ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ

ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ Ι. ΡΙΚΟΥ ΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ: 160 ΠΑΤΡΑ 2005

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΣΤΟΧΟΙ 9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ-ΣΥΝΤΟΜΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 15 1.1 Γενικά 15 1.2 Σύντοµη ιστορική αναδροµή 16 1.2.1 Η πρώτη περίοδος 16 1.2.2 Η µεσαία περίοδος 20 1.2.3 Το ηλεκτρικό όχηµα σήµερα 23 1.3 Το ηλεκτρικό όχηµα στην Ελλάδα 25 1.4 Κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων 1.4.1 Γενικά 1.4.2 Αµιγώς Ηλεκτροκίνητα Οχήµατα 1.4.2.1 Μονάδα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας- Συσσωρευτές 1.4.2.2 ιατάξεις και σενάρια φόρτισης 1.4.2.3 Νέες τεχνολογίες για τη φόρτιση των συσσωρευτών 1.4.2.4 Ενεργειακές κυψέλες 1.4.2.5 Ηλεκτρονικός Μετατροπέας Ισχύος 1.4.2.6 Ηλεκτρικός Κινητήρας 29 29 30 31 32 34 36 37 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΑΘΜΙ ΑΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΑΥΤΗΣ 43 2.1 Γενικά 43 2.2 Υπάρχουσες τοπολογίες φορτιστών συσσωρευτών 44 1

2.3 Βασικές λειτουργικές προδιαγραφές της διάταξης φόρτισης 47 2.4 Στρατηγική σχεδιασµού της διάταξης φόρτισης 52 2.5 Αριθµητική εφαρµογή της στρατηγικής σχεδιασµού 56 2.6 Παρουσίαση ενός νέου βελτιωµένου κυκλώµατος καταστολής υπερτάσεων και βελτιστοποίηση της µεθοδολογίας σχεδιασµού της διάταξης 59 2.7 Υπάρχουσες τοπολογίες απόσβεσης υπερτάσεων και σύγκριση αυτών 2.7.1 Παθητικά κυκλώµατα snubber µε αντίσταση ή µε δίοδο Zener 62 62 2.7.2 Υπάρχουσες τοπολογίες ενεργών κυκλωµάτων απόσβεσης των υπερτάσεων 67 2.7.3 Σύγκριση των υπαρχουσών διατάξεων µε την προτεινόµενη τοπολογία 68 2.8 Κυκλωµατική ανάλυση του προτεινόµενου κυκλώµατος καταστολής υπερτάσεων 70 2.9 Θεωρητικός υπολογισµός της ισχύος που απορροφάται από το κύκλωµα απόσβεσης 73 2.10 Υπολογισµός των παραµέτρων 76 2.11 Παραµετρική διερεύνηση των στοιχείων του κυκλώµατος 79 2.12 ιερεύνηση των διακοπτικών απωλειών του κυκλώµατος απόσβεσης 80 2.13 Βελτίωση του προσδιορισµού του βέλτιστου λόγου µετασχηµατισµού του κύριου Μ/Τ 83 2.14 Το σύστηµα ελέγχου του φορτιστή 86 2.15 Αριθµητικός προσδιορισµός των στοιχείων του κυκλώµατος καταστολής υπερτάσεων 88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΟΚΙΜΕΣ ΤΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ 89 3.1 Γενικά 89 3.2 Εξοµοίωση της προτεινόµενης διάταξης 89 3.2.1 Λειτουργία µε σταθερή τάση εισόδου 200V 90 3.2.2 Λειτουργία µε εναλλασσόµενη τάση εισόδου και διόρθωση του συντελεστή ισχύος 95 3.3 Αποτελέσµατα πειραµατικών δοκιµών 105 2

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΜΕΛΕΤΗ ΙΑΤΑΞΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΤΡΟΦΟ ΟΤΗΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΕΝΟΣ 115 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ 4.1 Γενικά 115 4.2 Η προτεινόµενη τοπολογία 116 4.3 Τρόπος λειτουργίας του προτεινόµενου κυκλώµατος 118 4.4 Θεωρητικός υπολογισµός της συνάρτησης µεταφοράς του κυκλώµατος 121 4.5 ιερεύνηση της εξίσωσης του k v2 127 4.6 Κύκλωµα ελέγχου της προτεινόµενης διάταξης 131 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΟΚΙΜΕΣ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ 133 5.1 Εξοµοίωση της προτεινόµενης διάταξης 133 5.2 Πειραµατικές δοκιµές 140 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΣΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ 147 6.1 Γενικά 147 6.2 Οι ενεργειακές απώλειες του κινητήρα συνεχούς ρεύµατος 151 6.2.1 Απώλειες Χαλκού 154 6.2.2 Απώλειες σιδήρου 155 6.2.3 Μηχανικές απώλειες 156 6.2.4 Συνολικές απώλειες κινητήρα 157 6.3 Απώλειες του ηλεκτρονικού µετατροπέα 157 6.4 Απώλειες συσσωρευτών 160 6.5 Συνολικές απώλειες του συστήµατος 160 3

6.6 Θεωρητική διερεύνηση της εξίσωσης των απωλειών-εφαρµογή σε 161 πραγµατικό σύστηµα 6.7 Προσδιορισµός των βέλτιστων τιµών ροής και λόγου µετάδοσης 167 6.8 Υπολογισµός µερικών παραγώγων για τον προσδιορισµό των βέλτιστων τιµών των παραµέτρων 168 6.9 Εύρεση ελαχίστου της συνάρτησης απωλειών µε χρήση επαναληπτικής µεθόδου 170 6.10 Εκτίµηση προσεγγιστικής συνάρτησης για τη βέλτιστη µαγνητική ροή του κινητήρα 173 6.11 ιαδικασία προσέγγισης της άγνωστης συνάρτησης 176 6.12 Εκτίµηση προσεγγιστικής συνάρτησης για το βέλτιστο λόγο µετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων 181 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 189 7.1 Γενικά 189 7.2 Εξοµοίωση στατικών χαρακτηριστικών των ενεργειακών απωλειών του συστήµατος 190 7.3 Εφαρµογή ελεγκτή για την εξοικονόµησης ενέργειας σε στατικές καταστάσεις λειτουργίας 194 7.4 Εφαρµογή ελεγκτή για την εξοικονόµησης ενέργειας σε δυναµικές καταστάσεις λειτουργίας 197 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 213 8.1 Ανακεφαλαίωση 213 8.2 Συµβολή της παρούσας εργασίας 216 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 219 ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ 229 4

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Η εργασία αυτή πραγµατεύεται τρία από τα πιο βασικά συστήµατα ενός ηλεκτρικού οχήµατος, τη διάταξη φόρτισης των συσσωρευτών, µια διάταξη τροφοδοσίας των βοηθητικών ηλεκτρονικών συσκευών και το ηλεκτροµηχανικό σύστηµα. Το παρόν κείµενο διαιρείται σε οκτώ (8) κεφάλαια. Στην εισαγωγή αναφέρεται συνοπτικά το ζήτηµα της απαίτησης για χρήση ηλεκτροκίνητων οχηµάτων και επιπλέον αναφέρονται οι στόχοι της παρούσας εργασίας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται µια πολύ σύντοµη ανασκόπηση των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων. Παρατίθενται κάποια ιστορικά στοιχεία, ενώ γίνεται και σύντοµη περιγραφή των τεχνικών χαρακτηριστικών αλλά και των νέων τεχνολογιών που χρησιµοποιούνται. Στο δεύτερο κεφάλαιο πραγµατοποιείται ανάλυση της βαθµίδας φόρτισης των συσσωρευτών. Αναφέρονται οι προδιαγραφές που σχετίζονται µε τη διάταξη του φορτιστή ο οποίος βρίσκεται εντός του οχήµατος (on-board) και από τις διάφορες τοπολογίες που υπάρχουν αποδεικνύεται ότι η τοπολογία Flyback προσφέρει την καλύτερη λυση. Επίσης αναλύεται και προτείνεται η βέλτιστη µέθοδος σχεδιασµού της τοπολογίας αυτής ενώ παρατίθεται και ένα παράδειγµα σχεδιασµού. Επίσης, στο ίδιο κεφάλαιο αναλύεται και προτείνεται ένα πρωτότυπο κύκλωµα για την καταστολή των υπερτάσεων λόγω της σκέδασης του µετασχηµατιστή. Το κύκλωµα αυτό είναι µη ενεργοβόρο, ούτως ώστε ο βαθµός απόδοσης της συσκευής να διατηρείται σε υψηλά επίπεδα. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσµατα των δοκιµών εξοµοίωσης αλλά και των πειραµατικών δοκιµών που έγιναν πάνω σε ένα εργαστηριακό πρότυπο ισχύος 2 kw. 5

Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται µια νέα κυκλωµατική τοπολογία η οποία προκύπτει από το µετατροπέα τύπου Flyback για την τροφοδότηση των ηλεκτρονικών διατάξεων του οχήµατος. Παρουσιάζονται δε τα πλεονεκτήµατα της διάταξης καθώς και η θεωρητική ανάλυση για την περίπτωση λειτουργίας σε ασυνεχή αγωγή. Στο πέµπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσµατα εξοµοιώσεων και πειραµατικών δοκιµών για το προτεινόµενο κύκλωµα. Στο έκτο κεφάλαιο της εργασίας αυτής αναλύεται το ηλεκτροκινητήριο σύστηµα του οχήµατος. Παρουσιάζεται ο αναλυτικός υπολογισµός των απωλειών και από αυτόν φαίνεται η παρουσία ελάχιστου σηµείου στις απώλειες, ανάλογα µε τις τιµές της µαγνητικής ροής του κινητήρα και του λόγου µετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων. Επίσης στο ίδιο κεφάλαιο παρατίθεται η µαθηµατική ανάλυση για την προσέγγιση των συναρτήσεων που δίνουν µε ικανοποιητική ακρίβεια τις βέλτιστες τιµές της ροής και του λόγου µετάδοσης. Με βάση αυτές, το σύστηµα ελέγχου του οχήµατος θα επιλέγει τις κατάλληλες τιµές των παραµέτρων ώστε το όχηµα να λειτουργεί στο βέλτιστο σηµείο. Στο έβδοµο κεφάλαιο παρατίθενται αποτελέσµατα εξοµοίωσης µέσω Η/Υ. Οι δοκιµές αυτές αναφέρονται τόσο σε στατικές όσο και σε δυναµικές καταστάσεις και δείχνουν ότι χρησιµοποιώντας την προτεινόµενη µέθοδο επιτυγχάνεται σηµαντική εξοικονόµηση ενέργειας. Τέλος στο όγδοο κεφάλαιο δίνονται τα συµπεράσµατα της εργασίας αυτής. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Τατάκη Εµµανουήλ, Πρόεδρο της τριµελούς συµβουλευτικής επιτροπής και επιβλέποντα της εργασίας αυτής για την πολύτιµη βοήθειά του, τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πρακτικό επίπεδο, για την αµέριστη συµπαράστασή του και γενικά για όλη την προσπάθεια που κατέβαλε στην αποτελεσµατική περάτωση αυτής της εργασίας. Ευχαριστώ θερµά τον Καθηγητή κ. Αθανάσιο Σαφάκα, Μέλος της τριµελούς επιτροπής και διευθυντή του εργαστηρίου για την πολύτιµη βοήθειά του και το ενδιαφέρον του καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας αυτής. 6

Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Αντώνιο Τζε, µέλος της συµβουλευτικής επιτροπής για τις εύστοχες συµβουλές και παρατηρήσεις του. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όλο το προσωπικό του εργαστηρίου και φυσικά τους συναδέλφους προπτυχιακούς και µεταπτυχιακούς φοιτητές για την αρµονική συνεργασία που είχαµε όλα αυτά τα χρόνια. 7

8

ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΣΤΟΧΟΙ Εισαγωγή Η εξάπλωση των οχηµάτων που χρησιµοποιούν µηχανές εσωτερικής καύσεως (Μ. Ε. Κ.) έχει συµβάλλει σε µεγάλο βαθµό στην επιβάρυνση της ατµόσφαιρας στα µεγάλα αστικά κέντρα. Τα αέρια κατάλοιπα που προέρχονται από την καύση της βενζίνης και του πετρελαίου είναι εξαιρετικά επιβλαβή για το περιβάλλον και προκαλούν ακόµα και κλιµατικά φαινόµενα όπως για παράδειγµα το φαινόµενο του θερµοκηπίου. Στο σηµαντικό αυτό πρόβληµα προστίθεται και η πετρελαϊκή κρίση η οποία οδηγεί την έρευνα σε µια προσπάθεια εύρεσης νέων αξιόλογων εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Μια από τις προτεινόµενες λύσεις που θα µπορούσε να συµβάλλει στα δύο αυτά προβλήµατα είναι τα Ηλεκτρικά Οχήµατα. Τα οχήµατα αυτά σε αντίθεση µε τα βενζινοκίνητα οχήµατα, χρησιµοποιούν για την κίνησή τους έναν ηλεκτρικό κινητήρα τροφοδοτούµενο από µια πηγή συνεχούς ρεύµατος (συσσωρευτές). Ο ηλεκτρικός κινητήρας (ειδικά όταν η λειτουργία αυτού συνδυάζεται µε χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας) σε αντίθεση µε τις Μ.Ε.Κ. δεν παράγει καθόλου αέρια κατάλοιπα ενώ παρουσιάζει και πολλά κατασκευαστικά αλλά και λειτουργικά πλεονεκτήµατα. Για παράδειγµα, έχει καλύτερο τρόπο λειτουργίας, ελέγχεται καλύτερα, έχει πολύ υψηλό βαθµό απόδοσης, δεν απαιτεί συχνή συντήρηση κλπ. Παρά τα όποια πλεονεκτήµατα όµως, υπάρχουν επίσης και σηµαντικά µειονεκτήµατα τα οποία αποτελούν αντικείµενο έρευνας. Τα µειονεκτήµατα αυτά προέρχονται από τους συσσωρευτές και αυτό γιατί µέχρι σήµερα, παρά τη µακρόχρονη πορεία τους (έχουν ζωή πάνω από δύο αιώνες), παρουσιάζουν δύο αδύνατα σηµεία. Το ένα σχετίζεται µε την πυκνότητα ενέργειας - δηλαδή το λόγο της αποθηκευµένης ενέργειας του συσσωρευτή προς το βάρος του - η οποία είναι πολύ χαµηλή σε σχέση µε τη βενζίνη. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα να περιορίζεται η αυτονοµία του οχήµατος αφού όσο αυξάνει η ενεργειακή ζήτηση απαιτείται και µεγαλύτερος όγκος συσσωρευτών. Το µέγεθος αυτό διαφοροποιείται ανάλογα µε τον τύπο του συσσωρευτή παρουσιάζοντας τις υψηλότερες τιµές για συσσωρευτές Λιθίου- Πολυµερούς και τις χαµηλότερες για συσσωρευτές Μολύβδου-Οξέως. Σήµερα αν και η πυκνότητα ενέργειας έχει βελτιωθεί σηµαντικά σε ορισµένα πειραµατικά µοντέλα συσσωρευτών εξακολουθεί να παραµένει ένα από τα βασικά µειονεκτήµατα αυτών των στοιχείων αποθήκευσης. Ένα άλλο σηµαντικό πρόβληµα είναι η διάρκεια 9

φόρτισης των συσσωρευτών καθώς για µια πλήρη επαναφόρτιση µε χαµηλό ρεύµα φόρτισης ώστε να υπάρχει εκµετάλλευση του νυχτερινού τιµολογίου κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, διαρκεί κάποιες ώρες. Επιπλέον, άλλα προβλήµατα όπως η διάρκεια ζωής των συσσωρευτών εµποδίζουν την ευρεία εξάπλωση των οχηµάτων. Η έρευνα στον τοµέα των ηλεκτρικών οχηµάτων εστιάζεται εκτός των άλλων στο αδύνατο αυτό σηµείο. Για την επίλυση των προβληµάτων έχουν προταθεί διάφορες λύσεις όπως νέοι τύποι συσσωρευτών, κατάλληλες κυκλωµατικές τοπολογίες φόρτισης, εναλλακτικές µέθοδοι φόρτισης, µέθοδοι διαχείρισης της συστοιχίας των συσσωρευτών. Επίσης για το µέλλον η επιστηµονική κοινότητα συνεχίζει µε εντατικό ρυθµό την έρευνα για ανάπτυξη και εναλλακτικών πηγών ενέργειας όπως οι ενεργειακές κυψέλες. Όπως προαναφέρθηκε οι συσσωρευτές καταλαµβάνουν συνήθως µεγάλο όγκο και βάρος. Συνεπώς ένα πολύ σηµαντικό ζήτηµα µε το οποίο πραγµατεύεται η παρούσα εργασία στην περίπτωση των ηλεκτρικών οχηµάτων αποτελεί η εξοικονόµηση ενέργειας ώστε να έχουµε αύξηση της αυτονοµίας. Η εξοικονόµηση ενέργειας είναι σηµαντική τόσο κατά τη φόρτιση όσο και κατά την εκφόρτιση των συσσωρευτών. Η φόρτιση είναι µια πολύ σηµαντική διαδικασία η οποία πρέπει να ακολουθεί ορισµένους κανονισµούς ώστε η διαδικασία να γίνεται µε τον πιο ασφαλή και αποδοτικό τρόπο τόσο για την πλευρά της εισόδου όσο και της εξόδου. Είναι πολύ σηµαντικό η διάταξη φόρτισης να παρουσιάζει όσο το δυνατόν υψηλότερη απόδοση και επιπλέον να πραγµατοποιεί διόρθωση του συντελεστή ισχύος ώστε να µειώνεται στο ελάχιστο η άεργος ισχύς που απορροφάται. Έτσι στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επινοείται µια διάταξη φόρτισης που να πληρεί τα παραπάνω στοιχεία. Επιπλέον κατά την εκφόρτιση των συσσωρευτών (κίνηση οχήµατος) είναι πολύ σηµαντικό να επιτυγχάνεται η βέλτιστη δυνατή εκµετάλλευση της συσσωρευµένης ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό η αυτονοµία του οχήµατος µπορεί να αυξηθεί σηµαντικά. Στόχοι της παρούσας εργασίας Η παρούσα εργασία ασχολείται µε τρία από τα πιο βασικά τµήµατα που αποτελούν ένα ηλεκτρικό όχηµα. Το ένα είναι η διάταξη φόρτισης. Το δεύτερο είναι µια διάταξη τροφοδότησης των ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων τόσο κατά τη φόρτιση όσο και κατά τη λειτουργία του οχήµατος. Το τρίτο είναι το ηλεκτροµηχανικό σύστηµα της 10

κίνησης. Η µελέτη αυτή έχει σκοπό να αναδείξει µεθοδολογίες σχεδιασµού και ελέγχου για τα συστήµατα αυτά µε σκοπό τη βέλτιστη δυνατή εξοικονόµηση ενέργειας αλλά και τη βελτίωση της λειτουργίας του οχήµατος. Πιο συγκεκριµένα, στο πρώτο µέρος της εργασίας αναλύεται η βαθµίδα φόρτισης των συσσωρευτών. Με βάση τις απαιτούµενες προδιαγραφές που θέτουν οι διεθνείς κανονισµοί ηλεκτροµαγνητικής συµβατότητας αλλά και προστασίας, καθώς και ο τρόπος λειτουργίας των συσσωρευτών προτείνεται ως καταλληλότερη τοπολογία αυτή του µετατροπέα τύπου Flyback. Η τοπολογία αυτή συγκεντρώνει πολλά πλεονεκτήµατα ενώ παράλληλα ικανοποιεί τις απαιτούµενες προδιαγραφές. Παρ όλα αυτά παρουσιάζει ορισµένα µειονεκτήµατα που εµποδίζουν τη λειτουργία σε υψηλό επίπεδο ισχύος ενώ οι απαιτήσεις ισχύος των φορτιστών ξεπερνούν το 1 kw. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας προτείνονται λύσεις έναντι αυτών των προβληµάτων. Οι λύσεις που προτείνονται είναι µια κατάλληλη µέθοδος σχεδιασµού µε βάση την βέλτιστη επιλογή του λόγου σπειρών του µετασχηµατιστή, µε άµεσο στόχο τη χαµηλότερη δυνατή καταπόνηση του ηµιαγωγικού διακόπτη, ενώ ένα δεύτερο σηµαντικό πρόβληµα που σχετίζεται µε τις υπερτάσεις στο διακόπτη λόγω σκέδασης του µετασχηµατιστή αντιµετωπίζεται µε την εισαγωγή ενός πρωτότυπου κυκλώµατος καταστολής των υπερτάσεων. Το κύκλωµα αυτό βασίζεται επίσης στην τοπολογία Flyback, χρησιµοποιεί δε ένα βοηθητικό διακόπτη και ένα βοηθητικό µετασχηµατιστή χαµηλότερης ισχύος. Με τον τρόπο αυτό η ενέργεια που είναι συσσωρευµένη στη σκέδαση του Μ/Τ µεταφέρεται στην έξοδο µε τις λιγότερες δυνατές απώλειες. Έτσι ο βαθµός απόδοσης της διάταξης είναι αρκετά υψηλός. Για την επιβεβαίωση των θεωρητικών προβλέψεων πραγµατοποιήθηκαν δοκιµές µέσω εξοµοίωσης σε Η/Υ ενώ παράλληλα έγιναν πειραµατικές δοκιµές σε ένα εργαστηριακό πρωτότυπο. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών επιβεβαίωσαν την ισχύ των θεωρητικών υπολογισµών και έδειξαν ένα βαθµό απόδοσης 85% σε ένα επίπεδο ισχύος 2 kw καταδεικνύοντας µε τον τρόπο αυτό την καταλληλότητα της προτεινόµενης τοπολογίας. Στο δεύτερο µέρος αυτής της εργασίας παρουσιάζεται ένα νέο κύκλωµα για την τροφοδότηση των ηλεκτρονικών διατάξεων (πχ. αισθητήρες, ρελέ). Το κύκλωµα αυτό βασίζεται στην τοπολογία τύπου Flyback όπου µε την προσθήκη ορισµένων παθητικών στοιχείων επιτυγχάνει τα ακόλουθα: Καταστολή των υπερτάσεων που 11

εµφανίζονται στον ηµιαγωγικό διακόπτη λόγω σκέδασης του Μ/Τ. Αξίζει να τονιστεί ότι αυτό επιτυγχάνεται χωρίς χρήση επιπλέον τρανζίστορ αλλά και χωρίς να έχουµε κατανάλωση ενέργειας µε άµεσο αποτέλεσµα το κύκλωµα να παρουσιάζει τελικά µικρό όγκο και βάρος, µικρό κόστος αλλά και πολύ υψηλό βαθµό απόδοσης. Ένα δεύτερο σηµαντικό στοιχείο είναι η εκµετάλλευση της αυτεπαγωγής σκέδασης ώστε να έχουµε ένα ρεύµα εισόδου παρόµοιο µε αυτό του µετατροπέα τύπου boost στην ασυνεχή αγωγή. Έτσι, ο συντελεστής ισχύος της διάταξης γίνεται αρκετά υψηλότερος από έναν απλό Flyback που λειτουργεί σε ασυνεχή αγωγή. Από τα κύρια χαρακτηριστικά του προτεινόµενου κυκλώµατος, είναι επίσης η γαλβανική αποµόνωση που διαθέτει αλλά και η λειτουργία στην ασυνεχή αγωγή που οδηγεί σε χαµηλότερο όγκο στα επαγωγικά στοιχεία. Η λειτουργία του κυκλώµατος επιβεβαιώνεται τόσο µέσω εξοµοιώσεων όσο και µέσω πειραµατικών δοκιµών. Στο τρίτο µέρος αυτής της εργασίας µελετάται το ηλεκτροκινητήριο σύστηµα και οι ενεργειακές απώλειες αυτού µε σκοπό την βέλτιστη δυνατή διαχείριση της ενέργειας των συσσωρευτών. Εφ όσον η αυτονοµία ενός ηλεκτρικού οχήµατος είναι ιδιαίτερα µεγάλης σηµασίας, το ηλεκτροκινητήριο σύστηµα του οχήµατος θα πρέπει να διαχειρίζεται όσο το δυνατόν πιο αποδοτικά την ενέργεια που είναι αποθηκευµένη στους συσσωρευτές, ούτως ώστε να επιτυγχάνεται η µέγιστη δυνατή αυτονοµία µεταξύ δύο διαδοχικών φορτίσεων. Το σύστηµα που µελετήθηκε αποτελείται από µια συστοιχία συσσωρευτών, ένα µετατροπέα Συνεχούς Τάσης/Συνεχούς Τάσης (Σ.Τ./Σ.Τ.) και έναν κινητήρα Συνεχούς Ρεύµατος (Σ.Ρ.) ξένης διέγερσης. Επίσης θεωρούµε ότι υπάρχει κιβώτιο ταχυτήτων το οποίο έχει µεταβλητό λόγο µετάδοσης. Η µελέτη αυτή µπορεί µε παρόµοιο τρόπο να επεκταθεί και στην περίπτωση της Ασύγχρονης Μηχανής η οποία όταν ελέγχεται µέσω διανυσµατικού ελέγχου συµπεριφέρεται όπως ακριβώς και µια µηχανή Σ.Ρ. Στην εργασία αυτή διερευνάται µια µέθοδος ελαχιστοποίησης των απωλειών του κινητηρίου συστήµατος ενός ηλεκτρικού οχήµατος, το οποίο αποτελείται από έναν κινητήρα Συνεχούς Ρεύµατος (Σ.Ρ.) ξένης διέγερσης ελεγχόµενο από µετατροπέα Συνεχούς Τάσεως σε Συνεχή. Ο µετατροπέας τροφοδοτείται από µια συστοιχία συσσωρευτών και η διέγερσή του ρυθµίζεται µέσω ενός άλλου µετατροπέα ιδίου τύπου αλλά πολύ µικρότερης ισχύος. Συνεπώς οι απώλειές του µπορούν ν αµεληθούν. Ο κινητήρας συνδέεται µηχανικά στον άξονα των τροχών µέσω ενός συστήµατος µετάδοσης (κιβώτιο ταχυτήτων) και του διαφορικού. Σκοπός της παρούσας ανάλυσης είναι η διατύπωση συναρτήσεων 12

που περιγράφουν τις βέλτιστες τιµές της µαγνητικής ροής του κινητήρα και του λόγου µετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων, ανάλογα µε τις συνθήκες λειτουργίας του οχήµατος δηλαδή την ταχύτητα και τη µηχανική φόρτιση, που ελαχιστοποιούν τις απώλειες του όλου συστήµατος. Σηµειώνεται ότι στην ανάλυση αυτή δεν λαµβάνεται υπόψιν η ανάκτηση ενέργειας, διαδικασία ιδιαίτερα πολύπλοκη, που εξαρτάται από πληθώρα παραµέτρων και η οποία απαιτεί ξεχωριστή αναλυτική µελέτη. Η µεθοδολογία που ακολουθείται για τη διατύπωση των προαναφερθέντων συναρτήσεων περιλαµβάνει τα ακόλουθα βήµατα: Αρχικά, θεωρώντας ένα δεδοµένο συνδυασµό ταχύτητας οχήµατος u veh και δύναµης στους τροχούς F wh, υπολογίζονται οι απώλειες σε κάθε υποσύστηµα του ηλεκτροκινητηρίου συστήµατος του ηλεκτρικού οχήµατος. Έτσι διατυπώνεται µια αναλυτική εξίσωση συνολικών απωλειών, η οποία εκφράζεται ως συνάρτηση δύο µεταβλητών, της µαγνητικής ροής του κινητήρα και του λόγου µετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων. Από την προαναφερθείσα εξίσωση απωλειών προκύπτει ότι υπάρχει ένα ζεύγος βέλτιστων τιµών της µαγνητικής ροής και του λόγου µετάδοσης, CΦ op και λ op αντίστοιχα, για τις οποίες οι απώλειες ελαχιστοποιούνται. Η παραπάνω διαδικασία υπολογισµού βέλτιστων τιµών µαγνητικής ροής και λόγου µετάδοσης επαναλαµβάνεται για ένα µεγάλο πλήθος συνδυασµών ταχύτητας και δύναµης (u veh, F wh ). Έτσι προκύπτει ένας πίνακας βέλτιστων τιµών (CΦ op, λ op ), κάθε ζεύγος από τις οποίες αντιστοιχεί σ ένα δεδοµένο ζεύγος κβαντισµένων τιµών ταχύτητας και δύναµης. Στο τελευταίο βήµα γίνεται αναζήτηση µοντέλων, δηλαδή µαθηµατικών εξισώσεων, που περιγράφουν τη µεταβολή των βέλτιστων τιµών CΦ op και λ op ως συναρτήσεων µε ανεξάρτητες µεταβλητές την ταχύτητα του οχήµατος και τη δύναµη στους τροχούς. Οι συντελεστές των δύο συναρτήσεων προσδιορίζονται χρησιµοποιώντας µια µέθοδο ελαχίστων τετραγώνων. 13

14

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ-ΣΥΝΤΟΜΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 1.1 Γενικά Η ραγδαία και συνεχώς αυξανόµενη εξάπλωση των οχηµάτων µε κινητήρες Εσωτερικής Καύσεως κατά τις τελευταίες δεκαετίες έχει συντελέσει σε µεγάλο βαθµό σε δύο ιδιαίτερα σηµαντικά προβλήµατα που απαιτούν οπωσδήποτε λύση. Το πρώτο από αυτά σχετίζεται µε τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις κυρίως στα µεγάλα αστικά κέντρα. Το δεύτερο σχετίζεται µε την ενεργειακή κρίση και την προσπάθεια που γίνεται ώστε να επέλθει µια απεξάρτηση από το πετρέλαιο και τα παράγωγα αυτού. Η ατµοσφαιρική µόλυνση που υφίσταται στα αστικά κέντρα, προέρχεται σε µεγάλο βαθµό από τη χρήση οχηµάτων µε Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (Μ.Ε.Κ). Χρησιµοποιώντας ως καύσιµα τα παράγωγα του πετρελαίου (Βενζίνη, Πετρέλαιο κίνησης), τα οχήµατα αυτά ρυπαίνουν την ατµόσφαιρα µε ουσίες όπως µονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα (CO, CO 2 ), οξείδια του αζώτου (ΝΟ x ), διοξείδιο του θείου (SO 2 ), µόλυβδο (Pb), διάφορους υδρογονάνθρακες (C x H y ) κ.α. [1, 2]. Οι ουσίες αυτές είτε είναι άµεσα επιβλαβείς στην υγεία των ανθρώπων είτε συντελούν σε περιβαλλοντικές επιπτώσεις (CO 2 και φαινόµενο θερµοκηπίου). Προς την κατεύθυνση αυτή έχουν πραγµατοποιηθεί σηµαντικές βελτιώσεις στην τεχνολογία των συµβατικών οχηµάτων (π.χ. χρήση καταλυτών ή αµόλυβδης βενζίνης) που όµως δεν επαρκούν για µια δραστική βελτίωση της επιβαρηµένης κατάστασης. Συνεπώς µια πιο αποτελεσµατική λύση είναι απαραίτητη. Η αναζήτηση επίλυσης των προβληµάτων αυτών έφερε (ή µάλλον επανέφερε) στο προσκήνιο την πρόταση για χρήση ηλεκτροκίνητων οχηµάτων. Τα οχήµατα αυτά, είτε είναι αµιγώς ηλεκτρικά είτε υβριδικά έχουν το βασικό πλεονέκτηµα της µηδενικής ή πολύ χαµηλής εκποµπής βλαβερών ουσιών στην ατµόσφαιρα. Γι αυτό το λόγο τα οχήµατα αυτά έχουν επικρατήσει διεθνώς µε τις ονοµασίες ZEV (Zero Emission 15

Vehicles) ή LEV (Low Emission Vehicles) [3, 4]. Η ιδιότητα αυτή τόσο των ηλεκτρικών όσο και των υβριδικών οχηµάτων οφείλεται στη χρήση ηλεκτρικού κινητήρα. Ως γνωστόν ο ηλεκτρικός κινητήρας δεν εκπέµπει ρυπογόνες ουσίες ενώ παράλληλα παρουσιάζει και ορισµένα σηµαντικά πλεονεκτήµατα σε αντίθεση µε τις Μ.Ε.Κ όπως για παράδειγµα τη λιγότερο συχνή συντήρηση, τον εξαιρετικά υψηλότερο βαθµό απόδοσης, τη µεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος, τη µεγάλη ροπή σε µεγάλο εύρος ταχυτήτων κ.α. Παρά όµως τα όποια πλεονεκτήµατα µπορεί να εµφανίζει ο ηλεκτρικός κινητήρας τα ηλεκτρικά οχήµατα δεν είναι ακόµα σε θέση να ανταγωνιστούν τα συµβατικά οχήµατα λόγω της ενεργειακής πηγής τους. Η αποθήκη ηλεκτρικής ενέργειας σε τέτοια οχήµατα είναι οι συσσωρευτές οι οποίοι παρουσιάζουν ορισµένα µειονεκτήµατα όπως η χαµηλότερη, σε σχέση µε τη βενζίνη, αναλογία αποθηκευµένης ενέργειας ως προς όγκο και βάρος. Επίσης ο χρόνος φόρτισης των συσσωρευτών είναι απαγορευτικά µεγάλος [1, 5]. Η έρευνα λοιπόν εστιάζεται στην επίλυση τέτοιων προβληµάτων ώστε τα ηλεκτρικά οχήµατα να καταστούν ικανά να λειτουργούν ανταγωνιστικά µε τα συµβατικά οχήµατα. Στην επόµενη παράγραφο παρατίθεται µια σύντοµη ιστορική ανασκόπηση των ηλεκτρικών οχηµάτων από τα πρώτα βήµατα µέχρι τις µέρες µας. 1.2 Σύντοµη ιστορική αναδροµή 1.2.1 Η πρώτη περίοδος Αν και τα τελευταία χρόνια γίνεται ιδιαίτερος λόγος για τα ηλεκτρικά οχήµατα και τη χρήση τους στη σηµερινή εποχή εν τούτοις η εµφάνισή τους τοποθετείται αρκετά πίσω στο χρόνο. Έτσι τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα έχουν µια µακρόχρονη ιστορία που ξεκινά περίπου 170 χρόνια πιο πίσω, στα µέσα του 19 ου αιώνα. Μέσα σε αυτά τα χρόνια τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα πέρασαν από πολλά στάδια ακµής και αφάνειας µέχρι να φτάσουµε στη σηµερινή εποχή που το ενδιαφέρον γι αυτά αναζωπυρώθηκε. Η εξέλιξή τους έγινε παράλληλα µε την εξέλιξη δύο άλλων ανταγωνιστικών τύπων οχηµάτων, τα ατµοκίνητα οχήµατα και τα οχήµατα µε Μ.Ε.Κ. [6, 7] Οι πρώτες προσπάθειες για δηµιουργία ενός µηχανοκίνητου οχήµατος το οποίο να κινείται µε ηλεκτρισµό χρονολογείται τη δεκαετία του 1830. Κάπου µεταξύ του 1832 και 1839, χωρίς ιδιαίτερη βεβαιότητα, ο σκωτσέζος Robert Anderson εφηύρε ένα πρώτο αρκετά 16

πρόχειρο αυτοκίνητο όχηµα που κινούταν µε ηλεκτρισµό. Την ίδια εποχή (1835) ο ολλανδός καθηγητής Stratingh του Groningen έφτιαξε ένα µικρού µεγέθους όχηµα. Αυτές οι πρώτες εφευρέσεις είχαν καθαρά δοκιµαστικό χαρακτήρα καθώς και οι ηλεκτρικοί κινητήρες που υπήρχαν ήταν πειραµατικοί και µη εφαρµόσιµοι στην πράξη µέχρι το 1837 όπου ο Thomas Davenport κατασκεύασε τον κινητήρα του. Παρ όλ αυτά αποτέλεσαν το έναυσµα για µια εις βάθος έρευνα πάνω στο αντικείµενο. Περισσότερο πρακτικά και επιτυχή οχήµατα ήταν αυτά που φτιάχτηκαν από τον αµερικανό Thomas Davenport (1834) και από τον σκωτσέζο Robert Davidson περί το 1842. Το 1847 ο Moses Farmer από τη Μασαχουσέτη, κατασκεύασε ένα όχηµα που τροφοδοτούνταν από 48 ηλεκτρικά στοιχεία και µπορούσε να µεταφέρει δύο άτοµα. Την ίδια εποχή ο καθηγητής Charles Page έφτιαξε ένα όχηµα µε 100 συσσωρετυές και κινητήρα 16 ίππων που µετέφερε 12 άτοµα µε ταχύτητα µέχρι και 19 µίλια/ώρα. Το 1847 οι Lilly και Colton από το Pittsburg έφτιαξαν ένα ηλεκτρικό όχηµα που τροφοδοτούνταν από τον κεντρικό σταθµό χάρη σε ηλεκτροφόρες ράγες. Αν και τα προβλήµατα των ηλεκτρικών κινητήρων είχαν πλέον ξεπεραστεί µε τις σηµαντικές βελτιώσεις που είχαν γίνει στην κατασκευή τους, εν τούτοις το σηµαντικότερο πρόβληµα που εξακολουθούσε να υπάρχει ήταν οι συσσωρευτές. Συγκεκριµένα, εκτός από το χαµηλό λόγο ενέργειας προς όγκο και βάρος, ένα επιπρόσθετο σηµαντικό µειονέκτηµα ήταν η µη δυνατότητα επαναφόρτισης. Το πρόβληµα αυτό µε τους λεγόµενους πρωτογενείς συσσωρευτές Σχήµα 1.1: Ο Τ. Edison και το ηλεκτροκίνητο όχηµά του [8] 17

επιλύθηκε το 1859, όταν ο Γάλλος Gaston Plante ανακάλυψε για πρώτη φορά το στοιχείο Μολύβδου-Οξέως (Pb-Acid) που έχει δυνατότητα επαναφόρτισης. Με τον τρόπο αυτό έπαψε να είναι απαραίτητη η συνεχής αντικατάσταση των ηλεκτρικών στοιχείων µετά την εκφόρτισή τους. Βέβαια χρειάστηκαν 22 χρόνια από την ανακάλυψη του Plante µέχρις ότου οι συσσωρευτές Μολύβδου γίνουν ικανοί να χρησιµοποιηθούν στην πράξη. Αυτό συνέβη το 1881 χάρη στον Camille Faure. Στη συνέχεια έκαναν την εµφάνισή τους διάφοροι βελτιωµένοι τύποι συσσωρευτών µεταξύ των οποίων ξεχώρισε το στοιχείο Έντισον (Edison cell), που ήταν ένας συσσωρευτής Νικελίου-Σιδήρου (Ni-Fe). Η κατασκευή του έγινε το 1910 και ήταν το πιο προηγµένο στοιχείο τεχνολογικά την εποχή εκείνη. Το στοιχείο αυτό χρησιµοποιήθηκε σε ένα όχηµα που κατασκεύασε ο ίδιος ο Edison το οποίο απεικονίζεται στο σχήµα 1.1 [7, 8]. Στη διάρκεια αυτών των δεκαετιών η ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχηµάτων είναι αρκετά µεγάλη τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Αµερική. Οι τεχνικές επιδόσεις των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων ήταν την εποχή εκείνη αρκετά υψηλές. Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί το όχηµα του Βέλγου µηχανικού Camille Jenatzy το οποίο πέτυχε σηµαντικές επιδόσεις ταχύτητας κατά τη δεκαετία του 1890. Το όχηµα αυτό που φαίνεται στο σχήµα 1.2 κατάφερε στην τρίτη δοκιµή του να σπάσει το φράγµα των 100 χλµ/ώρα, αγγίζοντας την ταχύτητα των 105,8 χλµ/ώρα. Αυτή η ταχύτητα ήταν ένα εξωπραγµατικό νούµερο για τα δεδοµένα της εποχής εκείνης [7, 9]. Σχήµα 1.2: Το όχηµα La jamais contente που έσπασε το φράγµα των 100 χλµ./ώρα [9] 18

Μέχρι τη δεκαετία του 1920 η ανάπτυξη της εµπορικότητας που παρουσίασαν τα ηλεκτρικά οχήµατα ήταν αρκετά µεγάλη. Για παράδειγµα το 1890 ο αριθµός των αυτοκινήτων που πουλήθηκαν στην Αµερική ήταν περίπου 4200 εκ των οποίων το 38% ήταν ηλεκτροκίνητα, το 22% βενζινοκίνητα και το 40 % ατµοκίνητα. Το βασικό πλεονέκτηµα των ηλεκτρικών οχηµάτων σε σχέση µε τα βενζινοκίνητα και τα ατµοκίνητα ήταν ότι είχαν πολύ πιο εύκολη εκκίνηση, αφού αρκούσε το κλείσιµο ενός διακόπτη για να ξεκινήσει απ ευθείας. Αντίθετα, τα βενζινοκίνητα οχήµατα απαιτούσαν χειροκίνητη εκκίνηση, ενώ τα ατµοκίνητα απαιτούσαν µια προθέρµανση που διαρκούσε περίπου 3 τέταρτα της ώρας. Συνεπώς τα ηλεκτρικά οχήµατα είχαν ευρεία απήχηση στις υψηλά κοινωνικές τάξεις και αποτελούσαν οχήµατα πολυτελείας. Στα 1900 οι ηλεκτρικές άµαξες Brougham και Victoria ήταν ο αγαπηµένος τρόπος µετακίνησης της αριστοκρατίας της Νέας Υόρκης [7, 9]. Ανάµεσα στις διάφορες χρονολογίες ξεχωρίζει το έτος 1912 το οποίο στις Η. Π. Α. ήταν η πιο γόνιµη χρονιά των ηλεκτρικών οχηµάτων, αφού 34000 ηλεκτρικά αυτοκίνητα βρίσκονταν σε κυκλοφορία. Οι επιδόσεις ταχύτητας που κυµαίνονταν 32 έως 48 χλµ./ώρα ήταν αρκετά ικανοποιητικές αφού η κατάσταση των οδικών δικτύων και γενικότερα των πόλεων δεν επέτρεπαν µεγαλύτερες ταχύτητες. Επιπλέον το οδικό δίκτυο διασύνδεσης των πόλεων δεν ήταν κατάλληλο για υπεραστικές µετακινήσεις. Όντας λοιπόν περιορισµένα για αστική χρήση και µόνο, τα ηλεκτρικά οχήµατα επικρατούσαν έναντι των άλλων τύπων µέχρι τη δεκαετία του 1920. Η δεκαετία του 1920 σηµατοδότησε στις Η. Π. Α. µια µεταστροφή στη χρήση των βενζινοκίνητων οχηµάτων. Σε αυτό συντέλεσαν διάφοροι λόγοι µε σπουδαιότερους τους ακόλουθους: Την εποχή εκείνη το υπεραστικό οδικό δίκτυο της Αµερικής είχε βελτιωθεί σηµαντικά µε άµεσο αποτέλεσµα την αύξηση της ανάγκης για οχήµατα µεγάλης αυτονοµίας τα οποία θα παρείχαν τη δυνατότητα για υπεραστικές µετακινήσεις σε µεγάλες αποστάσεις. Η ανακάλυψη µεγάλων αποθεµάτων πετρελαίου στο Τέξας κατέστησε ιδιαίτερα χαµηλό το κόστος των καυσίµων για τους καταναλωτές. Η εφεύρεση του ηλεκτρικού εκκινητή (στάρτερ) από τον Charles Kettering το 1911 έδωσε τη δυνατότητα στα βενζινοκίνητα οχήµατα για εύκολη εκκίνηση χωρίς χειροκίνητη παρέµβαση. 19

Η µαζική παραγωγή των βενζινοκίνητων οχηµάτων από τον Henry Ford που έκανε τα οχήµατα αυτά διαθέσιµα σε αρκετά χαµηλές τιµές µεταξύ 500 και 1000$. Σε αντίθεση οι τιµές των ηλεκτρικών οχηµάτων συνεχώς αυξάνονταν. Η µεταστροφή αυτή εµφανίστηκε και στην Ευρώπη. Άµεσο αποτέλεσµα ήταν η σταδιακή απόσυρση των ηλεκτρικών οχηµάτων από τη χρήση τους. Αυτή η περίοδος παρακµής των ηλεκτρικών οχηµάτων κράτησε για περίπου 60 χρόνια (από 1930 έως 1990). Στο διάστηµα αυτό ελάχιστες προσπάθειες έγιναν στην έρευνα των ηλεκτρικών οχηµάτων. 1.2.2 Η µεσαία περίοδος Αυτή η περίοδος σηµατοδοτεί την παρακµή των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων και την καθολική επικράτηση των βενζινοκίνητων οχηµάτων. Οι λόγοι για τους οποίους συνέβη αυτό αναφέρθηκαν νωρίτερα. Η χρήση των ηλεκτρικών οχηµάτων έπαψε εντελώς µέχρι το 1960 όπου άρχισε και πάλι να αναζωπυρώνεται το ενδιαφέρον. Αυτό συνέβη διότι το πρόβληµα της ατµοσφαιρικής µόλυνσης άρχισε να γίνεται ορατό, ενώ παράλληλα έπρεπε να αναζητηθούν εναλλακτικές ενεργειακές λύσεις. Έτσι διάφορες εταιρίες όπως η General Motors, η Ford και η American Motors, ανέπτυξαν ηλεκτροκίνητα µοντέλα, όπως το Electrovair και το Electrovan (σχήµα 1.3) [7, 9]. Παράλληλα, στην Ευρώπη στην Ιαπωνία αλλά και στην Αυστραλία εταιρίες όπως η Fiat, η Mercedes, η VolksWagen, η Nissan, η Toyota κ.α. δηµιούργησαν παρόµοια µοντέλα. Ανάµεσα στα διάφορα οχήµατα που παρουσιάστηκαν µέσα στην περίοδο αυτή αξίζει να αναφερθεί το όχηµα GMC Handivan του 1966. Κύριο χαρακτηριστικό του οχήµατος αυτού ήταν ότι το σύστηµα τροφοδοσίας του αποτελούνταν από ενεργειακές κυψέλες (fuel cells). Το ογκώδες σύστηµα τροφοδοσίας του οχήµατος αυτού έπρεπε να ξαναγεµίζεται κάθε 200 χλµ. Η πολυπλοκότητά του, που φαίνεται στο σχήµα 1.3β, αποτελούσε ένα µειονέκτηµα του όλου συστήµατος, ενώ το βάρος του οχήµατος έφτανε τα 3219 κιλά. Το µεγάλο βάρος σε συνδυασµό µε την πολυπλοκότητα, τη µικρή διάρκεια ζωής του συστήµατος τροφοδοσίας, το µεγάλο κόστος των εξαρτηµάτων, τις διαρροές υδρογόνου συνηγορούσαν στο να µην διεξάγεται εκείνη την εποχή µεγάλη έρευνα επάνω στον τοµέα των ενεργειακών κυψελών, κάτι που γίνεται πολύ πιο εντατικά στη σηµερινή εποχή. 20

(α) Σχήµα 1.3: Τα ηλεκτρικά οχήµατα Electrovair και Electrovan της General Motors [9] 21

Παράλληλα µε τα αµιγώς ηλεκτρικά οχήµατα την εποχή εκείνη παρουσιάστηκαν από της βιοµηχανίες και ορισµένα υβριδικά οχήµατα. Τα οχήµατα αυτά ως γνωστόν συνδυάζουν τα πλεονεκτήµατα των ηλεκτρικών και των συµβατικών οχηµάτων. Ένα τέτοιο όχηµα ήταν το διθέσιο GM512 της General Motors [7, 9] που φαίνεται στο σχήµα 1.4 το οποίο κυκλοφόρησε και ως αµιγώς ηλεκτρικό. Τα χαρακτηριστικά του ως υβριδικό ήταν τα εξής: Μέγιστη ταχύτητα µε χρήση µόνο του ηλεκτροκινητήρα 16χλµ./ώρα, ταχύτητα µε συνδυασµένη χρήση ηλεκτροκινητήρα και βενζινοκινητήρα 16-21χλµ./ώρα, ενώ µε χρήση µόνο του βενζινοκινητήρα η ταχύτητα έφτανε πάνω από 21χλµ./ώρα. Ο βενζινοκινητήρας ήταν δικύλινδρος µε 195 κ.ε. Το συνολικό του µήκος ήταν 2.2 µέτρα ενώ το πλάτος του έφτανε τα 1.45 µέτρα. Το αµιγώς ηλεκτρικό GM512 χρησιµοποιούσε κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς ισχύος 6.3 kw και για έλεγχο χρησιµοποιούσε µια διάταξη µε θυρίστορ. Οι συσσωρευτές του ήταν συνολικής χωρητικότητας 85Αh και βάρους 21 κιλά έκαστος. Χρησιµοποιούσε συνολικά 7 συσσωρευτές. Συγκριτικά το ηλεκτροκίνητο είχε ανώτατη ταχύτητα 72 χλµ./ώρα ενώ το υβριδικό 64χλµ./ώρα. Επιγραµµατικά, τα σπουδαιότερα µοντέλα που παρουσιάστηκαν κατά την περίοδο αυτή ήταν τα εξής: 1967-Ford Commuta της Ford, τέλη του 1960-Amitron της American Motors, 1974-Fiat X1/23, 1976-Fiat Enel 850T, Fiat 242 και Fiat 900T, Σχήµα 1.4: Το ηλεκτρικό όχηµα GM512 της General Motors (1969) [9] 22

1978-IVECO Daily, 1983- IVECO Daily E3 της Fiat, 1980-PGE M8 της Progetti Gestioni Ecologiche, Eco της Pininfarina Company σε συνεργασία µε την Fiat, 1969- Elektro-Transporter της Volkswagen, 1979-Mercedes-Benz 307E, 1974-Datsun 200L, Nissan Laurel και EV-4 της Nissan, 1976- EV-2 της Toyota και πολλά άλλα. Χάρη σε αυτές τις προσπάθειες υπήρξε µια σηµαντική εξέλιξη στην τεχνολογική ανάπτυξη αυτών µέχρι να φτάσουµε στην τρίτη χρονολογική περίοδο της εξέλιξης των ηλεκτρικών οχηµάτων που επεκτείνεται µέχρι και σήµερα και κατά τη διάρκεια της οποίας το ενδιαφέρον για τη χρήση τους έχει αλλάξει ριζικά εξ αιτίας των προβληµάτων που προαναφέρθηκαν. 1.2.3 Το ηλεκτρικό όχηµα σήµερα Με το ενδιαφέρον για τη χρήση των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων να εντείνεται από τις κυβερνήσεις διαφόρων κρατών όλο και περισσότερες βιοµηχανίες οχηµάτων παρουσιάζουν τα µοντέλα τους µετά τη δεκαετία του 1980. Επισταµένες µελέτες που παρουσιάστηκαν τη δεκαετία του 1990 [2, 10-13], δείχνουν µεγάλα ποσοστά ατµοσφαιρικής µόλυνσης εξ αιτίας της χρήσης συµβατικών οχηµάτων. Για την αντιµετώπιση του βασικού αυτού προβλήµατος ξεκίνησαν προσπάθειες µε θέσπιση µέτρων τόσο σε εθνικά επίπεδα όσο και σε διεθνή. Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί η διεθνής σύσκεψη η οποία έλαβε χώρα στο Rio de Janeiro της Βραζιλίας το 1992 στην οποία υπογράφηκε σύµβαση από 154 χώρες σχετική µε τις κλιµατικές αλλαγές [1, 2, 14]. Στο πλαίσιο της σύµβασης αποφασίσθηκε να πραγµατοποιηθεί διεθνής προσπάθεια ώστε µέχρι το 2000 να σταθεροποιηθούν τα επίπεδα του CO 2 στην ατµόσφαιρα στα ίδια επίπεδα µε αυτά του 1990. Αξίζει επίσης να αναφερθεί η νοµοθεσία της California. Με βάση το νόµο της πολιτείας αυτής µέχρι το τέλος του 1998 2% και µέχρι το τέλος του 2003 10% των οχηµάτων που θα κυκλοφορούν και που θα προέρχονται από τις τρεις µεγαλύτερες Αµερικανικές και τις τέσσερις µεγαλύτερες Ιαπωνικές αυτοκινητοβιοµηχανίες θα έπρεπε να είναι Οχήµατα Μηδενικών Εκποµπών (ZEV) [6]. Από τα παραπάνω είναι προφανές ότι το ενδιαφέρον για τη χρήση των ηλεκτρικών οχηµάτων έχει αυξηθεί κατακόρυφα τα τελευταία χρόνια. 23

Ανάµεσα στις δράσεις που έχουν πραγµατοποιηθεί τα τελευταία χρόνια για την προώθηση και την έρευνα πάνω στα ηλεκτροκίνητα οχήµατα αξίζει να αναφερθούν ορισµένα προγράµµατα Ευρωπαϊκών χωρών. Σπουδαιότερα από αυτά είναι [6]: Η δοκιµή που έγινε στο La Rochelle της Γαλλίας. Εκεί 50 διαφορετικά ηλεκτρικά οχήµατα (25 Peugeot 106 E και 25 Citroen ΑΧ), δοκιµάστηκαν από εταιρίες αλλά ακόµη και από ιδιώτες. Οι δοκιµές κράτησαν δύο χρόνια (µέχρι το εκέµβριο του 1995). Τα οχήµατα αυτά διήνυσαν συνολικά πάνω από 700000χλµ. αποσπώντας αρκετά θετικά σχόλια κυρίως για την οδική συµπεριφορά τους. Σαν αποτέλεσµα οι δύο εταιρίες άρχισαν την παραγωγή τους. Η δοκιµή που έγινε στη νήσο Rügen στη βόρεια Γερµανία ήταν από τις µεγαλύτερες εκδηλώσεις και είχε διάρκεια 3,5 χρόνια. Στη δοκιµή αυτή έλαβαν µέρος συνολικά 60 οχήµατα. Σκοπός της ήταν να καταδείξει ότι οι νέας τεχνολογίας Ασύγχρονοι και Σύγχρονοι κινητήρες µπορούν να λειτουργήσουν επιτυχώς τροφοδοτούµενες από συσσωρευτές Νικελίου-Καδµίου (Ni-Cd) αλλά και Νικελίου-Νατρίου-Χλωρίου (NaNiCl ή ZEBRA). Οι τελευταίες είναι ένας τύπος συσσωρευτή που λειτουργεί σε υψηλές θερµοκρασίες (από 270 έως 340 ο C). Στο Essen της Γερµανίας έλαβε χώρα το πρόγραµµα RWE Energie AG. Στα πλαίσια του προγράµµατος έγιναν δοκιµές σε οχήµατα τα οποία αποτελούσαν µετατροπή συµβατικών σε ηλεκτροκίνητα. Από τα αποτελέσµατα του προγράµµατος προέκυψε ότι η χρήση ενός κατάλληλου συστήµατος διαχείρισης των συσσωρευτών µπορεί να αυξήσει την αξιοπιστία και το χρόνο ζωής κατά ένα συντελεστή 2. Στη νότια Γερµανία το 1992 ξεκίνησε το πρόγραµµα µε τίτλο Car-free resorts and touristic areas in Bavaria. Σε αυτό έλαβαν µέρος 21 κοινότητες στη Βαυαρία. Στα πλαίσια του προγράµµατος αυτού χρησιµοποιήθηκαν 3 ηλεκτρικά λεωφορεία για µετακινήσεις µέσα σε περιοχές µε µεγάλη κυκλοφορία. Οι διαδροµές κυµαίνονταν από 3 έως 10 χλµ. Αξίζει δε να αναφερθεί ότι διέθεταν ένα ειδικό σύστηµα φόρτισης το οποίο επέτρεπε την αλλαγή των συσσωρευτών σε λιγότερο από 5 λεπτά. Η αποδοχή του κόσµου σύµφωνα µε στατιστικές µελέτες ήταν σηµαντική. 24

Ένα σχέδιο που εφάρµοσε η Γερµανική ταχυδροµική εταιρία περιελάµβανε τη χρήση 64 ηλεκτρικών οχηµάτων τύπου Mercedes-Benz και Opel Corsa Combi τα οποία χρησιµοποιούσαν συσσωρευτές τύπου Ψευδαργύρου-Αέρα (Zinc-Air) µε χαρακτηριστικά 110 kwh, 434 Αh, 264 V, 650 kg. Με αυτούς τους συσσωρευτές η αυτονοµία τους έφτανε τα 300 km. Ανάλογα προγράµµατα µε χρήση ηλεκτρικών λεωφορείων πραγµατοποιήθηκαν σε ιταλικές πόλεις, καθώς και στο Göteborg της Σουηδίας. Με βάση όλα τα παραπάνω είναι φανερό ότι το ενδιαφέρον στην ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχηµάτων τα τελευταία 15 χρόνια έχει αυξηθεί κατακόρυφα. Η εντατικοποίηση των ερευνών αυτών έχει οδηγήσει σε σηµαντικές βελτιώσεις των προβληµάτων που παρουσιάζουν τα ηλεκτρικά οχήµατα κατά τη λειτουργία τους. Ωστόσο ορισµένα προβλήµατα εξακολουθούν να υφίστανται µε άµεσο αποτέλεσµα να µην είναι ακόµα δυνατή η ευρεία διάδοσή τους. 1.3 Το ηλεκτρικό όχηµα στην Ελλάδα Οι εξελίξεις που έχουν συντελεστεί τα τελευταία χρόνια στην έρευνα και ανάπτυξη των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων, δεν ήταν δυνατό να µην απασχολήσουν και τις ερευνητικές οµάδες στον Ελληνικό χώρο. Σηµαντικές µελέτες αλλά και κατασκευές ηλεκτροκίνητων οχηµάτων έχουν λάβει χώρα σε εργαστήρια των Ελληνικών Πανεπιστηµιακών ιδρυµάτων. Από τις εργασίες που έχουν γίνει στον τοµέα αυτό ξεχωρίζουν οι ακόλουθες: Στο εργαστήριο Αεροδυναµικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου σχεδιάστηκε ένα τρίτροχο ηλεκτρικό όχηµα στα πλαίσια µιας διπλωµατικής εργασίας [ ]. Το όχηµα αυτό που φαίνεται στο σχήµα 1.5 είναι υβριδικό και ο σχεδιασµός του έγινε µε τη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή. Το βάρος του οχήµατος είναι 700 kg ενώ έχει µήκος 2,5 m. Για την κίνηση του οχήµατος αυτού υπάρχουν δύο ηλεκτρικοί κινητήρες εναλλασσόµενου ρεύµατος µε ισχύ 7,5 kw ο καθένας και µε ονοµαστική τάση 140 V. Η τροφοδότηση γίνεται από 25

συσσωρευτές οξέος-µολύβδου µε χαρακτηριστικά 12V-66Ah o καθένας. Ο βενζινοκινητήρας που χρειάζεται για τη φόρτιση έχει ισχύ 5 kw. Στο Εργαστήριο υναµικής και Θεωρίας Μηχανών του Τµήµατος Μηχανολόγων µηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών βρίσκεται το ηλεκτροκίνητο όχηµα ΡΙΟ Ε240. Το όχηµα αυτό (σχήµα 1.6) έχει δύο κινητήρες συνεχούς ρεύµατος µε ονοµαστική ισχύ 3 kw ο καθένας, οι οποίοι είναι συνδεδεµένοι σε σειρά και τροφοδοτούνται από συσσωρευτές µολύβδου-οξέως συνολικής τάσεως 48 V και βάρους 280 kg [ ]. Στο τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. έχει κατασκευαστεί ένα ηλεκτρικό όχηµα υψηλών προδιαγραφών (σχήµα 1.7) [5, 15]. Το όχηµα αυτό κινείται µε χρήση ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα βραχυκυκλωµένου κλωβού. Ο κινητήρας αυτός τροφοδοτείται από αντιστροφέα τάσης ο οποίος ελέγχεται από µια µέθοδο διανυσµατικού ελέγχου. Επίσης το όχηµα αυτό περιέχει σύστηµα πέδησης µε ανάκτηση ενέργειας. Ο φορτιστής των συσσωρευτών του συγκεκριµένου οχήµατος είναι µια διάταξη µέγιστης ισχύος 3 kw που αποτελείται από µια διάταξη δύο βαθµίδων (µετατροπέα ανύψωσης τάσης σε σειρά µε µετατροπέα πλήρους γέφυρας). Οι συσσωρευτές του οχήµατος αυτού είναι µολύβδου-οξέως συνολικής τάσεως 312 V (26 συσσωρευτές των 12 V). Η χωρητικότητα αυτών είναι 40 Ah. Σχήµα 1.5: Το υβριδικό όχηµα του Εργαστηρίου Αεροδυναµικής του Ε.Μ.Π. [7] 26

Σχήµα 1.6: Το ηλεκτρικό όχηµα ΡΙΟ Ε240 του Πανεπιστηµίου Πατρών [7] Σχήµα 1.7: Το ηλεκτροκίνητο όχηµα του Ε.Μ.Π. [15] Τέλος θα πρέπει να σταθούµε ιδιαίτερα στο ηλεκτροκίνητο όχηµα Electra [16]. Το όχηµα αυτό προέκυψε από µετατροπή ενός βενζινοκίνητου οχήµατος τύπου FIAT Fiorino. Η µελέτη και κατασκευή του έγινε στα πλαίσια του προγράµµατος 27

Σχήµα 1.8: To ηλεκτρικό όχηµα Electra Σχήµα 1.9: Το εσωτερικό του Electra Σχήµα 1.10: Οι συσσωρευτές του οχήµατος. 28

ECVET- Environmentally Clean Electric Vehicle Technology, που χρηµατοδοτήθηκε από το κοινοτικό πρόγραµµα STRIDE. Στο έργο αυτό συµµετείχαν το Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστηµίου Πατρών, το Τµήµα Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτοµάτου Ελέγχου του Ε.Μ.Π., το Κέντρο Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε.), και οι εταιρείες TEOCAR, GERMANOS, PROTECH και YALOS. Αξίζει να αναφέρουµε µερικά σηµαντικά χαρακτηριστικά του οχήµατος αυτού. Το Electra διαθέτει ένα ηλεκτροκινητήριο σύστηµα που αποτελείται από κινητήρα τύπου Brushless DC µε µόνιµο µαγνήτη µε κωδικό SR180P της εταιρείας Unique ο οποίος τροφοδοτείται από τον ηλεκτρονικό µετατροπέα συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόµενη CR20-300 της ίδιας εταιρείας. Το βάρος του κινητήρα είναι 23.6 kgr, και το βάρος του µετατροπέα είναι 21.8 kgr. Η ισχύς του κινητήρα είναι 32 kw και η µέγιστη αναπτυσσόµενη ροπή του κινητήρα είναι 51 Nm για µόνιµη λειτουργία. Οι συσσωρευτές είναι Νικελίου-Καδµίου και αποτελούνται από 160 εν σειρά συνδεδεµένα στοιχεία τύπου STM1-61 της εταιρίας Saft France S.A. Η τάση της συστοιχίας αυτής είναι 192 V, µε χωρητικότητα 67 Ah, ενέργεια 12,8 kwh, και συνολικό βάρος 320 kgr. Για λόγους ασφαλείας οι µπαταρίες εσωκλείονται σε ένα µεταλλικό κουτί βάρους 40 kgr το οποίο διαθέτει κατάλληλο εξαερισµό. Οι επιδόσεις του οχήµατος αυτού είναι µέγιστη ταχύτητα 120 χλµ./ώρα και αυτονοµία περί τα 100 χλµ. Το συνολικό βάρος του οχήµατος µε φορτίο φτάνει τα 1500 kgr. Στα σχήµατα 1.8-1.10 φαίνονται το όχηµα και τα διάφορα µέρη του. Πιο συγκεκριµένα, στο σχήµα 1.8 απεικονίζεται το όχηµα Electra, ενώ στο σχήµα 1.9 απεικονίζεται το εσωτερικό του οχήµατος εκεί όπου εµπεριέχεται ο ηλεκτρονικός αντιστροφέας ισχύος, ο ηλεκτρικός κινητήρας και τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήµατα ενώ στο σχήµα 1.10 απεικονίζεται το µεταλλικό κιβώτιο εντός του οποίου έχουν τοποθετηθεί οι συσσωρευτές. 1.4 Κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων 1.4.1 Γενικά Από τεχνικής απόψεως τα ηλεκτρικά οχήµατα απαντώνται σε διάφορες παραλλαγές είτε όσον αφορά την πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας είτε όσον αφορά τον τρόπο που 29

παράγεται η κίνηση. Συνεπώς θα µπορούσαµε να κατατάξουµε τα ηλεκτρικά οχήµατα σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα µε τα κριτήρια που θέτουµε. Όµως όλα έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό, που είναι η ύπαρξη ενός τουλάχιστον ηλεκτρικού κινητήρα για την προώθηση του οχήµατος. Σε σχέση µε τις εκποµπές ρύπων, όπως αναφέρθηκε και σε προηγούµενη παράγραφο, υπάρχουν ουσιαστικά δύο µεγάλες κατηγορίες ηλεκτροκίνητων οχηµάτων. Τα οχήµατα µηδενικών ρύπων στα οποία ανήκουν τα αµιγώς ηλεκτροκίνητα οχήµατα και τα οχήµατα χαµηλών ρύπων στα οποία ανήκουν τα υβριδικά οχήµατα. Στις επόµενες παραγράφους παρατίθενται εν συντοµία ορισµένα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά των αµιγώς ηλεκτρικών οχηµάτων. 1.4.2 Αµιγώς Ηλεκτροκίνητα Οχήµατα Το κύριο στοιχείο που διαφοροποιεί τα αµιγώς ηλεκτρικά οχήµατα από τα υβριδικά είναι η απουσία βενζινοκινητήρα. Η ενέργεια του οχήµατος προέρχεται από καθαρά ηλεκτρική πηγή και η κίνηση του οχήµατος βασίζεται αποκλειστικά σε έναν ή περισσότερους ηλεκτρικούς κινητήρες. Στο σχήµα 1.11 δίνεται ένα χονδρικό διάγραµµα των τµηµάτων που συνήθως αποτελούν ένα ηλεκτρικό όχηµα τα οποία είναι [4]: Πηγή Ηλεκτρικής Ενέργειας: Είναι το τµήµα που τροφοδοτεί µε ενέργεια το υπόλοιπο σύστηµα. Το τµήµα αυτό λειτουργεί είτε ως πηγή είτε ως αποθήκη ηλεκτρικής ενέργειας είτε ως συνδυασµός και των δύο. Για την αποθήκευση ενέργειας χρησιµοποιούνται συσσωρευτές, ενώ η φόρτισή τους συνήθως γίνεται µε ηλεκτρονικούς µετατροπείς Ε.Τ./Σ.Τ. Σχήµα 1.11: Χονδρικό διάγραµµα ενός ηλεκτροκίνητου οχήµατος 30

Ηλεκτρονικός Μετατροπέας: Το τµήµα αυτό είναι υπεύθυνο για την κατάλληλη µετατροπή της τάσεως της πηγής ώστε να τροφοδοτήσει τον κινητήρα. Επιπλέον ελέγχει και τη λειτουργία του οχήµατος ελέγχοντας ουσιαστικά την ταχύτητα και τη ροπή του κινητήρα. Ηλεκτρικός Κινητήρας: Ο κινητήρας µετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε µηχανική για την κίνηση του οχήµατος. Σύστηµα Μετάδοσης Κίνησης: Το µηχανολογικό αυτό τµήµα του οχήµατος µεταδίδει την κίνηση στους τροχούς προσαρµόζοντας κατάλληλα τη ροπή και την ταχύτητα. Αξίζει εδώ να αναφερθεί ότι ορισµένα τµήµατα µπορεί να διαφοροποιούνται ή ακόµα και να µην υπάρχουν. Για παράδειγµα τµήµατα ή όλο το σύστηµα µετάδοσης κίνησης µπορεί να µην υπάρχει. Επιπλέον το όχηµα µπορεί να έχει περισσότερους από έναν κινητήρα και µετατροπέα. Στις επόµενες παραγράφους δίνονται ορισµένα στοιχεία για τα διάφορα τµήµατα των ηλεκτρικών οχηµάτων. 1.4.2.1 Μονάδα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας-συσσωρευτές Για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας χρησιµοποιούνται οι συσσωρευτές οι οποίοι µπορεί να φορτίζονται από διάφορες διατάξεις και µε διάφορους τρόπους οι οποίοι αναλύονται στη συνέχεια. Από τα πρώτα χρόνια της εµφάνισης των ηλεκτρικών οχηµάτων έχουν δοκιµαστεί διάφοροι τύποι συσσωρευτών. Το πρόβληµά τους, που υφίσταται µέχρι και σήµερα, είναι ο χαµηλός λόγος ενέργειας προς βάρος αλλά και ο µεγάλος χρόνος φόρτισής τους. Παρ όλ αυτά τα τελευταία χρόνια έχουν σηµειωθεί σηµαντικές βελτιώσεις µε την εµφάνιση νέων τύπων συσσωρευτών. Από τους διάφορους τύπους που χρησιµοποιούνται σήµερα µπορούµε να διακρίνουµε σαν σπουδαιότερους τους ακόλουθους [2, 5, 6, 15, 17, 18]: Συσσωρευτές Μολύβδου-Οξέως (Pb-Acid). Είναι από τους πιο παλιούς που δοκιµάστηκαν και παρουσιάζουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα όπως ανθεκτικότητα και χαµηλό κόστος αλλά και χαµηλή πυκνότητα ενέργειας (40 Wh/kgr). Βελτιώσεις ως προς την πυκνότητα ενέργειας των συσσωρευτών µολύβδου επήλθαν µε τους συσσωρευτές Νικελίου-Καδµίου (περίπου 50 Wh/kgr). Όµως έχουν το µειονέκτηµα της χρήσεως καδµίου, ενός στοιχείου που δεν είναι φιλικό στο περιβάλλον. 31

Σηµαντική εξέλιξη στην τεχνολογία των συσσωρευτών αποτέλεσαν οι συσσωρευτές Νικελίου-Μετάλλου-Υδριδίου (NiHM) οι οποίοι έχουν φτάσει σήµερα µέχρι και 100 Wh/kgr. Νεότεροι τύποι συσσωρευτών όπως Λίθου-Ιόντων (Li-ion) και Λιθίου- Πολυµερούς (Li-Polymer) παρουσιάζουν ακόµα µεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας φτάνοντας τα 150 και 200 Wh/kgr. Τέλος άλλοι τύποι συσσωρευτών που χρησιµοποιούνται ή έχουν χρησιµοποιηθεί είναι Νικελίου-Σιδήρου, Νατρίου-Θείου κ.α. Με άλλα λόγια το βάρος και ο όγκος µιας συστοιχίας Λιθίου-Πολυµερούς είναι πέντε φορές µικρότερα από µια συστοιχία Μολύβδου για την ίδια απαίτηση ενέργειας. Είναι προφανές ότι υπάρχει σηµαντική βελτίωση στην τεχνολογία αυτή ενώ αναµένονται ακόµα πιο βελτιωµένοι τύποι συσσωρευτών από άποψη πυκνότητας ενέργειας. 1.4.2.2 ιατάξεις και σενάρια φόρτισης Οι συσσωρευτές έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια και να την αποδίδουν στο ηλεκτροκινητήριο σύστηµα. Για την φόρτισή τους απαιτείται ειδική διάταξη η οποία να µετατρέπει µια οποιαδήποτε µορφή ενέργειας σε ηλεκτρική υπό µορφή συνεχούς τάσεως. Η έρευνα που γίνεται πάνω στο αντικείµενο αυτό έχει καταδείξει διάφορες µεθόδους µε τις οποίες µπορούµε να φορτίσουµε όσο το δυνατόν πιο εύκολα και πιο αποδοτικά τους συσσωρευτές. Από τις διάφορες στρατηγικές φόρτισης που έχουν προταθεί ξεχωρίζουµε τις ακόλουθες [4]: Οικιακή φόρτιση: Πρόκειται για τον πιο διαδεδοµένο τρόπο φόρτισης µιας και ένα όχηµα βρίσκεται πολλές ώρες της ηµέρας κοντά στο σπίτι του χρήστη. Η διαδικασία αυτή έχει ορισµένα σηµαντικά χαρακτηριστικά όπως για παράδειγµα το ότι η φόρτιση γίνεται από µονοφασική παροχή και συνήθως νυχτερινές ώρες. Έτσι έχουµε χαµηλότερο τιµολόγιο κατανάλωσης. Με τον τρόπο αυτό η φόρτιση διαρκεί περίπου 6-8 ώρες ενώ το µέγιστο ρεύµα της φόρτισης δεν ξεπερνάει τα 15 Α. Σύµφωνα µε το σενάριο αυτό η διάταξη βρίσκεται εντός του οχήµατος (on-board) και συνεπώς πρέπει να έχει χαµηλό βάρος (<5 kgr). Φόρτιση σε σταθµούς παρκαρίσµατος (Park and Charge-PAC): Μια εναλλακτική µέθοδος φόρτισης είναι σε σταθµούς παρκαρίσµατος όπου το όχηµα θα φορτίζεται όταν είναι παρκαρισµένο. Οι προδιαγραφές των συσκευών φόρτισης για την περίπτωση αυτή προβλέπουν τριφασική τροφοδοσία, ενώ ο φορτιστής θα βρίσκεται 32

εκτός οχήµατος (οff-board). Μέσα στις δυνατότητες της διάταξης φόρτισης παρκαρίσµατος περιέχεται και η λειτουργία ταχυφόρτισης. Πρόκειται για την περίπτωση που η πλήρης φόρτιση των συσσωρευτών γίνεται µε µεγάλο ρεύµα (>100 Α), και διαρκεί λίγο (περί τα 20 λεπτά). Ο τρόπος αυτός συνιστάται κυρίως σε περιπτώσεις εκτάκτου ανάγκης, λόγω της µεγάλης καταπόνησης των συσσωρευτών. Επίσης µια σηµαντική δυνατότητα των διατάξεων αυτών είναι η δυνατότητα εξισωτικής φόρτισης, η οποία συνίσταται στο ξεχωριστό έλεγχο της τάσης των εν σειρά συνδεδεµένων στοιχείων [19-21]. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται µια ισορροπηµένη φόρτιση των στοιχείων, µε άµεσο αποτέλεσµα την εξασφάλιση µεγαλύτερης διάρκειας ζωής τους. Ανάκτηση ενέργειας: Ένα αρκετά σηµαντικό σενάριο φόρτισης των συσσωρευτών είναι η φόρτιση κατά την ανάκτηση ενέργειας, που συµβαίνει όταν το όχηµα επιβραδύνει ή κινείται σε κατηφόρα. Στην περίπτωση αυτή ο ηλεκτρικός κινητήρας µετατρέπεται σε γεννήτρια λαµβάνοντας µέρος της κινητικής ενέργειας του οχήµατος, την οποία µετατρέπει σε ηλεκτρική φορτίζοντας τους συσσωρευτές [22]. Τα ποσά της ενέργειας που µπορούν να εξοικονοµηθούν µε την ανάκτηση ενέργειας είναι µεγάλα αλλά λόγω των µεγάλων ρευµάτων που εµφανίζονται, οι συσσωρευτές υφίστανται σηµαντική καταπόνηση. Φόρτιση από ηλιακή ακτινοβολία: Σύµφωνα µε το σενάριο αυτό η φόρτιση γίνεται µέσω φωτοβολταϊκών κυττάρων τα οποία είναι τοποθετηµένα επί της οροφής του οχήµατος ή και σε στέγαστρα σε πάρκινγκ. Η φόρτιση είναι πολύ εύκολη αφού δεν χρειάζεται κάποια εξωτερική παρέµβαση, όµως ο χαµηλός βαθµός απόδοσης των φωτοβολταϊκών κυττάρων [18], το υψηλό κόστος καθώς και ο κίνδυνος της φθοράς που διατρέχουν είναι πολύ σηµαντικά µειονεκτήµατα που εµποδίζουν την εξάπλωσή τους στη χρήση ηλεκτροκίνητων οχηµάτων. Ένα πλεονέκτηµα της µεθόδου είναι ότι η φόρτιση µπορεί να γίνεται είτε κατά την κίνηση είτε σε στάση. Φόρτιση µε Ηλεκτροπαραγωγό Ζεύγος: Πρόκειται για ένα αρκετά διαδεδοµένο σενάριο το οποίο εφαρµόζεται στην περίπτωση των Σειριακών Υβριδικών Οχηµάτων. Στην περίπτωση αυτή, ένας βενζινοκινητήρας περιστρέφει µια γεννήτρια η οποία φορτίζει τους συσσωρευτές. Η φόρτιση µπορεί να γίνεται είτε κατά την κίνηση είτε σε στάση όπως και πριν. Το πλεονέκτηµα σε σχέση µε ένα καθαρά βενζινοκίνητο 33