ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΟΜΗ EVs, HEVs, FCEVs

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΟΜΗ EVs, HEVs, FCEVs Τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά για το σχεδιασμό οχήματος βρίσκονται στους βασικούς μηχανισμούς της φυσικής και συγκεκριμένα στο δεύτερο νόμο κίνησης του Νεύτωνα που συνδέει τη δύναμη με την επιτάχυνση. Ο δεύτερος νόμος ορίζει ότι η επιτάχυνση ενός αντικειμένου είναι ευθέως ανάλογη προς τη συνολική δύναμη που ασκείται σε αυτό. Κατά την κίνηση ενός οχήματος υπάρχουν διάφορες δυνάμεις που ασκούνται σε αυτό. Έτσι, ένα όχημα κινείται ευθύγραμμα με τη βοήθεια της δύναμης που προέρχεται από το σύστημα προώθησης, εφόσον ξεπερνά τις δυνάμεις αντίστασης εξαιτίας της βαρύτητας, του αέρα και της τριβής των ελαστικών των τροχών. Η επιτάχυνση και η ταχύτητα ενός οχήματος εξαρτώνται από τη ροπή και την ισχύ που είναι διαθέσιμες από τη μονάδα προώθησης και τις εκάστοτε αεροδυναμικές συνθήκες και την κατάσταση του οδοστρώματος. Η επιτάχυνση, επίσης, εξαρτάται από τη σύνθετη μάζα του οχήματος, συμπεριλαμβανομένης της μονάδας προώθησης, των μηχανικών και ηλεκτρικών εξαρτημάτων και του συσσωρευτή. Η σχεδίαση ενός οχήματος βασίζεται σε διάφορα χαρακτηριστικά και απαιτήσεις. Πολλά από αυτά είναι παρεμφερή, κυρίως σε ότι σχετίζεται με τις απαιτήσεις, ανεξάρτητα από τον τύπο του οχήματος. Στις περισσότερες όμως περιπτώσεις, η σχεδίαση θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του κάθε τύπου και των μονάδων που τις απαρτίζουν. Κοινό στοιχείο όλων των οχημάτων είναι ο συνδυασμός της μονάδας προώθησης (μονάδα παραγωγής ενέργειας και δημιουργίας κίνησης) και των στοιχείων μετάδοσης, τα οποία αναφέρονται ως η διαδρομή ισχύος του οχήματος (drivetrain ή powertrain). Η διαδρομή ισχύος σε κάθε όχημα απαιτείται να (1) παράγει ικανοποιητική ισχύ για να αντιμετωπίσει τις απαιτήσεις απόδοσης του οχήματος, (2) αποθηκεύει ικανοποιητική ενέργεια στο όχημα (on board) ώστε να υποστηρίξει την κίνηση του οχήματος για δοσμένη απόσταση, (3) έχει υψηλή απόδοση, (4) εκπέμπει περιορισμένη ποσότητα ρύπων. Γενικά, ένα όχημα μπορεί να έχει περισσότερες από μία πηγές ενέργειας και μετατροπείς ενέργειας, όπως σύστημα θερμικής μηχανής βενζίνης (ή ντίζελ), σύστημα ηλεκτροκινητήρα με κελιά υδρογόνου, σύστημα ηλεκτροκινητήρα με χημικές μπαταρίες κλπ. Ένα 2-1

2 όχημα που έχει δύο ή περισσότερες διαφορετικού τύπου πηγές και μετατροπείς ενέργειας ονομάζεται υβριδικό όχημα. Ένα υβριδικό όχημα στο οποίο η μία τουλάχιστον διαδρομή ενέργειας είναι καθαρά ηλεκτρική ονομάζεται υβριδικό ηλεκτρικό όχημα. Στη συνέχεια του κεφαλαίου περιγράφονται οι δομές και στρατηγικές σχεδίασης των τριών βασικών παραλλαγών ηλεκτρικών οχημάτων, των πλήρως ηλεκτρικών οχημάτων, των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων και των ηλεκτρικών οχημάτων με κυψέλες καυσίμου. Προκειμένου να διαφανούν ορισμένες από τις βασικές διαφορές τους με τα οχήματα συμβατικής τεχνολογίας προηγείται της παρουσίασής τους, μια ενότητα που περιγράφει εν συντομία τη βασική δομή ενός τέτοιου οχήματος. Το σύστημα μετάδοσης είναι ο μηχανικός σύνδεσμος που μεταδίδει ισχύ μεταξύ του ά- ξονα του ηλεκτροκινητήρα και των τροχών. Η διαδρομή ισχύος ενός ηλεκτρικού οχήματος (EV) αποτελείται από έναν ηλεκτροκινητήρα, ένα κιβώτιο ταχυτήτων, του άξονα (πίσω τροχών), διαφορικό, ημιαξόνια και τροχούς. Η ικανότητα των ηλεκτροκινητήρων να εκκινούν από μηδενική ταχύτητα και να λειτουργούν αποδοτικά σε ένα μεγάλο εύρος ταχυτήτων καθιστά δυνατή την αφαίρεση του συμπλέκτη που χρησιμοποιείται σε οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ). Ένας απλός λόγος ταχυτήτων (σχέση) αρκεί για να προσαρμόσει την ταχύτητα του τροχού με την ταχύτητα του κινητήρα. Τα EVs μπορούν να σχεδιαστούν χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων, ωστόσο ένας μειωτήρας ταχύτητας είναι αρκετός για να επιτρέψει στον ηλεκτροκινητήρα να λειτουργεί σε πολύ υψηλότερες ταχύτητες ώστε να μειωθεί το μέγεθός του (χαμηλή ροπή σε υψηλές ταχύτητες) Αρχιτεκτονική δομή συμβατικού οχήματος (ICEV) Η βασική δομή των συμβατικών αυτοκινήτων, η προώθηση των οποίων επιτυγχάνεται μόνο από τη μηχανή εσωτερικής καύσης (MEK), απεικονίζεται στο σχήμα 2.1. Τα κύρια τμήματα της αρχιτεκτονικής αυτής δομής είναι η μηχανή εσωτερικής καύσης, το σύστημα μετάδοσης και οι τροχοί, τα οποία πρέπει απαραιτήτως να ληφθούν υπόψη σε κάθε προσπάθεια προσομοίωσης της δυναμικής συμπεριφοράς ενός οχήματος. Στο σχήμα είναι εμφανή τα 4 συστατικά της δομής. Η μηχανή εσωτερικής καύσης (Internal Combustion Engine, αριστερά) τροφοδοτείται με υγρό καύσιμο (βενζίνη ή πετρέλαιο) από την αντίστοιχη δεξαμενή καυσίμου (Fuel Tank) και αποδίδει κίνηση στον άξονα που μεταφέρεται στους τροχούς (Driven Wheels) μέσω του συμπλέκτη (Clutch), του συστήματος μετάδοσης (Transmission) και του διαφορικού (Differential). Το σύστημα μηχανικής μετάδοσης καταλαμβάνει μεγάλο τμήμα του 2-2

3 ΣΧΗΜΑ 2.1 Αρχιτεκτονική δομή ενός συμβατικού οχήματος. ΣΧΗΜΑ 2.2 Χαρακτηριστική δύναμης προώθησης ταχύτητας ενός συμβατικού οχήματος με 4 σχέσεις. χώρου και του βάρος του οχήματος. Ωστόσο, χωρίς το σύστημα μετάδοσης η ταχύτητα του οχήματος θα ήταν εξαιρετικά περιορισμένη. Το σχήμα 2.2 παρουσιάζει τη χαρακτηριστική δύναμης προώθησης ταχύτητας μετά το σύστημα μετάδοσης. Κάθε καμπύλη αντιστοιχεί στη χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας της μηχανής για μια σχέση. Το σύστημα μετάδοσης επιτρέπει σε ένα όχημα να κινείται με διάφορες ταχύτητες παρά το γεγονός ότι η περιοχή λειτουργίας της μηχανής (χωρίς σχέσεις) είναι μικρή. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η δομή του σχήματος 2.1 είναι απλοποιημένη και δεν περιλαμβάνει, επίσης, τα συστήματα αποβολής των καυσαερίων που προκύπτουν ως προϊόντα της καύσης. Τέλος, ο ρόλος του διαφορικού είναι ο συγχρονισμός των τροχών κίνησης σε καμπύλες διαδρομές. 2-3

4 2.2. Αρχιτεκτονική δομή ηλεκτρικού οχήματος (EV) Η φιλοσοφία της αρχιτεκτονικής ενός ηλεκτρικού οχήματος δεν είναι η ίδια όπως είναι φυσικό κατά τη διάρκεια του 1½ τελευταίου αιώνα. Η ταυτόχρονη εξέλιξη άλλων επιστημών (κυρίως της ηλεκτρονικής) έχουν οδηγήσει σε πιο αποτελεσματικές αρχιτεκτονικές δομές και έχουν μεταβάλλει σημαντικά τη στρατηγική σχεδίασης. Προς το σκοπό αυτό κρίσιμη είναι και η συμβολή των κοινωνικοπολιτικών παραγόντων που αναφέρθηκαν στο πρώτο κεφάλαιο. Αρχικά, τα EVs προέκυπταν από μετατροπή των συμβατικών οχημάτων μέσω αντικατάστασης της μηχανής εσωτερικής καύσης και της δεξαμενής καυσίμου από έναν ηλεκτροκινητήρα και ένα συσσωρευτή με διατήρηση όλων των υπολοίπων διατάξεων. Αυτός ο τύπος όμως ηλεκτρικού οχήματος είχε μειονεκτήματα, όπως μεγάλο βάρος, μικρή ευελιξία και μειωμένη απόδοση, που δεν του επέτρεψε να διαδοθεί. Στη θέση του εμφανίστηκαν τα μοντέρνα EVs, που κατασκευάζονται με γνώμονα νέα και πρωτότυπα σχέδια για το σύνολο της δομής. Αυτό επιτρέπει τη δημιουργία μοναδικών EVs που εκμεταλλεύονται την μεγάλη ευελιξία της ηλεκτρικής προώθησης. Η δομή ενός τέτοιου ηλεκτρικού οχήματος φαίνεται στα σχήματα 2.3α και 2.3β. Αποτελείται από ένα συσσωρευτή (Battery), έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα (Power Electronic Converter), έναν ή περισσότερους ηλεκτροκινητήρες (Motor, M) και αισθητήρες ροπής και ταχύτητας (Speed, Torque Sensor). Δεδομένου ότι η προώθηση επιτυγχάνεται μέσω των ηλεκτροκινητήρων, τα EVs θεωρούνται οχήματα μηδενικής εκπομπής ρύπων (Zero Emission Vehicles, ZEVs). Σημαντικό ρόλο, φυσικά, στη λειτουργία ενός τέτοιου οχήματος παίζει ο ηλεκτρονικός ελεγκτής του όλου συστήματος (Controller). Η διαδρομή ισχύος του οχήματος αποτελείται από τρία μεγάλα υποσυστήματα: την ηλεκτρική προώθηση (Electric Propulsion), την πηγή ενέργειας (Energy Source) και τα βοηθητικά συστήματα (Auxiliary). Το σύστημα ηλεκτρικής προώθησης αποτελείται από έναν ελεγκτή του οχήματος (Vehicle Controller), έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος (Electronic Power Converter), τον ηλεκτροκινητήρα (Electric Motor), το σύστημα μηχανικής μετάδοσης (Mechanical Transmission) και τους τροχούς (Wheel). Το υποσύστημα πηγής ενέργειας περιλαμβάνει την πηγή ενέργειας (Energy Source), τη μονάδα διαχείρισης ενέργειας (Energy Management Unit) και τη μονάδα επαναφόρτισης ενέργειας (Energy Refueling Unit). Τέλος, το βοηθητικό υποσύστημα αποτελείται από τη μονάδα οδήγησης ισχύος (Power Steering Unit), τη μονάδα κλιματικού ελέγχου (Temperature Control Unit) και τη μονάδα βοηθητικής υποστήριξης (Auxiliary Power Supply). Ο ελεγκτής του οχήματος, βασιζόμενος στις εισόδους από τα πεντάλ επιτάχυνσης και 2-4

5 (α) (β) ΣΧΗΜΑ 2.3 (α) Αρχιτεκτονική δομή ενός ηλεκτρικού οχήματος. (β) Διασύνδεση συστημάτων σε ένα ηλεκτρικό όχημα. πέδησης παρέχει κατάλληλα σήματα ελέγχου στον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος ο οποίος λειτουργεί για να ελέγχει τη ροή ισχύος ανάμεσα στον ηλεκτροκινητήρα και την πηγή ενέργειας. Η αντίστροφη ροή ισχύος οφείλεται στην εφαρμογή της αναγεννητικής πέδησης (regenerative braking) και αυτή η επαναπαραγόμενη ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί στην πηγή ενέργειας, με την προϋπόθεση ότι η τελευταία μπορεί να την αποθηκεύ- 2-5

6 (α) (β) (γ) (δ) (ε) ΣΧΗΜΑ 2.4 Πιθανές δομές ηλεκτρικού οχήματος. (στ) σει. Οι περισσότεροι συσσωρευτές EV όπως και οι υπερ-πυκνωτές έχουν την ικανότητα να δέχονται εύκολα επαναπαραγόμενη ενέργεια. Η μονάδα διαχείρισης ενέργειας συνεργάζεται με τον ελεγκτή του οχήματος για να ελέγξει τη διαδικασία της αναγεννητικής πέδησης και την ανάκτηση ενέργειας. Επίσης, συνεργάζεται με τη μονάδα επαναφόρτισης ενέργειας για να ελέγξει τη μονάδα επαναφόρτισης καθώς και τη δυνατότητα χρήσης της πηγής ε- νέργειας. Η μονάδα βοηθητικής υποστήριξης παρέχει την απαιτούμενη ισχύ στα απαιτούμενα επίπεδα τάσης για όλες τις βοηθητικές διατάξεις του οχήματος. Υπάρχει μια ποικιλία πιθανών αρχιτεκτονικών δομών ενός ηλεκτρικού οχήματος εξαιτίας των παραλλαγών στα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής προώθησης και των πηγών ενέργειας, όπως φαίνεται στα σχήματα 2.4α 2.4στ. (1) Συμβατικός τύπος: Στο σχήμα 2.4α απεικονίζεται η πρώτη αρχιτεκτονική δομή στην οποία ένα σύστημα ηλεκτρικής προώθησης αντικαθιστά τη ΜΕΚ ενός συμβατικού οχήματος. Αποτελείται από έναν ηλεκτροκινητήρα (Μ), ένα συμπλέκτη (C), ένα κιβώτιο ταχυτήτων (GB) και ένα διαφορικό (D). Ο συμπλέκτης και το 2-6

7 κιβώτιο ταχυτήτων μπορούν να αντικατασταθούν από ένα σύστημα αυτόματης μετάδοσης. Ο συμπλέκτης χρησιμοποιείται για να συμπλέξει ή να αποσυμπλέξει την ισχύ του ηλεκτροκινητήρα από τους τροχούς. Το κιβώτιο ταχυτήτων παρέχει ένα σύνολο σχέσεων για να διαφοροποιήσει το προφίλ ταχύτητας ισχύος (ροπής) ώστε να προσαρμοστεί στις απαιτήσεις του φορτίου. Το διαφορικό επιτρέπει στους τροχούς των δύο πλευρών να οδηγούνται με διαφορετικές ταχύτητες ό- ταν το όχημα κινείται σε καμπύλη τροχιά. (2) Τύπος χωρίς σύστημα μετάδοσης (RF): Με έναν ηλεκτροκινητήρα (M) που παρέχει σταθερή ισχύ σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων, ένα σύστημα σταθερής σχέσης (FG) μπορεί να αντικαταστήσει το κιβώτιο ταχυτήτων και να περιορίσει την α- νάγκη ενός συμπλέκτη (σχήμα 2.4β). Αυτή η αρχιτεκτονική δομή όχι μόνο μειώνει το μέγεθος και το βάρος του μηχανικού συστήματος μετάδοσης, αλλά απλοποιεί και τη συνολική διαδρομή ισχύος, αφού δεν απαιτείται κιβώτιο ταχυτήτων. (3) Τύπος χωρίς σύστημα μετάδοσης (front engine front wheel, FF): Ομοίως με την περίπτωση (2), ο ηλεκτροκινητήρας (M), το σύστημα σταθερής σχέσης (FG) και το διαφορικό (D) μπορούν να ολοκληρωθούν περαιτέρω σε μια ενιαία διάταξη που μέσω των δύο ημιαξονίων συνδέεται με τους τροχούς οδήγησης (σχήμα 2.4γ). Η διαδρομή ισχύος απλοποιείται ακόμη περισσότερο και περιορίζεται σε όγκο. (4) Τύπος χωρίς διαφορικό: Στο σχήμα 2.4δ, το μηχανικό σύστημα μετάδοσης αντικαθίσταται από δύο ηλεκτροκινητήρες. Κάθε ηλεκτροκινητήρας οδηγεί ένα τροχό και λειτουργεί σε διαφορετική ταχύτητα όταν το όχημα κινείται σε καμπύλη τροχιά, κάνοντας περιττή την ανάγκη για διαφορικό. (5) Τύπος εντός τροχού (με σταθερή σχέση): Για να απλοποιηθεί ακόμη περισσότερο η διαδρομή ισχύος, κάθε ηλεκτροκινητήρας μπορεί να ενσωματωθεί με τον τροχό (σχήμα 2.4ε). Η δομή αυτή λέγεται in-wheel drive. Ένα λεπτό πλανητικό σύστημα σχέσεων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μειώσει την ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα και να βελτιώσει τη ροπή του. (6) Τύπος εντός τροχού (χωρίς σταθερή σχέση): Αφαιρώντας τελείως κάθε μηχανικό σύστημα σχέσεων ανάμεσα στον ηλεκτροκινητήρα και τον τροχό οδήγησης, ο ρότορας του ηλεκτροκινητήρα συνδέεται απ ευθείας στον τροχό (σχήμα 2.4στ). Ο έλεγχος ταχύτητας του ηλεκτροκινητήρα ισοδυναμεί με τον έλεγχο της ταχύτητας του τροχού και άρα του οχήματος. Ωστόσο, αυτή η δομή απαιτεί ηλεκτροκινητήρα με υψηλότερη ροπή για την εκκίνηση και την επιτάχυνση του οχήμα- 2-7

8 (α) (β) ΣΧΗΜΑ 2.5 Δομές ηλεκτρικών οχημάτων. τος, και άρα μεγαλύτερο όγκο (μειονέκτημα). Δεν είναι εύκολο να πει κανείς ποιος από τους παραπάνω τύπους είναι ο καλύτερος για EVs. Η επιλογή των δομών καθορίζεται από το μέγεθος, το βάρος, την απόδοση και το κόστος του οχήματος. Στα σχήματα 2.5α και 2.5β απεικονίζονται δύο αντίστοιχες με τις παραπάνω δομές ηλεκτρικών οχημάτων Αρχιτεκτονική δομή υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος (HEV) Η τεχνολογία των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων είναι η πιο πρακτική λύση για την επίτευξη πολύ μεγάλης οικονομίας στα καύσιμα και πολύ χαμηλής εκπομπής ρύπων. Το υβριδικό όχημα είναι ο συνδυασμός της ΜΕΚ ενός συμβατικού οχήματος με το συσσωρευτή και τον ηλεκτροκινητήρα ενός ηλεκτρικού οχήματος. Έτσι, επιτυγχάνεται ισχύς προώθησης από περισσότερες από μία πηγές. Η ύπαρξη δύο πηγών ενέργειας προσφέρει το πλεονέκτημα στο σύστημα ως σύνολο της υψηλότερης απόδοσης, καταλήγοντας σε μεγάλη οικονομία καυσίμου και χαμηλές εκπομπές ρύπων. Συνήθως, ένα υβριδικό όχημα αποτελείται από δύο διαδρομές ισχύος (πηγή και μετατροπείς ενέργειας). Περισσότερες διαδρομές θα οδηγήσουν σε ένα πιο πολύπλοκο σύστημα. Μια από τις δύο διαδρομές μάλιστα είναι διπλής κατεύθυνσης, παρέχει δηλαδή τη δυνατότητα επανάκτησης ηλεκτρικής ενέργειας από κινητική κατά την πέδηση (regenerative braking). Στο σχήμα 2.6 απεικονίζεται η γενική περίπτωση των δύο διαφορετικών διαδρομών ισχύος σε ένα υβριδικό όχημα. Υπάρχουν εννέα καταστάσεις λειτουργίας των παραπάνω πηγών ενέργειας ώστε να ι- κανοποιηθούν οι απαιτήσεις του φορτίου του οχήματος και της επανάκτησης ενέργειας. Αυτές παρατίθενται στη συνέχεια μαζί με αντίστοιχα ειδικά παραδείγματα θεωρώντας ότι 2-8

9 Πηγή ενέργειας 1 Μετ/πέας ενέργειας 1 + Φορτίο Πηγή ενέργειας 2 Μετ/πέας ενέργειας 2 ΣΧΗΜΑ 2.6 Διαδρομές ισχύος σε ένα υβριδικό όχημα. το υβριδικό όχημα χρησιμοποιεί συνδυασμό ΜΕΚ (ΜΕ1) υγρό καύσιμο (ΠΕ1) και ηλεκτροκινητήρα (ΜΕ2) συσσωρευτή (ΠΕ2). (1) Η πηγή ενέργειας 1 τροφοδοτεί μόνη της το φορτίο. Πρόκειται για την περίπτωση που ο συσσωρευτής έχει εξαντληθεί και η ΜΕΚ τροφοδοτεί μόνο το φορτίο χωρίς να φορτίζει το συσσωρευτή. (2) Η πηγή ενέργειας 2 τροφοδοτεί μόνη της το φορτίο. Πρόκειται για την περίπτωση ηλεκτροκίνησης με τη ΜΕΚ εκτός λειτουργίας (σε χαμηλές ταχύτητες ή περιοχές όπου υπάρχουν αυστηρά όρια εκπεμπόμενων ρύπων). (3) Οι δύο πηγές τροφοδοτούν το φορτίο. Πρόκειται για την πλήρως υβριδική κατάσταση λειτουργίας. (4) Αναγεννητική πέδηση (regenerative braking). Κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική και φορτίζεται ο συσσωρευτής κατά την πέδηση ή απλά ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια και φορτίζει το συσσωρευτή. (5) Η διαδρομή ενέργειας 2 λαμβάνει ισχύ από τη διαδρομή ενέργειας 1. Πρόκειται για την περίπτωση κατά την οποία η ΜΕΚ φορτίζει το συσσωρευτή ενώ το όχημα βρίσκεται σε στάση, κινείται ή οδεύει σε ελαφρά κατηφορική πλαγιά. Κατά την κίνηση δεν μεταφέρεται ισχύς από και προς το φορτίο. (6) Η διαδρομή ενέργειας 2 λαμβάνει ισχύ από τη διαδρομή ενέργειας 1 και από το φορτίο ταυτόχρονα. Πρόκειται για την περίπτωση κατά την οποία η ΜΕΚ φορτίζει το συσσωρευτή ενώ παράλληλα υπάρχει και αναγεννητική πέδηση. (7) Η διαδρομή ενέργειας 1 παρέχει ισχύ στο φορτίο και τη διαδρομή ενέργειας 2 ταυ- 2-9

10 τόχρονα. Πρόκειται για την περίπτωση κατά την οποία η ΜΕΚ προωθεί το όχημα ενώ παράλληλα φορτίζει το συσσωρευτή. (8) Η διαδρομή ενέργειας 1 παρέχει ισχύ στη διαδρομή ενέργειας 2 και η διαδρομή ε- νέργειας 2 παρέχει ισχύ στο φορτίο. Πρόκειται για την περίπτωση κατά την οποία η ΜΕΚ φορτίζει το συσσωρευτή ενώ παράλληλα ο συσσωρευτής παρέχει ισχύ προς το φορτίο. (9) Η διαδρομή ενέργειας 1 παρέχει ισχύ στο φορτίο και το φορτίο παρέχει ισχύ στη διαδρομή ενέργειας 2. Πρόκειται για την περίπτωση κατά την οποία η ΜΕΚ προωθεί το όχημα το οποίο με την κίνησή του επιτρέπει τη φόρτιση του συσσωρευτή. Η τυπική διάταξη για αυτήν την κατάσταση λειτουργίας αντιστοιχεί στην τοποθέτηση της ΜΕΚ στους μπροστινούς τροχούς του οχήματος και του ηλεκτροκινητήρα στους πίσω. Η ύπαρξη των παραπάνω καταστάσεων λειτουργίας του οχήματος παρέχει σημαντική ευελιξία και έτσι με κατάλληλη εφαρμογή τους ανάλογα με τις συνθήκες είναι δυνατό να επιτευχθεί βελτιστοποίηση της συνολικής επίδοσης, της απόδοσης και των εκπομπών ρύπων του οχήματος. Κατά τη σχεδίαση φυσικά, η επιλογή των συνθηκών κάτω από τις ο- ποίες θα εφαρμοστεί μια συγκεκριμένη κατάσταση λειτουργίας είναι συνάρτηση και άλλων παραγόντων. Δεδομένου ότι σε ένα HEV υπάρχουν δύο πηγές ενέργειας, η συνολική ισχύς που παρέχεται προς το φορτίο διακρίνεται σε δύο συνιστώσες, μία από την κάθε πηγή. Έτσι, και η ισχύς που απαιτείται από το φορτίο διαιρείται σε δύο μέρη, μια σταθερή μέση ισχύ σε όλη τη διάρκεια της κίνησης και μια δυναμική, συνεχώς μεταβαλλόμενη ισχύ που όμως έχει μηδενική μέση τιμή και σχετίζεται με τις αυξομειώσεις ισχύος που παρατηρούνται κατά την επιτάχυνση και την επιβράδυνση του οχήματος. Σχεδιάζεται, λοιπόν, το όχημα ώστε να λαμβάνει τη σταθερή μέση ισχύ από τη ΜΕΚ σε μια βέλτιστη περιοχή λειτουργίας. Από την άλλη πλευρά, ο ηλεκτροκινητήρας που έχει ευρύτερη περιοχή βέλτιστης λειτουργίας (σταθερή ισχύς για μεγαλύτερο εύρος ταχυτήτων) σε σχέση με τη ΜΕΚ μπορεί κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει το κομμάτι της δυναμικής ισχύος. Η αρχιτεκτονική ενός υβριδικού οχήματος ορίζεται ως η σύνδεση ανάμεσα σε διατάξεις που ορίζει τη ροή ενέργειας και τις θύρες ελέγχου. Παραδοσιακά, τα HEVs ταξινομούνταν σε δύο βασικούς τύπους: σειράς και παράλληλο. Ωστόσο, το 2000 κάποια νέα HEVs δεν μπορούσαν να ταξινομηθούν με βάση αυτούς τους δύο τύπους. Έτσι, δημιουργήθηκαν δύο νέοι τύποι HEVs, τα σειράς-παράλληλα και τα σύνθετα, αυξάνοντας τον αριθμό των τύπων σε τέσσερις. Η βασική δομή τους απεικονίζεται στο σχήμα 2.7, όπου θεωρήθηκε ότι οι δύο πηγές ενέργειας του οχήματος είναι η ηλεκτρική (μπαταρία -ηλεκτροκινητήρας) και η βεν- 2-10

11 (α) (β) (γ) (δ) ΣΧΗΜΑ 2.7 Κατηγορίες υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων. ζίνη (δεξαμενή βενζίνης-μεκ) Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα σειράς Ένα υβριδικό ηλεκτρικό όχημα σειράς αποτελείται από δύο πηγές ενέργειας οι οποίες τροφοδοτούν έναν ηλεκτροκινητήρα που προωθεί το όχημα. Στο σχήμα 2.8 απεικονίζεται η πιο κοινή δομή ενός τέτοιου οχήματος. Η μονοκατευθυντική πηγή ενέργειας είναι μια δεξαμενή καυσίμου και ο μονοκατευθυντικός μετατροπέας ενέργειας είναι μια ΜΕΚ που είναι συζευγμένη με μια ηλεκτρική γεννήτρια. Η έξοδος της γεννήτριας συνδέεται με κατάλληλη γραμμή μεταφοράς μέσω ενός ανορθωτή. Η δεύτερη πηγή ενέργειας είναι μια ηλεκτροχημική μπαταρία που συνδέεται με την ίδια γραμμή μεταφοράς μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος DC/DC. Η γραμμή μεταφοράς ενέργειας καταλήγει στον η- λεκτρονικό ελεγκτή του ηλεκτροκινητήρα. Οι καταστάσεις λειτουργίας που απαντώνται στο HEV σειράς είναι οι ακόλουθες: (1) Καθαρά ηλεκτρική λειτουργία. Η ΜΕΚ είναι σβηστή και το όχημα κινείται μόνο με την ισχύ του συσσωρευτή. 2-11

12 ΣΧΗΜΑ 2.8 Δομή υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος σειράς. (2) Καθαρή λειτουργία ΜΕΚ. Η ΜΕΚ τροφοδοτεί μόνη της το φορτίο χωρίς ο συσσωρευτής να απορροφά ή να προσδίδει ισχύ. (3) Υβριδική λειτουργία. Οι δύο πηγές τροφοδοτούν το φορτίο. (4) Αναγεννητική πέδηση (regenerative braking). Η ΜΕΚ είναι σβηστή ενώ ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια και φορτίζει το συσσωρευτή. (5) Λειτουργία της ΜΕΚ και φόρτιση μπαταρίας. Η ΜΕΚ λειτουργεί για να φορτίσει το συσσωρευτή ενώ ταυτόχρονα παρέχει την ισχύ για την κίνηση του οχήματος. (6) Φόρτιση μπαταρίας. Ο ηλεκτροκινητήρας δε λαμβάνει καθόλου ισχύ ενώ η γεννήτρια της ΜΕΚ χρησιμοποιείται για να φορτίσει το συσσωρευτή. (7) Λειτουργία υβριδικής φόρτισης μπαταρίας. Τόσο ο ηλεκτροκινητήρας όσο και η γεννήτρια της ΜΕΚ λειτουργούν ως γεννήτριες προκειμένου να φορτίσουν το συσσωρευτή. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων σειράς συνοψίζονται παρακάτω: Πλεονεκτήματα (1) Ευελιξία στην τοποθέτηση του σετ ΜΕΚ ηλεκτροκινητήρας. (2) Απλότητα της διαδρομής ισχύος. (3) Ικανό για μικρές διαδρομές. Μειονεκτήματα 2-12

13 (1) Απαιτεί τρεις διατάξεις κίνησης: ΜΕΚ, ηλεκτροκινητήρα, ηλεκτρογεννήτρια. (2) Μεγάλος ηλεκτροκινητήρας για να καλύψει τις ανάγκες του οχήματος Παράλληλο υβριδικό ηλεκτρικό όχημα Στο παράλληλο υβριδικό ηλεκτρικό όχημα η ισχύς παρέχεται μηχανικά από τη ΜΕΚ προς τους τροχούς όπως σε ένα συμβατικό όχημα. Υποβοηθείται από έναν ηλεκτροκινητήρα που είναι μηχανικά συζευγμένος με το σύστημα μετάδοσης. Οι ισχείς της ΜΕΚ και του ηλεκτροκινητήρα είναι μαζί συζευγμένες μέσω μηχανικής σύζευξης. Η μηχανική σύζευξη της ΜΕΚ και του ηλεκτροκινητήρα επιτρέπει την εμφάνιση διαφόρων παραλλαγών που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Η μηχανική σύζευξη μεταξύ των δύο κινητήρων μπορεί να είναι σύζευξη ροπής ή σύζευξη ταχύτητας. Η σύζευξη ροπής προσθέτει τις ροπές της ΜΕΚ και του ηλεκτροκινητήρα ή διαμοιράζει τη ροπή της ΜΕΚ σε δύο τμήματα, ένα για προώθηση και ένα για φόρτιση μπαταρίας. Αντίστοιχα, στη σύζευξη ταχύτητας προστίθενται οι ταχύτητες των δύο αξόνων. Πλεονεκτήματα (1) Απαιτεί μόνο 2 εξαρτήματα προώθησης: ΜΕΚ και ηλεκτροκινητήρα. Η ηλεκτρική μηχανή λειτουργεί ως κινητήρας και ως γεννήτρια. (2) Απαιτεί μικρό ηλεκτροκινητήρα και μικρή σχετικά ΜΕΚ. Μειονεκτήματα (1) Είναι πιο πολύπλοκο να ελεγχθεί από ένα απλό ηλεκτρικό όχημα. (2) Πολύπλοκη μηχανική διάταξη για σύζευξη Παράλληλο υβριδικό ηλεκτρικό όχημα με σύζευξη ροπής Στο σχήμα 2.9 απεικονίζονται δύο μηχανικά συστήματα σύζευξης ροπής με δύο εισόδους και μία έξοδο (κιβώτιο ταχυτήτων, αλυσίδα ή τροχαλίες). Στην περίπτωση του HEV η μία είσοδος προέρχεται από τη ΜΕΚ και η άλλη από τον ηλεκτροκινητήρα ενώ η έξοδος συνδέεται με το σύστημα μηχανικής μετάδοσης. Αν αμεληθούν οι απώλειες τότε η ροπή εξόδου και η ταχύτητα εξόδου προκύπτουν από τις παρακάτω σχέσεις: τ out k τ (2.1) 1 1 k2τ2 και ω out ω1 ω2 (2.2) k k

14 ΣΧΗΜΑ 2.9 Συχνά χρησιμοποιούμενες διατάξεις μηχανικής σύζευξης ροπής. όπου k 1, k 2 είναι σταθεροί συντελεστές που καθορίζονται από το σύστημα μηχανικής σύζευξης. Υπάρχει μια ποικιλία δομών μηχανικής σύζευξης ροπής οι οποίες κατηγοριοποιούνται σε μεγάλες ομάδες, τις διατάξεις ενός άξονα και τις διατάξεις δύο αξόνων. Σε κάθε περίπτωση το σύστημα μετάδοσης μπορεί να τοποθετηθεί σε διαφορετικές θέσεις και να σχεδιαστεί με διαφορετικές σχέσεις οδηγώντας σε διαφορετικά χαρακτηριστικά έλξης. Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται δύο διατάξεις παράλληλου υβριδικού η- λεκτρικού οχήματος με δύο άξονες (σχήματα 2.9 και 2.10) και δύο διατάξεις παράλληλου υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος με έναν άξονα (σχήμα 2.11). Επίσης, στο σχήμα 2.12 απεικονίζεται μια διάταξη με 2 ξεχωριστούς άξονες. Στη διάταξη του σχήματος 2.9 χρησιμοποιούνται 2 συστήματα μετάδοσης για τη σύζευξη των δύο μηχανών με το σύστημα σύζευξης. Κάθε σύστημα μετάδοσης μπορεί να είναι μιας ή περισσότερων σχέσεων. Έτσι διαφορετικά χαρακτηριστικά κίνησης μπορεί να προκύψουν για κάθε διαφορετική περίπτωση, παρέχοντας μεγαλύτερη ευελιξία κατά τη σχεδίαση αλλά με σαφώς μεγαλύτερη πολυπλοκότητα. Στη διάταξη του σχήματος 2.10, αντίθετα, χρησιμοποιείται μόνο ένα σύστημα μετάδοσης. Είναι δυνατή η λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα σε υψηλές ταχύτητας (μικρή ροπή και μέγεθος) με κατάλληλη εκλογή των συντελεστών k 1 και k 2. Πρακτικά, η δομή είναι χρήσιμη όταν χρησιμοποιούνται σχετικά μικρή ΜΕΚ και μικρός ηλεκτροκινητήρας. Για τη βελτίωση της ροπής σε χαμηλές ταχύτητες το σύστημα μετάδοσης μπορεί να είναι περισσότερων της μιας σχέσεων. 2-14

15 ΣΧΗΜΑ 2.9 Διάταξη δύο αξόνων. ΣΧΗΜΑ 2.10 Διάταξη δύο αξόνων. Η απλή αρχιτεκτονική σύζευξης ροπής σε παράλληλο HEV είναι η δομή ενός μόνο άξονα όπου ο ρότορας του ηλεκτροκινητήρα λειτουργεί ως σύζευξη ροπής όπως φαίνεται και στα σχήματα 2.11α και 2.11β (k 1 = k 2 = 1). Ένα σύστημα μετάδοσης μπορεί να τοποθετηθεί είτε πίσω από τον ηλεκτροκινητήρα που συνδέεται με τη ΜΕΚ μέσω συμπλέκτη (pretransmission) είτε μεταξύ της ΜΕΚ και του ηλεκτροκινητήρα (posttransmission). 2-15

16 (α) (β) ΣΧΗΜΑ 2.11 Διάταξη ενός άξονα (α) pretransmision και (β) post-transmission. Στην περίπτωση της δομής pretransmission, η ΜΕΚ και ο ηλεκτροκινητήρας πρέπει να έχουν το ίδιο εύρος ταχυτήτων. Η δομή αυτή συνήθως χρησιμοποιείται στην περίπτωση μικρού ηλεκτροκινητήρα ο οποίος λειτουργεί περισσότερο ως εκκινητής, ηλεκτρογεννήτρια, βοηθητικός παροχέας ισχύος και φορτιστής κατά την πέδηση. Αντίθετα, στην περίπτωση της δομής posttransmission, το σύστημα μετάδοσης χρησιμοποιείται για να μετατρέψει τη ροπή της ΜΕΚ ενώ η ροπή του ηλεκτροκινητήρα μεταφέρεται απ ευθείας στους τροχούς. Συνήθως χρησιμοποιείται όταν ο ηλεκτροκινητήρας είναι μεγάλος και με μεγάλο εύρος ταχυτήτων σταθερής ισχύος. Τέλος, μια ακόμη δομή παράλληλου HEV με σύζευξη ροπής είναι η αρχιτεκτονική με ξε- 2-16

17 ΣΧΗΜΑ 2.12 Διάταξη με δύο ξεχωριστούς άξονες. χωριστούς άξονες στην οποία ένας άξονας τροφοδοτείται από τη ΜΕΚ και ο άλλος άξονας τροφοδοτείται από τον ηλεκτροκινητήρα. Η αρχή λειτουργίας είναι ίδια με αυτή του συστήματος με δύο άξονες. Και τα δύο συστήματα μετάδοσης μπορεί να είναι είτε μονοσχεσιακά είτε πολυσχεσιακά. Το πλεονέκτημα αυτής της δομής είναι ότι διατηρεί το σύστημα ΜΕΚ/μετάδοσης αμετάβλητο σε σύγκριση με ένα συμβατικό όχημα προσθέτοντας μόνο τον ηλεκτροκινητήρα. Επίσης, μπορεί να έχει τετρακίνηση κατά την υβριδική λειτουργία και των δύο κινητήρων. Ωστόσο, έχει το μειονέκτημα ότι ο ηλεκτροκινητήρας και το σύστημα μετάδοσής του καταλαμβάνουν σημαντικό χώρο, περιορίζοντας έτσι το χώρο επιβατών. Το πρόβλημα αυτό θα μπορούσε να επιλυθεί με αντικατάσταση του ηλεκτροκινητήρα από δύο μικρότερους που θα τοποθετούνταν στους δύο τροχούς. Πρέπει να σημειωθεί ότι η μπαταρία δεν είναι δυνατό να φορτιστεί από τη ΜΕΚ όταν το όχημα βρίσκεται εν στάση Παράλληλο υβριδικό ηλεκτρικό όχημα με σύζευξη ταχύτητας Αντίστοιχα με το παράλληλο υβριδικό όχημα με σύζευξη ροπής, υπάρχει και το παράλληλο υβριδικό όχημα με σύζευξη ταχύτητας. Αν αμεληθούν οι απώλειες τότε η ταχύτητα εξόδου και η ροπή εξόδου προκύπτουν από τις παρακάτω σχέσεις: και ω out τ out k (2.3) 1ω1 k2ω2 τ1 τ 2 (2.4) k k

18 ΣΧΗΜΑ 2.13 Τυπικές διατάξεις σύζευξης ταχύτητας. (α) (β) ΣΧΗΜΑ 2.14 Παράλληλο HEV με διατάξεις σύζευξης ταχύτητας (α) πλανητικό σύστημα, (β) transmotor. 2-18

19 όπου k 1, k 2 είναι σταθεροί συντελεστές που καθορίζονται από το σύστημα μηχανικής σύζευξης. Στο σχήμα 2.13 απεικονίζονται δύο τυπικές διατάξεις σύζευξης ταχύτητας, ένας πλανητικό σύστημα σχέσεων και ένας ηλεκτροκινητήρας του οποίου ο στάτης είναι ελεύθερος να περιστρέφεται (transmotor). To πλανητικό σύστημα αποτελείται από τρεις θύρες εκ των οποίων οι δύο είναι είσοδοι (1-2) της ΜΕΚ και του ηλεκτροκινητήρα και η τρίτη έξοδος (3) προς τους τροχούς. Μια άλλη ενδιαφέρουσα διάταξη είναι αυτή του ηλεκτροκινητήρα με ελεύθερα κινούμενο στάτη. Οι άλλες δύο θύρες είναι ο ρότορας και το διάκενο μέσω του οποίου η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε κίνηση. Η ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα είναι η σχετική ταχύτητα ανάμεσα στο ρότορα και το στάτη. Στα σχήματα 2.14α και 2.14β απεικονίζονται δύο αρχιτεκτονικές HEV με διατάξεις σύζευξης ταχύτητας. Οι καταστάσεις λειτουργίας που μπορούν να υποστηρίξουν οι παραπάνω αρχιτεκτονικές δομές είναι (1) Υβριδική κίνηση με σύμπραξη της ΜΕΚ και του ηλεκτροκινητήρα (2) Κίνηση παραγόμενη μόνο από τη ΜΕΚ (3) Κίνηση παραγόμενη μόνο από τον ηλεκτροκινητήρα (4) Αναγεννητική πέδηση (5) Φόρτιση μπαταρίας από τη ΜΕΚ Παράλληλο υβριδικό ηλεκτρικό όχημα με σύζευξη ροπής και ταχύτητας Τέλος, σε πιο ρεαλιστικές καταστάσεις υπάρχει συνδυασμός διατάξεων σύζευξης ροπής με διατάξεις σύζευξης ταχύτητας σε πιο πολύπλοκα μεν συστήματα αλλά με μεγαλύτερη ευελιξία κινήσεων και υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα μεγαλύτερων δυνατοτήτων. Δύο τέτοιες δομές απεικονίζονται στα σχήματα 2.15 και Ένα καλό παράδειγμα παράλληλου υβριδικού οχήματος που χρησιμοποιεί σύζευξη ροπής και ταχύτητας είναι το μοντέλο Prius της Toyota Motor Company (δομή σχήματος 2.16). Ένας μικρός ηλεκτροκινητήρας ή μια γεννήτρια (μερικά kw) συνδέεται μέσω ενός πλανητικού συστήματος σχέσεων (σύζευξη ταχύτητας). Το πλανητικό σύστημα σχέσεων χωρίζει την ταχύτητα της ΜΕΚ σε δύο επιμέρους ταχύτητες. Η μία δίνει κίνηση στον άξονα του μικρού κινητήρα/γεννήτριας ενώ η άλλη στους τροχούς μέσω μιας σταθερής μονάδας σχέσεων του άξονα (σύζευξη ροπής). Έ- νας μεγάλος ηλεκτροκινητήρας (μέχρι 10 kw) συνδέεται επίσης σε αυτή τη μονάδα σχέσεων για να δημιουργήσει μια παράλληλη σύζευξη ροπής. Σε χαμηλές ταχύτητες, ο μικρός κινητήρας απορροφά τμήμα της ισχύος της ΜΕΚ. Σε υψηλές ταχύτητες, ο μικρός κινητήρας περιστρέφεται με αντίθετη ταχύτητα ώστε να μεταφέρει ισχύ στο πλανητικό σύστημα 2-19

20 ΣΧΗΜΑ 2.15 Παράλληλο HEV με διάταξη σύζευξης ταχύτητας (transmotor) και ροπής. ΣΧΗΜΑ 2.16 Παράλληλο HEV με σύζευξη ταχύτητας (πλανητικό σύστημα) και ροπής (κιβώτιο ταχυτήτων). σχέσεων και έτσι να περιορίσει την κατανάλωση καυσίμου. Έτσι επιτυγχάνεται σημαντική οικονομία στην κατανάλωση καυσίμου Αρχιτεκτονική δομή ηλεκτρικού οχήματος με κυψέλες καυσίμου (FCEV) Οι κυψέλες καυσίμου (fuel cells) θεωρούνται ως μία από τις προηγμένες πηγές ενέργειας για εφαρμογές στις μεταφορές. Σε σύγκριση με τις μηχανές εσωτερικής καύσης, οι κυ- 2-20

21 ψέλες καυσίμου έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης ενέργειας και της πολύ χαμηλότερης εκπομπής ρύπων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μετατρέπουν την ενέργεια στην κυψέλη απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς καύση. Ωστόσο, οχήματα που τροφοδοτούνται με ενέργεια μόνο από κυψέλες καυσίμου έχουν κάποια μειονεκτήματα, όπως βαριά και ογκώδη μονάδα ισχύος που οφείλεται στη χαμηλή πυκνότητα ενέργειας του συστήματος των κυψελών καυσίμου, μεγάλο χρόνο εκκίνησης και αργή απόκριση ισχύος. Επιπρόσθετα, σε εφαρμογές προώθησης, η εξαιρετικά υψηλή ισχύς εξόδου σε απότομη επιτάχυνση και η εξαιρετικά χαμηλή ισχύς εξόδου σε καταστάσεις οδήγησης με χαμηλή ταχύτητα οδηγεί σε χαμηλούς βαθμούς απόδοσης, όπως φαίνεται και από το σχήμα Η υβριδοποίηση ενός συστήματος κυψελών καυσίμου με μία δεύτερη πηγή ενέργειας (πιθανόν κάποιος συσσωρευτής) είναι μια ικανοποιητική τεχνολογία για την αποφυγή των παραπάνω μειονεκτημάτων των οχημάτων που κινούνται μόνο με κυψέλες καυσίμου. Η δομή του υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος με κυψέλες καυσίμου είναι τελείως διαφορετική από τη δομή των συμβατικών οχημάτων και των κλασικών υβριδικών οχημάτων. Επομένως, είναι απαραίτητη μια καινούρια μεθοδολογία σχεδίασης. Η δομή ενός υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος με κυψέλες καυσίμου απεικονίζεται στο σχήμα Αποτελείται κυρίως από ένα σύστημα κυψελών καυσίμου ως πρωτεύουσα πηγή ενέργειας, μια δευτερεύουσα πηγή για μέγιστη ενέργεια (PPS), σύστημα οδήγησης η- λεκτροκινητήρα (κινητήρας και ο ελεγκτής του), ελεγκτής οχήματος, και μια ηλεκτρονική διεπιφάνεια μεταξύ του συστήματος κυψελών καυσίμου και της δευτερεύουσας πηγής ε- νέργειας. Σύμφωνα με την εντολή απαίτησης ισχύος ή ροπής που λαμβάνεται από τα πεν- ΣΧΗΜΑ 2.17 Τυπικά χαρακτηριστικά λειτουργίας ενός συστήματος κυψελών καυσίμου. 2-21

22 1: πεντάλ επιτάχυνσης, 2: πεντάλ φρένου, 3: ελεγκτής οχήματος, 4: σύστημα κυψελών καυσίμου, 5: δευτερεύουσα πηγή ενέργειας, 6: ηλεκτρονική διεπιφάνεια, 7: ελεγκτής ηλεκτροκινητήρα, 8: ηλεκτροκινητήρας, 9: σύστημα μετάδοσης, 10: τροχοί. (1): σήμα ελέγχου επιτάχυνσης, (2) σήμα ελέγχου πέδησης, (3) σήμα ενέργειας δευτερεύουσας πηγής ενέργειας, (4): σήμα ισχύος από κυψέλες καυσίμου, (5): σήμα ελέγχου ηλεκτρονικής διεπιφάνειας, (6): σήμα ελέγχου ηλεκτροκινητήρα, (7): ταχύτητα. ΣΧΗΜΑ 2.18 Αρχιτεκτονική δομή διαδρομής ισχύος ενός τυπικού υβριδικού οχήματος με κυψέλες καυσίμου. τάλ επιτάχυνσης ή πέδησης καθώς και άλλα σήματα από αισθητήρες, ο ελεγκτής του οχήματος ελέγχει την ισχύ και τη ροπή εξόδου του ηλεκτροκινητήρα και τη ροή ενέργειας α- νάμεσα στις κυψέλες καυσίμου, τη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας και τις υπόλοιπες διατάξεις της διαδρομής ισχύος. Για παράδειγμα, όταν υπάρχει αίτηση για μέγιστη ισχύ σε μια απότομη επιτάχυνση, τόσο οι κυψέλες καυσίμου όσο και η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας παρέχουν ισχύ στο σύστημα του ηλεκτροκινητήρα. Κατά την πέδηση, ο ηλεκτροκινητήρας, λειτουργώντας ως γεννήτρια, μετατρέπει μέρος της ενέργειας πέδησης σε ηλεκτρική ενέργεια και την αποθηκεύει στη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας. Η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας επανακτά ενέργεια και από τις κυψέλες καυσίμου όταν η απαιτούμενη ισχύς φορτίου είναι μικρότερη από την ονομαστική ισχύ του συστήματος κυψελών καυσίμου. Επομένως, με κατάλληλη σχεδίαση και στρατηγική ελέγχου, η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας δε θα χρειαστεί να φορτιστεί εκτός του οχήματος. Η στρατηγική ελέγχου που προγραμματίζεται στον ελεγκτή του οχήματος ελέγχει τη ροή ισχύος μεταξύ του συστήματος κυψελών καυσίμου, της δευτερεύουσας πηγής ενέργειας και των συστημάτων διαδρομής ισχύος. Πρέπει να εξασφαλίζει τα ακόλουθα: 1. Η ισχύς εξόδου του ηλεκτροκινητήρα πάντα ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις ισχύος 2-22

23 του οχήματος. 2. Το επίπεδο ενέργειας της δευτερεύουσας πηγής ενέργειας διατηρείται στη βέλτιστη περιοχή λειτουργίας της. 3. Το σύστημα κυψελών καυσίμου λειτουργεί στη βέλτιστη περιοχή λειτουργίας του. Τρεις χαρακτηριστικές καταστάσεις λειτουργίας του οχήματος περιγράφονται παρακάτω: Κατάσταση στάσης: Ούτε το σύστημα κυψελών καυσίμου ούτε το σύστημα δευτερεύουσας πηγής ενέργειας παρέχουν ισχύ. Το σύστημα κυψελών καυσίμου βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής. Κατάσταση πέδησης: Το σύστημα κυψελών καυσίμου βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής και η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας απορροφά ενέργεια μέσω της αναγεννητικής πέδησης, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του συστήματος πέδησης. Κατάσταση κίνησης: Διακρίνονται τρεις περιπτώσεις. (1) Αν η απαιτούμενη ισχύς εισόδου στον ηλεκτροκινητήρα είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική ισχύ του συστήματος κυψελών καυσίμου, εφαρμόζεται η κατάσταση υβριδικής λειτουργίας στην οποία το σύστημα κυψελών καυσίμου λειτουργεί με την ονομαστική του ισχύ και η υπόλοιπη ισχύς παρέχεται από τη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας. Ως ονομαστική ισχύς του συστήματος κυψελών καυσίμου ορίζεται το ανώτατο όριο της βέλτιστης περιοχής λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. (2) Αν η απαιτούμενη ισχύς εισόδου στον ηλεκτροκινητήρα είναι μικρότερη από την ελάχιστη ισχύ του συστήματος κυψελών καυσίμου και η δευτερεύουσα πηγή ε- νέργειας απαιτεί φόρτιση (το επίπεδο ενέργειας είναι χαμηλότερο από την ελάχιστη δυνατή τιμή), τότε το σύστημα κυψελών καυσίμου λειτουργεί με την ονομαστική του ισχύ, ένα μέρος της οποίας παρέχεται στον ηλεκτροκινητήρα ενώ το υπόλοιπο στη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας. Στην περίπτωση που η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας δεν απαιτεί φόρτιση (το επίπεδο ενέργειας είναι κοντά στη μέγιστη δυνατή τιμή), το σύστημα κυψελών καυσίμου βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής και η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας οδηγεί μόνη της το όχημα. Προφανώς, η μέγιστη ισχύς που η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας μπορεί να παράγει είναι μεγαλύτερη από την απαιτούμενη ισχύ εισόδου στον ηλεκτροκινητήρα. (3) Εάν η ισχύς φορτίου είναι μεγαλύτερη από την προκαθορισμένη ελάχιστη ισχύ και μικρότερη από την ονομαστική ισχύ του συστήματος κυψελών καυσίμου και η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας δε χρειάζεται φόρτιση, τότε το σύστημα κυψε- 2-23

24 λών καυσίμου οδηγεί από μόνο του το όχημα. Διαφορετικά, αν η δευτερεύουσα πηγή ενέργειας χρειάζεται φόρτιση, το σύστημα κυψελών καυσίμου λειτουργεί με την ονομαστική του ισχύ, μέρος της οποίας παρέχεται στον ηλεκτροκινητήρα ενώ το υπόλοιπο στη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας. Στο σχήμα 2.19 απεικονίζεται ένα ενδεικτικό διάγραμμα ροής της στρατηγικής ελέγχου που εφαρμόζεται σε υβριδικό όχημα κυψελών καυσίμου. Χρησιμοποιούνται τα μεγέθη: P comm : απαιτούμενη ισχύς, P fc-rated : ονομαστική ισχύς του συστήματος κυψελών καυσίμου, P fc : ισχύς του συστήματος κυψελών καυσίμου, P fc-min : ελάχιστη ισχύς του συστήματος κυψελών καυσίμου, P pps-traction : ισχύς κίνησης από τη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας, P ppscharging: ισχύς φόρτισης προς τη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας, Ε: επίπεδο ενέργειας της δευτερεύουσας πηγής ενέργειας, E min : κατώτατο όριο αποθηκευμένης ενέργειας στη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας, E max : κατώτατο όριο αποθηκευμένης ενέργειας στη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας. ΣΧΗΜΑ 2.19 Διάγραμμα ροής της στρατηγικής ελέγχου σε υβριδικό όχημα κυψελών καυσίμου. 2-24