Napędy pojazdów elektrycznych
Rower elektryczny z
silnikiem w piaście koła
Samochody elektryczne Pana
Zbigniewa z Gdańska
Zdjęcie autobusu elektrycznego,
używanego w mieście Tarbes we Francji jako BEZPŁATNY środek lokomocji w
mieście. Autobusy te teoretycznie jeżdżą regularnie co 10 minut na
trasie z dworca
kolejowego do centrum miasta. Są chyba tylko dwa takie autobusy
jeżdzące na tej trasie naprzemiennie. Autobus osiąga prędkość
maksymalną 30 km/h. Ponieważ w centrum miasta w godzinach szczytu
samochody nie poruszają się dużo szybciej, autobusik elektryczny mógłby
być konkurencyjny dla samochodów gdyby miał wydzielony pas ruchu,
niestety w centrum
miasta nie ma na to mejsca i w związku z tym jazda tym autobusem
zajmuje tyle czsu co samochodem. Jednyie w autobusie nie słychać hałasu
silnika. Trasa, ktora pokonuje wynosi w jedna
strone okolo 2.5 km.
Zdjęcie Melexa, który
pracuje na dwrcu kolejowym w Lourdes we Francji.
Stanowisko laboratoryjne znajdujące się na Politechnice Gdańskiej, którego głównym elementem składowym jest silnik elektryczny przeznaczony do napedu roweru.
Do napędu np. roweru elektrycznego może nadawć się również silnik reluktancyjny przełączalny. Tutaj można znaleźć zdjęcia takiego silnika wykonanego na Politechnice Gdańskiej.
Artykuł z jakiegoś czasopisma o rowerze elektrycznym wykonanym na Politechnice Świętokrzyskiej.
Artykuły z konferencji International Conference on Clean, Efficient & Safe Urban Transport CESURA'03 o pojazdach elektrycznych: artykuł 1, artykuł 2, artykuł 3.
Jaki
silnik wybrać do
napedu pojazdu elektrycznego?
Konstruktorzy pojazdów elektrycznych stają w pewnym momencie
przed pytaniem: jaki silnik wybrać do napędu pojazdu elektrycznego? Do
budowy pojazdów elektrycznych stosuje sie obecnie silniki:
1. Prądu stałego:
- komutatorowe ze wzbudzeniem elektromagnetycznym,
- komutatorowe ze wzbudzeniem magnesami trwałymi.
2. Prądu zmiennego trójfazowe:
- asynchroniczne klatkowe,
- synchroniczne z trapezoidalnym kształtem siły
elektromotorycznej - znane też jako silniki bezszczotkowe, BLDC,
Brushless DC Mortor,
- synchroniczne z sinusoidalnym kształtem
siły elektromotorycznej - Permanet Magnet Synchronous Motor, PMSM,
- synchroniczne reluktancyjne przełączalne.
Do napędu pojazdu elektrycznego
nadaje się każdy z tych silników zarówno do napędu bezpośredniego jak i
pośredniego czyli z użyciem przekładni. Warunkiem jest odpowiedni dobór
mocy, prędkości i momentu obrotowego silnika. Dobór silnika będzie
decydował o osiagach pojazdu.
Silniki prądu stałego nie wymagają przetwornicy energoelektronicznej,
można zasilać je bezpośrednio z przełączalnych akumuatorów lub stosując
oporniki rozruchowe. Ale jest to rozwiązanie bardzo mało praktyczne i
uniemożliwiające późniejsze kształtowanie parametrów napędu.
Każdy z silników prądu zmiennego wymaga przetwornicy
energoelektronicznej. W praktyce powinna być ta przetwornica sterowana
mikroprocesorowo bo tylko wtedy jest mozliwość dowolnego kształtowania
parametrów napędu elektrycznego pojazdu elektrycznego.
Silniki z magnesami trwałymi mają większą sprawność od silników bez
magnesów ale tylko w zakresie prędkości od 0 do prędkości znamionowej.
W takim zakresie prędkości nie muszą pobierać prądu z akumulatorów na
wzbudzenie silnika. Niestety jeśli chce się wymusić wyższą od
znamionowej prędkość obrotową silnika to sprawność silnika z magnesami
trwałymi maleje. Przy prędkościach większych od znamionowej czyli w II
strefie regulacji musi być pobierany dodatkowy prąd z
akumulatora, który będzie wytwarzał strumień magnetyczny osłabiający
strumień pochodzący od magnesów trwałych.
Prawidłowo dobrany silnik elektryczny do napędu pojazdu elektrycznego
powinien mieć możliwość pracy w dwóch srefach regulacji: strefie I
czyli poniżej prędkości znamionowej oraz w strefie II czyli powyżej
prędkości znamionowej. Zapewni to dopasowanie silnika do
charakterystyki momentu oporowego odpowiadjącej pojazdowi
samochodowemu.
Aktualny punkt pracy silnika wynika z
zadanej prędkości pojazdu oraz z
aktualnego momentu oporoweg czyli oporu jaki napotyka pojazd. Przy
prędkości mniejszej od
znamionowej punkt pracy silnika elektrycznego na charakterystyce
mechanicznej ograniczony jest maksymalnym momentem silnika - tzw.
obszar pracy ze stałym momentem. Przy prędkości
wyższej od znamionowej punkt pracy silnika ograniczony jest maksymalną
mocą silnika i na charakterystyce mechanicznej ograniczony jest krzywą
opisaną wzorem M=P/w, gdzie w to predkość silnika przy stałej mocy
P=const.
Rozpatrując dopuszczalny obszar pracy sinika trzeba uwzględnić to, że
ten obszar pracy może się zmieniać z uwagi na to, że silnik elektryczny
można na pewien czas przeciążyć. W kartach katalogowych silników podaje
się wartość przciążalności silnika i określa sie czas na jak długo
można silnik elektryczny przeciążyć. Np. dla silnika asynchronicznego
klatkowego przeciążalność wynosi około 3 razy moment znamionowy silnika.
Przechodzenie w II strefę regulacji
komplikuje układ sterowania ale
jeśli zrezygnujemy
z zakresu dużych prądości obrotowych to silnik zastosowany w pojeździe
będzie przewymiarowany tj. za duży i co za tym idzie za ciężki.
I tutaj interesującą alternatywą staje się klasyczny silnik
asynchroniczny. Silnik taki ma sprawnośc około 80%, ale są również
produkowane silniki asynchroniczne o wysokiej sprawności około 90%. Np.
produkuje takie silniki firma INDUKTA: http://www.indukta.com.pl/ -
tzw. silniki o podwyższonej sprawności.
Rozważając tak sprawność widać, że silniki z magnesami trwałymi nie są
wcale tak atrakcyjne jeśli dodatkowo uwzględni się ich wysoką, w
porówaniu np z silnikami asynchronicznymi klatkowymi, cenę.
Odnośnie napięcia zasilania silnika to każdy silnik można nawinąć tak
aby dopasować go do poziomu napięcia zasilania z akumulatorów. Jednak
najtańszym rozwiązaniem jest użycie silnika na standardowe napięcie
zasilania. Wydaje się, że najłatwiej jest zastosować napięcie
akumulatorów 300V i standardowy silnik klatkowy 380/220 połączony w
trójkąt. Jest wtedy możliwość wykorzystania standardowego falownika z
tranzystorami IGBT do zasilania silnika asynchronicznego.
Uwaga 1:
Przekształtnik do silnika prądu stałego ma większą sprawność niż
przekształtnik do silnika prądu zmiennego. Wynika to z tego, że w
przypadku napędu prądu stałego jest włączony tylko jeden tranzystor w
szereg z uzwojeniem silnika, natomiast w napędzie prądu zmiennego są
zawsze dwa tranzystory włączone w szereg z uzwojeniem silnika. W
praktyce jednak oba przekształtniki mają dużą sprawność rzędu 90% i
bardziej znaczące są w tym przypadku sprawności silników.
Uwaga 2:
Dla konstruktorów, którzy chcą zbudować pojazd elektryczny możliwie
najtaniej i najprościej właściwe będzie wybranie rozwiązania z
silnikiem szeregowym z wózka widłowego i przerywacza tranzystorowego
tak jak to zrobiono w pojazdach: http://www.samochodyelektryczne.pl/,
http://atol.wsm.gdynia.pl/ev/index.html,
http://www.autoelektryczne.com/.
Moc
pobierana przez silnik z akumulatorów
Pak=Ps/sprS=5010 W
Pobór
prądu z akumulatorów
Jak=Pak/Uak=60 A
Czas
jazdy samochodu elektrycznego przy prędkości V
t=Qak/Jak=3 godz
Zasięg
jazdy pojadu elektrycznego
S=V*t=150 km
Obliczony zasięg
jazdy samochodu elektrycznego o parametrach wymienionych w założeniach
wynosi 150 km.
Zapotrzebowanie na energię takiego pojazdy wynosi więc zaledwie 100
Wh/km!!!
Uwaga 1:
Rzeczywisty zasięg jazdy samochodu elektrycznego w podanych warunkach
bedzie jednak w
rzeczywistosci mniejszy co wynika z tego, że rzeczywista pojemność
akumulatorów bedzie mniejsza a pobór pradu większy niż obliczony.
Wynika to z tego, że
dla akumulatorów trakcyjnych pojemność akumulatorów podawana jest dla
rozładowania pradem 20 lub 5 godzinnym a w przykładzie obliczono czas
rozładowania mniejszy od 3 godz. Przy szybszym rozładowaniu pojemność
akumulatorów jest mniejsza niż podana w założeniach. Pobór prądu będzie
większy niż obliczony, gdyż przy obciążeniu akumulatórw napięcie na
nich jest mniejsze od znamionowego i aby silnik mógł wytworzyć pożądaną
moc na wale przy niższym napięciu zasilania musi pobrać więcej prądu.
Trzeba pamiętać też o tym, że nie zna się najczęściej sprawności
silnika, gdyż ta która podawana jest na tabliczce znamionowej silnika
jest największą sprawnością, która jest tylko przy obciążeniu
znamionowym silnika. Przy mniejszym obciążeniu silnika sprawność
silnika jest mniejsza co należałoby uwzględnić w obliczeniach.
Uwaga 2: Jak można zauważyć duży wpływ na zasięg samochodu ma współczynnik tarcia zależny od jakości odrogi ale też od kół pojazdu. Zwiększenie ciśnienia w ogumieniu i zastosowanie węższych opon zmniejszy ten współczynnik a tym samym wydłuży zasięg pojazdu. Również zmniejszenie masy pojazdu pomoże w wydłużeniu zasięgu jazdy oraz zmniejszenie współczynnika Cx jednak zarówno masę jak i Cx można praktycznie zmienić tylko na etapie projektowania pojazdu.
Uwaga 1: Gdyby do ładowania akumulatorów pojazdu wykorzystać prąd w taryfie nocnej w przypadku posiadania licznika dwutaryfowego, przy którym cena jednostkowa energii wynosi 0.186 zł (III.2007) to wówczas koszt przejechania 100 km pojazdem elektrycznym będzie mniejszy i wyniesie zaledwie 1.98 zł.
Dobrej jakości akumulatory trakcyjne
utrzymują swoją pojemność przez 500 cykli pracy. Cena jednego dobrej
jakości akumulatora trakcyjnego o pojemności 180 Ah i napieciu 6 V
wynosi 370 zł (III.2007). Takich akumulatorów o napięciu 6V musi
być 14 aby uzyskać
napięcie 84V. Daje to koszt zakupu akumulatorów 5180 zł. Na jednym
cyklu
pracy akumulatorów samochód elektryczny powinien przejechać 150 km,
więc przez 500
cykli pracy powinien przejechać 75 tys. km.
Zatem koszt amortyzacji akumulatorów
w przeliczeniu na 100 km wyniesie 6.9zł. Uwzględniając zatem
koszt zużycia energii elektrycznej w nocnej taryfie (1.98 zł za 100km)
przy ładowaniu akumulatorów oraz
koszt amortyzacji akumulatorów to otrzyma się koszt przejechania 100 km wynoszący około
8.9 zł.
Przy założeniu, że cena benzyny wynosi 3.90 zł (III.2007) to odpowiada
to użytkowaniu samochodu spalinowego o zużyciu paliwa 2.3 l/100 km.
Przy samochodzie spalinowym dochodzą jednak jeszcze przynajmniej kosztu
wymiany oleju silnikowego i przeglądów silnika spalinowego. Stanowi to
więc o znaczącej konkurencji samochodu elektrycznego w stosunku do
samochodu
spalinowego.
Znalezione w sieci odnośniki dla zainteresowanych budową małych pojazdów elektrycznych
Strona o pojazdach elektrycznych Pana Zbigniewa Kopcia http://www.samochodyelektryczne.pl/
(pomoc w przerabianiu pojazdów spalinowych na pojazdy elektryczne,
sprzedaż części, naprawy)
Elektryczny Ford - praca dyplomowa studentów z Akademii Morskiej
w Gdyni http://ev.am.gdynia.pl/
Elektryczny Wartburg http://www.autoelektryczne.com/
Różne pojazdy elektryczne, m.in. samobieżny pojazd elektryczny - napęd
bezpośredni z dwoma wolnoobrotowymi silnikami asynchronicznymi
zasilanymi z dwóch falowników tranzystorowych, napięcie akumulatorów
288V http://www.ely.pg.gda.pl/kane/galeria.html
Samochody elektryczne http://www.samochody-elektryczne.pl/
Konwersja aut na EV http://samochody-elektryczne.com
Samochody elektryczne http://www.samochodyelektryczne.org/
Elektryczny Fiat 126p http://elbee.pl/
Wygodne, półpoziome rowery elektryczne http://sites.google.com/site/ergodrive/
Pojazdy alternatywne elektryczne i hybrydowe http://www.erower.prv.pl
Chińskie silniki do pojazdów elektrycznych http://www.Crystalyte.com
Napędy elektryczne do wszelkiego typu rowerów http://www.ekonapedy.com/
(dystrybutor napędów rowerowych Crystalyte w Polsce)
Dystrybutor napędów rowerowych Crystalyte w Nowej Zelandii http://www.nzecobikes.co.nz/
Strona dr. Litwina z Wydziału Oceanotechniki i Okrętownictwa
Politechniki Gdańskiej http://www.pg.gda.pl/~wlitwin/
(Łodzie z napedem elektrycznym zasilane energią słońca, solar powered
boat, łodzie z napędem mięśniowym, )
Samochód elektryczno - spalinowy http://www.espa.prv.pl
Silniki elektryczne małej mocy http://www.elcar.com.pl/
Kompletne rowery elektryczne z silnikiami pradu stalego z magnesami
trwalymi o malych mocach 180W, 250W http://www.interbike.com.pl
Polski samochód elektryczny rodem ze Szwajcarii IMPACT AUTOMOTIVE (Trójkołowy,
dwuosobowy elektryczny pojazd SAMII w układzie tandem)
Riksze www.workbike.org/zero/index.html
Rowery poziome republika.pl/poziome/techno3.htm
Rowery poziome republika.pl/poziome/index.html
Rower trójkołowy http://rydze.internetdsl.pl/trixo/index.htm
Trókołowce poziome www.windcheetah.co.uk
Electric Bikes - linki www.electric-bikes.com
Elementy do rowerów i skuterów elektrycznych (m.in. silniki) http://www.electricbikessys.com/
Lekkie silniki i prądnice z wirnikiem tarczowym do pojazdów
elektrycznych http://www.perm-motor.de/
Lekkie silniki DC z komutatorem i magnesami trwałymi (silnik E-Tek) http://www.greenspeed.us/electric_scooter_e-tek_motor.htm
http://www.specialtyvehiclesonline.com/eprints/briggsandstratton.htm
Napęd ręczno-nożny www.rowbike.com
Porady rowerowe www.rowery.org.pl/porady.htm
Rowery Poziome www.rowerypoziome.z.pl
Rower elektryczny http://www.e-rower.kod.com.pl/
Trzykołowy pojazd napędzany elektrycznie TWIKE
- dwie osoby siedzące obok siebie i możliwość wspomagania napędem
mięśniowym
Bardzo ciekawy trzykołowy pojazd napędzany elektrycznie CREE - dwie osoby w układzie tandem
Pojazdy elektryczne z USA SPARROW , MERLIN
Motory, motorowery i rowery elektryczne z USA http://www.greenspeed.us/
Producent rowerów z napędem elektrycznym Charger Electric Bicycles
Miniskuter z napędem elektrycznym Citybug
Szybki rower elekryczny Slipstream
Electric
Bike
Chińskie rowery elektryczne http://www.china-ebike.com/
Wolnoobrotowe silniki bezszczotkowe http://www.hsk.com.pl/silniki_main.html
Warsztat rowerów nietypowych w Sierakowicach http://www.trop.prv.pl/
Regulatory prędkości do silników AC i DC w pojazdach
elektrycznych http://www.curtisinst.com
Wyposażenie do pojazdów z zasilaniem akumulatorowym http://www.sevcon.com/
Polski producent elektrycznych wózków golfowych http://www.melex.com.pl
Skup i przedaż używanych melexów http://www.melexem.com
lub http://www.melexem.republika.pl/
Napędy elektryczne do wszelkiego typu rowerów http://www.ekonapedy.com/
Ekologiczne pojazdy http://darmowa-energia.eko.org.pl/pliki/ekoauto.html
Darmowa energia http://darmowa-energia.eko.org.pl/
Forum konstruktorów pojazdów elektrycznych http://forum.arbiter.pl/
Baterie przemysłowe http://www.baterie.com.pl/
O pojazdach elektrycznych http://www.xdave.webpark.pl/
Własne konstrukcje pojazdów elektrycznych w Polsce http://www.xlabs.anubisdev.com/polskiepoj.html
Pojazdy elektryczne http://ueiep.iee.put.poznan.pl/absolwenci2002/fdankowski/
Rowerem po szynach http://rrbike.freeservers.com/
Fabryka Maszyn w Leżajsku - producent przemysłowych wózków
elektrycznych http://www.fml.intertele.pl/
Dane silników stosowanych w Melexach i przemysłowych wózkach
elektrycznych (silniki są polskie najprawdopodobniej z firmy BISON-BIAL ale jedyne dane jakie
znalazłem są na stonie sprzedawcy w Rosji) http://www.oktais.ru/engines/_index.htm
Amerykańskie wózki golfowe http://www.lincolngolf.com/index.htm
Elektryczny rower górski http://www.users.freenetname.co.uk/~cookm/noisy/bike.htm
Różne pojazdy elektryczne fabryczne, modyfikowane i całkowicie własnej
produkcji http://www.austinev.org/evalbum/index.html
Zbiór różnych rowerów elektrycznych http://electric-bicycle-experiments.com/
Elektryczny dragster http://www.elteknik.chalmers.se/~dragster/
Części do różnych wóżków golfowych, m.in. mocniejsze silniki DC do
Melexa http://www.cartszone.com/
Forum elektryczne i elektroniczne, m.in. o pojazdach elektrycznych http://www.elektroda.pl/
Amerykańskie wózki golfowe Club Car - dystrubutor w Polsce http://www.electrocar.pl/
Prototypy samochodów elektrycznych http://www.elweb.info/data/prototypen.htm
Mitsubishi z silnikami elektrycznymi w kołach http://www.elweb.info/data/mitsubishi/lancer2005/
Autobusy elektryczne z bateriami litowymi http://www.thunder-sky.com/en/vehicle.htm
Zasięgi pojazdów elektrycznych http://pubs.acs.org/hotartcl/cenear/971013/electric.html
Silnik elektryczny w kole samochodu http://www.e-traction.com/TheWheel.htm
Pojazdy elektryczne w UK http://www.evuk.co.uk/
m.in. super rowerek elektryczny http://www.evuk.co.uk/hotwires/rawstuff/art58.html
opisany dokładniej również tutaj http://www.austinev.org/evalbum/465.html
Hiszpańska strona o pojazdach elektrycznych http://www.adts.info/rallysolar2003/participans.htm
Pojazdy elektryczne i mięśniowe http://www.didik.com/
Niemieckie napędy do rowerów elektrycznych Heinzmann
Elektryczne samochodziki,
motorowery, rowery itp. ZAP
Electric Bikes
Amerykańskie baterie trakcyjne m.in. stosowane w Melexach http://www.trojanbattery.com/
Amerykańska strona o pojazdach
elektrycznych http://www.ev-america.com
Program ADVISOR do symulacji m.in. pojazdów elektrycznych i
hybrydowych z wykorzystaniem Matlaba i Simulinka http://www.ctts.nrel.gov/analysis/
Symulator do pojazdów elektrycznych ETDSim http://www.enigmaindustries.com/EDTSim.htm
Bardzo szczegółowy opis konwersji napędu samochodu spalinowego na
elektryczny z Nowej Zelandii http://www.kiwiev.com/