Prvý ľahký terénny elektromobil s druhou generáciou elektrického pohonného systému

Na základe úspešnej prezentácie motokáry s elektrickým pohonom na výstave ELOSYS 2014 v Trenčíne sa vytvorila skupina študentov piateho ročníka odboru Aplikovaná mechatronika so zameraním  na automobilovú mechtroniku, ktorá sa rozhodla pokračovať v stavbe vozidiel s elektrickým pohonom vyššej generácie.

Ing. Martin Bugár, PhD.
prof. Ing. Viktor Ferencey, CSc.

Myšlienka a zámer boli natoľko zaujímavé, že šesť študentov druhého ročníka inžinierskeho štúdia   sa rozhodlo  vypracovať diplomové  práce, ktoré sa týkali návrhu koncepcie a systémov elektrického pohonu druhej generácie pre ľahké terénne vozidlo. Vznikol tak projekt výskumu a vývoja ako aj  šesť tém na diplomové práce pre  daných študentov, ktorí  boli vedení  pracovníkmi ÚAMT, FEI, STU v Bratislave.

Projekt pozostával z fázy teoretického návrhu koncepcie, jednotlivých systémov elektrického pohonu, energetického systému, senzorickej a riadiacej časti.

Počas teoretickej fázy boli využité poznatky z mechaniky, elektroniky, senzoriky, energetiky a iných vedných odborov,  ktoré sú v súčasnosti integrované do jedného celku, ktorým je rýchlo sa vyvíjajúci odbor Mechatronika.

 

3D vizualizácia  pohonného - trakčného systému pohonu a kombinovaného elektrického energetického systému malého elektromobilu 

Kde: 1- Hlavný spínač aktivácie pohonu, 2- Spínač aktivácie rekuperácie, 3- Riadiaca jednotka pohonného systému s implementovanými algoritmami, 4- Systém riadenia, 5- Systém pruženia, 6- Spínač aktivácie reverzného chodu, 7- BMS systém, 8- Akumulátorový systém, 9- Superkondenzátorový systém, 10- Kontrolér BLDC elektromotora/generátora, 11- BLDC elektromotor/generátor, 12- Prevodový systém s rozvodovkou a diferenciálom

Na základe poznatkov pedagógov a študentov boli spracované  topologické a fyzikálne modely, matematické modely a realizované simulačné výpočty. Na základe  navrhovaných elektronických komponentov a systémov boli spracované virtuálne modely a algoritmy ich riadenia, ktoré vyústili ku komplexnému návrhu  elektrického pohonného systému druhej generácie pre  ľahké terénne vozidlo ktorého výskum a vývoj bol realizovaný na akademickej pôde FEI STU v Bratislave.

Elektrický pohonný systém druhej generácie pre ľahké terénne vozidlo bol vyvinutý do termínu obhajob inžinierskeho štúdia. Diplomové práce boli úspešne obhájené a teoretické poznatky boli aplikované a overené na reálnom produkte.

K technickým zaujímavostiam elektrického pohonného systému druhej generácie patria predovšetkým: 

Progresívny kombinovaný elektrický energetický systém

Systémové riešenie prepojenia primárneho energetického systému - akumulátorov LiFePO4 a sekundárneho energetického systému - superkondenzátorov.

Maximálny poskytovaný elektrický výkon pre trakčný systém prostredníctvom paralelného zapojenia moderného akumulátorového systému s energetickou kapacitou 2,8 kWh a superkondenzátorovým systémom s výkonovou kapacitou 60 kW.

Energetický systém umožňujúci dobíjanie vysokými hodnotami výkonov  prostredníctvom rekuperačného brzdenia.

Stabilné vykrívanie výkonových špičiek počas akcelerácie a tak plne využívať maximálnu hodnotu poskytovaného krútiaceho momentu elektromotora od nulových otáčok.

Maximalizovaný dojazd a prevázdkovým čas elektromobilu na základe dimenzovania kombinovaného elektrického energetického systému.

Optimalizované vybíjacie a nabíjacie parametre kombinovaného energetického systému tak, aby bola zabezpečená:

•  maximálna spoľahlivosť prevádzky kombinovaného energetického systému.
•  maximálna životnosť kombinovaného energetického systému.

Vlastný návrh systému kontroly akumulátorového systému – BMS systému definujúci riadiace signály pre bezpečnostné prvky celého energetického systému a trakčného systému pohonu.

Elektrický trakčný pohon DRUHEJ GENERÁCIE malého elektromobilu

Inovatívna integrácia BLDC elektromotora/generátora do systému CVT prevodovky a rozvodového systému s mechanickým diferenciálom.

BLDC elektromotor/generátor s riadiacim kontrolérom umožňuje rekuperačné brzdenie – brzdné spomalenie vyvodzované kolesami zadnej nápravy elektromobilu prepojených prostredníctvom diferenciálu a rozvodovky s elektrickým trakčným systémom pohonu.

• Elektrický trakčný pohon je konštrukčne optimalizovaný s cieľom minimalizovania vibrácií do platformy elektromobilu počas prevádzky vo všetkých prevádzkových režimoch.  
• Vlastný návrh riadiacej jednotky regulácie elektrického trakčného pohonu pre optimalizovanie jazdnej dynamiky elektromobilu.

Inovatívne konštrukčné riešenia pre danú koncepciu malého elektromobilu

Konštrukčné návrhy a realizácia umiestnenia jednotlivých komponentov kombinovaného elektrického energetického systému a trakčného systému pohonu boli vykonané na základe detailných analýz s ohľadom na:

• Maximálnu bezpečnosť osádky elektromobilu s cieľom izolovať výkonové systémy od vodiča a spolujazdca.
• Zabezpečenie EMC – elektromagnetickej kompatibility – minimalizácia vzájomného rušenia jednotlivých elektrických systémov a tak zabezpečenie spoľahlivej prevázdky vo všetkých jadzných režimoch.
• Najefetívnejšie rozloženie hmotnosti medzi prednou a zadnou nápravou elektromobilu.
• Prístup  k jednotlivým systémom trakčného pohonu a energetického systému s dôvodu údržby a diagnostiky. 

Technické parametre malého elektromobilu

• Nominálne napätie primárneho energetického systému (akumulátorov): 88 V
• Operačné napätie primárneho energetického systému (akumulátorov): 62 V ~ 90 V
• Energetická kapacita primárneho energetického systému (akumulátorov): 2,8 kWh
• Výkon sekundárneho energetického systému (superkondenzátorov): 60kW
• Operačné napätie sekundárneho energetického systému (superkondenátorov): 0V ~ 96 V
• Operačné napätie riadiaceho kontroléra BLDC elektromotora/generátora:  60 V ~ 90 V
• Rozsah otáčok BLDC elektromotora/generátora:  0 min^-1 ~ 6000 min^-1
• Nominálny točivý moment BLDC elektromotora/generátora: 15 Nm
• Maximálny – špičkový točivý moment BLDC elektromotora/generátora: 30 Nm
• Nominálny výkon BLDC elektromotora/generátora: 5 kW
• Maximálny – špičkový výkon BLDC elektromotora/generátora: 10 kW
• Rekuperacný moment BLDC elektromotora/generátora: 10 Nm
• Rekuperačný výkon riadiaceho kontroléra BLDC elektromotora/generátora: ~ 1,8 kW 

Prevádzkové parametre (teoretické) malého elektromobilu

• Operačný čas: 15 ~ 45 minút (v závislosti na povrchu a prevádzkových podmienkach – dynamike jazdy)
• Akčný (operačný) rádius: 10 ~ 90 km ( v závislosti na povrchu a prevádzkových podmienkach – dynamike jazdy)
• Nabitie na 50 kapacity primárneho energetického systému: ~ 80 minút
• Nabitie na 90 kapacity primárneho energetického systému: ~ 300 minút
• Nabitie na 100 kapacity primárneho energetického systému: ~ 360 minút
• Maximálna rýchlosť ( spevnená, rovná vozovka ): ~ 55 km/h
• Zrýchlenie na 30 km/h: ~ 3 sekundy
• Zrýchlenie na 55 km/h: ~ 6 sekúnd
• Minimálny polomer zatočenia: ~ 3 metre
• Maximálna stúpavosť: ~ 35 stupňov

 

Blokový diagram pohonného - trakčného systému pohonu a kombinovaného elektrického energetického systému

Kde: EM/G – BLDC (Brushless Direct Current – bezkefový jednosmerný) elektrický elektromotor/generátor, AS – primárny akumulátorový systém, SCS – sekundárny superkondenzátorový systém, BMS (Battery Management System) – systém kontroly akumulátorového systému, SCMS (supercapacitor Management System) – systém kontroly superkondentátorového systému, VR_AS – výkonové relé pripínania a odpínania akumulátorového systému, VR_SCS – výkonové relé pripínania a odpínania superkondenzátorového systému, DC/DC (Direct Current / Direct Current) – menič stabilizujúci vstupné jednosmerné napätie na inú hodnotu výstupného  jednosmerného napätia, 125A POISTKA_AS – bezpečnostná 125 ampérová poistka akumulátorového systému.

 Blokový diagram mechanických prvkov a väzieb elektrického trakčného systému pohonu