Automatizarea Sistemelor Energetice ale Unui Automobil Electric

Cuprins

Introducere

Capitolul 1. Automobilul electric

1.1 Evoluție

1.2 Configurații, Performanțe și Consum

1.3 Surse de energie

1.3.1 Acumulatorul pe baza de nichel și hidrură de metal

1.3.2 Acumulatorul pe bază litiu

1.3.3 Supercondensatori

Capitolul 2 Tipuri de motoare electrice

Capitolul 3 Surse regenerative de energie

3.1 Frâna regenerativă ( KERS )

3.2 Panouri FotoVoltaice

Capitolul 4 Aplicație automatizare încărcare

4.1 Software

4.2 Hardware

4.3 Simulink – Matlab

Introducere

Automobilul electric este prezent încă de la mijlocul secolului al 19-lea, atunci când energia electrică era una din metodele preferate de propulsie pentru autovehicule, oferind un nivel de confort și ușurință de operare ce nu puteau fi realizate de catre automobilele pe benzină ale timpului.

Pe parcursul ultimelor decenii impactul asupra mediului al infrastructurii de transport pe bază de petrol a condus la un interes reînnoit într-o infrastructură de transport electric.

Automobilele electrice sunt diferite de vehiculele pe bază de combustibili fosili prin faptul că energia electrică pe care o consumă poate fi generată cu ajutorul unei game largi de surse precum: combustibili fosili, energia nucleară și surse regenerabile (energia mareelor​​, energia solară, și eoliană sau orice combinație a acestora).

Scopul lucrării a fost documentarea în domeniul surselor regenerabile de energie, în cazul de față energia solară, ce pot fi folosite pentru alimentarea unui automobil electric precum și dezvoltarea unei aplicații de management al încărcării acumulatorilor cu ajutorul programului LOGO SoftComfort.

Lucrarea este structurată pe 4 capitole.

În primul capitol este descrisă evoluția automobilului electric de la apariția sa pana în prezent. Tot in acest capitol sunt trecute în revistă posibilele configurații ale unui automobil electric, performanțele sale, consumul de energie și tipurile de acumulatori ce pot fi folosiți.

În capitolul 2 sunt trecute în revistă tipurile de motoare electrice existente la momentul actual. În acest capitol au fost sintetizate

În capitolul 3 sunt prezentate 2 surse ce pot fi aplicate în cazul unui automobil electric:

frâna regenerativă – presupune recuperarea parțială a energiei cinetice a vehiculului și stocarea acesteia;

panourile fotovoltaice – transformă energia solară în energie electrică.

În ultimul capitol este prezentată aplicația software dezvoltată pentru managementul încărcării unor acumulatori de Li-Ion cu ajutorul energie solare folosind programul LOGO SoftConfort. Pentru testarea softului, acesta a fost incărcat în memoria unui PLC Siemens ce va controla un modul experimental echipat cu un motor, acumulatori si un mini-panou fotovoltaic. Tot în acest capitol s-a realizat o analiză a performanțelor panoului fotovoltaic în funcție de intensitatea radiației solare folosind aplicația Matlab – Simulink.

Capitolul 1. Automobilul electric

Automobil electric este un automobil propulsat de unul sau mai multe motoare electrice alimentat din acumulatori sau supercondensatori. Acesta are unele avantaje asupra motoarelor pe combustie internă după cum ar fi:

– absența emisiilor

– eficiență mai mare

– idependență față de petrol

– funcționare silențioasă și lină

Principiile operaționale și fundamentale ale automobilului electric sunt similare cu cele ale automobilelor pe combustie internă.

1.1 Evoluție

Conceptul de automobil electric a aparut acum mai bine de 100 de ani. Automobilul electric a detinut recordul de viteza terestra pana in anul 1900.

Istoria automobilului electric a început la mijlocul secolului al 19-lea, iar primul automobil electric a apărut în anii 1880. Invenția primului model de vehicul electric este atribuită mai multor persoane. În 1828 Anyos Jedlik, care a inventat un tip de motor electric , a creat o machetă de mașina propulsată de acest nou motor. Modele mai practice, și cu mai mult succes, de vehicule electrice au fost inventate de către Thomas Davenport și Robert Davidson în jurul anului 1842. Ambii inventatori au fost primii care au folosit recent inventatele baterii, acestea Fig. 1 Primul automobil electric practic

însa nefiind reîncărcabile.

Bateriile reîncărcabile, care ar fi oferit un mod viabil de stocare a energiei la bordul unui vehicul, au apărut in 1859 când fizicianul francezul Gaston Plante a inventat bateriile acide, cu plăci din plumb. Francezul Camille Alphonse Faure a îmbunătățit semnificativ design-ul acestor bateri în 1881, crescând capacitatea acestor baterii și astfel conducând la producerea lor în masă.

Primul automobil electric practic a fost construit de către inventatorul englez Thomas Parker în 1884 ( fig. 1 ), acesta folosind un model propriu de baterii reîncărcabile de capacitate mare. Automobilul a fost produs de către Compania Elwell-Parker, companie ce a fuzionat în 1888 cu o companie rivală pentru a forma corporația Electric Construction ce a deținut monopolul în anii 1890 în Anglia asupra pieței de automobile electrice. În 1896 a produs primul „dog cart” electric.

Franța și Marea Britanie au fost primele națiuni ce au susținut dezvoltarea la scară largă a vehicolelor electrice.

Înaintea apariției motoarelor cu combustie internă, automobilele electrice au deținut multe recorduri de viteză și distanță. Printre cele mai notabile dintre acestea fiind depășirea barierei de 100km/h în 29 Aprilie 1899 de către Camille Jenatzy.

Primul automobil electric american a fost dezvoltat între 1890-91 de către William Morisson. Acest automobil avea o capacitate de 6 persoane și o viteză maximă de 23 km/h. De-abia în 1895 America a început să acorde atenție vehicolelor electrice, an în care A.L. Ryker a introdus primul triciclu electric în Statele Unite. În acel moment europeni foloseau tricile, biciclete și automobile electrice de aproape 15 ani.

Interesul către vehicule motorizate a crescut semnificativ la sfârșitul anilor 1890 și începutul anilor 1900. Taxiurile electrice au apărut la sfârșitul secolului 19, acestea fiind introduse în Londra în 1897 de către Walter C. Bersey. În același an în New York, compania Samuela€™s Electric Carriage and Wagon a început să folosească 12 astfel de taxiuri.

În 1911 , primul autovehicol hibrid ( benzină-electric) a fost lansat de către compania Woods Motor Vehicle din Chicago. Acest hibrid a fost un eșec din punct de vedere comercial dovedindu-se a fi prea încet și greu de întreținut pentru prețul său.

Thomas Edison langa o masina electrica in 1913

Din cauza limitărilor tehnologice și lipsei tehnologiei electrice pe bază de tranzistoare, viteza maximă a primelor modele de automobile electrice era limitată la 32km/h. În ciuda acestui dezavantaj, vehiculele electrice aveau o serie de avantaje asupra competitorilor lor din acea perioadă. Funcționarea acestora nu era însoțită de vibrațiile, mirosul și zgomotul asociate mașinilor pe combustie internă. De asemenea lipsa unei cutii de viteze era percepută ca un avantaj al automobilului electric. Mașinile electrice mai erau preferate mașinilor pe combustie internă deoarece pentru a fi pornite nu era necesar un efort fizic.

Automobilele electrice erau populare în rândul clienților înstăriți care le foloseau pe post de mașini de oraș, unde autonomia scăzută nu mai era un dejavantaj așa mare. Automobilele electrice erau deseori promovate ca vehicule ideale pentru femei datorită ușurinței de utilizare; de fapt primele mașini electrice erau stigmatizate ca fiind „masini pentru femei”, aceasta determinând unii producători să instaleze radiatoare în fața motoarelor pentru a masca natura modului de propulsie a vehiculului.

Acceptarea la scară largă a automobilelor electrice a fost inițial îngreunată de lipsă unei infrastructuri electrice. Până în 1912 multe locuințe erau conectate la rețeaua electrică astfel ducând la o creștere a popularității mașinilor electrice.

În scopul de a depăși distanță de funcționare limitată a automobilelor electrice și lipsa unei infrastructuri de reîncărcare a bateriilor, un serviciu de schimbare a bateriei a fost prima dată propus în 1896.

Conceptul a fost pus pentru prima oară în practică de către compania Hartford Electric Light, fiind inițial disponibil pentru camioanele electrice. Acest serviciu a fost disponibil între 1910 și 1924 iar în timpul acestei perioade camioanele care au folosit acest serviciu au parcurs o distanță de peste 6 milioane de mile.

Deși la începutul secolului 20 automobilul electric s-a bucurat de succes, acesta a început să își piardă poziția pe piață din cauza diverselor dezvoltări tehnologice.

Printre acestea amintim:

– dezvoltarea infrastructurii drumurilor până în 1920 a dus la cerința de automobile cu o autonomie mai mare decât puteau oferi automobilele electrice;

– descoperirea la nivel mondial de rezerve petroliere mari a dus la disponibilitatea largă de benzină la prețuri accesibile, și astfel mășinile alimentate cu benzină au devenit mai ieftine de operat pe distante lungi.

– automobilele electrice au fost limitate la mediul urban din cauza vitezei și autonomiei mici pe când automobilele cu benzină aveau acum posibilitatea de a călători mai departe și mai repede decât cele electrice;

– inventarea starterului electric ( Charles Kettering în 1912 ), ceea ce a dus la eliminarea necesității pornirii manuale a motorului pe combustie internă, și a tobelor de eșapament ( Hiram Percy Maxim in 1897) au ajutat automobilul pe benzina sa devină și mai atractiv

– începerea producției la scară largă a mașinilor pe benzină ( inițiată de Henry Ford ) ce a dus la ieftinirea acestora.

Majoritatea producătorilor de mașini electrice au încetat producția în jurul anului 1910. Vehiculele electrice au devenit populare pentru anumite aplicații, acolo unde autonomia lor limitată nu era o problemă( ex: mașini de lapte, Golf carts).

Până în 1920, perioada de glorie timpurie a mașini electrice a trecut, și un deceniu mai târziu industria automobilului electric a dispărut. Experimente cu mașini electrice au mai avut loc în Europa în perioada celui de al doilea război mondial.

La sfârșitul anilor 1950, Henney Coachworks și Național Union Electric Company ( producătorii bateriilor Exide ) au produs automobilul electric Henney Kilowatt ( fig. 2 ), bazat pe design-ul modelului Renault Dauphine. Acesta a fost produs în 2 configurații: 36 de volți și 72 de volți. Modelul de 72 de volți avea viteză maximă de aproape 96 km/h și putea funcționa o oră per încărcare.

. Fig.2 Automobilul Henney Kilowatt

În ciuda performanțelor îmbunătățite ale acestuia în comparație cu modelele anterioare de automobile electrice, cumpărătorii au considerat că este prea scumpă comparativ cu automobilele pe benzină, și astfel producția automobilului Henney Kilowatt s-a sfârșit în 1961. În 1967, American Motors Corporation ( AMC ) și Gluton Industries au început dezvoltarea unei noi baterii bazată pe litiu și un nou controller de viteză bazat pe design-ul lui Victor Wouk. Alte vehicule experimentale de tip "plug-in" au fost dezvoltate de către AMC în colaborare cu Gluton Industries (Amitron – 1967, Electron – 1977). De-a lungul anilor au mai apărut prototipuri de mașini electrice, cum ar fi Scottish Aviation Scamp (1965), Enfield 8000 (1966), Electrovair (1966) și Electrovette (1976), dar nici unul nu a fost produs.

La 31 iulie 1971, un automobil electric a primit distincția unică de a deveni primul vehicul cu echipaj uman condus pe Lună ( Lunar rover ). Acesta fost folosit pentru prima oară în misiunea Apollo 15. Vehiculul a fost dezvoltat de către Boeing în asociere cu Delco Electronics și era echipat cu câte un motor pe curent continuu în fiecare roată și o pereche de baterii nereîncărcabile de 36 volți cu argint-zinc și hidroxid de potasiu.

Crizele energetice din 1970 și 1980 au adus dus.

La 31 iulie 1971, un automobil electric a primit distincția unică de a deveni primul vehicul cu echipaj uman condus pe Lună ( Lunar rover ). Acesta fost folosit pentru prima oară în misiunea Apollo 15. Vehiculul a fost dezvoltat de către Boeing în asociere cu Delco Electronics și era echipat cu câte un motor pe curent continuu în fiecare roată și o pereche de baterii nereîncărcabile de 36 volți cu argint-zinc și hidroxid de potasiu.

Crizele energetice din 1970 și 1980 au adus un interes reânnoit către automobilele electrice și independența lor față de fluctuațiile pieței de energie a hidrocarburilor. În cadrul show-ului Auto din Los Angeles din 1990, președintele General Motors , Roger Smith, a dezvăluit prototipul de mașină electrică GM Impact împreună cu anunțul că GM va construi automobile electrice de vânzare către public.

De-a lungul anilor 1990, interesul pentru automobile eficiente din punct al consumului de combustibil sau ecologice, a scăzut în rândul americanilor, care în schimb au favorizat vehicule utilitare sport (SUV) care erau mai accesibile, deși aveau un consum ridicat de combustibil, datorită prețurilor mai mici a benzinei. În 1999, mașina hibrid Honda Insight a devenit primul hibrid vândut în America de Nord de la 1917 până atunci. Prima generatie de Toyota Prius

Criza energetică din anii 2000 a reînnoit interesul către mașini hibride și electrice. În America, vânzările de Toyota Prius (care a fost scos la vânzare din 1999, în unele piețe) au crescut, și o varietate de producători auto au urmat exemplul, producând noi modele de automobile hibrid.

Mulți producători au început să dezvolte și noi prototipuri de automobile electrice, în urmă creșterii interesului consumatorilor către automobile ce i-ar elibera de fluctuațiile prețurilor petrolului.

Recesiunea economică mondială din anii 2000 a condus la înmulțirea apelurilor către producătorii auto de a abandona SUV-urile ineficiente din punct de vedere al consumului de combustibil în favoarea mașinilor mai mici, mașinilor hibrid și mașinilor electrice.

În 2004 producătorul auto din California , Tesla Motors, a început dezvoltarea modelului Tesla Roadster, care a fost pus în vânzare în 2008. Tesla Roadster a fost primul automobil electric "highway-capable" produs în serie vândut în Statele Unite.

Tesla Roadster conectat la o prize normala

Din 2008 până în Decembrie 2011 Tesla Motors a vândut peste 2100 de modele Tesla Roadster în peste 31 de țări. Tesla Roadster a fost de asemenea și primul automobil electric care folosește acumulatori cu Li-Ion, și primul automobil electric capabil să parcurgă peste 320 km per încărcare. Tesla Motors se aștepta să vândă modelul Roadster până la începutul anului 2012, când stocul lor de Lotus Elipse s-ar epuiza , în condițiile în care contractul lor cu firma Lotus Cars expira la sfârșitul lui 2011. Următoarea generație de Roadster este de așteptat să fie introdusă începând cu 2014.

Liderii mai multor companii producătoare de automobile, cum ar fi Nissan și General Motors, au declarat că succesul lui Tesla Roadster a demonstart că există o cerere puternică a consumatorilor pentru vehicule mai eficiente.

Vice-președintele General Motors, Bob Lutz, a declarant în 2007, că Tesla Roadster l-a inspirat în a determina GM să dezvolte Chevrolet Volt, un prototip “plug-in” sedan hibrid, scopul dezvoltării acestuia fiind de a inversa anii de scădere a cotei de piată precum și pierderile financiare masive pentru cel mai mare producător auto din America.

În 2010, General Motors a lansat modelul Ghevrolet Volt, un automobil hibrid ce reprezintă evoluția tehnologiilor pionierate de către modelul GM EV 1 din anii 1990. Volt poate funcționa până la 64km doar pe baterii înainte de a activa motorul pe benzină ( folosit și pentru a reîncărca acumulatorii mașini) . Modelul Volt a început să fie comercializat în Statele Unite în Decembrie 2010, și până la sfârșitul anului 2011 în Europa și Canada.

Modelul Nissan Leaf, introdus în Japonia și Statele Unite în Decembrie 2010, a devenit primul autovehicul modern 100% electric cu 0% emisii, fabricat la scară largă de către un producător auto. Din Ianuarie 2013, modelul Leaf a fost disponibil și în Australia, Canada și 17 țări europene.

Începând din Iulie 2013, Alianța Renault-Nissan este liderul mondial de piață în producerea automobilelor electrice, cu vânzări globale de 100.000 de unități 100% electrice livrate începând cu Decembrie 2010.

Mai jos un tabel cu lista unor automobile electrice in ordine cronologica:

1.2 Configurații, Performanțe și Consum

Inițial, automobilele electrice erau convertite în principal din automobile existente prin înlocuirea motorului cu ardere internă și a rezervorului de carburant, cu un motor electric și baterii păstrând în același timp toate celelalte componente, așa cum se arată în figura 4.1.

Dezavantajele, cum ar fi greutatea sa mare, flexibilitate mai mică și degradarea performanței, au determinat utilizarea acestui tip de automobil electric să se estompeze. Fig 3.1 Sistem de propulsie vehicul electric

În locul său, automobilul electric modern este construit pe un design special de caroserie și cadru. Acesta îndeplinește cerințele structurii unice a vehiculului electric.

Un tren de rulare electric modern este conceptual ilustrat în figura 3.2.

Trenul de rulare este format din trei subsisteme principale: motorul electric, sursa de energie și auxiliare. Subsistemul de propulsie electrică este compus dintr-un controller de vehicul, convertor electronic de putere, motor electric, transmisia mecanică și la roți. Subsistemul energie implică sursa de energie, unitatea de gestionare a energiei precum și unitatea de realimentare cu energie.

Subsistemul auxiliar este format din unitatea de servodirecție, unitatea de control a climei precum și unitatea de alimentare auxiliară.

Bazat pe comenzile primite de la pedala de accelerație sau pedala de frână, controlerul de vehicul furnizează semnalele de control adecvate pentru convertorul electronic de putere, care funcționează pentru a regula fluxul de putere între motorul electric și sursa de energie. Fluxul de putere inversă se datorează frânari regenerative a automobilului electric, cu condiția ca sursa de energie să fie receptivă.

Fig. 3.3 Posibile configurații ale automobilelor electrice

Cele mai multe baterii pentru automobile electrice, precum ultracapacitoare și volanți posedă capacitatea de a accepta energia recuperată.

Unitatea de gestionare a energiei cooperează cu controlerul de vehicul pentru a controla sistemul de frânare regenerativă și recuperare de energie. De asemenea, funcționează și cu unitatea de realimentare de energie pentru a controla unitatea de realimentare, precum și pentru a monitoriza gradul de utilizare a sursei de energie. Alimentarea cu energie auxiliară furnizează puterea necesară la nivele diferite de tensiune pentru toate auxiliarele automobilului electric, în special controlul climei și unități de servodirecție.

Fig. 3.4 Caracteristicile tipice ale unui motor electric cu viteza variabila

Pentru automobilele electrice există o varietate de posibile configurații datorate variației de caracteristici ale motoarelor electrice și a surselor de energie, după cum se poate observa în figura 3.3 .

Performanța unui vehicul este evaluată, în general, prin timpul său de accelerare și viteza maximă.

În proiectarea trenului de rulare al unui automobil electric cei mai importanți parametrii luați în considerare pentru îndeplinirea performanțelor dorite sunt rating-ul de putere și parametrii de transmisie a motorului.

Proiectarea tuturor acestor parametri depinde în mare măsură de caracteristicile viteză-putere (cuplu) al motorului. Motoarele electrice cu viteză variabila au caracteristicile prezentate în Figura 3.4.

La viteze mici (mai mici decât viteza de bază cum este marcat în figură 3.4), motorul are un cuplu constant. La viteze mari (mai mari decât viteza de bază), motorul are o putere constantă. Această caracteristică este reprezentată de obicei printr-un raport de viteză x, definit ca raportul dintre viteza maximă către viteza sa de bază.

Fig.3.5 Profilurile cuplu-viteza ale unui motor de 60 kW cu raporturi diferite de viteza x

În cadrul operațiunilor la viteză redusă tensiunea de alimentare a motorului crește odată cu creșterea vitezei (prin convertorul electronic) în timp ce fluxul este menținut constant. La punctul de viteză de bază, tensiunea motorului atinge tensiunea de alimentare a sursei. Odată depășită viteza de bază, tensiunea motorului este constantă iar fluxul este în scădere hiperbolic pe măsură ce viteza crește. Prin urmare, cuplul scade hiperbolic pe măsură ce viteza crește.

Figura 4.5 arată profilurile cuplu-viteză ale unui motor de 60 kw cu raporturi diferite de viteză x (x = 2, 4, și 6). Cu ajutorul unei regiuni lungi de putere constantă este evident că, cuplul maxim al motorului poate fi crescut în mod semnificativ, și, prin urmare accelerarea vehiculului și performanțele de urcare în pantă pot fi îmbunătățite, iar transmisia poate fi simplificată. Cu toate acestea, fiecare tip de motor în mod inerent are un raport limitat de viteză maximă.

De exemplu, un motor cu magneți permanenți are un x mic (< 2) din cauza dificultății de slăbire a câmpului magnetic datorat prezenței magnetului permanent. Motoarele cu reluctanță comutata pot atinge x=6 și motoarele asincrone de aproximativ x=4.

Performanța de bază a automobilului include viteza maximă de croazieră, capacitatea de urcare și cea de accelerare. Viteza maximă a unui vehicul poate fi ușor găsită la intersecția curbei efortului de tracțiune cu cea a rezistenței (rezistentă la rulare plus drag-ul aerodinamic) din diagrama efortului de tracțiune vs viteza vehiculului prezentată mai jos (Fig 3.6 și Fig 3.7). Trebuie remarcat faptul că un astfel de punct de intersecție nu există de obicei în modelele care utilizează un motor de tracțiune mai mare sau un raport de transmisie mare.

Fig 3.6 Efortul de tractare vs viteza a unui motor cu raport x = 2 si transmisie cu 3 viteze

Fig 3.7 Efortul de tractare vs viteza a unui motor cu raport x = 4 si transmisie cu 2 viteze

În acest caz viteza maximă a autovehiculului poate fi determinată cu ajutorul vitezei maxime de tractare a motorului electric după cum urmează:

, unde Nm max reprezintă maximul permis de RPM al motorului și igmin este raportul minim de transmisie (cea mai mare treaptă de viteză).

Capacitatea de urcare a unui vehicul este determinată de efortul de tracțiune netă a vehiculului, Ft-net (Ft-net = Ft – Fr – Fw), așa cum se arată în figurile 3.6-3.7.

La viteze medii și mari, capacitatea de urcare este mai mică decât capacitatea de urcare la viteze mici.

Performanța accelerației unui vehicul este evaluată prin timpul utilizat pentru a accelera vehiculul de la o viteză mică V1 (de obicei zero) la o viteză mai mare (100 km / h pentru autoturisme).

Pentru autoturisme, performanța accelerației este mai importantă decât viteză maximă de croazieră sau capacitatea de urcare, deoarece această cerința este cea care dictează puterea nominală pe care motorul electric ar trebui să o aibă.

În transporturi, unitatea de energie este de obicei kilowatt-oră (kwh), mai degrabă decât Joule sau KJ (J sau kj). Consumul de energie per unitatea de distanță în kwh / km este în general utilizată pentru a evalua consumul de energie al vehiculului.

Pentru automobilele electrice alimentate de la baterii, unitatea consumului de energie în kwh măsurată la bornele bateriei, este mult mai potrivită și autonomia bateriei per încărcare poate astfel fi ușor de calculat.

Pentru propulsie, puterea de ieșire a bateriei este egală cu puterea de rezistentă și orice pierderi de putere în transmisie și motor, inclusiv pierderile de putere cauzate de circuitele electronice. Pierderile de putere în cadrul transmisiei și motorului sunt reprezentate de eficiența lor I·t și respectiv I·m. Astfel puterea bateriilor la ieșire poate fi exprimată:

Aici, sarcina auxiliară nu este inclusă.

În unele cazuri, sarcinile auxiliare pot fi prea semnificative pentru a fi ignorate și trebuie adăugate la sarcina de tracțiune.

Când frâna regenerativă este activată pe un automobil electric, o parte a energia de frânare – pierdută în vehiculele convenționale – poate fi recuperată si stocată în baterii prin operarea motorului ca un generator.

Puterea de frânare regenerativă la bornele bateriei poate fi de asemenea exprimat ca

,unde gradul drumului( i ), sau accelerația (dv/ dt) sau ambele sunt negative, iar I± (0 < I± < 1) este procentul energiei totale de frânare care poate fi aplicată de către motorul electric, numit factor de frânare regenerativă.

Consumul net de energie de la baterii poate fi exprimat

Trebuie remarcat faptul că forța de frânare are un semn negativ.

Distanța de călătorie dintre 2 încărcări (de obicei numită distanță efectivă de călătorie) este determinată de energia totală a bateriilor și eficiența frânei regenerative (I±).

Eficiența unui motor electric variază în funcție de punctele de operare de pe planul viteză-cuplul (turație – putere).

1.3 Surse de energie

Electrificarea este modul cel mai viabil pentru un transport curat și eficient, lucru crucial pentru dezvoltarea durabilă a întregii lumi. În viitorul apropiat, vehiculele electrice, vehiculele hibrid și vehiculele electrice de tip plug-in vor domina piața autoturismelor. Cheia către această schimbare revoluționară este bateria.

Importanța bateriilor pentru autovehiculele electrice a fost verificată în istorie. Primul autovehicul electric a apărut la scurt timp după inventarea bateriei acide cu plăci din plumb reîncărcabilă și a motorului electric la sfârșitul anilor 1800.

Bateriile pentru automobilele electrice sunt diferite de cele folosite în aparatele electronice cum ar fi telefoanele mobile sau laptopurile. Ele trebuie să fie capabile de puteri mari (până la 100 de KW ) și capacități energetice mari ( până la zeci de kwh) și totodată să aibă dimensiuni și greutate mică și un preț accesibil .

După cum se poate observa în tabelul de mai jos, în prezent cele 2 tehnologii majore de baterii folosite de către automobilele electrice sunt nichel-hidrură de metal (NiMH) și litiu-ion (Li-ion).

Majoritatea automobilelor hibrid din ziua de astăzi folosesc baterii NiMH . Datorită potențialului energetic mai mare, adoptarea bateriilor Li-ion în automobilele electrice este de așteptat să crească rapid. În prezent există mai multe tipuri de baterii Li-ion bazate pe o chimie similară.

1.3.1 Acumulatorul pe baza de nichel și hidrură de metal

Acumulatorul pe bază de nichel și hidrură de metal (NiMH) este prezent pe piață din anul 1992. Caracteristicile lui sunt similare cu cele ale acumulatorului pe bază de nichel și cadmium, principala diferență dintre ele fiind folosirea hidrogenului absorbit în hidrură de metal ca material folosit pentru electrodul negativ activ în loc de cadmium (Cd).

Reacția globală într-un acumulator NiMH este:

MH_NiOOH ↔ M_Ni(OH)2

Când acumulatorul este descărcat, hidrura de metal din electrodul negativ este oxidată pentru a forma aliajul metalic, iar oxihidroxid-ul de nichel din electrodul pzitiv se reduce la hidroxid de nichel. În timpul încărcării are loc reacția inversă.

În prezent tehnologia acumulatorilor pe bază de nichel și hidrură de metal are o tensiune nominală de 1,2 V, atinge o energie specifică de 65 Wh / kg și o putere specifică de 200 W/h.

Deoarece bateria Ni-MH este încă în curs de dezvoltare, avantajele sale bazate pe tehnologia actuală sunt :

are cea mai mare energie specifică (70-95 Wh / kg)

cea mai mare putere specifică (200-300 W / kg) dintre acumulatorii pe bază de nichel

environment friendly,

au o cădere de tensiune mai mică

capacitate de reîncărcare rapidă.

Cu toate acestea, această baterie încă suferă din cauza costurilor inițiale ridicate. De asemenea poate fi exotermă la încărcare.

Acumulatorul pe bază de nichel și hidrură de metal a fost considerată o alegere importantă pe termen scurt pentru folosirea în automobile electrice și hibrid. Un număr de producători de acumulatori, precum GM Ovonic, GP, GS, Panasonic, SAFT, VARTĂ, și YUASA, s-au implicat activ A®n dezvoltarea acestui tehnologii de acumulatori mai ales pentru alimentarea automobilelor electrice și hibrid. În 1993 Ovonic a instalat o baterie Ni-MH în automobilul electric Solectric GT FORCE pentru testare și demonstrație. O baterie de 19 kwh a emis peste 65 de Wh/kg , 134 kilometri pe oră, accelerație de la zero la 80 km / h în 14 secunde, și o autonomie de conducere în oraș de 206 km.

1.3.2 Acumulatorul pe bază litiu

Litiu este cel mai ușor dintre toate metalele și prezintă un set de caracteristici interesante din punct de vedere electrochimic. Aceasta permite o tensiune termodinamică foarte mare, ceea ce duce la o energie specifică și putere specifică foarte mare.

În prezent există 2 tehnologii majore de baterii pe bază de litiu:

litiu-polimer

litiu-ion

1.3.2.1 Acumulatorul pe bază de Litiu Polimer

Bateriile pe bază de litiu-polimer folosesc litiu și un oxid de metal intercalat de tranziție (MyOz) pentru electrozii negativi și pozitivi. Acest MyOz are o structurăƒstratificată în care ioni de litiu poat fi introduși sau de unde pot fi eliminați la descărcare și respectiv încărcare.

Un electrolit subțire de polimer solid (SPE) este utilizat, acesta oferind o îmbunătățire din punct de vedere al siguranței și flexibilitate în design.

Reacțiile electrochimice generale sunt:

xLiMyOz ↔ LixMyOz

La descărcare, ionii de litiu formați la electrodul negativ migrează prin SPE și sunt introduși în structura cristalină a electrodului pozitiv. La încărcare procesul este inversat.

Prin folosirea unui electrod negativ din folie de litiu și un electrod pozitiv din oxid de vanadiu (V6 O13), celula Li/SPE/ V6 O13 este cea mai atractivă din cadrul familiei Litiu-Polimer.

Acesta funcționează la o tensiune nominală de 3 V, o energie specifică de 155 Wh / kg și o putere specifică de 315 W / kg. Avantajele sunt o rată foarte scăzută de auto-descărcare, (aproximativ 0,5% pe lună) și capabilitate de fabricare într-o varietate de forme și mărimi, Totuși, are dezavantajul unor performanțe relativ slabe la temperaturi joase datorită dependenței de temperatură a conductivității ionice.

1.3.2.2 Acumulatorul pe bază de Litiu Ion

Încă de la anunțarea bateriei pe bază de Li-ion, în 1991, tehnologia acumulatorului pe bază de Li-ion a cunoscut o creștere fără precedent.

Bateria pe bază de Li-ion folosește un material de intercalare carbon tratat cu litiu (LixC) pentru electrodul negativ în loc de litiu, un oxid metalic de tranziție intercalat tratat cu litiu

(Li1-xMyOz) pentru electrodul pozitiv și o soluție organică lichidă sau un polimer solid pentru electrolit.

Ioni de litiu migrează prin electrolit între electrodul pozitiv și cel negativ întimpul descărcării și încărcări.

Reacția electrochimică poate fi descrisă :

LixC+Li1-xMyOz ↔ C+LiMyOz

La descărcare, ioni de litiu sunt eliberați din electrodul negativ, migrează prin electrolit, și sunt preluați de către electrodul pozitiv. La încărcare, procesul este inversat.

Mulți producători de baterii (SAFT, GS Hitachi, Panasonic, Sony, VARTA) s-au implicat activ în dezvoltarea bateriei pe bază de Li-ion.

Începând din 1993, SAFT s-a axat pe bateria Li-ion pe bază de nichel. Recent, SAFT a raportat dezvoltarea de baterii Li-ion de mare putere pentru automobile hibrid, cu o energie specifică de 85 Wh / kg și o putere specifică de 1,350 W/kg. Ei au anunțat, de asemenea, baterii de mare putere pentru automobilele electrice cu aproximativ 150 Wh / kg și 420 W / kg.

1.3.3 Supercondensatori

“Condensatori electrochimici cu strat dublu”, “supercondensatori” sau “ultracondensatori” sunt termeni utilizați la ora actuala pentru același tip de produs care se deosebește de condensatorii convenționali prin valoarea cu ordine de marime mai mare a capacității electrice.

Funcționarea supercondensatorilor este asemănătoare, într-o primă analiză, cu a condensatorilor electrolitici convenționali. Fig. 3.8 condensator electrolitic

Schematic un condensator electrolitic este indicat în Fig. 3.8.

Elementele de bază constructive ale condensatorului electrolitic sunt: cele două armături metalice (1,2), separatorul (3) și electrolitul (4).

Separatorul este alcătuit dintr-un strat de material poros care este izolant din punct de vedere al conducției prin electroni. Acesta asigură izolarea electrică adică împiedică contactul dintre cei doi electrozi (armături). Electrolitul lichid pătrunde în porii separatorului și prin urmare ionii pot traversa fără probleme separatorul pentru a ajunge în preajma armăturilor metalice.

Când nu există tensiune aplicată pe electrozii condensatorului, pe suprafața lor nu există nici un fel de sarcină electrică iar ionii negativi și pozitivi ai electrolitului sunt dispersați uniform în masa acestuia.

Când se aplică tensiune pe electrozi, la suprafața interioară a unuia se formează un strat de sarcină electrică pozitivă (5) iar la suprafața interioară a celuilalt se formează un strat de sarcină electrică negativă (7). Ionii negativi din electrolit sunt atrași de stratul de sarcină pozitivă formându-se astfel al doilea strat de sarcină ionica negativă (6) la foarte mică distanță de stratul de sarcină pozitivă din metal (5). Avem astfel un strat dublu electric cu distanță foarte mică de ordinul unei molecule între cele două straturi de sacina negativă și pozitivă existentă la armăturile metalice. Din acest motiv condensatorii electrolitici au o capacitate electrică specifică semnificativ mai mare comparativ cu alte tipuri de condensatori convenționali.

Stratul dublu se formează la suprafața ambilor electrozi, de unde și denumirea acestor condensatori, aceea de condensatori electrochmici cu strat dublu”.

Cresterea capacitatii condensatorilor electrolitici poate avea loc prin marirea ariei electrozilor. Totusi cu marirea ariei electrozilor creste in mod proportional atat volumul cat si greutatea condensatorului electrolytic, ajungandu-se la valori de ordinul 1 litru sau 1kg fara crestere de capacitate care sa atinga o valoare de 1 Farad.

Valori ale capacitatii electrice de sute si mii de farazi se ating prin marirea ariei dar fara crestere exagerata de volum sau greutate prin utilizarea de armaturi sau “electrozi porosi”. Electrozi din material conductor continand un numar foarte mare de pori cu dimensiuni de ordinul a 10 nm fac posibila obtinerea unei arii de expunere cu electrolitul de sute si chiar mii de metri patrati pe gramul de electrod. Astfel asa cum se arata in Fig. 3.9, pentru supercondensatori este posibila o crestere imensa a ariei electrodului la dimensiuni

Fig 3.9 – Supercondensator

si masa corespunzatoare condensatorilor conventionali, ajungandu-se astfel la sute si mii de farazi capacitate electrica. Asa dupa cum se oserva in Fig.4, stratul dublu electric se extinde in volumul electrodului poros atingand o arie imensa in comparatie cu situatia unui condensator electrolitic obisnuit (Fig.3.8).

Avantajele fata de baterii sunt:

– durata de functionare practic nelimitata;

– rezistenta serie mai redusa permitand astfel putere extrasa mai ridicata;

– incarcare –descarcare rapida;

– metode simple de incarcare; nu este necesar circuit de detectie a incarcarii complete;

– eficienta in stocarea energiei electrice; densitatea de energie mai mica este compensata de durata mare de functionare;

Dezavantajele sunt:

– Nu se poate utiliza tot spectrul de energie disponibil;

– Densitate mai mica de energie comparativ cu bateriile (1/5 pana la 1/10 din energia specifica a bateriilor;

– Autodescărcarea este mai puternică ca la o baterie;

In multe aplicatii unde se utilizeaza bateriile, un supercondensator in paralel cu o baterie conduce la imbunatatirea performantelor in functionare. Pornirea motoarelor cu combustie interna la temperaturi scazute este usurata de utilizarea supercondensatorilor.

La autovehiculele electrice hibride eficienta utilizarii energiei creste prin utilizarea de supercondensatoare care recupereaza energia din timpul franarii. In sitemele electrice de putere bazate pe surse regenerabile cum ar fi energie fotovoltaica sau eoliana utilizarea supercondensatorilor este benefica. Supercondensatoarele pot satisface varfurile de putere atunci cand e nevoie pe care bateriile nu le pot genera.

In tabelul de mai jos sunt prezentate caracteristiciile unor celule supercondensator de dimensiuni mari

* Sarcina celulei este egala cu rezistenta sa interna

**Sarcina celulei este mai mare decat rezistenta sa interna

sursa – http://www.imt.ro/tehnanoconel/tehn.htm

Capitolul 2 Tipuri de motoare electrice

Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transforma energia electrica in energie mecanica. Transformarea in sens invers, a energiei mecanice în energie electrica, este realizata de un generator electric. Nu exista diferente de principiu semnificative intre cele doua tipuri de masini electrice, acelasi dispozitiv putand indeplini ambele roluri in situatii diferite.

Majoritatea motoarelor electrice functioneaza pe baza fortelor electromagnetice ce actioneaza asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat in camp magnetic. Exista insa si motoare electrostatice construite pe baza fortei Coulomb si motoare piezoelectrice.

Motoarele electrice pot fi clasificate dupa tipul curentului electric ce le parcurge: motoare de curent

Diferite motoare electrice

continuu si motoare de curent alternativ. In functie de numarul fazelor curentului cu care functioneaza, motoarele electrice pot fi motoare monofazate sau polifazate (cu mai multe faze).

Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din doua parti componente: stator si rotor. Statorul este partea fixa a motorului, in general exterioara, ce include carcasa, bornele de alimentare, armatura feromagnetica statorica si infasurarea statorica. Rotorul este partea mobila a motorului, plasata de obicei in interior. Este format dintr-un ax si o armatura rotorica ce sustine infasurarea rotorica. Intre stator si rotor exista o portiune de aer numita intrefier ce permite miscarea rotorului fata de stator. Grosimea intrefierului este un indicator important al performantelor motorului.

Rotorul motorului electric (stânga) și Statorul (dreapta)

Motorul de curent continuu

Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator. Astfel el a constatat, că generatorul "inițial" era de fapt o mașină electrică reversibilă, care putea lucra ca un convertizor de energie bidirecțional.

Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.

În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:

motor cu excitație independentă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune

motor cu excitație paralelă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune

motor cu excitație serie – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în serie

motor cu excitație mixtă – unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.

Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici. Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.

Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere).

Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu câmpul magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de câmp se face, așadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor. La motoarele serie același curent străbate înfășurarea de excitație și înfășurarea rotorică. Din această considerație se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie: pentru încărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lăsat să funcționeze în gol pentru că în acest caz valoarea intensității curentului electric absorbit este foarte redusă și implicit câmpul de excitație este redus, ceea ce duce la ambalarea mașinii până la autodistrugere. Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc în tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive). Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație. La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Așadar, motorul serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează o dată în decursul unei perioade. Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește în aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).

Motorul de curent alternativ

Motoarele de curent alternativ funcționează pe baza principiului câmpului magnetic învârtitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla în 1882. În anul următor a proiectat un motor de inducție bifazat, punând bazele mașinilor electrice ce funcționează pe baza câmpului magnetic învârtitor. Ulterior, sisteme de transmisie prin curent alternativ au fost folosite la generarea și transmisia eficientă la distanță a energiei electrice, marcând cea de-a doua Revoluție industrială. Un alt punct important în istoria motorului de curent alternativ a fost inventarea de către Michael von Dolivo-Dobrowlsky în anul 1890 a rotorului în colivie de veveriță.

Motorul de inductie oferă o serie de avantaje față de motorul de curent continuu pentru propulsia electrica a vehiculelor electrice sau hibride. In comparație cu motorarele de curent continuu, motorul de inducție de curent alternativ are o serie de avantaje suplimentare, cum ar fi: sunt mai usoare, ocupa mai putin spatiu, sunt mai ieftine, si au o eficienta ridicata. Aceste avantaje sunt deosebit de importante pentru automobilelel electrice si hibride.

Motorul de inducție trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit motor electric în acționările electrice de puteri medii și mari. Statorul motorului de inducție este format din armătura feromagnetică statorică pe care este plasată înfășurarea trifazată statorică necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Rotorul este format din armătura feromagnetică rotorică în care este plasată înfășurarea rotorică. După tipul înfășurării rotorice, rotoarele pot fi de tipul:

rotor în colivie de veveriță (în scurtcircuit) – înfășurarea rotorică este realizată din bare de aluminiu sau -mai rar- cupru scurtcircuitate la capete de două inele transversale.

rotor bobinat – capetele înfășurării trifazate plasate în rotor sunt conectate prin interiorul axului la 3 inele. Accesul la inele dinspre cutia cu borne se face prin intermediul a 3 perii.

Prin intermediul inducției electromagnetice câmpul magnetic învârtitor va induce în înfășurarea rotorică o tensiune. Această tensiune creează un curent electric prin înfășurare și asupra acestei înfășurări acționează o forță electromagnetică ce pune rotorul în mișcare în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numește asincron pentru că turația rotorului este întotdeauna mai mică decât turația câmpului magnetic învârtitor, denumită și turație de sincronism. Dacă turația rotorului ar fi egală cu turația de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducție electromagnetică, nu s-ar mai induce curenți în rotor și motorul nu ar mai dezvolta cuplu.

Turația motorului se calculează în funcție alunecarea rotorului față de turația de sincronism, care este cunoscută, fiind determinată de sistemul trifazat de curenți.

Alunecarea este egală cu: s= n1 – n2/n1, unde n1 este turația de sincronism și

n2 este turația rotorului.

n1=60 x f/p, unde f este frecvența tensiunii de alimentare și p este numărul de perechi de poli ai înfășurării statorice.

Turația mașinii, în funcție de turația câmpului magnetic învârtitor și în funcție de alunecare este: n2=n1 x (1 – s).

Se observă că alunecarea este aproape nulă la mersul în gol (când turația motorului este aproape egală cu turația câmpului magnetic învârtitor) și este egală cu 1 la pornire, sau când rotorul este blocat. Cu cât alunecarea este mai mare cu atât curenții induși în rotor sunt mai intenși. Curentul absorbit la pornirea prin conectare directă a unui motor de inducție de putere medie sau mare poate avea o valoare comparabilă cu curentul de avarie al sistemelor de protecție, în acest caz sistemul de protecție deconectează motorul de la rețea. Limitarea curentului de pornire al motorului se face prin creșterea rezistenței înfășurării rotorice sau prin diminuarea tensiunii aplicate motorului. Creșterea rezitenței rotorului se face prin montarea unui reostat la bornele rotorului (doar pentru motoarele cu rotor bobinat). Reducerea tensiunii aplicate se face folosind un autotransformator, folosind un variator de tensiune alternativă (pornirea lină) sau conectând inițial înfășurarea statorică în conexiune stea (pornirea stea-triunghi – se folosește doar pentru motoarele destinate să funcționeze în conexiune triunghi) sau prin înserierea de rezistoare la înfășurarea statorică. La reducerea tensiunii de alimentare trebuie avut în vedere că cuplul motorului este proporțional cu pătratul tensiunii, deci pentru valori prea mici ale tensiunii de alimentare mașina nu poate porni.

Turația mașinii de inducție se modifică prin modificarea alunecării sale sau prin modificarea turației câmpului magnetic învârtitor. Alunecarea se poate modifica din tensiunea de alimentare și din rezistența înfășurării rotorice astfel: se crește rezistența rotorică (prin folosirea unui reostat la bornele rotorice – doar la motoarele cu rotor bobinat) și se variază tensiunea de alimentare (folosind autotransformatoare, variatoare de tensiune alternativă, cicloconvertoare) sau se menține tensiunea de alimentare și se variază rezistența din rotor (printr-un reostat variabil). Odată cu creșterea rezistenței rotorice cresc și pierderile din rotor și implicit scade randamentul motorului. O metodă interesantă de reglare a turației sunt cascadele de recuperare a puterii de alunecare. La bornele rotorice este conectat un redresor, iar la bornele acestuia este conectat un motor de curent continuu aflat pe același ax cu motorul de inducție (cascadă Krämmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale mecanică). Tensiunea indusă în rotor este astfel redresată și aplicată motorului de curent continuu astfel încât cuplul dezvoltat de motorul de curent continuu se însumează cuplului dezvoltat de motorul de inducție. Reglarea turației motorului de inducție se face prin reglarea curentului prin înfășurarea de excitație. În locul motorului de curent continuu se poate folosi un invertor cu tiristoare și un transformator de adaptare (cascadă Krämmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale electrică). Tensiunea indusă în rotor este astfel redresată și prin intermediul invertorului și a transformatorului este reintrodusă în rețea. Reglarea vitezei se face din unghiul de aprindere al tiristoarelor.

Turația câmpului magnetic învârtitor se poate modifica din frecvența tensiunii de alimentare și din numărul de perechi de poli ai mașinii. Numărul de perechi de poli se modifică folosind o înfășurare specială (înfășurarea Dahlander) și unul sau mai multe contactoare. Frecvența de alimentare se modifică folosind invertoare. Pentru frecvențe mai mici decât frecvența nominală a motorului (50 Hz pentru Europa, 60 Hz pentru America de Nord) odată cu modificarea frecvenței se modifică și tensiunea de alimentare păstrând raportul U/f constant. Pentru frecvențe mai mari decât frecvența nominală la creșterea frecvenței tensiunea de alimentare rămâne constantă și reglarea vitezei se face cu slăbire de câmp (ca la motorul de curent continuu).

Sensul de rotație al motorului de inducție se inversează schimbând sensul de rotație al câmpului învârtitor. Aceasta se realizează schimbând două faze între ele.

Motorul de inducție cu rotorul în colivie este mai ieftin și mai fiabil decât motorul de inducție cu rotorul bobinat pentru că periile acestuia se uzează și necesită întreținere. De asemenea, motorul de inducție cu rotorul in colivie nu are colector și toate dezavantajele care vin cu acesta: zgomot, scântei, poluare electromagnetică, fiabilitate redusă și implicit întreținere costisitoare. Motoarele de curent continuu au fost folosite de-a lungul timpului în acționările electrice de viteză variabilă, deoarece turația motorului se poate modifica foarte ușor modificând tensiunea de alimentare însă, odată cu dezvoltarea electronicii de putere și în special cu dezvoltarea surselor de tensiune cu frecvență variabilă, tendința este de înlocuire a motoarelor de curent continuu cu motoare de inducție cu rotor în colivie.

Vedere în secțiune prin stator a motorului de inducție

Motorul de inducție monofazat

In cazul in care sistemul trifazat de tensiuni nu este accesibil, cum este in aplicatiile casnice, se poate folosi un motor de inductie monofazat. Curentul electric monofazat nu poate produce camp magnetic circular ci produce camp magnetic pulsatoriu. Campul magnetic pulsatoriu nu poate porni rotorul, insa daca acesta se roteste intr-un sens, atunci asupra lui va actiona un cuplu in sensul sau de rotatie. Problema principala o constituie obtinerea unui camp magnetic invartitor la pornirea motorului si aceasta se realizează in mai multe moduri. Prin atasarea pe statorul motorului la un unghi de 90° a unei faze auxiliare inseriata cu un condensator se poate obtine un sistem bifazat de curenti ce produce un acest camp. Dupa pornirea motorului se deconecteaza faza auxiliara printr-un intrerupator centrifugal. Sensul de rotatie al motorului se poate schimba prin mutarea condensatorului din faza auxiliaraa in faza principala.

In locul fazei auxiliare se poate folosi o spira in scurtcircuit plasata pe o parte din polul statoric pentru obtinerea campului invartitor. Curentul electric indus în spira se va opune schimbarii fluxului magnetic din infasurare, astfel incat amplitudinea campului magnetic se deplaseaza pe suprafata polului creand campul magnetic invartitor.

Motorul sincron trifazat

Motorul sincron trifazat este o mașină electrică la care turația rotorului este egală cu turația câmpului magnetic învârtitor indiferent de încărcarea motorului. Motoarele sincrone se folosesc la acționări electrice de puteri mari și foarte mari de până la zeci de MW.

Statorul motorului sincron este asemănător cu statorul motorului de inducție (este format dintr-o armătură feromagnetică statorică și o înfășurare trifazată statorică). Rotorul motorului sincron este format dintr-o armătură feromagnetică rotorică și o înfășurare rotorică de curent continuu. Pot exista două tipuri constructive de rotoare: cu poli înecați și cu poli aparenți.

Rotorul cu poli înecați are armătura feromagnetică crestată spre exterior și în crestătură este plasată înfășurarea rotorică. Acest tip de motor are uzual o pereche de poli și funcționează la turații mari (3000 rpm la 50 Hz).

Rotorul cu poli aparenți are armătura feromagentică sub forma unui butuc poligonal pe care sunt plasate miezurile polilor rotorici și bobine polare concentrate. În unele situații în locul bobinelor polare concentrate se pot folosi magneți permanenți. Motorul sincron cu poli aparenți are un număr mare de poli și funcționează la turații mai reduse. Accesul la înfășurarea rotorică se face printr-un sistem inel-perie asemănător motorului de inducție. Motoarele sincrone cu poli aparenți pot avea cuplu chiar și în lipsa curentului de excitație, motorul reactiv fiind cel ce funcționează pe baza acestui cuplu, fără înfășurare de excitație și fără magneți permanenți. Înfășurarea rotorică (de excitație) a motorului parcursă de curent continuu creează un câmp magnetic fix față de rotor. Acest câmp „se lipește” de câmpul magnetic învârtitor statoric și rotorul se rotește sincron cu acesta. Datorită inerției, câmpul magnetic rotoric nu are timp să se lipească de câmpul magnetic învârtitor și motorul sincron nu poate porni prin conectare directă la rețea.

Există trei metode principale de pornire a motoarelor sincrone:

pornirea în asincron – pe tălpile polare rotorice este prevăzută o colivie asemănătoare coliviei motorului de inducție și motorul pornește pe același principiu ca al motorului de inducție.

pornirea la frecvență variabilă – este posibilă doar atunci când este disponibilă o sursă de tensiune cu frecvență variabilă sau un convertor cu frecvență variabilă. Creșterea frecvenței se face lent, astfel încât câmpul învârtitor să aibă viteze suficient de mici la început pentru a putea permite rotorului să se „lipească” de câmpul magnetic învârtitor.

pornirea cu motor auxiliar – necesită un motor auxiliar ce antrenează motorul sincron conectat la rețea. Când motorul ajunge la o turație apropiată de turația de sincronism motorul auxiliar este decuplat, motorul sincron se mai accelerează puțin până ajunge la turația de sincronism și continuă să se rotească sincron cu câmpul magnetic învârtitor.

Motorul sincron monofazat

Este realizat uzual ca motor sincron reactiv cu sau fără magneți permanenți pe rotor. Asemănător motoarelor de inducție monofazate, motoarele sincrone monofazate necesită un câmp magnetic învârtitor ce poate fi obținut fie folosind o fază auxiliară și condensator fie folosind spiră în scurtcircuit pe polii statorici. Se folosesc în general în acționări electrice de puteri mici precum sistemele de înregistrare și redare a sunetului și imaginii.

Motorul pas cu pas

Motorul pas cu pas este un tip de motor sincron cu poli aparenti pe ambele armaturi. La aparitia unui semnal de comanda pe unul din polii statorici rotorul se va deplasa pana cand polii sai se vor alinia in dreptul polilor opuși statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face practic din pol in pol, de unde si denumirea sa de motor pas cu pas. Comanda motorului se face electronic si se pot obtine deplasari ale motorului bine cunoscute in functie de programul de comanda.

Capitolul 3 Surse regenerative de energie

3.1 Frâna regenerativă ( KERS )

Una din cele mai importante caracteristici ale automobilelor electrice si hibride este abilitatea lor de a recupera cantități semnificante de energie prin frânare.

Motoarele electrice din vehiculele electrice și vehiculele hibrid pot fi controlate pentru a funcționa ca generatoare si de a converti energia cinetica sau potențiala a masei vehiculului in energie electrica care poate fi stocata și refolosita ulterior.

Performanța de franare a unui vehicul este insa si unul dintre factorii importanti care pot afecta siguranța vehiculelor . Un sistem de franare de succes al unui vehicul trebuie sa indeplineasca doua cerinte. In primul rand , la franarea de urgența , aceasta trebuie sa opreasca vehiculul in cea mai scurta distanta posibila . In al doilea rand , aceasta trebuie sa mentina controlul asupra directiei vehiculului . Primul cere ca sistemul de franare sa fie in masura sa furnizeze un cuplu de franare suficient pe roti, al doilea necesita o forta de franare distribuita in mod egal pe toate roțile . In general, cuplul de franare necesar este mai mare decat cuplul pe care motorul electric il poate produce .

In vehiculele electrice si cele hibride, sistemul de franare mecanica trebuie sa coexiste cu cel de franare regenerativa.

Franarea unui vehicul de 1500 kg de la 100 km/h la zero consuma aproximativ 0.16 kWh energie (0.5 x Mv x V²) in cativa zeci de metri. Daca aceasta cantitate de energie este consumata in decelerare, fara franare, vehiculul se va deplasa aproximativ 2 km.

Atunci cand vehiculele sunt conduse in mediul urban, o cantitate semnificativa de energie este consumata prin franarile frecvente, ceea ce duce la un consum mare de combustibil. Figura 11.2 prezinta energia totala de tracțiune pe rotile conduse, energiile consumate prin drag ( rezistenta si rezistența aerodinamica de rulare ) , și de franare a unui automobil de 1500 kg. In tabelul 11.1 este prezentata viteza maxima , viteza medie , energia totala de tractiune pe rotile motoare și totalul de energie consumata prin drag si prin franare pe o distanta de 100 km a unui automobil cu greutatea de 1500 kg.

Fig. 3.1

Figura 11.2 și tabelul 3 indica faptul ca energia de franare in zonele urbane tipice poate ajunge pana la mai mult de 25% din totalul energiei de tractiune . In orasele mari ,cum ar fi New York , se poate ajunge pana la 70 % . Sa ajuns la concluzia ca o franarea regenerativa eficienta poate imbunatati in mod semnificativ economia de “combustibil” a autovehiculelor electrice si hibride.

Puterea de franare și energia consumata prin franare de catre rotile din fata și cele din spate sunt strans legate de fortele de franare pe acestea. O ințelegere deplina a fortei de franare, puterea de franare, precum si energia consumata prin franare de catre rotile automobilului in conditiile tipice de conducere ajuta la proiectarea sistemelor de franare regenerativa.

Franarea regenerativa a automobilului electric și a celui hibrid adauga un plus de complexitate in proiectarea sistemului de franare. Doua intrebari de baza apar: una este modul de a distribui forta totala de franare necesara intre frana regenerativa si mecanica astfel incat sa se recupereze cat mai mult din energia cinetica a vehiculului; celalalt este cum sa se distribuie forta totala de franare pe axele din fata si din spate astfel incat sa se realizeze o franare echilibrata.

ABS

Controlul activ al fortei de franare (cuplu) a motorului electric este mai usor decat controlul fortei de franare mecanica. Astfel, sistemul antiblocare la franare cu o frana electrica in automobilele electrice și automobilele hibrid este un alt avantaj inerent, mai ales pentru un vehicul cu un motor electric pe patru roti. Figura 11.11 ilustreaza conceptual un sistem de franare regenerativa, care poate funcționa ca un potențial ABS.

Principalele componente ale acestui sistem de franare sunt pedala de frana, cilindru principal, elementele de actionare a franei alimentate electric si controlate electronic, comutator cu 3 porturi controlat electronic (de mod comun: Port 1 deschis, portul 2 inchis, și portul 3 deschis), colector fluid, senzor de presiune, și o unitate de control de ansamblu

Fig.3.2 Sistem de franare regenerativa controlat electronic similar unui sistem ABS

Senzorul de presiune masoara presiunea lichidului. Lichidul este descarcat in vasul colector prin intermediul comutatorului cu 3 porturi controlat electronic. DUpa primirea unui semnal de la senzorul de presiune, unitatea de control stabileste cuplurile de franare ale rotilor din fata si din spate, cuplul de franare regenerativa, si cuplul de franare mecanica, in functie de caracteristicile motorului si regula de control

Unitatea de control a motorului comanda producerea cuplului de franare corect, iar unitatea de control a franei mecanice comanda sistemul de franare electric pentru a produce cuplul de franare corect pentru fiecare roata. Dispozitivele de actionare a franelor sunt de asemenea controlate pentru a funcționa ca un sistem antiblocare pentru a preveni blocarea completa a rotilor. Strategia de control este cruciala pentru recuperarea energiei si performanta franelor.

3.2 Panouri FotoVoltaice

Panourile fotovoltaice pot reprezenta o sursă suplimentară de energie care poate fi utilizată pentru încărcarea bateriilor vehiculelor electrice.

Un panou solar este un set de celule solare fotovoltaice conectate electric și montate pe o structură de susținere. Fiecare modul este evaluat în funcție de puterea sa de ieșire (curent continuu) în condiții standard de testare (STC), și de obicei aceasta variază între 100 – 320 de wati.

Lumina (fotoni)

Suprafață frontală

Strat negativ

Strat izolator

Strat pozitiv

Suprafața posterioară

Panourile solare utilizează energia luminii (fotoni ) solare pentru a genera electricitate prin efectul fotovoltaic . Majoritatea modulelor folosesc celule cristaline de siliciu sau celule cu film subțire pe bază de telurură de cadmiu sau de siliciu. Celulele trebuie să fie, de asemenea, protejate împotriva deteriorării mecanice și umiditatii. Cele mai multe module solare sunt rigide, dar sunt disponibile si module semi – flexibile, structura acestora bazandu-se pe celule cu film subțire(thin-film). Aceste module solare timpurii au fost folosite pentru prima dată în spațiu în 1958.

Conexiunile electrice pot fi realizate în serie pentru a obține o tensiune de ieșire dorită și / sau în paralel pentru a furniza o intensitate a curentului dorită . Firele conductoare care iau curentul de pe modulele pot conține argint , cupru sau alte metale non-magnetice de tranziție conductoare . Celulele trebuie conectate electric între ele și la restul sistemului. In aplicatii exterioare , modulele terestre fotovoltaice folosesc conectori MC3 ( vechi ) sau MC4 pentru a facilita conexiuni ușoare ,rezistente la apa, cu restul sistemului.

Diode by-pass pot fi încorporate sau utilizate in aplicatii exterioare pentru a maximiza producția sectiunilor de modul inca iluminate în caz de umbrire partiala a panoului.

Unele modele recente de panouri solare includ concentratoare în care lumina este concentrata prin lentile sau oglinzi pe o serie de celule mai mici . Acest lucru permite utilizarea de celule cu un cost ridicat pe unitatea de suprafață (cum ar fi cele de galiu ), într-un mod rentabil .În funcție de construcție, modulele fotovoltaice pot produce energie electrică dintr-o gamă de frecvențe de lumină, dar, de obicei, nu poate acoperi intreaga gama solara (in special ultraviolete, infraroșii și lumina scăzută sau difuză). Prin urmare, o mare parte din energia luminii solare este irosită de modulele solare, acestea putand oferi un randament mult mai ridicat daca ar fi iluminate cu lumină monocromatică. Fig x.x Monocristal de siliciu

In prezent, rata de conversie a luminii soarelui ( randament modul solar ) este de aproximativ 21,5 % in noile produse comerciale. Cel mai eficient panou solar produs in masa are o densitate a puterii de până la 175 W/m2 (16.22 W/ft2 ).

Panourile solare disponibile comercial au o eficienta cuprinsa intre 5 – 15%. Acest lucru inseamna ca 5-15% din energia luminoasa va fi transformata in energie electrica.

Laboratoare din toata lumea dezvolta tehnologii de panouri solare cu randament mult mai mare (aproape 30%). Dezavantajul acestor panouri solare cu eficienta foarte mare este costul de productie ridicat. Acest lucru a dus la dezvoltarea panourilor thin film (film subtire) ce au un randament mai scazut, dar costul lor este mic.

In general performanta unui panou solar este evaluata in conditii de testare standard (STC): iradianta de 1.000 W / m², spectru solar de AM 1,5 si temperatura modulului la 25 ° C.

Caracteristicile electrice includ putere nominala (PMAX, măsurată în W), tensiunea de circuit deschis (VOC), curent scurt-circuit (ISC, măsurată în amperi), tensiune maximă de putere (Vmpp), curent de putere maximă (IMPP), putere de vârf, Wp, și eficiență modul (%).

Pe piata comerciala sunt prezente 3 tipuri de panouri solare:

Panouri solare monocristaline: Cele mai eficiente (15 – 20%) si scumpe panouri solare realizate cu celule monocristaline. Aceste celule solare sunt alcatuite dintru-un siliciu foarte pur si implica un proces complicat de crestere a cristalului. Tije lungi de siliciu sunt produse iar apoi din ele sunt tăiate în felii de 0.2-0.4 mm discuri sau alveole groase, care sunt apoi transformate în celule individuale;

Panouri solare policristaline: adesea numite multi-cristalin, panourile solare realizate cu celule policristaline sunt un pic mai puțin costisitoare și mai puțin eficiente decat celule monocristaline, deoarece celulele nu sunt cultivate în cristale unice, dar într-un bloc mare de multe cristale. Aceasta este ceea ce le da un aspect de sticlă spartă. Ca celulele monocristaline, ele sunt, de asemenea, apoi tăiate în alveole pentru a produce celulele individuale;

Panouri solare amorfe: acestea nu sunt cu adevărat cristale, ci un strat subtire de siliciu depus pe un material de baza ( metal sau sticla) pentru a crea panoul solar. Aceste panouri solare sunt mult mai ieftine, dar si eficiența lor energetică este, de asemenea, mult mai mica, astfel este necesara o suprafata mai mare pentru a produce aceeasi cantitate de energie ca panourile monocristaline sau policristaline.

In tabelul urmator sunt prezentate cateva caracteristici ale diferitelor tipuri de materiale folosite in fabricarea celulelor fotovoltaice:

Radiația Solară

Soarele emite in mod continuu cantitati uriase de energie. O parte din aceasta radiatie ajunge pe Pamant. Cantitatea de energie ce ajunge pe Pamant intr-o zi este mai mare decat intregul consum al Pamantului pe durata unui an intreg. Totusi, nu toata energia Soarelui ajunge pe solul Pamantului. O parte este absorbita de atmosfera sau reflectata inapoi in spatiu.

Intensitatea luminii ce ajunge pe Pamant variaza in functie de perioada zilei, locatia si conditiile meteorologice. Radiatia solara ce ajunge pe Pamant se masoara in Wh/m2 pe zi sau KWh/m2 pe an. Pentru a simplifica calculele si a avea o baza comuna de calcul, s-a decis ca standard o putere de 1000Wh/m2 timp de o ora pentru o zi insorita. Aceasta putere se regaseste intr-o zi de vara pe o suprafata de un metru patrat unde Soarele este perpendicular pe aceasta.

Fig X.X Sumă anuală de iradiere primita de panouri solare cu inclinare optima

Raza luminoasa parcurge o linie dreapta de la Soare spre Pamant. La intrarea in atmosfera Pamantului, o parte din lumina se imprastie iar o parte ajuge la sol intr-o linie dreapta. O alta parte a luminii este absorbita de atmosfera. Lumina ce s-a imprastiat in atmosfera este ceea ce noi numim lumina difuza sau radiatie difuza. Raza de lumina ce ajunge pe suprafata solului fara sa fie imprastiala este denumita radiatie directa. Radiatia solara directa este cea mai cunoscuta si simtita in mod direct de catre oameni.

Un panou solar produce energie electrica chiar si cand nu exista radiatie directa. Asadar, chiar daca este innorat afara, un sistem solar va produce energie electrica. Totusi, cele mai bune conditii de obtinere a energiei electrice sunt in zilele insorite, iar panoul indreptat direct spre Soare. Daca nu se opteaza pentru siteme de orientare automata in functie de soare, se va face un compromis in asezarea panourilor. Pentru zonele ce se afla in emisfera nodica, panourile se vor orienta spre sud iar pentru cele din emisfera sudica, se vor orienta spre nord.

O mica deviatie de la orientare oprima nu va avea un efect semnificativ in productia de energie electrica anuala.

Soarele traverseaza cerul de la est la vest. Panourile solare au un randament mai mare daca sunt orientare perpendicular cu Soarele la mijlocul zilei, cand intensitatea luminoasa este cea mai mare. Majoritatea sistemelor solare sunt montate pe acoperis pe un cadru metalic avand o pozitie fixa neputand sa urmareasca Soarele pe durata zilei. Unghiul dintre planul orizontal si panoul solar este numit unghi de inclinare.

Fig X.X Unghiul optim pe timp de iarna si vara

1. radiatie solara pe timp de iarna;

2. radiatie solara pe timp de vara

Deoarece Pamantul se roteste in jurul Soarelui exista variatii si in functie de anotimpuri. Soarele nu va ajunge in acelasi unghi la sol iarna si vara. Pozita panourilor pe timp de vara este mai ,,orizontala" decat pe timp de iarna. Acesta pozitie ar dezavantaja productia de energie pe timpul iernii, asa ca se va face un compromis intre cele doua situatii. Pentru fiecare latitudine exista un unghi de inclinatie optim. Numai in zonele foarte apropiate de Ecuator, panourile pot avea un unghi de inclinatie aproape de zero. Deviatii de 5 grade de la unghiul optim au un efect minor asupra productiei de energie electrica. Diferentele datorate conditiilor meteorologie au un efect mai important asupra sistemului fotovoltaic. Pentru sistemele independente, unghiul de inclinare se poate alege in functie de necesarul de energie electrica dintr-o anumita luna.

Capitolul 4 Aplicație automatizare încărcare

În acest capitol v-a fi prezentată aplicația dezvoltată precum și partea fizică experimentală folosită la implementarea și testarea programului.

În figura 4 este prezentată schema generală a modulului experimental pe care a fost implementată aplicația dezvoltată de management a încarcării acumulatorilor.

Fig. 4 Vedere de ansamblu asupra modulului experimental

4.1 Software

Programul de management al încărcarii acumulatorilor și controlul alimentării consumatorului (motorul) a fost dezvoltat cu ajutorul aplicației LOGO!SoftComfort în limbajul FBD(Functional Block Diagram).

Legendă blocuri folosite:

Pentru managmentul încărcarii acumulatorilor cu ajutorul panoului fotovoltaic precum și alimentarea motorului electric, au fost implementate 2 stari de funcționare:

starea de initializare (INIT) pentru gestionarea încărcarii cât timp vehiculul este stationar

starea de funcționare (FUNCT) atunci când vehiculul se afla în miscare.

Fig 4.1 Schema Automatizare LOGO

Starea INIT – starea de initializare

Aceasta stare este activa doar când panoul fotovoltaic genereaza o tensiune mai mare de 4V. Tensiunea panoului este citita cu ajutorul blocului B005 care activeaza flag-ul M2 ( PV_OK) dacă tensiunea citita este mai egala sau mai mare de 4V și astfel starea INIT ( reprezentata de blocul flag M1 ) . In aceasta stare motorul mașinii nu este alimentat.

Fig 4.2 Schema stare INIT

Cu ajutorul senzorilor montati la nivelul fiecarei celule de Li-Ion se determina starea de încărcare a acestora( blocurile B001, B002, B003 și B004 ) .

Logica de încărcare a acumulatori în starea INIT:

se verifică dacă acumulatorul 1 este încărcat 100% ( folosind blocul B001). Daca nu, se activeaza ieșirea Q1 astfel acumulatorul fiind cuplat la panoul fotovoltaic.

cand acumulatorul 1 este încărcat complet, se verifică dacă acumulatorul 2 este încărcat complet șin în caz ca nu, se activeaza ieșire Q2 și panoul fotovoltaic este cuplat la la acumulatorul 2 pana când acesta este încărcat complet.

se verifică starea de încărcare a acumulatorului 3 dacă acumulatorii din bancul 1 ( bateria1 și bateria2 )sunt încărcati complet. In caz ca acesta nu este încărcat 100% se activeaza ieșirea Q3 pana când acesta ajunge la tensiunea de 3.7V

acumulatorul 4 este verificat și încărcat prin activarea ieșirii Q4 dacă restul acumulatorilor sunt încărcati complet.

Ca masură de protecție a acumulatorilor la supraîncărcare, acestia sunt decuplati de la încărcare imediat ce nivelul de încărcare ajunge la 3.7 V.

La setarea fiecarui ieșiri Q în parte se afișeaza un mesaj pe display-ul panoului LOGO prin care se specifică care acumulator este încărcat.( Fig. 4.3 )

Fig 4.3 Exemplu mesaj LOGO Fig 4.6

FUNCT – starea de funcționare

Starea FUNCT este setată atunci când se primește comanda de alimentare a motorului, și anume pedala de acceleratie este apasata ( reprezentata în schema logo prin intrarea digitala I3) și doar dacă cel putin unul din cele 2 bancuri de baterii are nivelul de încărcare mai mare sau egal cu 40% .

Blocurile B022 și B023, de tip analog treshold trigger, verifică dacă acumulatorii din bancul 1 au nivelul de încărcare mai mare de 40%.

Blocurile B024 și B025, de tip analog treshold trigger, verifică dacă acumulatorii din bancul 2 au nivelul de încărcare mai mare de 40%.

Motorul este alimentat doar din unul din cele 2 bancuri de acumulatori. Bancul care nu alimenteaza motorul este încărcat cu ajutorul panoului fotovoltaic în caz ca acesta produce energie.

Schema dezvoltata în LOGO surprinde urmatoarele cazuri posibile de funcționare ale sistemului aflat în starea FUNCT:

Caz 1: doar unul dintre cele doua bancuri de acumulatori are nivelul de încărcare peste 40% și panoul fotovoltaic este activ.

In acest caz motorul este alimentat din bancul care are nivelul de încărcare peste 40% și ramane în aceasta stare pana când nivelul de încărcare al bancului ajunge sub 15%. In acest timp celalalt banc este conectat la panoul fotovoltaic. In momentul în care nivelul de încărcare al primului banc ajunge sub 15% și nivelul de încărcare al bancului conectat la panoul fotovoltaic depaseste 40%, motorul va fi alimentat de cel din urma banc. Daca nivelul bancului conectat la panoul fotovoltaic nu depaseste 40% sistemul iese din starea FUNCT și reintra în starea INIT.

Caz 2: doar unul dintre cele doua bancuri de acumulatori are nivelul de încărcare peste 40% și panoul fotovoltaic nu este activ.

In acest caz motorul este alimentat de bancul de acumulatori încărcati corespunzator starii FUNCT pana când nivelul de încărcare al acestuia ajunge sub 15%. In acel moment motorul este deconectat și sistemul iese din starea FUNCT.

Caz 3: ambele bancuri de acumulatori au nivelul de încărcare peste 40% și panoul fotovoltaic este activ.

In acest caz motorul este alimentat din bancul 2 de acumulatori, în caz ca bancul 1 nu este încărcat complet. In cazul în care bancul 1 este încărcat complet, motorul este alimentat din acesta. Panoul fotovoltaic, în acest caz, încărca bancul din care nu se alimenteaza motorul.

Caz 4: ambele bancuri de acumulatori au nivelul de încărcare peste 40% și panoul fotovoltaic nu este activ.

In acest caz motorul este alimentat din bancul 1 pana când acesta ajunge sub 15%, caz în care alimentarea motorului este comutata pe bancul 2 pana când acesta va ajunge la pragul critic de încărcare, moment în care motorul este deconectat și sistemul iese din starea FUNCT.

Fig 4.4 Schema stare FUNCT (doar secventa de alimentare motor)

Ca și în starea INIT, și în starea FUNCT au fost setate mesaje ce vor fi afișate pe ecranul panoului LOGO prin care vom fi informati din care banc este alimentat motorul.

4.2 Hardware

In cadrul proiectului s-a fost realizata și o parte hardware pentru implementarea și testarea programului dezvoltat.

Echipamentul este compus din:

PLC LOGO Didactic panel

Este un echipament creat pentru învățarea și exersarea programării și a utilizării modulului logic LOGO produs de firma Siemens. Cu ajutorul acestui modul este posibilă realizarea prin programe a unor funcții de circuite logice secvențiale și combinaționale aferente echipamentelor și proceselor industriale, instalațiilor și șistemelor de comandă electrice.

Elementul principal al Panoului Didactic LOGO este un modul logic de bază LOGO! 12/24RCE, dotat cu 8 intrări numerice de 24 V c.c. și 4 ieșiri numerice pe relee. Programarea modulului se poate face local folosind butoanele și afișajul inclus, sau se poate face mai comod cu ajutorul programului LOGO! Soft Comfort instalat pe un calculator care se conectează la modul printr-un cablu Ehternet.

Toate semnalele de intrări și ieșiri ale modulului logic LOGO sunt accesibile pe panou prin socluri de conectare de 4mm grupate intuitiv, care permit cuplarea prin fire cu mufe-banană a echipamentelor externe comandate de LOGO.

Fig 4.5 Privire de ansamblu Panou LOGO

Modulul LOGO este un sistem programabil de comandă de dimensiuni mici. Acest echipament înlocuiește numeroase echipamente convenționale precum: relee, contacte auxiliare, mecanisme de tip ceasornic, numărătoare și comparatoare analogice.

În cadrul implemetarii fizice a programului dezvoltat s-au folosit 3 panouri LOGO care comunica în retea cu ajutorul unui switch.

Unul dintre panouri joaca rolul de master pentru celelalte. Pe acesta este instalat partea de software ce controleaza încărcarea acumulatorilor și setarea/resetarea celor 2 stari (INIT și FUNCT ). La acest panou se conecteaza, cu ajutorul mufelor-banană, acumulatorii 2 și 4 precum și ieșirile pentru comanda de încărcare a celor 4 acumulatori ( Q1, Q2,Q3,Q4 din figura 4.2). Pe display-ul acestui panou este afișat statusul celor 4 acumulatori (Fig 4.6) precum și care acumulator este încărcat în timpul simularii.

La primul panou Slave sunt conectati acumulatorii 1 și 3 și ieșirile catre motorul electric. Acesta citeste starea de încărcare a celor 2 acumulatori conectati la el și trimite statusul prin retea panoului Master. El la randul sau primește de la Master comanda de alimentare a motorului din bancul 1 sau bancul 2.

Pe ecranul acestui panou se v-a afișa din ce banc este alimentat motorul electric.

:La cel de-al treilea panou LOGO este conectat panoul fotovoltaic iar pe ecranul sau este afișata tensiunea produsa de catre celulele solare.

Panou fotovoltaic SUN-M030M

Pentru reîncărcarea acumulatorilor de Li-Ion în cadrul experimentelor de laborator s-a folosit un panou fotovoltaic compus din 36 (4 x 9) de celule monocristaline cu urmatoarele caracteristici:

Caracteristici electrice

*STC – condiții standard de testare

Caracteristici Mecanice

Cutie circuite electrice

Ultima parte compenentă a parții hardware este compusă din cutia ce contine incarcatorul de acumulatori (Fig 4.6), consumatorul (motor electric 6V), acumulatori Li-Ion (4 acumulatori Li-Ion Samsung ICR 18650-26F; 3,7V 2600 mAh) precum și circuitul electric executor ce îndeplinește fizic comenzile primite de la panoul LOGO.

În figura 4.7 este reprezentat circuitul controlat de catre PLC-ul LOGO, cu ajutorul căruia se realizează încărcarea unui banc de acumulatorilor precum și alimentarea motorului în funcție de starea în care se afla autovehiculul ( INIT sau FUNCT ) , starea acumulatorilor și a panoului fotovoltaic.

Conform schemei prezentate, bateria 1 este încărcată când contactele 2 și 4 sunt închise, iar bateria 2 este încărcată atunci când contactele 3 și 5 sunt închise. Consumatorul este alimentat atunci când releul 1 este închis.

Încărcătorul de acumulatori, a cărui schemă electrică este prezentată in figura 4.6, în urma primirii semnalului de la PLC prin intermediul releelor, este conectat la panoul fotovoltaic precum și la acumulatorul care trebie încărcat.

Panoul fotovoltaic folosit la realizarea părții experimentale poate genera o tensiune mult mai mare decât tensiunea suportată de către acumulatori. Pentru a remedia această posibilă problemă, în circuitul electronic al încarcătorului a fost introdus regulatorului de șunt reglabil TL431, care cu ajutorul a 2 rezistențe, limitează tensiunea la ieșire la valoarea de 4.2V. Încărcătorul stabilește și limita intensității curentului la 1 Amper cu ajutorul regulatorului de tensiune liniar reglabil LM317 și a unei rezistențe.

Fig 4.6 Schema circuit electric de încărcare a celulelor de Li-Ion

4.3 Simulink – Matlab

Celula solară ideală, teoretic, poate fi modelată ca o sursă de curent legată anti-paralel cu o diodă (figura 4.3.1). Curentul continuu, generat atunci când celula este expusă la lumină, variază liniar cu radiația solară. O îmbunătățire a modelului include efectele unei rezistențe șunt și a unei rezistențe legate în serie cu celula fotovoltaică.

Figura 4.3.1

Conform [4, 14] și bazându-ne pe circuitul echivalent din figura 4.31,. se poate deduce ecuația caracteristică a unui panou fotovoltaic ca fiind:

(1)

Această expresie descrie comportamentul electric și stabilește relația dintre tensiune și curentul furnizat de un modul fotovoltaic. Este o ecuație matematică neliniară a cărei parametri sunt: Ns – numărul de celule în serie, Iph – curentul produs de efectul fotoelectric, IS – curentul invers de saturație, RS și Rsh – rezistențe inerente legate în serie, respectiv în paralel, asociate celulei fotovoltauce, q – sarcina elementara a electronului, k – constantă lui Boltzmann, a – factorul de idealitate modificat.

Performanța unei celule solare este evaluată în mod normal în condițiile standard de testare. În aceste condiții valoarea radiației solare este normalizată la 1000W/m2, iar temperatura celulei este definită ca fiind de 25 ° C.

Pentru calculul performanței unei celule fotovoltaice a fost dezvoltat un model în SIMULINK bazat pe schema echivalentă din figura 1 și pe ecuația sa caracteristică (ec. (1)).

Intensitatea curentului generat de către celula fotovoltaică este dată de expresia:

(2)

unde:

(3)

Panoul fotovoltaic a cărui performanță este studiată folosind modelul generat în SIMULINK are urmatoarele caracteristici tehnice:

Panoul Solar SUN-M030M

Modelul dezvoltat în simulink pentru studierea performanței panoului fotovoltaic este prezentat în figura 2. În această schemă au fost implementate ecuțiile (2)-(3) folosind funcții specifice SIMULINK. Constantele ce apar în acest model au urmatoarele valori:

Radiația solară Ir este dată sub forma unui vector având valorile: [0 200 400 600 800 1000] W/m2.

Figura 2

În urma simulărilor folosind modelul de mai sus au fost obținute curbele caracteristice P-V și I –V ale panoului fotovoltaic studiat, pentru diferite valori ale radiației solare date prin intermediul vectourlui Ir.

Figura 3 Curbele caracteristice I-V

Figura 4 Curbele caracteristice P-V

Din figurile 3 si 4 se poate observa creșterea atât a intensității curentului generat de către panoul fotovoltaic, cât și a puterii furnizate de către acesta, o dată cu creșterea intensității radiației solare, lucru care era de așteptat.