HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR

Transkript

1 HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR ELEKTRİK MOTORLARI Abdullah DEMİR, Dr. «Her tercih bir vazgeçiştir»

2 Electrification Level of EVs Electric Vehicle Architectures, Nan Qin, Electric Vehicle Transportation Center, Oct

3 DOĞRU AKIM ÖN BİLGİ Doğru Akım: Zamanla yönü ve şiddeti değişmeyen akıma doğru akım denir. İngilizce Direct Current kelimelerinin kısaltılması DC ile gösterilir. DC üreten kaynaklar şu şekilde sıralanabilir: Pil: Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren araçlara pil adı verilir. Akü: Kimyasal yolla elektrik enerjisi üreten araçtır. Dinamo: Hareket enerjisini DC elektrik enerjisine çeviren ünitelerdir. Doğrultmaç devresi: Alternatif akım elektrik enerjisini DC elektrik enerjisine çeviren devrelerdir. Güneş pili: Güneş enerjisini DC elektrik enerjisine çeviren elemanlara güneş pili denir. Doğru akımın yaygın olarak kullanıldığı 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

4 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Tanımı Zaman içerisinde yönü ve şiddeti belli bir düzen içerisinde değişen akıma alternatif akım denir. Alternatif Akımın Elde Edilmesi Alternatif akım ya da gerilimin elde edilmesinde alternatör denilen aygıtlar kullanılır. Not: Bilindiği gibi DC akım/gerilim değeri sabittir. Örneğin 1 V DC dediğimizde DC gerilimin 1 V olduğu anlaşılmaktadır. Fakat AC de akım/ve gerilim değerleri sürekli değişmektedir. Bu yüzden AC yi ifade etmek için çeşitli değerler kullanılmaktadır. Bunlar ani değer, maksimum (tepe) değer, tepeden tepeye değer, ortalama değer ve etkin değerdir. Frekans: Frekans, sinüs sinyalinin bir saniyede tekrarlanan saykıl sayısıdır. Periyot: Bir saykılın gerçekleşmesi için geçen süreye periyot denir. Periyot birimi saniye (s) dir ve T ile gösterilir.

5 TEMEL BİLGİLER Alternatif Akım Sinüs dalgasında periyot Sinüs dalgasında alternans

6 Power Electronics Types of power converters: Power converters are usually classified by their input and output. Since the input and output of a power converter can 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. The fourth type, the AC AC cycloconverter, is only used in high power AC AC systems to control the voltage magnitude and frequency of large motors. However, AC AC conversion involving an AC DC circuit and a DC AC circuit is not unusual. Depending on the powertrain configuration and the level of hybridization, an HEV can involve one or more power converters of different types. Inverter: convert DC to AC DC/DC converters: increase or decrease battery voltages Rectifiers (on-board chargers): convert AC from electric grid to DC. Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

7 Güç Kontrol Sistemleri Elektrikli araç teknolojileri içerisinde güç elektroniği devreleri önemli bir yer tutmaktadır. MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT (Insulated gate bipolar transistor), IGCT (Insulated gate controlled thyristor) ve MCT (mos controlled thyristor) gibi yarı iletken anahtarların geliştirilmesi ile elektrik sistemlerinin kontrolünde önemli gelişmeler sağlanmıştır. Tahrik sisteminin kontrolü, üretilen AC gerilimin DC ye çevrilmesi, yakıt pili çıkış geriliminin düzenlenmesi, akü şarjının uygun yöntemlerle sağlanması vb., klasik güç elektroniği devrelerinin çeşitli kontrol yöntemleri kullanılarak kontrol edilmesiyle başarılmaktadır. Elektrikli araçlarda kullanılan güç kontrol sistemleri, klasik güç elektroniği devrelerinden 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 bu bölümde incelenmeyecektir. Elektrikli Araçlar, TÜBİTAK

8 Güç Kontrol Sistemleri Doğrultucular Alternatif gerilimin doğru gerilime dönüştürülmesinde doğrultucular kullanılmaktadır. Doğrultucular kontrollü ve kontrolsüz olmak üzere 2 gruba ayrılmaktadırlar. İsimlerinden de anlaşılacağı gibi kontrolsüz doğrultucularda çıkış gerilimi kontrol edilmemekte ve ortalama çıkış gerilimi AC kaynaktaki gerilim değişimlerinden ve yükten etkilenmektedir. Kontrollü doğrultucularda ise kullanılan yarı iletken anahtarların anahtarlama açılarının kontrol edilmesiyle çıkış gerilimi ayarlanabilir sabit değerlerde tutulabilmektedir. HEA larda doğrultucular, AC generatör kullanılması durumunda, çıkış geriliminin DC baraya bağlanmadan önce doğrultulmasında kullanılır. Bu doğrultucuların AC/DC dönüşümünün yanında bir diğer önemli özelliği enerji yönetim (energy management) sistemi olarak ta görev yapmasıdır. Pek çok uygulamada DC baraya bağlı olan akülerin şarj ve deşarjının kontrolünde DC/DC çevirici kullanmak yerine, çıkış gerilimi değiştirilebilir doğrultucular kullanılmaktadır. Elektrikli Araçlar, TÜBİTAK

9 Güç Kontrol Sistemleri Eviriciler Eviriciler DC giriş gerilimini AC ye çeviren güç elektroniği devreleridir. Elektrikli taşıt tahrik sistemlerinde, 3 fazlı gerilim beslemeli PWM (Darbe genişlik modülasyonu) eviriciler asenkron, sürekli mıknatıslı motor kontrollerinde kullanılmaktadır. Günümüzde anahtarlama elamanı olarak çoğunlukla IGBT ler tercih edilmektedir. Genel olarak tüm güç elektroniği devrelerinde kullanılan anahtarların nominal gerilimi, anahtarlama sırasında oluşan gerilim yükselmeleri nedeniyle, bara geriliminin iki katı kadar seçilir. İdeal eviricinin çıkış gerilimi sinüzoidal dalga şeklinde olmalıdır. Ancak uygulamada tam olarak sinüzoidal değildir ve harmonikler içerir. Çıkış gerilimindeki bu harmonikler, yüksek hızlı yarı iletken anahtarların çeşitli anahtarlama teknikleri kullanılarak kontrol edilmesiyle azaltılabilir. Bunun yanında, bazı uygulamalarda, çıkışı kare dalga olan eviricilerde kullanılmaktadır. Anahtarlama için kullanılan çeşitli PWM tekniklerinden bazıları, sinüzoidal PWM, histerisiz bant PWM ve uzay vektörü PWM dir. Elektrikli Araçlar, TÜBİTAK

10 Güç Kontrol Sistemleri Çeviriciler DC-DC çevirici olarak da tanımlanan çeviriciler çoğunlukla regüle edilmemiş DC gerilim kaynağının, kontrollü bir biçimde sabit DC gerilime dönüştürülmesi için kullanılırlar. Regüle edilmemiş DC gerilim, genellikle bir kontrolsüz doğrultucu ile sağlanır. Aküler ve yakıt pilleri de regüle edilmemiş DC gerilim kaynağıdır. Çeviricilerin genel çalışma prensibi belirli bir periyot içerisinde yarı iletken anahtarın iletime ve kesime geçmesi ve sonucunda da ortalaması giriş geriliminden farklı bir çıkış geriliminin sağlanmasıdır. Elektrikli Araçlar, TÜBİTAK

11 The Main Components of an Electric Vehicle 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 Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

12 1 Electric motor/generator 2 Transmission with differential 3 Power electronics 4 High-voltage lines 5 High-voltage battery 6 Electronics box with control unit for battery regulation 7 Cooling system 8 Brake system 9 High-voltage air conditioner compressor 10 High-voltage heating 11 Battery charger 12 Charging contact for external charging 13 External charging source Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

13 The Electric Motor/Generator Three-phase synchronous motors are often used as the electric motor/generator. A three-phase motor is powered by a three-phase alternating current. It works with three coils that are arranged in a circle around the rotor to form the stator and are each electrically connected to one of the three phases. Several pairs of permanent magnets are located on the rotor in this synchronous motor. Since the three coils are supplied sequentially with a current, together they generate a rotating electrical field that causes the rotor to rotate when the electric motor/ generator is used to drive the vehicle. When used as an alternator, the movement of the rotor induces a three-phase alternating voltage in the coils that is transformed into a 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 the ratio of the rotation speed of the energised field in the stator coils to the rotation speed of the rotor with its permanent magnets. The advantage of synchronous motors compared with asynchronous motors is the more precise control of the motor in automobile applications Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

14 The Electric Motor/Generator The term electric motor/generator is used instead of alternator, electric motor and starter. In principle, any electric motor can also be used as an alternator. When the electric motor/generator is driven mechanically, it supplies electrical energy as an alternator. When the electric motor/generator is supplied with an electrical current, 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 and the amount of heat generated. In full hybrid vehicles (HEV), the electric motor/generator also functions as the starter for the combustion engine. Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

15 Strengths of the Electric Motor/Generator The electric motor/generator is very environmentally compatible thanks to the lack of noise and harmful emissions. The electric motor/generator responds quickly, has good acceleration figures and a high level of efficiency. In contrast to combustion engines, electric motors supply their nominal power steplessly over 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 automatic transmission nor a clutch are required. The direction of rotation of an electric drive motor is freely selectable. It can turn clockwise to move the vehicle forwards and counter-clockwise to reverse it. Electric motors start automatically. A separate starter motor is not required. Electric motors have a simpler design and have considerably fewer moving parts than internalcombustion engines. Only the rotor with its permanent magnets rotates inside the electric motor/generator. There are no vibrating masses as in internal combustion engines. Oil changes are not necessary as lubricating oil is not required. Consequently electrically powered vehicles are low-maintenance in terms of their drive unit. Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

16 Comparison of Torque Development Electric Drive Motor The electric drive motor (a) reaches its maximum torque as early as the first revolution. It does not require a start-up phase to reach idling speed. Once a specific rpm figure has been reached, the available torque falls as the revs increase. This motor speed is approximately 14,000 rpm. These characteristics of an electric drive motor mean that a complex transmission is not required. Internal-Combustion Engine: The internal-combustion engine (b) requires an idling speed to produce a torque. The available torque increases when the engine speed is increased. In addition, this characteristic of the internal-combustion engine requires a transmission with several gear ratios. The torque is transferred to the transmission via a clutch or a torque converter. Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

17 Basics of Electromobility Electric motor/generator (1) Rotor (2) Stator (3) Power electronics (4) High-voltage battery (5) Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

18 What Does High Voltage Mean? Vehicles with high-voltage systems (HV) have components that work with voltages above 60V direct voltage or 25V alternating voltage. Some of the components in these vehicles require a high level of electrical power. The highvoltage systems in vehicles work with direct voltages of up to 650V and very high peak currents. Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

19 The Electrical Isolation of the High-Voltage System and 12 V Onboard Supply While the circuit in the 12 V onboard supply normally runs via the vehicle ground, all high-voltage components have two wires that form the electrical circuit. There is no connection to the body ground. Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

20 Drive Train Configurations An electric vehicle is driven by at least one electric drive motor. It can be configured as a four-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 motors 2. 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 Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

21 Drive Train Configurations 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 Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

22 ÖN BİLGİ: ELEKTRİK MOTORLARI Cross-section through the drive positioned close to the wheel from the FAIR project Design of Schaeffler s wheel hub drive R. Fischer, Schaeffler s wheel hub drives, 2014

23 ÖN BİLGİ: ELEKTRİK MOTORLARI

24 Wheel Hub Drive R. Fischer, Schaeffler s wheel hub drives, 2014 Wheel hub drives are particularly attractive for small, highly maneuverable city vehicles with battery-electric drive. The use of a wheel hub drive has various advantages for drivers: 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 also applies when the vehicle has a driven rear axle because targeted assisted steering with torque 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 is higher than that of central drive systems because power is transmitted directly without a transmission and side shafts. These conventional target values of automobile development will be decisive for achieving customer acceptance of small city cars. In our opinion, electric vehicles will not be marketable on solely rational grounds small traffic area and a good CO2 footprint. Driving will be significantly simpler: For example, when starting on ice only the maximum transmissible torque is applied even if the accelerator pedal is fully depressed. Last but not least, passive safety is also increased because conventional drive units with high masses fitted in the engine compartment will no longer enter the vehicle interior if a frontal impact occurs [2].

25 TO SUM UP: Wheel-hub Drive Independent control of each driving wheel Elimination of differential and driving shafts. Popular design in electric scooters. Electric Vehicle Architectures, Nan Qin, Electric Vehicle Transportation Center, Oct

26 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 Electric Vehicle Architectures, Nan Qin, Electric Vehicle Transportation Center, Oct

27 Drive Train Configurations Drive with Electric Motor in Central Drive Train Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

28 Drive with Electric Motor in Central Drive Train Design: The electric motor/generator drives a transmission, the drive shafts and the wheels. In a pure electrically powered vehicle, a reduction transmission is used. Four-wheel drive can be added with a drive shaft from the front axle. Another possibility is to use a second electric motor. Features Two drive shafts on each driven axle A differential on each driven axle Driveshaft required Advantages 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 possible Disadvantages Output shaft of central electric motor/generator is not on the drive axles. Differential required Reduction gear required Self Study Program , Basics of Electric Vehicles Design and Function, 2013 Volkswagen Group of America, Inc.

29 ELEKTRİK MOTORLARI Elektrikli araç tahrik sistemlerinde başlıca 4 elektrik motoru kullanılmaktadır. DC motor Asenkron motor Sürekli mıknatıslı motor Anahtarlamalı relüktans motoru Induction machines permanent magnet (PM) synchronous machines PM brushless DC machines and switched reluctance machines (SRMs) 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) Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi

30 Senkron ve Asenkron Kavramı Alternatif akım makinelerinin isimlendirilmesi ürettikleri döner manyetik alanın (stator manyetik alanı), döner mekanik kısım (rotor) ile eş zamanlı oluşu yada olmayışına göredir. Senkron: Uyumlu Olan, Eş zamanlı olan Asenkron: Uyumlu Olmayan, Eş zamanlı olmayan Senkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrine eşit olan makine. Asenkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrinden her zaman büyük olan makine.

31 Electric Machines (EM) Electric Vehicle Architectures, Nan Qin, Electric Vehicle Transportation Center, Oct ,

32 ELEKTRİK MOTORLARI Traction motors integrated into the transmission dominate in the hybrid and electric vehicles currently produced. Conventional electric drives are currently designed as center drives. The electric motor can be used in combination with a lightweight differential to control the distribution of torque to individual wheels. This type of electric axle is particularly suitable for sporty electric vehicles and vehicles suitable for covering long distances with a plug-in hybrid drive. R. Fischer, Schaeffler s wheel hub drives, 2014

33 Load and engine characteristics of a vehicle Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

34 ICE torque speed characteristics A 55 kw ICE s torque speed and power speed characteristics with different throttle angles of 80 and 90 are shown in Figure B. This plot is obtained by using a twodimensional lookup table [14]. Figure A clearly indicates that, for high torque outputs, the ICE must be operated at moderate speeds. Also, the efficiency of the ICE is high at moderate speeds. In the ELPH control strategy, the ICE needs to be sized so as to provide the road load power and to recharge the batteries. From Figure B, to achieve 160 km/h on ICE alone the power needed is 45 kw. If we assume an extra power demand of 10 kw for hotel loads such as air conditioner, lighting, and other auxiliary loads, then the size of the ICE needs to be at least 55 kw. Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

35 ICE torque speed characteristics (Figure A) Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

36 Vehicle power demand at zero acceleration with vehicle speed at different road grades (Figure B) Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

37 Example tractive force and vehicle velocity curve corresponding to electric traction motor The power ratings of the ICE and the electric motor are estimated based on vehicle performance requirements or specifications. First, an electric motor is designed based on the ELPH strategy, which meets both the acceleration and the road load requirements. The motor operates in three regions as shown in Figure C, according to the different vehicle speed range. The motor is a variable frequency induction type motor [13]. The first region, called the constant torque/ force region, extends from 0 to the rated motor speed (vrm), corresponding to the motor rated power. From the base speed up to the maximum speed (vn), the motor runs in the constant power region. The motor runs in the natural mode if it is operated beyond vn. The torque decreases roughly according to the inverse of speed squared in this high speed region. Note that the natural mode is not shown in the figure and vrv represents the vehicle s rated speed. Generally, the motor is operated in the constant torque region for rapid acceleration. electrically peaking hybrid - ELPH Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

38 Example tractive force and vehicle velocity curve corresponding to electric traction motor (Figure C) Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

39 ELEKTRİK MOTORLARI Advances in electric machines, along with progress in power electronics, are the key enablers for electric, hybrid electric, and plug-in hybrid electric vehicles (HEVs). Induction machines, permanent magnet (PM) synchronous machines, PM brushless DC machines, and switched reluctance machines (SRMs) have all been considered in various types of vehicle powertrain applications [1 20]. Brushed DC motors, once popular for traction applications such as in streetcars, are no longer considered a proper choice due to the bulky construction, low efficiency, the need for maintenance of the brush and commutator, high electromagnetic interference (EMI), low reliability, and limited speed range. When using electric motors for powertrain applications, there are a few possible configurations. Today s electric motors, combined with inverters and associated controllers, have a wide speed range for constant torque operations, 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 , 2011.

40 ELEKTRİK MOTORLARI Depending on the configuration of the hybrid powertrain, the design and selection of electric motor drives can also be different. For example, for series hybrid vehicles, the powertrain motor needs to be able to provide the required torque and speed for all driving conditions. Hence, the size of the motor will be fairly large, usually rated at 100 kw or more for passenger cars. A PM motor or an induction motor is the preferred choice. For mild and micro hybrids, only a small-size motor of a few kilowatts is required. Therefore the motor can be a claw pole DC motor, or a switched reluctance motor. Traditional automatic transmission or continuous variable transmission (CVT) used in conventional cars are no longer required in electric vehicles (EVs) and many HEVs. However, a fixed gear ratio speed reduction is often necessary. This is due to the fact that a highspeed motor has smaller size and less weight than a low-speed machine. A two-speed automatic transmission may be beneficial in saving vehicle energy consumption. Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao, Hybrid Electric Vehicles - Principles And Applications With Practical Perspectives, ISBN , 2011.

41 ASEKRON MOTORLAR Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi

42 ASEKRON MOTORLAR Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi

43 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 Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi

44 ASEKRON MOTORLAR Induction Motor (Asenkron Motor) Drives Induction motors are popular choices for traction applications due to their robust construction, low cost, wide field weakening range, and high reliability. Especially for EVs, PHEVs, and HEVs that requires a high-power motor, induction motors can provide more reliable operation than other types of electric motors [21 37]. However, when compared to PM motors, induction motors have lower efficiency and less torque density. Typical induction motors used for traction applications are squirrel cage induction motors. An inverter is used to control the motor so that the desired torque can be delivered for a given driving condition at a certain speed. Advanced control methodologies, such as vector control, direct torque control, and field-oriented control, are popular in induction motor control for traction applications. Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao, Hybrid Electric Vehicles - Principles And Applications With Practical Perspectives, ISBN , 2011.

45 PERMANENT MAGNET MOTOR DRIVES PM motors are the most popular choices for EV and HEV powertrain applications due to their high efficiency, compact size, high torque at low speeds, and ease of control for regenerative braking [43 90]. The PM motor in a HEV powertrain is operated either as a motor during normal driving or as a generator during regenerative braking and power splitting, as required by the vehicle operations and control strategies. PM motors with higher power densities are also now increasingly the 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 and high temperature sensitivity. It is often necessary to increase the size of magnets to avoid demagnetization at high temperatures and high currents. On the other hand, it is advantageous to use as little PM material as possible in order to reduce the cost without sacrificing the performance of the machine. Not: Curie sıcaklığı, ferromanyetik bir maddenin, kalıcı mıknatıslığını yitirip paramanyetik hale geçtiği kritik sıcaklıktır. Curie sıcaklığının üstünde, ısı enerjisi manyetik momentlerin rastgele yönelmelerine sebep olur ve madde paramanyetik hale geçer. Paramanyetizma alanında çalışan Pierre Curie'nin anısına bu sıcaklığa Curie sıcaklığı denmektedir. Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao, Hybrid Electric Vehicles - Principles And Applications With Practical Perspectives, ISBN , 2011.

46 PERMANENT MAGNET MOTOR DRIVES Basic Configuration of PM Motors When PMs are used to generate the magnetic field in an electric machine, it becomes a PM motor. Both DC and AC motors can be made with PMs. Only PM synchronous motors and PM brushless DC motors are chosen for modern traction drives. A PM synchronous motor contains a rotor and a stator, with the stator similar to that of an induction motor, and the rotor contains the PMs. From the section on induction motors, we know that the three-phase winding, with three-phase symmetrical AC supply, will generate a rotating magnetic field. To generate a constant average torque, the rotor must follow the stator field and rotate at the same synchronous speed. This is also why these machines are called PM synchronous motors. There are different ways to place the magnets on the rotor, as shown in Figure 2. If the magnets are glued on the surface of the rotor, it is called a surfaced-mounted PM motor or SPM motor. If the magnets are inserted inside the rotor in the pre-cut slots, 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 itself is not close to the air gap, hence the eddy current loss and hysteresis loss due to slot/tooth harmonics can be neglected. For the IPM motor, the rotor needs to be made out of laminated silicon steel since the tooth/slot harmonics will generate eddy current and hysteresis losses. Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao, Hybrid Electric Vehicles - Principles And Applications With Practical Perspectives, ISBN , 2011.

47 ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTOR Both switched reluctance motors and synchronous reluctance motors have attracted attention in traction applications due to their simple structure, not needing squirrel cage or magnets on the rotor, very little loss on the rotor, and ease of control [93 114]. Although they have many advantages, PM motors and induction motors both have their own limitations. For example, PM motors face the possibility of demagnetization at extremely high temperature, limited speed range, and difficulty in protecting the powertrain during a fault condition. Induction motors have limited torque capabilities at low speeds, lower torque density and lower efficiency, noise due to stator/rotor slot combinations, and so on. Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

48 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 Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi

49 GENEL TEKRAR KISA BİR ÖZET Elektrik Motorları ve Motor Kontrolörleri: Elektrikli taşıtların büyük kısmı, şu ana değin DC, sürekli mıknatıslı veya indüksiyon elektrik motorlarına dayalı geliştirilmiştir. DC motorlarda bulunan dezavantajlar, elektrikli taşıt üreticilerini çeşitli tiplerde AC motorlar kullanmaya yöneltmiştir. Bakım gerektirmeyen, düşük maliyetli indüksiyon motorları, birçok üreticinin tercihi olmuştur. Buna rağmen indüksiyon motorlarında yüksek hızlarda çalışma, yalnızca ağırlık ve boyutta artışlara katlanarak gerçekleştirilebilmektedir. Sürekli mıknatıslı elektrik motorları, satın alınmasını zorlaştıran yüksek fiyatlarına rağmen, yüksek güç yoğunluğu ve kusursuz performansı nedeniyle elektrikli taşıt uygulamalarında cazip hale gelmiştir. Ayrıca yüksek güç yoğunluğu ve düşük üretim maliyeti potansiyeliyle anahtarlamalı relüktans motorları da elektrikli taşıt uygulamaları için uygun seçimlerdendir. Bu motorların taşıtta kullanılması halinde, gürültü probleminin ortaya çıkması kullanımı sınırlayan etkenlerdendir [5]. Prensip olarak, her bir elektrik motoru alternatör olarak kullanılabilir. Elektrik motoru/jeneratör mekanik olarak tahrik edilirse alternatör görevi görür, elektrik enerjisi temin eder. Elektrik motoruna/jeneratöre elektrik akımı sağlandığında elektrik motoru/jeneratör tahrik elemanı olarak görev 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 çalışmaktadır veya 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; oldukça dayanıklıdırlar ve ortalama ömürleri daha uzundur. Temel farklardan bir diğeri ise hız kontrolüdür. DC motor hızı, endüvi sargısının akımındaki değişimlerle kontrol edilirken; AC motor, frekans değişimleriyle kontrol edilmektedir [8]..

50 GENEL TEKRAR KISA BİR ÖZET Elektrik Motorları ve Motor Kontrolörleri: Elektrikli taşıt tahrik sistemlerinde başlıca 4 tip elektrik motoru 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 sürekli mıknatıslılar için

51 GENEL TEKRAR KISA BİR ÖZET Elektrik Motorları ve Motor Kontrolörleri: 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 motoru elektromanyetik açıdan ele almakla gerçekleştirilemez, aynı zamanda termal ve mekanik yönleri de göz önünde bulundurmak gerekir. Günümüzde elektrik motoru tasarımları, tasarımın yüksek verime sahip olmasını sağlamak için çeşitli bilgisayar destekli tasarım araçları ve sonlu elemanlar çalışmalarıyla desteklenerek gerçekleştirilmektedir [5]..

52 GENEL TEKRAR KISA BİR ÖZET Elektrik Motorları ve Motor Kontrolörleri: Elektrik motorunun boyutu, ihtiyaç duyulan maksimum torka bağlıdır. Boyut ve ağırlığın en az seviyede tutulması amacıyla elektrik motorları yüksek hızda çalışmaya göre tasarlanır. Elektrik motorunun yüksek hızı ile tekerleklerin daha düşük hızı arasında da dişliler kullanılır. Tipik bir elektrik motoru, yaklaşık dev/dak hız sağlayabilmektedir. Ayrıca tipik tekerlek devri ise 1000 dev/dak dolaylarında (hafif otomobiller için) olabilmektedir. Diferansiyel oranıyla birlikte düşük vites kademelerinde 10/1 ile 15/1 aralığında hız düşümü elde edilirken; yüksek vites kademelerinde ise 3/1 ile 4/1 gibi hız düşümü elde edilmektedir. Elektrikli taşıtın düşük ve yüksek hız performansına bağlı olarak seçilen dişli boyutlarının elektrikli taşıtın belirlenmiş güç ihtiyacını karşılayabilmesi çok önemlidir [5]. Yüksek taşıt hızlarına, küçük dişli oranlarıyla erişilir fakat bu durumda maksimum çekiş kuvveti düşer. Daha küçük çekiş kuvveti, kalkış anındaki ivmelenmeyi ve taşıtın maksimum tırmanma kabiliyetini sınırlayacaktır. Öte yandan aynı elektrik motoru ile beraber daha büyük dişli oranı kullanılması, tekerleklerdeki çekişi yükseltecek, ancak maksimum taşıt hızını sınırlayacaktır (Şekil 8.3). Bundan dolayı dişli oranı; motor nominal hızı/devri, taşıt nominal hızı, taşıt maksimum hızı, tekerlek yarıçapı ve tırmanma kabiliyetine bağlı olarak seçilir [5]. Halen üretilen elektrikli taşıtlarda çekiş motorları, vites kutularına entegre edilmiştir. Elektrik motorları merkezlerinden tahrik verir. Tekerleklere tork dağıtımının kontrolü için elektrik motorları, hafif diferansiyellerle bileşik yapıda da kullanılabilir. Elektrikli aks denilen bu yapı, özellikle süper-spor elektrikli taşıtlarda kullanıma uygundur [11]. Tam elektrikli taşıtlarda (8.3 başlığı altında ayrıntılı olarak incelenmiştir) elektrik motoru taşıt için gerekli gücün tamamını temin eder (Şekil 8.4)..

53 GENEL TEKRAR KISA BİR ÖZET Elektrik Motorları ve Motor Kontrolörleri: HEV Elektrik Motorlarının Tipik Performans Eğrileri Behrooz Mashadi and David Crolla, Vehicle Powertrain Systems, First Edition, 2012 John Wiley & Sons

54 GENEL TEKRAR KISA BİR ÖZET Elektrik Motorları ve Motor Kontrolörleri: Electric Machines: Electric machines are well-established components in conventional vehicles as starters and alternators, for cranking of the engine and producing electricity to charge the battery. In HEVs, however, the electric machines play more important roles as they deliver greater power for extended durations. Different electric machines depending on their construction will have different characteristics. Two key features of electric machines from a HEV design point of view are their torque-speed and efficiency characteristics. Various types of DC or AC machines have been developed and each type has found its best place in the industry. The range of electric motors used in HEV designs includes separately excited DC motors, permanent-magnet synchronous and induction AC motors, brushless DC (BLDC) and switched reluctance motors. In general, AC motors are less expensive and maintenance-free, but they require more sophisticated power electronics. But owing to higher power density and higher efficiency of AC motors, these types of motors are used in the majority of HEV applications. Motor Torque: The distinctive property of electric motors compared to IC engines is that they produce torque from zero 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 power electronics. Figure 7.27 shows a typical variation of motor torque and power with shaft speed. With increasing supply voltage to the motor while the flux is kept constant, the motor speed increases and a high constant torque is obtained. At the point where the motor voltage equals the source voltage, the constanttorque phase ends and during 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 driving forces at low vehicle speeds (even at zero speed and without needing a clutch) and can produce high acceleration up to the maximum available power of the motor. Motor Efficiency: An electric motor receives electric power and converts it to mechanical power. In any physical system the output power is always less than the input power due to power losses through the energy flow components. According to Figure 7.28 a part of the electric input power PE will be lost all the way through the inverter to the motor and inside the motor itself. Behrooz Mashadi and David Crolla, Vehicle Powertrain Systems, First Edition, 2012 John Wiley & Sons

55 Kıyaslama Amacıyla

56 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 EDM90 MES Tip Fırçasız PM Fırçasız PM Asenkron Asenkron Asenkron Asenkron asenkron Sürekli Güç [kw] Maksimum Güç [kw] ,8 Sürekli Tork [Nm] Maksimum Tork [Nm] Maksimum Hız [rpm] Maksimum Verim [%] Çap [mm] Uzunluk [mm] Ağırlık [kg] Kontrolcü Ağırlığı [kg] 15,9 15, , Kontrolcü Boyutları 380x365x11 380x365x11 326x212x11 430x330x x320x x235x x518x201 [mm] Voltaj [VDC] Tırmanma Kabiliyeti % 15lik Egim [E/H] H E H E H E %15 lik Eğimde 10km/h Hıza Çıkma Süresi [s] s s s Maksimum Tırmanma Kabiliyeti 11% 29% 12% 23% 11% 15% Maksimum Eğimde İvmelenme Zamanı [s] s 5 32 s s 5 27 s s Düz Yolda 40km/h Hıza Çıkana Kadar Geçen Zaman [s] 10 s 4 s 9 s 5 s 10 s 7.2 s s

57 KIYASLAMA

58 KIYASLAMA (dvm.)

59 KIYASLAMA (dvm.) Table: Typical Electric Motors kw Parameters

60 KIYASLAMA (dvm.) Table: Electric Motors Properties Comparison

61 KIYASLAMA (dvm.) Table 1. BEV and PHEV parameters comparison

62 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

63 Table 2 - U.S. DRIVE 2015 and 2020 Targets for Electrified Components30,31 California's Advanced Clean Cars Midterm Review Appendix C: Zero Emission Vehicle and Plug-in Hybrid Electric Vehicle Technology Assessment, January 18, 2017

64 Table 4 - Electric Machine Type for MY16 and Known Expected MY17 ZEVs and TZEVs142,143 California's Advanced Clean Cars Midterm Review Appendix C: Zero Emission Vehicle and Plug-in Hybrid Electric Vehicle Technology Assessment, January 18, 2017

65 Hatırlatma

66 Table: Specific energy of different energy sources Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

67 HATIRLATMA DANIEL BÖTTGER, PRODUCTSTRATEGY& E-MOBILITY AT BMW GROUP, London I June gallon of gasoline contains 33.7 kwh energy (

68 Table: Comparison of energy storage technologies suitable for HEVs Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

69 Figure: Comparison of power density and energy density for ESS in HEVs. Source: Courtesy of US Defense Logistics Agency Chris Mi, Abul Masrur; Hybrid Electric Vehicles - Principles and Applications with Practical Perspectives, Second Edition, 2018 John Wiley & Sons Ltd

70