε την κατάσταση κίνησης του αυτοκινήτου ενεργοποιεί κάθε υποµονάδα, αντίστοιχα µε τον τρόπο που έχει περιγραφεί η λειτουργία της σειριακής-παράλληλης διάταξης. Αναλυτικότερα, κατά την εκκίνηση χρησιµοποιεί τον ηλεκτρικό κινητήρα και κατά περίπτωση τον βενζινοκινητήρα, κατά την κίνηση και τους δύο αλλά και την γεννήτρια για φόρτιση των µπαταριών, κατά την πλήρη επιτάχυνση και τους τρεις και κατά την επιβράδυνση χρησιµοποιεί µόνο τη γεννήτρια για φόρτιση των µπαταριών. Ο συντονισµός αυτών των λειτουργιών γίνεται µε µεγάλη ακρίβεια και πολύ γρήγορα, η δε αλλαγή των καταστάσεων παρουσιάζεται σε µια οθόνη και έτσι ο οδηγός έχει πλήρη ενηµέρωση για την κινητική και ενεργειακή κατάσταση διαρκώς και σε πραγµατικό χρόνο. Η κατανοµή της ροπής ανάµεσα στους τρεις κινητήρες και το διαφορικό επιτυγχάνεται µε ένα επικυκλικό (ή πλανητικό) κιβώτιο. Αυτό αποτελείται από έναν κεντρικό άξονα (ήλιο), ο οποίος συνδέεται µε έναν εξωτερικό δακτύλιο µέσω µικρότερων γραναζιών (πλανήτες), τα οποία µε τη σειρά τους είναι συνδεδεµένα µεταξύ τους µε τον φορέα των πλανητών. Σε αυτό το κιβώτιο συνδέονται όλα τα περιστρεφόµενα στοιχεία του υβριδικού συστήµατος. Ο βενζινοκινητήρας συνδέεται στο φορέα των πλανητών, η γεννήτρια στον ήλιο και ο ηλεκτρικός κινητήρας και το διαφορικό στον εξωτερικό δακτύλιο. Αυτό σηµαίνει ότι ο ηλεκτροκινητήρας περιστρέφεται µε την ίδια ταχύτητα µε το διαφορικό. Εικόνα 3.3 Επικυκλικό (πλανητικό) κιβώτιο: διακρίνονται ο ήλιος (κίτρινο), οι πλανήτες (µπλε), ο εξωτερικό δακτύλιος (κόκκινο) και ο φορέας των πλανητών (πράσινο) [6]

36 Εικόνα 3.4 Επικυκλικό (πλανητικό) σύστηµα γραναζιών [6] Ακολουθούν φωτογραφίες από επιµέρους τµήµατα ενός υβριδικού οχήµατος Toyota Prius. Εικόνα 3.5 Έξι µπαταρίες συγκροτούν µια από τις 28 υποµονάδες της συστοιχίας συσσωρευτών [6]

37 Εικόνα 3.6 Ο αντιστροφέας ενός αυτοκινήτου Toyota Prius, οι τρεις µαύροι κύλινδροι είναι πυκνωτές [6] Εικόνα 3.7 Το σύστηµα HDS, φαίνεται ο βενζινοκινητήρας αριστερά και ο αντιστροφέας δεξιά [6] 3.4 Υβριδικό όχηµα Lexus RX400h [6] Η αυτοκινητοβιοµηχανία Lexus είναι µια θυγατρική εταιρεία της Toyota, η οποία ακολουθεί και αυτή την τακτική της υβριδοποίησης του διαθέσιµου στόλου της. Το 2006 άρχισε να διαθέτει

38 στην αγορά ένα υβριδικό όχηµα διαφορετικό από τα υπόλοιπα. Το µοντέλο Lexus RX400h ήταν διαφορετικό από όλα τα υπόλοιπα υβριδικά, διότι σκοπός του δεν ήταν η χαµηλή κατανάλωση και εκποµπή βλαβερών ουσιών, αλλά η υποβοήθηση του κινητήρα µε γνώµονα την καλύτερη απόδοση. Γι αυτό τον λόγο το αυτοκίνητο Lexus είναι εξοπλισµένο µε έναν µεγάλο κινητήρα εσωτερικής καύσεως 3,3 lt που αποδίδει 211 hp (155 kw) και 288 Nm ροπής. Εκτός όµως από τον βενζινοκινητήρα, το Lexus διαθέτει και δύο ηλεκτρικούς κινητήρες και µια ηλεκτρική γεννήτρια (δυναµό) για ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισµα. Ο δυνατότερος ηλεκτρικός κινητήρας (167 hp (123 kw) ιπποδύναµη και ροπή 333 Nm) βρίσκεται στο µπροστινό µέρος του αυτοκινήτου και υποβοηθά τον βενζινοκινητήρα, ενώ ο µικρότερος (68 hp (50 kw) ιπποδύναµη, ροπή 130 Nm και όριο στροφών rpm), κινεί τους πίσω τροχούς µόνο. Συνολικά το Lexus παράγει 272 hp (200 kw) ιπποδύναµη (η συνολική ιπποδύναµη προκύπτει µικρότερη από το άθροισµα των επιµέρους ιπποδυνάµεων λόγω του βαθµού απόδοσης του συστήµατος µετάδοσης αλλά και της διάταξης που χρησιµοποιεί). Οι µπαταριές που χρησιµοποιεί είναι ίδιου τύπου µε του Toyota Prius, NiMh, και έχουν τάση εξόδου 650 V. Εικόνα 3.8 Lexus RX400h [6] Οι κινητήρες του RX400h έχουν διαταχθεί σειριακά παράλληλα (µικτή διάταξη), αλλά και σε ανεξάρτητη διάταξη στον εµπρός και πίσω άξονα. Οι δύο µπροστινοί κινητήρες συνδυάζονται µε ένα επικυκλικό σύστηµα γραναζιών και δίνουν κίνηση στους µπροστινούς τροχούς µε ένα ηλεκτρονικά ελεγχόµενο κιβώτιο συνεχώς µεταβαλλόµενης σχέσης (E-CVT), παρόµοιο σε λειτουργία µε το CVT κιβώτιο. Ο µικρότερος ηλεκτροκινητήρας κινεί τους πίσω τροχούς χωρίς τη χρήση κιβωτίου ταχυτήτων, λόγω του µεγάλου εύρους στροφών του. Κατά τη διάρκεια της εκκίνησης το Lexus χρησιµοποιεί µόνο τους ηλεκτροκινητήρες. Κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης η ηλεκτρική γεννήτρια ανακτά ενέργεια για φόρτιση των µπαταριών. Κατά τη διάρκεια της κίνησης χρησιµοποιεί µόνο τον µπροστινό ηλεκτροκινητήρα και τον βενζινοκινητήρα ενώ σε περίπτωση πλήρους επιτάχυνσης ή απώλειας πρόσφυσης ενεργοποιείται και ο πίσω ηλεκτροκινητήρας. Η τελευταία λειτουργία (E-four) αποτελεί και τη διαφοροποίηση του Lexus από όλα τα υπόλοιπα τετρακίνητα οχήµατα. Η τετρακίνηση του Lexus δεν απαιτεί άξονα µεταφοράς της κίνησης στους πίσω τροχούς, οπότε το κέρδος αυτό στο βάρος του αυτοκινήτου, αντισταθµίζει το επιπλέον βάρος του υβριδικού συστήµατος.

39 Εικόνα 3.9 Υβριδικό σύστηµα Lexus RX400h: 1) βενζινοκινητήρας, 2)µπροστινός ηλεκτροκινητήρας, 3)µπαταρίες, 4) Lexus Hybrid Drive, 5)πίσω ηλεκτροκινητήρας [20] Όλες οι προσθήκες έχουν βελτιώσει πολύ τα χαρακτηριστικά του αυτοκινήτου, µε βάση τις επιδόσεις αλλά και µε βάση την κατανάλωση καυσίµου και την εκποµπή ρύπων.

40 Εικόνα 3.10 Υβριδικό σύστηµα RX400h: 1) βενζινοκινητήρας, 2)µπροστινός ηλεκτροκινητήρας, 3)πίσω ηλεκτροκινητήρας, 4) Lexus Hybrid Drive, 5)µπαταρίες 3.5 Υβριδικά επαγγελµατικά οχήµατα [10], [14], [15] Η υβριδική τεχνολογία δεν βρίσκει εφαρµογή µόνο στα αυτοκίνητα ιδιωτικής χρήσης, αλλά και σε επαγγελµατικά οχήµατα όπως λεωφορεία και φορτηγά. Τέτοια παραδείγµατα είναι το υβριδικό λεωφορείο Mitsubishi Aero Star, καθώς και το Solaris Urbino 18 Hybrid και το φορτηγό µε ανακλινόµενη καρότσα Canter Eco-D. Το πρώτο είναι ένα λεωφορείο µε ένα κινητήρα πετρελαίου 4,9 λίτρων µια ηλεκτρική γεννήτρια 40 kw, δύο ηλεκτρικούς κινητήρες 79 kw, και συστοιχία συσσωρευτών ιόντων λιθίου 634 V. Τα βοηθητικά του συστήµατα (κλιµατισµός, υποβοήθηση τιµονιού) είναι ηλεκτρικά για να µην επιβαρύνεται ο κινητήρας εσωτερικής καύσης. Το λεωφορείο αυτό έχει µειωµένες εκποµπές οξειδίων του αζώτου και αιθάλης, και έχει κατανάλωση καυσίµου όσο ένα µεγάλο τζιπ (20 λίτρα / 100 km).

41 Εικόνα 3.11 Υβριδικό λεωφορείο Mitsubishi Aero Star. ιακρίνονται η συστοιχία συσσωρευτών πάνω από τον θάλαµο των επιβατών και οι ηλεκτρικοί κινητήρες στο πίσω µέρος [10] Το υβριδικό σύστηµα του λεωφορείου Solaris Urbino 18 Hybrid είναι σε παράλληλη διάταξη. Αποτελείται από έναν κινητήρα πετρελαίου 6,7 λίτρων, δύο ηλεκτρικούς κινητήρες οι οποίοι παράγουν 75 kw ο καθένας, συσσωρευτές νικελίου-µετάλλου υδριδίου (NiMh) και επικυκλικό κιβώτιο ταχυτήτων. Το λεωφορείο αυτό έχει µειωµένες εκποµπές βλαβερών ρύπων σε σχέση µε ένα συµβατικό λεωφορείο και συγκεκριµένα 13,3% οξειδίων του αζώτου (NO x ), 25,3% διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), 56,4% µονοξειδίου του άνθρακα (CO) και 78,1% αιθάλης, καθώς και πάνω από 20% µειωµένη κατανάλωση πετρελαίου. Εικόνα 3.12 Solaris Urbino 18 Hybrid [14] Το υβριδικό φορτηγό Mitsubishi Fuso Canter Eco-D κινείται από έναν κινητήρα πετρελαίου 3 λίτρων και έναν ηλεκτρικό κινητήρα 35 kw συνδεδεµένους σε παράλληλη διάταξη. Χρησιµοποιεί συσσωρευτές ιόντων λιθίου και το χαρακτηριστικό του είναι ότι η καρότσα του δεν

42 κινείται από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, αλλά από έναν ξεχωριστό ηλεκτρικό κινητήρα γι αυτό και δεν απαιτείται η λειτουργία του πρώτου όπως στα υπόλοιπα φορτηγά της κατηγορίας. Εικόνα 3.13 Mitsubishi Fuso Canter Eco-D [15]

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 4 Κατασκευαστικά στοιχεία ηλεκτρικών υβριδικών οχηµάτων [6],[16],[17],[18],[19] 4.1 Εισαγωγή Γενικά το υβριδικό σύστηµα ενός αυτοκινήτου αποτελείται από µια συµβατική πηγή ενέργειας για την προώθηση του (κινητήρας εσωτερικής καύσης), έναν ηλεκτρικό κινητήρα και ένα µέσο αποθήκευσης ενέργειας που θα τροφοδοτεί τον ηλεκτρικό κινητήρα (συσσωρευτές και άλλα). Η σωστή επιλογή καθενός από αυτά τα βασικά µέρη ενός υβριδικού συστήµατος είναι σηµαντική, έτσι ώστε το υβριδικό όχηµα να είναι οικονοµικό σε κατανάλωση ορυκτών καυσίµων, αλλά και φιλικό προς το περιβάλλον. 4.2 Κινητήρας εσωτερικής καύσης [6] Γενικά Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης χρησιµοποιεί την καύση που πραγµατοποιείται µέσα στο θάλαµο καύσης για την απ ευθείας παραγωγή έργου, σε αντίθεση µε έναν κινητήρα εξωτερικής καύσης, ο οποίος δεν χρησιµοποιεί απ ευθείας την ενέργεια που παράγεται από την καύση. Υπάρχουν πολλά είδη κινητήρων εσωτερικής καύσης. Οι πιο διαδεδοµένοι στις τάξεις των επίγειων µεταφορικών µέσων είναι οι παλινδροµικοί κινητήρες. Αν θέλαµε να τους κατηγοριοποιήσουµε, θα µπορούσαµε να τους χωρίσουµε ανάλογα µε τον τρόπο λειτουργίας τους, αλλά και το καύσιµο το οποίο χρησιµοποιούν. Όποιος και να είναι ο τρόπος λειτουργίας τους οι παλινδροµικοί κινητήρες εσωτερικής καύσης παράγουν έργο µετά από τέσσερεις φάσεις, οι οποίες είναι: Εισαγωγή: κατά τη φάση της εισαγωγής το καύσιµο µίγµα, το οποίο αποτελείται από το καύσιµο και τον ατµοσφαιρικό αέρα, εισέρχεται στο θάλαµο καύσης Συµπίεση: κατά τη φάση της συµπίεσης το καύσιµο µίγµα συµπιέζεται από το έµβολο, µέσα στον θάλαµο καύσης Καύση: κατά τη φάση της καύσης το καύσιµο µίγµα αναφλέγεται µε κάποιον τρόπο, ανάλογα µε το είδος του κινητήρα Εξαγωγή: κατά τη φάση της εξαγωγής το αποτέλεσµα της καύσης του µίγµατος (καυσαέρια) εξέρχεται από τον θάλαµο καύσης και οι τέσσερις φάσεις µαζί είναι ένας κύκλος λειτουργίας κάθε παλινδροµικού κινητήρα εσωτερικής καύσης Κινητήρας δύο χρόνων Το βασικό χαρακτηριστικό ενός κινητήρα δύο χρόνων είναι ότι οι τέσσερις φάσεις πραγµατοποιούνται σε δύο κινήσεις του εµβόλου (χρόνους). Αυτό επιτυγχάνεται χρησιµοποιώντας την αρχή της συµπίεσης για να γίνει η εισαγωγή, και το τέλος της καύσης για να γίνει η εξαγωγή. Το καύσιµο µίγµα πριν εισέλθει στον θάλαµο καύσης συγκεντρώνεται σε έναν προθάλαµο (γύρω από τον στροφαλοφόρο), του οποίου το άνοιγµα στον θάλαµο είναι χαµηλότερα από το άνοιγµα προς την εξάτµιση, όπως φαίνεται από το παρακάτω σχήµα. Οι δύο χρόνοι του κινητήρα αναλυτικότερα είναι:

44 Καύση και Εξαγωγή: Αφού γίνει η καύση του µίγµατος, το έµβολο ωθείται προς τα κάτω. Καθώς κατεβαίνει τα αέρια ταυτόχρονα εγκαταλείπουν τον θάλαµο καύσης. Μετά από κάποιο σηµείο το καύσιµο µίγµα του επόµενου κύκλου αρχίζει να ωθεί περισσότερο τα καυσαέρια έξω από τον θάλαµο καύσης Εισαγωγή και Συµπίεση: Καθώς το έµβολο αρχίζει να κινείται προς τα επάνω, το καύσιµο µίγµα εισέρχεται στον θάλαµο καύσης αντικαθιστά τα καυσαέρια. Το καύσιµο µίγµα δεν µπορεί να διαφύγει από το άνοιγµα προς την εξάτµιση λόγω της ανάστροφης πίεσης που δηµιουργείται από τα εξερχόµενα καυσαέρια. Σχήµα 4.1 Λειτουργία κινητήρα δύο χρόνων (οι τέσσερις φάσεις αντίστοιχα) [6]

45 Από τον τρόπο λειτουργίας του κινητήρα δύο χρόνων µπορούµε να παρατηρήσουµε το γεγονός της επικάλυψης της εισαγωγής µε την εξαγωγή του προηγούµενου κύκλου. Αυτό το γεγονός δηµιουργεί και το βασικό µειονέκτηµα του κινητήρα δύο χρόνων έναντι σε αυτόν των τεσσάρων, που είναι η µεγαλύτερη µόλυνση του περιβάλλοντος. Αυτό συµβαίνει γιατί η επαφή των άκαυστων υδρογονανθράκων και του λαδιού µε τα καυσαέρια δηµιουργεί µονοξείδιο του άνθρακα. Επίσης λόγω της επικάλυψης των δύο φάσεων κάποιο ποσοστό του καύσιµου µίγµατος φεύγει από τον θάλαµο καύσης χωρίς να καεί, οπότε ο κινητήρας έχει µεγαλύτερη κατανάλωση Κινητήρας τεσσάρων χρόνων Στον κινητήρα τεσσάρων χρόνων κάθε φάση πραγµατοποιείται σε διαφορετική κίνηση του εµβόλου. Τα ανοίγµατα του θαλάµου καύσης, για την εισαγωγή καυσίµου µίγµατος και την εξαγωγή καυσαερίων, ελέγχονται από βαλβίδες. Οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής κινούνται από τους εκκεντροφόρους οι οποίοι παίρνουν κίνηση από τον στροφαλοφόρο. Με τον έλεγχο του βυθίσµατος αλλά και του χρονισµού των βαλβίδων µπορούµε να ελέγξουµε τη λειτουργία του κινητήρα και να επιτύχουµε χαµηλότερη κατανάλωση. Επίσης ανάλογα µε τον θερµοδυναµικό κύκλο που ακολουθεί ο κινητήρας, Otto ή Atkinson, µπορούµε να επιλέξουµε µεταξύ απόδοσης ή κατανάλωσης αντίστοιχα. Σχήµα 4.2 Λειτουργία κινητήρα τεσσάρων χρόνων (οι τέσσερις φάσεις αντίστοιχα) [6] Κινητήρας βενζίνης Οι κινητήρες βενζίνης χρησιµοποιούν ως καύσιµο τη βενζίνη ή µίγµα αυτής µε βιοκαύσιµα όπως αιθανόλη ή βουτανόλη. Το βασικό χαρακτηριστικό αυτών των κινητήρων είναι η χρήση σπινθηριστή (µπουζί) για την καύση του µίγµατος. Τα τελευταία χρόνια έχει γίνει αρκετή έρευνα για τη βελτίωση των δυναµικών χαρακτηριστικών αυτού του είδους κινητήρα καθώς είναι πολύ διαδεδοµένος στα οχήµατα ιδιωτικής χρήσης. ιάφορες τεχνολογίες όπως η ηλεκτρονική

46 διαχείριση, ο άµεσος ψεκασµός και η υπερτροφοδότηση έχουν µειώσει αρκετά την κατανάλωση καυσίµου του Κινητήρας πετρελαίου Οι κινητήρες πετρελαίου χρησιµοποιούν ως καύσιµο το πετρέλαιο αλλά και άλλα καύσιµα όπως βιοντίζελ προερχόµενο από φυτικά ή ζωικά λίπη, υπολείµµατα µαγειρικών λαδιών και άλλα. Το βασικό χαρακτηριστικό των κινητήρων ντίζελ είναι πως η καύση γίνεται λόγω της συµπίεσης του καύσιµου µίγµατος (αυτανάφλεξη), γι αυτό και η συµπίεση µέσα στο θάλαµο καύσης αυτών των κινητήρων είναι µεγαλύτερη σε σχέση µε τους κινητήρες βενζίνης. Οι κινητήρες ντίζελ έχουν χαµηλότερη κατανάλωση, χαµηλότερη εκποµπή µονοξειδίου του άνθρακα, µεγαλύτερη ροπή και µεγαλύτερη αντοχή σε σχέση µε κινητήρες βενζίνης, όµως είναι ασθενέστεροι σε ιπποδύναµη, βαρύτεροι και παράγουν αιθάλη (κάπνα) αν και η τελευταία έχει µειωθεί πολύ τα τελευταία χρόνια Επιπλέον κινητήρες εσωτερικής καύσης Εκτός από τους προαναφερθέντες κινητήρες υπάρχουν και άλλοι µε διαφορετική λειτουργία ή δοµή, οι οποίοι δεν χρησιµοποιούνται ευρέως ή βρίσκονται ακόµα σε πειραµατική µορφή. Ένα παράδειγµα κινητήρα που βρίσκεται σε πειραµατική µορφή είναι ο κινητήρας DiesOtto (από την ένωση των λέξεων Diesel και Otto), ο οποίος τροφοδοτείται µε βενζίνη αλλά στις χαµηλές στροφές λειτουργεί σαν κινητήρας ντίζελ (οι σπινθηριστές δεν λειτουργούν και το µείγµα αυτοαναφλέγεται λόγω υψηλής συµπίεσης), ενώ στις υψηλές στροφές λειτουργεί κανονικά σαν κινητήρας βενζίνης. Ένα άλλο παράδειγµα κινητήρα εσωτερικής καύσης ο οποίος δεν είναι παλινδροµικός είναι ο περιστροφικός κινητήρας (Wankel). Σε αυτούς τους κινητήρες οι τέσσερις φάσεις ενός κύκλου καύσης δεν διαχωρίζονται από την παλινδροµικοί κίνηση ενός εµβόλου αλλά από την περιστροφική κίνηση ενός ρότορα. Ο δροµέας του περιστροφικού κινητήρα δηµιουργεί κάποιους θαλάµους µέσα στους οποίους λαµβάνουν χώρα οι τέσσερις φάσεις του κύκλου καύσης. Οι περιστροφικοί κινητήρες σε σχέση µε τους παλινδροµικούς έχουν µεγαλύτερη ιπποδύναµη για δεδοµένη χωρητικότητα, αλλά έχουν και µεγαλύτερη κατανάλωση καυσίµου και λαδιού γιατί η φάση της εισαγωγής επικαλύπτεται µε τη φάση της εξαγωγής. Οι περιστροφικοί κινητήρες, αν και πολλά υποσχόµενοι, δεν κατάφεραν να επικρατήσουν στην ευρεία παραγωγή κινητήρων εσωτερικής καύσης.

47 Εικόνα 4.1 Κινητήρας Wankel από το µουσείο Deutsches Museum [6] Τέλος άξιοι αναφοράς είναι και οι κινητήρες οι οποίοι τροφοδοτούνται µε βιοκαύσιµα. Η λειτουργία τους δεν είναι διαφορετική από έναν κινητήρα βενζίνης τεσσάρων χρόνων ή έναν κινητήρα πετρελαίου, απλά χρησιµοποιούν διαφορετική διαχείριση του καυσίµου. Ως καύσιµο µπορεί να χρησιµοποιούν είτε µόνο βιοκαύσιµα (αιθανόλη, προιόντα αναερόβιας ζύµωσης όπως µεθάνιο, βιοντίζελ και άλλα), είτε µίξη βιοκαυσίµων µε βενζίνη σε κάποιο ποσοστό (όταν αναφερόµαστε παραδείγµατος χάρη σε κινητήρα αιθανόλης Ε45, εννοούµε πως αναµιγνύεται αιθανόλη και βενζίνη σε ποσοστό 45% και 55% αντίστοιχα) Μειονεκτήµατα και πλεονεκτήµατα κινητήρων εσωτερικής καύσης Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης χρησιµοποιούνται από την απαρχή της αυτοκίνησης κυρίως λόγω της ευκολίας κατασκευής τους (ειδικά οι κινητήρες ντίζελ), της χαµηλής τιµής τους, του εύκολου ελέγχου τους και της πληθώρας πετρελαίου που υπήρχε. Όµως από την πετρελαϊκή κρίση τη δεκαετία του 1970 και µετά, αλλά και κυρίως τα τελευταία χρόνια, είναι σαφές πως δεν µπορούµε να συνεχίσουµε να χρησιµοποιούµε τον κινητήρα εσωτερικής καύσης λόγω της καταστροφής του περιβάλλοντος αλλά και των ολοένα αυξανόµενων τιµών του πετρελαίου. Επίσης τα καυσαέρια των κινητήρων αυτών εκτός από διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο δηµιουργεί το φαινόµενο του θερµοκηπίου, περιέχουν και µονοξείδιο του άνθρακα και οξείδια του αζώτου, αέρια τα οποία είναι τοξικά για τον άνθρωπο.

48 Ηλεκτρικός κινητήρας [6],[16] Γενικά Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιµοποιούν ηλεκτρική ενέργεια για να παράγουν κίνηση (ηλεκτρικές µηχανές) ή αντίστροφα (ηλεκτρικές γεννήτριες). Η σωστή επιλογή ηλεκτρικού κινητήρα είναι καθοριστική για ένα υβριδικό όχηµα, αφού από αυτόν θα προέρχεται ένα µεγάλο ποσοστό της απαιτούµενης ισχύος. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χωρίζονται σε πολλές κατηγορίες ανάλογα µε το είδος του ρεύµατος µε το οποίο τροφοδοτούνται, συνεχές ή εναλλασσόµενο µονοφασικό ή πολυφασικό, µε τον τρόπο λειτουργίας τους αλλά και µε τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους. Παρακάτω ακολουθεί µια συνοπτική παρουσίαση των βασικών ηλεκτρικών κινητήρων που θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν σε εφαρµογές υβριδικών οχηµάτων, καθώς και σύγκριση µεταξύ τους, βάσει των δυνατοτήτων τους Κινητήρας συνεχούς ρεύµατος Οι κινητήρες συνεχούς ρεύµατος χρησιµοποιούν για την τροφοδοσία τους συνεχές ρεύµα, όπως φανερώνεται και από την ονοµασία τους. Κατασκευαστικά αποτελούνται από ένα ακίνητο µέρος, τον στάτη, και ένα περιστρεφόµενο, τον δροµέα. Ο άξονας κίνησης της µηχανής είναι επέκταση του δροµέα. Λειτουργικά αποτελούνται από τον ηλεκτροµαγνήτη διεγέρσεως (οι δύο χρωµατισµένοι πόλοι εσωτερικά στο παρακάτω σχήµα), τον συλλέκτη (χρωµατισµένος µε καφέ χρώµα), τις ψήκτρες και έναν µόνιµο µαγνήτη (ο εξωτερικός µαγνήτης N-S). Σχήµα 4.3 Κινητήρας Συνεχούς Ρεύµατος δύο πόλων [6] Η αρχή λειτουργίας του κινητήρα συνεχούς ρεύµατος βασίζεται στις δυνάµεις αλληλεπίδρασης που υπάρχουν µεταξύ δύο µαγνητικών υλικών. Συγκεκριµένα ενός µόνιµου µαγνήτη και του τροφοδοτηµένου µε συνεχές ρεύµα τυλίγµατος διέγερσης, ο οποίος συµπεριφέρεται σαν µαγνήτης. Ανάλογα µε τον προσανατολισµό τους οι δυνάµεις αυτές µπορεί να είναι ελκτικές ή απωστικές. Η τοποθέτηση του µόνιµου µαγνήτη και του τυλίγµατος διέγερσης είναι τέτοια, ώστε σε κάθε στιγµή οι δυνάµεις που ασκούνται µεταξύ τους να δηµιουργούν µια ροπή που θα τείνει να περιστρέψει τον δροµέα κατά την επιθυµητή κατεύθυνση. Για να επιτευχθεί

49 αυτό θα πρέπει η ροή του ρεύµατος στο τύλιγµα διέγερσης να αλλάζει φορά, ανάλογα µε τη θέση του τυλίγµατος ως προς τον µόνιµο µαγνήτη. Αυτό γίνεται µε τη χρήση του συλλέκτη και των ψηκτρών. Ο συλλέκτης περιστρέφεται µαζί µε τον δροµέα ενώ οι ψήκτρες παραµένουν σταθερές. Έτσι ανάλογα µε τη θέση του συλλέκτη ως προς τις ψήκτρες εναλλάσσεται η ροή ρεύµατος στο τύλιγµα διέγερσης. Παρόλο που η µηχανή τροφοδοτείται µε συνεχές ρεύµα, το τύλιγµα διέγερσης διαρρέεται από εναλλασσόµενο ρεύµα. Στο παρακάτω σχήµα µε καφέ χρώµα φαίνεται ο συλλέκτης, ο οποίος περιστρέφεται, ενώ οι δύο ακροδέκτες µε την τροφοδοσία (+ -) είναι οι ακίνητες ψήκτρες. Σχήµα 4.4 Απεικόνιση κινητήρα συνεχούς ρεύµατος σε διαδοχικές θέσεις κατά τη διάρκεια περιστροφής του δροµέα [6] Υπάρχουν διάφορα είδη µηχανών συνεχούς ρεύµατος. Το τύλιγµα διέγερσης µπορεί να βρίσκεται τοποθετηµένο είτε στον στάτη είτε στον δροµέα. Οι συµβατικοί κινητήρες συνεχούς ρεύµατος µε ψήκτρες και µόνιµο µαγνήτη, των οποίων η λειτουργία περιγράφηκε προηγουµένως, ήταν οι πρώτοι που ανακαλύφθηκαν. Αργότερα δηµιουργήθηκαν και κινητήρες συνεχούς ρεύµατος µε τύλιγµα αντί µόνιµου µαγνήτη. Σε αυτούς το τύλιγµα διέγερσης µπορεί να τοποθετηθεί σε σειρά ή παράλληλα/ανεξάρτητα µε το τύλιγµα του τυµπάνου. Οι κινητήρες µε διέγερση σε σειρά είναι σχετικά απλοί στην κατασκευή τους, στιβαροί και αποδίδουν τη µέγιστη ισχύ τους σε µηδενικές στροφές, στοιχεία που τους καθιστούν ιδανικούς για υβριδικά οχήµατα. Το τελευταίο πλεονέκτηµα αποτελεί και το µειονέκτηµά τους αφού σε υψηλότερες στροφές απαιτείται η ύπαρξη κιβωτίου ταχυτήτων για να παραχθεί αρκετή ροπή. Οι κινητήρες µε ξένη διέγερση είναι πιο πολύπλοκοι στην κατασκευή τους, όµως δεν απαιτείται αναγκαστικά η ύπαρξη κιβωτίου ταχυτήτων Ασύγχρονος κινητήρας Ο ασύγχρονος κινητήρας, επίσης γνωστός ως επαγωγικό κινητήρας, είναι ένα πολύ διαδεδοµένο είδος κινητήρα. Αποτελείται από ένα τύλιγµα, µονοφασικό ή πολυφασικό, τοποθετηµένο στον στάτη του, και τον δροµέα, το κινούµενο µέρος του. Η αρχή λειτουργίας του είναι η επαγωγή ρευµάτων. Συγκεκριµένα τροφοδοτώντας το τύλιγµα του στάτη µε ρεύµα δηµιουργείται ένα µαγνητικό πεδίο το οποίο δηµιουργεί ρεύµατα από επαγωγή στον δροµέα, τα οποία µε τη σειρά τους δηµιουργούν ένα διαφορετικό µαγνητικό πεδίο. Τα δύο µαγνητικά πεδία,

50 του στάτη και του δροµέα, αλληλεπιδρούν και δηµιουργούν δυνάµεις και κατ επέκταση ροπή, η οποία περιστρέφει τον δροµέα. Οι ασύγχρονοι κινητήρες χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες ανάλογα µε τη δοµή του δροµέα τους. Υπάρχουν οι ασύγχρονοι κινητήρες βραχυκυκλωµένου κλωβού, δακτυλιοφόρου δροµέα και χωρίς κλωβό. Στους πρώτους, ο κλωβός του δροµέα αποτελείται από µεταλλικές µπάρες µονωµένες µεταξύ τους, τοποθετηµένες παράλληλα προς τον άξονα περιστροφής, οι οποίες έχουν ενωθεί (βραχυκυκλωθεί) µε δακτύλιους στις άκρες τους. Στους ασύγχρονους κινητήρες δακτυλιοφόρου δροµέα, ο δροµέας περιβάλλεται από τυλίγµατα, τα οποία η µια άκρη τους είναι βραχυκυκλωµένη και η άλλη ενώνεται, κατά οµάδες, µε τόσους δακτύλιους όσες και οι φάσεις του κινητήρα. Οι δακτύλιοι αυτοί µε χρήση ψηκτρών συνδέονται µε ένα εξωτερικό κύκλωµα. Τέλος ο ασύγχρονος κινητήρας χωρίς κλωβό, όπως φανερώνει το όνοµα του, αποτελείται από έναν απλό δροµέα κατασκευασµένο από σίδερο, στον οποίο δηµιουργούνται δινορρεύµατα, τα οποία µαζί µε το µαγνητικό πεδίο προκαλούν τη ροπή. Εικόνα 4.2 ροµέας ασύγχρονης µηχανής βραχυκυκλωµένου κλωβού (διακρίνονται οι µονωµένες µεταξύ τους µπάρες, και οι δακτύλιοι βραχυκύκλωσης στα άκρα) [6] Σύγχρονος κινητήρας Ο σύγχρονος κινητήρας αποτελείται από ένα τριφασικό τύλιγµα, και έναν µόνιµο µαγνήτη (Σε άλλες εφαρµογές τη θέση του µόνιµου µαγνήτη την παίρνει ένα τύλιγµα διέγερσης τροφοδοτούµενο από συνεχές ρεύµα). Το κύριο χαρακτηριστικό του κινητήρα αυτού είναι πως ο δροµέας του περιστρέφεται µε τον σύγχρονο αριθµό στροφών ανεξαρτήτως φορτίου, µέχρι κάποιο όριο. Το στρεφόµενο πεδίο από το τριφασικό τύλιγµα περιστρέφεται µε την ίδια γωνιακή ταχύτητα µε το πεδίο του µόνιµου µαγνήτη του δροµέα.

51 Κινητήρας συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες (DC brushless) Ο κινητήρας αυτός ουσιαστικά είναι ένας τριφασικός σύγχρονος κινητήρας, όµως επειδή τροφοδοτείται µε συνεχές ρεύµα έχει αυτό το όνοµα. Όπως και ο σύγχρονος κινητήρας έχει ένα τριφασικό τύλιγµα και έναν µόνιµο µαγνήτη, αντί του τυλίγµατος διέγερσης. Το τύλιγµα τροφοδοτείται µε συνεχές ρεύµα το οποίο µετατρέπεται σε τριφασικό, µε τη χρήση ενός είδους αντιστροφέα. Κατασκευαστικά το τριφασικό τύλιγµα είναι τοποθετηµένο στον στάτη και ο µόνιµος µαγνήτης στον δροµέα, που περιστρέφεται. Με αυτήν τη διάταξη δεν απαιτείται συλλέκτης, όπως στους κινητήρες συνεχούς ρεύµατος, για να τροφοδοτηθεί το τύλιγµα, αφού είναι ακίνητο Κινητήρας µαγνητικής αντίδρασης Ο κινητήρας µαγνητικής αντίδρασης είναι ένα είδος κινητήρα συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες. Τροφοδοτείται µε συνεχές ρεύµα το οποίο µετατρέπεται σε εναλλασσόµενο που διαρρέει ένα πολυφασικό τύλιγµα στον στάτη. Η βασική διαφορά µε τους άλλους κινητήρες του είδους του είναι ότι δεν απαιτείται η χρήση µόνιµου µαγνήτη για τη λειτουργία του. Χρησιµοποιεί ένα φερροµαγνητικό υλικό (σίδερο κ.α.) το οποίο αντιδρά στην ύπαρξη µαγνητικού πεδίου και κινείται (από αυτό το γεγονός προέρχεται και το όνοµα του κινητήρα). Η απουσία τυλίγµατος στον δροµέα επιτρέπει την ανάπτυξη υψηλού αριθµού στροφών καθώς και περιορίζει τις απώλειες µόνο στο τύλιγµα του στάτη Μειονεκτήµατα, πλεονεκτήµατα και εφαρµογές των διαφόρων ειδών ηλεκτρικών κινητήρων Κάθε είδος κινητήρα έχει διαφορετικά πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα σε σχέση µε κάθε άλλο που τους καθιστούν ιδανικούς για κάποια εφαρµογή και µη ικανοποιητικούς για κάποια άλλη. Οι κινητήρες συνεχούς ρεύµατος είναι απλές στη λειτουργία και στον έλεγχό τους και στιβαρές. Το µεγάλο µειονέκτηµά τους είναι η ύπαρξη ψηκτρών, οι οποίες απαιτούν αντικατάσταση µετά από κάποια χρήση. Οι κινητήρες αυτοί χρησιµοποιούνται σε µέσα µαζικής µεταφοράς, µε παράδειγµα τα τραίνα του υπόγειου σιδηρόδροµου στην Αθήνα, όµως σε υβριδικά οχήµατα δεν υπάρχουν πολλές εφαρµογές. Οι ασύγχρονοι κινητήρες είναι οι πιο διαδεδοµένοι κινητήρες κυρίως λόγω της στιβαρότητάς, της αξιοπιστίας τους, αλλά και του χαµηλού κόστους τους. Παλαιότερα ήταν δύσκολος ο έλεγχός τους σε ένα ευρύ φάσµα στροφών, όµως τελευταία µε τη χρήση των σύγχρονων ηλεκτρονικών ισχύος και των µεθόδων ελέγχου έχει βελτιωθεί. Επίσης µε την αύξηση της συχνότητας λειτουργίας τους έχει αυξηθεί και η ειδική ισχύς τους, κάτι πολύ σηµαντικό σε εφαρµογές όπως τα υβριδικά οχήµατα όπου το µέγεθος και η απόδοση του κινητήρα έχουν µεγάλη σηµασία. Οι σύγχρονοι κινητήρες µε µόνιµο µαγνήτη έχουν υψηλή απόδοση, χαµηλό βάρος και σχετικά εύκολη κατασκευή. Όµως έχουν υψηλό κόστος παραγωγής, λόγω των µαγνητών, και υπάρχει το ενδεχόµενο αποµαγνήτισης τους, αν και η βελτίωση των µαγνητικών υλικών είναι σηµαντική. Η ύπαρξη ελέγχου της συχνότητας τροφοδοσίας του τον καθιστά ιδανικό για χρήση σε υβριδικά οχήµατα, αφού µπορεί να παρέχει ροπή σε µηδενικές στροφές. Οι κινητήρες που τροφοδοτούνται µε συνεχές ρεύµα και δεν έχουν ψήκτρες έχουν το πλεονέκτηµα ότι είναι συµπαγείς κατασκευές, µπορούν να φτάσουν σε υψηλούς ρυθµούς περιστροφής, δεν απαιτούν συντήρηση και έχουν αυξηµένη απόδοση. Το κόστος τους όµως είναι

52 αυξηµένο είτε λόγω ύπαρξης µαγνητών, είτε λόγω πολύπλοκου ελέγχου (µαγνητικής αντίδρασης). Οι κινητήρες συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες βρίσκουν εφαρµογή σε ηλεκτρικά οχήµατα κάθε είδους, όµως οι κινητήρες µαγνητικής αντίδρασης χρησιµοποιούνται σε άλλου είδους εφαρµογές. Τέλος σε όλους τους κινητήρες που έχουν µόνιµο µαγνήτη υπάρχει ο κίνδυνος αποµαγνητισµού του. 4.4 Μέσα αποθήκευσης ενέργειας [6],[17],[18],[19] Εισαγωγή Η αρχή λειτουργίας ενός υβριδικού οχήµατος είναι η χρήση τουλάχιστον ενός ηλεκτρικού κινητήρα. Ο κινητήρας απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσει. Στην πλειονότητα των εφαρµογών η ενέργεια αυτή αντλείται από συσσωρευτές που την έχουν αποθηκευµένη σε χηµική µορφή. Όµως υπάρχουν και άλλοι τρόποι αποθήκευσης ενέργειας. Στα επόµενα κεφάλαια ακολουθεί µια παρουσίαση όλων των τρόπων αποθήκευσης ενέργειας, που µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε υβριδικά οχήµατα Συσσωρευτές Οι ηλεκτροχηµικοί συσσωρευτές (ή απλούστερα µπαταρίες) είναι µια συσκευή η οποία µετατρέπει χηµική ενέργεια σε ηλεκτρική. Αυτό επιτυγχάνεται µε την ύπαρξη δύο διαφορετικών στοιχείων που αντιδρούν µέσα σε έναν ηλεκτρολύτη. Τα στοιχεία αυτά, η άνοδος και η κάθοδος ανταλλάσουν ηλεκτρόνια, τα οποία κινούµενα δίνουν το απαιτούµενο ηλεκτρικό ρεύµα. Σχήµα 4.5 Λειτουργία ηλεκτροχηµικού συσσωρευτή. Φαίνονται τα ηλεκτρόδια (άνοδος, κάθοδος), ο ηλεκτρολύτης και η ροή ηλεκτρονίων [17] Κάθε συσσωρευτής έχει κάποια χαρακτηριστικά µε τα οποία µπορεί να περιγραφεί ο τρόπος λειτουργίας του. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι η ενεργειακή του πυκνότητα ανά µονάδα βάρους (Wh/kg) ή ανά µονάδα όγκου, η πυκνότητα ισχύος (W/kg), ο αριθµός των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης που µπορεί να κάνει µέχρι να αχρηστευθεί, ο ρυθµός φόρτισης και εκφόρτισης, η µέγιστη επιτρεπόµενη εκφόρτιση και άλλα. Η χρήση συσσωρευτών είναι πολύ διαδεδοµένη σε πολλών ειδών εφαρµογές, και στα υβριδικά οχήµατα, χωρίς ιδιαίτερη εξέλιξη εδώ και πολλά

53 χρόνια των χαρακτηριστικών τους. Ωστόσο τα τελευταία χρόνια η αυξανόµενη ζήτηση αποθήκευσης ενέργειας έχει ωθήσει στην εξέλιξη τους και στη δηµιουργία νέων ειδών. Ακολουθεί µια συνοπτική παρουσίαση µόνο των διαφόρων τύπων συσσωρευτών που µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε υβριδικά οχήµατα, καθώς και ένας συγκεντρωτικός πίνακας µε τα βασικά χαρακτηριστικά κάθε τύπου. Συσσωρευτές µολύβδου (Pb): Είναι οι πρώτοι επαναφορτιζόµενοι συσσωρευτές που ανακαλύφθηκαν. Τα ενεργειακά χαρακτηριστικά τους δεν είναι καλά, όµως είναι πολύ φθηνοί και µπορούν να παράσχουν απότοµα µεγάλα ρεύµατα, στοιχεία που τους καθιστούν χρησιµοποιούµενους σε υβριδικά οχήµατα, αλλά κυρίως στα συµβατικά αυτοκίνητα. Επίσης ανάλογα µε την κατασκευή τους µπορούν και να υποστούν µεγάλες εκφορτίσεις, µε µια ταυτόχρονη µεταβολή στο µέγιστο ρεύµα που µπορούν να παράσχουν. Εικόνα 4.3 Συσσωρευτής µολύβδου υγρού τύπου από το υβριδικό αυτοκίνητο της διπλωµατικής εργασίας Συσσωρευτές νικελίου-καδµίου (NiCd): Αυτοί οι συσσωρευτές ανακαλύφθηκαν µετά τους συσσωρευτές µολύβδου και προσέφεραν πολύ καλύτερα χαρακτηριστικά. Είναι πολύ ανθεκτικοί συσσωρευτές ως προς την αποφόρτιση, τη θερµοκρασία λειτουργίας και τους κύκλους ζωής. Τα βασικά τους µειονεκτήµατα είναι η τοξικότητα του καδµίου και το αυξηµένο κόστος κατασκευής τους. Νεότερα είδη υπερτερούν σε κάποιους τοµείς όµως η ανθεκτικότητά τους, τους καθιστά ακόµα χρησιµοποιήσιµους σε διάφορες εφαρµογές.

54 Εικόνα 4.4 Συσσωρευτής νικελίου-καδµίου από το υβριδικό αυτοκίνητο της PSA Peugeot Citroën [6] Συσσωρευτές νικελίου-µετάλλου υδριδίου (NiMh): Αποτελούν την εξέλιξη του προηγούµενου είδους. Έχουν πολύ µεγάλη πυκνότητα ισχύος, είναι φθηνοί και δεν είναι τοξικοί, όµως εκφορτίζονται πολύ εύκολα σε σχέση µε άλλα είδη. Χρησιµοποιούνται σε πληθώρα υβριδικών οχηµάτων. Εικόνα 4.5 Συσσωρευτής νικελίου-µετάλλου υδριδίου από το υβριδικό αυτοκίνητο Toyota Prius [6] Συσσωρευτές νικελίου-ψευδαργύρου (NiZn): Είναι ένα νέο είδος συσσωρευτών, το οποίο ακόµα δεν είναι διαθέσιµο στη αγορά. Εκτιµάται ότι, όταν θα κυκλοφορήσει στην αγορά θα αντικαταστήσει τους συσσωρευτές µολύβδου λόγω των καλύτερων χαρακτηριστικών τους και της παραπλήσιας τιµής τους. Συσσωρευτές ιόντων λιθίου (Li-ion): Οι συσσωρευτές αυτοί έχουν πολύ υψηλές πυκνότητες ενέργειας και ισχύος, κάτι που για δεδοµένη ισχύ τις καθιστά ελαφρύτερες από όλους τους άλλους τύπους. Επίσης δεν εκφορτίζονται πολύ µε την πάροδο του χρόνου. Τα µειονεκτήµατα τους είναι κυρίως η παλαίωσή τους, απαιτείται η αλλαγή τους σε τακτά χρονικά διαστήµατα ανεξαρτήτως των κύκλων λειτουργίας τους, και η τάση να εκρήγνυνται όταν εκτεθούν σε υψηλές θερµοκρασίες. Το τελευταίο µειονέκτηµα διορθώνεται µε την ύπαρξη κυκλωµάτων ασφαλείας.

55 Εικόνα 4.6 Συσσωρευτές ιόντων λιθίου από το ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο Tesla Roadster [18] Συσσωρευτές πολυµερών λιθίου (Li-poly): Ένα πολύ νέο είδος συσσωρευτών (εµφανίσθηκε το 1996) που αποτελεί εξέλιξη των συσσωρευτών ιόντων λιθίου. Έχουν καλύτερα χαρακτηριστικά από τους τελευταίους, ενώ έχει αυξηθεί κατά πολύ η διάρκεια ζωής τους και η αντοχή τους. Προς το παρόν χρησιµοποιούνται µόνο σε µικρές ηλεκτρικές συσκευές, αλλά εκτιµάται ότι θα τοποθετηθούν στη νέα γενιά υβριδικών οχηµάτων. Εικόνα 4.7 Συσσωρευτές πολυµερών λιθίου [6] Συσσωρευτές νατρίου - σουλφιδίου: Οι συγκεκριµένοι συσσωρευτές έχουν ικανοποιητική πυκνότητα ενέργειας, όµως το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλές θερµοκρασίες της τάξης των 300 C-400 C. Έχουν χρησιµοποιηθεί πειραµατικά µόνο σε ένα υβριδικό όχηµα, αλλά εκτιµάται ότι µε τη βελτίωσή τους µπορεί να χρησιµοποιηθούν εκτενέστερα. Το κόστος και τα χαρακτηριστικά τους στο παρόν στάδιο εξέλιξης τους είναι αποδεκτά µόνο σε ισχείς πολλαπλάσιες από αυτές ενός τυπικού υβριδικού οχήµατος.

56 Σχήµα 4.6 Απεικόνιση µπαταρίας ροής. Φαίνονται οι δεξαµενές αποθήκευσης των αντιδραστηρίων, οι αντλίες και η ενεργειακή κυψέλη. [19] Συσσωρευτές ηλεκτρολύτη βαναδίου: Οι συγκεκριµένοι συσσωρευτές έχουν διαφορετικό τρόπο λειτουργίας. εν έχουν ηλεκτρόδια αλλά δύο διαφορετικούς ηλεκτρολύτες οι οποίοι αποθηκεύονται σε δεξαµενές και ανάλογα µε τη ζήτηση ηλεκτρικού ρεύµατος αντλούνται σε µια ενεργειακή κυψέλη στην οποία γίνεται η ανάµειξή και η αντίδρασή τους, από την οποία παράγεται ηλεκτρικό ρεύµα. Η µπαταρία ροής, όπως ονοµάζεται ο συγκεκριµένος τύπος συσσωρευτή, σαν συσκευή κατηγοριοποιείται λειτουργικά ενδιάµεσα των µπαταριών και των κυψελών υδρογόνου. Συγκεκριµένα οι συσσωρευτές βαναδίου χρησιµοποιούν σαν δυο ηλεκτρολύτες, βανάδιο µε διαφορετικό βαθµό οξείδωσης. Ο συγκεκριµένος συσσωρευτής λόγω του διαφορετικού τρόπου λειτουργίας του δεν έχει περιορισµό στους κύκλους ζωής του, ούτε και αυτοεκφόρτιση. Επίσης επανατροφοδοτείται απλώς µε προσθήκη ηλεκτρολυτών στις δεξαµενές του. Στα µειονεκτήµατα του καταλογίζονται η πολυπλοκότητά του (αντλίες, σωληνώσεις, δεξαµενές, αισθητήρες, ενεργειακή κυψέλη, κύκλωµα ελέγχου), γεγονός για το οποίο δεν έχει χρησιµοποιηθεί ακόµα σε ισχείς της τάξης που απαιτούνται σε υβριδικά οχήµατα αλλά και η χαµηλή πυκνότητα ισχύος τους. Ακολουθεί ένας πίνακας µε τα χαρακτηριστικά όλων των συσσωρευτών που παρουσιάσθηκαν παραπάνω συγκεντρωµένα.

57 Πίνακας 4.1 Συγκεντρωτικός πίνακας χαρακτηριστικών των συσσωρευτών [6] Υπερπυκνωτές Οι υπερπυκνωτές έχουν παρόµοιο τρόπο λειτουργίας µε τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές µόνο που έχουν πολύ µεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας και είναι ικανοί να αντέξουν σε ακαριαίες µεταβολές του φορτίου τους. Τα χαρακτηριστικά αυτά τους καθιστούν ιδανικούς για τη χρήση σε υβριδικά οχήµατα. Κατά τη διάρκεια ενός απότοµου φρεναρίσµατος, όταν το υβριδικό σύστηµα κάνει ανάκτηση ενέργειας, οι συσσωρευτές δέχονται µια αιχµή ρεύµατος (φορτίου) την οποία δεν µπορούν να αξιοποιήσουν γιατί δεν επιτρέπεται η απότοµη µεταβολή του φορτίου τους. Σε αντίθεση οι υπερπυκνωτές µπορούν ακαριαία να αποθηκεύσουν αυτήν την περίσσεια ενέργειας. Το αντίστοιχο φαινόµενο γίνεται και σε µια ξαφνική και απότοµη επιτάχυνση. Επίσης, οι υπερπυκνωτές δεν έχουν το περιορισµένο χρόνο ζωής των συσσωρευτών όπως επίσης δεν αποτελούνται από τοξικά στοιχεία. Προσωρινά οι υπερπυκνωτές χρησιµοποιούνται µόνο επικουρικά σε κάποια πειραµατικά υβριδικά οχήµατα µε συµβατικούς συσσωρευτές. Στο µέλλον σχεδιάζεται η πλήρης αντικατάσταση των συσσωρευτών µόνο από συστοιχίες υπερπυκνωτών. Ενδεικτικά οι υπερπυκνωτές έχουν πυκνότητα ισχύος 2000 Wh/kg, ενώ οι συµβατικοί συσσωρευτές ιόντων λιθίου, που είναι οι καλύτεροι από όλους τους συσσωρευτές σε αυτόν τον τοµέα, έχουν µόνο 160 Wh/kg [6] Σφόνδυλοι Εκτός από την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε χηµική (συσσωρευτές) ή σε ηλεκτρική µορφή (υπερπυκνωτές) µπορούµε να την αποθηκεύσουµε και σε µηχανική µορφή. Συγκεκριµένα µε τη χρήση σφονδύλων µπορούµε να την µετατρέψουµε σε κινητική ενέργεια. Αυτά τα συστήµατα βρίσκουν περιορισµένη εφαρµογή µόνο σε µεγάλα υβριδικά οχήµατα όπως νταλίκες και φορτηγά λόγω του µεγάλου τους βάρους και της αυξηµένης στιβαρότητάς τους. Τέτοια συστήµατα έχουν περιγραφεί σε προηγούµενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 2).

58 - 58 -

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 5 Μελέτη αυτοκίνητου διπλωµατικής εργασίας - µετατροπή του σε υβριδικό [20],[21],[37] 5.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο θα µελετηθεί και θα παρουσιασθεί κάθε στοιχείο του υβριδικού αυτοκινήτου που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα διπλωµατική εργασία, καθώς και οι µετατροπές που έχουν γίνει σε αυτό. Πρέπει να αναφερθεί ότι η µελέτη, οι µηχανολογικές µετατροπές και η τοποθέτηση του κινητήρα έχουν εκτελεστεί σε προηγούµενες διπλωµατικές εργασίες. 5.2 Το αυτοκίνητο [37] Fiat Panda Το αυτοκίνητο, το οποίο επιλέχθηκε για τη µετατροπή του σε υβριδικό, είναι ένα Fiat Panda µε κίνηση στους δύο τροχούς. Το αυτοκίνητο αυτό επιλέχθηκε για την απλή κατασκευή, τη συµβατική τεχνολογία και την προσιτή τιµή του, βασικό στοιχείο για ένα πολύπλοκο εγχείρηµα όπως η µεταγενέστερη προσθήκη ενός ηλεκτρικού κινητήρα µε το σύστηµα µετάδοσής του και συσσωρευτών. Επίσης επιλέχθηκε για την ύπαρξη τετρακίνητης έκδοσης απ όπου θα χρειάζονταν κάποια εξαρτήµατα. Τέλος επιλέχθηκε λόγω της ύπαρξης ηλεκτρονικού ψεκασµού καυσίµου, κάτι το οποίο επιτρέπει µελλοντική συνεργασία µε ένα ενιαίο σύστηµα διαχείρισης της κίνησης. Εικόνα 5.1 Το αυτοκίνητο που χρησιµοποιήθηκε στην διπλωµατική εργασία (Fiat Panda) [37]

60 Το αυτοκίνητο αυτό έχει έναν βενζινοκινητήρα 899 κυβικών εκατοστών που αποδίδει 39 hp (29 kw) στις 5500 στροφές το λεπτό και 65 Nm στις 3000 στροφές το λεπτό. Ο κινητήρας αυτός καταναλώνει 6,7 λίτρα καυσίµου ανά 100 χιλιόµετρα και παράγει 160 γραµµάρια διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) ανά χιλιόµετρο. Να σηµειωθεί ότι οι τιµές αυτές είναι δοκιµασµένες από το εργοστάσιο παραγωγής του αυτοκινήτου υπό πειραµατικές συνθήκες και δεν ανταποκρίνονται πλήρως στην πραγµατικότητα, όπου οι τιµές κατανάλωσης καυσίµου και εκποµπής βλαβερών ρύπων είναι µεγαλύτερες ιάταξη υβριδικού συστήµατος Η επιλογή της διάταξης του υβριδικού συστήµατος είναι σηµαντική και εξαρτάται από τις απαιτήσεις που έχουµε από το σύστηµα καθώς και την ευχέρεια που υπάρχει να γίνουν οι απαιτούµενες µετατροπές, ηλεκτρολογικές και µηχανολογικές. Η σειριακή διάταξη απαιτεί τους δύο κινητήρες, βενζίνης και ηλεκτρικού ρεύµατος, µηχανικά συµπλεγµένους όµως αυτό δεν ήταν εφικτό στην εφαρµογή µας γιατί δεν υπήρχε αρκετός χώρος στον χώρο του κινητήρα βενζίνης του αυτοκινήτου, ώστε να προστεθεί και ο ηλεκτρικός. Η παράλληλη διάταξη απορρίφθηκε επίσης λόγω της πολύπλοκης µετάδοσης που απαιτείται για να συζευχθούν οι δύο κινητήρες µε τους τροχούς. Τέλος η ανεξάρτητη διάταξη κρίθηκε η µοναδική και εύκολα εφαρµόσιµη λύση. Ο συµβατικός κινητήρας βενζίνης θα κινεί τους εµπρός τροχούς, ενώ ο ηλεκτρικός κινητήρας τους πίσω. Για τη µεταφορά της κίνησης θα χρησιµοποιηθεί ένας άξονας και ένα σύστηµα γραναζιών µε ιµάντα το οποίο ταυτόχρονα θα αλλάζει και τη σχέση µετάδοσης. Μετά την παρουσίαση των µηχανολογικών µετατροπών που έγιναν στο αυτοκίνητο ακολουθεί ένα σχήµα το οποίο δείχνει τη διάταξη του υβριδικού συστήµατος Μηχανολογικές µετατροπές Το εµπρόσθιο τµήµα του αυτοκινήτου παρέµεινε ως είχε. Οι µετατροπές που θα γίνονταν απαιτούσαν την αλλαγή των αναρτήσεων, του συστήµατος πέδησης, του δοχείου βενζίνης καθώς και την προσωρινή αφαίρεση του καθίσµατος του συνοδηγού. Στη συνέχεια αλλάχθηκαν τα παραπάνω µέρη µε ανταλλακτικά από το τετρακίνητο µοντέλο. Συγκεκριµένα ο πίσω άξονας του τετρακίνητου περιελάµβανε σούστες αντί για αναρτήσεις µε ελατήρια, µπουκάλες, ταµπούρα και ένα διαφορικό. Στη νέα ανάρτηση µε σούστες προστέθηκαν µερικά επιπλέον ελάσµατα για να αντιµετωπιστεί το αυξηµένο βάρος λόγω των µετατροπών και των συσσωρευτών. Επίσης χρησιµοποιήθηκε το δοχείο βενζίνης από την τετρακίνητη έκδοση επειδή είναι µικρότερο σε διατάσεις και επιτρέπει την ύπαρξη άξονα µετάδοσης ο οποίος συνδέεται µε το διαφορικό του πίσω άξονα. Κατασκευάστηκαν επίσης βάσεις στήριξης του άξονα µετάδοσης της κίνησης από τον ηλεκτρικό κινητήρα. Τέλος κάτω από το κάθισµα του συνοδηγού τοποθετήθηκε η βάση του ηλεκτρικού κινητήρα και του συστήµατος µετάδοσης. Ακολουθούν εικόνες στις οποίες φαίνονται οι διάφορες προσθήκες που πραγµατοποιήθηκαν στο αυτοκίνητο.

61 Εικόνα 5.2 Αριστερά: ο πίσω άξονας από τετρακίνητη έκδοση µε σούστες, µπουκάλες, ταµπούρα, διαφορικό και το µικρό δοχείο βενζίνης. εξιά: ο πίσω άξονας και το µεγαλύτερο δοχείο βενζίνης που αφαιρέθηκαν [37] Εικόνα 5.3 Άξονας µετάδοσης της κίνησης τοποθετηµένος στη βάση του. ιακρίνονται ο ηλεκτρικός κινητήρας, τα δύο γρανάζια και το διαφορικό [37]

62 Εικόνα 5.4 Άξονας µετάδοσης της κίνησης. ιακρίνεται και το ένα από τα δύο γρανάζια [37] Σχήµα 5.1 Κάτοψη του αυτοκινήτου όπου φαίνεται η διάταξη των δυο κινητήρων µε τα συστήµατα µετάδοσής τους 5.3 Ηλεκτρικός κινητήρας Επιλογή ηλεκτρικού κινητήρα [20] Η σηµαντικότερη παράµετρος ενός υβριδικού συστήµατος είναι ο ηλεκτρικός κινητήρας του. Η επιλογή του γίνεται µε κριτήριο την ισχύ, τη ροπή, το είδος και την προστασία του. Στην εφαρµογή που µελετάµε η δύναµη µε την οποία κινεί ο κινητήρας τους τροχούς πρέπει να υπερκαλύπτει τις διάφορες δυνάµεις που επιβραδύνουν το αυτοκίνητο. Αυτές οι δυνάµεις είναι: η αντίσταση κύλισης των ελαστικών του η αεροδυναµική αντίσταση η οπισθέλκουσα δύναµη που οφείλεται στην κλίση του δρόµου Επίσης ο κινητήρας πρέπει να παρέχει και µια επιπλέον δύναµη όλων των προηγουµένων για να επιταχύνει το αυτοκίνητο.

63 Αναλυτικότερα οι δυνάµεις που αναφέρθηκαν προηγουµένως είναι: Αντίσταση κύλισης: υπολογίζεται από τη σχέση: F = RRC F cosϑ r N όπου RRC (Rolling Resistance Coefficient) ο συντελεστής κυλιόµενης αντίστασης των τροχών, F N το φορτίο που ασκείται κάθετα σε κάθε τροχό σε Νt και cosϑ το συνηµίτονο της κλίσης του δρόµου (ϑ ). Τυπικές τιµές του συντελεστή κυλιόµενης αντίστασης διαφόρων ελαστικών είναι 0,0073-0,0136 [21]. Για τον υπολογισµό της αντίστασης κύλισης θα χρησιµοποιήσουµε µια µέση τιµή 0,009. Επίσης θα θεωρήσουµε ότι το βάρος του αυτοκινήτου ισοκατανέµεται στους τέσσερις τροχούς του, έτσι κάθε τροχός θα δέχεται φορτίο περίπου 300 kg ή περίπου 2900 Nt. Αεροδυναµική αντίσταση: υπολογίζεται από τη σχέση: F 1 ρ υ 2 (5.1) 2 d = A Cd (5.2) όπου ρ η πυκνότητα του αέρα, υ η ταχύτητα του αέρα σε σχέση µε το αυτοκίνητο, Α η µετωπική επιφάνεια του αυτοκινήτου και C ο αεροδυναµικός συντελεστής του αυτοκινήτου. d Η πυκνότητα του αέρα στην επιφάνεια της θάλασσας και στους 0 ο C είναι 1,2754 kg/m 3. Η σχετική ταχύτητα του αυτοκινήτου ως προς τον αέρα θα θεωρήσουµε χωρίς να µεγάλο σφάλµα ότι ισούται µε αυτή του αυτοκινήτου, δηλαδή ότι επικρατεί νηνεµία, η µετωπική επιφάνεια του αυτοκινήτου είναι 1,85 m 2, ενώ ο αεροδυναµικός συντελεστής του είναι 0,35. ύναµη λόγω κλίσης του δρόµου: η δύναµη αυτή είναι η συνιστώσα του βάρους του οχήµατος που σε περίπτωση κίνησης του σε ανωφέρεια τείνει να κινήσει το αυτοκίνητο αντιθέτως και δίνεται από τη σχέση: F ϑ = B sinϑ (5.3) όπου Β το βάρος του αυτοκινήτου σε Nt και sinϑ το ηµίτονο της κλίσης του δρόµου στον οποίο κινείται το αυτοκίνητο. Το βάρος του αυτοκινήτου εκτιµάται περίπου 1200 kg ή περίπου Nt. ύναµη για επιτάχυνση: η δύναµη µε την οποία η µηχανή επιταχύνει το αυτοκίνητο δίνεται από τη σχέση F a dv = B (5.4) dt όπου Β το βάρος του αυτοκινήτου σε kg και dv η επιτάχυνση που απαιτείται να προέλθει dt από τη δύναµη. Η επιτάχυνση που απαιτείται δεν είναι σταθερή, όµως για να γίνει δυνατός ο υπολογισµός θα km θεωρήσουµε πως είναι σταθερή και ίση µε 2 h 0,5m s 2 s Συνολικά η δύναµη που απαιτείται από τον κινητήρα για να κινηθεί το όχηµα είναι

64 ( ) F = F + F + F + F (5.5) ολ λ 4 r d ϑ α όπου λ ο λόγος µετάδοσης που είναι 6:1 και προκύπτει από την ύπαρξη γραναζιών και του διαφορικού. Η απαιτούµενη ροπή από τον κινητήρα θα είναι: ( 4 ) M = λ F + F + F + F R= F R (5.6) motor r d ϑ α ολ όπου R η ακτίνα του τροχού του αυτοκινήτου. Ακολουθεί διάγραµµα που δείχνει την απαιτούµενη ροπή, σύµφωνα µε την σχέση (5.6) ώστε να κινηθεί το αυτοκίνητο σε συνάρτηση µε την ταχύτητά του, µε παράµετρο την κλίση του εδάφους. Ροπή (Nm) % 2% 40 4% 30 8% Ταχύτητα (km/h) Σχήµα 5.2 ιάγραµµα απαιτούµενης ροπής για κίνηση σε επικλινή επιφάνεια σε συνάρτηση µε την ταχύτητα κίνησης Παρατηρείται ότι σε ταχύτητες 0 km/h έως 60 km/h η µεταβολή στην απαιτούµενη ροπή δεν είναι µεγάλη. Οι ταχύτητες αυτές είναι συνηθισµένες σε κίνηση µέσα σε αστικό περιβάλλον. Η απαιτούµενη ροπή θα καλυφθεί από τη συµβολή των δύο κινητήρων. Ο κινητήρας βενζίνης αποδίδει µέγιστη ροπή 65 Nm, τιµή η οποία είναι αρκετή για να καλύψει τις ανάγκες κίνησης του αυτοκινήτου µετά τις µετατροπές. Η προσθήκη του ηλεκτρικού κινητήρα θα µειώσει τη συµβολή του κινητήρα βενζίνης στην κίνηση και θα βελτιώσει την κατανάλωση καυσίµου και την εκποµπή βλαβερών ρύπων. Θα περιορίσουµε τη ροπή που θα απαιτηθεί από το σύστηµα σε Nm για λόγους περιορισµού του κόστους του ηλεκτρικού κινητήρα και των συσσωρευτών.

65 Έχοντας οριοθετήσει την απαιτούµενη ροπή που απαιτείται από το αυτοκίνητο πρέπει να καθορίσουµε και το είδος του κινητήρα. Από τις διαθέσιµες εναλλακτικές λύσεις που υπάρχουν, θα αποκλειστούν κατ ευθείαν ο σύγχρονος κινητήρας, λόγω της πολυπλοκότητας του και του κόστους του. Επίσης θα αποκλειστούν οι κινητήρες µαγνητικής αντίδρασης και οι κινητήρες συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες, λόγω υψηλού κόστους αλλά και χαµηλής διαθεσιµότητας. Συγκρίνοντας τις δύο εναποµένουσες εναλλακτικές, τον ασύγχρονο κινητήρα και τον κινητήρα συνεχούς ρεύµατος, καταλήγουµε στον τριφασικό ασύγχρονο. Μπορεί ο κινητήρας συνεχούς ρεύµατος να ταιριάζει καλύτερα σε µια τροφοδοσία συνεχούς ρεύµατος (συσσωρευτές) και να είναι πιο απλός στον έλεγχο του, όµως τα πλεονεκτήµατα του περιορίζονται εκεί. Ο κινητήρας συνεχούς ρεύµατος απαιτεί τακτική συντήρηση και έχει υψηλότερο κόστος από έναν ασύγχρονο, παραπλήσιας ισχύος. Έτσι από όλες τις διαθέσιµες εναλλακτικές ο τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας αποτελεί µονόδροµο λόγω του χαµηλού του κόστους, της διαθεσιµότητας του, της υψηλής αξιοπιστίας και των µηδενικών απαιτήσεων συντήρησης Τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας [20] Ο κινητήρας που αγοράσθηκε είναι ελβετικής κατασκευής και αγοράσθηκε από την εταιρία Brusa. Τα χαρακτηριστικά του είναι τα ακόλουθα: Brusa GT-20-T Ονοµαστική ισχύς: 12 kw Μέγιστη ισχύς: 39 kw Ονοµαστική ροπή: 20 Nm Μέγιστη ροπή: 70 Nm Ονοµαστική τάση: 87,5 V Ονοµαστικό ρεύµα: 99 A Μέγιστο ρεύµα: 250 A Συχνότητα λειτουργίας: 200 Hz Αριθµός ζευγών πόλων: 2 Ονοµαστικός αριθµός στροφών: 5920 rpm Μέγιστος αριθµός στροφών: rpm Σύνδεση: Τρίγωνο Βάρος: 34 kg Προστασία: IP 54 Λειτουργία: ED S6-40

66 Εικόνα 5.5 Στοιχεία κινητήρα [20] Η συχνότητα λειτουργίας του είναι υψηλή για µεγαλύτερη ισχύ από µικρότερο όγκο (ειδική ισχύς). Επίσης ο χαρακτηρισµός ED S6-40 σηµαίνει πως σε κύκλο λειτουργίας 10 λεπτών ο κινητήρας πρέπει να λειτουργεί 4 λεπτά και να µένει ανενεργός για 6 λεπτά. Η προστασία του κινητήρα, IP 54, υποδηλώνει πως ο κινητήρας είναι απροσπέλαστος από οποιοδήποτε αντικείµενο, ενώ νερό µπορεί να εκτοξευτεί σε αυτόν από οποιαδήποτε πλευρά χωρίς να υπάρχει πρόβληµα στη λειτουργία του. Ο κινητήρας παραγγέλθηκε µε ενσωµατωµένο στροφόµετρο. Το στροφόµετρο θα χρειαστεί στην υλοποίηση του ελέγχου του κινητήρα. Εικόνα 5.6 Ενσωµατωµένο στροφόµετρο κινητήρα [20]

67 Εικόνα 5.7 Τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας µαζί µε το σύστηµα µετάδοσης του (γρανάζια και ιµάντας) [20] 5.4 Συσσωρευτές Για την αποθήκευση ενέργειας χρησιµοποιήθηκαν συσσωρευτές οξέως µολύβδου. Συγκεκριµένα µια συστοιχία 14 συσσωρευτών τάσης 6V και χωρητικότητας 180 Ah έκαστος. Συνολικά η συστοιχία αποδίδει ενέργεια 15,12 kwh, η οποία καλύπτει τις ανάγκες του κινητήρα. Για την τοποθέτησή τους αφαιρέθηκαν τα πίσω καθίσµατα του αυτοκινήτου, κατασκευάστηκε µια βάση, στην οποία θα µπορούν να τοποθετηθούν οι συσσωρευτές για να µην µετακινούνται, και ένα µεταλλικό πλέγµα που χωρίζει το χώρο των συσσωρευτών από τα µπροστινά καθίσµατα. Ο συγκεκριµένος τύπος συσσωρευτών επιλέχθηκε λόγω της διαθεσιµότητας του, της καλής σχέσης κόστους προς απόδοσής του, καθώς και της δυνατότητας απότοµης παροχής µεγάλου ρεύµατος. Το µεγαλύτερο βάρος τους, σχετικά µε άλλα είδη συσσωρευτών, αντιµετωπίστηκε µε σκλήρυνση της ανάρτησης, όµως αναµένεται να αυξήσει την κατανάλωση καυσίµου και να χειροτερέψει την απόκριση του αυτοκινήτου.

68 Εικόνα 5.8 Συστοιχία συσσωρευτών µολύβδου [20]

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 6 Έλεγχος τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα [22]-[25],[28]-[36] 6.1 Ανάλυση λειτουργίας τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα [22],[23] Για να µπορέσουµε ν να επιλέξουµε έναν κατάλληλο τρόπο ελέγχου ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα, πρέπει πρώτα να αναλύσουµε τη λειτουργία του µε χρήση µαθηµατικών εξισώσεων. Για να γίνει κάτι τέτοιο θα πρέπει πρώτα να κάνουµε κάποιες θεωρήσεις οι οποίες είναι γενικά αποδεκτές. Οι θεωρήσεις αυτές είναι: Ο στάτης και ο δροµέας έχουν ο καθένας από ένα συµµετρικό τύλιγµα, δηλαδή τρεις όµοιες φάσεις, των οποίων οι άξονες σχηµατίζουν µεταξύ τους γωνίες 120 Οι ωµικές αντιστάσεις, οι αυτεπαγωγές και οι αµοιβαίες επαγωγές θεωρούνται σταθερές, δηλαδή ανεξάρτητες της τιµής των διαφόρων ρευµάτων, τα οποία διαρρέουν τα τυλίγµατα (παραλείπουµε τη µεταβολή των αντιστάσεων λόγω θερµοκρασίας και θεωρούµε τη µαγνητική χαρακτηριστική γραµµική). Το µαγνητικό πεδίο µεταξύ στάτη και δροµέα, δηλαδή η µαγνητική επαγωγή Β στο διάκενο θεωρείται ηµιτονοειδώς κατανεµηµένη (λαµβάνεται υπ όψη µόνο η θεµελιώδης αρµονική κύµανση). Το µήκος κύµατος αυτής είναι λ=2τ (όπου τ η απόσταση µεταξύ δύο διαδοχικών πόλων). Οι απώλειες τριβών, σιδήρου, εξαερισµού και άλλες θεωρούνται αµελητέες. Θεωρούµε τη µηχανή διπολική. Η ανάλυση αυτή δεν παύει να ισχύει και για τη µηχανή µε οποιοδήποτε αριθµό ζευγών πόλων. Για την ανάλυση επίσης θα χρειασθεί να ορίσουµε έναν άξονα αναφοράς καθώς και κάποιες γωνίες. Οι γωνίες αυτές είναι οι εξής: ϑ S είναι η γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ της φάσεως α του στάτη και του άξονα αναφοράς, ϑ R είναι η γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ της φάσεως Α του δροµέα και του άξονα αναφοράς, ϑ= ϑr ϑs είναι η γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ της φάσεως α του στάτη και της φάσεως Α του δροµέα. Ο άξονας αναφοράς είναι ακίνητος οπότε µε την πάροδο του χρόνου οι γωνίες αυτές αλλάζουν, άρα είναι συναρτήσεις του χρόνου. Στην ανάλυση µας οι γεωµετρικές αυτές γωνίες µετατρέπονται σε ηλεκτρικές. Μια πλήρης ηλεκτρική γωνία ισούται µε 2π, όταν συµπληρωθεί µια περίοδος του µαγνητικού πεδίου στο διάκενο. Μεταξύ ηλεκτρικής και γεωµετρικής γωνίας ισχύει η σχέση: ϑ el = p ϑγεωµετρική, όπου p τα ζεύγη των πόλων (άρα ϑel ϑγεωµετρική = στην ανάλυση µας)

70 Σχήµα 6.1 Το µοντέλο της ασύγχρονης µηχανής σε abc σύστηµα [22] Για τον αριθµό στροφών ισχύει: 1 1 d n= 2ππ dt ϑ (6.1) Οι φασικές τάσεις οι οποίες επικρατούν στους ακροδέκτες του στάτη δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: ή ua RS 0 0 ia Ψa d u = 0 R 0 i + Ψ b S b b dt u c 0 0 R S i c Ψ c d dt [ U ] = [ R ] [ I ] + [ Ψ ] abc S abc abc (6.2) (6.3) ή Αντίστοιχα για τον δροµέα ισχύει: u A R R 0 0 ia Ψ A d u = 0 R 0 i + Ψ B R b B dt u B 0 0 R SR i c Ψ C (6.4)

71 d ABC R ABC ABC (6.5) dt [ U ] = [ R ] [ I ] + [ Ψ ] Οι µαγνητικές ροές που υπάρχουν στις παραπάνω εξισώσεις είναι: Ψa Laa Lab Lac ia LaA LaB LaC i' A Ψ = L L L i + L L L i' b ba bb bc b ba bb bc B Ψ c Lca Lcb L cc i c LcA LcB L cc i' C (6.6) και ΨA LAa LAb LAc ia LAA LAB LAC i' A Ψ = L L L i + L L L i' B Ba Bb Bc b BA BB BC B Ψ C LCa LCb L Cc i c LCA LCB L CC i' C Συνοπτικά όλες οι παραπάνω εξισώσεις µπορούν να γραφούν: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) us RS 0 is d ΨS = + u 0 R i dt Ψ R R R R ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ΨS LSS LSR is = Ψ L L i R RS RR R (6.7) (6.8) (6.9) Μπορούµε να παρατηρήσουµε ότι: Ο δροµέας είναι βραχυκυκλωµένος, οπότε ισχύει u a =u b =u c. Για τους συντελεστές αλληλεπαγωγής ή αµοιβαίας επαγωγής ισχύει L ik =L ki παράδειγµα L ab =L ba., για Οι αυτεπαγωγές L aa, L bb, L cc, L AA, L BB, L CC, καθώς και οι αλληλεπαγωγές µεταξύ των φάσεων του στάτη L ab, L ac, L bc και του δροµέα L AB, L AC, L BC είναι χρονικώς σταθερές, επειδή η γεωµετρική τους θέση είναι σταθερή. Οι αλληλεπαγωγές µεταξύ του στάτη και του δροµέα (όλες οι υπόλοιπες) είναι συναρτήσεις της γωνίας ϑ µεταξύ των αξόνων α και Α και συνεπώς συναρτήσεις του χρόνου. Η µαγνητική ροή κάθε µιας φάσης του στάτη και του δροµέα είναι συνάρτηση και των έξι ρευµάτων, τα οποία ρέουν στα τυλίγµατά τους. Θα ήταν ευκολότερο, για την ανάλυση, να υπήρχε ένα σύστηµα αναφοράς τέτοιο ώστε να ήταν δυνατή η µετατροπή των επαγωγιµοτήτων που είναι συναρτήσεις του χρόνου σε σταθερές ποσότητες. Αυτό θα µπορούσε να γίνει µε την υιοθέτηση ενός νέου συστήµατος αναφοράς στο οποίο οι άξονες του θα είχαν σταθερή γωνία µεταξύ τους και συνεπώς οι επαγωγιµότητες που θα αναλύονταν πάνω σε αυτούς τους άξονες θα είχαν εκφράσεις ανεξάρτητες του χρόνου.

72 Το 1929 ο Park ανέπτυξε τον οµώνυµο µετασχηµατισµό που επιτρέπει τη µετατροπή του αρχικού συστήµατος των τριών φάσεων, σε ένα σύστηµα µε δυο ορθογώνιους άξονες µέσω µιας µήτρας µετασχηµατισµού. Η µήτρα αυτή έχει τη µορφή: 2π 2π cosϑx cos( ϑx + ) cos( ϑx - ) π 2π M X = sinϑx sin( ϑx + ) sin( ϑx - ) ( ) όπου ο δείκτης x αναφέρεται είτε στον στάτη (S), είτε στον δροµέα (R). Έτσι µε την υιοθέτηση των δύο αξόνων d και q, οι γωνίες ϑ S και αναφορά τον άξονα d. (6.10) ϑ R θα ορίζονται µε Σχήµα 6.2 Το µοντέλο της ασύγχρονης µηχανής σε σύστηµα q-d όπως προκύπτει από τον µετασχηµατισµό Park [22] Με τη χρήση του µετασχηµατισµού Park (6.10) οι σχέσεις στο στάτη της µηχανής γίνονται : ( M ) [ U ] = ( M ) [ R ] [ I ] + ( M ) [ Ψ ] S abc S S abc S abc ( M ) [ U ] = [ R ] ( M ) [ I ] + ( M ) [ Ψ ] d dt d dt S abc S S abc S abc (6.11α) (6.11β)

73 Θέτουµε: και ( ) [ ] U Sdq0 = M S Uabc, (6.12α) ( ) [ ] I Sdq0 = M I S abc (6.12β) ( ) [ Ψ ] Ψ Sdq0 = M S abc (6.13) d d d Ψ Sdq0 = ( M S) ( Ψ abc) + ( M S) ( Ψabc) dt dt dt d d d dt dt dt ( M ) ( Ψ ) = Ψ - ( M ) ( Ψ ) S abc Sdq0 S abc d d d -1 ( M S) ( Ψ abc) = Ψ Sdq0 - MS ( MS Ψsdq0) dt dt dt (6.14) (6.15) (6.16) ΨSq d d ( M S) ( Ψ abc) = Ψ Sdq0 - S Ψ Sd dt dt ϑ (6.17) ΨSq d d M S Ψ abc = Ψ Sdq0 - S Ψ Sd dt dt ϑ (6.18) 0 ( ) ( ) Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει τελικά Ψ Sq d U = [ R ] I + Ψ - ϑ Ψ (6.19α) dt 0 Sdq0 S Sdq0 Sdq0 S Sd για τον στάτη και Ψ Rq d U Rdq0 = [ R R] I Rdq0 + Ψ Rdq0 - ϑ R Ψ Rd dt (6.19β) 0 για τον δροµέα. Συνοπτικά οι παραπάνω σχέσεις γράφονται ως εξής: d [U dq0]=[r dq0][i dq0] + [Ψ dq0]- ω[ψ dq0] dt (6.20) Λόγω του µετασχηµατισµού που έχουν υποστεί οι αρχικές εξισώσεις η µήτρα των επαγωγιµοτήτων στο τελικό σύστηµα εξισώσεων έχει τα πιο πολλά στοιχεία τις ίσα µε το 0, αφού οι επαγωγιµότητες δεν µεταβάλλονται πλέον µε τον χρόνο. Η ηλεκτροµαγνητική ροπή που αναπτύσσεται περιγράφεται από τη σχέση:

74 p M = ϑ i Ψ -i Ψ + i Ψ -i Ψ ϑ ( ) ϑ ( ) el S Sd Sq Sq Sd R Rd Rq Rq Rd ενώ οι στροφές από τη σχέση: ϑ Ω= p (6.21) (6.22) 6.2 ιανυσµατικός έλεγχος ασύγχρονου κινητήρα [22] Εισαγωγή Η ασύγχρονη µηχανή κινείται επειδή ένα στρεφόµενο µαγνητικό πεδίο, δηµιουργούµενο από ένα τριφασικό τύλιγµα στον στάτη, αλληλεπιδρά µε τα ρεύµατα που δηµιουργούνται από επαγωγή στον δροµέα. Το µαγνητικό πεδίο που δηµιουργείται από το τύλιγµα του στάτη στο διάκενο είναι συνάρτηση του χώρου και του χρόνου. Επίσης τα επαγόµενα ρεύµατα δεν µπορούν να διαχωριστούν σε συνιστώσες που δηµιουργούν ροπή ή ροή. Με τη χρήση του µετασχηµατισµού Park µπορούµε να διαχωρίσουµε το ρεύµα σε συνιστώσες ενός νέου ορθοκανονικού συστήµατος. Επίσης µε τη χρήση ενός συστήµατος αναφοράς το οποίο περιστρέφεται µε τον σύγχρονο αριθµό στροφών, και ενός κατάλληλου προσανατολισµού του, καταφέρνουµε τα εναλλασσόµενα µεγέθη να γίνουν συνεχή. Με αυτόν τον τρόπο τα ρεύµατα αναλύονται σε δύο συνιστώσες κάθετες µεταξύ τους, µια που δηµιουργεί µαγνητική ροή και µια που δηµιουργεί ηλεκτροµαγνητική ροπή. Ο διαχωρισµός αυτός επιτρέπει τον ξεχωριστό έλεγχο κάθε µιας συνιστώσας µε παρόµοιο τρόπο µε αυτόν που εφαρµόζεται στις µηχανές συνεχούς ρεύµατος. Ο διανυσµατικός έλεγχος είναι αυτή ακριβώς η διαδικασία ελέγχου, δηλαδή ο µετασχηµατισµός των εναλλασσοµένων ποσοτήτων σε συνεχή, µε αλλαγή συστήµατος και προσανατολισµού, µε σκοπό τον έλεγχο µιας µηχανής. Αν εκµεταλλευτούµε την ελευθερία που έχουµε στην επιλογή του συστήµατος αναφοράς, µπορούµε να εκφράσουµε τις εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία της µηχανής σε ένα ορθοκανονικό σύστηµα που στρέφεται µε το σύγχρονο αριθµό στροφών. Αυτή η επιλογή δικαιολογείται από τις απλοποιήσεις που υπεισέρχονται στους υπολογισµούς, αφού το µαγνητικό πεδίο στρέφεται µε το σύγχρονο αριθµό στροφών. Σε αυτή τη περίπτωση θεωρούµε ότι ϑ S =ωs και ϑ R =ωr. Με αυτό τον τρόπο οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία της µηχανής γίνονται: dψ u =R i + -ωψ dt Sd Sd S Sd S Sq dψ u =R i + +ωψ dt Sq Sq S Sq S Sd (6.23α) (6.23β) dψrd u Rd =R Ri Rd + -ωrψrq (6.24α) dt dψrq u Rq =R Ri Rq + +ωrψrd (6.24β) dt Οι µαγνητικές ροές στο νέο σύστηµα αναφοράς γίνονται:

75 Ψ Sd=LSi Sd+Lhi Rd=LSσi Sd+L h (i Rd+i Sd ) (6.25α) Ψ Sq=LSi Sq+Lhi Rq=LSσi Sq+L h (i Rq+i Sq ) (6.25β) για τον στάτη και: Ψ Rd =Lhi Sd +L Ri Rd =LRσi Rd +L h (i Rd +i Sd ) (6.26α) Ψ Rq =Lhi Sq +L Ri Rq =LRσi Rq +L h (i Rq +i Sq ) (6.26β) για τον δροµέα αντίστοιχα Ταξινόµηση των µεθόδων διανυσµατικού ελέγχου Οι µέθοδοι διανυσµατικού ελέγχου κατατάσσονται βάσει δύο διαφορετικών κριτηρίων, τον προσανατολισµό του συστήµατος αναφοράς και τον τρόπο µε τον οποίο επιτυγχάνεται αυτός ο προσανατολισµός. Σύµφωνα µε το πρώτο κριτήριο του προσανατολισµού υπάρχουν τα εξής είδη διανυσµατικού ελέγχου: διανυσµατικός έλεγχος µε προσανατολισµό στη µαγνητική ροή του στάτη διανυσµατικός έλεγχος µε προσανατολισµό στη µαγνητική ροή του δροµέα διανυσµατικός έλεγχος µε προσανατολισµό στη µαγνητική ροή του διακένου Σύµφωνα µε το δεύτερο κριτήριο ο διανυσµατικός έλεγχος χωρίζεται σε δύο είδη τα οποία είναι: άµεσος διανυσµατικός έλεγχος έµµεσος διανυσµατικός έλεγχος Σύγκριση των µεθόδων διανυσµατικού ελέγχου Ο διανυσµατικός έλεγχος µε προσανατολισµό στο πεδίο του στάτη ή του δροµέα οδηγεί σε απλούστερες µαθηµατικές εξισώσεις σε σχέση µε το αυτόν του διακένου, κάτι που διευκολύνει την εφαρµογή τους σε ψηφιακό έλεγχο µε µικροεπεξεργαστή. Στον άµεσο διανυσµατικό έλεγχο οι κάθετες συνιστώσες υπολογίζονται µε βάση τα µετρούµενα µεγέθη της µηχανής και τις εξισώσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω. Οι συνιστώσες αρχικά είναι ανεξάρτητες του συστήµατος αναφοράς, όµως στον υπολογισµό της ροπής προσανατολίζονται µε χρήση της ροής του στάτη ή του δροµέα. Άξιο αναφοράς είναι το γεγονός, ότι αυτό το είδος ελέγχου δεν απαιτεί τη γνώση της συχνότητας περιστροφής της µηχανής, αλλά τη γνώση της ροής της µηχανής. Ο ακριβής υπολογισµός της ροής είναι σηµαντικός για την αξιοπιστία του ελέγχου της µηχανής. Ο έµµεσος διανυσµατικός έλεγχος απαιτεί τη χρήση ενός αισθητήρα ταχύτητας (στροφόµετρο). Σε αυτό το είδος ελέγχου χρησιµοποιείται η συχνότητα περιστροφής του δροµέα για να υπολογισθεί η ολίσθηση. Με αυτόν τον τρόπο προσδιορίζουµε έµµεσα την ροή στον στάτη και την προσανατολίζουµε. Στην συνέχεια µπορούµε να υπολογίσουµε τα υπόλοιπα µεγέθη (ρεύµα, ροπή)

76 Άµεσος Έλεγχος ροπής [23]-[25],[28]-[36] Εισαγωγή Ο άµεσος έλεγχος ροπής είναι ένα είδος άµεσου διανυσµατικού ελέγχου µε προσανατολισµό στη µαγνητική ροή του στάτη. Ο συγκεκριµένος τρόπος ελέγχου επιλέχθηκε επειδή είναι δοκιµασµένος σε παρόµοιες εφαρµογές (αναφέρονται στην βιβλιογραφία), είναι σχετικά απλός στην υλοποίησή του και υπάρχουν και περιθώρια βελτίωσής του. Για τη λειτουργία του απαιτείται η µέτρηση της συνεχούς τάσης τροφοδοσίας του αντιστροφέα καθώς και η µέτρηση δυο εκ των τριών εναλλασσοµένων ρευµάτων. Μετά την επεξεργασία των µετρήσεων αυτών είναι δυνατόν ο υπολογισµός και ο προσανατολισµός της µαγνητικής ροής που αναπτύσσεται στη µηχανή αλλά και ο υπολογισµός της ηλεκτροµαγνητικής ροπής. Με βάση την παραπάνω επεξεργασία υπολογίζεται η παλµοδότηση του αντιστροφέα. Ακολουθεί το δοµικό διάγραµµα του άµεσου ελέγχου ροπής: Σχήµα 6.3 οµικό διάγραµµα άµεσου ελέγχου ροπής

77 Ακολουθεί µια ανάλυση του κάθε βήµατος που απαιτείται για την εφαρµογή του άµεσου ελέγχου ροπής Υπολογισµός τάσεων του συστήµατος d-q στον στάτη (V S ) Για τον υπολογισµό των συνιστωσών των τάσεων του στάτη στο σύστηµα d-q απαιτείται η µέτρηση του ρεύµατος στον συνεχή κλάδο και η κατάσταση στην οποία βρίσκονται οι διακόπτες του αντιστροφέα. Χρησιµοποιώντας τον µετασχηµατισµό Park για την εύρεση της τάσης στον στάτη έχουµε: 2π 2π cosθ cos(θ + ) cos(θ - ) V S S S a υsd = V b υ Sq 3 2π 2π sinθ S sin(θ S + ) sin(θ S - ) V c 3 3 (6.27) Οι στιγµιαίες φασικές τάσεις των τυλιγµάτων της µηχανής είναι V a (t), V b (t) και V c (t). Θέτοντας θ S =0 έχουµε: όπου υ S(t) = υ Sd (t) + jυ Sq (t) = V a (t)- V b(t)- V c(t) j V b(t)-j V c(t) υ S(t) = V a (t) + - j V b(t) - -j V c(t) υ S(t) = V a (t) + av b(t) + a V c(t) 3 (6.28) και 2π 1 3 j a=- + j = e 3 (6.29α) 2 2 4π j a =- j = e. (6.29β) 2 2 Θεωρώντας την ασύγχρονη µηχανή ως ένα τριφασικό τύλιγµα συνδεδεµένο σε αστέρα, µπορούµε να υπολογίσουµε την τάση σε κάθε τύλιγµα σαν συνάρτηση της συνεχούς τάσης V dc. Η διαφορά δυναµικού µεταξύ του µέσου κάθε κλάδου και της γης µπορεί να είναι V dc ή 0 ανάλογα µε το αν άγει ο επάνω ή ο κάτω διακόπτης αντίστοιχα. Την ένδειξη αυτή, δηλαδή αν άγει ο επάνω ή ο κάτω διακόπτης, µπορούµε να τη χρησιµοποιήσουµε ως εξίσωση, την 1 S x (t) = 0 (6.30) όπου παίρνει την τιµή 1 όταν άγει ο επάνω διακόπτης και ο κάτω είναι κλειστός και 0 αντίστροφα, όταν άγει ο κάτω διακόπτης.

78 Σχήµα 6.4 Τοπολογία τριφασικού αντιστροφέα που τροφοδοτεί τριφασικό τύλιγµα συνδεδεµένο σε αστέρα Οι φασικές τάσεις πλέον µπορούν να γραφούν: 1 V a (t) = ( 2Sa Sb Sc) Vdc (6.31α) 3 1 V b(t) = ( 2Sb Sa Sc) Vdc (6.31β) 3 1 V c(t) = ( 2Sc Sa Sb) Vdc (6.31γ) 3 Συνδυάζοντας την εξίσωση της τάσης του στάτη στο σύστηµα d-q (6.28) µε τις εξισώσεις των φασικών τάσεων στο τριφασικό σύστηµα (6.31) προκύπτει : 2 υ = V (S +S e +S e ) 3 j(2π/3) -j(2π/3) S dc a b c (6.32) όπου αναλυτικότερα οι δυο συνιστώσες είναι: και 2 υ Sd = V 1 1 dc(sa - Sb - S c) (6.33) 2 υ Sq = V 3 3 dc( Sb - S c) Οι παραπάνω εξισώσεις µπορούν να γραφούν και αλλιώς: (6.34)

79 υ = Sd 2 Vdc cosθ 3 (6.35) και υ = Sq 2 Vdcsinθ 3 (6.36) όπου κπ θ= 3 (κ=0,1,...,7) (6.37) Οι τάσεις υ Sd και υ Sq παίρνουν διαφορετικές τιµές, ανάλογα µε την κατάσταση των έξι διακοπτών του αντιστροφέα, και κάθε µια αντιστοιχεί σε µια γωνία θ. Η απεικόνιση των διαφορετικών τιµών που µπορούν να πάρουν οι τάσεις συναρτήσει της γωνίας φαίνεται στο παρακάτω διάγραµµα. Κάθε τιµή της γωνίας (που αντιστοιχεί σε µια τιµή του κ) παρουσιάζεται µε ένα διάνυσµα V 0 -V 7. Τα διανύσµατα V 0 και V 7 είναι µηδενικά, γι αυτό και δεν φαίνονται. Σχήµα 6.5 Απεικόνιση διανυσµάτων ανάλογα µε την κατάσταση των διακοπτών

80 Υπολογισµός ρευµάτων του συστήµατος d-q στον στάτη (Ι S ) Για τον υπολογισµό των δυο συνιστωσών του ρεύµατος που ρέει κάθε τύλιγµα του στάτη απαιτείται η µέτρηση δυο εκ των τριών εναλλασσοµένων ρευµάτων που τροφοδοτούν τη µηχανή. Επειδή τα τρία τυλίγµατα του στάτη είναι συνδεδεµένα σε αστέρα ισχύει: i +i +i =0 a b c ( ) i = i +i c a b άρα γνωρίζουµε και το τρίτο εναλλασσόµενο ρεύµα. (6.38) Όσον αφορά στα ρεύµατα στον στάτη στο d-q σύστηµα, βρίσκονται µε χρήση του µετασχηµατισµού Park: i a isd = i b i Sq i c 2 2 (6.39) και i Sd = (i a - i b - i c ) (6.40) i Sq = ( i b - i c ) (6.41) Όµως λόγω της συνδεσµολογίας των τυλιγµάτων του στάτη ισχύει i a +i b +i c =0 άρα τα ρεύµατα στο σύστηµα d-q που αρχικά προκύπτουνα από τους τύπους (6.40), (6.41), απλοποιούνται και δίνονται από τους τύπους: 3 i Sd = i 2 a (6.42) 2 i Sq = (i a -2i b ). (6.43) Υπολογισµός µαγνητικής ροής στον στάτη (Ψ S ) Υπάρχουν δυο τρόποι να υπολογίσουµε τη µαγνητική ροή. Ο πρώτος είναι µε το µοντέλο του ρεύµατος και ο δεύτερος µε το µοντέλο της τάσης. όπου Με τον πρώτο τρόπο η ροή δίνεται από τη σχέση: 1 Ψ = (L Ψ +σl i ) S h R h S LR R h S R R R τr (6.44) 1 Ψ = L i -(1-jω τ )Ψ dt. (6.45)

81 Ο τρόπος αυτός δεν συνίσταται, διότι η τιµή της µεταβλητής τ R µεταβάλλεται πολύ αντίστοιχα µε τη µεταβολή του αριθµού στροφών της µηχανής. Με τον δεύτερο τρόπο η µαγνητική ροή βρίσκεται µε το µοντέλο της τάσης σύµφωνα µε τη σχέση: Ψ = (V -I R )dt (6.46) S S S S Σύµφωνα µε αυτήν τη σχέση γνωρίζοντας την τάση και το ρεύµα στον στάτη καθώς και την τιµή της αντίστασης των τυλιγµάτων του µπορούµε να υπολογίσουµε τη ροή. Το µειονέκτηµα αυτής της µεθόδου υπολογισµού είναι η µεταβολή της τιµής της αντίστασης του στάτη. Καθώς ο κινητήρας επιταχύνει, περισσότερο ρεύµα διαρρέει τα τυλίγµατά του µε αποτέλεσµα αυτά να θερµαίνονται και να µεταβάλλεται η τιµή της αντίστασής τους. Επίσης στις υψηλές στροφές περιστροφής του κινητήρα η πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση των τυλιγµάτων είναι αµελητέα σε σχέση µε τη συνολική τάση η οποία τροφοδοτεί το τύλιγµα. Στο πρόγραµµα ελέγχου που υλοποιήθηκε θεωρήσαµε την πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση µηδενική, γιατί η µηχανή λόγω της σχέσης µετάδοσης που έχει µε τους τροχούς του οχήµατος δεν θα λειτουργεί συχνά σε χαµηλές συχνότητες περιστροφής. Άρα η σχέση απλοποιείται και γίνεται: Ψ = S VSdt (6.47) Επειδή ο άµεσος έλεγχος ροπής θα γίνει µε τη χρήση µικροεπεξεργαστή, θα χρειαστεί να διακριτοποιήσουµε το ολοκλήρωµα µε το οποίο υπολογίζουµε τη ροή Ψ S. Έτσι οι τύποι µε τους οποίους θα βρούµε τις δυο συνιστώσες της ροής στο σύστηµα d-q είναι: και Ψ S d (k + 1 )=Ψ S d (k )+ V S d T (6.48α) Ψ S q (k + 1 )=Ψ S q (k )+ VS q T (6.48β) όπου Τ είναι η περίοδος εκτέλεσης ενός βρόχου του ελέγχου από τον µικροεπεξεργαστή. Είναι δεδοµένο ότι η ακρίβεια του διακριτού τύπου µεγαλώνει µε την αύξηση της συχνότητας λειτουργίας του επεξεργαστή. Η συνολική µαγνητική ροή Ψ S υπολογίζεται κάθε στιγµή από τη σχέση: 2 2 Ψ S(k) = Ψ Sd (k) +Ψ Sq (k) (6.49) Υπολογισµός τοµέα Όπως έχει αναφερθεί σε προηγούµενο κεφάλαιο, στον άµεσο διανυσµατικό έλεγχο πρώτα υπολογίζουµε την τιµή της ροής που αναπτύσσεται στη µηχανή και στη συνέχεια καθορίζουµε τον προσανατολισµό της. Στη συγκεκριµένη εφαρµογή η προσέγγιση της γωνίας της ροής µπορεί να γίνει µε περιθώριο 60, λόγω του περιορισµού που υπάρχει από τις διαθέσιµες καταστάσεις διανύσµατα (V 0 -V 7 ). Τα έξι διανύσµατα ορίζουν έξι τοµείς αντίστοιχα. Το διάνυσµα της ροής καθώς περιστρέφεται περνάει µέσα από τους έξι αυτούς τοµείς. Για να βρούµε κάθε στιγµή, σε ποιόν τοµέα βρίσκεται η ροή αρκεί να βρούµε τη γωνία που σχηµατίζει η ροή µε την αρχή των αξόνων του συστήµατος d-q.

82 Σχήµα 6.6 Μαγνητική ροή Ψ S και συνιστώσες της Ψ Sd και Ψ Sq και Έτσι η γωνία θα βρεθεί υπολογίζοντας το ηµίτονο και το συνηµίτονό της: Ψ -1 S d θ Ψ s = sin ( ) Ψ S Ψ -1 S q θ Ψ s = c o s ( ) Ψ S (6.50α). (6.50β) Ακολουθεί ένα διάγραµµα το οποίο δείχνει τα όρια, εκφρασµένα σε ηµίτονα και συνηµίτονα γωνιών, κάθε τοµέα:

83 Σχήµα 6.7 Όρια τοµέων εκφρασµένα σε ηµίτονα και συνηµίτονα γωνιών Υπολογισµός ηλεκτροµαγνητικής ροπής Η ηλεκτροµαγνητική ροπή που αναπτύσσεται κάθε στιγµή στη µηχανή δίνεται από την επόµενη σχέση στην οποία όλα τα µεγέθη έχουν ήδη υπολογισθεί: 3 M= p(isdψsq -I SqΨ Sd ) (6.51) 2 όπου p τα ζεύγη των πόλων που έχει η µηχανή Σύγκριση ροής και ροπής µε µεγέθη αναφοράς Αφού έχουµε υπολογίσει όλα τα απαραίτητα µεγέθη που χρειάζονται (µαγνητική ροή και ηλεκτροµαγνητική ροπή), τα συγκρίνουµε µε κάποια µεγέθη αναφοράς ώστε να διαπιστώσουµε ποιά θα είναι η παρέµβαση που θα πρέπει να γίνει για να µειώσουµε το σφάλµα.

84 Η σύγκριση της ροής γίνεται µε έναν ελεγκτή, ο οποίος έχει ως είσοδό του το διαφορικό σήµα µεταξύ της υπολογισθείσας ροής και της ροής αναφοράς και δυο καταστάσεις εξόδου. Είτε αύξηση της ροής της µηχανής, είτε µείωσή της. Σχήµα 6.8 Ελεγκτής ροής δυο καταστάσεων Ο ελεγκτής ροπής δέχεται ένα αντίστοιχο διαφορικό σήµα στην είσοδο του αλλά η έξοδος του αποτελείται από τρεις καταστάσεις. Αύξηση της ροπής, διατήρηση της ροπής ή µείωση της ροπής. Αυτό επιτυγχάνεται µε την εισαγωγή ενός εύρους υστέρησης (παράθυρο). Όσο η διαφορά µεταξύ της επιθυµητής και της υπολογισθείσας ροής βρίσκεται εντός των ορίων του παραθύρου ο έλεγχος δεν παρεµβαίνει στη µηχανή. Το παράθυρο αυτό υπάρχει για να εξοµαλυνθεί η κυµάτωση της ροπής που αναπτύσσεται στη µηχανή. Όσο µικρότερη είναι η περίοδος παρέµβασης στην κατάσταση λειτουργίας του αντιστροφέα, τόσο µικρότερο µπορεί να είναι το παράθυρο αυτό. Σχήµα 6.9 Ελεγκτής ροπής τριών καταστάσεων Επιλογή διανύσµατος τάσης Μετά από την ολοκλήρωση όλων των προηγούµενων υπολογισµών και συγκρίσεων µπορούµε να βρούµε ποιό είναι το βέλτιστο διάνυσµα για να τροφοδοτήσει τη µηχανή µε την κατάλληλη τάση. Συγκεκριµένα καθώς το διάνυσµα της µαγνητικής ροής του στάτη περιστρέφεται, µπορούµε ανά πάσα στιγµή να επιταχύνουµε ή να επιβραδύνουµε το διάνυσµα, καθώς και να αλλάξουµε το

85 µέτρο του. Η γωνιακή ταχύτητα του διανύσµατος της ροής έχει άµεση σχέση µε τη ροπή που παράγει η ηλεκτρική µηχανή: M - M = J dω e l L o a d d t. (6.52) Όπως φαίνεται και από το σχήµα που ακολουθεί κάθε χρονική στιγµή έχουµε τη δυνατότητα να διορθώσουµε το διάνυσµα της ροής του στάτη µε οκτώ διαφορετικούς τρόπους (V 0 -V 7 ). Ανάλογα µε τη διόρθωση που πρέπει να γίνει (προκύπτει από τους δύο ελεγκτές), επιλέγεται σε τακτά χρονικά διαστήµατα ένα από τα οκτώ αυτά διανύσµατα. Στο παράδειγµα που φαίνεται στο σχήµα, αν θέλουµε να αυξήσουµε τη ροή, επιλέγουµε ένα εκ των δυο διανυσµάτων V 2, V 6, τα οποία µε την εφαρµογή τους θα µειώσουν την τιµή της Ψ S (στο σχήµα λ S ). Αν θέλουµε επίσης να αυξήσουµε και τη ροπή ταυτόχρονα θα πρέπει να επιλέξουµε το διάνυσµα V 2, το οποίο µε την εφαρµογή του θα τείνει να περιστρέψει το διάνυσµα της ροής µε µεγαλύτερη ταχύτητα. Παρόµοια επιλογή διανύσµατος γίνεται για οποιαδήποτε µεταβολή της ροής και της ροπής και σε οποιονδήποτε τοµέα. Σχήµα 6.10 ιόρθωση διανύσµατος µαγνητικής ροής [24] Ο πίνακας σύµφωνα µε τον οποίο διαλέγονται τα διανύσµατα σε κάθε δυνατή περίπτωση είναι:

86 Πίνακας 6.1 Πίνακας επιλογής διανύσµατος Η τριάδα των αριθµών που αντιστοιχεί σε κάθε διάνυσµα είναι οι καταστάσεις των διακοπτών των τριών κλάδων του αντιστροφέα (S a, S b, S c ). Κάθε τριάδα καταστάσεων αντιστοιχεί σε µια συνολική κατάσταση των έξι διακοπτών του αντιστροφέα. Παρατηρούµε ότι τα διανύσµατα V 0 και V 7 οδηγούν στην αποκοπή της τριφασικής µηχανής από την τροφοδοσία συνεχούς τάσης. Σχήµα 6.11 Απεικόνιση κατάστασης διακοπτών για τα οκτώ διαθέσιµα διανύσµατα [25]

87 Σχήµα 6.12 Απεικόνιση των πολικών τάσεων των τριών φάσεων για τα οκτώ διαθέσιµα διανύσµατα Με αυτόν τον τρόπο προστίθενται µε σταθερό ρυθµό τα διορθωτικά διανύσµατα στο διάνυσµα της ροής και επιτυγχάνεται ο έλεγχος της µηχανής. Ακολουθούν δυο ενδεικτικές γραφικές παραστάσεις που παρουσιάζουν το διάνυσµα της ροής κατά τη διάρκεια της εκκίνησης της µηχανής αλλά και κατά τη διάρκεια αλλαγής της ροής αναφοράς. Σχήµα 6.13 Τιµές του διανύσµατος της ροής κατά την επιτάχυνση της µηχανής, για αύξηση της ροπής και συχνότητα 15 kηz [23]

88 Σχήµα 6.14 Μεταβολή της ροής αναφοράς κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας της µηχανής [24] 6.4 Ανάκτηση ενέργειας Μια πολύ σηµαντική ικανότητα για ένα υβριδικό αυτοκίνητο είναι να επιτρέπει ανάκτηση ενέργειας. Ο άµεσος έλεγχος ροπής από τη φύση του είναι ικανός να εκτελέσει µια τέτοια λειτουργία, χωρίς την προσθήκη κανενός επιπλέον στοιχείου, είτε προγράµµατος είτε ολοκληρωµένου κυκλώµατος. Ακόµα και κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας ως κινητήρα, ο άµεσος έλεγχος ροπής λόγω των συνεχών διορθώσεων που κάνει, εναλλάσσει τη λειτουργία της ασύγχρονης µηχανής µεταξύ γεννήτριας και µηχανής. Συγκεκριµένα κάθε φορά που ο έλεγχος διαλέγει ένα διάνυσµα διόρθωσης που επιταχύνει το διάνυσµα της ροής, τότε η µηχανή καταναλώνει ενέργεια από την τροφοδοσία της. Όµως, τις χρονικές στιγµές που ο έλεγχος διαπιστώνει ότι η παραγόµενη ροπή είναι µεγαλύτερη από τη ροπή αναφοράς, τότε το διορθωτικό διάνυσµα διαλέγεται τέτοιο ώστε να επιβραδύνει το διάνυσµα της ροής. ηλαδή ακόµα και κατά την κανονική λειτουργία ως καταναλωτής ενέργειας ο άµεσος έλεγχος ροπής µετατρέπει στιγµιαία τη µηχανή σε παραγωγό ενέργειας. Αυτό φαίνεται και από το παλµογράφηµα του ρεύµατος στον κλάδο συνεχούς τάσης. Οι τιµές που παίρνει δεν είναι µονίµως θετικές αλλά υπάρχουν και χρονικές στιγµές που είναι αρνητικές, δηλαδή ο κινητήρας επιστρέφει ενέργεια στην τροφοδοσία του. Αυτό που καθορίζει τη λειτουργία της µηχανής είναι η µέση τιµή αυτού του ρεύµατος. Αν είναι θετική λειτουργεί ως κινητήρας, ενώ αν είναι αρνητική ως γεννήτρια. Για να αναγκάσουµε τον κινητήρα να λειτουργεί την πλειονότητα του χρόνου ως γεννήτρια αρκεί να του θέσουµε ροπή αναφοράς µικρότερη από την παραγόµενη. Τότε ο άµεσος έλεγχος

89 ροπής θα προσπαθεί κυρίως να επιβραδύνει το διάνυσµα της ροής, οπότε η επιλογή των διορθωτικών διανυσµάτων που θα κάνει θα οδηγούν στη ροή του ρεύµατος προς την τροφοδοσία, η µέση τιµή του θα είναι αρνητική και ο κινητήρας του υβριδικού αυτοκινήτου θα κάνει ανάκτηση ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο η κινητική ενέργεια των τροχών δεν θα µετατρέπεται σε θερµική και θα σπαταλάται (µε τα φρένα), αλλά σε ηλεκτρική (και στη συνέχεια χηµική στους συσσωρευτές) και θα αποθηκεύεται.

90 - 90 -

91 Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 7 Κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα [20],[23] Η διάταξη οδήγησης της µηχανής η οποία θα χρησιµοποιηθεί, είναι ένας τριφασικός αντιστροφέας. Ο αντιστροφέας είναι µια ηλεκτρική συσκευή, η οποία τροφοδοτείται µε συνεχές ρεύµα και παράγει εναλλασσόµενο ρεύµα µεταβαλλόµενης συχνότητας στην έξοδο του. Η συνδεσµολογία του απαιτεί έξι διακοπτικά στοιχεία, τα οποία θα τροφοδοτούνται σε κλάδους των δυο στοιχείων από συνεχή τάση. Η κάθε φάση της εξόδου ξεκινά από το µέσο του κάθε κλάδου. Ακολουθεί το διάγραµµα του αντιστροφέα: Σχήµα 7.1 Βασική δοµή τριφασικού αντιστροφέα τάσης Ο τριφασικός αντιστροφέας της παρούσας διπλωµατικής εργασίας, αλλά και οποιοσδήποτε άλλος, αποτελείται από τα εξής επιµέρους στοιχεία: ηµιαγωγικά στοιχεία σύστηµα απαγωγής θερµότητας καλωδιώσεις προστασία διάταξης ηλεκτρονικά κυκλώµατα ελέγχου κιβώτιο φύλαξης Στα επόµενα κεφάλαια ακολουθεί λεπτοµερής ανάλυση καθενός από τα τµήµατα που απαρτίζουν τον τριφασικό αντιστροφέα που κατασκευάστηκε.

92 Ηµιαγωγικά στοιχεία Η επιλογή των σωστών ηµιαγωγικών στοιχείων είναι πολύ βασική για τη σωστή λειτουργία του αντιστροφέα. Αρχικά πρέπει να καθορισθεί το είδος των ηµιαγωγικών στοιχείων που θα χρησιµοποιηθούν. Υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά είδη ηµιαγωγικών στοιχείων ισχύος, τα οποία µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε εφαρµογές µεγάλων ισχύων. Αυτά τα είδη είναι τα θυρίστορ, τα GTO, τα IGBT και τα MOSFET. Σχήµα 7.2 ιαθέσιµα ηµιαγωγικά στοιχεία ισχύος σχεδιασµένα µε τα όρια τους σε τάση, ρεύµα και συχνότητα [6] Ξεκινώντας από τα θυρίστορ, παρατηρούµε ότι έχουν ένα βασικό µειονέκτηµα, δεν µπορούν να σβήσουν εξαναγκασµένα αλλά µόνο όταν το ρεύµα που τα διαρρέει πάρει πολύ µικρή τιµή. Κάτι τέτοιο είναι απαγορευτικό για έναν αντιστροφέα, αφού η λειτουργία του βασίζεται στην εξαναγκασµένη σβέση των στοιχείων. Το µειονέκτηµα αυτό διορθώνεται στα GTO (Gate Turn-off Thryristor), όµως σε αυτά υπάρχει το µειονέκτηµα ότι δεν µπορούν να λειτουργούν υπό µεγάλες διακοπτικές συχνότητες, κάτι που θα οδηγούσε σε πολύ κακή συµπεριφορά του αντιστροφέα. Τα χαρακτηριστικά της εξόδου του αντιστροφέα (τάση, ρεύµα, αρµονικές αυτών) θεωρούνται ικανοποιητικά σε συχνότητες 10kHz µε 50kHz, δηλαδή πλησιάζουν πολύ την ηµιτονοειδή κυµατοµορφή. Έτσι η επιλογή µας περιορίζεται ανάµεσα στα IGBT και τα MOSFET. Από αυτά τα δύο τα MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) δεν µπορούν να επιλεχθούν επειδή τα όρια καλής λειτουργίας τους βρίσκονται πολύ κοντά στα χαρακτηριστικά του κινητήρα που