Technická fakulta ČZU Praha Autor:
Pavel Florián
Semestr: letní 2008
Elektromobil s bateriemi Li-pol Popis - a) napájecí část (jednotka) - b) konstrukce elektromobilu - c) pohonná jednotka a) Tento elektromobil je napájen jedním z nejnovějších druhů elektrických článků (baterií typů Li-Pol),které se v dnešní době používají v mob. telefonech, noteboocích atd. Tyto baterie mají oproti svým předchůdcům výhody: - netrpí paměťovým efektem, - mají velmi malé samovybíjení(zhruba cca 1% za měsíc(oproti cca 10-15% u Nixx) - malá hmotnost a velká hustota energie(poloviční hmotnost při stejné nebo větší kapacitě oproti Nixx článkům). nevýhody: - vyšší cena - malý nabíjecí proudy (nelze použít k rychlonabíjení) - nároky na přesné nabíjení ( při špatném nabíjení může až dojít k požáru expandujících plynů). b) Tento rám je základní nosnou částí automobilu, který přenáší suvnou sílu z hnacích kol na karoserii a při brzdění zachycuje brzdnou sílu.Konstrukce tohoto rámu je obdobná jako v případě plošinového, s tím rozdílem, že se zde nacházejí baterie. Tyto baterie jsou uloženy ve středu podvozkové části, kde je k nosným rourám upevněn vyjímatelný obdelníkový plech tloušťky 0,8-1,25 mm. Tato ocelová plošina tvoří součastně podlahu karoserie. V přední části je použita náprava s tlumičovou vzpěrou a závěsným ramenem. Nad nimi je uložen napěťový střídač a napříč kvůli dobrému vyvážení střídavý asynchronní motor. K motoru je přes převodovku připojena hnací hřídel která je spojena s diferenciálem zadní nápravy. Zpřevodovaná hnací hřídel je uchycena k rámu pomocí navařených ok. Zadní náprava je konstruována obdobným principem jako je kliková náprava s vlečnými rameny. c) Pohonnou jednotku elektromobilu tvoří třífázový asynchronní motor AMD 132.411 jehož hmotnost je kolem 188kg s kotvou nakrátko (parametry uvedeny dále). Motor je napájen pomocí pozměněného elektronického měniče napětí EM 50/750/3 řízeného pulzním procesorem s IGBT tranzistory, který slouží k výrobě sinusového napětí 3*380V (resp.
400V), v rozsahu 0 - 300Hz. Měnič je napájen ze stejnosměrného zdroje se jmenovitým napětím 200 V.Měnič je umístěn do dvojitého panelu universálního reléového stojanu. Výhodou je plný přizpůsobení parametrů třífázového asynchronního motoru,vysoký záběrový moment, vysoká stabilita kmitočtu a amplitudy výstupního napětí. Pomocí vysokého frekvenčního rozsahu lze měnit otáčky motoru. Od motoru je koncová část hřídele s válečkovými ložisky napojena na reduktor, který se stará o změnu otáček hnacího kardanového hřídele. Tento hřídel vstupuje do diferenciálu, ze kterého je hnací moment rozdělen na zadní hnací kola.
Schéma
Výpočty Elektrické články typu Li-pol AVACOM Q-Tek 9000: Parametry jednoho článku: Uč := 3.7 ⋅ V
rozměry: (délka,šířka,výška)
dč := 71mm šč := 56.6 ⋅ mm
−3
Ič := 1620 ⋅ 10
A
tč := 3600 ⋅ s
vč := 4.5mm Cč := Ič ⋅ tč
Kapacita jednoho článku:
3
Cč = 5.832 × 10 C Cč = 1620 ⋅ mAh
Objem jednoho článku:
Vč := dč ⋅ š č ⋅ v č
Vč = 0.018 L
mč := 30g
Hmotnost jednoho článku:
Elektronický měnič napětí EM 50/750/3 s řízeným pulsním procesorem a regulací tranzistorů IGBT(MITSUBISHI) : ČSN 34 2600 Vstupní parametry: napájecí napětí
Um1 := 200 ⋅ V
rozměry : (délka,šířka,výška)
maximální vstupní proud: Im1 := ( 50 − 108 )A vstupní frekvence:
f := 0 − 300Hz
Výstupní parametry: Um2 := 3 ⋅ 380 V resp ( 400V ) trvalý výstupní výkon: Sm := 19300V ⋅ A výstupní napětí:
výstupní proud: účinnost:
Im2 := 3 ⋅ 44.1A ηm := 80 ⋅ %
dm := 71mm šm := 56.6 ⋅ mm vm := 4.5mm
Izolovaná vstupní část FET (hradlo Gate) používaná na řízení a výkonný bipolární výstup pro vysoké proudy a napětí, jsou umístěny v jednom pouzdře a celý komplet se právě nazývá IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
Asynchronní motor AMD 132.4.11 : Vstupní parametry: jmenovité napěti: jmenovitý proud:
rozměry : Uam := 3 ⋅ 380 ⋅ V Iam := 3 ⋅ 44.1 ⋅ A
(délka,šířka,výška) dam := 850mm šam := 262mm
Výstupní parametry: Jmenovitý moment: Maximální moment: Jmenovitý výkon:
M := 178N ⋅ m
vam := 352mm
Mmax := 1050 ⋅ N ⋅ m P := 21000 ⋅ W −1
Jmenovitá rychlost:
nj := 1500 ⋅ min
Maximální rychlost:
nmax := 7500 ⋅ min
−1
Životnost ložisek: Dvouřadá válečková ložiska Volba ložisek : dle maximální dovoleného zatížení.
Inovace : Obrázek pozměněn, kroutící moment není přenášen řemenicí. Hřídel od rotoru vstupuje přímo do reduktoru. Radiální síla bude proto minimální. E [mm] –vzdálenost mezi motorem a hřídelí.
Y – poměr hodnot (A+B) a B
Výpočet životnosti ložisek: Fr := 20N
radiální zatížení: dynamické zatížení dle typu ložiska:
CL := 4100N
rotační součinitel:
VL := 1
exponent pro válečkový ložiska:
y := 3.33
jmenovité otáčky motoru:
1 nj = 25 s Fa := 0.3N (je téměř nulové)
Stálé dynamické axiální zatížení ložiska:
X := 1
Součinitel dynamického radiálního zatížení ložiska:
Y := 2.3
Součinitel dynamického axiálního zatížení ložiska:
X0 := 1
Součinitel statického radiálního zatížení ložiska:
Fr0 := 50N ( zvolené)
Stálé statické radiální zatížení ložiska:
Y0 := 1
Součinitel statického axiálního zatížení ložiska:
Fa0 := 0N (Podmínka)
Stálé statické axiální zatížení ložiska:
Dynamické ekvivalentní zatížení: FdL := X ⋅ V L ⋅ Fr + Y ⋅ Fa
FdL = 20.69 N
Statického ekvivalentního zatížení: F0 := X0 ⋅ Fr0 + Y 0 ⋅ Fa0
F0 = 50 N
Živostnost ložiska (v miliónech otáček): y
CL 6 LL := ⋅ 10 FdL
13
LL = 4.457 × 10
Doba živostnost ložiska (v miliónech otáček): (v sekundách) y
CL 1 ⋅ 106 Ls := ⋅ FdL 60 ⋅ nj
10
Ls = 2.972 × 10
s
Výpočet parametrů provozu za téměř ideálních podmínek (Hmotnost automobilu se do odporové síly při jízdě po rovině neprojeví a tudíž ji můžeme zanedbat.)
Výpočet odporových sil : 3
Ld := 400 ⋅ 10 ⋅ m
délka dráhy: pruměrná rychlost:
vs := 22.22 ⋅ Sp := 2 ⋅ m
čelní plocha auta:
s
2
kg
ρv := 1.25
hustota vzduchu:
m
m
3
cx := 0.3
soucinitel odporu:
Koeficient odporu vzduchu: 1 kg Cov := c x ⋅ Sp ⋅ ρv Cov = 0.375 Cov := 0.375 2 m Síly odporu vzduchu: Fov := Cov ⋅ v s
2
Fov = 185.148
m s
2
2
Fov := 185N
Odporová síla valivého odporu: poloměr kola:
Rk := 250mm
součinitel valivého odporu:
ξ := 0.0045m Fn := 9500N
normálová síla:
Fvo1 := ξ ⋅
Pro jedno kolo:
Fn
Fvo1 = 171 N
Rk
Fvo := 4 ⋅ Fvo1
Fvo = 684 N
Celková síla odporu: Fo := Fov + Fvo
Fo = 869 N
Výpočet baterie Práce potředná k překonání odporu : Cb A = Po ⋅ t = Um1 ⋅ = U ⋅ Cb t
A := Fo ⋅ Ld
8
A = 3.476 × 10 J
Minimální kapacity baterie: U ⋅ C = Fo ⋅ L
A Cb := Um1
6
Cb = 1.738 × 10 C
Cb ≥ 482.78A ⋅ h
Výkon (odporu) prostředí a doba dojezdu:
Po := Um1 ⋅ Im1
Po :=
A td
Cb
Po = Um1 ⋅
t
I = Cb ⋅ t
td :=
Ld vs
4
Po = 1.931 × 10 W ( nutno prekonat )
Proud jednoho článku po dobu td: (články nemohou dát plnou svoji kapacitu kvůli době dojezdu.)
Ič1 :=
Cč td
Ič1 = 0.324 A
Proud baterie: Ib :=
Po Um1
Ib = 96.546 A
4
td = 1.8 × 10 s
Výpočet Objemu baterie:
Počet článků: sériově paralelně
s := 54 p := 298
Celkový počet článků: Pč := s ⋅ p Pč = 1.609 × 10
4
Celkový objem baterie: Vb := P č ⋅ Vč Vb = 291.003 L
Závěr Použitím těchto Li-pol baterií se zvýší nejen doba provozu,ale i dojezdová dráha. V porovnání se spalovacími agregáty je mnohonásobně větší účinnost(benzín η = 10-18% , elektromobil η = 90%). Navíc se zmenší rozměry a zvětší zavazadlový prostor díky uložení baterií v podvozkové části. K rozjetí až dosažení průměrné rychlosti kolem 80km/h, dráhou 400km ujetou v čase 5h a překonáním odporu prostředí bude muset být vybaven minimálně 16090 články o objemu 291,003 L.
Vliv na životní prostředí Vzhledem k ekologii bude velké plus provoz tohoto elektromobilu, který nezpůsobuje žádné emise(imise) oproti spalovacím motorům. Problém nastane až s výměnou baterií, respektive uplynutím životností, která pro tyto články je zhruba 3 - 5 let. Potom bude alternativní řešení najít vhodný proces recyklace.
Literatura odkazy a zdroje
Internet - Motor : http://www.mez-cz.cz/Asynchronni%20motory.htm http://www.etm.cz/obr/motory.pdf - Měniče : http://www.prvni-saz.cz/vyvoj/em507503.html http://www.automation.siemens.com/sd/sinamicsg120/index_00.htm http://hw.cz/teorie-praxe/art2095-nova-rada-1700v-igbt-tranzistoruod-mitsubishi.html - Značky aut (Elektromobily) : http://electroauto.sweb.cz/elcars1.html - Ložiska: http://www.loziskajihlava.com/dvourada-valeckova-loziska,66.html
Literatura - Automobily I. II. (Milan Pilarik, Jiří Past) - Strojně technická příručka (Svatopluk Černoch)
