ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Σταύρος Λαζάρου ιπλ/χος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών Υποψήφιος ιδάκτορας Π.Π. Μέλος ΕΛ.ΙΝ.Η.Ο. Σωκράτης Παστρωµάς ιπλ/χος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μέλος ΕΛ.ΙΝ.Η.Ο. Χρήστος Γεωργίου Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Περίληψη Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείµενο τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα και τις τεχνολογίες ηλεκτρονικών µετατροπέων που εφαρµόζονται σε αυτά. Στα πλαίσια της παρούσης εργασίας γίνεται αναφορά στους λόγους για τους οποίους η διεθνής επιστηµονική κοινότητα εµφανίζει ένα έντονο ενδιαφέρον προς την ευρεία εφαρµογή της ηλεκτροκίνησης. Επιπλέον αναφέρονται τα θετικά στοιχεία που εµφανίζουν και η πρακτική χρησιµότητά τους στην κοινωνία. Οι συγγραφείς έκριναν σκόπιµο να παρουσιάσουν τα κυριότερα µοντέλα ηλεκτροκίνητων οχηµάτων πριν προχωρήσουν στην ανάλυση του κυριότερου θέµατος της εργασίας. Το τελευταίο αφορά στην παρουσίαση των κυριότερων τοπολογιών ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος που εφαρµόζονται ή πρόκειται να εφαρµοστούν σε µελλοντικά οχήµατα. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια η ανθρωπότητα ήρθε αντιµέτωπη µε πολλά προβλήµατα τα οποία απαιτούν δραστικές λύσεις. Τα κυριότερα ήταν ο περιορισµός των παγκόσµιων αποθεµάτων πετρελαίου, το φαινόµενο του θερµοκηπίου, και η τρύπα του όζοντος. Τα δύο τελευταία είναι συνέπεια της υπερκατανάλωσης καυσίµων τα οποία µετά την καύση τους εκπέµπουν ρύπους. Με την πάροδο των χρόνων, την αύξηση των αναγκών και την άνοδο του βιοτικού επίπεδου η κατάσταση αυτή χειροτερεύει. Όλα αυτά αποτέλεσαν το έναυσµα για την επιστηµονική κοινότητα προκειµένου να ερευνήσει και να βρει λύσεις στα ζητήµατα αυτά. Η ηλεκτροκίνηση έρχεται να δώσει λύση σε όλα τα προβλήµατα που προαναφέρθηκαν. 2. ΕΝ ΙΑΦΕΡΟΝ ΓΙΑ ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ ΤΟΥΣ Τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα αποτελούν ενδεχοµένως το µελλοντικό όχηµα ευρείας χρήσης όπως συµβαίνει σήµερα µε τα θερµικά. Οι λόγοι που οδηγούν σε αυτά είναι οι ακόλουθοι: 1) δεν εκπέµπουν ρύπους, 2) είανι σχεδόν αθόρυβα, 3) λειτουργεί µε ηλεκτρική ενέργεια η οποία είναι ανεξάντλητη, 4) ο βαθµός απόδοση ενός ηλεκτροκίνητου οχήµατος έναντι ενός θερµικού είναι 3:1 [3],5) ο κινητήρας είναι απλούστερος σε σύγκριση µε έναν συµβατικό, 6) έχει υπολογιστεί ότι η διάρκεια ζωής ενός ηλεκτρικού κινητήρα αντιστοιχεί σε 1.000.000km συµβατικού κινητήρα (βενζινοκινητήρα), 7) απλός τρόπος εκκίνησης χωρίς εκκινητή ή άλλο αντικείµενο το οποίο εµφανίζει φθορές, 8) δεν - 1 -
χρειάζεται κυκλώµατα µε υγρά ψύξης, 9) ο ηλεκτροκινητήρας δεν χρειάζεται λίπανση ανά σύντοµα χρονικά διαστήµατα, 10) εµφανίζει χαµηλό λειτουργικό κόστος αφού δεν υπάρχουν εξαρτήµατα που να χρειάζονται αλλαγή, 11) δεν καταναλώνει ενέργεια σε στάσεις, 12) δίνει τη δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας σε περιπτώσεις πέδησης, και 13) δεν υπάρχει ο κίνδυνος έκρηξης σε περίπτωση ατυχήµατος. Λαµβάνοντας υπόψη όλους τους παραπάνω λόγους εύκολα αντιλαµβάνεται κανείς ότι εµφανίζουν στοιχεία που µπορεί να τα κάνουν χρήσιµα στην ανθρωπότητα. Η χρησιµότητά τους φαίνεται στο κατά πόσο µπορούν να αποτελέσουν εναλλακτική λύση των υπαρχόντων µέσων µεταφοράς και των ρόλων που επιτελούν στην καθηµερινή ζωή των ανθρώπων. Συνεπώς βάσει των παραπάνω µπορούν να αποτελέσουν µέσα µαζικής µεταφοράς ανθρώπων σε πόλεις, να µετατραπούν σε ένα «µέσο µετακίνησης» πόλης δεδοµένης της µικρής αυτονοµίας που έχουν. Επίσης τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα µπορούν να αντικαταστήσουν θερµικά γερανοφόρα οχήµατα που χρησιµοποιούνται σε εργοστάσια δεδοµένου ότι µπορούν να χρησιµοποιηθούν και σε εσωτερικούς χώρους επειδή είναι αθόρυβα και µη ρυπογόνα. Γενικά µπορεί να αναφερθεί ότι τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα µπορούν εν δυνάµει να υποκαταστήσουν τα συµβατικά σε αρκετές εφαρµογές. 3. ΜΟΝΤΕΛΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΕΜΠΟΡΙΚΗ ΙΑΘΕΣΗ - ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Οι αυτοκινητοβιοµηχανίες αρχίζουν και βλέπουν την ηλεκτροκίνηση ως µία νέα πρόκληση και αρχίζουν να δραστηριοποιούνται στην κατασκευή ηλεκτροκίνητων οχηµάτων. Τα πιο γνωστά µοντέλα τα οποία έχουν τεθεί σε εµπορική εφαρµογή είναι το EV1 της εταιρείας General Motors (GM), το Ecostar Ranger της εταιρείας FORD, τo EVPlus της Honda, το υβριδικό Prius της Toyota, και το P2000 της FORD. Το πρώτο µοντέλο το EV1 της εταιρείας General Motors (GM) έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Ισχύς: 137HP, Μέγιστη ταχύτητα: 129km/h, Αυτονοµία: 88-153km me 26 lead-acid µπαταρία, 121-209km µε µπαταρία NiMH, Φόρτιση 220V, 6.6kW, Πέδηση: εµπρός δισκόφρενα, πίσω ταµπούρα και µε δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας. Το µοντέλο Ecostar Ranger της εταιρείας FORD έχει χαρακτηριστικά: Ισχύς 90ΗΡ, Μέγιστη ταχύτητα 121km/h, Επιτάχυνση: 0-80km σε 13sec, Αυτονοµία 80km µε µπαταρία 4 ης γενιάς sealed lead acid, για τον τύπο πέδησης δεν υπάρχουν χαρακτηριστικά διαθέσιµα. Το µοντέλο Honda EVPlus έχει τα ακόλουθα: Μπαταρίες: NiMH, Κινητήρα µε µόνιµο µαγνήτη, µίας ταχύτητας, Φόρτιση σε τάση 110 ή 220V. Για τα δύο τελευταία για το λόγο ότι είναι υβριδικά οχήµατα δεν υπάρχει ανάγκη αναφοράς τεχνικών χαρακτηριστικών αφού δεν µπορεί να γίνει σύγκριση των χαρακτηριστικών µεταξύ τους. 4. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Τα τελευταία χρόνια η τεχνολογία ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος έχει σηµειώσει µεγάλη πρόοδο. Αυτές οι συσκευές µετατροπής ισχύος έχουν εξελιχθεί όσον αφορά το ποσοστό µετατροπής και απόδοσης. Στα νέα ηλεκτροκίνητα οχήµατα χρησιµοποιούνται θυρίστορ, GTO, power MOSFET, IGBT, SIT, SITH, MOS-Controlled Thyristor (MCT), MOS Turn-Off (MTO). Στα τελευταία ηλεκτροκίνητα οχήµατα χρησιµοποιούνται τα IGBT κατά κόρον. - 2 -
Η εξέλιξη των τοπολογιών ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος αφορά στην καλυτέρευση της απόδοσης, της ελεγξιµότητας και αξιοπιστίας τους. Οι τοπολογίες µετατροπέων ισχύος εξαρτώνται από τον τύπο των κινητήρων που πρόκειται να ελέγξουν. Στη συνέχεια παρουσιάζονται βασικού τύποι ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος. 5. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Οι κινητήρες συνεχούς ρεύµατος πλεονεκτούν όσον αφορά την ώριµη τεχνολογία που διαθέτουν και τον απλό έλεγχο. Ωστόσο, οι ψήκτρες τους καθιστούν λιγότερο αξιόπιστους και ακατάλληλους για λειτουργία χωρίς συντήρηση. Συνεπώς αυτοί χρησιµοποιούνται σε ηλεκτροκίνητα οχήµατα µικρού κόστος όπως µοτοσικλέτες ή µικρά οχήµατα. Η τάση που παράγουν οι µετατροπείς αυτής της κατηγορίας είανι 24-48v και ισχύ 1-3kW. Οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος για κινητήρες Σ.Ρ. βασίζονται παραδοσιακά σε δύσκολη διακοπτική λειτουργία η οποία προκαλεί παλµικά ρεύµατα και τάσεις προκαλώντας καταπονήσεις λόγω υψηλών ρευµάτων και τάσεων που δηµιουργούνται [2]. Τα τελευταία χρόνια υπάρχουν µερικοί µετατροπείς ισχύος µικρής διακοπτικής λειτουργίας (soft-switching) DC-DC οι οποίοι είναι κατάλληλοι για ηλεκτροκίνητα οχήµατα οι οποίοι δίνουν τη δυνατότητα για διπλή κατεύθυνση της ισχύος είτε προς τον κινητήρα προκειµένου να ελεγχθεί, είτε από τον κινητήρα προς το µετατροπέα σε περίπτωση πέδησης οπότε πετυχαίνεται ανάκτηση ενέργειας. Όπως φαίνεται στο σχήµα 1 πρόκειται για διακοπτικό ηµι-συντονισµού µε µετάβαση κατά το µηδενισµό της τάσης (Zero-Voltage Switching Quasi-Resonant Converters, ZVS-2Q-ΜR). Το κυριότερο πλεονέκτηµα είναι η λειτουργία ZVS και των δύο διακοπτικών επαφών που επιτρέπει πλήρη µετατροπή τάσης, λειτουργία σε σταθερή συχνότητα και τη λειτουργία σε βραχυκύκλωµα. Εξέλιξη αυτής της συνδεσµολογίας αποτελόυν αυτές που φαίνονται στα σχήµατα 2-4. Σχήµα 1: 2Q-ZVS-MR µετατροπέας για κινητήρες Σ.Ρ. [2] - 3 -
Σχήµα 2: 2Q-ZVS µετατροπέας για κινητήρες Σ.Ρ. [2] Σχήµα 3: 2Q-ZVS αποµονωµένος µετατροπέας για κινητήρες Σ.Ρ. [2]. Σχήµα 4: 2Q-ZCT µετατροπέας για κινητήρες Σ.Ρ. [2] 6. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Οι κινητήρες εναλλασσόµενου ρεύµατος έχουν το πλεονέκτηµα της υψηλής απόδοσης, της υψηλής πυκνότητας ισχύος και της δυνατότητας λειτουργίας χωρίς συντήρηση καθώς και τη δυνατότητα της αντιστροφής της φοράς ενέργειας. Το κυριότερο µειονέκτηµα είναι η πολυπλοκότητα ελέγχου τους. Αυτοί είναι και οι λόγοι που αντικατέστησαν τους κινητήρες συνεχούς ρεύµατος σε ηλεκτροκίνητα οχήµατα υψηλής απόδοσης, όπως σε ηλεκτρικά τρένα ή λεωφορεία. Η τάση στην περιοχή συνεχούς τάσης είναι 240-480V και η ισχύς 10-80kW. Η εξέλιξη των ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος για τους κινητήρες εναλλασσόµενου ρεύµατος έχει γίνει το κύριο µέρος της έρευνας στην επιστηµονική κοινότητα. Είναι επιθυµητό να φτάσουµε απόδοση στους µετατροπείς κοντά στο - 4 -
95%, διακοπτική συχνότητα λειτουργία 10kHz και κανένα σφάλµα κατά τη διάρκεια ζωής του οχήµατος. Προκειµένου να γίνει αυτό εφικτό πρέπει να γίνει έρευνα στους αντιστροφείς µικρής διακοπτικής λειτουργίας και στους πολυεπίπεδους αντιστροφείς. Η ανάπτυξη αντιστροφέων µικρής διακοπτικής λειτουργίας για κινητήρες Ε.Ρ. έχει σηµειωθεί εδώ και δύο δεκαετίες. Μια χαρακτηριστική συνδεσµολογία αυτού του τύπου φαίνεται στο σχήµα 5. Το ενδιαφέρον πρέπει να στραφεί προς τους πολυεπίπδους αντιστροφείς για κινητήρες Ε.Ρ. διότι εµφανίζουν µερικά µοναδικά πλεονεκτήµατα που είναι χρήσιµα για τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα. Μπορούν να παράγουν σχεδόν ηµιτονοειδείς τάσεις για µία θεµελιώδη διακοπτική συχνότητα, παράγει σχεδόν µηδενικές ανώτερες αρµονικές και είναι κατάλληλοι για κινητήρες υψηλής ισχύος. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι πολυβάθµιων αντιστροφέων οι οποίες είναι: ο diode-clamped, o τύπος flying-capacitor και ο τύπος cascade. Από αυτούς ο σηµαντικότερος είναι ο τελευταίος διότι περιλαµβάνει όλα τα πλεονεκτήµατα των πολυβάθµιων αντιστροφέων και επιπλέον τη χρήση µονάδων γεφυρών τύπου Η αυξάνοντας την πολυπλοκότητα κατασκευής. Ο τύπος µετατροπέα αυτής της κατηγορίας φαίνεται στο σχήµα 6. Σχήµα 5: 6-switch ZCT αντιστροφέας για κινητήρες Ε.Ρ. [2]. Σχήµα 6: Η γέφυρα Η-Cascaded για κινητήρες Ε.Ρ. [2]. - 5 -
7. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Jil-Sheng Lai, Electric vehicles and power electronics, Virginia Polytechnic Institute and State University, Chili 2001. [2] Κ.Τ.Chau Z. Wang,: Overview of power electronic drives foe electric vehicles, Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Hong Kong, China 2005. [3] Περιοδικό Τεχνικά Χρονικά, Εκδόσεις Τ.Ε.Ε., Αθήνα 1995. - 6 -