Proiect CEEX nr. X2C24 / 11.09.2006Autoritatea Contractanta IPA S.A.

Testarea modeluluiexperimental de vehicul

Etapa V

5.0 Studii si încercări suplimentare realizate

5.0.1. Schema electrică a modelului experimental

Tp1

VT1 M1

Tn1

F/R

VT2 M2

Tn2

Contactor C1

IntreruptorI1

S1Baterii

tractiune

S2

S3

B2

B1

CHEIE CONTACT

ReleuCR1

S4

D1

Lc

2x16mm2

16mm2

4x16mm2

0,75mm2

Fig.5.0.1. Schema electrica de actionare

5.0.2. Dispunerea elementelor componente ale schemei de

acţionare Motoarele electrice sunt aşezate în compartimentul motor (faţă) sub capotă,pe puntea din faţă pe suporţi construiţi special

Fig.5.0.2 Poziţionarea motoarelor electrice de tracţiune

Fig.5.0.3 Cuplarea la rotă a unui motor electric de tracţiune

Bateriile de tracţiune sunt dispuse in locul banchetei spate pe două rânduriperpendiculare pe axa mediană a vehiculului, ocupând şi o parte din portbagaj.

Fig. 5.0.4 Dispunerea bateriilor de tracţiune

Convertoarele de tensiune sunt dispuse în spate, deasupra bateriilor,fixate de structura metalică a acestora

Fig. 5.0.5 Dispunerea convertoarelor de tensiune

Sigurantele de forţă sunt dispuse în imediata apropiere a bateriilor,pe suporţii acestora, pentru a asigura o protecţie eficientă

Fig. 5.0.6 Dispunerea siguranţelor de forţă

Elemetele de comutaţie: contactor şi întreruptor, au fost amplasate pe suportulbateriilor de tracţiune, pentru minimizarea traseelor şi asigurarea protecţiei pasagerilor

Fig. 5.0.7 Dispunerea elementelor de comutaţie

Traductorul de pedală este acţionat prin cablul de acceleraţie al maşinii,cuplat la pedala de acceleraţie a vehiculului original

Fig. 5.0.8 Dispunerea potenţiometrului de pedală

5.0.3. Acţiuni preliminare de pregătire şi verificare

5.0.3.1. Echilibrarea în laborator a celor două acţionări

IntreruptorI1

RP

120VCC

VT1

M1Tn1

GF

PC

I

Fig. 5.0.9. Schema de incercare variator

5.0.3.2. Verificarea şi încărcarea bateriilor de tracţiune

Tabel 5.0.1.Estimarea gradului de incarcare

gi[%] 0 25 50 75 100

Eo[V/celula] 1.95 2.01 2.06 2.11 2.17

Eo[V/baterie] 11.57 12.06 12.36 12.66 13.02

Gradul de incarcare [%]

Fig.5.0.10.Relatia grad incarcare-t.e.m. Fig.5.0.11.Caracteristicile de incarcare GB12-100

5.0.3.3. Verificarea schemei de acţionare şi protecţie

S-a verificat:- funcţionarea schemei de comandă; verificarea s-a facut prin închiderea şideschiderea cheii de contact;- izolarea galvanică faţă de masa maşinii a schemei de forţă; s-a măsurat rezistenţaîntre firele de alimentare de forţă şi masa maşinii obţinându-se valori mai maride 100MΩ, ceea ce indică o izolare galvanică bună;- inexistenţa scurgerilor la masă; s-a conectat o sarcina pe care convertoareleau debitat 10A şi s-au măsurat curenţii la intrare şi la ieşire; s-au obţinut aceleaşi valori,ceea ce indică inexistenţa scurgerilor la masă;- alimearea convertoarelor de tensiune; după montarea bateriilor şi înainte deconectarea convertoarelor s-a măsurat tensiunea în gol la intrare şi la ieşire dinîntrerupător, respectiv contactor, şi s-au obţinut valori identice; măsurătorile s-au repetatpe o sarcină rezistivă pe care bateriile debitau un curent de 10A şi s-au obţinut tot valori identice. - funcţionarea variatoarelor; fără conectarea motoarelor s-au alimentat variatoarelecare au fost cuplate pe o sarcină rezistivă pe care debitau un curent de valoareredusă 1A; s-a urmărit ca valoarea curentului să urmarescă valoarea prescrisă.- funcţionarea motoarelor în gol; s-au conectat motoarele şi traductoarele, iar roţilemotoare au fost ridicate pe capre, astfel încât să se poată roti în gol; s-a urmărit ca lao anumită apăsare a pedalei turaţiile roţilor să fie cât mai egale –abaterea maximă admisăfiind de 5%; s-a efectuat egalizarea cuplurilor dezvoltate de motoare prin modificareafactorului de amplificare al valorii impuse de curent pentru variatorul VT2. verificareas-a făcut la 3 poziţii ale traductorului de pedala şi a fost necesară pentru a compensafrecările diferite la roţi.

5.0.4. Specificaţia tehnică pentru încercarea modelului experimental

Pentru a determina şi demonstra posibilităţile modelului experimental a fost necesară

elaborarea unei Specficaţii tehnice pe baza căreia să se efectueze încercările.

Specificaţia tehnică analizează funcţionarea modelului experimental ca ansamblu,

considerând că toate elementele componente satisfac condiţiile de bună funcţionare.

5.0.5. Studiul comparativ privind soluţiile alese pentru motoarele electrice

Obiectivul imediat al proiectului a fost cercetarea, conceperea, dezvoltarea şirealizarea a două soluţii noi, originale de motoare electrice pentru acţionareavehiculelor electrice diferite prin forma tensiunii de alimentare.

115

134

F 3

00

F 41

F 60 97F 3

00

F 41

F 60

Fig. 5.0.12 Dimensiunile de gabarit ale motoarelor proiectate

a. motorul de curent continuub. motorul de curent alternativ

b.a.

În condiţiile concrete ale aplicaţiei se poate alege una din soluţii, pe baza unor criteriide natură tehnică, economică sau de exploatare: din punct de vedere constructiv: motorul de curent continuu este mai complex,ca urmare a existenţei sistemului mecanic de contacte alunecătoare pentru comutaţie,care afectează tehnologia, preţul şi fiabilitatea acestuia; motorul de curent alternativ necesitădoar sistemul de traductoare de poziţie, fiind în mod cert mai simplu, mai fiabil şi mai ieftin;sub acest aspect, este de preferat motorul de curent alternativ; din punctul de vedere al acţionării: motorul de curent continuu necesită doar electronică de putere cu două ramuri, câte una pentru fiecare sens de rotaţie, pe când motorul de curent alternativ necesită electronică de putere cu trei ramuri; avantajele înclină spre motorul de curent continuu, dar soluţia adoptată în poiect foloseşte acelaşi convertor de tensiune, existând diferenţe numai în soft; sub acest aspect nu sunt diferenţe majore între cele două tipuri; din punctul de vedere al pierderilor Joules care influienţează sensibil randamentul motorului, pierderile electrice în înfăşurări aduc avantaj motorului de c.c. însă acesta se caracterizează prin pierderi însemnate la nivelul contactelor mobile perii – colector, ceea ce conduce la pierderi totale sensibil egale; sub acest aspect nu sunt diferenţe majore între cele două tipuri; din punct de vedere al răcirii, datorită problemelor privind evacuarea căldurii degajate la colector, este de preferat motorul de curent alternativ;

Din cele prezentate, rezultă că preferinţa se îndreaptă spre motorul de curent alternativ, motiv pentru care echipa de cercetare a decis să utilizeze pentru acţionarea modelului experimental două motoare de curent alternativ, în construcţia proiectată.

din punct de vedere al mărimii tensiunii de alimentare aconvertorului de tensiune, respectiv a reducerii curentului absorbit din baterie;odată cu creşterea tensiunii de alimentare, a vitezei de rotaţie şi a curentului de sarcină,motorul de c.c. dezvoltă la colector un arc electric de o anumită intensitate, ceea ce limitează tensiunea maximă; motorul de curent alternativ nu prezintă dezavantajele de mai sus, insă odată cu creşterea vitezei de rotaţie şi a curentului de sarcină, se constată o creştere a defazajului dintre curent şi tensiune, deci o scădere a factorului de putere; în condiţiile de acţionare preconizate şi a respectării diametrului exterior al carcasei, motoarele proiectate şi executate se comportă diferit: motorul de curent alternativ proiectat poate fi alimentat până la 110 Vcc, fara a se ivi pericol pentru integritatea sa, iar motorul de c.c. poate fi alimentat în sarcină până la 80 Vcc, îşi menţine mai bine constanta de cuplu, dar dezvoltă o viteză de rotaţie mai redusă decât viteza motorului de c.a.; sub acest aspect este de preferat motorul de c.a., care poate funcţiona la o tensiune mai ridicată.

5.1. Încercări de laborator pentru modelul experimental de vehicul electric, cu

acţionareindependentă pe roţi, cu motoare de c.c.

În conformitate cu această hotărârea prezentată în capitolul 5.0.5 , nu s-a mai construit al doilea motor de curent continuu, suma economisită fiind cheltuită pentru acoperirea costurilor suplimentare necesare dotării modelului experimental.Rezultatele acestor încercări sunt evidenţiate în Buletinul de Încercări nr. 001 ataşat.

5.2. Încercări de laborator pentru modelul experimental de vehicul electric, cu

acţionareindependentă pe roţi, cu motoare de c.a.

Dupa încercările efectuate conform capitolului 5.1 s-au montat pe modelul experimental motoarele de curent alternativ. S-a recofigurat prin soft comanda convertoarelor de tensiune pentru a putea fi utilizate pentru motoarele de curent alternativ. Rezultatele acestor încercări sunt evidenţiate în Buletinul de Încercări nr. 002 ataşat.

5.3. Studiu comparativ tehnic şi economic

între variantele constructive propuse.5.3.1. Analiza soluţiei tehnice cu motor de curent continuu

Motorul de curent continuu cercetat şi realizat în cadrul acestui contact de cercetare este un motor de curent continuu special, cu număr foarte redus de crestături pe pol (practic o crestătură), ceea ce face posibil să se construiască cu un număr ridicat de poli. Se ştie că tocmai acest fapt permite obţinerea unui volum redus la o constantă de cuplu suficient de mare.

Se reiterează faptul că motorul ales pentru această aplicaţie a fost studiat, în construcţia cu înfăşurările conectate în stea şi deconectarea secţiei care comută, în cadrul unei teze de doctorat aparţinând unuia dintre membrii echipei de cercetare.

Motorul studiat şi realizat în cadrul acestui proiect are înfăşurările dispuse în poligon (înseriate), iar secţia care comută se află în scurtcircuit. În mod cert, această ultimă soluţie s-a dovedit a fi superioară şi reprezintă, de asemenea, obiectul tezei de doctorat a unuia dintre membrii tineri ai echipei de cercetare.

Urmărind caracteristicile de funcţionare ale motorului de curent continuu în cele două situaţii, respectiv caracteristicile predeterminate şi cele obţinute în urma măsurătorilor, se constată următoarele:

valorile obţinute sunt similare şi sensibil apropiate

diferenţele apar atât ca urmare a realizării practice (tehnologii, calitatea materialelor, toleranţe, asamblări etc.) cât şi ca urmare a funcţionării efective în diverse regimuri (apariţia unor pierderi mai mari decât cele estimate, datorită suprapunerii unei rezistenţe electrice a arcului electric de comutaţie în paralel cu rezistenţa motorului din regim static)

5.3.1.2. Concluzii privind caracteristicile de funcţionare

5.3.1.1. Particularităţi constructive

5.3.1.3. Concluzii generale privind soluţia de motor de curent continuu cu colector

Principalele avantaje ale soluţiei:

Motorul de curent continuu cu colector este o soluţie deosebit de avantajoasă pentru acţionarea vehiculelor electrice datorită valorii ridicate a cuplului specific (cuplul util raportat la volumul sau la masa motorului)

Motorul de curent continuu cu colector poate fi acţionat relativ uşor atât datorită caracteristicii sale mecanice cât şi datorită faptului că necesită doar două ramuri pentru electronica de putere (câte una pentru fiecare dintre cele două sensuri de rotaţie)

Motorul de curent continuu cu colector permite, la un anumit gabarit (ne referim la diametrul exterior al motorului), obţinerea unei constante de cuplu mai mari pe seama valorii mai ridicate a razei circuitului indusului

Motorul de curent continuu cu colector se bobinează mai uşor întrucât bobinajul se află pe rotor, simplificarea bobinajului rezultând şi din numărul redus de crestături faţă de o soluţie clasică (se utilizează de patru – cinci ori mai puţine bobine)

Capetele de bobine nu se suprapun, ceea ce conduce la eliminarea riscului de scurtcircuitare a bobinelor diferite, dar şi la o răcire naturală mai bună a acestorcapete; de asemenea, se reduce dimensiunea axială a rotorului

La motorul de curent continuu cu colector magneţii prezintă risc mai redus de desprindere în timpul funcţionării întrucât aceştia se montează pe stator

Numărul relativ redus de crestături (25 – 35 de crestături) face ca tehnologia de realizare a tolei să fie mai simplă în raport cu soluţiile clasice (ne referim atât la tehnologia de execuţie a ştanţei cât şi la procesul de ştanţare)

Pot fi montate mai multe perii în paralel, ceea ce reduce valoarea curentului pe o pereche de perii, cu consecinţe avantajoase asupra comutaţiei

Numărul redus de crestături simplifică şi construcţia colectorului, iar scăderea curentului pe o pereche de perii permite micşorarea gabaritului lamelei colectorului, ceea ce conduce de cele mai multe ori la posibilitatea realizării colectorului în construcţie axială, cu consecinţe deosebit de favorabile asupra gabaritului de ansamblu al motorului şi a posibilităţii de răcire naturală a colectorului

Principial, motorul de curent continuu se caracterizează prin valori rezultante mici ale rezistenţei şi inductivităţii electrice.

Principalele dezavantaje ale soluţiei:

Motorul de curent continuu, în principiu, prezintă o costrucţie mai complexă prin existenţa sistemului de comutaţie cu contacte mecanice perii – colector

De asemenea, sistemul de comutaţie reduce fiabilitatea şi durata de viaţă a motorului

Soluţia de motor de curent continuu cu colector dezvoltată în cadrul proiectului prezintă principial câteva limite, dintre care principalele sunt: tensiunea de alimentare se limitează la 60 – 70 Vcc; curentul pe o pereche de perii se limitează la 8 – 10 A în regimurile de funcţionare dinamice de vârf;

Motorul are probleme specifice privind răcirea colectorului.

Deşi pierderile relative în înfăşurarea rotorului sunt mici, pierderile electrice totale în zona de comutaţie sunt de valoare ridicată şi cresc odată cu creşterea tensiunii de alimentare, a vitezei de rotaţie şi a curentului absorbit, datorită apariţiei unei rezistenţe electrice de pierderi a arcului electric, rezistenţă care se cuplează în paralel cu rezistenţa circuitului electric al rotorului din regim static.

5.3.2. Analiza soluţiei tehnice cu motor de curent alternativ

5.3.2.1. Particularităţi constructive

Fig. 5.3.5 Principiul de funcţionare al unui motor trifazat

5.3.2.2. Concluzii privind caracteristicile de funcţionare

Dacă se analizează comparativ caracteristicile de funcţionare ale motorului de curent alternativ în cele două situaţii, respectiv caracteristicile predeterminate şi cele obţinute în urma măsurătorilor, se constată următoarele:

valorile obţinute sunt similare şi sensibil apropiate

diferenţele apar atât ca urmare a realizării practice (tehnologii, calitatea materialelor, toleranţe, asamblări etc.) cât şi ca urmare a funcţionării efective în diverse regimuri (factor de putere mai mic decât cel estimat, datorită defazajului dintre curentul de fază şi tensiunea electromotoare de fază; nu s-a ţinut cont de acesta la predeterminarea caracteristicilor, unde s-a considerat un factor de putere unitar)

5.3.2.3. Concluzii generale privind soluţia de motor de curent alternativ

Principalele avantaje ale soluţiei:

Motorul de curent alternativ fără contacte este o soluţie deosebit de avantajoasă pentru acţionarea vehiculelor electrice datorită valorii ridicate a cuplului specific (cuplul util raportat la volumul sau la masa motorului)

Soluţia de motor de curent alternativ fără contacte aleasă în cadrul acestui proiect permite un bobinaj mai facil, simplificarea bobinajului rezultând din numărul redus de crestături faţă de o soluţie clasică (se utilizează de patru – cinci ori mai puţine bobine)

Capetele de bobine nu se suprapun, ceea ce conduce la eliminarea riscului de scurtcircuitare a bobinelor diferite, dar şi la o răcire naturală mai bună a acestor capete; de asemenea, se reduce dimensiunea axială a statorului

Numărul relativ redus de crestături (21 – 28 de crestături) face ca tehnologia de realizare a tolei să fie mai simplă în raport cu soluţiile clasice (ne referim atât la tehnologia de execuţie a ştanţei cât şi la procesul de ştanţare)

Pot fi legate mult mai simplu mai multe bobine în paralel, ceea ce reduce valoarea curentului pe o bobină, cu consecinţe avantajoase asupra schemei de bobinaj

Motorul de curent alternativ fără contacte nu prezintă sistem mecanic de contacte mobile (perii şi colector), ceea ce simplifică construcţia acestuia şi permite reducerea gabaritului axial

Principalele dezavantaje ale soluţiei:

Motorul de curent alternativ fără contacte necesită pentru acţionare un sistem de traductoare de poziţie şi electronica de comandă aferentă

Motorul de curent alternativ fără contacte necesită pentru acţionare şase ramuri pentru electronica de putere (câte trei pentru fiecare dintre cele două sensuri de rotaţie)

Motorul de curent alternativ fără contacte are înfăşurarea la exterior, ceea ce determină ca la un anumit gabarit (ne referim la diametrul exterior al motorului) să se obţină o constantă de cuplu mai mică pe seama valorii razei circuitului indusului – compensarea acestui dezavantaj se face prin mărirea numărului de spire ale înfăşurării, deci prin mărirea inductivităţii şi a rezistenţei electrice

La motorul de curent alternativ fără contacte, magneţii prezintă risc mai mare de desprindere în timpul funcţionării întrucât aceştia se montează pe rotor – sunt necesare măsuri suplimentare de consolidare mecanică a acestora

Principial, motorul de curent alternativ fără contacte se caracterizează prin valori rezultante relativ mari ale rezistenţei electrice şi inductivităţii

Pierderile relative în înfăşurarea statorului sunt mai mari

Inductivitatea relativ ridicată conduce la apariţia unui defazaj ce creşte odată cu valoarea curentului de sarcină şi cu cea a vitezei de rotaţie – compensarea acestui efect ar putea fi realizată printr-o comandă vectorială a motorului, astfel încât comutaţia să se realizeze anticipat, utilizând o buclă de reacţie controlată de curent şi de viteză

5.3.3. Analiza variantei de model funcţional

Tabelul 5.3.1. Comparaţie între specificaţiile tehnice

Vehicul originalVehicul electric

1 Sursa de energieBenzină CO98

Capacitate rezervor 35l

10 baterii electrice316 KG

2 Motor Euro 4 - 3 cilindri in

linie 0.8 SOHC

2 motoare sincrone cu

magneti permanenti

3 Sistem de alimentare injectie multipunctvariatoare

electronice de turatie

4 Sursa energiebenzina min. C091

fara plumb

baterii cu plumb

capsulate

5 Instalatie contra poluarii convertor catalitic Poluare zero

7 Tensiune nominala baterii - 120V

8 Tip ambreiaj monodisc, uscat fara

9 Cutie de viteze manuala, 5 treptefara cutie si

fara diferential

5.4 Diseminarea

În cadrul etapei a 5-a a proiectului X2C24/2006 „Cercetări privind sistemul de propulsie al unui vehicul cu roţi motoare dependente”, activitatea de diseminare a constat în: participarea şi prezentarea la importante conferinţe internaţionale a 6 lucrări privind aspectele teoretice dezvoltate în proiect – se anexează lista lucrărilor precum şi copiile acestora; actualizarea paginii web a proiectului (http://sepri.amotion.pub.ro/);realizarea unui poster conform indicaţiilor primite de la Autoritatea contractantă SC IPA SA – se anexează o copie a posterului; publicarea unui volum cu cele 24 de lucrări elaborate şi prezentate, pe parcursul desfăşurării întregului proiect, la conferinţe internaţionale, volum cu titlul „Probleme specifice privind realizarea unui model experimental de vehicul electric”, Editura POLITEHNICA Press, Bucureşti, ISBN 978-973-7838-95-7 – se anexează un exemplar al volumului; organizarea unui Atelier de lucru intitulat „Probleme specifice privind realizarea unui model experimental de vehicul electric” în data de 20 august 2008, ora 9,00, în sala EA 024 din cadrul Facultăţii de Inginerie Electrică – UPB, spl. Independenţei, nr. 313, sector 6, Bucureşti. La acest Atelier au fost invitaţi prin fax aproximativ 30 de specialişti – se anexează invitaţia

5.5 Concluzii

Dupa efectuarea incercarilor modelului experimental, se impun citeva concluzii:

modelul experimental de vehicul s-a dovedit viabil; a trecut toate testele conform specificatiilor, lucru marcat si de buletinele de incercari respective;

s-a demonstrat viabilitatea solutiilor tehnice adoptate, printre care:

posibilitatea de a dezvolta motoare cu cuplu ridicat, care sa permita actionarea directa a rotilor, fara reductor;

posibilitatea de a renunta la diferential, prin comanda electronica inteligenta a celor doua roti motoare;

strategia de comanda a convertoarelor de tensiune este adecvata; aceasta poate fi relativ simplu extinsa pentru controlul optim al dinamicii vehiculului, de exemplu la implementarea unui sistem ASR, EPS, etc.

motorul fara perii s-a dovedit superior atit ca performante, cit si ca pret si ca usurinta de executie;

s-au demonstrat capabilităţile în domeniu ale colectivului de cercetare

s-a demonstrat posibilitatea de dezvoltarea în Romania a unor actionari si vehicule performante.