ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. των Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. των Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών"

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ των Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΒΙΔΙΑΔΑΚΗ Α.Μ.: 6482 ΝΕΦΕΛΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΤΣΙΑΡΑ Α.Μ.: 6651 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΠΟΛΗΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο 348 Πάτρα, Ιούλιος 2012 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax:

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ των Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΒΙΔΙΑΔΑΚΗ Α.Μ.: 6482 ΝΕΦΕΛΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΤΣΙΑΡΑ Α.Μ.: 6651 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΠΟΛΗΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο 6482/2012 Ν ο 6651/2012 Πάτρα, Ιούλιος 2012

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: " ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΠΟΛΗΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ" των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΒΙΔΙΑΔΑΚΗ (Α.Μ. 6482) ΝΕΦΕΛΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΤΣΙΑΡΑ (Α.Μ. 6651) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 16/07/2012 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: 6482/2012, 6651/2012 ΤΙΤΛΟΣ: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΠΟΛΗΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ" Φοιτητής: Φοιτήτρια: Επιβλέπων: Δημήτριος Βιδιαδάκης του Γεωργίου Νεφέλη Τσιάρα του Βασιλείου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της κατασκευής και την ανάπτυξη ενός πειραματικού οχήματος πόλης με ενεργό διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη του ακριβούς ελέγχου της κίνησης των κινητήριων τροχών του οχήματος κατασκευάζοντας ένα ηλεκτρονικό διαφορικό. Ταυτόχρονα αναπτύχθηκε σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών. Αρχικά εξετάζεται η λειτουργία του μηχανικού διαφορικού και τω εφαρμογών του. Παρουσιάζονται μερικοί τύποι μηχανικών διαφορικών και αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που τους συνοδεύουν. Ακολουθεί η μελέτη της συμπεριφοράς της τροχιάς του άξονα κίνησης με τις χαρακτηριστικές εξισώσεις που περιγράφουν τις ταχύτητες των κινητήριων τροχών. Παράλληλα εξετάζονται οι μέθοδοι αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς. Γίνεται εκτενής παρουσίαση του τρόπου λειτουργίας και των τύπων των συσσωρευτών καθώς και των συστημάτων παρακολούθησης και ελέγχου τους. Στη συνέχεια προσδιορίζονται οι προδιαγραφές του ηλεκτροκίνητου οχήματος και γίνεται μελέτη και υπολογισμός του απαραίτητου ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Προσδιορίζεται η απαραίτητη ισχύς του κινητήριου συστήματος και η αναγκαία η ισχύς των συσσωρευτών. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές προκύπτει και η κατάλληλη χωρητικότητα των συσσωρευτών καθώς επίσης και η διάταξή τους. Το επόμενο βήμα είναι η μελέτη και ανάπτυξη της κατασκευής των τυπωμένων κυκλωμάτων που θα ελέγχουν και θα παρακολουθούν το ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Ακολουθεί η εγκατάσταση των συσσωρευτών, των δύο κινητήριων συστημάτων και των περιφερειακών εξαρτημάτων του οχήματος. Τέλος ακολουθούν οι πειραματικές μετρήσεις και η μελέτη της συμπεριφοράς του οχήματος μετά την εγκατάσταση του νέου συστήματος και η αξιολόγηση των θεωρητικών υπολογισμών.

8

9 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη διπλωματική αυτή εργασία μελετάται, σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ένα ολοκληρωμένο ηλεκροκινητήριο σύστημα αποτελούμενο από δύο ηλεκτροκινητήρες. Επιπρόσθετα, μελετάται, σχεδιάζεται και κατασκευάζεται μια διάταξη συσσωρευτών με το κατάλληλο σύστημα παρακολούθησης τους. Στόχος είναι η βελτίωση της συμπεριφοράς της κίνησης ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος αυξάνοντας την απόδοσή του μειώνοντας τις απώλειες και ελαχιστοποιώντας του κινδύνους χρήσης που προκύπτουν από το σύστημα αυτό καθεαυτό. Συγκεκριμένα γίνεται μελέτη της συμπεριφοράς ενός οχήματος και του συμβατικού συστήματος μετάδοσης κίνησης όταν βρίσκεται σε καμπύλες τροχιές και αναπτύσσεται ηλεκτρονικό σύστημα που ελέγχει τα δύο BLDC κινητήρια συστήματα ώστε αυτά να προσαρμόζονται κάθε φορά στις ανάγκες τις κίνησης. Παράλληλα, το σύστημα παρακολούθησης των συσσωρευτών λιθίου πολυμερών λειτουργεί προληπτικά και ενημερωτικά, καθώς πληροφορεί το χρήστη σε περίπτωση που ξεπεραστούν τα όρια ασφαλούς λειτουργίας των συσσωρευτών. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 αναφέρονται ιστορικά στοιχεία σχετικά με την πορεία των ηλεκτρικών οχημάτων τα τελευταία χρόνια, και παράλληλα ακολουθεί ανάλυση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων που συνεπάγονται τη χρήση ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η χρησιμότητα του μηχανικού διαφορικού στα συμβατικά αυτοκίνητα και ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί. Ακολουθεί παράθεση μηχανικών διαφορικών εξειδικευμένου σκοπού και στη συνέχεια παρουσιάζεται το γεωμετρικό μοντέλο Ackermann βάσει του οποίου σχεδιάζονται τα συστήμτα κίνησης των οχημάτων. Ακόμη, γίνεται αναφορά στο ενεργητικό διαφορικό και τους στόχους που τίθενται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι συστημάτων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας κάνοντας αναλυτική παρουσίαση των διαφόρων τύπων συσσωρευτών, αναφέροντας παράλληλα τις κυψέλες καυσίμου και τον τρόπο λειτουργίας τους. Επιπρόσθετα, στο κεφάλαιο αυτό γίνεται παρουσίαση των διαφόρων συστημάτων επίβλεψης επαναφορτιζόμενων συσσωρευτών αναλύοντας τις έννοιες «σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών» και «σύστημα διαχείρισης συσσωρευτών». - i -

10 Πρόλογος Στο κεφάλαιο 4 γίνεται λεπτομερής παρουσίαση του εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε συμπεριλαμβάνοντας τη μέθοδο που ακολουθήθηκε για τον υπολογισμό της ισχύος του κινητήριου συστήματος και τον καθορισμό της διάταξης των συσσωρευτών. Στο κεφάλαιο αυτό υφίσταται και μια απλή προσέγγιση για τον υπολογισμό του συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης ενός οχήματος. Στο κεφάλαιο 5 πραγματοποιείται περιγραφή του συτήματος παρακολούθησης συσσωρευτών αναλύοντας τα επιμέρους τμήματα του τυπωμένου κυκλώματος. Στο κεφάλαιο 6 λαμβάνει χώρα η περιγραφή του κυκλώματος του διαφορικού ελέγχου του διπλού κινητήριου συστήματος. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται όλες οι ηλεκτρικές μετατροπές που έλαβαν χώρα για την υλοποίηση της κατασκευής καθώς επίσης και περιγραφή του μηχανολογικού συστήματος με την προσαρμογή του στο αμάξωμα. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της διάταξης καθώς και πειραματικές μετρήσεις κατά τη δοκιμή του οχήματος. Ταυτόχρονα εκτίθεται και το συνολικό οικονομικό κόστος όπως αυτό προέκυψε κατά την ανάπτυξη του οχήματος. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, αλλά και οι κώδικες των προγραμμάτων. Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε από κοινού από τους φοιτητές Δημήτριο Βιδιαδάκη και Νεφέλη Τσιάρα. Τη συγγραφή των κεφαλαίων 1,2,5 και 8 επιμελήθηκε ο Δημήτριος Βιδιαδάκης, ενώ τη συγγραφή των κεφαλαίων 3,4,6 και 7 επιμελήθηκε η Νεφέλη Τσιάρα. Στο σημείο αυτό θα θέλαμε να αποδώσουμε θερμές ευχαριστίες στον επιβλέποντα καθηγητή μας Δρ.-Μηχ. Τατάκη Εμμανουήλ για την καθοδήγηση και τη συνεργασία. Παράλληλα θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον συνεξεταστή καθηγητή μας Δρ.-Μηχ. Μητρονίκα Επαμεινώνδα για τη βοήθεια που μας παρείχε κατά την εκπόνηση της εργασίας. Ταυτόχρονα, ευχαριστούμε τον κ. Στουραΐτη για το ενδιαφέρον που επέδειξε για την εργασία μας αλλά και για τη σημαντική οικονομική βοήθεια που μας παρείχε για την αγορά του απαραίτητου εξοπλισμού. Επίσης, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τους Υ.Δ. κ. Χρηστίδη Γεώργιο και κ. Καρατζαφέρη Ιωάννη για τις πολύτιμες συμβουλές τους. Τέλος, ευχαριστούμε τους υπέθυνους του Πανεπιστημιακού Μηχανουργείου και ιδιαίτερα τον κ. Χατζηπαναγιώτου Γεώργιο, που συνέβαλλαν στην υλοποίηση των διαφόρων εργασιών. - ii -

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Πίνακας Περιεχομένων Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ηλεκτροκίνηση 1.1. Ιστορικά στοιχεία Η πρώτη φάση της εξέλιξης Η δεύτερη φάση Περίοδος σήμερα Πειραματικές κατασκευές ηλεκτρικών οχημάτων στην Ελλάδα Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Μετάδοση κίνησης - διαφορικό 2.1. Γενικά χρησιμότητα διαφορικού στα οχήματα Ανάλυση του μηχανικού διαφορικού Είδη διαφορικών Μειονεκτήματα διαφορικού Διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης Γεωμετρική ανάλυση Μοντέλο Άκερμαν Ενεργητικό διαφορικό Στόχοι... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας Μέσα αποθήκευσης ενέργειας Τύποι συσσωρευτών και χαρακτηριστικά Κυψέλες ψευδαργύρου-άνθρακα Κυψέλες αλκαλίων-μαγγανίου Κυψέλες μολύβδου-οξέος Κυψέλες νικελίου-καδμίου Κυψέλες νικελίου-μετάλλου-υδριδίου Κυψέλες λιθίου Κυψέλες καυσίμου Συστήματα επίβλεψης λειτουργίας επαναφορτιζόμενων μπαταριών Μετρούμενες ποσότητες Σύστημα παρακολούθησης μπαταριών (Battery Monitoring System) Σύστημα διαχείρισης μπαταριών (Battery Management System)... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Υπολογισμός και επιλογή εξοπλισμού 4.1. Προδιαγραφές υλοποίησης Διαδικασία υπολογισμού Τύπος οχήματος-προσδιορισμός αεροδυναμικoύ συντελεστή Κινητήριο σύστημα iii -

12 Πίνακας Περιεχομένων Σύστημα συσσωρευτών Διατάξεις ασφάλειας Κύρια στοιχεία τυπωμένων κυκλωμάτων Οικογένεια μικροελεγκτών dspic30f Οι μικροελεγκτές dspic30f4011 και dspic30f Περιφερειακά ολοκληρωμένα των κυκλωμάτων... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Υλοποίηση συστήματος παρακολούθησης συσσωρευτών 5.1. Εισαγωγή Μέτρηση τάσης κελιών Διάταξη λήψης τάσης κελιού Μονάδα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (12 bit A/D converter) Μέτρηση θερμοκρασίας κελιών με τη μονάδα I2C Περιγραφή τυπωμένου κυκλώματος του συστήματος παρακολούθησης συσσωρευτών Διάγραμμα ροής του συστήματος παρακολούθησης συσσωρευτών... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Υλοποίηση διάταξης διαφορικού 6.1. Εισαγωγή Είσοδοιδιαφορικού ελέγχου Είσοδος επιταχυντή Είσοδος γωνίας τιμονιού Η μονάδα μετατροπής αναλογικού σηήματος σε ψηφιακό (10 bit A/D Converter) Είσοδος κατεύθυνσης αυτοκινήτου Μέτρηση της ταχύτητας των μηχανών Είσοδοι ταχύτητας των μηχανών Η μονάδα Input Capture (IC) Έξοδοι Έξοδοι προς τους inverters Οι γεννήτριες PWM Έξοδοι σφαλμάτων και λοιπών σημάτων Περιγραφή τυπωμένου κυκλώματος Διάγραμμα ροής διαφορικού... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Μηχανολογικές - ηλεκτρολογικές περιφερειακές εργασίες 7.1. Στήριξη πίσω συστήματος ανάρτησης Προσομοίωση οχήματος στο πρόγραμμα AutoDesk 3dsMax Εγκατάσταση ηλεκτροκινητήρων iv -

13 Πίνακας Περιεχομένων Στήριξη ηλεκτροκινητήρων Υλοποίηση συστήματος μετάδοσης Ρυθμιστής συστήματος μετάδοσης Εγκατάσταση συστήματος συσσωρευτών Εγκατάσταση συστημάτων οδήγησης των ηλεκτροκινητήρων Στήριξη τροφοδοτικού 72/12V Τοποθέτηση καθισμάτων Εγκατάσταση κωδικοποιητή συστήματος διεύθυνσης και επιταχυντή Κατασκευή cockpit Μονάδα ελέγχου φωτισμού Εγκατάσταση τυπωμένων κυκλωμάτων Εξοπλισμός ασφάλειας Καλωδιώσεις οχήματος Καλωδιώσεις κυκλωμάτων ισχύος Καλωδιώσεις μικρού σήματος Καλωδίωση φωτισμού Καλωδίωση εξοπλισμού ασφάλειας.... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Πειραματικές μετρήσεις Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 196 ΠΑΡΑΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Κώδικες Προγραμμάτων Διαγράμματα pin μικροελεγκτών και datasheets των μονάδων των μ/ε που χρησιμοποιήθηκαν v -

14 - vi - Πίνακας Περιεχομένων

15 Εισαγωγή ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία λαμβάνει χώρα μελέτη και κατασκευή ηλεκτροκίνητου οχήματος που προορίζεται για χρήση εντός πόλης, από δύο επιβάτες με τις καθημερινές τους αποσκευές. Οι σύγχρονες πόλεις, εξαιτίας της κυκλοφοριακής συμφόρησης των ιδιωτικών μέσων μετακίνησης, έχουν υποβαθμισμένη ποιότητα ατμοσφαιρικού αέρα. Ταυτόχρονα, παρά τις προσπάθειες των κατασκευαστών, τα συμβατικά αυτοκίνητα δεν αποτελούν τη βέλτιστη επιλογή για μετακίνηση εντός των ορίων μια πόλης. Ένας από τους κύριους στόχους αυτής της εργασίας είναι η υλοποίηση του ενεργητικού διαφορικού χρησιμοποιώντας διπλό κινητήριο σύστημα. Γενικά, στόχος της διάταξης του διαφορικού στα οχήματα είναι ο καταμερισμός των στροφών και της μηχανικής ροπής του κινητήριου συστήματος μεταξύ των κινητήριων τροχών. Εφαρμόζοντας διάταξη ενεργητικού διαφορικού επιτυγχάνεται η δυνατότητα για ελιγμούς σε ακόμα μικρότερο χώρο απ ότι προσφέρει ένα σύγχρονο συμβατικό αυτοκίνητο πόλης. Ταυτόχρονα, αυξάνεται η σταθερότητα στην οδήγηση, αφού η συμπεριφορά των κινητήριων τροχών είναι ελεγχόμενη. Στη σημερινή εποχή τα μηχανικά διαφορικά που εγκαθίστανται στα συμβατικά οχήματα λειτουργούν με παθητικό τρόπο. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι προηγείται η αλλαγή στην φόρτιση των κινητήριων τροχών από τη μεταβολή του εσωτερικού μηχανολογικού συστήματος του διαφορικού ώστε να γίνει η κατανομή της μηχανικής ισχύος στους κινητήριους τροχούς. Βέβαια, σε ορισμένα αυτοκίνητα των ακριβών κατηγοριών έχουν εφαρμοστεί διαφόρων τύπων ενεργητικά μηχανικά διαφορικά που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικούς αισθητήρες και πολύπλοκα μηχανικά και ηλεκτρονικά υποσυστήματα για την υλοποίησή τους. Η πολυπλοκόητα αυτή κάνει υποβέλτιστη τη λειτουργία τους, ενώ οι βλάβες είναι συχνότερες. Για την υλοποίηση του διαφορικού στην κατασκευή χρησιμοποιείται διπλό ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Αυτό αποτελείται από δύο επιμέρους κινητήρια συστήματα κάθε ένα από τα οποία είναι υπεύθυνο για την παραγωγή μηχανικής ροπής που θα μεταφερθεί σε κάθε ένα κινητήριο τροχό. Κάθε κινητήριο σύστημα αποτελείται από έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος που τροφοδοτεί ένα σύγχρονο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη. Ο κινητήρας στη συνέχεια συνδέεται μηχανικά στην είσοδο μιας διάταξης μείωσης στροφών από την έξοδο της οποίας ο κινητήριος τροχος λαμβάνει τη μηχανική ροπή μέσω του ημιαξονίου κίνησης. Έτσι προκύπτουν δύο κινητήρια συστήματα μεταξύ των οποίων δεν υφίσταται - 1 -

16 Εισαγωγή μηχανική σύνδεση και τα οποία ελέγχονται παράλληλα από την ηλεκτρονική διάταξη του διαφορικού. Η διάταξη του διαφορικού λαμβάνει σαν εντολές ελέγχου κίνησης σήμα από το πεντάλ του επιταχυντή και σήμα απόκλισης του τιμονιού. Βέβαια, για την παρακολούθηση της κίνησης χρησιμοποιούνται σήματα ανάδρασης από τους αισθητήρες Hall των κινητήρων. Παράλληλα, βασικό ζήτημα της υλοποίησης του ηλεκτροκίνητου οχήματος αποτελεί η τροφοδοσία του ηλεκτροκινητήριου συστήματος από ένα σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε διάταξη συσσωρευτών λιθίου-πολυμερούς. Οι συσσωρευτές που χρησιμοποιήθηκαν είναι κλειστού τύπου, τύπου gel, βαθειάς εκφόρτισης, δηλαδή είναι κατάλληλοι για εφαρμογές αυτοκίνησης. Όμως, κατά τη λειτουργία του οχήματος, όταν συμβαίνουν επιταχύνσεις ή απότομη ανάκτηση ενέργειας με υψηλά ρεύματα, οι συσσωρευτές θερμαίνονται. Για την αποφυγή της ανάφλεξής τους αλλά κυρίως την αποφυγή της εξαναγκασμένης τους γήρανσης υλοποιήθηκε σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών. Για την υλοποίηση των μελετούμενων συστημάτων απαιτήθηκε η χρήση όσο το δυνατόν ελαφρύτερου οχήματος ώστε να είναι μειωμένο το βάρος του εξοπλισμού, αλλά ταυτόχρονα να ικανοποιούνται οι προϋποθέσεις που τέθηκαν. Για το λόγο αυτό αποφασίστηκε η χρησιμοποίηση ενός οχήματος τύπου buggy. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για το μοντέλο FA-G300 της εταιρίας Buyang Vehicles(Σχήμα 1). Η υλοποίηση του διπλού κινητήριου συστήματος παρουσιάζεται στη φωτογραφία του Σχήματος 2. Οι υλοποιήσεις των ηλεκτρονικών διατάξεων του διαφορικού και των συστημάτων παρακολούθησης των συσσωρευτών και οι συσσωρευτές παρατίθενται στις φωτογραφίες των Σχημάτων 3 και 4 αντίστοιχα

17 Εισαγωγή Σχήμα 1: FA-G300 Σχήμα 2: Άποψη του διπλού κινητήρου συστήματος από την πίσω πλευρά του οχήματος - 3 -

18 Εισαγωγή Σχήμα 3: Τυπωμένο κύκλωμα ηλεκτρονικού διαφορικού Σχήμα 4: Διάταξη συσσωρευτών με τα 4 συστήματα παρακολούθησής τους

19 Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗ 1.1 Ιστορικά στοιχεία Η πρώτη φάση της εξέλιξης Έναν αιώνα μετά την πρώτη εμφάνιση του πρώτου αυτοκινήτου παρουσιάζεται το πρώτο πλήρως ηλεκτροκίνητο όχημα. Έως το 1830 περίπου, τα οχήματα ήταν ατμοκίνητα, καθώς δεν είχαν ανακαλυφθεί ακόμη οι νόμοι της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, ούτε είχε εφευρεθεί ο κινητήρας εσωτερικής καύσης. Τα ηλεκτροκίνητα οχήματα την περίοδο εμφάνισης του ιδιωτικού αυτοκινήτου είχαν εξαιρετικά μεγάλο μερίδιο αγοράς. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε αιτία εξέλιξης των ηλεκτροκινητήρων και τω συσσωρευτών. Η ιστορία του ηλεκτρικού αυτοκινήτου ξεκινά περίπου στα μέσα του 19 ου αι.. Εξαιτίας της περιορισμένης αυτονομίας και ισχύος των ηλεκτροκίνητων οχημάτων, το κοινό στράφηκε προς τα αυτοκίνητα που χρησιμοποιούσαν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Βέβαια, στη σύγχρονη εποχή έχει επανεμφανιστεί το ενδιαφέρον για πράσινα ηλεκτροκίνητα οχήματα λόγω της αύξησης του κόστους των ορυκτών καυσίμων και των εμφανιζόμενων συνεπειών από την επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Το 1820 ο Δανός φυσικός Hans Christian Oersted ( ) ανακάλυψε τον ηλεκτρομαγνητισμό παρατηρώντας την απόκλιση μιας μαγνητικής βελόνας (πυξίδα) όταν αυτή βρισκόταν κοντά σε ηλεκτροφόρο αγωγό. Λίγο αργότερα, το 1822, ο Άγγλος μαθηματικός και φυσικός Peter Barlow παρατήρησε την περιστροφική κίνηση ενός δίσκου, όταν επιδρούσαν σ αυτόν ταυτόχρονα ηλεκτρικό ρεύμα και μαγνητικό πεδίο. Ο άγγλος φυσικός Michael Faraday το 1821 παρουσίασε την αρχή λειτουργίας του ηλεκτρικού κινητήρα κάνοντας επίδειξη του ακόλουθου πειράματος (σχήμα 1.1): Ένα ελεύθρο σύρμα βυθίστηκε σε υδράργυρο, όπου βρισκόταν ένας μόνιμος μαγνήτης. Όταν το σύρμα διαρρεόταν από ηλεκτρικό ρεύμα τότε αυτό περιστρεφόταν γύρω από το μαγνήτη. Η διάταξη αυτή αποτελεί ουσιαστικά μία μονοπολική στρεφόμενη ηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος. Μετά από σχεδόν δέκα χρόνια παρουσίασε του νόμους που διέπουν τον ηλεκτρομαγνητισμό. Παράλληλα, γίνονταν προσπάθειες για την κατασκευή του κινητήρα εσωτερικής καύσης (Internal Combustion Engine)

20 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.1: Πειραματική διάταξη Faraday[5] Ακολούθησαν και άλλες εφευρέσεις που εκμεταλλεύονταν αυτήν την νεοανακαλυφθείσα ιδιότητα παράγοντας ισχυρότερες δυνάμεις σε μηχανικές κατασκευές. Παρ όλ αυτά, δεν είχε πραγματοποιηθεί το καίριο βήμα προς την κατασκευή του ηλεκτρικού αυτοκίνητου. Η εφεύρεση του ηλεκτροκίνητου οχήματος, καθώς και αυτή του κινητήρα εσωτερικής καύσης, πέρασε από πολλά στάδια και δεν οφείλεται μόνο στις προσπάθειες ενός εφευρέτη. Η πρώτη προσέγγιση έγινε το 1828 από τον Ούγγρο Stephen Ányos Jedlik, ο οποίος αφού κατασκεύασε ένα πρωτότυπο μικρό ηλεκτροκινητήρα συνεχούς ρεύματος (σχήμα 1.2), τον προσάρμοσε σε ένα μικρής κλίμακας όχημα (σχήμα 1.3). Στη συνέχεια ο Σκωτσέζος Robert Anderson κατασκεύασε ένα μοντέλο για τη μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος και την ίδια εποχή ο Ολλανδός Sibranus Stratingh κατασκεύασε ένα μοντέλο τρίκυκλου ηλεκτρικού οχήματος (1835), όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.4. Παράλληλα με αυτές τις εφευρέσεις εμφανίζονταν και άλλες, στις οποίες η διαφοροποίηση ήταν το γεγονός ότι κινούνταν σε σταθερή τροχιά. Το 1840 στο Ην. Βασίλειο και το 1847 στις Ην. Πολιτείες έγινε πιστοποίηση πατέντας για τη χρήση των τροχιών ενός συρμού ως επαφές

21 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.2: Ο ηλεκτροκινητήρας του Jedlik [6] Σχήμα 1.3: Το πειραματικό μοντέλο του Jedlik [3], [6] Σχήμα 1.4: Το μοντέλο ηλεκτρικού οχήματος του Sibradus Stratingh [3] - 7 -

22 Κεφάλαιο 1 ο Δυστυχώς, όμως, οι πρώτες αυτές εφευρέσεις δεν είχαν εκείνα τα χαρακτηριστικά που θα ωθούσαν την περαιτέρω εφαρμογή τους σε μεγαλύτερη κλίμακα. Οι κινητήρες τους αποτελούνταν από ηλεκτρομαγνήτες ενσωμάτωναν πρώιμα συστήματα ψηκτρών-συλλέκτη, με αποτέλεσμα να έχουν εξαιρετικά χαμηλή απόδοση ενώ παράλληλα είχαν μικρή ισχύ. Ταυτόχρονα, η μοναδική πηγή ηλεκτρικής ισχύος ήταν ηλεκτροχημικά κύτταρα, που κατασκεύαζε ο Γάλλος Antoine-Cesar Becquerel (depolarized cell ) και ο Ουαλός William Grove (zinc-platinum cell 1830). Στη συνέχεια, ο Άγγλος χημικός και φυσικός John Daniell πραγματοποίησε βελτιώσεις σε αυτά τα κελιά (1836), στα οποία μεταξύ των άλλων ενσωμάτωσε ηλεκτρόδια. Στα μέσα του 19 ου αιώνα άρχισαν να εμφανίζονται επαναφορτιζόμενα κελιά-μπαταρίες, τα οποία όμως απέκτησαν νόημα ύπαρξης μετά την εμφάνιση των πρώτων ηλεκτρικών γεννητριών που μετέτρεπαν την μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Σε αυτήν την προσπάθεια συμμετείχαν ο προαναφερθείς Ούγγρος Jedelik ο οποίος περιέγραψε τη λειτουργία του δυναμό, ενώ πειραματικές διατάξεις και βελτιώσεις παρουσιάστηκαν από τους Werner Siemens (1856,1867), Antonio Pacinotti (1860) (σχήμα 1.5) και Zenobe Gramme (1869). Σχήμα 1.5: Η ηλεκτρική μηχανή του Pacinotti με εξελιγμένο σύστημα συλλέκτη-ψήκτρας [3] Αυτές οι πρώιμες ηλεκτρικές γεννήτριες περιστρέφονταν συνήθως από ατμοκινητήρες και μπορούσαν να παράγουν θεωρητικά απεριόριστη φθηνή ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια που παρήγαν ήταν εξαιρετικά φθηνή σε σύγκριση με την κοστοβόρα κατασκευή των πρώτων ηλεκτροχημικών μη-επαναφορτιζόμενων μπαταριών (primary cells). Έτσι κατέστη δυνατή η εξάπλωση του ηλεκτρισμού σε πολλούς τομείς

23 Κεφάλαιο 1 ο Το έτος 1859 ο Gaston Plante παρουσίασε τον επαναφορτιζόμενο συσσωρευτή μολύβδου-οξέος και το 1881 ο Camille Alphonse Faure εξέλιξε αυτό το είδος συσσωρευτή. Αυτή η εξέλιξη ήταν καθοριστική για την κατασκευή ηλεκτρικών αυτοκινήτων για ιδιωτική χρήση. Καθώς εξελισσόταν ο ηλεκτρικός κινητήρας και οι επαναφορτιζόμενοι συσσωρευτές (secondary cells), δινόταν η δυνατότητα σε εφευρέτες να προχωρήσουν στην κατασκευή των πρώτων ηλεκτρικών οχημάτων. Στην πρώτη διεθνή έκθεση Ηλεκτρισμού του Παρισιού το 1881, ο ηλεκτρολόγος Gustave Trouve παρουσίασε ένα ηλεκτροκίνητο τρίκυκλο, στο οποίο ηλεκτρική ισχύ παρείχε η επαναφορτιζόμενη μπαταρία μολύβδου οξέος που είχε εξελίξει ο Faure την ίδια χρονιά. Ταυτόχρονα ο Charles Jeantaud κατασκευάζει το δικό του ηλεκτροκίνητο όχημα χρησιμοποιώντας τον κινητήρα του Gramme και μια μπαταρία μολύβδου-οξέος. Ακολούθησαν και άλλες πρωτότυπες κατασκευές που ακολουθούσαν τη λογική των αμαξών και κάρων της εποχής. Ο Βέλγος οπλουργός Pieper άρχισε να κατασκευάζει το 1889 τέτοιου είδους οχήματα και το 1896 ο υιός του, Henri Pieper, υλοποίησε μια εξαιρετικά πρωτότυπη ιδέα. Προχώρησε στην κατασκευή του Auto-Mixte, το οποίο αποτέλεσε το πρώτο υβριδικό όχημα. Παρ όλ αυτά δεν είχε κατασκευαστεί ακόμα εκείνο το όχημα που θα μπορούσε να αποτελέσει προϊόν για το αγοραστικό κοινό. Το πρώτο ηλεκρικό όχημα που αποτέλεσε εμπορική επιτυχία κατασκευάστηκε το 1893 από τον Paul Pouchain και μπορούσε να μεταφέρει έξι επιβάτες, ενώ είχε τη δυνατότητα να αναπτύξει ταχύτητα 16km/h. Αντίστοιχα ο Jeantaud προχώρησε στην κατασκευή ηλεκτρικών οχημάτων την περίοδο , που έγιναν από τον Γάλλο Louis Antoine Krieger. Ο Krieger αργότερα εισήγαγε την έννοια της πέδησης με ανάκτηση ενέργειας. Τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα, στο τέλος του 19 ου αιώνα, κατείχαν τα ρεκόρ ταχύτητας. Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο καταγεγραμμένο ρεκόρ ταχύτητας το κατείχε το αγωνιστικό όχημα του Gaston de Chasseloup-Laubat και ήταν 63.13km/h. Ο ίδιος αύξησε κι άλλο τον πήχη του γρηγορότερου αυτοκινήτου, αλλά τον Απρίλιο του 1899 ο αντίπαλός του, ο Βέλγος Camille Jenatzy, κατέρριψε το ρεκόρ του Gaston με το ιδιαίτερης κατασκευής όχημά του. Ο Camille όχι μόνο κατέρριψε το ρεκόρ του αντιπάλου του, αλλά ξεπέρασε και το ψυχολογικό όριο των 100km/h πετυχαίνοντας την ταχύτητα τω km/h

24 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.6: Ο Camille Jenatzy πάνω στο όχημά του το 1899 Παράλληλα με τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα, άρχισε να εμφανίζονται εφαρμογές υβριδικής τεχνολογίας βενζινοκινητήρα και ηλεκτροκινητήρα. Το 1901, στην 3 η Διεθνή Έκθεση Αυτοκινήτου και Μοτοσυκλέτας του Παρισιού, παρουσιάστηκε από τον Jenatzy ένα υβριδικό αυτοκίνητο που διέθετε ένα βενζινοκινητήρα και ένα σύστημα ηλεκτροκίνησης. Τα δύο συστήματα μπορούν είτε να δουλεύουν ανεξάρτητα είτε συνδυασμένα. Ο βενζινοκινητήρας διέθετε μικρή γεννήτρια (δυναμό) και μπορούσε να φορτίζει τους συσσωρευτές, όταν αυτοί έφταναν σε βαθιά εκφόρτιση. Ο Jenatzy τo 1902 παρουσίασε ένα ταξί που διέθετε 2 ηλεκτροκινητήρες, που ο καθένας οδηγούσε έναν από τους δύο κινητήριους τροχούς. Οι συσσωρευτές τοποθετούνταν σε δύο κιβώτια δεξιά και αριστερά από το όχημα για εξισορρόπηση του βάρους. Εκείνη την περίοδο γίνονταν στο Παρίσι αγώνες και διαγωνισμοί μεταξύ ηλεκτρικών οχημάτων, ώστε να τονωθεί ακόμα περισσότερο η αγορά των ιδιωτικών αυτοκινήτων. Σε αυτούς τους διαγωνισμούς μεταξύ των άλλων γινόταν και παρουσίαση των εκάστοτε τεχνολογικών επιτευγμάτων. Η οικονομικά ισχυρή τάξη της Γαλλίας εκείνη την εποχή δελεαζόταν εξαιρετικά από αυτά τα νέα οχήματα μεταφοράς, όχι μόνο λόγω της δυνατότητάς τους για αυξημένη ταχύτητα οδήγησης, αλλά και διότι αποτελούσαν τεχνολογία αιχμής. Η Γαλλία αποτέλεσε τότε τον μεγαλύτερο κατασκευαστή οχημάτων και μόνο το 1904 έχασε τα πρωτεία από τις Ηνωμένες Πολιτείες. Το 1904 η εταιρία των Dion-Bouton προχώρησε στην κατασκευή ενός νέου ηλεκτροκίνητου οχήματος. Το αυτοκίνητο είχε ένα μεγάλο ηλεκτροκινητήρα τεσσάρων

25 Κεφάλαιο 1 ο πόλων αργόστροφο και πήρε τη θέση του βενζινοκινητήρα εμπρός από το κιβώτιο ταχυτήτων στο μοντέλο με κινητήρα εσωτερικής καύσης που παρήγε η εταιρία. Το σασί του οχήματος αυτού ήταν αλουμινίου με ανοίγματα για έλεγχο του συστήματος μετάδοσης. Η κίνηση κατέληγε στον πίσω άξονα με χρήση κωνικών γραναζιών. Τις τελευταίες δεκαετίες του 19 ου αιώνα έκανε την εμφάνισή της η ηλεκτροκίνηση στα οχήματα και στη Μεγάλη Βρετανία. Το 1873 ο Σκωτσέζος εφευρέτης Robert Davidson κατασκεύασε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο που από πολλούς θεωρήθηκε ως το πρώτο ηλ. αυτοκίνητο δρόμου. Μειονέκτημα στην κατασκευή του Davidson αποτέλεσε το γεγονός ότι το όχημά του τροφοδοτούνταν από στοιχεία σιδήρου-ψευδαργύρου. Ίδιου τύπου συσσωρευτές χρησιμοποίησε και στον ηλεκτροκίνητο συρμό που ο ίδιος κατασκεύασε 31 χρόνια πριν. Αυτοί οι συσσωρευτές αύξαναν πολύ το λειτουργικό κόστος και του συρμού και του αυτοκινήτου του και αποδείχθηκαν για ακόμα μία φορά ακατάλληλοι για βιομηχανική εκμετάλλευση. Το έτος 1882 οι William Ayrton και John Perry κατασκεύασαν ένα ελαφρύ τρίκυκλο που τροφοδοτούνταν από ένα κινητήρα ισχύος 0.5hp και ενσωμάτωνε συσσωρευτή που αποτελούνταν από 10 κελιά του Plante, που όμως αύξαναν πολύ το βάρος όλης της κατασκευής. Μια πιο επιτυχημένη προσπάθεια έγινε από τον Thomas Parker το 1884, του οποίου οι επαναφορτιζόμενοι συσσωρευτές τροφοδοτούνταν από την εταιρεία ηλεκτρισμού Elwell-Parker Ltd. που είχε ιδρυθεί 2 χρόνια πριν. Στον Parker οφείλεται η ηλεκτροδότηση του μετρό του Λονδίνου, ενώ επίσης κατασκεύασε εναέριο δίκτυο ηλεκτροδότησης τραμ στο Liverpool και στο Birmingham. Το 1896 παρουσίασε ένα ηλεκτρικό λεωφορείο που διέθετε μεταξύ των άλλων υδραυλική πέδηση. Επίσης το 1886, ο Ward Radcliffe κατασκεύασε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο που είχε 28 κελιά και μπορούσε να αναπτύξει ταχύτητα έως 13km/h. Το 1888, ο Αγγλο-Γερμανός Magnus Volk κατασκεύασε με επιτυχία ένα ηλεκτρικό τρίτροχο όχημα και ταυτόχρονα η εταιρεία Immisch&Company of London κατασκεύασε ένα αυτοκίνητο τεσσάρων επιβατών (2+2), στο οποίο χρησιμοποιούνταν ο κινητήρας του Moritz Immisch. Οι Volk και Immisch συνεργάζονταν και έγιναν αργότερα διάσημοι για την κατασκευή της ηλεκτροδοτούμενης σιδηροδρομικής γραμμής Brighton and Rottingean Seashore Electric Railway ( ). Παράλληλα, η εταιρία ταξί Electric Cab Company άρχισε να προσφέρει τις υπηρεσίες της στη Μ. Βρετανία χρησιμοποιώντας αυτοκίνητα 3hp με 40 κελιά έκαστο. Αυτά τα ταξί ενσωμάτωναν πολλά ενδιαφέροντα τεχνολογικά χαρακτηριστικά (σύστημα σύμπλεξης/αποσύμπλεξης, αφαιρούμενοι συσσωρευτές), αλλά δύο χρόνια αργότερα η εταιρία

26 Κεφάλαιο 1 ο αναγκάστηκε να σταματήσει τη λειτουργία της για διάφορους λόγους, ένας από τους οποίους ήταν το αυξημένο βάρος των μπαταριών. Σχήμα 1.7: Ταξί της εταιρίας Woods Victoria Hansom Cab 1899 [1] Σχήμα 1.8: Αριστερα: το ταξί Jenatzy. Δεξιά: City and Suburban Electric Victoria[1] Ακόμα ένα υβριδικής τεχνολογίας όχημα αποτέλεσε το μοντέλο Victoria. Ήταν πειραματικό όχημα, που όμως στις δοκιμές φαίνεται να απέδιδε εξαιρετικά. Το ενδιαφέρον με το Victoria είναι ότι το σασί στηριζόταν στο δικτύωμα, που ενσωμάτωνε το κινητήριο σύστημα, με ένα σύστημα ελατηρίων. Οι συσσωρευτές του μπορούσαν να φορτίζονται όταν ο δικύλινδρος Daimler βενζινοκινητήρας των 5 ίππων λειτουργούσε υπό χαμηλό φορτίο

27 Κεφάλαιο 1 ο Στη Γερμανία, από την άλλη πλευρά, οι εταιρίες που ασχολούνταν με την ηλεκτροκίνηση, με πρωτοπόρο την Siemens&Halske, επικέντρωσαν το ενδιαφέρον τους στην εφαρμογή του ηλεκτρισμού στις δημόσιες μεταφορές αντί να κατασκευάζουν αυτοκίνητα. Στη βιομηχανική έκθεση του Βερολίνου του 1879, παρουσίασε την πρώτη γραμμή τραμ με χαρακτηριστικά 2.2kW,150V και τροφοδοσία από τις γραμμές, η οποία ενσωμάτωνε τον εξαιρετικά αποδοτικό, για την εποχή, κινητήρα συνεχούς ρεύματος τύπου τυμπάνου. Στο Lichterfelde τέθηκε σε λειτουργία η πρώτη γραμμή τραμ ισχύος 7.5kW,180V και είχε μήκος 2.5km. Τον επόμενο χρόνο στο Halensee τέθηκε σε λειτουργία η πρώτη γραμμή τρόλεϊ. Οι Γερμανοί κατασκευαστές εκείνη την περίοδο ήταν προσηλωμένοι στην εξέλιξη και κατασκευή κινητήρων εσωτερικής καύσης όσον αφορά στις ιδιωτικές μεταφορές. Μόνο το 1899 ο Ferdinand Porsche κατασκεύασε το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο στη Γερμανία. Ο Porsche πρωτοπόρησε ενσωματώνοντας το κέλυφος του κινητήρα στον τροχό (in wheel hub motor) και ένα χρόνο αργότερα παρουσίασε ένα καινοτόμο ηλεκτρικό όχημα που είχε και σε όλους τους τροχούς ηλεκτρικό κινητήρα. Σχήμα 1.9: Το coupe του Porsche[1] Η κατασκευή ηλεκτροκίνητων οχημάτων στις Η.Π.Α. ξεκίνησε στο τέλος του 19 ου αιώνα. Ο 16χρονος Andrew L. Riker κατασκεύασε το 1884 ένα ηλεκτροκίνητο ποδήλατο και 5 χρόνια αργότερα ίδρυσε την Riker Motor Vehicle Company, από τις πρώτες κατασκευάστριες εταιρίες αυτοκινήτων στις Η.Π.Α., κατασκευάζοντας ηλεκτρικά οχήματα. Η εταιρία αυτή επεκτάθηκε και άνοιξε ένα νέο εργοστάσιο στο Elizabethport του New Jersey, όπου κατασκευαζόταν κάθε εξάρτημα που απαιτούνταν για τη συναρμολόγηση του οχήματος. Ο Riker παρουσίασε αργότερα ένα ιδιαίτερα έξυπνο σύστημα γνωστό και ως The Riker

28 Κεφάλαιο 1 ο System, πρωτοποριακό για την εποχή. Με το σύστημα αυτό επιτεύχθηκε τοποθέτηση πολλών μπαταριών σε πολύ μικρό χώρο ενώ ενσωματώθηκε ένας ελεγκτής κάτω από τις εμπρός και πίσω θέσεις. Το σύστημα αυτό ενσωμάτωνε μεταξύ των άλλων ένα ιδαίτερο τρόπο διαχείρισης των συσσωρευτών οι οποίοι μπορούσαν να λειτουργούν ανα ομάδες παράλληλα ή σε σειρά, ή ανάλογα με την ανάστροφη ροή του ρεύματος. Το Demi-Coach κατασκευής της εταιρίας του Riker, μπορούσε να αναπτύξει ταχύτητα 15mph σε επίπεδο οδόστρωμα και το σύστημα κατεύθυνσης λειτουργούσε μέσω ενός λεβιέ, αντί για ένα τιμόνι. Ο Riker συμμετείχε σε έναν αγώνα ταχύτητας, που παρακολούθησαν θεατές, στον οποίο έλαβε την 3 η θέση. Μετά τον αγώνα ο Riker άρχισε να σχεδιάζει και να κατασκευάζει βενζινοκίνητα οχήματα. Η εταιρία του αφού πρώτα συγχωνεύθηκε με την Pope-Columbia, στη συνέχεια μετονομάστηκε σε Locomobile Company of America το Σχήμα 1.10: Το ηλεκτρικό Demi-Coach του Riker (1899) [1] Σχήμα 1.11: Η ηλεκτροκίνητη άμαξα του Riker στην οποία έγινε εφαρμογή του The Riker System [1]

29 Κεφάλαιο 1 ο Το 1886 κατασκευάστηκαν τρίκυκλα από την N.S.Possons στο Clevenland για την Brush Electric Co. (Ohio), με στόχο να παρουσιαστεί το νέο εξελιγμένο μοντέλο συσσωρευτή μολύβδου-οξέος. Το πρώτο επιτυχές ηλεκτροκίνητο επιβατηγό αυτοκίνητο ήταν ένα όχημα έξι θέσεων που κατασκευάστηκε το 1890 και μπορούσε να φτάσει τα 22km/h. Το αυτοκίνητο αυτό ήταν κατασκευής του William Morrison (Iowa) και χρησιμοποιούσε συσσωρευτές μολύβδου. Στην έκθεση του Chicago το1892 ο Morrison παρουσίασε ένα 12θέσιο βαν ανοικτού τύπου που ήταν βασισμένο σε μια ελαφριά τετράτροχη άμαξα και είχε ισχύ 4hp ενώ μπορούσε να αναπτύξει ταχύτητα έως 12km/h. Η φόρτιση του οχήματος αυτού υπολογίστηκε περίπου στις 10ώρες. Το ενδιαφέρον με την κατασκευή αυτή του Morrison αποτελεί το γεγονός ότι λίγο αργότερα πωλήθηκε στην American Battery Company of Chicago και θεωρήθηκε ως η πρώτη πώληση αυτοκινήτου στις Η.Π.Α.. Σχήμα 1.12: Το 12θέσιο ηλεκτρικό βαν του Morrison (1892) [1] Οι συνδυασμένες προσπάθειες ενός ηλεκτρολόγου μηχανικού, Pedro Salom, και ενός μηχανολόγου μηχανικού, Henry Morris, κατέληξαν σε ένα από τα πρώτα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα των Ην. Πολιτειών, το Electrobat. Οι δύο μηχανικοί συνέχισαν τη συνεργασία τους και ίδρυσαν την εταιρία Electric Carriage and Wagon Company το Πρωτοπόρησαν, καθώς ήταν οι πρώτοι που διέθεσαν στην αγορά ηλεκτρικά αυτοκίνητα και τη διετία κατασκεύασαν ταξί βασισμένα στο Electrobat για την πόλη της Νέας Υόρκης

30 Κεφάλαιο 1 ο Το 1900 παρουσιάστηκε το Waverlay. Το ηλεκτροκίνητο αυτό όχημα μπορούσε να πραγματοποιήσει ανάκτηση ενέργειας με 2 τρόπους. Πρώτον, όταν ο οδηγός χρησιμοποιούσε το φρένο οι μπαταρίες φορτίζονταν καθώς ο κινητήρας συμμετείχε στην πέδηση. Δεύτερον, εάν το όχημα βρισκόταν σε κατωφέρεια και ο κινητήρας αποκτούσε τέτοια ταχύτητα ώστε να παράξει περισσότερο από 80V, που ήταν η τάση των συσσωρευτών, οι συσσωρευτές φορτίζονταν. Έτσι, ισχυρίστηκε ο εφευρέτης του, ότι μπορούσε να αυξηθεί η αποόσταση που μπορούσε να καλυφθεί από το όχημα κατά 20%-40%. Αργότερα, το 1908, ο εφευρέτης του Waverlay προχώρησε σε συγχώνευση της εταιρίας του με την American Electric Vehicle Company. Η εταιρία μετονομάστηκε αργότερα σε Pope-Waverlay και πουλήθηκε σε ένα γκρουπ οικονομικά ισχυρών, που την μετονόμασαν σε Waverlay και μετέτρεψε το σχέδιο του οχήματος σε εμπρόσθια βενζινοκίνητο. Σχήμα 1.13: Το όχημα Pope-Waverlay (1908) [1] Ταυτόχρονα η βιομηχανοποίηση στις Η.Π.Α. αναπτυσσόταν ραγδαία και τονώθηκε ακόμα περισσότερο με το δίκτυο συνεχούς ρεύματος που κατασκεύασε ο Edison, που έδωσε τη δυνατότητα για κατασκευή υποδομών φόρτισης συσσωρευτών. Το 1896 η Pope Manufacturing Co., πρωτοπόρος στην κατασκευή ποδηλάτων, διέθεσε προς πώληση το πρώτο πρακτικό ηλεκτρικό αυτοκίνητο σχεδιασμένο από τον Hiram Percy Maxim. Αργότερα, το 1897, ίδρυσαν την Electric Vehicle Company, που παρουσίασε ηλεκτρικά ταξί και τα έθεσε σε υπηρεσία, τα πρώτα ταξί των H.Π.Α.. Παράλληλα αισθητή την παρουσία τους έκαναν και άλλοι κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων. Μια ενδιαφέρουσα εξέλιξη αποτέλεσε η κατασκευή του αλκαλικού συσσωρευτή νικελίου σιδήρου από τον Thomas Edison στης αρχή του 20 ου αιώνα

31 Κεφάλαιο 1 ο Καθώς άνθιζε η ηλεκτροκίνηση στις Η.Π.Α., γινόταν προσπάθεια να μειωθούν τα αρνητικά στοιχεία της όσον αφορά στις ιδιωτικές μεταφορές. Αυτά έκαναν πιο αισθητή την παρουσία τους κατά τη διοργάνωση αγώνων αυτοκινήτων, όπου μόνο λίγα ηλεκτροκίνητα συμμετείχαν λόγω μειωμένης ικανότητας για αποθήκευση ενέργειας στους συσσωρευτές. Για το λόγο αυτό μία εξέχουσα εταιρία ηλεκτρισμού, για προώθηση της ηλεκτροκίνησης, τελειοποίησε ένα σύστημα φόρτισης των αυτοκινήτων. Το σύστημα ήταν πολύ απλό για τον χρήστη και είχε διάφορα όργανα όπως βολτόμετρο, αμπερόμετρο και μετρητή ενέργειας (Wh). Η πληρωμή του αντιτίμου γινόταν μέσω ενός κερματοδέκτη και μεταβαλλόταν ανάλογα με τη χρήση. Πιο συχνή χρήση οδηγούσε σε οικονομικότερες τιμές, ενώ διαφοροποίηση στο κόστος υπήρχε αν η φόρτιση γινόταν κατά τη διάρκεια της νύκτας αντί τη μέρα. Μια άλλη εταιρία, η Babcock Electric Company από το Buffalo, προχώρησε στην προώθηση των αυτοκινήτων της, παρουσιάζοντάς τα ως ασφαλή και άνετα, ενώ ήταν κατάλληλα για χρήση εντός και εκτός πόλης. Ο ιδρυτής της εταιρίας Frank A. Babcock υποστήριξε ότι το 1906 με μία φόρτιση εκτέλεσε τη διαδρομή Philadelphia-New York διανύοντας μόνο τα 100 από τα 105 μίλια της διαδρομής, ρεκόρ για την αυτοκίνηση την εποχή αυτή. Αυτή η εταιρία μεταξύ των άλλων προσέφερε εγγύηση για τον πρώτο χρόνο χρήσης, που μπορούσε να επεκταθεί επιβαρύνοντας $2 μηνιαίως τον πελάτη. Σχήμα 1.14: Το ηλεκτρικό coupe του Babcock (1912) [1] Την πρώτη δεκαετία του 20 ου αιώνα τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα κατείχαν μεγάλο μερίδιο στην αγορά των Η.Π.Α.. Πιο συγκεκριμένα, το 38% των αυτοκινήτων ήταν ηλεκτρικά, το 40% ατμοκίνητα και μόνο 22% εξ αυτών χρησιμοποιούσαν κινητήρα εσωτερικής καύσης

32 Κεφάλαιο 1 ο Αυτά τα είδη των αυτοκινήτων ανταγωνίζονταν ποιό θα κυριαρχήσει διότι, ενώ το καθένα είχε τα δικά του πλεονεκτήματα, υπήρχαν και σημαντικά μειονεκτήματα. Πιο συγκεκριμένα, τα ατμοκίνητα, ενώ είχαν μεγάλη ισχύ, είχαν μεγάλο χρόνο εκκίνησης (25-45 ), απαιτούσαν νερό για τη λειτουργία τους και μπορούσαν να τα χειριστούν μόνο έμπειροι και επιδέξιοι οδηγοί. Τα βενζινοκίνητα ήταν θορυβώδη, δύσοσμα, αναξιόπιστα, δεν είχαν σταθερή λειτουργία, η λειτουργία του κινητήρα εσωτερικής καύσης προκαλούσε έντονους κραδασμούς, είχαν δύσκολο στη χρήση κιβώτιο ταχυτήτων και μεταξύ των άλλων ήταν επικίνδυνα στην εκκίνηση του κινητήρα μέσω της μανιβέλας. Σε αντίθεση με όλα αυτά τα ηλεκτροκίνητα ήταν σχεδόν αθόρυβα, δεν εξέπεμπαν δύσοσμα καυσαέρια, ήταν αξιόπιστα, εύκολα στην οδήγηση και εύκολα στην εκκίνηση. Βέβαια τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ήταν πιο ακριβά από τους ανταγωνιστές τους, δεν κατάφερναν τις ίδιες ταχύτητες επετύγχαναν ταχύτητα 24 έως 32km/h- και μπορούσαν να διανύσουν μόνο 30km έως 60km σε σύγκριση με ένα βενζινοκίνητο Model T, που είχε μέγιστη ταχύτητα 80km/h και δυνατότητα με γεμάτο ντεπόζιτο να διανύσει περίπου 250km. Η χρήση βέβαια των ηλεκτρικών οχημάτων έγινε οικονομικότερη με τη διάθεση στην αγορά του επαναφορτιζόμενου συσσωρευτή που επιτάχυνε και διευκόλυνε τη φόρτιση. Εκείνη την εποχή το οδικό δίκτυο εκτός πόλεων ήταν σε κακή κατάσταση και πολλές φορές ανύπαρκτο, περιορίζοντας έτσι τη χρήση των αυτοκινήτων μόνο εντός πόλης. Στην Ευρώπη η αυτοκίνηση άνθισε περί τα μέσα του 19 ου αιώνα ενώ στις Η.Π.Α. 20 χρόνια αργότερα. Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα απευθύνονταν στους εύπορους καθώς κόστιζαν υπερδιπλάσια απ ότι ένα βενζινοκίνητο Ford Model T. Ενδεικτικά τα ηλεκτροκίνητα όταν άγγιξαν την μέγιστη παραγωγή κόστιζαν τότε $1750-$3000 τη στιγμή που το Model T κόστιζε μόνο $650. Η βελτίωση όμως του υπεραστικού οδικού δικτύου περί το 1920 αύξησε τη ζήτηση του αγοραστικού κοινού για οχήματα που είχαν δυνατότητα να διανύσουν μεγάλες αποστάσεις. Ταυτόχρονα σε διάφορες πόλεις των Η.Π.Α. ανακαλύφθηκαν μεγάλα κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων μειώνοντας κι άλλο τις τιμές των καυσίμων. Με προσανατολισμό για χρήση εντός πόλης η εταιρία Rauch & Lang κατασκεύασε τη διετία τα ηλεκτροκίνητα Hupp-Yeats. Μπορούσαν να διανύσουν μίλια με μία φόρτιση και το 1915 αντικαταστάθηκε το γωνιακό γρανάζι της τελικής μετάδοσης με ένα σύστημα πηνίου-κορώνας μειώνοντας την τιμή στα $1500. Σημαντικό χαρακτηριστικό των αυτοκινήτων αυτής της εταιρίας αποτέλεσε το γεγονός ότι ήταν χαμηλά και δεν υπέφεραν από πιθανή ανατροπή κατά τη στροφή

33 Κεφάλαιο 1 ο Η πιο επιτυχημένη εταιρία των Η.Π.Α. στο πεδίο των ηλεκτρικών αυτοκινήτων ήταν η Detroit Electric Car Company την περίοδο Η εταιρία μεταξύ των άλλων διέθετε αυτοκίνητα με φρένα τυμπάνου (η πέδηση γίνεται με εκτονωτικό και όχι σφιγκτικό μηχανισμό) και γωνιακή μετάδοση πηνίου-κορώνας. Επιπρόσθετα, ενσωματώθηκε στις πόρτες μηχανισμός για την ανύψωση και το κατέβασμα των πλευρικών υαλοπινάκων και ταυτόχρονα αυτοί στεγανοποιούνταν με περιφερειακό λάστιχο ώστε να αποτρέπεται η εισροή υγρασίας εξαιτίας της βροχής. Η εταιρία διέθετε εξαιρετικά εκτενές πελατολόγιο με αποτέλεσμα να προπληρώνονται παραγγελίες και να υπάρχει λίστα αναμονής. Από την εταιρία παρήχθησαν ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Σχήμα 1.15: Διθέσιο της Detroit Electric (1912) [1] Σχήμα 1.16: Το ηλεκτρικό coupe Detroit Electric (1915) [1]

34 Κεφάλαιο 1 ο Η Backer Electric Vehicles, αποτέλεσε αξιοπρόσεκτο κατασκευαστή ηλεκτρικών οχημάτων με προσήλωση στην αξιοπιστία τους, ενώ ταυτόχρονα το 1915 παρουσίασε ένα υβριδικό μοντέλο (σχήμα 1.17). Σχήμα 1.17: Το υβριδικό τετραθέσιο των Backer (1916) The Dual Power Car [1] Η ηλεκτροκίνηση στις ιδιωτικές μεταφορές δέχθηκε κι άλλες πιέσεις. Το 1896 ο Benz προσάρμοσε ηλεκτρικό κινητήρα στο σφόνδυλο του κινητήρα εσωτερικής καύσης για την εκκίνησή του στην Αγγλία. Αργότερα το 1912 ο Charles Kettering παρουσίασε τον ηλεκτρικό εκκινητή για κινητήρες εσωτερικής καύσης, διευκολύνοντας ακόμη περισσότερο τη χρήση τους. Ο Henry Ford την πρώτη δεκαετία του 20 ου αιώνα εισήγαγε και εξέλιξε την γραμμή παραγωγής στις βιομηχανίες, οδηγώντας στην ραγδαία μείωση του κόστους αγοράς βενζινοκίνητων οχημάτων. Με τη γραμμή παραγωγής όχι μόνο μείώθηκε το κόστος κατασκευής μονάδος, άρα και το κόστος αγοράς, αλλά αύξησε και την αξιοπιστία των αυτοκινήτων αυτών. Μετά το 1920 τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα σταμάτησαν να εξελίσσονται, μειώθηκε η παραγωγή τους και με τον καιρό έφυγαν από το προσκήνιο. Το τελειωτικό χτύπημα δόθηκε με το οικονομικό κραχ των Η.Π.Α., το 1929, κατά τη διάρκεια του οποίου κατέρρευσαν πολλές εταιρίες

35 Κεφάλαιο 1 ο Η δεύτερη φάση Τις επόμενες δεκαετίες η ηλεκτροκίνηση στον τομέα των ιδιωτικών μεταφορών δεν έβρισκε ανταπόκριση ούτε στην αγορά αυτοκινήτου ούτε και στον τομέα της εξέλιξής της. Εμφανίστηκε στο προσκήνιο μόνο κατά μικρές περιόδους, κατά τις οποίες επικρατούσαν ιδιαίτερες συνθήκες. Πιο συγκεκριμένα, κατά τον 2 ο Παγκόσμιο Πόλεμο αυξήθηκε το ενδιαφέρον γύρω από την ηλεκτροκίνηση κυρίως λόγω έλλειψης καυσίμων. Τη δεκαετία του 60 οι αυξημένες περιβαλλοντικές ανησυχίες των πολιτών ενίσχυσαν το ενδιαφέρον του κόσμου προς φιλικότερες προς το περιβάλλον μορφές ενέργειας ενώ δέκα χρόνια μετά συνέβη η πετρελαϊκή κρίση. Στη σύγχρονη εποχή, από το 1990 έως σήμερα, το ενδιαφέρον γύρω από την ηλεκτροκίνηση έχει αυξηθεί δραματικά κυρίως στον τομέα έρευνας και ανάπτυξης. Η ποιότητα του αέρα στις πόλεις, εξαιτίας της χρήσης του κινητήρα εσωτερικής καύσης, έχει υποβαθμιστεί εξαιρετικά. Αυτή ήταν και η αφορμή για την Clean Air Act του 1990 [3], κίνηση η οποία έφερε αλλαγές στις νομοθεσίες πολλών κρατών σχετικά με την προστασία του περιβάλλοντος και παράλληλα ακολούθησε η Energy Act του 1992 [3]. Η αύξηση στις τιμές του μαύρου χρυσού κυρίως λόγω πολιτικών, πολεμικών και τρομοκρατικών καταστάσεων, οδήγησε πολλά μη πετρελαιοπαραγωγά κράτη να εφαρμόσουν πολιτικές απεξάρτησης από το πετρέλαιο και γενικότερα γίνονται προσπάθειες για ενεργειακή ανεξαρτησία. Κατά τη διάρκεια του 2 ου Παγκοσμίου Πολέμου, οι πολίτες της Γερμανίας και της Αγγλίας, προσπαθούσαν να καταναλώνουν όσο το δυνατόν λιγότερα υγρά καύσιμα ώστε να χρησιμοποιηθούν στις εμπόλεμες διαμάχες. Έτσι η ηλεκτροκίνηση κέρδιζε έδαφος. Η κρατική διαφήμισε την προωθούσε καθημερινά προβάλλοντας τα επιχειρήματα των κατασκευαστών 30 χρόνια πριν. Στη Γερμανία για τις υπηρεσίες του ταχυδρομείου χρησιμοποιούνταν ηλεκτρικά οχήματα, τα οποία σε αριθμό ήταν πολύ περισσότερα από αυτά που λειτουργούσαν συνολικά στην Αγγλία. Ευτυχώς οι κοινωνίες ανταποκρίθηκαν άμεσα και ακόμα και περιοχές με οδούς αξιοσημείωτης κλίσης είχαν κατακλειστεί από ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Οι υποστηρικτές τους τόνιζαν την τεράστια διαφορά στο κόστος χρήσης που είχαν τα ηλεκτροκίνητα σε σύγκριση με τα βενζινοκίνητα. Το κόστος χρήσης ενσωματώνει και το κόστος καυσίμου αλλά και το κόστος συντήρησης. Έτσι άρχισαν να εμφανίζονται γραμμές ημι-μαζικής παραγωγής από κατασκευάστριες εταιρίες που προσπαθούσαν να

36 Κεφάλαιο 1 ο καλύψουν την τότε ζήτηση. Ενδεικτικά αναφέρονται μοντέλα που κατασκευάζονταν σε Αγγλία, Γερμανία και στην υπόλοιπη Ευρώπη: Bleichert Trasportanlagen Company (Leipzig) διθέσια αυτοκίνητα Electrolette : διθέσιο ηλεκτρικό από τη Γαλλία ισχύος 1,5hp με μέγιστη ταχύτητα 32km/h ( ) Story, τρίκυκλο ηλεκτρικό όχημα από την Ολλανδία που ανέπτυσσε ταχύτητα 28km/h και μπορούσε με μία φόρτιση να διανύσει 60km Γαλλία: Stela, Dauphin, C.G.E. διθέσια που παράχθηκαν την περίοδο , Paris-Rhone τρίτροχο (1+2) όχημα 2 ίππων, οπισθιοκίνητο Μετά τα μέσα του 20 ου αιώνα αυξήθηκε το ενδιαφέρον για κατασκευή πειραματικών αυτοκινήτων, κυρίως διότι ηλεκτροκινητήρες, συσσωρευτές και μετατροπείς είχαν εξελιχθεί σημαντικά. Στο Τόκυο η Τama Electric Motorcar Company κατασκεύασε ηλεκτροκίνητα οχήματα που έφταναν τα 56km/h και διένυαν 200km με μία φόρτιση. Το υβριδικό Symmetric παρουσιάστηκε στο Παρίσι, το 1951, έχοντας πολυμερές αμάξωμα. Το Electronic Utah (1955), ήταν ασυνήθιστο όχημα, το οποίο ενσωμάτωνε σύστημα ασύρματης φόρτισης μπαταριών. Τη δεκαετία του 60 στην Αγγλία παράχθηκαν σε πειραματικό επίπεδο τα Peel ( ) και το Marketour( ) (σχήμα 1.18). To Peel ήταν μικρό τρίτροχο όχημα με αμάξωμα από υαλόνημα και το Marketour απευθυνόταν για μικρές καθημερινές διαδρομές. Η αμερικάνικη AMC πειραματίστηκε με συσσωρευτές νικελίου-καδμίου που τροφοδοτούσαν το ηλεκτροκινητήριο σύστημα ενός υβριδικού οχήματος. Το πιο επιτυχές ηλεκτροκίνητο όχημα ήταν το Enfield 8000 που παράχθηκε στο Λονδίνο την περίοδο αυτή. Είχε αυτονομία 90km και ανέπτυσσε ταχύτητα 60km/h. Είχε δικτύωμα για σασί, κινητήρα 8 ίππων και συσσωρευτή 96V

37 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.18: Αριστερά: Peel, Δεξιά: Enfield 8000[1] Η αμερικανικη GMC μετέτρεψε το Handivan το 1966 χρησιμοποιώντας κυψέλες υδρογόνου. Η αποθήκευση του καυσίμου Η2, και του Ο2, ήταν πίσω από τα καθίσματα, εγείροντας προβλήματα ασφάλειας. Η AMC μετέτρεψε και αυτή ένα μοντέλο της, το Hornet, σε ηλεκτροκίνητο το Υπήρχαν βέβαια και μικρές εταιρίες που κατασκεύαζαν αποκλειστικά ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα μικρής ισχύος. Ενδεικτικά παραδείγματα είναι το Sebring Vanguard CitiCar και το Elcar 2000 ισχύος 3.5 ίππων, χωρίς όμως να έχουν ανταπόκριση από την τότε δημοσιογραφική κοινότητα που τα χαρακτήρισε ως not acceptable (σχήμα 1.19). Η Nissan στην Ιαπωνία κατασκεύασε το πειραματικό EV4P, χρησιμοποιώντας συσσωρευτές μολύβδου-οξέος και το EV4H, με συσσωρευτές ψευδαργύρου. Σχήμα 1.19: Αριστερά: Sebring Vanguard CitiCar, Δεξιά: Elcar

38 Κεφάλαιο 1 ο Στην Αυστραλία το 70 κατασκευάστηκε ένα πειραματικό ηλεκτροκίνητο, το Investigator MKII. Βασίστηκε στο αμάξωμα ενός Fiat127 και ανέπτυσσε ταχύτητα 75km/h με αμάξωμα 60-80km. Αργότερα, το επόμενο ανταγωνιστικό ηλεκτροκίνητο όχημα ήταν το Electrcation( ). Είχε αμάξωμα από υαλόνημα(fiberglass) και έναν κινητήρα ισχύος 7,5 ίππων. Η εταιρία διέθετε ένα coupe πόλης, ένα van και ένα ηλεκτρικό τρίτροχο ποδήλατο. H Marathon Electric Car Company του Καναδά κατασκεύασε το C-360, ένα εξάτροχο ηλεκτρικό όχημα. Το αμάξωμά του ήταν από αλουμίνιο, καταλήγοντας τελικά σε μια ελαφριά κατασκευή. Το τρίτροχο City El κατασκευής, της γερμανικής CitiCom, είχε τη δυνατότητα να διανύσει 60km με μέγιστη ταχύτητα 50km/h. Οι συσσωρευτές του ήταν μολύβδου οξέος ή ιόντων λιθίου Περίοδος 1990-σήμερα Το 90 η Ford ανέπτυξε το Ecostar, ένα επαγγελματικό όχημα με ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά. H μέγιστη ταχύτητά του ήταν τα 120km/h και είχε αυτονομία περίπου 145km. Η εταιρία υποστήριξε ότι εάν ο οδηγός διατηρούσε ταχύτητα 40km/h, η αυτονομία άγγιζε την αστρονομική για την περίοδο εκείνη αυτονομία 320km. Διέθετε σύστημα ανάκτησης ενέργειας κατά τη διάρκεια ελεύθερης επιβράδυνσης και της πέδησης. Ακόμη ανέπτυξε το Th!nk City στη Νορβηγία. Το Th!nk είναι ένα αυτοκίνητο 2 όγκων για χρήση εντός πόλης με χαμηλές επιδόσεις αλλά αξιοπρόσεκτη αυτονομία 85km. H Ford άρχισε από το 2004 να πειραματίζεται με κυψέλες καυσίμου κατασκευάζοντας το Escape. Σχήμα 1.20: Αριστερά: Ford Ecostar, Δεξιά: Th!nkCity

39 Κεφάλαιο 1 ο Σημαντικό ρόλο στην κατασκευή και ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων διατέλεσε η αμερικάνικη General Motors. Το Impact ήταν ένα πρωτότυπο που κατασκευάστηκε το 1990 και ήταν πρόγονος του περίφημου EV1. To Impact επιτάχυνε στα 100km/h μέσα σε 8 δευτερόλεπτα, είχε αυτονομία 160km και με κατάλληλη οδήγηση μπορούσε να αγγίξει τα 200km με μία μόνο φόρτιση. Το μειονέκτημά του ήταν ότι οι μπαταρίες του είχαν διάρκεια ζωής μόνο km και για να τις αντικαταστήσει ο χρήστης επιβαρυνόταν με $1500. Αργότερα, το 1996, η GM παρουσίασε επίσημα το EV1. Το αυτοκίνητο αυτό ενσωμάτωνε πληθώρα πρωτοποριακών εφαρμογών. Ο σχεδιασμός του είχε στόχο να μειώσει την κατανάλωση σε ηλεκτρική ενέργεια, μέσω της μείωσης του συνολικού βάρους και της αεροδυναμικής αντίστασης. Χρησιμοποιήθηκαν πολυμερή μέρη για το αμάξωμα, κοίλα γυάλινα τμήματα και έγινε εκτεταμένη χρήση αλουμινίου. Γενικά, το EV1 εκμεταλλεύτηκε τις εφαρμογές που έγιναν στο Impact και το Ultralite. To Ultralite, όπως μαρτυρά και το όνομά του, ήταν ένα πειραματικό αυτοκίνητο, που ανέπτυξε η GM και παρουσίασε το 1992, με κύριο χαρακτηριστικό την εξοικονόμηση ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, ο 3κύλινδρος δίχρονος βενζινοκινητήρας κατανάλωνε 2,7L/100km εάν η ταχύτητα συντηρούνταν στα 80km/h και το αμάξωμά του ήταν εξ ολοκλήρου από ανθρακόνημα. Σχήμα 1.21: Αριστερά: Impact, Δεξιά: Ultralite [9] Σχήμα 1.22: ΕV1 [9]

40 Κεφάλαιο 1 ο Η φόρτιση του EV1 γινόταν μέσω μαγνητικής ζεύξης (Magne-Charge) και μπορούσε να πραγματοποιηθεί ακόμα και κατά τη διάρκεια βροχής απροβλημάτιστα. Το σύστημα φόρτισης ήταν το μόνο που είχε λάβει πιστοποίηση από το Underwriters Laboratory. Σχήμα 1.23: Διαδικασία φόρτισης του EV1 μέσω του συστήματος Magne-Charge [9] Η GM προχώρησε και στην ολοκλήρωση και άλλων ηλεκτροκίνητων project. Ένα Ford Ranger της δεκαετίας του 90, μετετράπη από τη Ford σε ηλεκτροκίνητο. Είχε αυτονομία 100km και μπορούσε να αναπτύξει ταχύτητα έως 120km/h. Έθεσε στη γραμμή παραγωγής ένα ημιφορτηγό Chevrolet S-10. Η Chrysler παρουσίασε επίσης το mnivan EPIC το 2009 για χρήση στις υπηρεσίες ταχυδρομείου των Η.Π.Α.. Μεταξύ των άλλων η GM πειραματίστηκε και με κυψέλες καυσίμου. Τον Ιούλιο του 2000 παρουσίασε το HydroGen1. Μια εξέλιξη αυτού, το HydroGen3 (σχήμα 1.24), δόθηκε στη FedEX για πειραματική χρήση το Το HydroGen4 (σχήμα 1.25), έχει ηλεκτροκινητήρα ισχύος 73kW που τροφοδοτείται από μία κυψέλη καυσίμου 440 βαθμίδων. Σχήμα 1.24: HydroGen1 [10]

41 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.25: HydroGen3 [10] Σχήμα 1.26: HydroGen4 [10] Ταυτόχρονα, η Nissan παρουσίασε το 1998 το AltraEV που προσφερόταν στους κατοίκους της California. H Toyota παρουσίασε και εκείνη το δικό της ηλεκτροκίνητο, ένα RAV4 το Η αυτονομία του ήταν περίπου 160km και μπορούσε να αναπτύξει ταχύτητα έως 125km/h. Όλες οι προαναφερθείσες κατασκευές χρησιμοποιούσαν συσσωρευτές

42 Κεφάλαιο 1 ο NickelMetalHydrid (NiMH) εκτός από το EPIC που χρησιμοποιούσε συσσωρευτές ιόντων λιθίου για την αποθήκευση της ενέργειας. Σχήμα 1.27: Ford Ranger EV [10] Σχήμα 1.28: Chrysler EPIC EV Σχήμα 1.29: Nissan Altra EV

43 Κεφάλαιο 1 ο Μια μικρής κλίμακας εταιρίας, η Corbin, παρουσίασε το 1999 το Sparrow. Το Sparrow είναι ένα μονοθέσιο τρίτροχο όχημα και η ανάπτυξή του άρχισε το Οι συσσωρευτές του φορτίζονταν πλήρως μέσα σε 3 ώρες (στα 220V) και του έδιναν αυτονομία 80km ταξιδεύοντας με 80km/h. Είχε, βέβαια, τη δυνατότητα να αναπτύξει ταχύτητα 150km/h. Παρότι η εταιρία είχε ήδη 1000 παραγγελίες το 2001, έχοντας ήδη πουλήσει 200 αυτοκίνητα, κατέρρευσε οικονομικά το 2003 καθώς της έγιναν οικονομικές και νομικές επιθέσεις. Σχήμα 1.30: Corbin Sparrow (2000) [1] H Honda παρουσίασε το αυτοκίνητο δύο όγκων EVplus το 1997 και το διέθετε στην αγορά έως το Όταν σταμάτησε η διάθεσή του στην αγορά, παρουσιάστηκε το Honda Insight, ένα εξαιρετικά χαμηλών εκπομπών υβριδικό αυτοκίνητο που χρησιμοποιούσε NiMH συσσωρευτές και έχει το εντυπωσιακό συντελεστή αεροδυναμικής 0.25 [12]. Αυτο το υβριδικό αυτοκίνητο διαθέτει έναν ΚΕΣ βενζίνης 1330 κ.ε. και ένα BrushlessDC κινητήριο που συνεργάζεται με ένα CVT (κιβώτιο μετάδοσης συνεχούς μεταβολής σχέσης). Σχήμα 1.31: Honda Insight [12]

44 Κεφάλαιο 1 ο Από τις αρχές του 21 ου αιώνα τα κράτη ενθάρρυναν και υποστήριξαν τις έρευνας γύρω από το ηλεκτρικό αυτοκίνητο και γενικότερα τις εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Άρχισαν επίσης να εμφανίζονται νέα, πιο εξελιγμένα πειραματικά ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα αλλά και εταιρίες που προσφέρουν αμιγώς ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα. Η GM παρουσίασε το 2002 το Autonomy, που τροφοδοτούνταν από μια κυψέλη καυσίμου πάχους μόνο 15cm. Το Autonomy εφάρμοζε ιδιαίτερο τρόπο κατασκευής καθώς το αμάξωμά του χωρίζεται σε δύο μέρη: το άνω μέρος αποτελείται από την καμπίνα των επιβατών και το κάτω τμήμα που διαθέτει όλο τον μηχανολογικό, ηλεκτρικό και ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Στο όχημα αυτό γίνεται εκτενής εφαρμογή του συστήματος drive-by-wire. Δεν εισήλθε ποτέ στη γραμμή παραγωγής λόγω του αυξημένου κόστους. Σχήμα 1.32: GM Autonomy [10] Ακόμα ένα πειραματικό αυτοκίνητο αναπτύχθηκε από τη GM σε συνεργασία με τη Honda: το FCX, για το οποίο ισχυρίστηκαν οι κατασκευαστές ότι έχει αυτονομία 560km χρησιμοποιώντας ως καύσιμο το υδρογόνο. Σχήμα 1.33: GM&Honda FCX (fuel cell electric vehicle) [13]

45 Κεφάλαιο 1 ο Επιπρόσθετα άλλη μία μικρή εταιρία από την California, AC Propulsion, κατασκευάζει ένα αμιγώς ηλεκτρικό 5θέσιο που βασίζεται στο ScionxB. Με αυτονομία 190km, το ebox, κοστίζει περίπου $70,000. Σχήμα 1.34: Ac Propulsion ebox [1] Το Ford Fusion 999 (σχήμα 1.35) στις 15 Αυγούστου 2007 σημείωσε ρεκόρ ως το πιο γρήγορο ηλεκτροκίνητο όχημα που τροφοδοτείται από κυψέλη καυσίμου. Άγγιξε τα 335km/h και αντλούσε την ενέργειά του από μία 400W κυψέλη υδρογόνου της Ballard Power Systems. H Ford πειραματίζεται με ένα άλλο πειραματικό όχημα, το Αirstream, που θα εφαρμόζει υβριδική τεχνολογία για την τροφοδοσία του. Υπολογίζεται ότι έχει αυτονομία 40km αντλώντας αποθηκευμένη ενέργεια από τους συσσωρευτές του ενώ η δεξαμενή υδρογόνου του προσφέρει ακόμα 490km. Σχήμα 1.35: Ford Fusion 999 [10] Η Tesla Motors, βασιζόμενη στο Lotus Elise, κατασκεύασε το 2008 το διθέσιο Tesla Roadster. Το μοντέλο αυτό έχει αυτονομία 370km και τελική ταχύτητα 210km/h. Το αμάξωμά του κατασκευάζεται από ανθρακονήματα, οι συσσωρευτές του είναι ιόντων λιθίου

46 Κεφάλαιο 1 ο και η τιμή του $109,000. Η εταιρεία το 2009 παρουσίασε το πειραματικό sedan Tesla model S. Σχήμα 1.36:Αριστερά: Tesla Roadster, Δεξιά: Tesla model S [1] Μία αξιοσημείωτη προσπάθεια της εταιρίας BMW φαίνεται στο σχήμα Πρόκειται για την ηλεκτροκίνητη έκδοση της Series1, το ActivE με αυτονομία 160km, μέγιστη ταχύτητα 140km/h και ισχύ 125kW. Σχήμα 1.37: BMW Active Στις εικόνες του σχήματος 1.38 φαίνονται δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για εφαρμογή ηλεκτροκίνησης στο BMW Mini. Στην αριστερή εικόνα παρουσιάζεται ένα από τα ηλεκτροκίνητα MiniΕ που η BMW είχε παράξει για πιλοτική χρήση 1 έτους από ανθρώπους συγκεκριμένων προφίλ ώστε να εκτεθούν οι ανάγκες για μέσα μεταφοράς. Το αυτοκίνητο αυτό έχει αυτονομία 160km, μέγιστη ταχύτητα 153km/h και η ισχύς του ανέρχεται στα 150kW. Στη δεξιά εικόνα παρουσιάζεται μια ηλεκτροκίνητη έκδοση της εταιρίας PML, η οποία παρήγε κινητήρες κατάλληλους για τοποθέτηση εντός του τροχού (direct drive). Η εντυπωσιακή αυτή μετατροπή στο τελικό πειραματικό όχημα δίνει τη δυνατότητα στο Mini να αναπτύξει ταχύτητα 470km/h, η ισχύς του αγγίζει τα 640kW. Το εντυπωσιακό είναι ότι με τη βοήθεια γεννήτριας και βενζινοκινητήρα 250κ.ε. η ααυτονομία του αγγίζει τα 1500km

47 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.38: Αριστερά:Mini E, Δεξιά:PML Mini QED Στη συνέχεια παρουσιάζονται ενδεικτικά διάφορα οχήματα της σημερινής εποχής που βρίσκονται σε διαδικασία παραγωγής. Το αμιγώς ηλεκτρικό Nissan Leaf (σχήμα 1.37) βρίσκεται σε διαδιακασία παραγωγής και έχει κόστος αγοράς περίπου $ Έχει αυτονομία 160km, η μέγιστη ταχύτητα τπου μπορεί να αναπτύξει είναι τα 140km/h και η ισχύτς του κινητήριου συστήματός του είναι 80kW. Σχήμα 1.39: Nissan Leaf To 2010 η Fisker Automotive παρουσίασε το εντυπωσιακό PHEV Karma (σχήμα 1.40) (plug-inn hybrid vehicle). Έχει συνολική ισχύ 403hp και δυνατότητα για κατανάλωση μόνο 2,3 λίτρων καυσίμου ανά 100km

48 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.40: Fisker Karma [1] Η εταιρία Brammo Motorcycles [8] προσφέρει μια μεγάλη γκάμα αμιγώς ηλεκτροκίνητων μοτοσυκλετών. Πιο συγκεκριμένα παράγει τα μοντέλα Enertia και Empulse. Το Enertia (σχήμα 1.41) έχει αυτονομία 140km, μέγιστη ταχύτητα τα 95km/h και η ισχύς του κινητήριου συστήματός του ανέρχεται στα 12kW. Παράλληλα, το Empulse (σχήμα 1.42) έχει αυτονομία160km, μέγιστη ταχύτητα τα 160km/h και η ισχύς του είναι 40kW. Σχήμα 1.41: Brammo Enertia [8]

49 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.42: Brammo Empulse [8] Η εταιρία Zero Motorcycles παράγει το ηλεκτροκίνητο ZeroS που έχει αυτονομία 100km και μέγιστη ταχύτητα τα 142km/h. Σχήμα 1.43: Zero S (αυτονομία 100km,μέγιστη ταχ. 142km/h, $12000) [8] Η εταιρία Aptera Motors κατασκευάζει το εντυπωσιακό Aptera. Σήμερα, το μοντέλο έχει εξελιχθεί στο Aptera 2e (σχήμα 1.44). Το κύριο χαρακτηριστικό του είναι ότι έχει πολύ χαμηλό συντελεστή αεροδυναμικής κοντά στο 0,11. Έχοντας πολύ χαμηλές αεροδυμαικές αντιστάσεις, το Aptera μπορεί με μία φόρτιση να διανύσει 190km και να αναπτύξει ταχύτητα έως 140km/h. Η ισχύς του ηλεκτροκινητήριου συστήματός του είναι περίπου 82kW. Το Aptera προσφέρεται και με σύστημα επέκτασης αυτονομίας με ΚΕΣ, καταναλώνοντας μόνο ένα λίτρο καυσίμου για κάθε 85km που διανύει

50 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.44: Aptera 1.2 Πειραματικές κατασκευές ηλεκτρικών οχημάτων στην Ελλάδα. Στον ελληνικό χώρο έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες για την ανάπτυξη πειραματικών ηλεκτροκίνητων οχημάτων κάθε είδους. Αρχικά αναφέρεται μία σημαντική προσπάθεια μετατροπής οχήματος σε ηλεκτροκίνητο έλαβε χώρα στο ΕΗΜΕ χρησιμοποιώντας το μοντέλο pick-up Fiorino της εταιρίας Fiat. Πιο συγκεκριμένα, το Electra (Σχήμα 1.45) έχει μέγιστη ισχύ 32kW η μέγιστη συνεχής ροπή του φτάνει τα 51Nm και η τελική του ταχύτητα είναι 100km/h. Σχήμα 1.45: Το ηλεκτροκίνητο Electra [37]

51 Κεφάλαιο 1 ο Στα πλαίσια του διαγωνισμού ηλιακών οχημάτων Φαέθων 2004 το ΕΗΜΕ συμμετείχε με το ηλιακό όχημα Ερμής (Σχήμα 1.46) Σχήμα 1.46: Το πειραματικό ηλιακό όχημα Ερμής [37] Το υβριδικό Fiat Panda (Σχήμα 1.47) ήταν η πρώτη προσπάθεια κατασκευής υβριδικού οχήματος στο ΕΗΜΕ χρησιμοποιώντας συσσωρευτές μολύβδου-οξέως για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας. Ο ΚΕΣ αναλαμβάνει να κινήσει τον εμπρός κινητήριο άξονα, ενώ ο πίσω άξονας λαμβάνει μηχανική ροπή από ένα ηλεκτροκινητήριο σύστημα ισχύος 12kW [22]. Σχήμα 1.47: Το πρώτο υβριδικό όχημα του EHME (EV1)[37]

52 Κεφάλαιο 1 ο Τελευταία απόπειρα κατασκευής υβριδικού συστήματος στο ΕΗΜΕ με ανάκτηση ηλεκτρικής ενέργειας φαίνεται στην εικόνα του Σχήματος Χρησιμοποιεί έναν ηλεκτροκινητήρα ισχύος 14kW που συνδέεται παράλληλα με τον άξονα μεταφοράς της μηχανικής ροπής από το κιβώτιο ταχυτήτων στον άξονα κίνησης[35]. Σχήμα 1.48: Υβριδικό jeep (EV2)[37] Τέλος, κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας (ΕΗΜΕ) ηλεκτροκίνητη βάρκα με την ονομασία Πρωτέας (Σχήμα 1.49). Η ηλεκτροκίνητη αυτή βάρκα έχει ισχύ 1,5kW και τελική ταχύτητα 3,5knots, ενώ η αυτονομία του ανέρχεται στις 2h όταν αυτή κινείται με τη μέγιστη ταχύτητά της

53 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.49: Ο Πρωτέας πριν τη δοκιμή[36] 1.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων. Η χρήση ηλεκτροκίνητων οχημάτων στις ιδιωτικές μεταφορές ωφελεί το χρήστη πολύπλευρα. Τα σύγχρονα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα είναι εξαιρετικά απλά στη χρήση, διότι δεν απαιτούν ιδιαίτερες γνώσεις ούτε προετοιμασία πριν από τη λειτουργία τους. Όταν ο χρήστης επιθυμεί να εκκινήσει ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο, αυτό ανταποκρίνεται άμεσα, όντας ικανό να αποδώσει όλη την ισχύ του χωρίς να χρειάζεται για παράδειγμα προθέρμανση, όπως συμβαίνει με τα σύγχρονα οχήματα που χρησιμοποιούν κινητήρες εσωτερικής καύσης. Γενικά, ένα ηλεκτρικό σύστημα κίνησης είναι πολύ πιο απλό σε σύγκριση με ένα σύστημα που χρησιμοποιεί κινητήρα εσωτερικής καύσης. Λόγω της εξέλιξης των ηλεκτροκινητήρων έλξης (automotive motors) δεν απαιτείται κάποιο σύστημα πολλαπλασιασμού της ροπής στο σύστημα της μετάδοσης της κίνησης προς τους κινητήριους τροχούς. Η μόνη μηχανολογική διάταξη που απαιτείται είναι η σύνδεση του άξονα του κινητήρα με τον εκάστοτε άξονα κίνησης με ένα σταθερό λόγο μετάδοσης. Η απλότητα του ηλεκτροκινητηρίου συστήματος έχει ως συνέπεια μια πληθώρα πλεονεκτημάτων. Αρχικά, από πλευράς χρήστη, το εγχειρίδιο χρήσης του είναι λιγότερο ογκώδες από ένα αντίστοιχο εγχειρίδιο συμβατικού αυτοκινήτου. Μάλιστα, για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των σύγχρονων συμβατικών αυτοκινήτων εφαρμόζονται συστήματα ελέγχου του κινητήρα που χρησιμοποιούν πολλούς -και ακριβούς- αισθητήρες, μειώνοντας την αξιοπιστία τους και δυσκολεύοντας το χρήστη στο να αναζητήσει το πρόβλημα. Αυτό, βέβαια, είναι πλεονέκτημα για την κατασκευάστρια εταιρία, που αναλαμβάνει μεταξύ των άλλων την επισκευή του οχήματος, εάν κάποιο εξάρτημα

54 Κεφάλαιο 1 ο αστοχήσει. Η αναζήτηση του σφάλματος γίνεται γρηγορότερα και τα εξαρτήματα που μπορεί να αστοχήσουν πληθαίνουν, αυξάνοντας έτσι το κέρδος της επιχείρησης. Βέβαια, εδώ πρέπει να τονιστεί το γεγονός ότι η επισκευή ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου είναι πολύ καθαρότερη από αυτήν αντίστοιχου συμβατικού. Η χρήση ορυκτελαίων είναι περιορισμένη και δεν εκλύονται ανθυγιεινά αέρια, όπως είναι για παράδειγμα οι ατμοί της βενζίνης. Επιπρόσθετα, η απλότητα του ηλεκτροκίνητου συστήματος προσφέρει αυξημένη αξιοπιστία. Τα αναλώσιμα εξαρτήματα είναι ελάχιστα αυξάνοντας έτσι την απόσταση μεταξύ διαδοχικών σέρβις. Έτσι, αυξάνει η οικονομία σε χρόνο και χρήματα. Στα μειωμένα έξοδα χρήσης συμβάλλει και το γεγονός ότι το καύσιμο, η ηλεκτρική ενέργεια, είναι εξαιρετικά φθηνό, ενώ μπορεί να γίνει ακόμα φθηνότερο αγγίζοντας την έννοια του «δωρεάν» εάν παράγεται από συστήματα ΑΠΕ, που μπορεί να είναι εγκατεστημένα στην οικία του χρήστη ή σε ένα χώρο στάθμευσης αυτοκινήτων. Το γεγονός ότι η φόρτιση του αυτοκινήτου είναι δυνατόν να γίνει μέσω συμβατικού οικιακού ρευματολήπτη μειώνει ραγδαία του κινδύνους που συνεπάγονται από την επίσκεψη σε ένα πρατήριο υγρών καυσίμων. Πιο συγκεκριμένα σε ένα πρατήριο υγρών καυσίμων υπάρχουν οι τοξικές αναθυμιάσεις από τη μετάγγιση στα ρεζερβουάρ των οχημάτων, ενώ παράλληλα η έξοδος από αυτό είναι συχνά επίπονη διαδικασία. Παράλληλα, η κακή ποιότητα του καυσίμου συχνά δρα αρνητικά στην τσέπη του καταναλωτή είτε μέσω της υπερκατανάλωσης είτε μέσω των προβλημάτων που ενδέχεται να προκληθούν στον ευπαθή κινητήρα εσωτερικής καύσης. Ταυτόχρονα, το ηλεκτρικό αυτοκίνητο είναι πολύ φιλικό προς το κοινωνικό σύνολο. Η αθόρυβη λειτουργία των ηλεκτροκινητήρων βοηθά στην καταπολέμηση της ηχορρύπανσης, που αποτελεί αιτία πολλών προβλημάτων της ψυχικής και σωματικής υγείας του ατόμου. Έτσι, μπορεί να βελτιωθεί και η ποιότητα της καθημερινής ζωής των μελών ενός κοινωνικού συνόλου, αυξάνοντας την αποδοτικότητά τους στις καθημερινές τους δραστηριότητες. Όσον αφορά τη ρύπανση των πόλεων, η ηλεκτροκίνηση έχει να προσφέρει πολλά οφέλη. Κατά τη λειτουργία τέτοιων οχημάτων δεν εκλύονται αέρια, ούτε μικροσωματίδια, όπως συμβαίνει με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Παρότι έχουν γίνει και γίνονται προσπάθειες να μειωθούν οι βλαβερές εκπομπές από τις εξατμίσεις των συμβατικών αυτοκινήτων, δεν μπορούν να συγκριθούν με τα ηλεκτρικά οχήματα. Το γεγονός ότι το ηλεκτροκινητήριο σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής, χωρίς να καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια, αποτελεί ένα ακόμη πλεονέκτημα. Σαν συνέπεια αυτού, είναι προφανές

55 Κεφάλαιο 1 ο ότι κατά την κυκλοφοριακή συμφόρηση δεν καταναλώνεται ενέργεια, όπως συμβαίνει με τα συμβατικά οχήματα. Βέβαια, τα περισσότερα σύγχρονα συμβατικά αυτοκίνητα ενσωματώνουν αυτόματο σύστημα διακοπής/επαναλειτουργίας του κινητήρα μειώνοντας κατά πολύ την κατανάλωση καυσίμου. Όμως, τέτοια συστήματα επιβαρύνουν τον κινητήρα και τα περιφερειακά του συστήματα, αυξάνοντας την πιθανότητα να αστοχήσει κάποιο εξάρτημα. Σχήμα 1.50: Νέφος στο λεκανοπέδιο Αττικής [16] Πλεονέκτημα του ηλεκτροκινητήρα έναντι του βενζινοκινητήρα αποτελεί και το γεγονός ότι ο πρώτος μπορεί να αποδώσει υψηλές τιμές ροπής από μηδενική περιστροφική ταχύτητα. Η παραγωγή μηχανικής ροπής από τον ηλεκτροκινητήρα γίνεται χωρίς κραδασμούς και ταλαντώσεις, κάτι που είναι αδύνατο να συμβεί από ένα συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης. Η παραγόμενη ροπή είναι επίσης σταθερή και δεν εμφανίζει ταλαντώσεις, προσφέροντας ήπια και ομαλή λειτουργία. Για να παραχθεί η μέγιστη ροπή από ένα συμβατικό κινητήρα απαιτείται να λειτουργήσει σε υψηλές στροφές, ενώ οι υψηλές τιμές ροπής του (>75%) υπάρχουν σε περιορισμένο εύρος στροφών. Αντιθέτως, ένας ηλεκτροκινητήρας που έχει σχεδιαστεί για εφαρμογές κίνησης οχημάτων, μπορεί να αποδίδει την ίδια σταθερή ονομαστική μηχανική ροπή για ένα σχετικά μεγάλο εύρος στροφών (3000rpm-4000rpm). Επιπλέον, ένα πρόσθετο πλεονέκτημα των κινητήριων συστημάτων με ηλεκτρισμό είναι η εκκίνησή τους. Για να εκκινήσει ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης απαιτείται να

56 Κεφάλαιο 1 ο αποζευχθεί από το σύστημα μετάδοσης της μηχανικής ροπής στους τροχούς. Για το λόγο αυτό, απαιτείται κατάλληλο σύστημα σύμπλεξης-αποσύπμπλεξης με εφαπτόμενες επιφάνειες (σχήμα 1.51). Στη συνέχεια πρέπει να μεταφερθεί περιστροφική κίνηση στον στρόφαλο του κινητήρα μέσω του ηλεκτρικού εκκινητή (μίζα) και να ενεργοποιηθούν διάφορα άλλα υποσυστήματα, όπως είναι η αντλία καυσίμου και ο πολλαπλασιαστής των μπουζί. Η ηλεκτρική ενέργεια σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο παρέχεται από μία μικρή γεννήτρια που είναι συζευγμένη με στρόφαλο του κινητήρα. Δυστυχώς, όμως, έτσι μειώνεται ακόμα περισσότερο ο ολικός βαθμός απόδοσης του κινητήριου συστήματος. Αντίθετα, σε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορεί ο το σύστημα κίνησης να ενεργοποιηθεί χωρίς να απαιτείται χρήση τέτοιου μηχανισμού. Απλώς ενεργοποιούνται οι κατάλληλοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς και τα επιμέρους υποσυστήματα, τα οποία είναι σταθεράς κατάστασης. Άρα το σύστημα μετάδοσης είναι ακόμα απλούστερο. Επιπλέον, η ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να ανακτηθεί κατά την κίνηση ενός τέτοιου αυτοκινήτου ανακτάται μέσω του ηλεκτροκινητήριου συστήματος, χωρίς χρήση επιμέρους μηχανικών εξαρτημάτων. Σχήμα 1.51: Συστήματα σύμπλεξης-αποσύμπλεξης κινητήρων εσωτερικής καύσης. Αρ.: συμβατικός συμπλέκτης Δεξ.: σύγχρονος διπλός συμπλέκτης (dual clutch) [17] Το γεγονός ότι ένας ηλεκτροκινητήρας μπορεί να αποδώσει την ονομαστική του ροπή για μεγάλο εύρος στροφών, αποτελεί ακόμα ένα πλεονέκτημα όσον αφορά τις επιδόσεις ενός οχήματος. Έτσι δίνεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή να χρησιμοποιήσει πολύ πιο απλά συστήματα μετάδοσης κίνησης και πολλαπλασιασμού ροπής, δηλαδή κιβώτια ταχυτήτων, μειωτήρες κλπ

57 Κεφάλαιο 1 ο Η κατανομή του βάρους ενός ηλεκτρικού οχήματος δεν μεταβάλλεται, όπως μεταβάλλεται στα συμβατικά αυτοκίνητα. Ένα συμβατικό αυτοκίνητο έχει μικρή έως πολύ μεγάλη διαφοροποίηση στην κατανομή του βάρους του εάν το ρεζερβουάρ είναι γεμάτο ή άδειο. Κάτι τέτοιο δε συμβαίνει με τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Το βάρος του μέσου αποθήκευσης ενέργειας έχει συγκεκριμένο κέντρο βάρους και δεν ταλαντεύεται, αντίθετα με τα υγρά καύσιμα εντός του ρεζερβουάρ. Επομένως τα στατικά χαρακτηριστικά του οχήματος παραμένουν αμετάβλητα, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα για πιο ακριβή σχεδιασμό. Το χαρακτηριστικό του ηλεκτροκινητήρα να αποδίδει υψηλές τιμές ροπής από μηδενική ταχύτητα, απλουστεύει τη χρήση του οχήματος. Στη περίπτωση ενός συμβατικού αυτοκινήτου με χειροκίνητο κιβώτιο ταχυτήτων, απαιτείται ο χρήστης του να συντονίζει, σε κάθε αλλαγή σχέσης, τα πεντάλ του γκαζιού και του συμπλέκτη, ώστε η αλλαγές να γίνονται ομαλά δίχως ανεπιθύμητα τραντάγματα. Ακόμη, κατά την εκκίνηση, πρέπει ο χρήστης να είναι ακόμη πιο προσεκτικός συντονίζοντας με τα πόδια του τα πεντάλ, διότι είναι πιθανό να απενεργοποιηθεί ο Κινητήρας Εσωτερικής Καύσης (ΚΕΣ), αφού σε χαμηλές στροφές η παραγόμενη μηχανική ροπή του είναι πολύ χαμηλή. Βέβαια τα ανωτέρω προβλήματα λύνονται χρησιμοποιώντας σφόνδυλο στο στροφαλοφόρο άξονα και αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων. Όμως ο σφόνδυλος, ως αναρτώμενη μάζα, δηλαδή ροπή αδράνειας επί του άξονα δυσκολεύει την επιτάχυνση του κινητήρα. Παράλληλα, τα αυτοκίνητα με αυτόματο κιβώτιο έχει παρατηρηθεί ότι καταναλώνουν περισσότερο από τα αντίστοιχα με χειροκίνητο, κάτι που αποδεικνύει ότι το αυτόματο κιβώτιο έχει μικρότερο βαθμό απόδοσης από το χειροκίνητο, όντας πιο πολύπλοκο. Ακόμη, τα ηλεκτρικά συστήματα κίνησης οχημάτων έχουν πολλαπλάσια απόδοση σε σύγκριση με τα συστήματα που χρησιμοποιούν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Ενδεικτικά, ένας σύγχρονος καλά σχεδιασμένος βενζινοκινητήρας έχει βαθμό απόδοσης περίπου 27% που αν πολλαπλασιαστεί με τη απόδοση των συστημάτων κίνησης που ακολουθούν έως τους τροχούς μειώνεται ακόμη περισσότερο. Αντίθετα, τα σύγχρονα ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν απόδοση που αγγίζει το 80%. Έτσι δε γίνεται σπατάλη ενέργειας όπως συμβαίνει με τα συμβατικά αυτοκίνητα που απαιτούν εξεζητημένα συστήματα απομάκρυνσης θερμότητας ώστε να μην καταστραφεί το κινητήριο σύστημα. Επιπρόσθετα, η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια που εγχέεται στο δίκτυο γίνεται με τον καιρό καθαρότερη. Πιο συγκεκριμένα, αυξάνεται στις μέρες μας δραματικά το ποσοστό των σταθμών που χρησιμοποιούν ΑΠΕ για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Άρα, ένα ηλεκτρικό

58 Κεφάλαιο 1 ο αυτοκίνητο χρησιμοποιεί ως «καύσιμο» ενέργεια, της οποίας η παραγωγή γίνεται όλο και πιο πράσινη, αντισταθμίζοντας έτσι τις περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις που προέκυψαν κατά την κατασκευή του. Όσον αφορά στον τομέα ασφάλειας των επιβατών σε περίπτωση πυρκαγιάς, το ηλεκτροκίνητο όχημα κερδίζει έδαφος και στην περίπτωση αυτή. Σε πιθανή ανάφλεξη της βενζίνης ή των αναθυμιάσεων του πετρελαίου ή του υγραερίου εκτός του κινητήρα σε ένα συμβατικό όχημα, τα αποτέλεσματα είναι έκρηξη του καύσιμου υλικού και εκτόξευση θραυσμάτων του οχήματος, που αποτελούν αιτίες θανάτου ανθρώπων μέσα ή δίπλα στο όχημα. Οι νέες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μπαταριών έχουν ως αποτέλεσμα μόνο την ήπια καύση των μπαταριών σε πιθανή αστοχία του συστήματος, χωρίς την πιθανότητα έκρηξης υλικού. Έτσι, μειώνεται ο κίνδυνος πρόκλησης σωματικών βλαβών και αυξάνεται η ασφάλεια κατά την έξοδο των επιβατών και απομάκρυνσής τους από το όχημα όταν το αποθηκευτικό μέσο ενέργειας καίγεται. Τα φωτοβολταϊκά, αν χρησιμοποιούνται στο όχημα, δεν έχουν κίνδυνο πυρκαγιάς ούτε έκρηξης επομένως δεν αποτελούν κίνδυνο για τη σωματική ακεραιότητα των επιβατών σε περίπτωση τέτοιου ατυχήματος. Τέλος, στον τομέα της οικονομίας, η ηλεκτροκίνηση, πέραν των χαμηλού κόστους δημόσιων μεταφορών που προσφέρει, αυξάνει τον κατάλογο των επιχειρηματικών δραστηριοτήτων που μπορεί να αναπτύξει ένας ιδιώτης. Πιο συγκεκριμένα, επειδή τα ηλεκτροκίνητα οχήματα δεν παράγουν καυσαέρια ενώ ταυτόχρονα είναι αθόρυβα, καθίσταται δυνατή η χρήση τους για αγώνες ταχύτητας εντός πόλεων ή ακόμα εντός στεγασμένου χώρου. Τα οικονομικά συμφέροντα γύρω από τον τομέα των αγωνιστικών οχημάτων, ανεξαρτήτως αριθμού τροχών, είναι πολλά και είναι δυνατόν να πολλαπλασιαστούν εφόσον δίνεται η δυνατότητα για επέκταση των δραστηριοτήτων. Με τον τρόπο αυτό νέες θέσεις εργασίας μπορούν να δημιουργηθούν απαιτώντας ειδικότητες από διάφορους τομείς εργασίας, βοηθώντας την ανάπτυξη της οικονομίας. Παρ όλ αυτά, όπως συμβαίνει σε κάθε περίπτωση εφαρμογής μιας τεχνολογίας, η χρήση ηλεκτρικών αυτοκινήτων έχει και αυτή το δικό της τίμημα. Το κυριότερο πρόβλημα με τα ηλεκτρικά οχήματα είναι το μέσο αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Στην περίπτωση της ηλεκτροκίνησης των μέσων μαζικής μεταφοράς (τραμ, μετρό, προαστιακός, τρόλεϊ κλπ) δεν υπάρχει αυτό το πρόβλημα διότι είναι μονίμως συνδεδεμένα με το δίκτυο ηλεκτρικής

59 Κεφάλαιο 1 ο ενέργειας. Τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα όμως πρέπει να μεταφέρουν τη δική τους αποθήκη ενέργειας, όπως συμβαίνει με τα συμβατικά αυτοκίνητα. Η αποθήκη ενέργειας των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων μπορεί να έχει διάφορες μορφές. Σε κάποιες εφαρμογές η αποθήκευση της ενέργειας γίνεται μηχανικά σε έναν ταχύτατα στρεφόμενο σφόνδυλο. Ο σφόνδυλος περιστρέφεται συνεχώς ενώ για να αποδοθεί η ενέργειά του απαιτείται κατάλληλη διάταξη γεννήτριας και ηλεκτρικών μετατροπέων. Μια μεγάλη κλάση ηλεκτρικών οχημάτων χρησιμοποιούν υδρογόνο για την κίνησή τους. Το υδρογόνο παρέχεται σε μια κυψέλη καυσίμου που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Το πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το γεγονός ότι στο σύστημα μπορεί να αποθηκευτεί ενέργεια με μεγάλη πυκνότητα. Όμως, η αποθήκευση του Η 2 στο αυτοκίνητο είναι εξαιρετικά κοστοβόρα και επισφαλής. Ταυτόχρονα, η κυψέλη καυσίμου έχει υψηλό κόστος αγοράς αυξάνοντας ακόμα πιο πολύ το κόστος κατασκευής ενός υδρογονοκίνητου ηλεκτρικού οχήματος. Η πιο συνήθης πρακτική αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας είναι η χρήση συσσωρευτών. Το αρνητικό που έχει αυτή η τεχνολογία είναι ότι οι συσσωρευτές αυξάνουν πολύ το βάρος του οχήματος, ενώ ταυτόχρονα καταλαμβάνουν σταθερό όγκο. Ενδεικτικά, στον πίνακα 1.1 δίνονται στοιχεία σχετικά με την πυκνότητα ενέργειας διάφορων μέσων αποθήκευσης. Βέβαια, η τεχνολογία γύρω από την κατασκευή των συσσωρευτών βελτιώνεται με ταχείς ρυθμούς, μειώνοντας το βάρος και τον όγκο που καταλαμβάνει ένας συσσωρευτής για την αποθήκευση της ενέργειας. Ακόμα, όταν ένα αυτοκίνητο διαθέτει συσσωρευτές μπορεί να αποθηκεύσει ενέργεια που μπορεί να ανακτηθεί για παράδειγμα κατά την πέδηση ή σε μια κατωφέρεια. Είδος Wh/Kg Wh/L Συσσωρευτές μολύβδου Συσσωρευτές ιόντων λιθίου Συσσωρευτές LiFePO Συσσωρευτές NiMH H2 (700bar) Απλή Βενζίνη Κηροζίνη Diesel Πίνακας 1.1:Πυκνότητα ενέργειας μέσων αποθήκευσης ενέργειας

60 Κεφάλαιο 1 ο Το βασικό πλεονέκτημα των συμβατικών αυτοκινήτων έναντι των ηλεκτροκίνητων με συσσωρευτές αποτελεί η φόρτιση. Σήμερα, έχοντας ένα συμβατικό αυτοκίνητο εάν χαμηλώσει η στάθμη στο ρεζερβουάρ είναι δυνατόν να επισκεφθεί ένα πρατήριο υγρών καυσίμων και μέσα σε λιγότερο από 1 λεπτό να έχει km αυτονομία ακόμα. Αντίθετα, για να φορτιστούν οι συσσωρευτές ενός σύγχρονου ηλεκτρικού οχήματος χρειάζονται ώρες. Ανάλογα με τη χωρητικότητά τους και τη δυνατότητα του δικτύου μπορεί να χρειαστούν 2 έως 8 ώρες για πλήρη φόρτιση. Βέβαια, είναι δυνατόν με κατάλληλο φορτιστή, και επειδή οι νέας τεχνολογίας συσσωρευτές έχουν τη δυνατότητα να αποδώσουν μεγάλα ρεύματα φορτίου, να φτάσουμε σε ένα επίπεδο φόρτισης 80% μέσα σε 30λεπτά. Όμως, έρευνες έχουν αποδείξει ότι πάνω από το 90% των καθημερινών διαδρομών που εκτελούν οι πολίτες δεν ξεπερνά τα 80km και το αυτοκίνητο μένει πολλές ώρες σε ένα χώρο στάθμευσης. Άρα εάν ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο πόλης έχει τη δυνατότητα για αυτονομία περίπου 120km τότε υπερκαλύπτει τις ανάγκες του χρήστη δίνοντάς του παράλληλα τη δυνατότητα για μικρές αποδράσεις. Σχήμα 1.52: Διάφοροι φορτιστές Ηλεκτρικών οχημάτων[11] Η αυτονομία ενός ηλεκτρικού οχήματος καθορίζεται κυρίως από τη χωρητικότητα των συσσωρευτών του. Οι συσσωρευτές επίσης κοστίζουν συνήθως όσο σχεδόν και το υπόλοιπο όχημα, ενώ ταυτόχρονα αποτελούν μεγάλο ποσοστό του βάρους του οχήματος. Από την άλλη πλευρά όμως, οι συσσωρευτές νέας τεχνολογίας, όπως είναι για παράδειγμα οι ιόντων λιθίου ή οι συσσωρευτές λιθίου πολυμερών έχουν διάρκεια ζωής 1000 κύκλους φόρτισης εκφόρτιση. Συνεπώς φαίνεται καθαρά ότι ένα σύγχρονο ηλεκτρικό αυτοκίνητο έχει πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής, χωρίς μάλιστα πέφτει η απόδοσή του

61 Κεφάλαιο 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΚΙΝΗΣΗΣ - ΔΙΑΦΟΡΙΚΟ 2.1 Γενικά - Χρησιμότητα διαφορικού στα οχήματα Στα συμβατικά οχήματα που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη εποχή υλοποιείται ένα πολύπλοκο μηχανικό σύστημα για τη διαχείριση της παραγόμενης ροπής από τον κινητήρα τους. Οι σύγχρονοι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν πολύ χαμηλή μέγιστη ροπή συγκριτικά με αυτήν που απαιτείται για την κίνηση του οχήματος για αυτό και είναι απαραίτητο ένα σύστημα πολλαπλασιασμού της ροπής ενώ ταυτόχρονα μειώνεται η ταχύτητα στον άξονά του. Ταυτόχρονα η λειτουργία του ΚΕΣ απαιτεί ένα εξαιρετικά πολύπλοκο ηλεκτρολογικό και μηχαναλογικό σύστημα. Αυτό έχει ως συνέπεια ο κινητήρας να λειτουργεί υποβέλτιστα και είναι δυνατό να εμφανιστούν πολύ συχνά βλάβες. Ποιο συγκεκριμένα, για την παραγωγή μηχανικής ροπής από το καύσιμο υλικό (βενζίνη, πετρέλαιο, υγραέριο κλπ) υλοποιείται ένα εξαιρετικά σύνθετο μηχανολογικό σύστημα, ο ΚΕΣ. Ο ΚΕΣ έχει ένα πολύ μεγάλο αριθμό εξαρτημάτων τα οποία συνεργαζόμενα σωστά παράγουν μηχανική ροπή στον άξονα του (έξοδος). Όμως αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο ΚΕΣ να έχει πολύ χαμηλό συντελεστή απόδοσης (~25%). Ταυτόχρονα, η μηχανική ισχύς του περιστρεφόμενου άξονα αποδίδεται σε υψηλές στροφές υπό χαμηλή ροπή. Αυτό διαφαίνεται και στο Σχήμα 2.1. Επιπρόσθετα, οι κινητήριοι τροχοί του οχήματος όταν αυτό κινείται για παράδειγμα με 100km/h με διάμετρο τροχού 66cm εκτελούν περίπου 800 στροφές ανά λεπτό, ενώ ο ΚΕΣ μπορεί να περιστρέφεται με 3200rpm. Αυτό δίνει ένα γενικό ρυθμό μετάδοσης 4 προς 1, δηλαδή για 4 περιστροφές του ΚΕΣ οι τροχοί εκτελούν μία πλήρη περιστροφή. Σχήμα 2.1: Καμπύλη ροπής στροφών και ισχύος στροφών βενζινοκινητήρα 280kW=376hp[19]

62 Κεφάλαιο 2 ο Επίσης, από το Σχήμα 2.1 φαίνεται ότι στις χαμηλές ταχύτητες περιστροφής του, ο ΚΕΣ έχει χαμηλή ροπή στην έξοδό του. Άρα για την εκκίνηση του οχήματος απαιτείται ένας πολλαπλασιαστής ροπής με αρκετά μεγαλύτερη σχέση από το 4:1. Συνεπώς για σωστή διαχείριση της ροπής του ΚΕΣ απαιτείται ένας μεταβλητός πολλαπλασιαστής ροπής με διακριτές ή όχι σχέσεις. Για την αλλαγή της σχέσης μετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων απαιτείται ένα σύστημα σύμπλεξης-αποσύμπλεξης. Τα πιο εξελιγμένα αυτοκίνητα των ακριβών κατηγοριών διαθέτουν διπλό σύστημα συμπλέκτη ώστε ανάλογα με τη συμπεριφορά του οδηγού, ένας υπολογιστής να είναι υπεύθυνος να προφορτώσει την επόμενη σχέση όταν μια σχέση του κιβωτίου είναι ήδη σε λειτουργία. Αυτό ελλαττώνει κατά πολύ τις απότομες αλλαγές στην ταχύτητα του οχήματος ενώ ταυτόχρονα η οδήγηση γίνεται ομαλότερη. Ταυτόχρονα, ένα ακόμα ζήτημα των ΚΕΣ είναι η εκκίνησή τους. Τα πρώτα χρόνια η εκκίνηση γινόταν με μανιβέλα, ενώ αργότερα (1911) εφευρέθηκε το σύστημα το ηλεκτρικού εκκινητή (μίζα). Με αυτό το σύστημα οι πρώτες περιστροφές του άξονα του κινητήρα επιτυγχάνονται με ένα μικρό ηλεκτροκινητήρα, που τροφοδοτείται από το συσσωρευτή του αυτοκινήτου. Η χρήση αυτού του ηλεκτροκινητήρα απαιτεί ένα σύστημα σύμπλεξηςαποσύμπλεξής του, ώστε κατά την κανονική λειτουργία ή την ακινητοποίηση του ΚΕΣ να είναι μηχανικά αποσυνδεδεμένοι. Κατά τη φυσιολογική εκκίνηση του ΚΕΣ απαιτείται το σύστημα μετάδοσης και κατ επέκταση οι τροχοί να είναι αποσυνδεδεμένοι από τον ΚΕΣ. Την αποσύμπλεξη αυτή πρέπει να την επιτρέπει το κιβώτιο ταχυτήτων αφήνοντας τον ΚΕΣ να περιστρέφεται εν κενώ, ανεξάρτητα δηλαδή από το κινητήριο σύστημα. Επίσης, η παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο με ΚΕΣ πραγματοποιείται με τη χρήση μιας σχετικά μικρής γεννήτριας που είναι μηχανικά συνδεδεμένη με τον κινητήριο άξονα του ΚΕΣ. Παράλληλα, όταν ένα όχημα, με αριθμό τροχών ίσο ή περισσότερο των τριών, βρίσκεται σε διαδικασία στροφής, οι εξωτερικοί τροχοί του έχουν μεγαλύτερη ταχύτητα απ ότι οι εσωτερικοί. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι εξωτερικοί τροχοί πρέπει να περιστρέφονται ταχύτερα από τους εσωτερικούς. Άρα απαιτείται ένα μηχανικό σύστημα που να κατανέμει τη μηχανική ισχύ στους κινητήριους τροχούς στις δύο πλευρές του αυτοκινήτου ώστε να προκύπτουν οι σωστές στροφές. Το μηχανικό σύστημα που είναι υπέυθυνο για αυτή τη διεργασία καλείται διαφορικό. Για την περίπτωση ενός τετρακίνητου οχήματος 4 τροχών απαιτούνται 3 μηχανικά διαφορικά: ένα σε κάθε άξονα και ένα για τη λήψη της μηχανικής

63 Κεφάλαιο 2 ο ροπής από το κιβώτιο ταχυτήτων και τη διανομή της στον εμπρός και τον πίσω άξονα. Τα οχήματα που έχουν ένα κινητήριο τροχό και τα οχήματα που έχουν πολύ μικρό σχετικά πλατος κινητήριου άξονα, όπως είναι τα αγωνιστικά οχήματα τύπου καρτ, δεν απαιτούν μηχανικό διαφορικό. Για την υλοποίηση όλων των πιο πάνω μηχανικών συστημάτων χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι. Για την λειτουργία των διάφορων μηχανικών εξαρτημάτων υλοποιούνται καθαρά μηχανικοί μηχανισμοί, υδροστατικοί και υδροδυναμικοί μηχανισμοί καθώς επίσης και ηλεκτρομηχανικές και μαγνητικές διατάξεις. 2.2 Ανάλυση του μηχανικού διαφορικού Το μηχανικό διαφορικό έχει στόχο να κατανείμει κατάλληλα την ροπή εισόδου του στους δύο άξονες εξόδου του, ανεξάρτητα από την ταχύτητα περιστροφής που έχουν κάθε δεδομένη στιγμή. Ένα τυπικό μηχανικό διαφορικό φαίνεται σε τομή στο Σχήμα 2. Ο άξονας εισόδου είναι αυτός που φέρει τον μηχανικό σύνδεσμο, ενώ οι άξονες εξόδου βρίσκονται κάθετα στον άξονα εισόδου. Σχήμα 2.2: Τυπικό μηχανικό διαφορικό [20] Το μηχανικό διαφορικό εγκαθίσταται σε ένα όχημα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.3 και είναι υπεύθυνο για την ορθή κατανομή της μηχανικής ροπής, όπως αυτή εξέρχεται από το κιβώτιο ταχυτήτων

64 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.3: Διάταξη τοποθέτησης μηχανικού διαφορικού [20] Η αρχή λειτουργίας του μηχανικού διαφορικού φαίνεται καθαρά στο Σχήμα 2.4. Ένα τυπικό μηχανικό διαφορικό αποτελείται από μια διάταξη από κωνικούς οδοντωτούς τροχούς, είτε ευθείς είτε κεκλιμένους είτε ελικοειδείς. Η διάταξη (σχ.2.4) συνίσταται από δύο κωνικούς οδοντοτούς τροχούς, οι οποίοι είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι με του άξονες εξόδου του διαφορικού (3), καθώς επίσης και από ένα ζεύγος κωνικών οδοντωτών τροχών (2), που είναι μεταξύ των δύο προανεφαρθέντων. Οι δύο αυτοί οδοντωτοί τροχοί, συμπλεκόμενοι με τους οδοντωτούς τροχούς των ημιαξονίων εξόδου, μεταφέρουν τη μηχανική ροπή στα ημιαξόνια εξόδου. Ο άξονας εισόδου του διαφορικού (πορτοκαλί) μεταφέρει μηχανική ισχύ και περιστρέφοντας τον οδοντωτό τροχό που βρίσκεται στο πέρας του περιστρέφει την κορώνα, τον οδοντωτό τροχό 1 (κίτρινο). Οι οδοντωτοί τροχοί 2 (μπλε) μπορούν να περιστρέφονται ελεύθερα, ενώ η κορώνα ασκεί εγκάρσια δύναμη στον άξονα περιστροφής του εξαιτίας της μηχανικής τους σύνδεσης. Οι οδοντωτοί τροχοί (2) καλούνται και πλανήτες και συνεργάζονται ώστε να μεταφέρουν μηχανική ροπή στους οδοντωτούς τροχούς που είναι συνδεδεμένοι με τα ημιαξόνια (3-πράσινο). Όταν τα δύο ημιαξόνα, δηλαδή οι έξοδοι του διαφορικού, έχουν το ίδιο φορτίο στα άκρα τους και εμφανιστεί ροπή στον άξονα εισόδου του διαφορικού, τότε στους οδοντωτούς τροχούς των ημιαξονίων εμφανίζεται ίδια δύναμη και αυτό έχει ως συνέπεια να περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα

65 Κεφάλαιο 2 ο 4 Σχήμα 2.4: Λειτουργία του απλού διαφορικού [20] Το μηχανικό διαφορικό αρχίζει να ενεργοποιείται, αναλαμβάνει δηλαδή να περιστρέψει διαφορετικά κάθε ημιαξόνιο, όταν στα άκρα του άξονα κίνησης εμφανίζονται διαφορετικές φορτίσεις. Διαφορετική φόρτιση μεταξύ των δύο κινητήριων τροχών του κινητήριου άξονα αναπτύσσεται όταν το όχημα κινείται σε καμπύλη τροχιά. Όσο πιο κλειστή είναι αυτή καμπύλη τροχιά, δηλαδή όσο πιο απότομη είναι η στροφή, τόσο περισσότερη διαφορά εμφανίζεται μεταξύ των δύο φορτίσεων. Όσο αυξάνεται η διαφορά αυτή τόσο περισσότερο περιστρέφονται οι πλανήτες, αφού είναι αυξημένη η διαφορά των γωνιακών ταχυτήτων των ημιαξονίων. Επίσης, η διαφορά αυτή αυξάνει σχετικά με το μήκος του κινητήριου άξονα, δηλαδή με την απόσταση που έχουν μεταξύ τους οι κινητήριοι τροχοί, για δεδομένη γραμμική ταχύτητα του οχήματος. Οι μαθηματικές σχέσεις, από τις οποίες υπολογίζονται οι επιμέρους γωνιακές ταχύτητες παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 4. Σχήμα 2.5: Κίνηση σε καμπύλη τροχιά [20]

66 Κεφάλαιο 2 ο Η ύπαρξη του διαφορικού είναι επιτακτική ιδιαίτερα σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος, αλλά και σε εφαρμογές στις οποίες εμφανίζονται μεγάλες διαφορές στους κινητήριους τροχούς. Όπως προαναφέρθηκε, οχήματα με μικρό πλάτος δεν εμφανίζουν μεγάλες διαφορές στις ταχύτητες των κινητήριων τροχών, αν και η ύπαρξη του διαφορικού θα βελτίωνε τη συμπεριφορά τους. Τέτοια οχήματα είναι τα αγωνιστικά οχήματα τύπου καρτ μικρών κατηγοριών (Σχήμα 2.6). Η απουσία του διαφορικού από το όχημα θα έχει πληθώρα αρνητικών συνεπειών. Καταρχήν πρέπει να επισημανθεί ότι η χρήση του μηχανικού διαφορικού επιτρέπει την σχεδόν ανεξάρτητη κίνηση των δύο άκρων του κινητήριου άξονα. Στην περίπτωση που ο ένα κινητήριος τροχός παρακολουθεί πιστά τον άλλο στην άλλη πλευρα, είναι δηλαδή άρρηκτα μηχανικά συνδεδεμένοι με κάποιο τρόπο, εμφανίζονται αρνητικές επιδράσεις. Πιο συγκεκριμένα, κατά τη στροφή, ο εσωτερικός τροχός ενώ πρέπει να κινηθεί με μικρότερη ταχύτητα από αυτήν που του επιβάλλει το σύστημα μετάδοσης αναγκάζεται να ολισθήσει. Παράλληλα ο εξωτερικός τροχός, ενώ πρέπει να κινηθεί με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή που του επιβάλλει το σύστημα μετάδοσης αναγκάζεται να περιστραφεί υπό χαμηλότερη ροπή απ ότι πρέπει. Η απώλεια των τριβών κύλισης σε κάθε έναν από τους κινητήριους τροχούς έχει σοβαρές επιπτώσεις στα ελαστικά καθώς αυτά φθείρονται περισσότερο, ενώ αντίστοιχη φθορά εμφανίζεται στο οδόστρωμα από τη λειτουργία αυτή. Ταυτόχρονα, επιβαρύνεται ο χειρισμός του οχήματος, καθώς ενώ ο οδηγός επιβάλλει μέσω του συστήματος διεύθυνσης αλλαγή στη διεύθυσνη, ο κινητήριος άξονας αντιστέκεται προκαλώντας κραδασμούς, επιπλέον φθορές και καταπονήσεις στα σημεία σύνδεσης, το σύστημα μετάδοσης και τους τροχούς, ενώ σε πιθανή ακραία κατάσταση μπορεί να καταστραφεί όλο ή τμήμα του συστήματος μετάδοσης. Άρα, η εγκατάσταση συστήματος διαφορικού σε ένα όχημα με περισσότερους από έναν κινητήριους τροχούς είναι απαραίτητη

67 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.6: Αγωνιστικό όχημα τύπου καρτ [21] 2.3 Είδη διαφορικών Γενικά υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία σε μηχανικές διατάξεις που είναι υπεύθυνες για την κατανομή της ροπής εισόδου σε δύο ημιαξόνια. Αρχικά, η πιο διαδεδομένη μορφή διαφορικού είναι αυτή που φαίνεται στο Σχήμα 2.2 και αποτελεί το τυπικό διαφορικό με κορώνα και πλανήτες. Ένας άλλος τύπος μηχανικού διαφορικού είναι το πλανητικό ή επικυκλικό διαφορικό. Η μορφή του φαίνεται στο Σχήμα 2.7. Αυτός ο τύπος διαφορικού χρησιμοποιήθηκε στα πρώτα αυτοκίνητα καθώς επίσης και σε άλλες εφαρμογές που δεν είχαν σχέση με την αυτοκίνηση. Εξωτερικά διαθέτει έναν οδοντωτό τροχό στο περίβλημά του, οποίος είναι υπέυθυνος για τη λήψη της μηχανικής ροπής, είναι δηλαδή η είσοδος του πλανητικού διαφορικού. Εσωτερικά αποτελείται από αντιδιαμετρικούς οδοντωτούς τροχούς και έναν κεντρικό οδοντωτό τροχό που είναι συνδεδεμένος με το ημιαξόνιο, δηλαδή την έξοδό του διαφορικού, καθώς επίσης και από δύο ίδιους περιφερειακούς οδοντωτούς τροχούς οι οποίοι έχουν εσωτερική οδόντωση. Η συμπεριφορά του είναι παρόμοια με αυτή του τυπικού μηχανικού διαφορικού. Κάθε ημιαξόνιο στο άκρο του έχει έναν οδοντωτό τροχό (Α). Καθένας από αυτούς τους οδοντωτούς τροχούς αλληλεπιδρά με τον εξωτερικό δακτύλιο που έχει εσωτερικά οδοντωτή επιφάνεια μέσω των πλανητών F 1,2,3 και Ε 1,2,3 αντίστοιχα. Η μηχανική ροπή εισάγεται στο

68 Κεφάλαιο 2 ο διαφορικό από τον εξωτερικό δακτύλιο. Οι πλανητικοί οδοντωτοί τροχοί των δύο πλευρών έχουν σταθερή σχετική θέση μεταξύ τους επειδή είναι σταθερά συνδεδεμένοι σε ένα δίσκο. Όταν η φόρτιση στους δύο κινητήριους τροχούς είναι η ίδια, οι πλανήτες δεν περιστρέφονται και τα δύο ημιαξόνια έχουν τις ίδιες γωνιακές ταχύτητες. Στην περίπτωση που τα δύο ημιαξόνια έχουν διαφορετική μηχανική φόρτιση, τότε εμφανίζεται ροπή εσωτερικά του διαφορικού που κινεί τον δίσκο των πλανητών ως προς τον εξωτερικό δακτύλιο. Αυτό συνεπάγεται την περιστροφή των πλανητών εκείνου το ημιαξονίου που έχει τη μεγαλύτερη φόρτιση και άρα τη διαφοροποίηση των γωνιακών ταχυτήτων των δύο ημιαξονίων. Σχήμα 2.7: Πλανητικό ή επικυκλικό διαφορικό. [18] Ένας άλλος τύπος μηχανικού διαφορικού είναι το διαφορικό Gleason Torsen, το οποίο φαίνεται στο Σχήμα 2.8. Αυτή η διάταξη διαφορικού εφευρέθηκε το 1958 από τον Vernon Gleasman και το ονόμασε Dual Drive. Έχει πολλές ομοιότητες με την τυπική διάταξη διαφορικού, η βασική διαφορά του από αυτό είναι ότι οι οδοντωτοί τροχοί εξόδου είναι ατέρμονοι ελικοειδείς οδοντωτοί τροχοί. Αυτοί συνεργάζονται με όμοια μηχανικά εξαρτήματα τα οποία περιστρέφονται πλανητικά σε αυτούς. Κάθε πλανητικός ατέρμονας καταλήγει σε ευθείας κοπής οδοντωτούς τροχούς και στα δύο του άκρα. Καθώς περιστρέφεται η κορώνα του διαφορικού περιστρέφονται γύρω από τους οδοντωτούς τροχούς εξόδου πλανήτες έχοντας ίδια συχνότητα με την κορώνα. Όταν στις εξόδους του διαφορικού εμφανίζεται συμμετρική φόρτιση οι πλανήτες δεν περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους και οι έξοδοι αποκτούν ίδια γωνιακή ταχύτητα. Εάν για κάποια αιτία εμφανιστεί ασύμμετρη φόρτιση μεταξύ των ημιαξονίων, τότε αυτή επιβραδύνεται αλλά λόγω της ταχύτερης περιστροφής της άλλης εξόδου υποχρεώνονται οι πλανήτες να περιστραφούν γύρω από τον άξονά τους

69 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.8: Διαφορικό Gleason Torsen[18] Μια άλλη πιο διάταξη από τις προαναφερθείσες αποτελεί το διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης της εταιρίας ZF (σχήμα 2.9). Συνίσταται από 3 βασικά τμήματα: Το τμήμα Α, που είναι υπέυθυνο για τη μεταφορά της ροπής στο διαφορικό (είσοδος) και δύο αντίθετα τοποθετημένoυς δακτυλίους B και C. Οι B και C είναι ενθηλακωμένοι σε κάθε πλευρά του διαφορικού, αντικαθιστώντας τους διαφορικούς πλανητικούς οδοντωτούς τροχούς των άλλων τύπων (πλανήτες). Το συγκεκριμένο διαφορικό λειτουργεί ως εξής: η μηχανική ροπή μεταφέρεται στα στοιχεία D μέσω των ακίδων στις οποίες στηρίζονται. Εάν οι δύο έξοδοι του διαφορικού είναι συμμετρικά φορτισμένες τότε οι B και C περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Εάν εφαρμοστεί διαφορετική φόρτιση στις δύο εξόδους B και C συνεπάγεται ότι τα στοιχεία D περιστρέφονται περί τον άξονά τους στην περίπτωση που οι δακτύλιοι B και C έχουν διαφορετικές γωνιακές ταχύτητες. Προφανώς θα υπάρχει μια τριβή των στοιχείων D με τις επιφάνειες των B και C. Η εμφάνισης αυτής της τριβής είναι αυτή που περιορίζει την ολίσθηση του διαφορικου της εταιρίας ZF. Οι έξοδοι είναι ενεργά συνδεδεμένοι και αλληλεπιδρούν περισσότερο όσο αυξάνει ο αριθμός των στοιχείων D. Επίσης καθώς αυξάνουν αυτά τα στοιχεία βελτιώνονται και οι επιδόσεις του διαφορικού. Τα διαφορικά της εταιρίας ΖF φθείρονται γρήγορα και χρησιμοποιούνται κυρίως σε αγώνες αυτοκινήτων όπου μετά από μερικές ημέρες χρήσης χρειάζονται επισκευή (αντικατάσταση των τμημάτων B,C) ή πλήρη αντικατάσταση

70 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.9: Διαφορικό της εταιρίας ZF [18] Πέραν από αυτούς τους τύπους διαφορικών υπάρχει και μία μεγάλη κατηγορία διαφορικών που χρησιμοποιεί συστήματα σύμπλεξης (Σχήμα 2.10). Ένα ηλεκτρονικό σύστημα μικρουπολογιστή και ταχυμέτρων ελέγχει τις ταχύτητες των κινητήριων τροχών και ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί την αποσύμπλεξη κάθε ημιαξονίου ελέγχοντας τη ροπή που μεταφέρεται σε αυτό. Στο Σχήμα 2.11 παρουσιάζεται μία άλλη μέθοδος υλοποίησης του διαφορικού. Σε αυτόν τον τύπο διαφορικού η ροπή μεταφέρεται μέσω παχύρευστων ορυκετελαίων. Αποτελείται από έναν αριθμό δίσκων τοποθετημένων κοντά ο ένας στον άλλον μέσα σε ένα κυλινδρικό δοχείο. Οι μισοί από αυτούς τους δίσκους είναι μηχανικά συνδεδεμένοι με το ένα ημιαξόνιο του διαφορικού και οι άλλοι με το άλλο. Όταν τα ημιαξόνια κινούνται με ίδιο αριθμο ταχυτήτων, οι δίσκοι κινούνται σαν ένα σώμα και το ιξώδες του ορυκτελαίου παραμένει ανεπηρέαστο. Στην περίπτωση όμως που τα ημιαξόνια περιστρέφονται με διαφορετικές γωνιακές ταχύτητες το ρευστό αρχίζει να εξαναγκάζεται να διέλθει μέσα από τους αυλούς και τις οπές αυτών των δίσκων. Αυτός ο καταναγκασμός του ρευστού αυξάνει το ιξώδες του τείνοντας να το στερεοποιήσει. Με αυτόν τον τρόπο ελλαττώνεται η ανεξαρτησία των κινήσεων που έχει κάθε ημιαξόνιο. Έτσι περιορίζεται η διαφορά των γωνιακών ταχυτήτων των δύο ημιαξονίων. Η απόδοση αυτού του διαφορικού εξαρτάται από τον αριθμό και τη μορφή των δίσκων καθώς επίσης και από τη συμπεριφορά του ρευστού που χρησιμοποιείται

71 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.10: Απλό σύστημα σύμπλεξης αποσύμπλεξης μονού δίσκου [18] Σχήμα 2.11: Διαφορικό ιξώδους σύμπλεξης (viscous coupling) [18]

72 Κεφάλαιο 2 ο 2.4 Μειονεκτήματα διαφορικού Διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης Η χρήση όμως του διαφορικού δεν αποτελεί πανάκεια. Είναι αναγκαίο να γίνει σωστή επιλογή του συστήματος του διαφορικού ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή. Στην τυπική διάταξη του μηχανικού διαφορικού δεν υπάρχει περιορισμός στον αριθμό των περιστροφών των πλανητών. Αυτή η ελευθερία είναι και η αδυναμία του τυπικού διαφορικού. Στην περίπτωση που ένα αυτοκίνητο που έχει τυπικό διαφορικό βρίσκεται σε διαδικασία στροφής και ενώ έχει σταθερή ταχύτητα ο οδηγός αποφασίσει να πιέσει το πεντάλ του επιταχυντή, ο εσωτερικός τροχός θα έχει την τάση να περιστραφεί με γωνιακή ταχύτητα περισσότερη αυτής που αντιστοιχεί στην τροχιά που εκτελεί εκείνη τη στιγμή για δεδομένη ταχύτητα. Άρα θα έχει την τάση να ολισθήσει. Όσον αφορά σε οχήματα με μεγάλη ιπποδύναμη ή ειδικής χρήσης, όπως είναι τα γεωργικά μηχανήματα και τα αυτοκίνητα αγώνων, αυτό δεν είναι αποδεκτό καθώς η λειτουργία τους είναι υποβέλτιστη. Τη λύση σε αυτό το πρόβλημα δίνει το διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης. Πιο συγκεκριμένα, υπάρχει κατάλληλη μηχανική διάταξη που περιορίζει τις περιστροφές των πλανητών και συνεπώς περιορίζει τη διαφορά των γωνιακών ταχυτήτων που έχουν τα δύο ημιαξόνια εξόδου του διαφορικού για τις διάφορες φορτίσεις που υφίστανται οι κινητήριοι τροχοί και για κάθε γωνιακή ταχύτητα του άξονα εισόδου του. Στο απλό-τυπικό μηχανικό διαφορικό ελλατώνεται η ροπή στο ημιαξόνιο που υπάρχει περισσότερη φόρτιση έως ότου οι φορτίσεις των τροχών να γίνουν ίσες. Έτσι, με ακίνητο το αυτοκίνητο σε περίπτωση που ο ένας απο τους δύο κινητήριους τροχούς περιστρέφεται ο άλλος παραμένει ακίνητος. Αντίθετα, το διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης κάνει ορθότερη διαχείρηση της ροπής και δεν εκμηδενίζει τη ροπή του τροχού που φορτίζεται όταν ο άλλος έχει πολύ χαμηλότερο φορτίο, περιορίζοντας τη διαφορά τους. Οι μέθοδοι που εφαρμόζονται για τον έλεγχο της κατανομής της μηχανικής ροπής στα διαφορικά περιορισμένης ολίσθησης είναι αρκετές. Η πιο απλή από όλες έχει ως εξής: υπάρχει εντός του διαφορικού ένας εξωτερικός έλεγχος της διαφοράς των δύο γωνιακών ταχυτήτων και όταν αυτή ξεπεραστεί το διαφορικό «κλειδώνει» και λειτουργεί σαν ένα σώμα με την κορώνα. Αυτό το σύστημα χρησιμποιείται συχνά σε οχήματα ανώμαλου δρόμου. Με μετρήσεις των γωνιακών ταχυτήτων παρακολουθείται η κίνηση των πλανητών και εάν χρειαστεί, με μαγνητικό, ηλεκτρικό ή υδραυλικό τρόπο ενεργοποιείται ο μηχανισμός που ακινητοποιεί τους πλανήτες και επιβάλλει στα δύο ημιαξόνια να κινούνται με ίδια ταχύτητα

73 Κεφάλαιο 2 ο Το αρνητικό αυτής της μεθόδου είναι η πολυπλοκότητα ενώ πρέπει να είναι ακινητοποιημένο το όχημα για την ενεργοποίηση αυτού του βοηθητικού μηχανισμού. Σε αυτά τα συστήματα υπάρχει η δυνατότητα ο χειριστής του οχήματος να ενεργοποιήσει το «κλείδωμα» του διαφορικού κατά το δοκούν. 2.5 Γεωμετρική ανάλυση μοντέλο Ackermann Οι τροχοί ενός οχήματος τριών ή περισσότερων τροχών διαγράφουν διαφορετική τροχιά ο καθένας όταν αυτό εκτελεί καμπύλη τροχιά, όπως για παράδειγμα είναι η αλλαγή διεύθυνσης. Ιδανικά, οι τροχοί δεν θα πρέπει να υπόκεινται σε καταπονήσεις από το οδόστρωμα πέραν από την τριβή κυλίσεως. Στα οχήματα τεσσάρων τροχών εφαρμόζεται η γεωμετρία Ackermann στο σύστημα διεύθυνσης. Σύμφωνα με τη γεωμετρία Ackermann οι τροχοί του συστήματος διεύθυνσης προσαρμόζονται κάθε φορά στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της καμπύλης τροχιάς ώστε να μην υπάρχουν ολισθήσεις στα ελαστικά. Στα σύγχρονα συμβατικά αυτοκίνητα το σύστημα διεύθυνσης δρα στους εμπρός τροχούς. Ένα τυπικό σύστημα διεύθυνσης φαίνεται στο Σχήμα Το σύστημα διεύθυνσης αποτελείται από έναν αρθρωτό μηχανισμό που αλλάζει τη γωνία των κατευθυντήριων τροχών ως προς το κάθετο επίπεδο. Οι κατευθυντήριοι τροχοί έχουν άξονα περιστροφής το διακεκομμένο άξονα που φαίνεται στο σχήμα 2.12 και διέρχεται από τα τμήματα Α και Β. Αποκλίνοντας το τιμόνι από την ευθεία διεύθυνση μετατοπίζονται τα μηχανικά τμήματα Α-C και B-D, δηλαδή το ευθύγραμμο τμήμα CD. Στο σχήμα 2.12 η απόκλιση αναφέρεται σε αριστερή στροφή του οχήματος. Μία τυπική διάταξη του συστήματος διεύθυνσης φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 2.12: Σύστημα διεύθυνσης [18]

74 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.13: Τυπική διάταξη συστήματος διεύθυνσης [18] Ο μηχανισμός που απαιτείται για την μετατροπή της περιστροφικής κίνησης του τιμονιού στην μεταφορική κίνηση των ημιαξονίων ονομάζεται κρεμαγιέρα. Υπάρχει μία πληθώρα τέτοιων διατάξεων, η δημοφιλέστερη από τις οποίες είναι η διάταξη που παρουσιάζεται στο Σχήμα Η διάταξη αυτή χρησιμοποιεί έναν οδοντωτό τροχό και έναν οδοντωτό ευθύγραμμο άξονα. Η περιστροφική κίνηση του οδοντωτού τροχού εξαναγκάζει τον οδοντωτό άξονα να κινηθεί κατά μήκος του πιέζοντας τα αρθρωτά ημιαξόνια (4), τα οποία με τη σειρά τους ασκούν δύναμη στα σημεία σύνδεσης των τροχών (5). Το σύστημα αυτό έχει το πλεονέκτημα ότι παρέχει την περισσότερη δυνατή πληροφόρηση σε σύγκριση με τις άλλες διατάξεις για τη συμπεριφορά του εμπρόσθιου συστήματος μέσω των δονήσεων που μεταφέρονται. Άλλες διατάξεις χρησιμοποιούν κεκλιμένους οδοντωτούς τροχούς, ατέρμονους άξονες που συνεργάζονται κατάλληλα για τη μετατροπή της περιστροφικής κίνησης του τιμονιού σε γραμμική των άκρων της κρεμαγιέρας. Βέβαια, εδώ πρέπει να τονιστεί το γεγονός ότι υπάρχουν και διάφορα συστήματα υποβοήθησης του οδηγού για την χρήση του συστήματος διεύθυνσης. Αυτά χρησιμοποιούν ορυκτέλαια υπό πίεση για να ωθήσουν συγκεκριμένες υδραυλικές διατάξεις, είτε μικρούς ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος

75 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.14: Σύστημα διεύθυνσης οδοντωτού τροχού ράγας[28] Σε οχήματα ειδικής χρήσης είναι απαραίτητο να αλλάζουν κατεύθυνση και οι 4 τροχοί τους. Πλεονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι το γεγονός ότι προσφέρουν στα οχήματα δυνατότητα για ελιγμούς σε μικρό χώρο. Παράδειγμα είναι τα σκαπτικά μηχανήματα ή τα ανυψωτικά μηχανήματα που επιβάλλεται να μπορούν να αλλάζουν κατεύθυνση σε πολύ μικρό χώρο. Έτσι προκύπτει σύστημα διεύθυνσης τεσσάρων τροχών, όπως αυτό που φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 2.15: Σύστημα διεύθυνσης 4 τροχών [20]

76 Κεφάλαιο 2 ο Εξέχουσας σημασίας είναι ο σχεδιασμός της γεωμετρίας της διάταξης του συστήματος διεύθυνσης. Το σύστημα διεύθυνσης σχεδιάζεται έτσι ώστε οι εμπρός τροχοί να ακολουθούν ιδανικά τη σωστή τροχιά ο καθένας. Εάν δε συμβαίνει αυτό, τότε ο ένας κατευθυντήριος τροχός θα επιβάλει στον άλλο μια λανθασμένη γωνία απόκλισης δυσχεραίνοτας την πρόσφυση του οχήματος. Έναν τρόπο υλοποίησης αυτού του στόχου αποτελεί η εφαρμογή της γεωμετρίας του μοντέλου Ackermann. Στο Σχήμα 2.16 παρουσιάζεται η γεωμετρική θέση των επιμέρους εξαρτημάτων του συστήματος διεύθυνσης που καθορίζουν την τελική θέση και συμπεριφορά των κατευθυντήριων τροχών. Πιο συγκεκριμένα, η ρύθμιση που γίνεται είναι στη θέση των τμημάτων D και E, δηλαδή τη γωνία τους ως προς τον άξονα των εμπρός τροχών. Αφού επιλεγεί το γεωμετρικό σημείο (S) στο αυτοκίνητο που εκτελεί την κυκλική τροχιά, ευθυγραμμίζονται οι κατευθυντήριοι τροχοί με τους πίσω και στη συνέχεια παράγονται δύο γεωμετρικοί φορείς: οι LS και RS. Τέλος, τα τμήματα D και E ευθυγραμμίζονται με τους προαναφερθέντες φορείς. Σχήμα 2.16: Γεωμετρία Ackermann για σημείο στροφής στον πίσω άξονα [18]

77 Κεφάλαιο 2 ο Σε εφαρμογές σε οχήματα ειδικού σκοπού ή άλλης γεωμετρικής υλοποίησης επιβάλλουν διαφορετική θέση του γεωμετρικού σημείου στροφής. Σε κάθε περίπτωση το σημείο αυτό πρέπει να βρίσκεται πάνω στον άξονα που τέμνει το όχημα σε δύο ίσα μέρη, δεξιά και αριστερά. Εφαρμογές που το σημείο αυτό δεν βρίσκεται πάνω στον πίσω άξονα αλλά πιο εμπρός, χρησιμοποιούν την λεγόμενη ενισχυμένη γεωμετρία Ackermann (enhanced Ackermann)[18],[31],[32]. Γνωρίζοντας τα προαναφερθέντα, είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η γραμμική ταχύτητα κάθε κινητήριου τροχού και κατά συνέπεια η περιστροφική του ταχύτητα. Κάθε φορά που ένα αυτοκίνητο εκτελεί μη-ευθύγραμμη τροχιά θεωρούμε ότι στιγμιαία το γεωμετρικό σημείο εκτελεί κυκλική τροχιά ακτίνας R. Αν εκείνη τη στιγμή η απόκλιση του τιμονού από την αρχική θέση είναι θ o st και οι διαστάσεις του αυτοκινήτου είναι: μήκος L και πλάτος W και ακτίνα τροχού r W, οι περιστροφικές ταχύτητες καθενός από τους κινητήριους τροχούς είναι ω R και ω L. Για τον υπολογισμό αυτών των ταχυτήτων ακολουθείται η ακόλουθη διαδικασία: Αρχικά θεωρούμε το νοητό κατευθυντήριο τροχό, οποίος βρίσκεται στο μέσον του εμπρός άξονα. Περιστρέφοντας το τιμόνι αυτός αποκλίνει από την ευθεία τροχιά κατά θ ο από την αρχική του θέση. Έτσι μπορούμε να θεωρήσουμε ότι δημιουργείται μια κυρτή γωνία στο κέντρο της στροφής από τον φορέα που διέρχεται παράλληλα στον πίσω άξονα, και από τον φορέα που διέρχεται από το κέντρο της στροφής και από το μέσον του εμπρός άξονα, όπου και βρίσκεται ο νοητός τροχός. Η γωνία αυτή είναι ίση με θ ο, ίση δηλαδή με την απόκλιση του νοητού τροχού λόγω καθετότητας των πλευρών τους. Η ταχύτητα του μέσου σημείου του πίσω άξονα είναι ίση με (m/s), που είναι και η γραμμική ταχύτητα του οχήματος. Σε ευθεία τροχιά η γραμμική ταχύτητα κάθε πίσω τροχού θα είναι ίση με ενώ σε καμπύλη τροχιά αυτές διαφέρουν τόσο μεταξύ τους όσο και με την. Σχετίζονται όμως με αυτήν με μία σταθερή μαθηματική σχέση των οποίων οι παράμετροι είναι τα και και μεταβλητή η. Κατά τη διαδικασία της στροφής το μέσον του πίσω άξονα εκτελεί κυκλική τροχιά ακτίνας R. Ο εσωτερικός τροχός εκτελεί και αυτός κυκλική τροχιά αλλά ακτίνας ) ενώ ο εξωτερικός κυκλική τροχιά ακτίνας ). Ο πίσω άξονας εκτελεί

78 Κεφάλαιο 2 ο την κυκλική τροχιά με γωνιακή ταχύτητα. Άρα η γραμμική ταχύτητα κάθε κινητήριου τροχού είναι: )= ) ) ) = ) ) Όμως η ακτίνα R δεν είναι γνωστή αλλά μπορεί να υπολογιστεί με τη βοήθεια των μεγεθών θ, W και L: Άρα η γραμμική ταχύτητα κάθε κινητήριου τροχού προκύπτει τελικά: )= )= Στη συνέχεια είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι ζητούμενες επιμέρους περιστροφικές ταχύτητες:

79 Κεφάλαιο 2 ο Εάν το κινητήριο σύστημα οδηγεί τους κινητήριους τροχούς με ω εσ και ω εξ αντίστοιχα τότε ελλαττώνονται οι πλευρικές δυνάμεις που δέχονται και αυξάνει η απόδοση του συστήματος επειδή μειώνονται οι τριβές στα ελαστικά. Υπέυθυνο για την κατανομή της ροπής και παράλληλα των στροφών κάθε ημιαξονίου είναι σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο η διάταξη του διαφορικού. 2.6 Ενεργητικό διαφορικό - Στόχοι Όπως είναι κατανοητό από τα παραπάνω, ένα μηχανικό διαφορικό αρχίζει να αποδίδει διαφορετική ροπή σε κάθε ένα ημιαξόνιο όταν οι τροχοί και συνεπώς τα ημιαξόνια φορτίζονται ασύμμετρα. Αυτό σημαίνει ότι λειτουργεί παθητικά. Στην περίπτωση κίνησης σε καμπύλη τροχιά, αναφέρθηκε ότι οι τροχοί φορτίζονται ασύμμετρα. Μια νέα αναπτυσσόμενη τεχνολογία, δίνει τη δυνατότητα τα σύγχρονα αυτοκίνητα να έχουν ηλεκτρονικά ελεγχόμενο ενεργητικό διαφορικό. Το ενεργητικό διαφορικό κατανέμει τις ροπές στα ημιαξόνια βάσει υπολογισμών ενός μικροελεγκτή. Μια διάταξη ηλεκτρονικών λαμβάνει μετρήσεις από διάφορους αισθητήρες και υπολογίζει τις ροπές ή τις ταχύτητες που πρέπει να έχουν οι δύο έξοδοι του διαφορικού. Οι αισθητήρες που συμμετέχουν στην πληροφόρηση αυτής της ηλεκτρονικής μονάδας μπορούν να μετρούν διάφορες μεταβλητές της κίνησης. Για παράδειγμα, μπορεί να υπάρχει αισθητήρας που μετρά την περιστροφή του τιμονιού, και κατ επέκταση την απόκλιση των κατευθυντήριων τροχών από τη θέση αναφοράς. Είναι πιθανό να υφίσταται σύστημα με επιταχυνσιόμετρα διαφόρων διευθύνσεων που να επιτηρούν τις επιταχύνσεις που δέχεται το σασί. Επίσης δύναται να υπάρχει αισθητήρας που να παρακολουθεί τη θέση του πεντάλ του επιταχυντή. Απαραίτητο για την ορθή λειτουργία τέτοιων συστημάτων είναι η μέτρηση των ταχυτήτων ή των ροπών των ημιαξονίων εξόδου του διαφορικού, ώστε να υλοποιηθεί στην ηλεκτρονική μονάδα ανάδραση εξόδου με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται πιο ακριβής έλεγχος. Η πρώτη εμφάνιση του ηλεκτρονικού διαφορικού έγινε στο παγκόσμιο πρωτάθλημα ράλλυ WRC (World Rally Championship). Διάφορα σύγχρονα αυτοκίνητα παραγωγής διαθέτουν ενεργητικό διαφορικό περιορίζονται όμως στις ακριβές κατηγορίες της αγοράς αυτοκινήτου. Στο σχήμα 2.17 φαίνεται το ενεργητικό διαφορικό του μοντέλου Ferrari F430 και στο σχήμα 2.18 παρουσιάζεται το μοντέλο Mitsubishi Lancer Evolution, τα οποία είναι τετρακίνητα και χρησιμοποιούν ενεργητικό διαφορικό. Το Acura RL έχει τους πίσω τροχούς ως τροχούς

80 Κεφάλαιο 2 ο κίνησης μεταξύ των οποίων οι ροπές κατανέμονται χρησιμοποιώντας ενεργητικό διαφορικό (σχήμα 2.19). Σχήμα 2.17: Διαφορικό πίσω άξονα της Ferrari F430 [20] Σχήμα 2.18: Διαφορικό του Mitsubishi Lancer Evo [20]

81 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.19: Διαφορικό του Acura RL [20] Όπως γίνεται κατανοητό από τις τομές των ανωτέρω παραδειγμάτων, τα περισσότερα σύγχρονα ενεργητικά διαφορικά χρησιμοποιούν υβριδική τεχνολογία. Για παράδειγμα στην εικόνα του διαφορικού του Mitsubishi Lancer Evo (Σχήμα 2.18) εύκολα μπορεί κανείς να διακρίνει την κορώνα αλλά και στην αριστερή πλευρά σύστημα δίσκων μεταβλητής σύπμπλεξης. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου αναλαμβάνει να ελέγξει τη σύμπλεξη του συστήματος. Σε διάφορες εφαρμογές τμήμα του ελέγχου αποτελεί και το σύστημα πέδησης του αυτοκινήτου, καθώς ελέγχοντας το φορτίο κάθε τροχού είναι δυνατόν να βελτιστοποιηθεί η συμπεριφορά του αυτοκινήτου. Γενικά, τα μηχανικά διαφορικά αυτής της κατηγορίας είναι εξαιρετικά πολύπλοκα διότι έχουν πολλα κινούμενα μέρη που εμφανίζουν τριβές. Ταυτόχρονα, λόγω της πολυπλοκότητάς τους παρουσιάζουν προβλήματα πολύ συχνότερα από ότι τα συμβατικά διαφορικά, ενώ για τον ίδιο λόγο ο συντελεστής απόδοσής τους είναι μικρότερος. Ένας από τους στόχους της παρουσας εργασίας είναι η αντικατάσταση του συστήματος του ΚΕΣ με το σύστημα μετάδοσης με δύο ηλεκτροκινητήρες. Κάθε ηλεκτροκινητήρας είναι υπεύθυνος για την κίνηση ενός εκ των δύο πίσω κινητήριων τροχών. Ο έλεγχος των κινητήρων αυτών με διαφορικό τρόπο στοχεύει στην βελτίωση της συμπεριφοράς του

82 Κεφάλαιο 2 ο οχήματος λειτουργώντας οι δύο σαν ένα ενεργητικό διαφορικό. Η χρήση του ενεργητικού διαφορικού στον κινητήριο άξονα μειώνει δραστικά τα φαινόμενα της υποστροφής και της υπερστροφής. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται κυρίως στα αγωνιστικά οχήματα, αλλά και σε οχήματα που κινούνται σε περιοχές με περιορισμένη πρόσφηση

83 Κεφάλαιο 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3.1 Μέσα αποθήκευσης ενέργειας Βασικό στοιχείο των ηλεκτρικών οχημάτων είναι η πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία χρησιμοποιείται στην εκάστοτε εφαρμογή για να δώσει ενέργεια στην ηλεκτρική μηχανή που παράγει την κίνηση. Η ενέργεια αυτή προέρχεται κυρίως από μπαταρίες, μερικές φορές και σε συνδυασμό με φωτοβολταϊκά, ή από κυψέλες καυσίμου. Σε κάθε περίπτωση, το πρόβλημα που τίθεται είναι η σχέση μεταξύ αποθηκευμένης ενέργειας, βάρους, όγκου, διάρκειας ζωής, συντήρησης, και κόστους του μέσου αποθήκευσης ενέργειας. Στα πρώτα ηλεκτρικά αυτοκίνητα χρησιμοποιήθηκαν μπαταρίες μιας χρήσης και ύστερα εξελίχθηκαν σε επαναφορτιζόμενες διάφορων τύπων, οι οποίες και προτιμήθηκαν. Η εξέλιξή τους αποτέλεσε τότε καινούριο πεδίο έρευνας και ανάπτυξης της τεχνολογίας, ενώ αποτελεί ακόμα και σήμερα καίριο σημείο μελέτης για την τελειοποίηση των ηλεκτρικών οχημάτων. Ο κάθε τύπος μπαταρίας έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που του δίνουν πλεονεκτήματα ή μειονεκτήματα έναντι των υπολοίπων, τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω για κάθε τύπο ξεχωριστά. Επίσης παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των κυψελών καυσίμου που χρησιμοποιούνται ως πηγή ενέργειας σε ηλεκτρικά οχήματα. 3.2 Τύποι συσσωρευτών και χαρακτηριστικά Οι μπαταρίες είναι μονάδες κελιών οι οποίες περιέχουν χημική ενέργεια που απελευθερώνεται με μια χημική αντίδραση και μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Προτιμώνται για το γεγονός ότι αποτελούν φορητές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας και επειδή έχουν την ιδιότητα να αποθηκεύουν, μέσω ηλεκροχημικών διεργασιών, ενέργεια που παρέχεται από εξωτερικές πηγές. Πιο συκεκριμένα, η μπαταρία αποτελείται από τα εξής μέρη: - Θετικό ηλεκτρόδιο, το οποίο είναι από υλικό που μπορεί να μειωθεί σε μάζα κατά την εκφόρτιση και προσελκύει ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα στο οποίο είναι συνδεδεμένη η μπαταρία, - Αρνητικό ηλεκτροδιο, το οποίο είναι μεταλλικό και μπορεί να οξειδωθεί κατά την εκφόρτιση και να παράγει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα,

84 Κεφάλαιο 3 ο - Ηλεκτρολύτης, ο οποίος αποτελεί το μέσο στο οποίο γίνεται η μεταφορά ιόντων μεταξύ αρνητικού και θετικού ηλεκτροδίου, δεν είναι αγωγός των ηλεκτρονίων ώστε να αποφευχθεί η αυτοεκφόρτιση της μπαταρίας και το υλικό του εξαρτάται από τον τύπο της μπαταρίας, - Μονωτής, που έχει ως ρόλο να διαχωρίζει τα δύο ηλεκτρόδια ώστε να μην έρθουν σε επαφή και να μη συμβεί βραχυκύκλωμα, αλλά δρα και ως μηχανική υποστήριξη του υλικού και επιτρέπει τη διέλευση των ιόντων διαμέσου του ηλεκτρολύτη. Σχήμα 3.1: Aπλή απεικόνιση μπαταρίας [2] Οι δύο βασικές κατηγορίες στις οποίες χωρίζονται οι μπαταρίες είναι οι μη επαναφορτιζόμενες (primary cells) και οι επαναφορτιζόμενες (secondary cells). Η πρώτη κατηγορία αφορά μπαταρίες μιας χρήσης, οι οποίες παράγουν ενέργεια λόγω της οξειδοαναγωγικής αντίδρασης των αντιδραστηρίων που υπάρχουν σε αυτές. Όταν η αντίδραση φτάσει σε ισορροπία οι μπαταρίες αχρηστεύονται και γι αυτό το λόγο δε μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν. Οι συσσωρευτές που ανήκουν στην κατηγορία αυτή είναι συσσωρευτές με κυψέλες ψευδαργύρου-άνθρακα (Zn-C), αλκαλίων-μαγγανίου και λιθίου. Η δεύτερη κατηγορία αναφέρεται στις μπαταρίες που έχουν τη δυνατότητα να φορτίζονται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους, και αφορά στις μπαταρίες μολύβδου-οξέος (lead-acid), νικελίου-καδμίου (Ni-Cd), νικελίου-μετάλλου-υδριδίου (NiMH), και ιόντων λιθίου (Li-ion)

85 Κεφάλαιο 3 ο Πιο αναλυτικά, παρακάτω παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του κάθε τύπου μπαταρίας Κυψέλες ψευδαργύρου-άνθρακα (Zn-C) Οι συσσωρευτές ψευδαργύρου-άνθρακα, ή αλλιώς κελιά Lelanche, χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές που δεν απαιτούν μεγάλα ρεύματα και βαθιές εκφορτίσεις. Η προτίμησή τους οφείλεται στο γεγονός ότι τα υλικά κατασκευής τους είναι άφθονα και χαμηλού κόστους, και η κατασκευή τους φθηνή και τυποποιημένη. Στον αναφερόμενο τύπο μπαταρίας το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από οξείδιο του μαγγανίου και το αρνητικό ηλεκτρόδιο από ψευδάργυρο. Ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από αμμωνία. Το οξείδιο του μαγγανίου αναμιγνύεται με σκόνη άνθρακα ώστε να αυξηθεί η αγωγιμότητα της ενεργής θετικής μάζας και να μειωθεί η εσωτερική αντίσταση του κελιού. Σχήμα 3.2: Μπαταρία Zn-C [24] Κατά την εκρφόρτιση οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν εκφράζονται ως εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο Zn Zn e - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο 2MnO 2 +2H 2 O +2e 2MnO.OH + 2OH

86 Κεφάλαιο 3 ο Η χρήση του συγκεκριμένου τύπου μπαταρίας υπόκειται σε κάποιους περιορισμούς. Πρώτον, η θερμοκρασία λειτουργίας τους κυμαίνεται μεταξύ ο C, και εκτός των ορίων η απόδοσή τους μειώνεται δραματικά. Επιπλέον, δεν είναι κατάλληλες για εφαρμογές που απαιτείται βαθιά εκφόρτιση των κελιών, διότι μειώνεται δραματικά η χωρητικότητά τους και τείνουν να έχουν διαρροές μετά από βαθιά εκφόρτιση. Επίσης, ο χρόνος ζωής τους από τη στιγμή κατασκευής μέχρι τη χρησιμοποίησή τους είναι μικρός, και επιπλέον συμβαίνει διάβρωση του θετικού ηλεκτροδίου κατά την αντίδρασή του με οξυγόνο που εισβάλλει στη μπαταρία ή με υδρογόνο. Έχουν γίνει προσπάθειες να μειωθούν οι αντιδράσεις αυτές με καλύτερο σφράγισμα του κελιού και με πρόσθεση άλατος υδραργύρου στον ηλεκτρολύτη αντίστοιχα Κυψέλες Αλκαλίων-μαγγανίου Αυτός ο τύπος συσσωρευτών είναι μια παραλλαγή του προηγούμενου. Είναι γνωστές και ως αλκαλικές μπαταρίες και βρίσκουν πληθώρα εφαρμογών κυρίως σε μικρές ηλεκτρικές συσκευές, όπως είναι φωτογραφικές μηχανές, φακοί και ραδιόφωνα. Επίσης, ακόμα και μετά από 4 χρόνια αποθήκευσης πριν την πρώτη χρήση παρουσιάζουν στάθμη φόρτισης ίση με 80% της αρχικής[24], και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές οι οποίες λαμβάνουν χώρα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σχήμα 3.3: Μπαταρία αλκαλίων-μαγγανίου[25]

87 Κεφάλαιο 3 ο Όπως και στον προηγούμενο τύπο μπαταριών, το θετικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από οξείδιο του μαγγανίου και το αρνητικό από ψευδάργυρο. Ο ηλεκτρολύτης όμως είναι υδροξείδιο του καλίου (ΚΟΗ). Κατά την εκφόρτιση οι αντιδράσεις που συμβαίνουν εκφράζονται ως εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο Zn + 2ΟΗ - Zn0 + Η 2 Ο + 2e - - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο 2MnO 2 + H 2 O + 2e - 2MnOOH + 2OH - Και σε αυτόν τον τύπο μπαταρίας, αν η συγκέντρωση του ακλαλικού διαλύματος είναι χαμηλή, εμφανίζεται διάβρωση του ψευδαργύρου η οποία αντιμετωπίζεται εν μέρει με χρήση ψευδαργύρου σε σκόνη Κυψέλες μολύβδου-οξέος (lead-acid) Οι κυψέλες αυτές ήταν από πάντα η πιο δημοφιλής επιλογή για ηλεκτροκίνητα οχήματα και είναι ευρέως διαδεδομένες στον κόσμο για διαφόρων τύπων εφαρμογές και χρήσεις. Η εμπορική τους επιτυχία οφείλεται στα εξής: χαμηλό κόστος, μεγάλος κύκλος ζωής, εύκολη πρόσβαση στις πρώτες ύλες (μόλυβδος και θείο), εύκολη κατασκευή και προτιμώμενα ηλεκτρομηχανικά χαρακτηριστικά. Ο συγκεκριμένος τύπος μπαταρίας αποτελούνταν στην αρχή από δύο τυλιγμένες λωρίδες μολύβδου που χωρίζονταν από λινό ύφασμα, αλλά πλέον τα ηλεκτρόδια είναι ορθογώνια πλέγματα μολύβδου. Πιο συγκεκριμένα, το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι γεμισμένο με σπογγώδη μόλυβδο και το θετικό είναι γεμισμένο με διοξείδιο του μολύβδου (PbO 2 ). Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται είναι διάλυμα θειικού οξέος H 2 SO 4 και ο μονωτής μεταξύ των ηλεκτροδίων επιλέγεται ώστε να αντέχει την οξείδωση, να έχει ευστάθεια σε όξινες συνθήκες και να είναι πολύ πορώδης για να έχει χαμηλή ηλεκτρική αντίσταση[24]. Κατά την εκφόρτιση καταναλώνεται το θειικό οξύ και σχηματίζεται νερό, συνεπώς η σύνθεση του ηλεκτρολύτη αλλάζει και η πυκνότητά της σε θειικό οξύ καθορίζει το στάδιο εκφόρτισης της μπαταρίας. Επίσης, η εκφόρτιση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία και επικάθιση αδιάλυτου θειικού μολύβδου στα ηλεκτρόδια, ο οποίος λειτουργεί ως μονωτής και μειώνει τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Οι αντιδράσεις που συμβαίνουν εκφράζονται ως εξής:

88 Κεφάλαιο 3 ο - Για το θετικό ηλεκτρόδιο PbO 2 (s) + 3H + (aq) + HSO - 4 (aq) + 2e PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο Pb(s) + HSO - 4 PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2e Σχήμα 3.4: Μπαταρία μολύβδου-οξέος[24] Κατά τη φόρτιση ο θειικός μόλυβδος στο αρνητικό ηλεκτρόδιο και το οξείδιο του μολύβδου στο θετικό ηλεκτρόδιο μετατρέπονται ξανά σε μόλυβδο. Οι αντιδράσεις κατά τη φόρτιση είναι: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) PbO 2 (s) + 3H + (aq) + HSO - 4 (aq) + 2e - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο PbSO 4 (s) + H + - (aq) + 2e Pb(s) + HSO 4 Οι συγκεκριμένες μπαταρίες παρουσιάζουν σημαντική αυτοεκφόρτιση διότι η χημική τους σύνθεση είναι θερμοδυναμικά ασταθής όσον αφορά στις αντιδράσεις με το οξυγόνο και το υδρογόνο. Το μέγεθος της αυτοεκφόρτισης εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τον όγκο του

89 Κεφάλαιο 3 ο ηλεκτρολύτη και ακόμη περισσότερο από περιεκτικότητα σε προσμίξεις. Αν διαρεύσει αντιμόνιο από το θετικό ηλεκτρόδιο και επικαθίσει στο αρνητικό ηλεκτρόδιο τότε καταλύεται η αντίδραση[24]. Επιπροσθέτως, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος πρέπει να προστατεύονται από ακραίες χαμηλές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα όταν έχουν χαμηλή στάθμη φόρτισης. Στην κατάσταση αυτή το ποσοστό του νερού μέσα στη μπαταρία είναι μεγάλο και η πιθανότητα να παγώσει αυξάνεται. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα πρώτον τη δημιουργία ρωγμών στο κέλυφος της μπαταρίας διότι ο παγωμένος ηλεκτρολύτης είναι σε μορφή ζελέ και δε διαστέλλεται, και δεύτερον, πολύ μικρά ρεύματα λειτουργίας τόσο κατά την εκφόρτιση όσο και κατά τη φόρτιση. Σημαντικά μειονεκτήματα των μπαταριών μολύβδου είναι ο υψηλός ρυθμός αυτοεκφόρτισης, που μπορεί να φτάσει μέχρι και 20%, η χαμηλή πυκνότητα ενέργειας (έως 40kWh/kg) και η υψηλή τοξικότητα. Όσον αφορά στο τελευταίο, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή κατά την αντικατάσταση μιας μπαταρίας διότι ο μόλυβδος είναι επικίνδυνος για το περιβάλλον και τον άνθρωπο, αλλά και κατά τη μετακίνησή της, διότι υπάρχει πιθανότητα διαρροής του ηλεκτρολύτη αν η μπαταρία αναποδογυρίσει και το κέλυφός της δεν είναι ερμητικά κλειστό Κυψέλες νικελίου-καδμίου (NiCd) Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου χαρακτηρίζονται από σχετικά υψηλές τιμές φόρτισης και εκφόρτισης, σχεδόν σταθερή τιμή τάσης κατά την εκφόρτιση, δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλές θερμοκρασίες, μεγάλους κύκλους ζωής, αξιοπιστία, και δεν έχουν απαιτήσεις σε συντήρηση. Έχουν προτιμηθεί και σε εφαρμογές ηλεκτρικών αυτοκινήτων από τις εταιρίες Peugeot και Renault, διότι προσφέρουν δυνατότητες για πυκνότητα ενέργειας Wh/kg, πυκνότητα ισχύος 171 W/kg και αριθμό κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης περίπου 2000[24]. Σε αυτόν τον τύπο μπαταρίας το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από υδροξείδιο του νικελίου και το αρνητικό ηλεκτρόδιο από κάδμιο. Ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από υδατικό διάλειμμα υδροξειδίου του καλίου αν η μπαταρία προορίζεται για λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ για να λειτουργήσει σε υψηλές θερμοκρασίες χρησιμοποιείται ηλεκτρολύτης από υδατικό υδροξείδιο του νατρίου. Αν η μπαταρία υπερφορτιστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα συμβαίνουν απώλειες νερού, και γι αυτό το λόγο τα κελιά είναι σχεδιασμένα να περιέχουν μεγάλη ποσότητα ηλεκτρολύτη ώστε να μην απαιτείται συχνή

90 Κεφάλαιο 3 ο συντήρησή τους. Με την πάροδο των χρόνων όμως, ο ηλεκτρολύτης μπορεί να υποστεί προσμίξεις με διοξείδιο του άνθρακα οπότε απαιτείται και η αντικατάστασή του. Σχήμα 3.5: Κυλινδρικά σφραγισμένα κελιά μπαταριών νικελίου-καδμίου[24] Κατά την εκρφόρτιση οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν εκφράζονται ως εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο NiO(OH)(s) + H 2 O(l) +e Ni(OH) 2 (s) + OH - (aq) - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο Cd(s) + 2OH - (aq) Cd(OH) 2 (s) +2e Κατά τη φόρτιση οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα εκφράζονται ως εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο Ni(OH) 2 (s) + OH - (aq) NiO(OH)(s) + H 2 O(l) +e - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο Cd(OH) 2 (s) +2e Cd(s) + 2OH - (aq)

91 Κεφάλαιο 3 ο Όσον αφορά στην αυτοεκφόρτιση των μπαταριών νικελίου-καδμίου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 ο C το ύψος της στάθμης φόρτισης μετά το διάστημα των 12 μηνών είναι 80%. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος, τα κελιά νικελίου-καδμίου μπορούν να μείνουν αχρησιμοποίητα σε οποιαδήποτε στάθμη φόρτισης για μεγάλες χρονικές περιόδους χωρίς να υποστούν βλάβες. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό από το οποίο υποφέρουν οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου είναι το φαινόμενο μνήμης το οποίο επιφέρει προσωρινή μείωση της χωρητικότητας των μπαταριών. Πιο συγκεκριμένα, όταν οι μπαταρίες υπόκεινται σε επαναλαμβανόμενους πανομοιότυπους κύκλους όπου δεν εκφορτίζονται εντελώς, σε επόμενη εκφόρτιση φτάνουν στην ίδια κατάσταση από την οποία ξεκίνησαν να φορτίζονται. Το αποτέλεσμα είναι η παροδική πτώση τάσης, η οποία μπορεί επίσης να παρουσιαστεί όταν το αρνητικό ηλεκτρόδιο υπερφορτιστεί σε υψηλή θερμοκρασία. Όπως και ο προηγούμενος τύπος μπαταριών, οι μπαταρίες νικελίου-καδιμίου είναι τοξικές λόγω του καδμίου που περιέχουν επομένως απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή κατά την αντικατάστασή τους. Επίσης το κάδμιο είναι δυσεύρετο υλικό και η κατασκευή κελιών από το υλικό αυτό είναι ακριβή, επομένως το κόστος των κελιών πολλαπλασιάζεται και ξεπερνά κατά πολύ τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος Κυψέλες νικελίου-μετάλλου-υδριδίου (NiMH) Οι κυψέλες νικελίου-μετάλλου-υδριδίου είναι μια βελτίωση των κυψελών νικελίουκαδμίου, διότι το κάδμιο αντικαθίσταται με υδρογόνο απορροφημένο από ένα κράμα μετάλλου. Ως αποτέλεσμα οι μπαταρίες είναι πιο φιλικές προς το περιβάλλον και έχουν αυξημένη χωρητικότητα σε σχέση με τις προηγούμενες. Η πυκνότητα ενέργειας και ισχύος για το συγκεκριμένο τύπο μπαταρίας είναι 80Wh/kg, 200 W/kg, και έχουν κύκλους ζωής πάνω από Τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από υδροξείδιο του νικελίου, για το θετικό ηλεκτρόδιο και μέταλλο ή κράμα μετάλλων το οποίο έχει δεσμεύσει στη δομή του υδρογόνο, για το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Το θετικό ηλεκτρόδιο κατασκευάζεται με διαφορετικούς τρόπους ώστε να επιτευχθούν οι επιθυμητές συνθήκες λειτουργίας και το αρνητικό ηλεκτρόδιο δέχεται ειδική επεξεργασία στην επιφάνειά του ώστε να διευκολύνεται η απορρόφηση του υδρογόνου και να αποτρέπεται η έκλυση αερίων σε υψηλούς ρυθμούς φόρτισης. Ο ηλεκτρολύτης είναι συμπυκνωμένο υδροξείδιο του καλίου, αλλά σε αντίθεση με

92 Κεφάλαιο 3 ο την περίπτωση των κελιών νικελίου-καδμίου, δεν περιλαμβάνεται νερό στις εξισώσεις των χημικών αντιδράσεων. Ο μονωτής που χρησιμοποιείται είναι υδροφιλικό πολυπροπυλένιο ώστε να μειωθεί η αυτοεκφόρτιση του κελιού. Σχήμα 3.6: Εσωτερική δομή μπαταρίας Ni-MH [23] Κατά την εκφόρτιση οι χημικές αντιδράσεις περιγράφονται από τις παρακάτω εξισώσεις: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο NiO(OH)(s) + H 2 O(l) + e Ni(OH) 2 + OH - (aq) - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο MH(s) + OH - (aq) M(s) + H 2 O(l) + e Κατά τη φόρτιση οι αντίστοιχες χημικές αντιδράσεις είναι: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο Ni(OH) 2 + OH - (aq) NiO(OH)(s) + H 2 O(l) + e - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο M(s) + H 2 O(l) + e MH(s) + OH - (aq) Η αυτοεκφόρτιση στις μπαταρίες νικελίου-μετάλλου-υδριδίου είναι το κύριο μειονέκτημά τους καθώς μπορεί να φτάσει μέχρι και 4-5% ανά ημέρα. Αυτό προκαλείται κυρίως διότι το υδρογόνο διαλύεται στον ηλεκτρολύτη και αντιδρά με το θετικό ηλεκτρόδιο. Επίσης, οι παραπάνω μπαταρίες παρουσιάζουν λιγότερη ανοχή σε υπερφορτίσεις από τις νικελίουκαδμίου και έχουν λιγότερους κύκλους,. Τέλος, υποφέρουν και αυτές από το φαινόμενο μνήμης και τη μείωση τάσης μέχρι να υποστούν πλήρη κύκλο εκφόρτισης-φόρτισης

93 Κεφάλαιο 3 ο Κυψέλες λιθίου Υπάρχουν μη επαναφορτιζόμενες και επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου, όμως στην αγορά έχουν επικρατήσει οι επαναφορτιζόμενες διότι πλεονεκτούν των υπολοίπων της κατηγορίας τους. Αυτό συμβαίνει διότι το λίθιο έχει τη χαμηλότερη πυκνότητα (0.54g/cm -3 ) και τη χαμηλότερη ηλεκτροχημική αναλογία (0.259g/Ah -1 ) [23], επομένως μπαταρίες λιθίου με μη υγρό ηλεκτρολύτη δίνουν τη δυνατότητα για μπαταρίες υψηλής τάσης και πυκνότητας ενέργειας. Επίσης μπορούν να λειτουργήσουν σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών από -40 o C μέχρι 120 ο C, έχουν μακρά διάρκεια ζωής αποθήκευσης, και η χαρακτηριστική καμπύλη εκφόρτισής τους έχει πολύ μικρή κλίση. Σχήμα 3.7: Χαρακτηριστική καμπύλη εκφόρτισης κυψελών Li/(CF x ) n [24] Το αρνητικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από μέταλλο λιθίου, ο ηλεκτρολύτης από ιόντα λιθίου, και το θετικο ηλεκτρόδιο, για τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, από υλικά που μπορούν να υποστούν αντιστρεπτή ηλεκτροχημική αντίδραση με τα ιόντα λιθίου. Κατά τη φόρτιση κινούνται ιόντα λιθίου και ηλεκτρόνια από το θετικό ηλεκτρόδιο διαμέσου του ηλεκτρολύτη και του εξωτερικού κυκλώματος αντίστοιχα, προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο

94 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.8: Σύγκριση πυκνότητας ενέργειας κελιών λιθίου με μπαταρίες υγρού ηλεκτρολύτη[24] Οι μη επαναφορτιζόμενες κυψέλες λιθίου διακρίνονται σε: - Λιθίου/μαγγανίου, με πυκνότητα ενέργειας 260Wh/kg, ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας από -40 o C μέχρι 60 o C, και μεγάλη διάρκει ζωής αποθήκευσης 10 χρόνων - Λιθίου/ιωδίου, οι οποίες είναι κυψέλες στερεάς κατάστασης, δεν παρουσιάζουν διαρροή ηλεκτρολύτη οπότε και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές της ιατρικής όπως βηματοδότες - Λιθίου/χλωριούχου θειονυλίου, με πυκνότητα ενέργειας 330 Wh/kg, λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες και γι αυτό χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές, όπως σόναρ και σε διαστημικές εφαρμογές - Λιθίου/θειούχου σιδήρου, οι οποίες λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες της τάξεως των o C και μπορούν να αποδώσουν υψηλά ποσά ισχύος σε μικρές χρονικές περιόδους. Έχουν απεριόριστη διάρκεια ζωής πριν από την ενεργοποίηση, οπότε προτιμώνται σε εφαρμογές πυραύλων και ρουκετών. Στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες τα θετικά ηλεκτρόδια «υψηλής τάσης» αφορούν τάσεις κελιών 4V, και αποτελούνται από οξείδια μετάλλου LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2 O 4, ή LiFePO

95 Κεφάλαιο 3 ο και συνδυάζονται με αρνητικά ηλεκτρόδια από ενώσεις άνθρακα (ημίκαυστο άνθρακας, γραφίτης), οι οποίες έχουν διαφορετική κρυσταλική δομή ανάλογα με την θερμική επεξεργασία που υφίστανται. Οι μπαταρίες LiCoO 2 με ημίκαυστο άνθρακα ή γραφίτη παρουσιάζουν για την πρώτη περίπτωση μπαταριών πυκνότητα ενέργειας 66Wh/kg[23], και η τάση τους μειώνεται σημαντικά κατά την εκφόρτιση, ενώ για τη δεύτερη, πυκνότητα ενέργειας 122Wh/kg[23] και δεν παρουσιάζουν ιδιαίτερη μείωση τάσης λόγω του γραφίτη. Όμως το κόστος κατασκευής της ένωσης LiCoO 2 είναι υψηλό, οπότε αντικαθίσταται από LiNiO 2 ή LiMn 2 O 4. Συγκεκριμένα ο συνδυασμός LiNiO 2 -γραφίτη προσφέρει μεγαλύτερη χωρητικότητα ανά κελί και χαμηλότερο κόστος[23]. Χαμηλό κόστος έχουν και οι μπαταρίες με LiFePO 4, αλλά δεν έχουν την ίδια πυκνότητα ενέργειας και αγωγιμότητα όπως οι υπόλοιπες. Άλλος τύπος επαναφορτιζόμενων μπαταριών λιθίου είναι εκείνος με μεταλλικά υλικά στο θετικό ηλεκτρόδιο «χαμηλής τάσης» της τάξεως των 2.2V-3.2V, ο οποίος θεωρητικά προσφέρει υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας από την προηγούμενη περίπτωση. Είναι κυρίως μπαταρίες τύπου ΑΑ, 800mAh. Διακρίνουμε τις παρακάτω περιπτώσεις: Li-MoS 2 (μολυβδενίου) με μέγιστη δυνατή χωρητικότητα 65Ah, μεγάλη πυκνότητα ισχύος και μεγάλη διάρκεια ζωής[23] Li-Li x MnO 2 (μαγγανίου), οι οποίες είναι μπαταρίες με Wh/kg και μπορούν να αντέξουν 350 κύκλους πλήρους (100%) εκφόρτισης[23] Li-V 2 O 5 (βαναδίου), με πυκνότητα ενέργειας 110Wh/kg και κύκλους[23] Το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι δύο τύπων.ο πρώτος τύπος αφορά ηλεκτρόδια λιθίου τα οποία προσφέρουν υψηλή χωρητικότητα και τάση. Έχουν όμως το μειονέκτημα ότι είναι θερμοδυναμικά ασταθή με τους ηλεκτρολύτες και σχηματίζουν συνεχώς μονωτικά φιλμ στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου με κάθε κύκλο λειτουργίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της χωρητικότητας μετά από μερικούς κύκλους λειτουργίας. Επίσης κατά τη φόρτιση μπορούν να αντιδράσουν εξώθερμα με τον ηλεκτρολύτη και να ανεβάσουν υψηλές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα να λίωσει μερικώς το ηλεκτρόδιο και να αντιδράσει με περισσότερο ποσό του ηλεκτρολύτη κ.ο.κ. ώσπου η μπαταρία φλέγεται

96 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.9: Μπαταρία ιόντων λιθίου [2] Ο δεύτερος τύπος αφορά ηλεκτρόδια ενώσεων άνθρακα, δηλαδή γραφίτη και ημίκαυστου άνθρακα. Και στην κατηγορία αυτή δημιουργείται μονωτικό φιλμ λόγω χημικών αντιδράσεων του ηλεκτροδίου με τον ηλεκτρολύτη. Το μονωτικό στρώμα όμως δεν δημιουργείται επαναλαμβανόμενα, και επιτρέπει τη μεταφορά ιόντων διαμέσου του διαλύμματος. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόδια λιθίου, παρουσιάζουν μικρότερη χωρητικότητα. Οι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου είναι άλατα λιθίου σε οργανικούς διαλύτες και ηλεκτρολύτες πολυμερών. Τα άλατα λιθίου επιλέγονται για τις παρακάτω ιδιότητες: Υψηλή κινητικότητα ιόντων Θερμική, χημική και ηλεκτροχημική ευστάθεια Φιλικότητα προς το περιβάλλον Οι οργανικοί διαλύτες επιλέγονται για τις παρακάτω ιδιότητες: Ευστάθεια σχετικά με τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια Ασφάλεια και μη τοξικότητα Υψηλή διαλυτότητα στα άλατα λιθίου

97 Κεφάλαιο 3 ο Οι ηλεκτρολύτες πολυμερών σχηματίζονται από άλατα λιθίου είτε διαλυμένα σε μακρομόρια πολυμερών, είτε ενσωματωμένα σε μη υγρά συστήματα τζελ. Οι ιδιότητες που παρουσιάζουν είναι[23]: Υψηλή αγωγιμότητα ιόντων Αμελητέα αγωγιμότητα ηλεκτρονίων Υψηλή χημική και ηλεκτροχημική ευστάθεια σχετικά με τα υλικά των ηλεκτροδίων Μηχανική σταθερότητα Χαμηλό κόστος Ευνοϊκή χημική σύνθεση Οι μπαταρίες λιθίου πολυμερών (lithium polymer batteries-lpb) βρίσκουν ευρεία εφαρμογή σε συστήματα ηλεκτροκίνητων οχημάτων (EV) διότι προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, έχουν πολύ στιβαρή κατασκευή, αντέχουν σε αναταραχές και μηχανικές παραμορφώσεις, και δεν παρουσιάζουν διαρροές υγρών ή αερίων. Επίσης, δεν περιορίζονται στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά κατασκευής των κελιών επομένως μπορούν να κατασκευαστούν σε οποιοδήποτε σχήμα ώστε να εφαρμόζουν σε οποιοδήποτε σκελετό οχήματος [2]. Η απουσία ελεύθερων υγρών τους δίνει το πλεονέκτημα της ενθυλάκωσής τους σε πλαστικά δοχεία σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες λιθίου που απαιτούν μεταλλικά δοχεία [23]. Ακόμη, μπορούν να παρέχουν μεγάλα ποσά ενέργειας και ισχύος. Τέλος, τα στερεά πολυμερή σε αντίθεση με τους υγρούς εύφλεκτους ηλεκτρολύτες λειτουργούν σε τυπική θερμοκρασία 100 ο C [2][23], όπου για παράδειγμα ηλεκτρολύτες PEO-LiX παρουσιάζουν τη βέλτιστη αγωγιμότητα, και γι αυτό χρησιμοποιούνται συστήματα διαχείρισης της θερμοκρασίας των μπαταριών (thermal management systems). Χαρακτηριστική περίπτωση LPB είναι οι τελευταίας τεχνολογίας LiFePO 4 /C, οι οποίες με την επικάλυψη σωματιδίων του μεταλλικού ηλεκτροδίου με άνθρακα (ή άλλου αγωγού) ξεπερνούν το πρόβλημα της χαμηλής πυκνότητας ενέργειας και αποκτούν υψηλότερη αγωγιμότητα. Η χρήση του άνθρακα στο θετικό ηλεκτρόδιο τους δίνει και το πλεονέκτημα μεγάλου αριθμού κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης καθώς και τη δυνατότητα για βαθιές εκφορτίσεις [27]. Ακόμη έχουν πολύ χαμηλό κόστος και είναι φιλικές προς το περιβάλλον λόγω του σιδήρου που περιέχουν, όπως επίσης παρουσιάζουν ευστάθεια σε υψηλές

98 Κεφάλαιο 3 ο θερμοκρασίες και λιγότερα θέματα ασφαλείας [26]. Για όλους αυτούς τους λόγους είναι οι πλέον κατάλληλες για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές όπως είναι τα ηλεκτρικά οχήματα. 3.3 Κυψέλες καυσίμου Μια εναλλακτική πρόταση για φορητή πηγή ενέργειας για τα ηλεκτρικά οχήματα είναι οι κυψέλες καυσίμου. Η λειτουργία τους είναι παρόμοια με αυτή των μπαταριών διότι χρησιμοποιούν χημικές αντιδράσεις για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η διαφορά βρίσκεται στο γεγονός ότι οι μπαταρίες χρησιμοποιούν αποθηκευμένη ενέργεια και χρειάζονται συχνή φόρτιση, ενώ οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια όσο υπάρχει παροχή καυσίμου. Το κύριο πλεονέκτημα των κυψελών καυσίμου είναι ότι δεν αλλάζει η απόδοσή τους συναρτήσει της ισχύος που μπορούν να προσφέρουν. Τα στοιχεία, όμως, της διάταξης τα οποία εμφανίζουν ωμική αντίσταση περιορίζουν την απόδοση της κυψέλης. Επίσης ένα αυξανόμενο ρεύμα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της τάσης της κυψέλης, γεγονός το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψη στην κατασκευή ηλεκτροκίνητων οχημάτων[2]. Η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου είναι η αντίστροφη της ηλεκτρόλυσης, με το υδρογόνο και το οξυγόνο να αντιδρούν ώστε να παράξουν ηλεκτρισμό και νερό. Πιο συγκεκριμένα, το καύσιμο των κυψελών, δηλαδή το υδρογόνο, αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου που σχηματίζουν το μόριο του υδρογόνου. Μέσω χημικών αντιδράσεων το μόριο του υδρογόνου σπάει στην άνοδο σε τέσσερα μέρη για να σχηματίσει δύο κατιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) και δύο ελεύθερα ηλεκτρόνια. Η διαδικασία αυτή επιταχύνεται με έναν καταλύτη. Τα κατιόντα υδρογόνου διέρχονται μέσα από τον ηλεκτρολύτη μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων προς την κάθοδο, και τα ηλεκτρόνια κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση μέσω του εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος. Στην κάθοδο διοχετεύεται αέρας ή καθαρό οξυγόνο για να ολοκληρωθεί η αντίδραση η οποία γίνεται ως εξής: αρχικά το οξυγόνο σπάει σε δύο ιονισμένα άτομα οξυγόνου, και το κάθε άτομο συνδέεται με δύο ηλεκτρόνια από το εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα ώστε να σχηματίσει ένα αρνητικά φορτισμένο άτομο οξυγόνου. Στο τελικό στάδιο τα ανιόντα οξυγόνου αντιδρούν με τα κατιόντα υδρογόνου και σχηματίζουν νερό (Η 2 Ο). Οι παραπάνω χημικές αντιδράσεις περιγράφονται από τις εξισώσεις που ακολουθούν[2]

99 Κεφάλαιο 3 ο - Για την άνοδο: H 2 2H + + 2e - - Για την κάθοδο: 2e - + 2H + + ½(O 2 ) H 2 O - Για την κυψέλη: H 2 + 1/2O 2 H 2 O Υπάρχουν έξι κύρια είδη κυψελών καυσίμου τα οποία παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1 Είδος κυψέλης Φωσφορικού οξέος Καύσιμο Ηλεκτρολύτης Θερμοκρασία λειτουργίας Η 2, Φωσφορικό ανασχηματι οξύ σμός(lng, μεθανόλη) Αλκαλική Η 2 Διάλυμα υδροξειδίου του καλίου Μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων Άμεσης μεθανόλης Λιωμένου ανθρακίτη Στερεού οξειδίου Η 2, ανασχηματι σμός(lng, μεθανόλη) Μεθανόλη, αιθανόλη Η 2, CO (αέριο άνθρακα, μεθανόλη, LNG) Η 2, CO (αέριο άνθρακα, μεθανόλη, LNG) Φιλμ ανταλλαγής ιόντων πολυμερούς Στερεό πολυμερές Απόδοση Εφαρμογές ~200 ο C 40-50% Σταθερές (>250kW) ~80 ο C 40-50% Φορητές ~80 ο C 40-50% Ηλεκτρικά οχήματα, βιομηχανικέ ς μέχρι 80kW ο C ~30% Ηλεκτρικά οχήματα, μικρές φορητές συσκευές(1 W-70kW) Ανθρακίτης ο C 50-60% Σταθερές (>250W) Οξείδια ψευδαργύρου με οξείδια υττρίου Πίνακας 3.1:Είδη κυψελών καυσίμου [2] ~1000 ο C 50-65% Σταθερές Ένα από τα κύρια ζητήματα των κυψελών καυσίμου για την προτίμησή τους στη βιομηχανία της ηλεκτροκίνησης είναι αυτό της αποθήκευσης του υδρογόνου. Το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευθεί ως συμπιεσμένο ή υγροποιημένο αέριο, αλλά και με τη χρήση υδριδίων μετάλλου ή νανοσωλήνες άνθρακα

100 Κεφάλαιο 3 ο Ο πρώτος τρόπος έχει χρησιμοποιηθεί ήδη για πολλά χρόνια, όμως απαιτούνται μεγάλα ποσά ενέργειας για να συμπιεστεί το αέριο σε κατάσταση που να μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποδοτικά, και τυπικά φτάνει σε πίεση τις μερικές εκατοντάδες ατμόσφαιρες. Η υγροποίησή του απαιτεί ακόμη περισσότερη ενέργεια και συνθήκες ψύξης, επομένως αυτός ο τρόπος αποθήκευσης δεν ενδείκνυται για ηλεκτροκίνητα οχήματα. Όταν γίνεται χρήση υδριδίων μετάλλου ή νανοσωλήνες άνθρακα το υδρογόνο δε συμπιέζεται σε τόσο μεγάλο βαθμό όπως στις προηγούμενες περιπτώσεις, και αποθηκεύεται σε δοχείο με υλικό το οποίο να απορροφά και να εκλύει το υδρογόνο ανάλογα με την πίεση, τη θερμοκρασία και το ποσό του αποθηκευμένου υδρογόνου στο σύστημα. Τα υδρίδια μετάλλου μειώνουν τις ογκομετρικές απαιτήσεις για αποθήκευση διότι έχουν τη δυνατότητα να αποθηκεύουν το διπλάσιο αριθμό ατόμων υδρογόνου από τον αντίστοιχο του υγρού υδρογόνου, με αναφορά στον ίδιο όγκο. Έχουν όμως πολύ μεγάλο βάρος. Αντίθετα οι εφαρμογές νανοσωλήνων άνθρακα είναι πολύ ελαφριές, επομένως από πλευράς βάρους είναι προτιμητέες για τα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Όμως η χρησιμότητά τους στην πράξη ως αποθηκευτικά μέσα υδρογόνου είναι ακόμα αμφιλεγόμενη[2]. 3.4 Συστήματα Επίβλεψης Λειτουργίας Επαναφορτιζόμενων Μπαταριών Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λόγω των πλεονεκτημάτων τους χρησιμοποιούνται σε πληθώρα εφαρμογών στη βιομηχανία, στα μέσα μαζικής μεταφοράς και σε μικρότερα οχήματα, σε ιδιωτικές επιχειρήσεις, αλλά και σε οικιακές εφαρμογές, όπως είναι τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής, οι μπαταρίες υπόκεινται σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας και μεταβάλλουν με διαφορετικό τρόπο τα χαρακτηριστικά τους. Επίσης, ανάλογα με τον τύπο των μπαταριών και σε συνδυασμό με τα προηγούμενα, πρέπει να τηρούνται συγκεκριμένοι περιορισμοί στη λειτουργία τους ώστε να διασφαλιστούν η μέγιστη απόδοση του συστήματος και οι απαιτήσεις ασφαλείας για την καλή λειτουργία των μπαταριών. Επίσης, επιβάλλεται να διασφαλιστεί και η αποτελεσματικότητα της εφαρμογής σύμφωνα με τις προδιαγραφές λειτουργίας. Για τους παραπάνω λόγους έχουν σχεδιαστεί και χρησιμοποιούνται συστήματα επίβλεψης της λειτουργίας των μπαταριών, τα οποία παίρνουν μετρήσεις, δίνουν πληροφορίες στο χρήστη και βελτιώνουν την επίδοση των μπαταριών

101 Κεφάλαιο 3 ο Μετρούμενες ποσότητες Οι βασικές ποσότητες οι οποίες μετρώνται είναι η θερμοκρασία, η τάση και το ρεύμα των μπαταριών. Οι μετρήσεις γίνονται σε κάθε κελί ξεχωριστά ή σε ομάδες κελιών, ανάλογα με την εφαρμογή. Για να λειτουργήσουν οι μπαταρίες σωστά πρέπει να βρίσκονται μέσα σε πλαίσια λειτουργίας σταθερής θερμοκρασίας. Ανάλογα με τον τύπο των μπαταριών επιβάλλεται λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες ή χαμηλές θερμοκρασίες. Σε κάθε περίπτωση πρέπει να τηρούνται το ανώτατο και κατώτατο όριο θερμοκρασίας, διαφορετικά οι μπαταρίες θα υποστούν βλάβες, και ως συνέπεια μπορεί να υποστεί βλάβες και το υπόλοιπο σύστημα. Επίσης συγκεκριμένοι τύποι συσσωρευτών, όπως οι LPB, έχουν βέλτιστη λειτουργία σε αυστηρά όρια υψηλών θερμοκρασιών και γι αυτό χρειάζονται εξαναγκασμένη θέρμανση. Η μέτρηση της τάσης εξασφαλίζει εκτίμηση της στάθμης φόρτισης και το βάθος εκφόρτισης σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Αν η τάση των συσσωρευτών ξεπεράσει το ανώτατο ή κατώτατο όριο υπάρχει ο κίνδυνος να αρχηστευθούν και να πρέπει να αντικατασταθούν, γεγονός που επιβαρύνει οικονομικά την εφαρμογή αλλά και τη θέτει αναξιόπιστη. Τα ίδια προβλήματα θα προκύψουν αν ξεπεραστούν τα όρια του ρεύματος λειτουργίας, αλλά υπάρχει και κίνδυνος έκρηξης ή ανάφλεξης ανάλογα με τον τύπο συσσωρευτή που χρησιμοποιείται. Επίσης, υπάρχει η πιθανότητα να μειωθεί η αρχική χωρητικότητα των μπαταριών καθώς και η διάρκεια ζωής τους και η λειτουργία τους να γίνει υποβέλτιση Σύστημα Παρακολούθησης Μπαταριών (battery monitoring system) Το σύστημα παρακολούθησης μπαταριών αποτελείται από επιμέρους μονάδες μετρήσεων, συστήματα συλλογής, επεξεργασίας και αποθήκευσης πληροφοριών, και συστήματα παρουσίασης των αποτελεσμάτων. Οι μονάδες μετρήσεων αφορούν αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας, τάσεως και ρεύματος των μπαταριών, ή και άλλων χαρακτηριστικών. Μετά την παρακολούθηση και καταγραφή των χαρακτηριστικών της κάθε ελεγχόμενης μονάδας το σύστημα επεξεργάζεται τις πληροφορίες και παρέχει σήματα συναγερμού όταν συμβεί σφάλμα ή αλλάξουν οι συνθήκες λειτουργίας των μπαταριών. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να παρέμβει άμεσα ώστε να προστατεύσει το σύστημα από επικείμενη βλάβη. Οι πληροφορίες που συλλέγονται μπορούν επίσης να αποθηκευθούν σε ηλεκτρονικά μέσα ώστε να υπάρχει για κάθε μονάδα λεπτομερής καταγραφή του ιστορικού λειτουργίας της με όλα τα

102 Κεφάλαιο 3 ο μετρούμενα χαρακτηριστικά και τα προβλήματα που πιθανόν προκύπτουν. Παράδειγμα ενός συστήματος παρακολούθησης μπαταριών φαίνεται στο σχήμα 3.10, το οποίο είναι της εταιρίας Eaton. Σχήμα 3.10: Σύστημα παρακολούθησης μπαταριών της εταιρίας Eaton[30] Σύστημα Διαχείρισης Μπαταριών (battery management system) Το σύστημα διαχείρισης μπαταριών επιτελεί τις λειτουργίες του προηγούμενου συστήματος αλλά ταυτόχρονα αναλαμβάνει δράση για την αντιμετώπιση προβλημάτων. Πιο συγκεκριμένα, παρέχει ελεγχόμενη φόρτιση και εκφόρτιση συσσωρευτών με την παρακολούθηση των παραμέτρων τους και αποσύνδεσή τους από το σύστημα όταν παρουσιαστεί σφάλμα. Η αποσύνδεση γίνεται συνήθως με συστήματα που παρακάμπτουν το κελί ή τα κελιά που παρουσιάζουν προβλήματα, και εξασφαλίζουν τη ροή του ρεύματος διαμέσου ενός φορτίου που αντικαθιστά το κελί. Με τον τρόπο αυτό δεν αυξάνεται μόνο η αξιοπιστία και καλή λειτουργία του συστήματος, αλλά και η ασφάλεια διότι ο χρήστης δεν έρχεται σε φυσική επαφή με τους συσσωρευτές. Άλλη λειτουργία που πραγματοποιείται από το σύστημα είναι εκείνη της διαχείρισης της θερμοκρασίας των μπαταριών. Τα επιθυμητά όρια θερμοκρασίας εξασφαλίζονται από μονάδες ψύξης, ώστε να μην ξεπεραστεί η μέγιστη θερμοκρασία και παρουσιαστεί διάβρωση της μπαταρίας, και θέρμανσης, ώστε να μην ξεπεραστεί η ελάχιστη θερμοκρασία και ο ηλεκτρολύτης αυξήσει την ωμική του αντίσταση ή αλλάξει κατάσταση. Επίσης μονάδες

103 Κεφάλαιο 3 ο θέρμανσης και θερμομόνωσης αυξάνουν τη θερμοκρασία των μπαταριών σε τιμή λειτουργίας και τη διατηρούν σταθερή ώστε να αυξηθεί η ενεργειακή απόδοση. Ένα παράδειγμα συστήματος διαχείρισης μπαταριών φαίνεται στο σχήμα 3.11, το οποίο είναι της εταιρίας Texas Instruments. Σχήμα 3.11: Σύστημα διαχείρισης μπαταριών της εταιρίας Texas Instruments[29]

104 Κεφάλαιο 3 ο

105 Κεφάλαιο 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ 4.1 Προδιαγραφές υλοποίησης Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και κατασκευή ηλεκτροκίνητου οχήματος χαμηλού κόστους, του οποίου οι δυνατότητες πρέπει να καλύπτουν τον καθημερινό μέσο χρήστη εντός πόλης. Σύμφωνα με μελέτες οργανισμών, κατά μέσο όρο στην Ευρώπη ένα αυτοκίνητο εκτελεί km ετησίως. Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 35km κάθε μέρα. Εντός πόλης τα οχήματα δεν επιτρέπεται να αναπτύσσουν ταχύτητες μεγαλύτερες των 50km/h εκτός ίσως από ορισμένες περιπτώσεις κεντρικών αρτηριών όπου το όριο είναι αυξημένο στα 70 km/h. Η ενδεδειγμένη χρήση του αυτοκινήτου εντός πόλης αποτελεί πλαίσιο για τις προδιαγραφές που ορίζονται για τον υπολογισμό του εξοπλισμού. Πιο συγκεκριμένα οι προδιαγραφές που τέθηκαν είναι οι εξής: Μέγιστη ταχύτητα 90km/h Αυτονομία 100km Δυνατότητα ανάβασης κλίσης 8% με ταχύτητα 30km/h Ανάπτυξη ταχύτητας 90km/h από στάση σε χρόνο 20 δευτερολέπτων. Τα παραπάνω, όπως θα αποδειχθεί σε επόμενη ενότητα αποτελούν κρίσιμα σημεία για τον υπολογισμό της χωρητικότητας των συσσωρευτών και της ισχύος του ηλεκτροκινητήριου συστήματος. 4.2 Διαδικασία υπολογισμού Πριν ακολουθήσει η υλοποίηση του ηλεκτρονικού διαφορικού και του συστήματος παρακολούθησης συσσωρευτών, απαιτήθηκε να υπολογιστεί το κατάλληλο ηλεκτρικό σύστημα έλξης του οχήματος [2], [33]. Η φιλοσοφία του υπολογισμού θα εξηγηθεί παρακάτω. Τα μαθηματικά αποτελέσματα των θεωρητικών υπολογισμών θα παρουσιαστούν σε επόμενη παράγραφο χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα των λογιστικών φύλλων Excell. Το σύστημα οδήγησης του οχήματος αποτελείται από τις ηλεκτρικές μηχανές, το μηχανικό σύστημα μετάδοσης της μηχανικής ροπής από τις μηχανές στα κινητήρια ημιαξόνια και τους

106 Κεφάλαιο 4 ο τροχούς. Το γεγονός ότι το ηλεκτροκινητήριο σύστημα που χρησιμοποιείται μπορεί να αναπτύξει μηχανική ροπή από μηδενικές στροφές ωφελεί στο σχεδιασμό καθώς δεν είναι πια απαραίτητη η χρήση κάποιου συστήματος σύμπλεξης αξόνων, όπως συμβαίνει με τα συμβατικά αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν ΚΕΣ. Τα στοιχεία του οχήματος που είναι κρίσιμα για τον υπολογισμό της ηλεκτρικής ισχύος του κινητήριου συστήματος είναι: Μάζα οχήματος (συμπεριλαμβανομένου συσσωρευτή) Λόγος μετάδοσης ροπής Ενεργός επιφάνεια αυτοκινήτου Συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης Δυνάμεις επιβράδυνσης Προδιαγραφές επιδόσεων οχήματος Για απλοποίηση των υπολογισμών χωρίς να προκύπτει μεγάλο σφάλμα στα τελικά θεωρητικά αποτελέσματα θεωρείται ότι οι δυνάμεις που ασκούνται στο όχημα είναι μόνο διαμήκεις. Σαν πρώτο βήμα πριν ακολουθήσουν οι υπολογισμοί της χωρητικότητας του συστήματος των συσσωρευτών και της ισχύος του ηλεκτροκινητήριου συστήματος, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί ο συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης του οχήματος. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ένα Boeing 747 έχει συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης 0,031, ένα τυπικό αυτοκίνητο τριών όγκων (τύπου sedan) έχει 0,3-0,4, μία μοτοσυκλέτα 0,5-1 ενώ ένα τυπικό φορτηγό περίπου 0,9. Ο συντελεστής αυτός για το όχημα που χρησιμοποιήθηκε και περιγράφεται στην ενότητα δεν συμπεριλαμβάνεται στην βιβλιογραφία, οπότε πρέπει να υπολογιστεί δίνοντας έτσι περισσότερη ακρίβεια στους θεωρητικούς υπολογισμούς Τύπος οχήματος-προσδιορισμός αεροδυναμικού συντελεστή Αρχικά, για τον υπολογισμό του ηλεκτρικού συστήματος συνολικά είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός του σκελετού του οχήματος που θα χρησιμοποιηθεί. Το βάρος και το σχήμα του σασί του οχήματος αποτελούν βασικές παραμέτρους της διαδικασίας υπολογισμού. Αυτό συμβαίνει διότι όσο πιο βαρύ είναι το αμάξωμα τόσο μεγαλύτερη ισχύς απαιτείται από τους κινητήρες οι οποίοι θα το κινήσουν και θα είναι βαρύτεροι, αλλά και αντίστοιχα μεγαλύτερη ισχύς απαιτείται από τους συσσωρευτές, οι οποίοι θα έχουν επίσης μεγαλύτερο βάρος. Μια

107 Κεφάλαιο 4 ο τέτοια κατασκευή θα είναι ακόμα πιο βαριά αλλά και ιδιαίτερα κοστοβόρα διότι όσο αυξάνεται η αναλογία Wh/kg των συσσωρευτών το κόστος πολλαπλασιάζεται. Το ίδιο συμβαίνει αν ο συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης του οχήματος είναι μεγάλος. Η επιλογή του αμαξώματος πραγματοποιήθηκε με παραμέτρους το βάρος, το διαθέσιμο χώρο εγκατάστασης του εξοπλισμού, και το κόστος το οποίο τέθηκε με όριο τα επιλογή μεταχειρισμένων συμβατικών αυτοκινήτων ΙΧ κρίθηκε απαγορευτική διότι το βάρος τους χωρίς τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, ξεπερνούσε τα 500kg και η τιμή τους ξεπερνούσε τα Ο ρόλος του βάρους του αμαξώματος θα παρουσιαστεί αναλυτικότερα στην ενότητα Το όχημα στο οποίο επιλέχθηκε να τοποθετηθεί το ηλεκτρικό σύστημα είναι όχημα τύπου χωμάτινου buggy. Πιο συγκεκριμένα, το σασί του συγκεκριμένου οχήματος είναι σωληνωτό. Τα σωληνωτά σασί προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως χαμηλό βάρος και αυξημένη ακαμψία. Για το λόγο αυτό τα buggy αποτελούν οχήματα παντός εδάφους μεταβάλλοντας κατάλληλα τις παραμέτρους σχεδιασμού του εκάστοτε κινητήριου συστήματος, όπως είναι το σύστημα μετάδοσης και οι τροχοί. Ενδεικτικά, αναφέρουμε ότι τα οχήματα τύπου buggy χρησιμοποιούνται σε αγώνες ταχύτητας εντός και εκτός δρόμου, ως οχήματα αναψυχής, ως οχήματα ειδικού σκοπού, ως στρατιωτικά οχήματα ακόμα και ως οχήματα εξερεύνησης του διαστήματος.. Σχήμα 4.1: Αριστερά: αγωνιστικό όχημα buggy δρόμου, δεξιά: αγωνιστικό όχημα buggy άμμου[43]

108 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.2: buggy εκτός δρόμου σχεδιασμένο για αναψυχή [43] Σχήμα 4.3: Στρατιωτικό όχημα τύπου buggy, σχεδιασμένο ώστε να μπορεί να είναι ευέλικτο και αποτελεσματικό χωρίς όμως να προσφέρει παθητική προστασία από πυρά [43]

109 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.4: Αγροτικό όχημα τύπου buggy με δυνατότητα ανατροπής χώρου φόρτωσης [43] Σχήμα 4.5: Το διαστημικό buggy Lunar Rover που χρησιμοποιήθηκε για την εξερεύνηση της Σελήνης στις αποστολές Apollo 15 και 17. [43] Όπως φαίνεται στα σχήματα τα οχήματα τύπου buggy έχουν ευρύτατη περιοχή χρήσης αλλάζοντας τις παραμέτρους για την εκάστοτε εφαρμογή. Στην παρούσα κατασκευή επιλέχθηκε ένα όχημα buggy γενικού σκοπού της εταιρίας Buyang. Πιο συγκεκριμένα, επιλέχθηκε το μοντέλο FA-G300 που παρουσιάζεται στο σχήμα 4.6. Ο σχεδιασμός του

110 Κεφάλαιο 4 ο επιτρέπει χρήση εντός και εκτός δρόμου ενώ έχει διαστάσεις συγκρίσιμες με ένα σύγχρονο αυτοκίνητο πόλης χαμηλού κυβισμού. Ο διαθέσιμος χώρος πίσω από τα καθίσματα οδηγού και συνοδηγού κρίθηκε ιδανικός για την τοποθέτηση του εξοπλισμού του κινητήριου συστήματος και των συσσωρευτών, και το κόστος του ήταν μικρότερο του ορίου των Όσον αφορά στο κινητήριό του σύστημα, διατίθεται σε δύο εκδόσεις των 300cc και 450cc με κιβώτιο ταχυτήτων CVT και συμβατικό διαφορικό. Η έκδοση των 300cc έχει ισχύ 19hp με μέγιστη ροπή τα 20Nm στις 5500rpm με τελική ταχύτητα τα 60 km/h, ενώ η έκδοση των 450cc έχει ισχύ 40hp με μέγιστη ροπή τα 41Nm στις 7000rpm 100 km/h. Όσον αφορά στην ανάρτησή του τονίζεται ότι είναι πολύ καλά εξοπλισμένο ενσωματώνοντας χαρακτηριστικά που του επιτρέπουν να κινείται πολύ καλά εκτός δρόμου και άριστα εντός δρόμου. Όλοι οι τροχοί έχουν ανεξάρτητη ανάρτηση ενώ το πίσω σύστημα αναρτησης είναι εξοπλισμένο αντιστρεπτική ράβδο. Εμπρός η στήριξη των τροχών γίνεται με μονά ψαλίδια τύπου McPherson, ενώ η πίσω με διπλά ψαλίδια. Στον πίνακα του σχήματος 4.10 παρουσιάζονται τα εργοστασιακά χαρακτηριστικά του οχήματος FA-G300 που χρησιμοποιήθηκε στην εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Σχήμα 4.6: Εργοστασιακό μοντέλο FA-G300 της εταιρίας Buyang[40]

111 Κεφάλαιο 4 ο Μέγιστη ταχύτητα 60km/h Σύστημα φρένων εμπρός/πίσω Υδραυλικό χωρίς υποβοήθηση Απόσταση ακινητοποίησης 7m στα 30km/h Ακτίνα στροφής 3800mm Μέγιστο φορτίο 156 kg Ελαστικά εμπρός 25-8/12 Ελαστικά πίσω 25-8/12 Τύπος τροχών Κράμα αλουμινίου Διαστάσεις(ΜxΠxΥ) 2700mm x1470mm x1440mm Μετατρόχιο 2005mm Ύψος καθίσματος 500mm Απόσταση από το έδαφος 250mm Βάρος 370kg Πίνακας 4.1:Χαρακτηριστικά μοντέλου buggy FA-G300[40] Ο συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης δεν υπήρχε στα χαρακτηριστικά του οχήματος, αλλά ούτε και στη βιβλιογραφία επομένως υπολογίστηκε σύμφωνα με τις δυνάμεις οι οποίες ασκούνται σε ένα όχημα μάζας m με συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης Cd καθώς κινείται σε ανωφέρεια κλίσης α. Όπως ήδη αναφέρθηκε, στο σχήμα 4.1 φαίνεται ότι οι δυνάμεις που θεωρούνται είναι διαμήκεις. Faero: δύναμη που παριστάνει τις αεροδυναμικές αντιστάσεις Frc: δύναμη που αντιστοιχεί στη συνιστώσα του βάρους που είναι παράλληλη με το όχημα και εμφανίζεται σε κεκλιμένο επίπεδο Fm: δύναμη ώθησης από το κινητήριο σύστημα Frr: δύναμη αντίστασης από τις τριβές κύλισης των τροχών Για τις δυνάμεις αυτές ισχύει: Σχήμα 4.7: Δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα κατά την κίνησή του

112 Κεφάλαιο 4 ο Η δύναμη που οφείλεται στην αεροδυναμική αντίσταση δίνεται από τον τύπο: Στη σχέση αυτή οι όροι Cd, ρ και Α αποτελούν το συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης, την πυκνότητα του αέρα και την ενεργό (έμπροσθεν) επιφάνεια του οχήματος. Η πυκνότητα του αέρα μπορεί με σχετική ακρίβεια να οριστεί στο 1,2 [kg/m 3 ]. Στην πραγματικότητα όπως είναι προφανές είναι ευθέως εξαρτημένη από τη θερμοκρασία και την πίεση. Για συνθήκες πίεσης 1atm και 5 ο C η πυκνότητα είναι ρ=1,27 [kg/m 3 ], για θερμορασία 20 ο C ρ=1,2 kg/m 3 ενώ για 35 ο C ρ=1,14 kg/m 3. Καθώς η ταχύτητα του οχήματος αυξάνει οι αεροδυναμικές αντιδράσεις αυξάνουν ραγδαία καθώς η Faero είναι ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητας. Για το λόγο αυτό, σχεδιασμός οχήματος με χαμηλό αεροδυναμικό συντελεστή θα συνεπάγεται πολύ χαμηλότερες απαιτήσεις για μηχανική ισχύ του κινητήριου συστήματος από ότι για μεγαλύτερο. Πλεονέκτημα των οχημάτων με χαμηλό αεροδυναμικό συντελεστή έναντι αυτών με δυσμενέστερο είναι μεταξύ των άλλων η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας καθώς επίσης και η σταθερότητα στην κίνηση. Το δεύτερο προκύπτει από το γεγονός ότι στα αεροδυναμικά οχήματα εμφανίζονται πολύ λίγες ή καθόλου τυρβώσεις στις ροές του αέρα γύρω από αυτό. Στο σχήμα 4.8 παρουσιάζονται διάφορα γεωμετρικά σχήματα με τον αντίστοιχο αεροδυναμικό συντελεστή που χαρακτηρίζει το καθένα

113 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.8: Διάφορα σχήματα και αντίστοιχοι αεροδυναμικοί συντελεστές [wiki] Η δύναμη που οφείλεται στην οριζόντια συνιστώσα της αντίστασης του βάρους δίνεται από τον τύπο: Στη σχέση αυτή κατά την κίνηση σε ανωφέρεια η κλίση του δρόμου εισέρχεται υπό μορφή μοιρών ή ακτινίων. Σε περίπτωση που η κλιση δίνεται υπο μορφή κ% τότε πρέπει να γίνει η αντίστοιχη προσαρμογή: α=κ/100. Η δύναμη που οφείλεται στις τριβές κύλισης των τροχών δίνεται από τον τύπο: Στη σχέση αυτή η μεταβλητή fr αποτελεί τον συντελεστή τριβής κύλισης μεταξύ συγκεκριμένου εδάφους και συγκεκριμένου τύπου ελαστικών των τροχών. Για παράδειγμα ο συντελεστής αυτός παίρνει την τιμή 0,002 όταν πρόκειται για τροχούς σιδηρόδρομου σε ατσάλινη σιδηροδρομική τροχιά, για τυπικά ελαστικά αυτοκινήτου σε ασφαλτοτάπητα 0,03, ενώ για σταθερή αμμώδη επιφάνεια 0,04-0,08. Γνωρίζοντας τα παραπάνω και συνυπολογίζοντας τη σχέση που δίνει την αναγκαία ισχύ του οχήματος:, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της απαιτούμενης ισχύος του

114 Κεφάλαιο 4 ο κινητήριου συστήματος λαμβάνοντας υπόψη και τις απώλειες μετάδοσης. Σε αυτή τη σχέση θεωρούμε ότι:. Πριν τον προσδιορισμό της ισχύος του κινητήριου συστήματος είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός του συντελεστή αεροδυναμικής του οχήματος που επιλέχθηκε για την κατασκευή. Ο υπολογισμός του Cd του οχήματος μπορεί να γίνει έχοντας δεδομένα για συγκεκριμένο ζεύγος τιμών ταχύτητας και ισχύος. Από χρήστη του εργοστασιακού οχήματος FA-G300 λήφθηκε η πληροφορία ότι η τελική ταχύτητα του οχήματος σε οριζόντιο επίπεδο με ελαστικά δρόμου χωρίς άνεμο και πλήρες φορτίο είναι τα 90km/h. Η έκδοση των 300κ.ε. έχει βενζινοκινητήρα με ισχύ 14kW κιβώτιο ταχυτήτων CVT και συμβατικό διαφορικό. Θεωρώντας ένα συντελεστή απόδοσης του συστήματος μετάδοσης 70% προκύπτει ότι η ολική κινητήρια ισχύς που μεταφέρεται στο πέλμα των τροχών είναι. Για προκύπτει:. Η αντίσταση κύλισης είναι: Συνεπώς προκύπτει ότι:.. Από τη σχέση που δίνει τη δύναμη των αεροδυναμικών αντιστάσεων προκύπτει ότι: Στο σχήμα 4.9 φαίνονται καμπύλες της δύναμης αεροδυναμικής αντίστασης για ένα εύρος ταχυτήτων και για διάφορους συντελεστές αεροδυναμικής

115 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.9: Δύναμη αεροδυναμικής αντίστασης για διάφορες τιμές του Cd Μετά τον προσδιορισμό του συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης ακολουθεί ο υπολογισμός της ισχύος του κινητήριου συστήματος και η απαραίτητη χωρητικότητα και ισχύς του συστήματος των συσσωρευτών για την κάλυψη των προδιαγραφών Κινητήριο σύστημα Το όχημα στο οποίο επιλέχθηκε να τοποθετηθεί ο εξοπλισμός μετρήθηκε σε ειδικό ζυγό και είχε βάρος 230kg. Για τον υπολογισμό της διάταξης του κινητήριου συστήματος χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα των λογιστικών φύλλων excel. Οι υπολογισμοί έγιναν θεωρώντας φορτίο 50kg καθώς επίσης και 2 επιβάτες συνόλου 160kg. Το τελικό βάρος όμως εξαρτάται από τη χωρητικότητα των συσσωρευτών καθώς επίσης και από τους κινητήρες με το αντίστοιχο σύστημα μετάδοσης. Θωρούμε ότι τα διάφορα ηλεκτρονικά και οι καλωδιώσεις είναι περίπου 5kg, το κινητήριο σύστημα είναι περίπου 20kg και οι συσσωρευτές περίπου 100kg. Πιο συγκεκριμένα, το συνολικό θεωρητικό βάρος του οχήματος μαζί με επιβάτες είναι 571kg, δηλαδή 110kg περίπου λιγότερα από το εργοστασιακό μοντέλο των 300κ.ε. (686kg). Η αντίσταση στην κύλιση έχει τιμή:

116 Κεφάλαιο 4 ο Για κίνηση σε οριζόντιο επίπεδο, δηλαδή κίνηση με μηδενική κλιση του αμαξώματος προκύπτει ότι: Οι αεροδυναμικές αντιστάσεις του αυτοκινήτου υπολογίζονται από τη σχέση Για κίνηση με ταχύτητα 90km/h οι συνολικές αντιστάσεις του αυτοκινήτου σε οριζόντιο επίπεδο είναι : Για κίνηση με ταχύτητα 50km/h οι συνολικές αντιστάσεις του αυτοκινήτου σε οριζόντιο επίπεδο είναι : Για κίνηση με ταχύτητα 30km/h οι συνολικές αντιστάσεις του αυτοκινήτου σε επίπεδο κλίσης 8% είναι : Επομένως οι απαιτήσεις του αυτοκινήτου σε ισχύ προκύπτουν από την εξίσωση και έχουν ως εξής: - Σε οριζόντιο επίπεδο με ταχύτητα 90km/h: - Σε οριζόντιο επίπεδο με ταχύτητα 50km/h: - Σε κεκλιμένο επίπεδο κλίσης 8% με ταχύτητα 30km/h: Για να αναπτύξει ταχύτητα 90 km/h από στάση σε χρόνο 20 δευτερολέπτων η ισχύς που απαιτείται είναι:

117 Κεφάλαιο 4 ο Τελικά, προκύπτει μια μαθηματική σχέση η οποία καταδεικνύει τις ανάγκες του οχήματος για μηχανική ροπή. Για δύο περιπτώσεις οι σχέσεις έχουν ως εξής: Από τους υπολογισμούς φαίνεται ότι οι απαιτήσεις του οχήματος σε ισχύ ανέρχονται στα 9,19kW. Για να υλοποιηθεί το διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα το οποίο τέθηκε ως στόχος, επιλέχθηκαν δύο κινητήρες οι οποίοι θα λειτουργούν παράλληλα, ένας για την κίνηση κάθε τροχού στον πίσω άξονα όπως φαίνεται στο σχήμα Στο κινητήριο σύστημα του οχήματος συμμετέχουν τρία βασικά στοιχεία. Πρώτον, βασικό μέλος αυτό του συστήματος είναι οι ηλετροκινητήρες που είναι υπεύθυνοι για την παραγωγή της μηχανικής ροπής. Επίσης, υπάρχει μια διάταξη η οποία αναλαμβάνει να πολλαπλασιάσει τη ροπή στα κινητήρια ημιαξόνια υποπολλαπλασιάζοντας τις στροφές εξόδου των κινητήρων για κατάλληλη προσαρμογή στις απαιτήσεις του οχήματος. Το τελευταίο τμήμα του κινητήριου συστήματος που συμμετέχει στην κίνηση του οχήματος είναι και οι κινητήριοι τροχοί, η διάσταση των οποίων καταδεικνύει τη μέγιστη συχνότητα περιστροφής των κινητήριων ημιαξονίων. Σχήμα 4.10: Γενική διάταξη του κινητήριου συστήματος Πιο συγκεκριμένα, η διάμετρος των τροχών είναι 25, που αντιστιοιχεί σε r w =635mm. Για γραμμική ταχύτητα του αυτοκινήτου 100 km/h προκύπτει ότι:

118 Κεφάλαιο 4 ο [ ]. Η επιλογή των κινητήρων και των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τους (inverter) έγινε με παραμέτρους την ισχύ, το βάρος,το κόστος και τις στροφές λειτουργίας ανά λεπτό. Το κινητήριο σύστημα επιλέχθηκε μεταξύ αυτών του πίνακα 4.2. Οι inverter οι οποίοι αναφέρονται στον πίνακα 4.2 είναι εκείνοι τους οποίους πρότεινε ο κάθε κατασκευαστής κινητήρα για την τροφοδότηση του κινητήρα. Αρχικά έγινε επιλογή δύο κινητήρων ΜΕ3001 διότι καλύπτουν τις απαιτήσεις ισχύος του οχήματος. Πιο συγκεκριμένα, το όχημα για την κάλυψη των προδιαγραφών που έχουν τεθεί απαιτεί 9,19kW περίπου. Το κινητήριο σύστημα αποτελούμενο από δύο κινητήρες ΜΕ0907 έχει ονομαστική ισχύ 10kW περίπου. Επίσης οι κινητήρες αυτοί είναι από τους πιο ελαφριούς και τους πιο φθηνούς, σε συνδυασμό με τους αντίστοιχους inverter. Οι inverter οι οποίοι επιλέχθηκαν είναι οι ΚΒL72301 που λειτουργούν με DC τάση εισόδου 72V έναντι των KBL48301 που λειτουργούν με 48V, γιατί η υψηλότερη τάση λειτουργίας συνεπάγεται μικρότερα ρεύματα λειτουργίας άρα και λιγότερες απώλειες στα καλώδια της DC τροφοδοσίας. Όμως, το μοντέλο του κινητήρα ME3001 δεν υπήρχε στην παραγωγή σύμφωνα με τον κατασκευαστή, και γι αυτό αντικαταστάθηκε από τον ΜΕ0907 της εταιρίας MARS electric, ο οποίος έχει ακριβώς τα ίδια χαρακτηριστικά με τον προηγούμενο και μπορεί να τροφοδοτηθεί από τον ίδιο controller. Η μόνη διαφορά βρίσκεται στο γεγονός ότι ο ΜΕ0907 διαθέτει αισθητήρα θερμοκρασίας για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας του κινητήρα και την ειδοποίηση του χρήστη όταν αυτή ξεπεράσει τους το άνω θερμοκρασιακό όριο. Επίσης, έχει τριπλό αισθητήρα HALL για την παρακολούθηση του ελέγχου από τις διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος

119 Κεφάλαιο 4 ο Πίνακας 4.2:Συγκεντρωτικά χαρακτηριστικά και κόστη κινητήριων συστημάτων

120 Κεφάλαιο 4 ο Mια άποψη του ηλεκτροκινητήρα ΜΕ0907 παρουσιάζεαι στην εικόνα του σχήματος Σύμφωνα με τις πληροφορίες που παρέχονται από την κατασκευάστρια εταιρία, η μηχανή αυτή είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να έχει μεγάλη διάρκεια ζωής. Είναι σύγχρονη μηχανή και δεν απαιτεί έλεγχο σε ψήκτρες, διότι έχει μόνιμο μαγνήτη για τη δημιουργία του πεδίου διέγερσης. Πιο συγκεκριμένα, η μηχανή σαν κινητήρας έχει μέγιστη απόδοση 90%. Ακόμη, η ωμική αντίσταση είναι 0,013Ω μεταξύ δύο φάσεων, ενώ τα τυλίγματά της είναι συνδεδεμένα σε αστέρα. Η επαγωγή μεταξύ δύο φάσεων είναι 0,1mH. Το ονομαστικό ρεύμα του κινητήρα είναι 80Α και μπορεί για 1 να υπερφορτιστεί στα 220Α. Η peak ροπή εκκίνησης είναι 38Nm και θεωρητικά ισχύει η αναλογία 0,13Nm/1Α. Η μέγιστη ταχύτητα του δρομέα είναι 5000rpm και ο κινητήρας ζυγίζει κάτι λιγότερο από 10kg. Από το συνδιασμό του κινητήρα αυτού με τον επιλεγμένο inverter προκύπτει BLDC σύστημα. Σχήμα 4.11: Φωτγραφία του ηλεκτροκινητήρα ΜΕ0907[41] Στο σχήμα 4.12 φαίνεται το διάγραμμα φόρτισης του κινητήρα όταν αυτός περιστρέφεται σύμφωνα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Στον οριζόντιο άξονα αυτού του διαγράμματος είναι η ροπή και έχει μονάδες [LBF-IN]. Η αναλογία είναι 1[LBF- IN]=0,113[Nm]. Στο διάγραμμα αυτό φαίνεται ότι ο κινητήρας έχει μηχανική ισχύ (1) στον άξονα 5kW=6,8hp ενώ η απόδοσή του (3) μεγιστοποιείται στο 82% περίπου για σχετικά χαμηλές τιμές ροπής γύρω από τα 6,8Nm. Στη μέγιστη ισχύ η απόδοσή του μειώνεται κάτω από το 70% και οι στροφές (4) στον άξονα στις 2500rpm. Στο πάνω μέρος του σχήματος 4.13 φαίνεται ο τίτλος ME , διότι τα διαγράμματα είναι ίδια και για τη μηχανή ΜΕ

121 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.12: Διάγραμμα συμπεριφοράς ηλεκτροκινητήρα ΜΕ0907 (ME )[41] Η τελευταία παράμετρος για την επιλογή του κινητήρα, δηλαδή οι στροφές λειτουργίας στη μέγιστη ισχύ, ήταν επίσης καθοριστικής σημασίας διότι για τη μεταφορά της ισχύος από τους κινητήρες στους τροχούς απαιτείται κατάλληλο σύστημα μετάδοσης διαφορετικό του 1:1, αφού όλοι οι κινητήρες λειτουργούν σε περισσότερες από 1000rpm. Κανένας από τους υπόλοιπους κινητήρες δεν κάλυψε τις προδιαγραφές σε ροπή για λόγο μετάδοσης μικρότερο του 1:4, ενώ οι κινητήρες ΜΕ0907 καλύπτουν τις προδιαγραφές με λόγο μετάδοσης 1:3,5. Πιο συγκεκριμένα, εγινε σύγκριση με διάφορους λόγους μετάδοσης, τα αποτελέσματα των οποίων φαίνονται στο σχήμα Σε αυτό το διάγραμμα διακρίνονται δύο καμπύλες γραμμές με πράσινο (1) και μπλε (2) χρώμα αντίστοιχα. Οι καμπύλες αυτές παριστάνουν τις ανάγκες του οχήματος για μηχανική ροπή. Η μπλε (2) αντιστοιχεί για κίνηση σε οριζόντιο επίπεδο και η πράσινη (1) για κίνηση σε κεκλιμένο επίπεδο 8%. Οι άλλες 4 γραμμές αντιστοιχούν στη συμπεριφορά του κινητήριου συστήματος γα διάφορους λόγους μετάδοσης. Πιο συγκεκριμένα, η ευθεία μωβ (3) γραμμή αντιστοιχεί για λόγο μετάδοσης 1:1, η κόκκινη (4) σε 1:2,5, η γαλάζια (5) σε 1:3,5 και η πορτοκαλί (6) σε 1:4,5. Παρατηρούμε ότι οι στόχοι επιτυγχανονται για συντελεστή διόρθωσης-λόγο μετάδοσης 1:3,5. Με αυτή τη σχέση μετάδοσης επιτυγχάνεται κάλυψη της απαιτούμενης μηχανικής ροπή σε ανάβαση και οριακά επιτυγχάνεται ο στόχος της τελικής ταχύτητας των 100 km/h με μικρή υπερφόρτιση των κινητήρων

122 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.13: Διάγραμμα απαιτήσεων οχήματος και συμπεριφοράς του κινητήριου συστήματος με το σύστημα μετάδοσης. Όπως είναι κατανοητό, το κινητήριο σύστημα και συνεπώς η συμπεριφορά του οχήματος, έχει διαφορά ανάλογα με τη σχέση μετάδοσης που θα επιλεγεί το κινητήριο σύστημα. Στις γραφικές παραστάσεις του σχήματος 4.13 που αφορούν στο κινητήριο σύστημα παρατηρούμε ότι οι γραφικές παραστάσεις που έχουν σχέση μετάδοσης διαφορετική του 1:1, έχουν δύο διαφορετικές κλίσεις οι ευθείες. Αυτό συμβαίνει διότι ο κινητήρας μετέρχεται από το πεδίο σταθερής ροπής (αριστερό τμήμα) στο πεδίο σταθερής ισχύος (δεξί τμήμα). Στην περιοχή σταθερής ροπής η γραφική παράσταση ροπής-ταχύτητας του κινητήρα ακολουθεί τη μαθηματική σχέση: Ενώ στην περιοχή σταθερής ισχύος:

123 Κεφάλαιο 4 ο Η ροπή Μ προκύπτει σε [Nm], η μεταβλητή Ω [rad/sec] αντιστοιχεί στην ταχύτητα του δρομέα του ηλεκτροκινητήρα και η παράμετρος CF παίρνει τιμές χωρίς μονάδες και αντιστοιχεί στην τιμή της σχέσης μετάδοσης (Correction Factor). Για παράδειγμα, για σχέση μετάδοσης 3 στη σχέση πρέπει να τεθεί CF=3. Στην περιοχή σταθερής ροπής επιλέχθηκε η κλίση μείωσης της ροπής ίση με 1%. στις 2500rpm ο κινητήρας παρουσιάζει ροπή ίση με 19Nm επομένως η ροπή που αντιστοιχεί σε μηδενικές στροφές για κλίση 1% είναι 44,63 Nm. Αντίστοιχα στην περιοχή σταθερής ισχύος η ροπή μειώνεται με ρυθμό , ο οποίος υπολογίζεται από τα σημεία που αντιστοιχούν σε ροπή ίση με 19Nm για 2500rpm και ροπή ίση με το μηδέν. Όμοια, για την κλίση υπολογίζεται το σημείο των 54,14Nm το οποίο αντιστοιχεί σε μηδενικές στροφές. Και στις δύο περιοχές λειτουργίας η συνολική ροπή πολλαπλασιάζεται με το συντελεστή διόρθωσης και στη συνέχεια διπλασιάζεται διότι η διάταξη αποτελείται από δύο κινητήρες οι οποίοι λειτουργούν παράλληλα. Επιπρόσθετα, παρατηρούμε ότι η γραφική παράσταση που δίνει τη μέγιστη ροπή του κινητήριου συστήματος για δεδομένη ταχύτητα για μία συγκεκριμένη σχέση μετάδοσης έχει ικανοποιητική θέση ως προς τη γραφική παράσταση απαιτήσεων του οχήματος, για μηχανική ροπή για CF=3,5. Πιο συγκεκριμένα, στην ταχύτητα των 30 km/h η μέγιστη ροπή του κινητήριου συστήματος για οδήγηση σε κλίση 8% έχει ικανοποιητική διαφορά σε σχέση με τη γραφική παράσταση των απαιτήσεων του οχήματος. Ταυτόχρονα, στην ταχύτητα των 90 km/h με μικρή υπερφόρτιση του κινητήριου συστήματος επιτυγχάνεται ο στόχος για τελική ταχύτητα 90 km/h. Τέλος, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του inverter KBL72301 που κατασκευάζεται από την εταιρία Kelly Controller, στον πίνακα 4.3. Σχήμα 4.14: Εικόνα του ηλεκτρονικού μετατροπέα που χρησιμοποιήθηκε[41]

124 Κεφάλαιο 4 ο Ονομαστική Τάση λειτουργίας 18V-90V Συχνότητα λειτουργίας 16,6kHz Ρεύμα σε κατάσταση αναμονής <0,5mA Ρεύμα τροφοδοσίας αισθητήρων 5V 40mA Περιοχή ρύθμισης ελέγχου τροφοδοσίας 18-90V Αναλογική είσοδος επιταχυντή και πέδης αναλογικό σήμα 0-5V Οδήγηση περιφερειακών εξαρτημάτων Ειδοποίηση όπισθεν, μετρητικά, κύριο ρελαί Θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας πλήρης ισχύος 0-50 ο C (περίβλημα controller) Θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας -30 ο C ο C (100 ο C shutdown) Μέγιστο συνεχές ρεύμα 150 Α Μέγιστο ρεύμα για Α Μέγιστο ρεύμα εισόδου Ρυθμίσιμο (20%-100%) Πίνακας 4.3:Κύρια Χαρακτηριστικά των ηλεκτρονικών μετατροπέων που χρησιμοποιήθηκαν Συστημα συσσωρευτών Εξαιρετική σημασία έχει ο σχεδιασμός του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας του οχήματος. Πριν το στάδιο του σχεδιασμού των συσσωρευτών απαιτείται ο προσδιορισμός της αναγκαίας χωρητικότητας του συνόλου τους. Γενικά υπάρχουν πολλές μέθοδοι υπολογισμού της χωρητικότητας των συσσωρευτών του οχήματος. Στην παρούσα εργασία έχει τεθεί προδιαγραφή το όχημα να έχει αυτονομία 100km. Επειδή το όχημα σχεδιάζεται για χρήση εντός πόλης, όπου το μέγιστο όριο ταχύτητας είναι τα 50 km/h, θεωρούμε ότι για να διανυθούν 100km το όχημα κινείται με 50 km/h για χρονικό διάστημα 2 ωρών. Ο υπολογισμός της χωρητικότητας γίνεται λαμβάνοντας υπόψη ότι 10% της συνολικής διαδρομής έχει ανωφέρειες και κατωφέρειες, ενώ ο καθορισμός της γίνεται θεωρώντας κίνηση για 2 ώρες με σταθερή ταχύτητα 50 km/h. Από την παράγραφο 4.2 υπολογίστηκε ότι P veh = 2,63kW, άρα για λειτουργία 2 ωρών το κινητήριο σύστημα απαιτεί ενέργεια ίση με: W = 2*P veh = 5,26kWh. Αν υποτεθεί ότι ο συντελεστής απόδοσης του συστήματος ηλεκτρομηχανικής μετατροπής είναι 70% τότε οι συσσωρευτές απαιτείται να έχουν χωρητικότητα 7,5kWh

125 Κεφάλαιο 4 ο Η τάση της διάταξης των συσσωρευτών αποφασίστηκε να είναι η μεγαλύτερη δυνατή ώστε να είναι μειωμένα τα ρεύματα εισόδου των ηλεκτρονικών μετατροπέων. Πιο συγκεκριμένα, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιήθηκαν έχουν μέγιστη τάση ονομαστική λειτουργίας τα 72V. Ταυτόχρονα, ο κατασκευαστής των ηλεκτρικών μηχανών προτείνει μέγιστη τάση στη διάταξη του ελέγχου τα 72V. Η επιλογή των συσσωρευτών έγινε με παραμέτρους τον τύπο, την ισχύ, το βάρος και το κόστος/kwh. Το σύστημα των συσσωρευτών επιλέχθηκε μεταξύ αυτών του πίνακα 4.4. Η χωρητικότητα των μπαταριών αντιστοιχεί στη χωρητικότητα κάθε κελιού. Οι συσσωρευτές οι οποίοι επιλέχθηκαν να αποθηκεύσουν και να παρέσχουν για τη λειτουργία του οχήματος την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια είναι κατασκευής της εταιρίας WINSTONbattery (πρώην THUNDERSKY). Πιο συγκεκριμένα, είναι το μοντέλο LYP90AHA (lpf90ah). Όπως μαρτυρά το μοντέλο έχουν χωρητικότητα 90Ah ενώ η ονομαστική τάση κάθε κελιού είναι στα 3,2V. Η επιλογή των συσσωρευτών αυτών έγινε για τους εξής λόγους. Αρχικά, όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 3.2.6, είναι συσσωρευτές LPB λιθίου-σιδήρου-φωσφώρου με επικάλυψη υττρίου (αγωγός) στο μεταλλικό ηλεκτρόδιο άρα είναι οι πλέον κατάλληλοι για εφαρμογές αυτοκίνησης. Επίσης, αν και δεν είναι οι πιο οικονομικοί, παρουσιάζουν το μικρότερο βάρος. Είναι προφανές ότι σύμφωνα με τον υπολογισμό της ισχύος των κινητήρων στην ενότητα οι επιλογή συσσωρευτών αντίστοιχης χωρητικότητας του πίνακα 4.4 θα οδηγούσε σε πολλαπλάσιο βάρος των συσσωρευτών, συνεπώς σε κινητήρες μεγαλύτερης ισχύος και κόστους. Σύμφωνα με τα παραπάνω κριτήρια, απαιτούνται 24 συσσωρευτές των 3,2V επιτυγχάνοντας ονομαστική τάση λειτουργίας της διάταξης αποθήκευσης ενέργειας τα. Έτσι η χωρητικότητα των συσσωρευτών προκύπτει ίση με η οποία είναι μικρότερη της απαιτούμενης για την κάλυψη της αυτονομίας των 100km. Πιο συγκεκριμένα το όχημα με αυτούς τους συσσωρευτές έχει αυτονομία 92km. Όμως, συσσωρευτές μεγαλύτερης χωρητικότητας ήταν πολύ πιο ακριβοί και ξεπερνούσαν το ανώτατο όριο του κόστους αγοράς, επομένως οι συσσωρευτές LYP90AHA θεωρήθηκαν η βέλτιστη επιλογή

126 Κεφάλαιο 4 ο Πίνακας 4.4:Συγκριτικά χαρακτηριστικά μπαταριών

127 Κεφάλαιο 4 ο Το γεγονός ότι υπερβαίνονται τα 72V δεν αποτελεί πρόβλημα δεδομένου ότι το εύρος τάσης που είναι αποδεκτό από τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος είναι 18-90V. Ταυτόχρονα από τα σχήματα παρατηρούμε ότι η τάση των συσσωρευτών δεν υπερβαίνει τα 3,33V σε καμία περίπτωση συνεπώς η μέγιστη τάση που μπορεί να έχει το σύστημα των συσσωρευτών είναι 79,92V. Περισσότερα χαρακτηριστικά για το είδος αυτού του κελιού παρατίθενται στον πίνακα του σχήματος 4.15 και οι διαστάσεις του στο σχήμα Η ανάλυση της λειτουργίας των χαρακτηριστικών αυτού του τύπου των συσσωρευτών περιγράφεται στην ενότητα Ο τρόπος με τον οποίο εντάχθηκαν στο πλαίσιο μηχανικά αλλά και η σύνδεσή τους στο υπόλοιπο ηλεκτρικό σύστημα παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 7. Σχήμα 4.15: Χαρακτηριστικά κελιού LYP90AHA[42]

128 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.16: Φωτογραφίες των κελιών LYP και διαστάσεις του κελιού χωρητικότητας 90Ah[42] Σχήμα 4.17: Χαρακτηριστικές καμπύλες εκφόρτισης κελιού κελιού LYP90AHA υπό ονομαστική θερμοκρασία[42]

129 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.18: Χαρακτηριστικές καμπύλες κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης κελιού LYP90AHA με ρυθμό εκφόρτισης 0,5C=45Α υπό ονομαστική θερμοκρασία[42] Σχήμα 4.19: Χαρακτηριστικές καμπύλες εκφόρτισης κελιού LYP90AHA υπό διαφορετικές θερμοκρασίες[42]

130 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.20: Χαρακτηριστική καμπύλη αυτοεκφόρτισης κελιού LYP90AHA[42] Τέλος, στο σύστημα των συσσωρευτών ενσωματώνεται και μια δευτερεύουσα μπαταρία. Ο βοηθητικός αυτός συσσωρευτής είναι μολύβδου οξέως (lead acid) κλειστού τύπου με ηλεκτρολύτη τύπου gel και έχει χωρητικότητα 45Αh. Σκοπός της ύπαρξής του είναι η τροφοδότηση του φωτισμού του οχήματος και η τροφοδότηση των πηνίων ελέγχου των μικρών automotive ρελαί που χρησιμοποιήθηκαν. Ο λόγος για τον οποίο δεν επιλέχθηκε απλώς ένα μεγαλύτερης ισχύος τροφοδοτικό DC/DC 72V/12V είναι το γεγονός ότι πρέπει σε κατάσταση κινδύνου, όπου και διακόπτονται οι συσσωρευτές οι οποίοι τροφοδοτούν τα επιμέρους ηλεκτροκινητήρια συστήματα, ο χρήστης του οχήματος να είναι δυνατόν να χρησιμοποιήσει τα φωτιστικά σώματα του οχήματος και τους επιμέρους ηλεκτρονόμους. Ο συσσωρευτής αυτός είναι απλή μπαταρία αυτοκινήτου και φαίνεται στην εικόνα του σχήματος

131 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.21: Βοηθητικός συσσωρευτής 12V/45Ah Διατάξεις ασφάλειας Για την υλοποίηση της ηλεκτρικής διάταξης απαιτήθηκε η εγκατάσταση διαφόρων στοιχείων που αναλαμβάνουν να προστατέψουν τη διάταξη των μετατροπέων ισχύος, τη διάταξη των συσσωρευτών, και τέλος τους χρήστες του οχήματος. Αρχικά, παρατίθεται στο σχήμα 4.22 το ηλεκτρικό κύκλωμα κάθε επιμέρους ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Στο κύκλωμα διασύνδεσης του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος φαίνεται στο πάνω μέρος του σχεδιαγράμματος ένα στοιχείο με την ονομασία «precharge resistor». Το στοιχείο αυτό είναι μια αντίσταση προφόρτισης του πυκνωτή εισόδου του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Όπως είναι γνωστό, για ορθή λειτουργία σε έναν μετατροπέα DC/AC απαιτείται πυκνωτής στην είσοδο ώστε να δίνει τις αιχμές ρεύματος που προκύπτουν κατά τη λειτουργία του. Για ασφαλή σύνδεση του μετατροπέα με την πηγή συνεχούς τάσης στην είσοδο απαιτείται αυτή η αντίσταση προφόρτισης. Εάν δεν υπήρχε, τότε κατά την σύνδεση του μετατροπέα θα εμφανιζόταν υπέρρευμα, λόγω φόρτισης του πυκνωτή με αποτέλεσμα μεταβολή της τάσης. Το γεγονός αυτό από τη μία πλευρά καταπονεί την πηγή συνεχούς τάσης και από την άλλη είναι πιθανό να εμφανιστεί υπέρταση στην είσοδο του μετατροπέα η οποία είναι ικανή να καταστρέψει τα διάφορα εσωτερικά κυκλώματα οδήγησης, ελέγχου και μικρού σήματος που είναι υπεύθυνα για τη λειτουργία του μετατροπέα, και το υπέρρευμα μπορεί να καταστρέψει και τον πυκνωτή. Η αντίσταση προφόρτισης έχει στοιχεία 1Κ/10W και τα άκρα της συνδέονται στους πόλους ισχύος του στοιχείου «Main Contactor»

132 Κεφάλαιο 4 ο Το στοιχείο «Main Contactor» είναι ένας ηλεκτρονόμος ενός πόλου, οποίος παρεμβάλλεται στη διασύνδεση των μετατροπέων με τη διάταξη των συσσωρευτών. Το πηνίο ελέγχου αυτού του μετατροπέα ελέγχεται από τη δευτερεύουσα μπαταρία του οχήματος κάνοντας έτσι τη συμπεριφορά του αναίσθητη στις μεταβολές της διάταξης των συσσωρευτών. Διαθέτει ισχυρό ελατήριο επαναφοράς έτσι ώστε σε περίπτωση διακοπής του πηνίου ελέγχου να γίνει αμέσως διακοπή του DC bus. Το τίμημα όμως είναι ότι για να συγκρατηθεί σε κατάσταση ενεργοποίησης το ρελαί, απαιτεί περίπου 0,9Α στο πηνίο ελέγχου στα 12V. Ακόμη ένα στοιχείο που είναι απαραίτητο στο κύκλωμα είναι η ασφάλεια τήξεως, όπως φαίνεται να είναι συνδεδεμένη στο κύκλωμα του σχήματος Η ασφάλεια αυτή τίθεται στο κύκλωμά στα 250Α και είναι υπεύθυνη να διακόπτει τη σύνδεση της διάταξης των συσσωρευτών με τη διάταξη των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος σε περίπτωση υπερρεύματος. Οι μετατροπείς ισχύος που είναι υπεύθυνοι για την οδήγηση των κινητήρων έχουν ονομαστικά χαρακτηριστικά 72V/300A όσον αφορά στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της εισόδου. Συνεπώς, είναι προφανές ότι η ασφάλεια δε χρησιμοποιείται στην περίπτωση αυτή για προστασία των κινητήριων συστημάτων. Σύμφωνα με τον πίνακα του σχήματος 4.15 οι συσσωρευτές είναι δυνατόν να εκφορτιστούν με ρεύμα 270Α για 15. Επειδή με μικρή υπερφόρτιση του συστήματος καλύπτονται οι στόχοι που τέθηκαν στις προδιαγραφές και λόγω του ότι δεν υπάρχει διαθέσιμη στην αγορά ασφάλεια τήξεως 270Α αποφασίστηκε η ονομαστική τιμή της ασφάλειας να είναι 250Α. Πρακτικά, εκφορτίζοντας του συσσωρευτές με ρεύμα 240Α στα 72V απορροφάται ισχύς 72*240=17,28kW. Η ισχύς αυτή υπερκαλύπτει τους στόχους για τελική ταχύτητα και ανάβαση επιπέδου με κλίση. Επειδή στον πίνακα του σχήματος 4.15 ο κατασκευαστής επισημαίνει ότι η υπερφόρτιση των συσσωρευτών πρέπει να μην υπερβαίνει τα 15 για ρυθμό 270Α, ιδιαίτερα χρήσιμο είναι σε αυτήν την περίπτωση είναι το σύστημα παρακολούθησης ενέργειας. Έτσι, είναι κατανοητό οτι η ασφάλεια τήξεως προστατεύει του συσσωρευτές από την πιθανή υπερθέμανσή τους που ίσως προκαλέσει ανάφλεξη του ηλεκτρολύτη, και επειδή ο ηλεκτρολύτης είναι σε μορφή gel καθιστά δύσκολη ή μάλλον αδύνατη την κατάσβεσή του. Επιπρόσθετα, για τον έλεγχο των επαφών λειτουργίας του οχήματος γίνεται χρήση μικρών ηλεκτρονόμων. Πιο συγκεκριμένα, για την ενεργοποίηση των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, την ενεργοποίηση του τροφοδοτικού 72V σε 12V και την ενεργοποίηση του κυκλώματος ελέγχου του φωτισμού χρησιμοποιούνται μικρά automotive relays. Αυτοί οι

133 Κεφάλαιο 4 ο ηλεκτρονόνοι ελέγχονται από τη δευτερεύουσα μπαταρία του οχήματος και έχουν τη δυνατότητα να ελέγξουν ρεύμα της τάξης των 40Α στην επαφή ισχύος τους. Στην πραγματικότητα σε κανέναν από τους 3 ηλεκτρονόμουν δεν πρόκειται να υπερβεί το ρεύμα τα 20Α. Το pin ενεργοποίησης των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος δεν απαιτεί ηλεκτρικό ρεύμα. Επίσης το τροφοδοτικό 72V/12V έχει μέγιστο ρεύμα εξόδου τα 8,5Α και το μέγιστο ρεύμα που θα απαιτηθεί από το κύκλωμα του φωτισμού είναι περίπου τα 23Α ανάλογα με τους λαμπτήρες που χρησιμοποιούνται. Στην προκειμένη περίπτωση η προστασία αναφέρεται στον χρήστη του οχήματος, καθώς ελέγχει επαφές των 72V με τάση 12V και μικρό ρεύμα και μεγάλες καταναλώσεις ελέγχονται επίσης με τάση 12V και μικρό ρεύμα. Τέλος, απαραίτητο στοιχείο στην κατασκευή, λόγω των πειραματικών χαρακτηριστικών που έχει, είναι ο διακόπτης πανικού ή όπως κοινώς καλείται μανιτάρι. Το μανιτάρι είναι ένας διακόπτης με μανδάλωση και στο κύκλωμά μας σε κατάσταση normal είναι ON, δηλαδή η επαφή που ελέγχει είναι κλειστή. Το στοιχείο αυτό τίθεται σε σειρά με έναν από τους δύο αγωγούς τροφοδοσίας του πηνίου ελέγχου του «Main Contactor» και ελέγχει τη ροή ή όχι του ρεύματος διαμέσου αυτού και κατ επέκταση την ενεργοποίηση ή όχι του «Main Contactor». Το μπουτόν αυτό τοποθετείται στο όχημα σε θέση τέτοια ώστε να είναι εύκολη η χρήση του από τον οδηγό σε κατάσταση κινδύνου, ώστε να αποσυνδεθούν οι συσσωρευτές

134 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.22: Κυκλωματικό διάγραμμα διασύνδεσης του ηλεκτρονικού μετατροπέα KBL72301[42]

135 Κεφάλαιο 4 ο 4.3 Κύρια στοιχεία τυπωμένων κυκλωμάτων Οικογένεια μικροελεγκτών dspic30f Για την υλοιποίηση των κατασκευών απαιτήθηκε να χρησιμοποιηθούν μικροελεγκτές της οικογένειας dspic30f της εταιρίας Microchip. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν οι μικροελεγκτές dspic30f4011 και dspic30f4013, ο πρώτος στο σύστημα του διαφορικού και ο δεύτερος στο σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών. Ο μικροελεγκτής αποτελεί μια αυτόνομη διάταξη που ενσωματώνει μικροεπεξεργαστή και μια πληθώρα περιφερειακών συστημάτων. Οι μικροελεγκτές έχουν στη σημερινή εποχή ευρύτατη εφαρμογή σε πολλά καταναλωτικά αγαθά καθώς επίσης και σε κατασκευές εξειδικευμένου σκοπού. Τα κύρια θετικά γνωρίσματα αυτών των ολοκληρωμένων στοιχείων φαίνονται παρακάτω: Αυτονομία Χαμηλό κόστος Μεγάλη ηλεκτρομαγνητικη θωράκιση καθώς τα περιφερειακά του μ/ε ενσωματώνονται στο ίδιο στοιχείο με αποτέλεσμα να προστατεύονται από το περίβλημα Εξαιρετικά μικρό μέγεθος, καθώς σε ένα στοιχείο 40pin συμπεριλαμβάνονται η διάταξη του μικροεπεξεργαστή και των διαφόρων περιφερειακών μονάδων Πολλοί διαθέσιμοι ακροδέκτες για είσοδο αναλογικών/ψηφιακών σημάτων και ψηφιακές εξόδους Οι μικρολεγκτές της οικογένειας dspic30f αποτελούν μικροελεγκτές DSP. Πιο συγκεκριμένα έχουν δυνατότητες ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (Digital Signal Processing), ενσωματώνοντας τα απαραίτητα περιφερειακά. Τα χαρακτηριστικά ενός τέτοιου μικροελεγκτή είναι τα εξής: Ο προγραμματισμός του γίνεται σε γλώσσα C που με εξειδικευμένο compiler και κατάλληλο σετ εντολών χαμηλού επιπέδου με ευέλικτη διευθυνσιοδότηση 83 βασικές εντολές 48ΚΒ μνήμης τύπου flash για αποθήκευση του προγράμματος 2ΚΒ μνήμης RAM για προσωρινή αποθήκευση δεδομένων

136 Κεφάλαιο 4 ο 1ΚΒ EEPROM για μόνιμη αποθήκευση δεδομένων Ταχύτητα εκτέλεσης εντολών έως 30MIPS Έως 40MHz εσωτερική συχνότητα του μικροεπεξεργαστή Διαθέτει εσωτερικο ταλαντωτή συχνότητας 4MHz-10MHz με active PLL (4x,8x,16x) 30 interrupts που διαχωρίζονται σε: α) 3 εξωτερικά interrupts β) Διάκριση επιπέδου προτεραιότητας για κάθε διακοπή (8 επίπεδα) γ) 4 πηγές interrupt που προκαλούν trap στον μικροεπεξεργαστή Χαρακτηριστικά DSP engine: Ταυτόχρονη συγκομιδή δεδομένων Συλλέκτη (accumulator) δεδομένων/αποτελεσμάτων της αριθμητικής λογικής μονάδας (ALU) για τις λειτουργίες DSP Διευθυνσιοδότηση κάνοντας modulo ή bit-reversing Διαθέτει δύο 40bit συλλέκτες (accumulators) με δυνατότητα επιλογής κορεσμού Για την υλοποίηση της πρόσθεσης και του πολλαπλασιασμού υπάρχει κατάλληλος πίνακας 17bitx17bit για την διεξαγωγή σε ένα κύκλο Όλες οι διεργασίες ψηφιακής επεξεργασίας σήματος εκτελούνται σε ένα κύκλο ±16-bit μετατόπιση ενός κύκλου (για μετατόπιση δεξιά ή αριστερά) Οι μικροελεγκτές dspic30f4011 και dspic30f4013 Γενικά, οι μικροελεγκτές της οικογένειας dspic30f διακρίνονται από μια πληθώρα περιφερειακών μονάδων που ενσωματώνονται στο ίδιο chip και πλαισιώνουν τις DSP λειτουργίες τους. Ενδεικτικά να αναφέρουμε ότι έχουν μονάδα μετατροπής αναλογικό-σεψηφιακό (ADC), μονάδες σειριακής μετάδοσης CAN, I2C και UART καθώς και παράλληλης μετάδοσης SPI, TIMERs κ.α. Πιο συγκεκριμένα, στο κύκλωμα του ηλεκτρονικού διαφορικού χρησιμοποιήθηκε η μονάδα παραγωγής PWM, ο ADC, η μονάδα Input Capture, καθώς και χρονιστές (TIMERs) του μικροελεγκτή dspic30f4011. Η ADC μονάδα του μικροελεγκτή μετατρέπει αναλογικό σήμα σε λέξη των 10bit και έχει 4 στοιχεία S/H (δειγματοληψίας και συγκράτησης) και μετατροπή κάθε φορά μέχρι

137 Κεφάλαιο 4 ο αναλογικών σημάτων. Οι μετατροπές πραγματοποιούνται με μέγιστο ρυθμό 1MSPS, ενώ η δειγματοληψία μπορεί να γίνει μέσω 9 καναλιών εισόδου. Η μονάδα αυτή μπορεί να λειτουργεί και κατά τις λειτουργίες Sleep και Idle του μικροεπεξεργαστή. Ακόμη έχει τη δυνατότητα για προγραμματίσιμο Reset σε στιγμιαία διακοπή της τροφοδοσίας. Τέλος, μονάδα αυτή χρησιμοποιείται για μέτρηση των αναλογικών σημάτων όπως φτάνουν στις εισόδους του μ/ε από τον επιταχυντή και τη μέτρηση της απόκλισης του τιμονιού. Η μονάδα παραγωγής παλμών μεταβλητού εύρους (PWM) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή των σημάτων ελέγχου ταχύτητας που καταφθάνουν στις εισόδους του διπλού κινητήριου συστήματος. Ο μ/ε διαθέτει 6 κανάλια για παραγωγή PWM, που στην πραγματικότητα αποτελούνται από 3 ζεύγη καναλιών στο καθένα από τα οποία προσδιορίζεται η έξοδος από μια από τις 3 γεννήτριες λόγου κατάτμησης (Duty Cycle generators). Η συχνότητα των παλμοσειρών είναι προγραμματίσιμη, και όταν τα ζεύγη των καναλιών λειτουργούν συμπληρωματικά υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγής νεκρού χρόνου. Επιπρόσθετα, στο διαφορικά ελεγχόμενο σύστημα χρησιμοποιείται η μονάδα αναγνώρισης ανερχόμενων/κατερχόμενων παρυφών Input Capture. Ο μ/ε ενσωματώνει στο chip τη μονάδα αυτή παρέχοντας τη δυνατότητα για μέτρηση συχνότητας/εύρους παλμών που καταφθάνουν σε κάθε ένα από τα 4 κανάλια IC1,IC2,IC7 και IC8. Η μονάδα αυτή παρέχει τη δυνατότητα για απλή λειτουργία αναγνώρισης παλμού, επιλογή μεταξύ των Timer2/Timer3 και τέλος την παραγωγή διακοπών(interrupts) όταν υπάρξει αναγνώριση γεγονότος. Η μονάδα των χρονιστών που απαιτήθηκε για την επεξεργασία της πληροφορίας από τη μονάδα Input Capture. Η μονάδα των χρονιστών 16bit έχει τρεις ξεχωριστές λειτουργίες: απλή αύξηση της τιμής του καταχωρητή σύμφωνα με το ρολόι του μ/ε (Timer mode), αύξηση του καταχωρητή σύμφωνα με την ανερχόμενη παρυφη ενός εξωτερικά τοποθετημένου ρολογιού που είναι συγχρονισμένο με το εσωτερικό ρολόι (Synchronous Counter Mode) αύξηση του καταχωρητή σε κάθε εισερχόμενη παρυφή από εξωτερικά συνδεδεμένο ρολόι (Asynchronous Counter Mode) Επίσης υποστηρίζονται και οι ακόλουθες λειτουργίες όσον αφορά στους χρονιστές: λειτουργία Timer-gate

138 Κεφάλαιο 4 ο λειτουργία prescaler για μείωση της συχνότητας του χρονιστή σε σύγκριση με το εκάστοτε ρολόι λειτουργία των χρονιστών όταν ο μικροεπεξεργαστής είναι σε κατάσταση Idle ή Sleep παραγωγή διακοπής (interrupt) όταν επιτυγχάνεται μια τιμή του καταχωρητή του χρονιστή ή κατά κατερχόμενη παρυφή από εξωτερικά συνδεδεμένο ρολόι. Παράλληλα, στο σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών χρησιμποιείται ο μικροεπεξεργαστής dspic30f4013. Για τη λειτουργία του συστήματος αυτού χρησιμοποιούνται οι μονάδες ADC και I2C. Η μονάδα ADC του dspic30f4013 διαφέρει από την αντίστοιχη του dspic30f4011 σε αρκετά σημεία. Αναλυτικότερα, καταρχήν μετά τη δειγματοληψία προκύπτει τιμή για τη στάθμη του σήματος εισόδου λέξης εύρους 12bit όχι 10bit. Παράλληλα, η μετατροπή γίνεται με ρυθμό 200ksps μέσω ενός στοιχείου συγκράτησης τάσης S/H στο οποίο μπορούν να συνδεθούν μέχρι και 13 διαφορετικά κανάλια, ένα κάθε φορά για δειγματολψία. Ένα επιπρόσθετο χαρακτηριστικό της μονάδας ADC του 4013 είναι ότι έχει προγραμματιζόμενη αναγνώριση χαμηλού δυναμικού. Το επόμενο χαρακτηριστικό του συστήματος παρακολούθησης συσσωρευτών, η μέτρηση της θερμοκρασίας κάθε κελιού, πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας την περιφερειακή μονάδα σειριακής επικοινωνίας I2C. Η υλοποίηση γίνεται μέσω εγγραφής/ανάγνωσης λέξεων 16bit από τους καταχωρητές της μονάδας υποστηρίζοντας λειτουργίες master και slave όσον αφορά τον μ/ε. Πιο συγκεκριμένα, υποστηρίζεται το περιβάλλον ενός master ή πολλαπλών ενώ παράλληλα ο μ/ε μπορεί να οριστεί και σαν slave. Στην παρούσα εργασία η υλοποίηση γίνεται με μονό master καθώς τα ψηφιακά θερμόμετρα δεν μπορούν να παράξουν τους κατάλληλους παλμούς ρολογιού για την υλοποίηση της επικοινωνίας. Οι ψηφιακοί αισθητήρες που χρησιμοποιούνται δακρίνονται από 7bit διεύθυνσεις ενώ από τον μ/ε υποστηρίζονται και διευθύνσεις των 10bit. Ο δίαυλος του I2C υποστηρίζει μετάδοση δεδομένων και προς τις δύο κατευθύνσεις. Τo κανάλι του ρολογιού έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί σαν μηχανισμός επιβεβαίωσης των διαφόρων σταδίων του πρωτοκόλλου επικοινωνίας. Στην περίπτωση πολλαπλών master σε ένα περιβάλλον υποστηρίζεται η δυνατότητα ελέγχου σύγκρουσης δεδομένων, που όταν συμβεί αναλαμβάνει ο μ/ε να καθοδηγήσει σωστά την πληροφορία αποφεύγοντας τις συγκρούσεις

139 Κεφάλαιο 4 ο Περιφερειακά ολοκληρωμένα των κυκλωμάτων Για την υλοποίηση των συστημάτων παρακολούθησης συσσωρευτών και διαφορικού χρησιμοποιήθηκαν διάφορα ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία πλαισιώνουν τη λειτουργία των μικροεπεξεργαστών. Απαραίτητη διάταξη για τα τυπωμένα κυκλώματα είναι το κύκλωμα του τροφοδοτικού που αναλαμβάνει να παράξει τα απαραίτητα 5V για τη λειτουργία των τυπωμένων κυκλωμάτων. Χρησιμοποιείται το τροφοδοτικό τύπου buck TS2576 στη δομή των TO-220-5pin σταθερής εξόδου 5V. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 4 διαθέτει πέραν των προφανών pin εισόδου εξόδου και γης, pin ανάδρασης και pin enable. Το τροφοδοτικό αυτό αντικαθιστά τα συνηθισμένα σταθεροποιητικά τάσης τριών ακροδεκτών έχοντας μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης από αυτά. Επίσης, η χαμηλή καταναλισκόμενη ισχύς των τυπωμένων κυκλωμάτων δεν απαιτεί από το τροφοδοτικό εκτεταμένο ψυκτικό σώμα, όπως θα απαιτούσαν τα σταθεροποιητά των 3 ακροδεκτών. Σχήμα 4.23: Διακοπτικό τροφοδοτικό 5V για την τροφοδοσία των κυκλωμάτων Σχήμα 4.24: Κύκλωμα διακοπτικού τροφοδοτικού TS

140 Κεφάλαιο 4 ο Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Θερμοκρασία λειτουργίας 0-45 ο C Τάση εισόδου V Μέγιστο ρεύμα εξόδου 3Α Απόδοση 77% Διακοπτική συχνότητα 52kHz Σχήμα 4.25: Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του παλμοτροφοδοτικού TS2576 Ένα άλλο ευρύτατα χρησιμοποιημένο ολοκληρωμένο τσιπ που χρησιμοποιείται στα τυπωμενα κυκλώματα είναι το 72HC04N. Το ολοκληρωμένο αυτό ενσωματώνει 6 λογικούς αντιστροφείς. Είναι ένα ολοκληρωμένο 14pin και το λογικό του διάγραμμα φαίνεται στο Σχήμα Χρησιμοποιείται ως οδηγός διαφόρων στοιχείων των τυπωμένων κυκλωμάτων ώστε να μην επιβαρύνεται ο μ/ε με ρεύματα εξόδου, όπως για παράδειγμα για την ενεργοποίηση των λυχνιών led στο σύστημα παρακολούθησης των συσσωρευτών. Σχήμα 4. 26: Λογικό σύμβολο ολοκληρωμένου 72HC04N Ένα ακομη ολοκληρωμένο που χρησιμοποιείται είναι το 72HC32N. Έχει και αυτό δομή 14pin όπως το 72HC04N, αλλά αυτό ενσωματώνει πύλες OR

141 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.27: Λογικό σύμβολο του ολοκληρωμένου 74HC32 Ακόμη ένα απαραίτητο στοιχείο που χρησιμοποιείται σε όλα τα τυπωμένα κυκλώματα είναι το ημιαγωγικό στοιχείο οπτικής απομόνωσης KB817. Ο optocoupler KB817 χρησιμοποιείται στην απομόνωση των σημάτων εξόδου του κυκλώματος του διαφορικού από τις διατάξεις των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, καθώς επίσης και στην έξοδο του γενικού σφάλματος από κάθε κύκλωμα παρακολούθησης συσσωρευτών. Υλοποιείται σε ένα στοιχείο 4pin. Σχήμα 4.28: Εσωτερικό διάγραμμα συνδέσεων του optocoupler KB

142 Κεφάλαιο 4 ο Ρεύμα πόλωσης Ανάστροφη τάση Κατανάλωση ισχύος εισόδου Τάση συλλέκτη-εκπομπού Ρεύμα συλλέκτη Κατανάλωση ισχύος εξόδου Δυναμικό απομόνωσης(για 1 ) Θερμοκρασία λειτουργίας Χρόνος έναυσης Χρόνος σβέσης 50mA 6V 70mW 35V 50mA 150mW 5000V(rms) o C 4μS(18max) 3μS(18max) Πίνακας 4.5:Χαρακτηριστικά του optocoupler KB817 για Τ=25 ο C Σχήμα 4.29: Χαρακτηριστκές καμπύλες για Τ=25 ο C

143 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.30: Χαρακτηριστικές καμπύλες συμπεριφοράς εισόδου-εξόδου για μεταβλητή θερμοκρασία Απαραίτητο στοιχείο για την διάταξη του κυκλώματος παρακολούθησης των συσσωρευτών είναι το στοιχείο LM358N. Το στοιχείο αυτό είναι ένα ολοκληρωμένο τσιπ που ενσωματώνει δύο κυκλώματα τελεστικών ενισχυτών. Το κύκλωμα που υλοποιείται σε αυτό το στοιχείο εμφανίζεται σε μορφή διαγράμματος στο σχήμα To LM358Ν καταναλώνει μικρή ισχύ στην πύλη, ενώ μπορεί να τροφοδοτηθούν από 3V έως 32V. Η διαφορική τάση εισόδου είναι ενώ σε common mode, το εύρος της διαφορικής τάσης εισόδου είναι -0,3-32V. Η θερμοκρασίες στις οποίες επιτρέπεται να λειτουργεί το LM358N είναι από -25 έως 85 o C. Στη διάταξή μας, παρότι το LM358N σε ένα οικονομικό στοιχείο προσφέρει μεγάλο εύρος συχνοτήτων που υποστηρίζει, δε μας ενδιαφέρει η διακοπτική λειτουργία του τελεστικού ενισχυτή, αφού χρησιμοποείται ως buffer για απομόνωση των κελιών των συσσωρευτών από το κύκλωμα παρακολούθησης. Σχήμα 4.31: Κύκλωμα τελεστικών ενισχυτών που υλοποιείται στο στοιχείο LM358N

144 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.35: Διάγραμμα διαφορικής τάσης εισόδου για διάφορες τιμές συχνότητας εισόδου του στοιχείου LM358N. Ένα κρίσιμο στοιχείο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί ο αισθητήρας απόκλισης του τιμονιού. Για την αποφυγή παρεμβολών λόγω θορύβου αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί περιστρόφενος ψηφιακός κωδικοποιητής. Υπάρχουν δύο τύποι ψηφιακών περιστρεφόμενων κωδικοποιητών, οι απόλυτοι (absolute) και οι αυξητικοί (incremental). Η κύρια διαφορά των δύο τύπων είναι ότι οι απόλυτοι κωδικοποιητές διατηρούν την απόκλισή τους μετά την αποκοπή της παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε αυτούς ενώ η αυξητικοί δεν τη διατηρούν. Αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί ένας 12bit απόλυτος κωδικοποιητής της εταιρίας UsDigital για τη μέτρηση της απόκλισης της γωνίας του τιμονιού. Πιο συγκεκριμένα πρόκειται για το μοντέλο ΜΑ3 το οποίο παρουσιάζεται στην εικόνα του Σχηματος Τροφοδοτείται με συνεχή τάση 5V και η έξοδός του είναι ένας παλμός μεταβλητού εύρους με διακριτοποίηση 12bit και είναι ευθέως ανάλογη της απόκλισής του από την αρχική θέση. Όταν ολοκληρωθεί μια περιστροφή τότε η μέτρηση ξεκινά πάλι από την αρχή

145 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.32: Ο απόλυτος κωδικοποιητής ΜΑ3 της εταιρίας UsDigital Τέλος, απαραίτητο στοιχείο της κατασκευής είναι οι αισθητήρες θερμοκρασίες που σε συνεργασία με το σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών ελέγχουν σε κάθε κύκλο του προγράμματος τη θερμοκρασία κάθε κελιού. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοιποιείται το ψηφιακό θερμόμετρο TC74 της εταιρίας Microchip. Χρησιμοποιήθηκε το στοιχείο σε μορφή ΤΟ220-5pin, και δίνει μέτρηση θερμοκρασίας στον μ/ε σε μορφή 8bit λέξης μέσω του διαύλου που υλοποιεί το I2C. Τα χαρακτηριστικά του καθώς και οι ακροδέκτες του φαίνονται στο σχήμα Το ψηφιακό θερμόμετρο TC74 είναι σειριακά προσπελάσιμο και υπάρχει η δυνατότητα να τεθεί σε κατάσταση αναμονής μειώνοντας στο 1/40 το καταναλισκόμενο ρεύμα. Το μικρό του μέγεθος (διατίθεται επίσης και σε μορφή SOT-23) και το χαμηλό του κόστος το καθιστούν ιδανικό για χρήση σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών

146 Τάση τροφοδοσίας 2,7-5,5V Κεφάλαιο 4 ο Ρεύμα λειτουργίας Ρεύμα σε κατάσταση αναμονής 200μA(350 max) 5-10μΑ Ακρίβεια Ρυθμός παραγωγής δειγματων Συχνότητα λειτουργίας διαύλου 8 sps 100kHz T LOW, T HIGH 4,7μs, 4,0μs Σχήμα 4.33:Χαρακτηριστικά του θερμομέτρου TC

147 Κεφάλαιο 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ 5.1 Εισαγωγή Στην ενότητα αυτή γίνεται παρουσίαση της διαδικασίας κατασκευής του τυπωμένου κυκλώματος παρακολούθησης του συστήματος των συσσωρευτών. Η διάταξη αυτή έχει στόχο να παρακολουθεί την τάση και τη θερμοκρασία κάθε κελιού του συστήματος συσσωρευτών. Ακόμη, πρέπει να διαχειριστεί αυτή την πληροφορία και αφού την ελέγξει να πληροφορήσει τον οδηγό/χρήστη του οχήματος σε περίπτωση σφάλματος. Στις επόμενες υποενότητες ακολουθούν οι περιγραφές των διαδικασιών που ακολουθήθηκαν για την επίτευξη των ανωτέρω στόχων, καθώς και γενικότερη περιγραφή του τυπωμένου κυκλώματος. 5.2 Μέτρηση τάσης κελιών Διάταξη λήψης τάσης κελιού Η μέτρηση της στάθμης τάσης κάθε κελιού των συσσωρευτών γίνεται με την υλοποίηση του ακόλουθου κυκλώματος. Σχήμα 5.1: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος λήψης στάθμης τάσης κελιού Το σύστημα των συσσωρευτών αποτελείται συνολικά από 24 όμοια κελιά των 3.2V έκαστο. Το σύστημα παρακολούθησης των συσσωρευτών αποτελείται από τέσσερα ίδια τυπωμένα κυκλώματα. Κάθε ένα από αυτά στόχο έχει να παρακολουθεί την κατάσταση μιας

148 Κεφάλαιο 5 ο ομάδας έξι κελιών. Κάθε ομάδα συνδέεται μέσω των επτά ακροδεκτών που προκύπτουν όπως φαίνεται στο Σχήμα. Το GND του κυκλώματος ελέγχου αντιστοιχεί στον ακροδέκτη 0 (b1(-)). Οι ακροδέκτες 1-6 αντιστοιχούν στις τάσεις των κελιών 1 έως 6. Κάθε ένας από τους 1-6 συνδέεται γαλβανικά με τον ακροδέκτη Bx όπως φαίνεται στο σχηματικό διάγραμμα λήψης της τάσης. Σχήμα 5.2: Ομάδα 6 μπαταριών με επτά εακροδέκτες. Ρόλος διαιρέτη τάσης. Στο σχηματικό διάγραμμα φαίνεται η διάταξη του διαιρέτη τάσης, αποτελούμενη από τις αντιστάσεις R1 και R2. Η ύπαρξη του διαιρέτη τάσης είναι απαραίτητη στο κύκλωμα καθώς πρέπει να προσαρμοστεί η τάση κάθε ακροδέκτη ώστε να τεθεί σαν είσοδος στις αναλογικές εισόδους του μ/ε. Κάθε αναλογική είσοδος τους μ/ε απαιτείται να έχει δυναμικό 0V έως 5V. Το δυναμικό αναφοράς (GND) αντιστοιχεί στον ακροδέκτη 0. Έτσι, σε κανονική λειτουργία οι ακροδέκτες 1-6 θα είναι σε δυναμικό ως προς το δυναμικό αναφοράς ως εξής: V V V V V V Αυτό συμβαίνει διότι κάθε κελί έχει ονομαστική διαφορά δυναμικού στους ακροδέκτες του 3.2V. Στόχος του διαιρέτη τάσης είναι να μειώσει αυτό το δυναμικό στην περιοχή των 0-5V και πιο συγκεκριμένα στα 3.2V, ώστε η διαχείριση της πληροφορίας να είναι πιο κατανοητή. Επιλέγοντας κατάλληλα την τιμή της αντίστασης R1 γίνεται η προσαρμογή του δυναμικού των ακροδεκτών μέτρησης ακολουθώντας την σχέση:

149 Κεφάλαιο 5 ο Έτσι, για παράδειγμα για τη μέτρηση του δυναμικού του 4 ου κελιού επιλέγεται R2=3kΩ. Η σχέση δίνει τότε. Προφανώς, για τη μικ ροτερη στάθμη των 3.2V δε χρησιμοποιείται διάταξη προσαρμογής τάσης. Ρόλος Mosfet. Όπως γίνεται κατανοητό από τα Σχήματα και, εάν το mosfet θεωρηθεί βραχυκύκλωμα μεταξύ D-S, θα ρέει συνεχώς ρεύμα μέσα από τις αντιστάσεις του διαιρέτη τάσης. Αυτό δεν είναι επιθυμητό όταν το σύστημα των συσσωρευτών δεν χρησιμοποιείται, γιατί θα υπάρχει άσκοπη κατανάλωση ενέργειας. Έτσι, τοποθετείται ένα mosfet type-n μικρής ισχύος(σήματος), το οποίο ελεγχόμενο από τον μ/ε διακόπτει ή συνδέει τον διαιρέτη τάσης με το GND του τυπωμένου κυκλώματος. Το mosfet λειτουργεί στην περιοχή του κόρου και της αποκοπής και αυτό γίνεται με τη βοήθεια ενός ολοκληρωμένου dip14 που διαθέτει αντιστροφείς. Οδηγός των MOSFET διακοπής. Όπως προαναφέρθηκε τα mosfet που ενεργοποιούν τους προσαρμογείς των τάσεων πολώνονται με τη χρήση αντιστροφέων. Γίνεται χρήση του ολοκληρωμένου 72HC04N που φαίνεται στο Σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3: Διάταξη του 72HC04N για την ενεργοποίηση των Mosfet διακοπής Οδηγός των λυχνιών ειδοποίησης. Τα led που πληροφορούν το χρήστη πιο κελί του batterystack έχει βγεί εκτός ορίων θερμοκρασίας ή/και τάσης οδηγούνται με τη χρήση δύο ολοκληρωμένων 72HC04N. Η συνδεσμολογία που φαίνεται στο Σχήμα είναι ίδια για όλες τις λυχνίες είτε αυτή πρόκειται για το ζήτημα της θερμοκρασίας κελιού είτε πρόκειται για την στάθμη τάσης κελιού. Σχήμα 5.4: Ακροδέκτες του 72HC04N(αρ.), λογικό σχέδιο(δεξιά)

150 Κεφάλαιο 5 ο Ρόλος LM358N. Ο ρόλος του τελεστικού ενισχυτή σε κάθε αναλογική είσοδο του με είναι να απομονώσει τη διάταξη των μετρήσεων από τους συσσωρευτές του ΗΟ. Υλοποιούνται σε συνδεσμολογία buffer όπως φαίνεται στο Σχήμα. Η σχέση που συνδέει την είσοδο με την έξοδο του τελεστικού ενισχυτή είναι:. Εάν τεθεί V2=Vo τότε έχουμε:. Ένας τελεστικός ενισχυτής έχει άπειρη αντίσταση εισόδου και η έξοδός του εξομοιώνεται με μία εξαρτημένη πηγή τάσης, η τιμή της οποίας δίνεται από την προηγούμενη σχέση. Η άπειρη αντίσταση εισόδου εξασφαλίζει την απομόνωση του κυκλώματος της παρακολούθησης των συσσωρευτών από τη διάταξη των συσσωρευτών Μονάδα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (12 bit A/D converter) Οι μετρήσεις των έξι σταθμών δυναμικού που προκύπτουν λαμβάνουν χώρα με τη χρήση της 12bit μονάδας μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό του μικροεπεξεργαστή DSPIC30F4013. Αυτό το περιφερειακό που ολοκληρώνεται στο τσιπ του μ/ε μετατρέπει το δυναμικό στο οποίο βρίσκεται η εκάστοτε αναλογική είσοδος ως προς το δυναμικό του AVss pin σε μία λέξη των 12bit. Η μετατροπή γίνεται με μέγιστο ρυθμό 200ksps. Το συγκεκριμένο περιφερειακό του μ/ε μπορεί να εκτελεί μετατροπές ακόμα και όταν ο μ/ε βρίσκεται σε κατάσταση Idle ή Sleep. Η δειγματοληψία γίνεται χρησιμοποιώντας 1 σύστημα συγκράτησης τάσης. Η μονάδα της μετατροπής έχει 13 αναλογικές εισόδους (ΑΝ0-ΑΝ12), οι οποίες συνδέονται ρυθμίζοντας του καταχωρητές ελέγχου της αναλογικής μονάδας. Ο μετατροπέας έχει 6 καταχωρητές που καθορίζουν τη λειτουργία του: ADCON1: καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCON2: καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCON3: καταχωρητής ελέγχου λειτουργίας ADCHS: καταχωρητής επιλογής καναλιών εισόδου, ο οποίος καθορίζει τους ακροδέκτες που θα συνδεθούν στους S/H ενισχυτές ADPCFG: καταχωρητής ρύθμισης θυρών, ο οποίος καθορίζει τους ακροδέκτες αναλογικών και ψηφιακών εισόδων/εξόδων ADCSSL: καταχωρητής επιλογής ανίχνευσης εισόδων, ο οποίος καθορίζει τις εισόδους που θα ανιχνευθούν σειριακά

151 Κεφάλαιο 5 ο Οι πίνακες με το ακριβές περιεχόμενο των καταχωρητών ελέγχου του A/D μετατροπέα παρατίθενται στο Παράρτημα B. Στην υλοποίηση της διάταξης της παρακολούθησης των τάσεων των κελιών χρησιμοποιήθηκαν οι είσοδοι ΑΝ0-ΑΝ5, οι οποίες αντιστοιχούν στις τάσεις b1(+)-b6(+). Για την πραγματοποίηση της δειγματοληψίας τα κανάλια συνδέονται δυαδοχικά στο σύστημα συγκράτησης τάσης (S/H) χρησιμοποιώντας τον ΜUXA. Κάθε δειγματοληψία διαρκεί χρόνο ίσο με 31*T AD όπου ορίστηκε T AD =2*T CY, δηλαδή διπλάσια του ρολογιού του μ/ε. 5.3 Μέτρηση θερμοκρασίας κελιών με τη μονάδα Ι2C Τρόπος λήψης θερμοκρασιών. Η μέτρηση της θερμοκρασίας πραγματοποιείται κάνοντας χρήση των ψηφιακών θερμομέτρων TC74 της εταιρίας Microchip. Στην εφαρμογή χρησιμοποιήθηκε η δομή TO-220 5pin. I2C. Τα θερμόμετρα επικοινωνούν με τον μ/ε μέσω υλοποίησης δικτύου Inter-Integrated Circuit (IIC ή I2C). Το I2C υλοποιεί ένα σειριακό πρωτόκολλο επικοινωνίας και για το λόγο αυτό απαιτούνται 4 αγωγοί: δύο αγωγοί για τα +5V και GND και δύο αγωγούς για τα σειριακά δεδομένα SDA και τη συγχρονισμένη παλμοσειρά SCL. Σε κάθε υλοποίηση είναι απαραίτητο να υπάρχει τουλάχιστον μία «νησίδα» master η οποία είναι υπεύθυνη για την υλοποίηση του πρωτοκόλλου επικοινωνίας παράγοντας ταυτόχρονα την απαράιτητα παλμοσειρά. Στην παρούσα εφαρμογή, το φυσικό περιβάλλον του IIC έχει μόνο ένα master τον μ/ε (single master environment). Ο μ/ε dspic30f4013 της εταιρίας microchip υλοποιεί το απαραίτητο πρωτόκολλο επικοινωνίας για τη λήψη της τιμής των θερμοκρασιών από τα στοιχεία TC74. Σχήμα 5.5: Συνδεσμολογία του ψηφιακού θερμομετρου της εταιρίας microchip

152 Κεφάλαιο 5 ο Σε κάθε σύστημα I2C τα στοιχεία slave που συμμετέχουν χαρακτηρίζονται από την διεύθυνσή τους. Κάθε ένα έχει μία ξεχωριστή διεύθυνση από τα υπόλοιπα, η οποία αποτελεί την ταυτότητά του στο δίκτυο αυτό. Οι διευθύνσεις-ταυτότητες, μπορεί να είναι λέξεις των 7bit ή των 10bit. Στην παρούσα υλοποίηση τα στοιχεία TC74 είναι διευθύνσεως 7bit. Στην περίπτωση που στο κύκλωμα υπάρχουν περισσότεροι του ενός master, πρέπει το πρωτόκολλο να υλοποιείται έτσι ώστε κάθε φορά τον δίαυλο να τον ελέγχει μόνο ένας master. Στην περίπτωση όπου ο μ/ε έχει ρυθμιστεί να είναι slave τότε πρέπει να του ανατεθεί διεύθυνση. Πέραν της διεύθυνσης-ταυτότητας τα στοιχεία έχουν και του κατάλληλους καταχωρητές, που είναι υπεύθυνοι είτε για αποθήκευση δεδομένων είτε για ρύθμιση του εκάστοτε στοιχείου. Η διαδικασία με την οποία γίνεται λήψη της θερμοκρασίας του θερμομέτρου παρουσιάζεται παρακάτω. Σε κάθε διαδικασία μεταφοράς δεδομένων αποστέλλονται ή λαμβάνονται από τον μ/ε 8bit. Αρχικά, ο μ/ε παράγει συνθήκη εκκίνησης στον δίαυλο του I2C. Στη συνέχεια, ο μ/ε αποστέλλει στον δίαυλο την τιμή της διεύθυνσης του στοιχείου (7bit) από το οποίο θέλει να αναγνώσει την τιμή της θερμοκρασίας μαζί με το χαρακτηριστικό bit εγγραφής /ανάγνωσης ρυθμισμενο για εγγραφή, άρα 8bit( 0 ). O μ/ε (master) αναμένει για επιβεβαίωση από το ψηφιακό θερμόμετρο. Αφού το θερμόμετρο επιβεβαιώσει αποστέλει τα 8bit της διεύθυνσης του καταχωρητή του θερμομέτρου στον οποίο είναι αποθηκευμένη η τιμή της θερμοκρασίας, όπως αυτή προέκυψε από την μετατροπή του ADC. Ο μ/ε αναμένει πάλι για επιβεβαίωση. Αφού έλθει επιβεβαίωση από το TC74Αx ο μ/ε παράγει συνθήκη επανεκκίνησης της διεργασίας. Τη συνθήκη αυτή την ακολουθούν 8bit που αποστέλλονται από τον μ/ε τα οποία είναι τα 7bit της διεύθυνσης του θερμομέτρου TC74Αx και το bit εγγραφής/ανάγνωσης ρυθμισμένο για ανάγνωση ( 1 ). Αφού έλθει ξανά επιβεβαίωση από το TC74Αx, ο μ/ε ρυθμίζεται για λήψη δεδομένων ενεργοποιώντας ένα κατάλληλο bit στον καταχωρητή που ελέγχει τη λειτουργία του I2C. Το bit αυτό παραμένει ενεργοποιημένο μέχρι να ολοκληρωθεί η λήψη των δεδομένων που αποστέλλει το TC74Αx. Αφού ολοκληρωθεί η λήψη, ο μ/ε αποστέλλει ΝotAck δηλαδή μη-επιβεβαίωση και ολοκληρώνει τη διαδικασία παράγοντας στο δίαυλο συνθήκη λήξης της διαδικασίας. Στο σχήματα φαίνονται τα χρονικά διαγράμματα των διαδικασιών που απαιτούνται για ανάγνωση ενός byte από το TC74Αx. Σχήμα 5.6: Πρωτόκολλο ανάγνωσης ενός byte από ένα TC74Αx

153 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.7: Χρονικό διάγραμμα έναρξης της διαδικασίας Σχήμα 5.8: Χρονικό διάγραμμα αποστολής δεδομένων Σχήμα 5.9: Χρονικό διάγραμμα επανεκκίνησης της διαδικασίας

154 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.10: Χρονικό διάγραμμα λήψης δεδομένων Σχήμα 5.11: Χρονικά διαγράμματα επιβεβαίωσης και μη-επιβεβαίωσης Σχήμα 5.12: Χρονικό διάγραμμα λήξης της διαδικασίας

155 Κεφάλαιο 5 ο Ρόλος του optocoupler. Στη διάταξη του συστήματος παρακολούθησης των μπαταριών είναι απαραίτητη η οπτική απομόνωση για την αποστολή του σήματος ενημέρωσης στον χρήστη του αυτοκινήτου. Πιο συγκεκριμένα, το GND της 1 ης 6άδας έχει διαφορά δυναμικού 0 από το - της διάταξης των συσσωρευτών. Το GND της 2 ης σε δυναμικό, το GND της τρίτης σε δυναμικό και της τέταρτης σε δυναμικό. Η αριστερή πλευρά του optocoupler βρίσκεται στο δυναμικό της εκάστοτε πλακέτας, ενώ η δεξιά του πλευρά βρίσκεται στο δυναμικό του κυκλώματος του διαφορικού. Άρα, ο ρόλος του οπτικού απομονωτή είναι να μεταφέρει τα σήματα ενημέρωσης του οδηγού σε ένα μόνο δυναμικό ώστε αυτά να μπορούν να διαχειριστούν από μια πύλη OR. Σχήμα 5.13: Διάταξη optocoupler Ρόλος πύλης OR. Η πύλη OR, που βρίσκεται στο κύκλωμα του διαφορικού, έχει ως σκοπό την ενεργοποίηση μιας λυχνίας LED στο cockpit του αυτοκινήτου, που θα ενημερώνει τον οδηγό ότι υπάρχει γενικά πρόβλημα στη διάταξη των συσσωρευτών. Το LED στο cockpit ενεργοποιείται είτε ενεργοποιηθεί το 1 ον του 1 ου ή του 2 ου ή του 3 ου ή του 4 ου optocoupler. Σχήμα 5.14: Διάταξη πύλης OR για την ενημέρωση του οδηγού

156 Κεφάλαιο 5 ο 5.4 Περιγραφή τυπωμένου κυκλώματος του συστήματος παρακολούθησης συσσωρευτών Στα σχήματα παρουσιάζονται όψεις μιας εκ των τεσσάρων τυπωμένων κυκλωμάτων που συμμετέχει στο σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών. Σχήμα 5.15: Φωτογραφία τυπωμένου κυκλώματος παρακολούθησης συσσωρευτών Στο κέντρο το μεγάλο ημιαγωγικό στοιχείο είναι ο μικροελεγκτής dspic30f4013 που αναλαμβάνει να διαχειριστεί την πληροφορίες εισόδου-εξόδου. Στις απεικονίσεις φαίνονται επίσης και οι δύο ομάδες των led. Η παράλληλη σειρά των λυχνιών με τον μ/ε έχει κόκκινο χρώμα και αναλαμβάνει να πληροφορήσει τον χρήστη εάν κάποιο από τα 6 ε&lambd