hİbrİd ve elektrİklİ araÇlar - abdullahdemir.net · forwards and counter-clockwise to reverse...

HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR

«Her tercih bir vazgeçiştir»

Abdullah DEMİR, Dr.

ELEKTRİK MOTORLARI

Electrification Level of EVs

Electric Vehicle Architectures, Nan Qin, Electric Vehicle Transportation Center, Oct. 17 2016.

DOĞRU AKIM

ÖN BİLGİDoğru Akım: Zamanla yönü ve şiddetideğişmeyen akıma doğru akım denir. İngilizce“Direct Current” kelimelerinin kısaltılması“DC” ile gösterilir.DC üreten kaynaklar şu şekildesıralanabilir:Pil: Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisinedönüştüren araçlara pil adı verilir.Akü: Kimyasal yolla elektrik enerjisi üretenaraçtır.Dinamo: Hareket enerjisini DC elektrikenerjisine çeviren ünitelerdir.Doğrultmaç devresi: Alternatif akımelektrik enerjisini DC elektrik enerjisineçeviren devrelerdir.Güneş pili: Güneş enerjisini DC elektrikenerjisine çeviren elemanlara güneş pilidenir.

Doğru akımın yaygın olarakkullanıldığı alanlar:• Haberleşme cihazlarında

(telekomünikasyonda)• Radyo, teyp, televizyon, gibi

elektronik cihazlarda• Redresörlü kaynak

makinelerinde• Maden arıtma (elektroliz) ve

maden kaplamacılığında(galvonoteknik )

• Elektrikli taşıtlarda (tren,tramvay, metro)

• Elektro-mıknatıslarda• DC elektrik motorlarında

ALTERNATİF AKIM

Alternatif Akımın TanımıZaman içerisinde yönü ve şiddeti belli birdüzen içerisinde değişen akıma alternatifakım denir.Alternatif Akımın Elde EdilmesiAlternatif akım ya da gerilimin eldeedilmesinde alternatör denilen aygıtlarkullanılır.Not: Bilindiği gibi DC akım/gerilim değerisabittir. Örneğin 1 V DC dediğimizde DCgerilimin 1 V olduğu anlaşılmaktadır. FakatAC’de akım/ve gerilim değerleri süreklideğişmektedir. Bu yüzden AC’yi ifade etmekiçin çeşitli değerler kullanılmaktadır.Bunlar ani değer, maksimum (tepe) değer,tepeden tepeye değer, ortalama değer veetkin değerdir.

Frekans: Frekans, sinüssinyalinin bir saniyedetekrarlanan saykıl sayısıdır.Periyot: Bir saykılıngerçekleşmesi için geçensüreye periyot denir. Periyotbirimi saniye (s) dir ve “T” ilegösterilir.

TEMEL BİLGİLER – Alternatif Akım

Sinüs dalgasında alternans

Sinüs dalgasında periyot

Power Electronics

Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

Types of power converters: Power converters are usually classified bytheir input and output. Since the input and output of a power convertercan be either AC or DC, there can be four types of power converters:• DC–DC converter• DC–AC inverter• AC–DC rectifier• AC–AC cycloconverter.The first three types of power converters are all used in HEVs. Thefourth type, the AC–AC cycloconverter, is only used in high‐power AC–AC systems to control the voltage magnitude and frequency of largemotors. However, AC–AC conversion involving an AC–DC circuit and aDC–AC circuit is not unusual. Depending on the powertrainconfiguration and the level of hybridization, an HEV can involve one ormore power converters of different types.

Inverter: convert DC to ACDC/DC converters: increase or decrease battery voltages

Rectifiers (on-board chargers): convert AC from electric grid to DC.

Güç Kontrol Sistemleri

Elektrikli Araçlar, TÜBİTAK

Elektrikli araç teknolojileri içerisinde güç elektroniği devreleri önemli bir yertutmaktadır. MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor),IGBT (Insulated gate bipolar transistor), IGCT (Insulated gate controlledthyristor) ve MCT (mos controlled thyristor) gibi yarı iletken anahtarlarıngeliştirilmesi ile elektrik sistemlerinin kontrolünde önemli gelişmelersağlanmıştır. Tahrik sisteminin kontrolü, üretilen AC gerilimin DC’yeçevrilmesi, yakıt pili çıkış geriliminin düzenlenmesi, akü şarjının uygunyöntemlerle sağlanması vb., klasik güç elektroniği devrelerinin çeşitlikontrol yöntemleri kullanılarak kontrol edilmesiyle başarılmaktadır.Elektrikli araçlarda kullanılan güç kontrol sistemleri, klasik güç elektroniğidevrelerinden oluşmaktadır. Bu devreler 4 ana başlık altında incelenebilir;• Doğrultucular (AC/DC)• Çeviriciler (DC/DC)• Eviriciler (DC/AC)• Kıyıcılar (AC/AC)AC/AC kıyıcılar, elektrikli araçlarda uygulama alanına sahip olmadığından bubölümde incelenmeyecektir.



DoğrultucularAlternatif gerilimin doğru gerilime dönüştürülmesinde doğrultucularkullanılmaktadır. Doğrultucular kontrollü ve kontrolsüz olmak üzere 2 grubaayrılmaktadırlar. İsimlerinden de anlaşılacağı gibi kontrolsüz doğrultuculardaçıkış gerilimi kontrol edilmemekte ve ortalama çıkış gerilimi AC kaynaktakigerilim değişimlerinden ve yükten etkilenmektedir. Kontrollüdoğrultucularda ise kullanılan yarı iletken anahtarların anahtarlamaaçılarının kontrol edilmesiyle çıkış gerilimi ayarlanabilir sabit değerlerdetutulabilmektedir.HEA’larda doğrultucular, AC generatör kullanılması durumunda, çıkışgeriliminin DC baraya bağlanmadan önce doğrultulmasında kullanılır. Budoğrultucuların AC/DC dönüşümünün yanında bir diğer önemli özelliği enerjiyönetim (energy management) sistemi olarak ta görev yapmasıdır.Pek çok uygulamada DC baraya bağlı olan akülerin şarj ve deşarjınınkontrolünde DC/DC çevirici kullanmak yerine, çıkış gerilimi değiştirilebilirdoğrultucular kullanılmaktadır.



EviricilerEviriciler DC giriş gerilimini AC’ye çeviren güç elektroniği devreleridir.Elektrikli taşıt tahrik sistemlerinde, 3 fazlı gerilim beslemeli PWM(Darbe genişlik modülasyonu) eviriciler asenkron, sürekli mıknatıslımotor kontrollerinde kullanılmaktadır. Günümüzde anahtarlamaelamanı olarak çoğunlukla IGBT’ler tercih edilmektedir. Genel olaraktüm güç elektroniği devrelerinde kullanılan anahtarların nominalgerilimi, anahtarlama sırasında oluşan gerilim yükselmelerinedeniyle, bara geriliminin iki katı kadar seçilir.İdeal eviricinin çıkış gerilimi sinüzoidal dalga şeklinde olmalıdır.Ancak uygulamada tam olarak sinüzoidal değildir ve harmonikleriçerir. Çıkış gerilimindeki bu harmonikler, yüksek hızlı yarı iletkenanahtarların çeşitli anahtarlama teknikleri kullanılarak kontroledilmesiyle azaltılabilir. Bunun yanında, bazı uygulamalarda, çıkışıkare dalga olan eviricilerde kullanılmaktadır. Anahtarlama içinkullanılan çeşitli PWM tekniklerinden bazıları, sinüzoidal PWM,histerisiz bant PWM ve uzay vektörü PWM’dir.



ÇeviricilerDC-DC çevirici olarak da tanımlanan çeviricilerçoğunlukla regüle edilmemiş DC gerilim kaynağının,kontrollü bir biçimde sabit DC gerilime dönüştürülmesiiçin kullanılırlar. Regüle edilmemiş DC gerilim, genelliklebir kontrolsüz doğrultucu ile sağlanır. Aküler ve yakıtpilleri de regüle edilmemiş DC gerilim kaynağıdır.Çeviricilerin genel çalışma prensibi belirli bir periyotiçerisinde yarı iletken anahtarın iletime ve kesimegeçmesi ve sonucunda da ortalaması giriş gerilimindenfarklı bir çıkış geriliminin sağlanmasıdır.

The Main Components of an Electric Vehicle

Self Study Program 820233, Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

The electric vehicle drive system includes:• High-voltage battery with control unit for battery

regulation and charger• Electric motor/generator with electronic control (power

electronics) and cooling system• Transmission including the differential• Brake system• High-voltage air conditioning for vehicle interior climate

control


7 Cooling system8 Brake system9 High-voltage air conditioner compressor10 High-voltage heating11 Battery charger12 Charging contact for external charging13 External charging source

1 Electric motor/generator2 Transmission with differential3 Power electronics4 High-voltage lines5 High-voltage battery6 Electronics box with control unit for battery regulation

The Electric Motor/Generator


Three-phase synchronous motors are often used as the electricmotor/generator. A three-phase motor is powered by a three-phasealternating current. It works with three coils that are arranged in a circlearound the rotor to form the stator and are each electrically connected to oneof the three phases. Several pairs of permanent magnets are located on therotor in this synchronous motor. Since the three coils are suppliedsequentially with a current, together they generate a rotating electrical fieldthat causes the rotor to rotate when the electric motor/ generator is used todrive the vehicle. When used as an alternator, the movement of the rotorinduces a three-phase alternating voltage in the coils that is transformed intoa direct voltage for the high-voltage battery in the power electronics.Normally so-called “synchronous motors” are used in vehicles. In this context,the term “synchronous” means “running in synchronism” and refers to theratio of the rotation speed of the energised field in the stator coils to therotation speed of the rotor with its permanent magnets.The advantage of synchronous motors compared with asynchronous motorsis the more precise control of the motor in automobile applications

The Electric Motor/Generator


The term electric motor/generator is used instead of alternator,electric motor and starter. In principle, any electric motor can alsobe used as an alternator. When the electric motor/generator isdriven mechanically, it supplies electrical energy as an alternator.When the electric motor/generator is supplied with an electricalcurrent, it works as a drive.Electric motors/generators used for propulsion are water-cooled.Air cooling would also be possible but complex due to space andthe amount of heat generated.In full hybrid vehicles (HEV), the electric motor/generator alsofunctions as the starter for the combustion engine.

Strengths of the Electric Motor/Generator


The electric motor/generator is very environmentally compatible thanks to thelack of noise and harmful emissions. The electric motor/generator respondsquickly, has good acceleration figures and a high level of efficiency. In contrastto combustion engines, electric motors supply their nominal power steplesslyover a broad rpm range. The maximum torque is available even at low rpm (i.e.when pulling away) and only drops once the motor reaches very high speeds.As a result, neither a manually operated transmission, an automatictransmission nor a clutch are required. The direction of rotation of an electricdrive motor is freely selectable. It can turn clockwise to move the vehicleforwards and counter-clockwise to reverse it. Electric motors startautomatically. A separate starter motor is not required. Electric motors have asimpler design and have considerably fewer moving parts than internal-combustion engines. Only the rotor with its permanent magnets rotates insidethe electric motor/generator. There are no vibrating masses as in internalcombustion engines. Oil changes are not necessary as lubricating oil is notrequired. Consequently electrically powered vehicles are low-maintenance interms of their drive unit.

Comparison of Torque Development


Electric Drive MotorThe electric drive motor (a) reachesits maximum torque as early as thefirst revolution. It does not require astart-up phase to reach idling speed.Once a specific rpm figure has beenreached, the available torque falls asthe revs increase. This motor speedis approximately 14,000 rpm. Thesecharacteristics of an electric drivemotor mean that a complextransmission is not required.

Internal-Combustion Engine: The internal-combustion engine (b) requires an idlingspeed to produce a torque. The available torque increases when the engine speed isincreased. In addition, this characteristic of the internal-combustion engine requires atransmission with several gear ratios. The torque is transferred to the transmissionvia a clutch or a torque converter.

Basics of Electromobility


Electric motor/generator (1)Rotor (2)Stator (3)Power electronics (4)High-voltage battery (5)


What Does High Voltage Mean? Vehicles with high-voltage systems (HV)have components that work with voltagesabove 60V direct voltage or 25Valternating voltage. Some of thecomponents in these vehicles require ahigh level of electrical power. The high-voltage systems in vehicles work withdirect voltages of up to 650V and very highpeak currents.


While the circuit in the 12 V onboard supply normallyruns via the vehicle ground, all high-voltagecomponents have two wires that form the electricalcircuit. There is no connection to the body ground.

The Electrical Isolation of the High-Voltage System and 12 V Onboard Supply

Drive Train Configurations


An electric vehicle is driven by at least one electric drive motor. It can be configured as afour-wheel drive vehicle or with one drive axle. Other hybrid variations are also possible.The two main concepts are described in this section.1. Drive with in-wheel motors2. Drive with just one electric drive motor in the central drive train

Design: The wheels are connected directly to the in-wheel motors. The in-wheel concept is used for electric scooters, electric bicycles and electrically driven wheel chairs.

Features• No drive shafts are required• No differential transmission required



Advantages• Four-wheel drive is technically possible• Output axles of the in-wheel motors are directly on the wheel• High efficiency because there are hardly any mechanical losses• Possibility of regenerative braking

Disadvantages• Unsprung masses in the wheel are greater than wheels on a conventional vehicle• High mass of driven components (inertia and torque of whole vehicle affected)• New vehicle design required• Control is complex, both electric motors must run synchronously• Combination with a hydraulic friction brake is still currently necessary• Limited space on the wheel

ÖN BİLGİ: ELEKTRİK MOTORLARI

R. Fischer, Schaeffler’s wheel hub drives, 2014

Cross-section through the drive positioned close to the wheel from the FAIR project

Design of Schaeffler’s wheel hub drive

ÖN BİLGİ: ELEKTRİK MOTORLARI

https://automotivemanufacturingsolutions.com/technology/driving-the-future

Wheel Hub Drive

Wheel hub drives are particularly attractive for small, highly maneuverable city vehicleswith battery-electric drive. The use of a wheel hub drive has various advantages fordrivers:• Usable space is gained in the vehicle body. No “engine compartment” is required,

which means new body designs are possible.• The wheel turning angle can be increased because drive shafts are not required.

Maneuverability is significantly improved from the customer’s perspective. This alsoapplies when the vehicle has a driven rear axle because targeted assisted steering withtorque vectoring can be operated on road surfaces with a low friction coefficient.

• Driving pleasure and safety are increased because the control quality of the drive ishigher than that of central drive systems because power is transmitted directlywithout a transmission and side shafts. These conventional target values ofautomobile development will be decisive for achieving customer acceptance of smallcity cars. In our opinion, electric vehicles will not be marketable on solely rationalgrounds – small traffic area and a good CO2 footprint.

• Driving will be significantly simpler: For example, when starting on ice only themaximum transmissible torque is applied even if the accelerator pedal is fullydepressed.

• Last but not least, passive safety is also increased because conventional drive unitswith high masses fitted in the engine compartment will no longer enter the vehicleinterior if a frontal impact occurs [2].


TO SUM UP: Wheel-hub Drive


• Independent control of each driving wheel• Elimination of differential and driving shafts.

• Popular design in electric scooters.

TO SUM UP: Wheel-hub Drive Derivatives


The EMs are connected to wheels through reducer gears and drive shaft.

Mercedes-Benz SLS AMC E-Cell vehicle



Drive with Electric Motor in Central Drive Train


Design: The electric motor/generator drives a transmission, the drive shafts and thewheels.In a pure electrically powered vehicle, a reduction transmission is used. Four-wheeldrive can be added with a drive shaft from the front axle. Another possibility is to usea second electric motor.Features• Two drive shafts on each driven axle• A differential on each driven axle• Driveshaft requiredAdvantages• Single-axle drive simple to design• Four-wheel drive is possible• Combination as hybrid drive (HEV / PHEV / RXHEV) possible• Integration in existing vehicle concept is possibleDisadvantages• Output shaft of central electric motor/generator is not on the drive axles.• Differential required• Reduction gear required

Drive with Electric Motor in Central Drive Train

ELEKTRİK MOTORLARI

Elektrikli araç tahrik sistemlerinde başlıca 4 elektrik motorukullanılmaktadır.• DC motor• Asenkron motor• Sürekli mıknatıslı motor• Anahtarlamalı relüktans motoru

Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi

EV’lerde Kullanılan Elektrik Motorları• Asenkron Motor (Induction Motor)• Sürekli Mıknatıslı Fırçasız Senkron

Motor (BLSM)• Sürekli Mıknatıslı Fırçasız DA Motoru

(BLDCM)• Anahtarlamalı Relüktans Motoru (SRM)

• Induction machines• permanent magnet (PM)

synchronous machines• PM brushless DC machines and • switched reluctance machines

(SRMs)

Senkron ve Asenkron KavramıAlternatif akım makinelerinin isimlendirilmesi ürettikleridöner manyetik alanın (stator manyetik alanı), dönermekanik kısım (rotor) ile eş zamanlı oluşu yadaolmayışına göredir.Senkron: Uyumlu Olan, Eş zamanlı olanAsenkron: Uyumlu Olmayan, Eş zamanlı olmayanSenkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısımdevrine eşit olan makine.Asenkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısımdevrinden her zaman büyük olan makine.

Electric Machines (EM)

Electric Vehicle Architectures, Nan Qin, Electric Vehicle Transportation Center, Oct. 17 2016,

ELEKTRİK MOTORLARI

• Traction motors integrated into the transmissiondominate in the hybrid and electric vehicles currentlyproduced.

• Conventional electric drives are currently designed ascenter drives.

• The electric motor can be used in combination with alightweight differential to control the distribution oftorque to individual wheels. This type of electric axle isparticularly suitable for sporty electric vehicles andvehicles suitable for covering long distances with aplug-in hybrid drive.



Load and engine characteristics of a vehicle

ICE torque–speed characteristics


A 55 kW ICE’s torque–speed and power–speedcharacteristics with different throttle angles of 80° and 90°are shown in Figure B. This plot is obtained by using a two‐dimensional lookup table [14]. Figure A clearly indicatesthat, for high‐torque outputs, the ICE must be operated atmoderate speeds. Also, the efficiency of the ICE is high atmoderate speeds. In the ELPH control strategy, the ICEneeds to be sized so as to provide the road load power andto recharge the batteries. From Figure B, to achieve 160km/h on ICE alone the power needed is 45 kW. If weassume an extra power demand of 10 kW for hotel loadssuch as air‐conditioner, lighting, and other auxiliary loads,then the size of the ICE needs to be at least 55 kW.

ICE torque–speed characteristics (Figure A)


Vehicle power demand at zero acceleration with vehicle speed at different road grades (Figure B)


Example tractive force and vehicle velocity curve corresponding to electric traction motor


The power ratings of the ICE and the electric motor are estimatedbased on vehicle performance requirements or specifications. First, anelectric motor is designed based on the ELPH strategy, which meetsboth the acceleration and the road load requirements. The motoroperates in three regions as shown in Figure C, according to thedifferent vehicle speed range. The motor is a variable frequencyinduction‐type motor [13]. The first region, called the constanttorque/ force region, extends from 0 to the rated motor speed (vrm),corresponding to the motor rated power. From the base speed up tothe maximum speed (vn), the motor runs in the constant powerregion. The motor runs in the natural mode if it is operated beyondvn. The torque decreases roughly according to the inverse of speedsquared in this high‐speed region. Note that the natural mode is notshown in the figure and vrv represents the vehicle’s rated speed.Generally, the motor is operated in the constant torque region forrapid acceleration.

electrically peaking hybrid - ELPH

Example tractive force and vehicle velocity curve corresponding to electric traction motor (Figure C)


ELEKTRİK MOTORLARI

Advances in electric machines, along with progress in power electronics,are the key enablers for electric, hybrid electric, and plug-in hybridelectric vehicles (HEVs). Induction machines, permanent magnet (PM)synchronous machines, PM brushless DC machines, and switchedreluctance machines (SRMs) have all been considered in various types ofvehicle powertrain applications [1–20]. Brushed DC motors, once popularfor traction applications such as in streetcars, are no longer considered aproper choice due to the bulky construction, low efficiency, the need formaintenance of the brush and commutator, high electromagneticinterference (EMI), low reliability, and limited speed range.When using electric motors for powertrain applications, there are a fewpossible configurations. Today’s electric motors, combined with invertersand associated controllers, have a wide speed range for constant torqueoperations, and an extended speed range for constant power operations,which make the design of the powertrain much easier.

Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao, “Hybrid Electric Vehicles - Principles And Applications With Practical Perspectives”, ISBN 978-0-470-74773-5, 2011.

Depending on the configuration of the hybrid powertrain, the designand selection of electric motor drives can also be different. Forexample, for series hybrid vehicles, the powertrain motor needs tobe able to provide the required torque and speed for all drivingconditions. Hence, the size of the motor will be fairly large, usuallyrated at 100 kW or more for passenger cars. A PM motor or aninduction motor is the preferred choice. For mild and micro hybrids,only a small-size motor of a few kilowatts is required. Therefore themotor can be a claw pole DC motor, or a switched reluctance motor.

Traditional automatic transmission or continuous variabletransmission (CVT) used in conventional cars are no longer required inelectric vehicles (EVs) and many HEVs. However, a fixed gear ratiospeed reduction is often necessary. This is due to the fact that a high-speed motor has smaller size and less weight than a low-speedmachine. A two-speed automatic transmission may be beneficial insaving vehicle energy consumption.

ELEKTRİK MOTORLARI


ASEKRON MOTORLAR


ASEKRON MOTORLAR


• Basit Yapı• Kolay Üretim• Ucuzluk• Oturmuş teknoloji• Moment üretim kapasitesi orta düzeyde• Göreli olarak yüksek ısınma• Geri kazanım özelliği orta düzeyde• Örnek uygulama: TeslaEV

Induction Motor (Asenkron Motor) DrivesInduction motors are popular choices for traction applications dueto their robust construction, low cost, wide field weakeningrange, and high reliability. Especially for EVs, PHEVs, and HEVs thatrequires a high-power motor, induction motors can provide morereliable operation than other types of electric motors [21–37].However, when compared to PM motors, induction motors havelower efficiency and less torque density.Typical induction motors used for traction applications are squirrelcage induction motors. An inverter is used to control the motor sothat the desired torque can be delivered for a given drivingcondition at a certain speed. Advanced control methodologies,such as vector control, direct torque control, and field-orientedcontrol, are popular in induction motor control for tractionapplications.


ASEKRON MOTORLAR

PM motors are the most popular choices for EV and HEV powertrain applications dueto their high efficiency, compact size, high torque at low speeds, and ease ofcontrol for regenerative braking [43–90]. The PM motor in a HEV powertrain isoperated either as a motor during normal driving or as a generator duringregenerative braking and power splitting, as required by the vehicle operations andcontrol strategies. PM motors with higher power densities are also now increasinglythe choice for aircraft, marine, naval, and space applications.The most commercially used PM material in traction drive motors is neodymium–ferrite–boron (Nd–Fe–B). This material has a very low Curie temperature andhigh temperature sensitivity. It is often necessary to increase the size of magnets toavoid demagnetization at high temperatures and high currents. On the other hand, it isadvantageous to use as little PM material as possible in order to reduce the costwithout sacrificing the performance of the machine.

PERMANENT MAGNET MOTOR DRIVES


Not: Curie sıcaklığı, ferromanyetik bir maddenin, kalıcı mıknatıslığınıyitirip paramanyetik hale geçtiği kritik sıcaklıktır. Curie sıcaklığının üstünde,ısı enerjisi manyetik momentlerin rastgele yönelmelerine sebep olur ve maddeparamanyetik hale geçer. Paramanyetizma alanında çalışan Pierre Curie'ninanısına bu sıcaklığa Curie sıcaklığı denmektedir.

http://tr.wikipedia.org/wiki/Ferromanyetik

http://tr.wikipedia.org/wiki/Paramanyetik

http://tr.wikipedia.org/wiki/Pierre_Curie

Basic Configuration of PM MotorsWhen PMs are used to generate the magnetic field in an electric machine, it becomesa PM motor. Both DC and AC motors can be made with PMs. Only PMsynchronous motors and PM brushless DC motors are chosen for moderntraction drives.A PM synchronous motor contains a rotor and a stator, with the stator similar tothat of an induction motor, and the rotor contains the PMs. From the section oninduction motors, we know that the three-phase winding, with three-phasesymmetrical AC supply, will generate a rotating magnetic field. To generate aconstant average torque, the rotor must follow the stator field and rotate at thesame synchronous speed. This is also why these machines are called PMsynchronous motors.There are different ways to place the magnets on the rotor, as shown in Figure 2. Ifthe magnets are glued on the surface of the rotor, it is called a surfaced-mountedPM motor or SPM motor. If the magnets are inserted inside the rotor in the pre-cutslots, then it is called an interior permanent magnet motor or IPM motor.For a SPM motor, the rotor can be a solid piece of steel since the rotor iron core itselfis not close to the air gap, hence the eddy current loss and hysteresis loss due toslot/tooth harmonics can be neglected. For the IPM motor, the rotor needs to bemade out of laminated silicon steel since the tooth/slot harmonics will generateeddy current and hysteresis losses.


PERMANENT MAGNET MOTOR DRIVES

ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTOR

Both switched reluctance motors and synchronousreluctance motors have attracted attention in tractionapplications due to their simple structure, not needingsquirrel cage or magnets on the rotor, very little loss onthe rotor, and ease of control [93–114]. Although theyhave many advantages, PM motors and inductionmotors both have their own limitations. For example,PM motors face the possibility of demagnetization atextremely high temperature, limited speed range, anddifficulty in protecting the powertrain during a faultcondition. Induction motors have limited torquecapabilities at low speeds, lower torque density andlower efficiency, noise due to stator/rotor slotcombinations, and so on.


ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTOR


• Çok Basit Yapı• Kolay Üretim• Ucuz• Moment üretim kapasitesi orta düzeyde• Moment dalgalılığı ve yüksek gürültü• Geri kazanım özelliği düşük• Akademik merak konusu

GENEL TEKRAR – KISA BİR ÖZETElektrik Motorları ve Motor Kontrolörleri:

Elektrikli taşıtların büyük kısmı, şu ana değin DC, sürekli mıknatıslı veya indüksiyon elektrikmotorlarına dayalı geliştirilmiştir. DC motorlarda bulunan dezavantajlar, elektrikli taşıt üreticileriniçeşitli tiplerde AC motorlar kullanmaya yöneltmiştir. Bakım gerektirmeyen, düşük maliyetliindüksiyon motorları, birçok üreticinin tercihi olmuştur. Buna rağmen indüksiyon motorlarındayüksek hızlarda çalışma, yalnızca ağırlık ve boyutta artışlara katlanarak gerçekleştirilebilmektedir.Sürekli mıknatıslı elektrik motorları, satın alınmasını zorlaştıran yüksek fiyatlarına rağmen, yüksekgüç yoğunluğu ve kusursuz performansı nedeniyle elektrikli taşıt uygulamalarında cazip halegelmiştir. Ayrıca yüksek güç yoğunluğu ve düşük üretim maliyeti potansiyeliyle anahtarlamalırelüktans motorları da elektrikli taşıt uygulamaları için uygun seçimlerdendir. Bu motorların taşıttakullanılması halinde, gürültü probleminin ortaya çıkması kullanımı sınırlayan etkenlerdendir [5].Prensip olarak, her bir elektrik motoru alternatör olarak kullanılabilir. Elektrik motoru/jeneratörmekanik olarak tahrik edilirse alternatör görevi görür, elektrik enerjisi temin eder. Elektrikmotoruna/jeneratöre elektrik akımı sağlandığında elektrik motoru/jeneratör tahrik elemanı olarakgörev yapar [6].AC ve DC elektrik motorlarının aralarında; yapı, kontrol ve güç bakımından farklılıklar vardır.Aralarındaki en temel fark, güç kaynaklarıdır. AC (Altenating Current) motorlar, alternatif akımla;DC (Direct Current) motorlar ise doğru akımla çalışırlar. Bataryalar da doğru akımla çalışmaktadırveya doğru akımla beslenirler ya da alternatif akım doğrultucularda doğrultularak batarya beslenir.DC sargılı motorların yapısında fırça ve komütatörler bulunur. Bu sebeple bakım gereksinimi vardır,yapı hızı sınırlar ve ortalama ömürleri azdır. AC indüksiyon motorlarında ise fırça bulunmaz; oldukçadayanıklıdırlar ve ortalama ömürleri daha uzundur. Temel farklardan bir diğeri ise hız kontrolüdür.DC motor hızı, endüvi sargısının akımındaki değişimlerle kontrol edilirken; AC motor, frekansdeğişimleriyle kontrol edilmektedir [8].

….


….

Elektrikli taşıt tahrik sistemlerinde başlıca 4 tip elektrikmotoru kullanılmaktadır.• DC motor• Asenkron motor• Sürekli mıknatıslı motor• Anahtarlamalı relüktans motoru.

Tablo: AC ve DC motorların genel karşılaştırması

Özellikler AC Motor DC Motor

Hız Aktarımı Tek hız aktarımı Çok hız aktarımı

Ağırlık Daha hafif Eşdeğer güç için daha ağır

Fiyat Daha ucuz Daha pahalı

Tam yükte verimlilik %95 %85-95

Kontrolör ve Fiyatı Daha pahalı Basit ve daha ucuz

Maksimum devir 9000-15000

4000-6000

sürekli mıknatıslılar için 4000-

10000


….

Asenkron motorların özellikleri:• Basit yapı• Kolay üretim• Ucuzluk• Oturmuş teknoloji • Tork üretim kapasitesi - orta düzeyde• Göreceli olarak yüksek ısınma• Geri kazanım özelliği - orta düzeyde

Anahtarlamalı relüktans motorların özellikleri:• Çok basit yapı• Kolay üretim• Ucuz• Tork üretim kapasitesi orta düzeyde• Tork dalgalılığı ve yüksek gürültü• Geri kazanım özelliği – düşük• Akademik merak konusu

Fırçasız doğru akım motorların özellikleri:• Kolay üretim• Mıknatıs montajı - mıknatıslama• Pahalı (Çin mıknatıs kotası)• Tork üretim kapasitesi - yüksek düzeyde• Geri kazanım özelliği – yüksek

Elektrik motoru tasarımı, yalnızca motoruelektromanyetik açıdan ele almaklagerçekleştirilemez, aynı zamanda termal vemekanik yönleri de göz önündebulundurmak gerekir. Günümüzde elektrikmotoru tasarımları, tasarımın yüksek verimesahip olmasını sağlamak için çeşitlibilgisayar destekli tasarım araçları ve sonluelemanlar çalışmalarıyla desteklenerekgerçekleştirilmektedir [5].


….

Elektrik motorunun boyutu, ihtiyaç duyulan maksimum torka bağlıdır. Boyut ve ağırlığın en azseviyede tutulması amacıyla elektrik motorları yüksek hızda çalışmaya göre tasarlanır. Elektrikmotorunun yüksek hızı ile tekerleklerin daha düşük hızı arasında da dişliler kullanılır. Tipik birelektrik motoru, yaklaşık 15.000 dev/dak hız sağlayabilmektedir. Ayrıca tipik tekerlek devri ise1000 dev/dak dolaylarında (hafif otomobiller için) olabilmektedir. Diferansiyel oranıyla birliktedüşük vites kademelerinde 10/1 ile 15/1 aralığında hız düşümü elde edilirken; yüksek viteskademelerinde ise 3/1 ile 4/1 gibi hız düşümü elde edilmektedir. Elektrikli taşıtın düşük veyüksek hız performansına bağlı olarak seçilen dişli boyutlarının elektrikli taşıtın belirlenmiş güçihtiyacını karşılayabilmesi çok önemlidir [5].Yüksek taşıt hızlarına, küçük dişli oranlarıyla erişilir fakat bu durumda maksimum çekiş kuvvetidüşer. Daha küçük çekiş kuvveti, kalkış anındaki ivmelenmeyi ve taşıtın maksimum tırmanmakabiliyetini sınırlayacaktır. Öte yandan aynı elektrik motoru ile beraber daha büyük dişli oranıkullanılması, tekerleklerdeki çekişi yükseltecek, ancak maksimum taşıt hızını sınırlayacaktır(Şekil 8.3). Bundan dolayı dişli oranı; motor nominal hızı/devri, taşıt nominal hızı, taşıtmaksimum hızı, tekerlek yarıçapı ve tırmanma kabiliyetine bağlı olarak seçilir [5].Halen üretilen elektrikli taşıtlarda çekiş motorları, vites kutularına entegre edilmiştir. Elektrikmotorları merkezlerinden tahrik verir. Tekerleklere tork dağıtımının kontrolü için elektrikmotorları, hafif diferansiyellerle bileşik yapıda da kullanılabilir. Elektrikli aks denilen bu yapı,özellikle süper-spor elektrikli taşıtlarda kullanıma uygundur [11]. Tam elektrikli taşıtlarda (8.3başlığı altında ayrıntılı olarak incelenmiştir) elektrik motoru taşıt için gerekli gücün tamamınıtemin eder (Şekil 8.4).


Behrooz Mashadi and David Crolla, Vehicle Powertrain Systems, First Edition, 2012 John Wiley & Sons

HEV Elektrik Motorlarının Tipik Performans Eğrileri


Electric Machines: Electric machines are well-established components in conventional vehicles as starters andalternators, for cranking of the engine and producing electricity to charge the battery. In HEVs, however, theelectric machines play more important roles as they deliver greater power for extended durations. Differentelectric machines depending on their construction will have different characteristics. Two key features of electricmachines from a HEV design point of view are their torque-speed and efficiency characteristics. Various types ofDC or AC machines have been developed and each type has found its best place in the industry. The range ofelectric motors used in HEV designs includes separately excited DC motors, permanent-magnet synchronous andinduction AC motors, brushless DC (BLDC) and switched reluctance motors. In general, AC motors are lessexpensive and maintenance-free, but they require more sophisticated power electronics. But owing to higherpower density and higher efficiency of AC motors, these types of motors are used in the majority of HEVapplications.Motor Torque: The distinctive property of electric motors compared to IC engines is that they produce torque fromzero speed. The torque-speed characteristics of different types of motors in general depend on their construction,but they typically contain two phases of constant-torque and constant-power controlled by using powerelectronics. Figure 7.27 shows a typical variation of motor torque and power with shaft speed. With increasingsupply voltage to the motor while the flux is kept constant, the motor speed increases and a high constant torqueis obtained. At the point where the motor voltage equals the source voltage, the constanttorque phase ends andduring the second phase, at that constant voltage the flux decreases and constant maximum power is maintained.This feature is very useful when the motor is used as a vehicle traction motor since it can produce large drivingforces at low vehicle speeds (even at zero speed and without needing a clutch) and can produce high accelerationup to the maximum available power of the motor.Motor Efficiency: An electric motor receives electric power and converts it to mechanical power. In any physicalsystem the output power is always less than the input power due to power losses through the energy flowcomponents. According to Figure 7.28 a part of the electric input power PE will be lost all the way through theinverter to the motor and inside the motor itself.

Behrooz Mashadi and David Crolla, Vehicle Powertrain Systems, First Edition, 2012 John Wiley & Sons

Kıyaslama Amacıyla…

ELEKTRİK MOTORLARI

Alternatif 1 Alternatif 2 Alternatif 3 Alternatif 4 Alternatif 5 Alternatif 6 Alternatif 7

Üretici Firma UQM UQM Ansaldo Ansaldo Solectria Enova MES

Model Numarası SR 218N SR 286 A1H207C A1H256B AC55 EDM90MES 200-

250

Tip Fırçasız PM Fırçasız PM Asenkron Asenkron Asenkron Asenkron asenkron

Sürekli Güç [kW] 30 55 30 70 34 30 30

Maksimum Güç [kW] 75 100 60 140 78 90 94,8

Sürekli Tork [Nm] 150 130 220 55 100

Maksimum Tork [Nm] 240 550 260 450 369 239

Maksimum Hız [rpm] 8000 5000 9000 9000 8000 10000 9000

Maksimum Verim [%] 94 90 95

Çap [mm] 280 405 230 300 343 270 235

Uzunluk [mm] 216 241 400 500 447 362 391

Ağırlık [kg] 40 86 80 130 106 65 61

Kontrolcü Ağırlığı [kg] 15,9 15,9 14 14 14,7 35 10

Kontrolcü Boyutları

[mm]

380x365x11

9

380x365x11

9 430x330x145 420x320x180 450x235x240 606x518x201

326x212x11

5

Voltaj [VDC] 250-400 250-400 260-300 300-600 100-400 250-425 185-400

Tırmanma Kabiliyeti

% 15lik Egim [E/H] H E H E H E

%15 lik Eğimde 10km/h

Hıza Çıkma Süresi [s] -- 8.6 s -- 3.5 s -- 27 s

Maksimum Tırmanma

Kabiliyeti 11% 29% 12% 23% 11% 15%

Maksimum Eğimde

İvmelenme Zamanı [s]10 km/h @

36 s

5 km/h @

32 s

10 km/h @ 31

s

5 km/h @ 27

s

10 km/h @ 40

s

10 km/h @

27 s

Düz Yolda 40km/h Hıza

Çıkana Kadar Geçen

Zaman [s] 10 s 4 s 9 s 5 s 10 s 7.2 s

KIYASLAMA

KIYASLAMA (dvm.)

KIYASLAMA (dvm.)

Table: Typical Electric Motors 20 – 200 kW Parameters

KIYASLAMA (dvm.)

Table: Electric Motors Properties Comparison

KIYASLAMA (dvm.)

Table 1. BEV and PHEV parameters comparison

Table 1 - U.S. DOE EV Everywhere Grand Challenge 2022 Targets

California's Advanced Clean Cars Midterm Review Appendix C: Zero Emission Vehicle and Plug-in Hybrid Electric Vehicle Technology Assessment, January 18, 2017

Table 2 - U.S. DRIVE 2015 and 2020 Targets for Electrified Components30,31


Table 4 - Electric Machine Type for MY16 and Known Expected MY17 ZEVs and TZEVs142,143


Hatırlatma

Table: Specific energy of different energy sources


HATIRLATMA

DANIEL BÖTTGER, PRODUCTSTRATEGY& E-MOBILITY AT BMW GROUP, London I June 2017

1 gallon of gasoline contains 33.7 kWh energy (http://www.eere.doe.gov)


Table: Comparison of energy storage technologies suitable for HEVs

Figure: Comparison of power density and energy density for ESS in HEVs. Source: Courtesy of US Defense Logistics Agency


hİbrİd ve elektrİklİ araÇlar - abdullahdemir.net · forwards and counter-clockwise to reverse...

Documents