van elektrovoerrealisatie Bepalingoptimaleaandrijflijnbelangrijkaspectvoorpraktiscfre t ui g e n
voertuigen* vanelektrische Aandrijving lr. L. A. M. van Dongen Om een zo gunstig mogelijk gebruik van de opgeslagenenergie te bewerkstelligen moetenbij de ontwikkeling van aandrijvingen voor elektrische voertuigen de compo' nenten van de aandrijflijn zo goed mogelijk op elkaar worden afgestemd. Daarom is een grondige kennis van de energetischeaspectenvan het voertuig en de karakteristieken van de samenstellendedelen van de aandrijving onontbeerlijk. In dit artikel wordt bijzondere aandacht besteedaan de motor. Uitgaande van de diverse regelingenvoor een onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor worden tenslotte de mogelijke aandrijflijnen voor elektrische voertuigen beschreven. Tegen de huidige vorm van gemotoriseerd wegverkeer kunnen tal van bezwaren naar voren worden gebracht.Deze kunnen worden samengevatonder de volgendepunten: verkeersonveiligheid, overmatig gebruik van en overmatiggeruimte,lawaai.uitlaatgassen bruik alsookaÍhankelijkheidvan éénprimai re energiesoort(aardolie). De positieve eigenschappen,zoals van deur-tot-deur transport, privacy, directe beschikbaarheid en onder gunstige omstandigheden korte wachttijden onderweg biijken voor de meeste mensen toch tegen de genoemdebezwaren op te wegen. Een aantal van de genoemdeproblemen kan worden opgelost door voertuigen te gebruiken, die elektrisch worden aangedreven. . Lawaai- en uitlaatgasproduktie kunnen aanzienlijk worden gereduceerd. Uiteraard wordt daarmee het probleem naar de elektriciteitscentrale verschoven, maar daar kan met minder kosten meer en beter worden gereinigd. . Voor een minder kieskeurig brandstofgebruik is de elektrische aandrijving een oplossing. Voor de opwekking van elektriciteit kan namelijk een grote verscheidenheid van primaire energiesoortenworden gebruikt, te weten: aardolieprodukten, aardgas, steenkool, kernenergie en eventueel waterkracht, windkracht en directe zonnestraling. Met betrekking tot de verplaatsingsproblemen en speciaal die problemen, die in verband staan met de auto is het erg moei hjk om een stap terug te doen: het publiek wenst hetzelíde niveau van onaÍhankelijkheid, dat gerealiseerdis door het individuele voertuig, te handhaven. De auto met eenverbÍandingsmotorwordt al sinds de laatste eeuwwisselinggeproduceerd en ontwikkeld,zodat bij de ontwikkeling van
* De auteur dankt prof . ir. I4t. A. Koumans en prof. ír. J, A. Schot uoor de bijdrage die zii hebbengeleuerdaan het toí stand komen uan dit onderzoek. 214
de elektrischeauto, waaraan nu internationaal serieuswordt gewerkt,een grote achterstand ingehaald moet worden om tenminste kwalitatief te kunnen concurrerenmet voertuigen, die uitgerust zijn met een verbrandingsmotor.Om dezeredenenmoet men zich vooralsnog niet tot doel stellen om dit tlpe auto te verdringen, maar men moet proberen het elektrische voertuig in de daarvoor in aanmerkingkomendesectorentussende huidige voertuigen te introduceren, handhaven en verbeteren. Hoewel de elektrischeauto nadelen heeft,zoals vereisteaanpassingvan de infrastructuur, geringe actieradius,hoog gewicht en hoge aanschaÍkostendoor de prijs van motorregelsysteemen batterij, moet deze auto worden beschouwdals een mogelijke optie voor de toekomst. Door verdere ontwikkelingen is het niet ondenkbaar, dat een aantal van deze nadelen een minder grote rol gaat spelen ofzelfs verdwijnt. Om een bijdrage te leveren aan deze potentiëleoplossingvoor een onderdeelvan de huidige milieu- en energieproblemen wordt aan de TechnischeHogeschool Eindhoven door de Interafdelingswerkgroep Elektrische Auto een elektrische stadsauto ontwikkeld. In dit project wordt samengewerkt door de afdelingen Scheikundige Technologie, Elektrotechniek en Werktuigbouwkunde: de vakgroep Elektrochemiedoet onderzoek aan accu's, de vakgroep Elektromechanica ontwikkelt verschillendestuur- en regelsystemenvoor de elektromotor en de werkeenheid Vervoerstechniek behartigt de werktuigbouwkundigeaspectenvan de auto. Een kritiek punt in de elektrische auto is het gedeeltevan de aandrijflijn tussen motor en wielen. Daarin gaat relatief veel vermogen verloren, zeker als bij het remmen energie teruggewonnenwordt, daar het remvermogen in beide richtingen de lijn doorloopt. Vanwege de actieradius en het gebruik van primaire energie moet bij de ontwikkeling van aandrijflijnen voor elektrischevoertuigen een optimale lay-out en afstemming van de
componentenvan de aandnjflijn worden nagestreefdom een zo gunstig mogelijk gebruik van de bij deze voertuigen beperkte hoeveelheid opgeslagen energie te bewerkstelligen. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de meest in aanmerking komende aandrijflijnen. Motor Voor elektrischewegtractieworden tot heden vanwege de aanwezige gelijkstroombron, de grote systeembetrouwbaarheiden de aanschaÍkosten praktisch uitsluitend gelrykstroommotoren in de aandrijving gebruikt. Deze motoren voldoen uitstekend aan de door het voertuig vereiste koppeltoerenkarakteristiek en kunnen tot aan stilstand energie terugwinnen, waardoor het energteverbruik wordt gereduceerd(aÍb. l). Bij de vroeger vaak gebruikte seriemotor heefteen variatie van het koppel ook eenrelatiefgrote vartatie van het toerental tot gevolg, omdat de anker- en de statorstroom aan elkaar gelijk ztln en iedere variatie van de ankerstroom dus tegelijkertijd een versterking of verzwakking van het veld veroorzaakt, zodat het motortoerental daalt respectievelijkstiigt. Bij de onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor kunnen de ankerstroom en de veldstroom onaÍhankelijk van elkaar worden geregeld, zodat de bedrijfspunten gemakkeLjk zijn in te stellen. De ankerstroom van de onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor kan bij ieder toerental in aÍhankelijkheid van de last tot zijn maximale waarcle worden vergroot zonder een variatie van dat toerental. De geidealiseerde onaÍhankeiijk bekrachtigdegelijkstroommachinewordt, als het ijzer in de magnetische circuits lineaÍ is, in stationair bedrijf beschrevendoor de volgendevergelijkingen: U . : U , . , + R u 'I u : G ' 1 . ' < r * R " ' l "
RT
(3)
Uitwerking van deze vergelijkingen levert:
r:G-dtr--o.r',1
(,
I
Uk rotorklemspanning U,o, opgewektespanning in rotor Ru weerstandin rotorketen I" rotorstroom G machinekonstante
Alr ;]
i ilï
( 5 ),
k-jdl
I. (t)
u"
(l)
(2)
U.: \- R. T : G - I . .I "
AJ
tal
oo ;li
tyl tvl
;j ;l; ;;
I?] [Al
; AandrijÍtechniek,aPril1980|
At
fu--
elektrische voertuigen snelheid( km/u )
R.=o
100
R.=o
f
50
I
I
I
\
)11lta-
reden ,n, de aanelijkruikt. nde ,nkalnerSVertÍoeariaaria: an. zljn ls teking )IOr-
(4) (5)
/l tl 2l
\l
sAO L
i
l
+roï
tiid (sec)
l ,
-l
il
'met energierecuperatie en(
F
- t
--t
Voertr, lrtuiggegevens: totale rleaandrijfrendement: i 70%
i l ll -l t
m = 1400 1 4 k9
I
I
100
i
r't
+
Ru groter
c " ==0.42 o A F == 11. 8 0m 2
motorgebied
p = 1.29 1 . 2 kg/m3
Als een ren accupakket15 kWh aan nuttige igeenergiekan leveren, ;
kan worden wo afgelegd:
l
, . 1l l
- zondr zonderenergierecuperatie: 70.2 km
i r ; - met m e tenergierecuperatÍe: e 81.5 km 1't
l;
o
.''-t
I
l
i .l--r
-
l
.: -
li,'
. ,
/,
R a= R v - - 0
f, = 0.02 o'( -
f' ,,u
_l
a. Koppeltoerenlijn
l
l , T t-l t:Ë
1 - t '
150
50
generatorgebied
energierecuperatie
;o
.,
i
50
roo
rso
b. lnvloedvan voorschakelweerstanden
4ft.2. Karokterist iekenvaneenonofhankelij k bekrachtigdegelij kstroommac hine.
Lrlutscu, -''-'---'
Afb. I. Energieverbruikvan eenelektrovoertuigmet en zonderenergierecuperatie,
\
(3)
\
I ll
200
rijk-
(2)
!
afgelegdeafstand:1542 meter
\
{
rijk,n de rden kkevan )om-
(1)
T
300
250
arde r dat elijk t, als reair rde
I
l-
i
,J-_ bruik eveelligen. geven aan-
I
SAE J227 MetropolitanCycle, SAÊ,
I
I
0
r
I
Ritcyclus: itc'
Q)
u" &
T
statorstroom hoeksnelheid van motoras statorspanning weerstand in statorwikkelineen machinekoppel
tAl
[r-']
tvl tc)l [N*]
Als wordt verondersteld,dat Ur, G, en R" u.onslantzijn, dan zal het grafische \verloop van het koppel als functie van het toerentál ttneairzijn (aÍb.2a). De daling van het toerental bij toename ván het kolpel wordt veroorzaakt door het Ohmse iianningsverlies m het anker; bii niet te kleine maJhines is ott verlieskleinen verandert het toerental o{ variatie van het belastingskoppel dus rraar.weinig. Bij een positief kàppei iungeert uc gelukstroommachine als moior en bij een negatiefkoppel als generator, als wordt-aan-
AanoriiÍtechniek, aprit1980
genomen dat de hoeksnelheid steedspositief ls. Beinvloeding van het motortoerental kan plaatsvinden door aariatie uan de ankerspanning, de ueldstroom en de weerstanil in de rctorketen. Opname van een voorschakelweerstand R, in het ankercircuit heeft tot gevolg, dat de totale ankerketenweerstandgroter wordt (zie aÍb. 2b). Vergelijking (5) wordt oan: ,:Ë
lJu
(R.+R"). T
(6)
Door het inschakelen van de voorschakelweerstand zal alleen de richtingscoëÍïiciënt van de koppeltoerenlijn veranderen. Als de motor bij stilstand op een constante klemspanning zou worden aangesloten,zou de in-
schakelstroom zonder voorschakelweerstanden zeer groot zijn, omdat aanvankelijk de in de rotor opgewekte spanning nul is. Om de inschakelstroom te beperken kan men een weerstand R, in serie met het anker schakelen,zodaï.de stroom dan gelijk wordt aan: t - U*-U,t
"
R.+&
-
uk Ra+R;
(7)
Voor maximale versnellingkiest men R, zodanig- dat I" gelijk wordt-aan de maximaal toelaatbare waarde, terwijl het hoofdpoolveld zo groot mogelijk wordt gemaakt. Als nu de machine aanloopt, groeit de rotatiespanning en neemt de stroom I" af. De weerstandR, kan nu worden verkleind, waardoor de stroom weer toeneemt. De motor 215
elektrischevoertuigen versnelt,de rotatiespanning wordt hoger, de stroom neemt af, etc. Als de weerstand R, er thermisch op is ontworpen om gedurende langere tijd stroom te voeren, kan hij ook worden gebruikt voor toerensturing.Een nadeel van het gebruik van deze toepassing is die zal opde grotere vermogensdissipatie, rreà'en:Iu2-1n"+È";in plaats van Iu2,Ru.' Een tweede methode van sturing is uelduerzwakking. Als bij een constante klemspanning het magnetischehoofdveld wordt verzwakt door de statorstroom te verkleinen, dan zal het nullastpunt naar een grotere hoeksnelheid verschuiven (afb. 2c). Tevens zal de koppeltoerenkromme een vlakker verloop krijgen, want differentiatie van vergelijking (4) naar ro levert:
óT _ _ (G.r.), óa
R"
(8)
De verhouding tussen het heersendemagnetische veld en het maximale magnetische veld wordt a, genoemd.De stroom door de veldwikkelingen is laag en daarom op eenvoudige wijze te variëren met een goedkope transistorchopper. Aangezien het magneti sche veld verbonden is aan een maximale waarde door verzadiging van het ijzer en aan eenminimale waarde door het maximaal toelaatbare motortoerental in verband met vonkloze commutatie en mechanischebelasting van de rotor door centrifugaalkrachten, zal een variaÍie van het motortoerental door veldregeling slechts in beperkte mate mogehjk zijn. Door veldregeling is een regelbereik van 1 op 3 à 4 haalbaar zonder dat het nodig is een machine met compensatiewikkelingen toe te passen. Tenslotte is het als derde methode van toerentalsturing mogelijk om bij een constant magnetischhoofdveldde klemspanninguande motor te uariëren(aÍb. 2d). Indien de Ohmse spanningsverliezenklein zijn ten opzichte van de in de rotor opgewekte spannlng, mag op grond van vergelijking (1) worden aangenomen, dat het toerental bij een constant magnetisch veld evenredig is met de klemspanning. Door de klemspanning te variëren kan de koppeltoerenlijn dus horizontaal worden verschoven.Het is mogelijk om door het verlagen van de klemspanning het toerental tot lage waarden te regelen. De klemspanning kan traploos worden geva.rieerddoor een hoofdstroomchopper, terwijl het ook mogelijk is om de klemspanning in een aantal stappen te variëren via opdeling van het accupakket en serie-/parallelschakeling van deze delen door middel van schakelaars. Een chopper is een gelijkspanningsomzetter, die de energiestroom van een voedingsbron naar de belasting varieert. De verandering van de grootte van de energiestroom vindt plaatsdoor periodiek aansluitenen afschakelenvan de belasting, waarbij zowel de periodetijd als de verhouding van de aansluit- en afschakeltijd kunnen worden gevarieerd(aÍb. 3). De spanning U wordt slechts gedurendede periodiek herhaaldetijdsintervallen, T,", op de motorklemmen aangesloten. Als de schakelaar open staat, zal de diodegeleidenen de spanningover de motor216
klemmen zal nul zijn. De tijd, dat de schakelaar open is, is \,, en de periodetijd T is gemiddeldespanning gelijk aan T,,*\u.De over de motor is dan gelijk aan:
door ontwikkelingen op het gebied van de
te zijnertijd kan con::..ï:fflu."rsistor SamenuaÍting:
T.
( e ) Het koppeltoerenvlak van de motor
u":ï.u
Als de motorklemmen zijn aangeslotenop de voedingsspanning,neemt de motorstroom bij quasi-constantehoeksnelheidtoe volgens een e-macht en als de schakelaar open is zorgl de vrijloopdiode ervoor, dat de stroom kan blijven lopen. De werkfrequentie van de onderbrekerligt meestaltussen50 en 1000Ha zodat de schakelaar alleen elektronisch is uit te voeren.Voor de schakelaarvan de chopper kunnen vermogenstransistorenof thyristoren worden gebruikt. Eigenschappen van de transistorchopper: . door de stuurspanning aan te brengen of weg te nemen beheerst men de geleiding en blokkering; . met transistoren kunnen snellecircuits worden geconstrueerd; . een hoog rendementis haalbaar; r de transistor kan geen hoge stromen verdragen (tot 100A); . er is geen overbelasting mogelijk; . parallelschakeling van meerdere transistoren levert nog problemen op; . voor geleidingis blijvende sturing nodig. Kenmerken van de thyristorchopper: . hoge stromen zijn mogelijk (100-2000 A); o één hoofdthyristor is voldoende voor de hoofdstroom; . snelle schakeltijden zijn te realiseren; . er is momentane overbelastingmogelijk; . een hoog rendement is haalbaar; . er is een ingewikkeld doofcircuit nodig. De rendementenvan de transistorregeling en de thyristorregeling zijn gelijk en bedragen ongeveer 97/". Wegens hogere toelaatbare stroomsterkten lijkt de thyristorregeling voorlopig aantrekkelijker dan de transistorregeling. Toch mag voor de moderne elektrische auto de transistorregeling niet als mogelijkheid worden verworpen, omdat hij
kan in twee gebieden worden verdeeld (zie aÍb. 4): In gebied I wordt bij constante veldbekrachting de ankerspanning geregeld . of traploos door de hoofdstroomchopper, zodat het gehelegebied kan worden gebruikt, . of in een aantal stappen door serie-/parallelschakeling van accugedeelten,zodat een gedeeltevan dat gebied kan worden gebruikt. In gebied II wordt bij constante ankerspanning de veldbekrachtiging traploos geregeld door de veldchopper, zodat in dat hele gebied bedrijfspunten van de motor kunnen liggen. rr.lowordt bepaald door de verzadiging van het ijzer en rr;*, wordt bepaald door de mechanischebelasting van de motor (centrifugaalkrachten) en door de vereiste vonkloze commutatie. Mogelijke aandrijflijnen In de ontwerpfasevan een voertuig is voor het construeren van een aandrijflijn eenjuiste analyse van het lastproces belangrijk. Het lastproces wordt gevormd door verschijnselen die de aandrijÍkracht bepalen en wordt gedeÍinieerd als combinatie van eiementaire deellastprocessen: a. Luchtweerstand die een voertuig ondervindt:
( 10)
Fr: ïp- VL. AF-C, FL luchtweerstand p dichtheidvan de lucht V.o relatieve snelheid van voertuig ten opzichte van de lucht AF frontaal oppervlak van voertuig C, experimenteelbepaalde vormweerstandscoëfïiciënt
ÍNl [tg-rn-'] [- r-'] [-']
b F
t-l
F F c l > 0 2 > c 3 > q 4
h F
t n o
d
r c. Invloedvan magnetischhoofdveld
T l
d. lnvloedvan klemspanning
Aft. 2. Karakteristiekenvan een onafhankelijk bekrachtigdegeliikstroommachine. Aandrijftechniek,aPril1980
-&*"-.
elektrischevoertuigen nde con-
ankercircuit @
|!qx^ -e c
In in
\ 4): dbe-
gebiedI
)per, uikt, -lpat een uikt. pan:geld
\
'ol
\
t
\ \ \ \
r lio-
ging rr de -loze
voor oiste Het jnseordt taire
A.íb. 4. Instelbare bedrijfspunten van een onofhankelijk bekracht ig de geIij kst ro o mmac hine.
geschiedt dit door toepassing van motortoerentalvariaties van I op 6 en een versnellingsbak met overbrengingsverhoudingen van 1 tot 4. Bij de onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor wordt meestal een transistorregeling voor de veldbekrachtiging toegepast, omdat die eenvoudig en goedkoop is. De motor heeft in het toerengebied, waarin regeling door de transistorchopper plaatsvindt, bovendien een hoog rendement.Omdat door veldregelingslechts een regelbereik van I op 3 à 4 kan worden gerealiseerd,is verdere aanpassing door variatie van de ankerspanning, door middel van voorschakelweerstanden of variabele overbrengingsverhoudingen noodzakelijk.
rder-
T1*
( 10)
) Afb. 3. Spanningen en sÍromen van een chopper. 1.1 I
b. Rolweerstandvan de wielen:
De totale rijweerstandwordt nu:
/\ 'r'\l
F.= I;'FN
rolweerstand t I' rolweerstandscoëfficiënt Fx normaalkrachtop het wiel
Èi tNl
c. Kracht voor overwinning van de terreinnellrns: \r = m'g'sina I" m I c
(r2)
hellingsweerstand IN] voerluigmassa [te-l aar_dgravitatieversnelling [-;-r, hellineshoek
O U.t inrtutionaire gedeelte van het lastproces._datwordt bepaáld door de krachi die nodrgis om het vàertuis te versnellen: F" = ,{- ry1*2
( 13)
f" 4
versnellingsweerstand laktor om versnellingvan
^ q
rekenen(1.0G1.45) versnelling
nuo À,:ttorijÍtechniek'
april1e8o
tNl
t-t [ms
-l
F:lp-Vi*.A.-C*+m. ' [ g 'Í . .c o sd + g ' s i na + t r -a ]
(14)
AÍbeelding 5 geeft voor verschillende hellingshoeken de stationaire rijweerstand van een elektrisch voertuig als functie van de snelheid. Aan een elektrisch wegvoertuig dienen met betrekking tot de aandrdving de volgende eisente worden gesteld: . eenvoudige en veilige bediening; o acceleratie-en remprestaties. aangepastaan het overige verkeer; . voldoendekoppel om hellingente overwinnen; . voldoendeactieradius; . beperkt lawaai in verband met comfort; . lage aanschaf- en gebruikskosten. Een automobiel vereist in principe een regelbereik van I op oneindig, omdat alle snelheden tussen stilstand en maximale snelheid bereikt moeten kunnen worden. Snelheden tussen 0 en 5 à 10 km/u komen echter zo kortstondig voor, dat een regelbereikvan 1 op 20 met een hoog rendement voldoende is. Bij voertuigen met een verbrandingsmotor
V olledig elektroníschemotoruegeling De chopper voor de ankerspanningis aantrekkelijk, omdat het mogehjk is om de effectieve ankerspanning van de motor verliesarm aan te passenaan het lastproces van de auto, binnen zekere grenzen onaÍhankelijk van de accuspanning. Samen.met de veldbekrachtiging, die geheelonaÍhankelijk van het ankercircuit werkt, kan ieder bedrijfspunt in het koppeltoerenvlakworden ingesteld(aÍb.6) en is eenregelbereikvan 1 op oneindig haalbaar, zodat met eenvastereductietussende motor en de wielen zou kunnen worden volstaan. Deze choppers maken zonder veel bijkomende kostenbinnen het geheletoerengebiedvan de motor een directe overgangmogeiijk van voortstuwing naar regeneratie remwerking. Als voordelen van dit systeem kunnen worden genoemd: het uitmuntende bedieningsgemak, goede comfort en hoge rendement, omdat de choppers een hoog rendement hebben en energierecuperatiemogelijk is. Als tussen de motor en het differentieel een vaste tandwieloverbrenging is aangebracht, moet de motor alle toerentallen tot en met het maximale toerental doorlooen. Omdat 217
wI
I I
elektrischevoertuigen
I
onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotoren in het aanloopgebied en bij maximale veldverzwakking eenminder goed rendement hebben, kan een handgeschakelde/automatische versnellingsbak of een continu variabeletransmissiemisschien toch aantrekkelijk zijn, omdat de motor dan vaker in zijn optimale bedrijfsgebied werkt, waardoor het totale rendement van de aandrijflijn gemiddeld beter kan worden, ofschoon het rendement van de transmissieaan het geheelwordt toegevoegd. Een nadeel van de toepassing van een van deze overbrengingen is het feit, dat de aandrijflijn in dat geval nog duurder wordt dan hij al was door de hoge aanschafkosten van de ankerchopper en de omvangrijke hoeveelheid regelelektronika. W eerstandsregelingin het ankercircuít Bij de onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor kan het veld worden geregeld door middel van een chopper, terwijl in het ankercircuit uitschakelbare weerstanden kunnen worden opgenomen (aÍb. 7). Dit was in het verleden de populairste regeling, die werd gebruikt vanwege de lage kosten en de eenvoudigeen redelijk gelijkmatige werking. Het motortoerental wordt aangepastdoor de voorschakelweerstandin een aantal stappen te variëren. Wanneer de verandering van de stroomsterkte bij het in- of uitschakelen van een weerstand te groot is, zullen de personen in de auto dit merken in een stapvormige verandering van de aandrijÍkracht. Het is daarom van belang om een voldoende groot aantal weerstandsstappente gebruiken, opdat een gelijkmatige acceleratiewordt verkregen. Bij hoge snelhedenkomt de regeling van de motor geheelvoor rekening van het veld, dat maximaal zal zijn bij de ondergrens van dit regelgebieden bij nog lagere snelhedenop die maximale waarde wordt gehouden; bij lage snelheden verrichten de voorschakelweerstandenhun werk. Dan gaat echter voor aandrijving bestemdeenergie verloren door omzetting in warmte en energierecuperatieis niet mogelijk in het regelgebied,waarin de voorschakelweerstanden worden gebruikt (aangenomen. dat de accudelen niet verschakelbaarziin). Tussen de motor en het differentieel kán'een vaste of een variabele reductie worden aangebracht. Met een vaste reductie kan in principe worden volstaan,
maar het rendement van de aandrijflijn met weerstandsregelingkan aanzienlijk worden verbeterd door een variabele reductie toe te passen,zoalsbijvoorbeeldeen continu variabele transmissie. De motor kan dan voornamelijk in een gunstig rendementsgebied draaien en bovendien kan worden bereikt dat de aanloopweerstandenover een zo klein mogelijk gedeeltevan het snelheidsbereikvan de auto worden gebruikt, waardoor ook bij het remmen meer energie kan worden teruggewonnen. Vanwege de grote verliezen is de
t li lÍ
weerstandsregeling,zeker in het geval van een vastereductie, een oplossing die voor de moderne elektrische auto niet in aanmerking komt. Het inschakelen van een voorschakelweerstand mag slechts over een zeer beperkt gedeeltevan het snelheidsbereik van de auto plaatsvinden. Getr apte spanningssturing in het ankercir cuit De ankerspanning kan in een aantal stappen worden gevarieerd door het accupakket in groepen te verdelen, die door middel van
Voertuiggegevens : m = 1400kS fr = o'02 cx= o'q2' Ar = 1'80m2 p = 1.29ks/m3
(N) aandrijfkracht
,000
AJ
hellingshoek: 5 graden
hellingshoek: 3 graden
hellingshoek: 0 graden
A1
100 eIheid (kmi u) voertuigs-n
scl de: lijt ze bi( do ko scl ko
AÍb. 5. Stationaireaandrijfkrocht voor een elektrischvoertuig.
vo.!tuig.t.r6!: gtorroepcl
toi.L.
[m]
N.
ov.tbr.'rilt'r'rhoudins:
w.ri3.!:
si.l.tful:
'
-
!.5
i
'
7
pu
re (! ninut.À)
0.275 !
wa de Bo scl we tac me Alr kar lad die oPr gar wa
2 t20
30
20
20
, '
tï'"1"1 to
20
30
40
50
óO
70
A-fb. 6. Volledig elektronische motorregeling. 218
30 vo.r."isrn.Ih.id
Lb/q
to
2o
30
Áo
I
60
' 70
&
tP/'i'l vo.rÈuia.o.1h.idÍdll
AÍb. 7. Elektrische weerstandsregelingin het ankercircuit.
Aa
Aandrijftechniek,april 1980 i
elektrische voertuigen .l van )or de ,rking rakel:perkt ) auto
tircuit srapakket :l van
Voorschakelweerstand
AJb. 8. Getrapte spanningssturing voor ankercircuit.
wielkoppel
[Nnl voêrtuiggegevens: lotale n4. R
wielstraal:
aroÈêr
n
\r
i -
33.5 kW (3 ninutên) 0.2j5 A
1400kg 0.02 -
Cx-
0.42-
p
\
-
fr -
5
i x\
overbrengingsverhouding:
vehogen:
-
r.ao.2
-
l.29kgln3
o=olr..
800
vielroêrenral
low/Ein]
voertuigsnelheid
&n/u]
Afb. 9. Getraptesponningssturing in het ankercircuit. schakelaarsparallel of in serie kunnen woroen,geschakeld. Als veldverzwakkingmogeqljft en de spanningvan her anke"rop Íeïl wordt gevarieerd.verplaatsrhei geíï1U.. oled, waarin de motorregeling plaatsvirïdt ooor veldregeling. zich horizonàd in her r.lppeltoerenvlak. Is het aantal mogelijk in te scnakelen waardenklein, dan ontstaanin het noppeltoerenvlak verzamelingen bedrijfs
worden ontwikkeid, dient explosiegevaar door ventilatie van de accukoker te worden vermeden (aÍb. 8). Om een gelijkmatige beiasting zeker te itellen is Uí; í++ Vo'Ít een dergelijkeschakelingin drie trappen eenvoudig,te verwezenlijken.Deze motorregeling heeft een hoog rendement, omdat de spanningsverliezenover de schakelaarsklein ziin en er een directe overgang mogelijk is vàn bereikr, motorbedrijf naar rembednjf. Om een soelll1.l. ap niet kunnenwo-rden herschakelen van de spanning pele snelheidsregeling mogelijk te maken kan ï^"lloo:i lij uc a_andnjÍkracht sprongsgewij ze veianderl men de verzamelingen van niet te bereiken D{ven-dien valt de áandr-iji.ruótt rijdens het bedrijfspuntenverkleinendoor voorschakelJLila|telen even weg indièn men stroomloos weerstandenin het ankercircuit op te nemen. te "cnst schakelenom inbrandenvan de con_ waardoorde richtingscoëfficiëntvan de kopq!:tpunten voor de schakelaarste voorko_ peltoerenlijn kan worden veranderd. Doór dezevoorschakelweerstanden wordt het renwordenbelasr. rlement van de aandrijflijn wel nadelig beïnfj: j:_l.:r'r ongerijkmatig l;:_",. ".1.problemenopleverenbij herop_ vloed, maar het rendement is in iedei eeval doordará. u".u., beter dan dat van de aandrijflijn. wàarin ;:: *ï"un heraccupakkei. alleenvoorschakelweerstanden in combinatie met veldstroomregelingworden gebruikt. bereilen.Bij deze,p;;nió In de aandrijflijn kan de functie van de voorffi,tlÍlnine ry4irrDuwaterstof en zuuistof in Lasuorir schakelweerstand worden overgenomendoor
#:,,ïËï:ï"':1.:::1ff 3,o::,:::";: :ig;fi
ottorijrtechniek' april1e80 Ito.,il,
eenkoppelomvormer,die bij het aanlopenen bij het schakelenvan de spanning voor een soepeleaandrijving zorgt. De koppelomvormer maakt de koppeling tussen de aangedreven as en de aandrijvende as minder vast, waardoor de schokken, die door de getrapte spanrungsstunng optreden worden beperkt. Het regelbereik van de koppelomvórmer maakt het mogeiijk om bij spanningssturing slechtsenkelestappen toe te passen.De slip in de koppelomvormer dissipeert echter ook energie,juist in het geval van de sladsauto, die vaak rijdt onder instarionaire bedriifscondities.De totale kosten van dezeaandiiiflijn zijn echter gunstig.en het comfort is ie vergelijken met dat van een auro mer een verbrandingsmotor en een automatische versnellingsbak. Ook door toepassingvan een variabele reductie kan het aantal niet instelbare bedrijfspunten in het koppeltoerenvlak van de wielenkleiner worden gemaakt.Als de totale overbrengingsverhouding van de motor naar de wlelen ongeveer7 bedraagt.dan zien de wielen de bronkarakteristiek ván aíb. 9. Wanneer nu aan deze overbrengingsverhouding nog een reductie van 14 als moeeiiikheià wordt toegevoegd,dan worden deleizamelingen van niet bereikbare koppeltoerencombinaties kleiner. Bij het op snelheid komen van het voertuig, worden achtereenvolgens de. volgende deelgebiedendoorlopen faíb. 10): u. á6 Volt -"t uoorschakelweerstand en overbrengingsverhouding 14; b.36 Volt met overbrengingsverhouding14; c. 72 Yolt met overbrengingsverhouding14; d. l44Volt met overbrengingsverhouding14; e. 144 Volt met overbrengingsverhouding 7. Er hoeft dus maar één keer mechanisch te worden geschakeld,als het voertuig vanaf stilstand zijn snelheidsgebied doórloopt. Door meer dan twee reducties in de vèrsnellingsbak in te bouwen wordt het aantal niet bereikbare koppeltoerencombinaties nog kleiner. Deze overbrengingsverhoudingen moeten zo worden gekozen,dat: c zoveel mogelijk bedrijfspunten kunnen worden bereikt; r de motor in het gunstigste rendementsgebiedwerkt; en o niet vaak geschakeld hoeft te worden bii snelhedenen snelheidsvariaties, die in de staá vaak voorkomen, Een hoog rendementen eengrote actieradius zijn met dit systeemhaalbaar,omdat de voorschakelweerstandslechts nodie is om de motor aan te laten lopen (de a-uto even op gang te brengen).waarna de motor verder in gebiedenmet hoge rendementenwerkt. Deze aandrijflijn heeft als nadeel,dat de trekkracht om tweeredenenwordt onderbroken: . de ankerspanning wordt stroomloos geschakeld; o eenandereoverbrengingsverhouding wordt ingeschakeldbij onbelastemotor. Als een continu variabeletransmissiewordt gebruikt, vindt echter alleen trekkrachtonderbreking plaats door elektrisch schakelen, want deze transmissie varieert de overbrengingsverhoudingonder belasting. Door de Interafdelingswerkgroep Elektrische Auto is eenautomatischegetraptespannings219
elektrischevoertuigen sturingin het ankercircuit van de motor ontworpen,die het accupakketzodanig schakelt, dati6,72of 144Volt aan de motorklemmen ontstaat.De gebruiktemotor is een onaÍhankeliik bekrachtigde gelijkstroommotor van hetlabrikaatSiemens,die speciaalvoor voertuigenis ontwikkeld: nominaal toerental 2200 omw/min nominaalvermogen 17 kW maximaaltoerental6700omwrmin maximaalvermogen33,5 kW Om dezeautomatischespanningssturingonderinstationairebedrijfsconditieste testenis opgebouwd(aÍb. 11). eenvliegwielproefstand Aan de motor is een vliegwiel gekoppeld, \ryaaÍvanhet massatraagheidsmoment overeenkomtmet de massatraagheidvan de auto. De rolweerstanden de luchtweerstandvan de auto worden nagebootst door een elektrischerem, die via een tandriemoverbrengingaande as van het vliegwielis gekoppeld. Tussende motor en de wielen wordt in het voertuigeenautomatischeplanetaireversnellingsbakmet drie reducties geconstrueerd. Om de verliezenin deze automatischeverte beperkenwordt geenkoppelsnellingsbak omvormer toegepast, hetgeen mogelijk is door een goedemotorsynchronisatie.
singen beoordeeld kunnen worden, zullen Literatuur enige aandrijflijnen in de auto worden be- [1] Koumans,W . A., Veruoerstechniek,T.H. proefd om de theorie te toetsen en de aanEindhoven, dictaat. drijflijnen op praktische aspecten te beoor[2] Schot, J. A., Electromechanícauoor W, delen. De gedachtengaan daarbij uit naar: T.H. Eindhoven, dictaat. . een aandrijflijn met getrapte spannings- [3] Ratcliff, J. F., Torque conuerters make sturing in het ankercircuit, elektronische electr ic uehí cles competi tiue, Electric Vehicle veldstroomregelingen een automatischever- Synposium Diisseldorf. snellingsbak; [4] Griffith, J.T., Performanceof an electric . een aandrijflijn met volledig elektronische uan fitted with a hydrodynamic rorque conmotorregeiing en eventueel een versnellings- Derter transmission,Electric Vehicle Symposium Dtisseldorf. bak; . een aandrijflijn met alleen eiektronische [5) Electrics' star is rising on baÍíery aduances, veldstroomregeling en een continu variabele Automotive News, l0 april 1978. transmissie. [6] Peter,J. M., L'éuolutíondes semi-condur Gehoopt wordt op deze wijze een zinvolle teursdepuissances.Application à la propulsion ëlectríque,Ingenieurs de I'automobile, juni bijdrage te leverenaan het tot stand komen van elektrischepersonenauto's,waarmee(in 1975. kleine aantallen)ervaring kan worden opge- [7] Bader, C. Elektrísche und hybride Antriebe daan,voordat de toepassingdoor toenemen- íilr Nutzfahrzeuge, Automobiltechnische Zeitschrift. iuni I 979. actueelwordt. de benzineschaarste
Conclusie Door de diverseautomobielfabrikantenworden in allerlei voertuigen verschillende aandrijflijnen toegepasten getest.De lastprocessenen belastingsconditiesbij de beproevingen van deze voertuigen zijn zelden gelijk, waardoorhet moeilijk is om de uitkomsten van dezeonderzoekingente gebruiken voor een betrouwbare vergelijking van de onderzochteaandrijflijnen. De Interafdelingswerkgroep Elektrische Auto heeft zich onder andere tot doel gesteld om diverse aandrijfconcepten in eenzelfde Aíb. I 1. Proefopstell ing voor auto matische spanningssturing. voertuigte construerenen te beproeven.Omdat de rendementen van de verschillende onderdelenvan een aandrijflijn niet constant voêrÈuiggegevens: z{n, maar aÍhankelijk van het bedrijfspunt, i - 7 en i - 14 cotaLe overbrengingsverhoudingr waartn de desbetreffendecomoonent zich be(3 ninulen) nax. vemosen: 33.5 kI vindt. variëren.is het moeilijk om het gemiddelde rendement van een aandriifliin te bepalen.Er is daarom eenbesin semaáki met deontwikkeling van een geíetaïlleerd simulatleprogrammavoor het elektrisch voertuig om het grote aantal mogelijke aandrijflijnen Bedrijfsgêbieden: - 36 Vo1!, - 36 Voll, wat betreft rendement te kunnen vergelijken - 72 VoIt, - 144 Volt, ondergelijkeomstandigheden. Het pógiam- I44 Vo1t, ma moet in sraat zijn om de onafhankelijk be.krachtigdegelijkirroommotor met verscnlllenderegelingen.accu's en transmissres DUdrverseritcycli (belasringscycli) van de auto door te rekenen.Het feit, áut ..n uo.rturg en een aandrijflijn gegenereerd kunnen wordenuit opgeslágenÀàellen, waarin de aan de diverse onderdelen semeten rendementswaardenvoor verschiÍende bedriifsomstandigheden worden bewaard,maakt éen oergelijkrekenprogramma uirerst flexibel. 'o=0.4 \-o=0.34 a=0.4 \o=O.O eenmaaleen voertuig.een aandrijflijn en "r^rs \ een ritcyclus zijn uitgeÈázen,kan óe-auto met kleinestappenii de tijd vorderen op en kàn per srap her energieveii.!I.,*.g orurk van het voèrruig én de aandïijfelementenworden bepaaldl Ais met behuii van netsimulatieprogràmma de mogelijke óplosAíb. I 0. Getropte spanningssturing met twee overbrengingsverhoudingen. 1980
AandrijÍtechn iek,aprit 1980
zzl
