Podczas warsztatów zaprezentowano innowacje, które są obecnie opracowywane w ramach trzech projektów finansowanych przez UE w ramach Europejskiej Inicjatywy Na Rzecz Pojazdów Ekologicznych (EGVI): ModulED, ReFreeDrive i DRIVEMODE.
Program badawczy H2020 dotyczący energii i transportu obejmuje ponad 50 projektów dotyczących eksploatacji pojazdów elektrycznych. Trzy powyższe projekty dotyczą następnej generacji Elektrycznych Układów Napędowych. Wszystkie trzy projekty rozpoczęły się w tym samym czasie i trzy są mniej więcej w środku ich trajektorii (marzec 2019 r.). Podstawowe decyzje zostały już podjęte, teraz nastąpi proces wdrożenia.
Oczekuje się, że projekty te przyniosą stopniową redukcję całkowitych kosztów silników i energoelektroniki poprzez zoptymalizowanie konstrukcji do produkcji. Kluczowym wyzwaniem jest zwiększenie momentu obrotowego i mocy silników elektrycznych o 30%, przy 50% wzroście maksymalnej prędkości użytkowej i przy jednoczesnym zmniejszeniu strat silnika o połowę. Ponadto, silniki będą tańsze ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na magnesy stałe wykonane z metali ziem rzadkich w połączeniu z nowymi projektami, które zostały zoptymalizowane pod kątem niższych kosztów procesów produkcyjnych.
Jeśli chodzi o energoelektronikę , oczekuje się, że projekty te przyniosą 50% wzrost gęstości mocy, 50% redukcję strat oraz możliwość pracy z tymi samymi płynami chłodzącymi i temperaturami, które są stosowane w silnikach spalinowych w konfiguracji hybrydowej.
ZOBACZ RÓWNIEŻ: Silniki elektryczne w procesie transformacji energetycznej [RAPORT]
Projekt ModulED
Projekt ten łączy w sobie kilka elementów badawczo-rozwojowych:
- 6-fazowy silnik o dużej prędkości obrotowej, wykorzystujący mniej metali ziem rzadkich
- Nowatorski inwerter Skrzynia biegów: dwustopniowa redukcja prędkości
- Zintegrowane hamowanie odzyskowe
- Zintegrowany system chłodzenia + narzędzie oceny, aby sprawdzić, czy komponenty działają optymalnie na poziomie systemu.
Ustalono pierwsze wymagania dotyczące wydajności. Następnie zostały one przełożone na poziomy komponentów, a następnie połączone na poziomie pojazdu.
Wybrano wysokoobrotowy silnik synchroniczny z magnesami stałymi wspomagany synchronicznym silnikiem reluktancyjnym, którego prędkość obrotowa wynosiła do 27.000 obr/min (co jest wyzwaniem, ponieważ spełnia surowe wymagania mechaniczne). Wirnik jest wyposażony w polimerowe magnesy wtryskiwane. Zamiast montowania spiekanych magnesów w żelazie wirnika, materiał magnetyczny rozpuszcza się w tworzywie sztucznym, które w wysokiej temperaturze przybiera formę płynną, a następnie wtryskiwane jest w żłobki wirnika. Jest to bardziej opłacalne, zmniejsza ilość odpadów, zmniejsza z zużycie metali ziem rzadkich i pozwala na większą swobodę w konstrukcji blach wirnika (przy w zasadzie dowolnym wykroju nadal można wtryskiwać magnesy).
Inwerter przeznaczony jest do pracy z 6 fazami dwu-uzwojeniowymi. Jeśli nie jest potrzebna duża moc, uzwojenia mogą pracować szeregowo (mniejsze straty), ale kiedy potrzebna jest większa moc, mogą pracować indywidualnie, aby uzyskać pełny moment obrotowy. Płyta główna osiąga do 99,6% sprawności przy 22,500 obr/min. Układ scalony GaN zapewnia bardzo dobre taktowanie i niską rezystancję przejścia. Przewiduje się, że za kilka lat układy GaN staną się opłacalne, podczas gdy koszt SiC prawdopodobnie pozostanie na podobnym poziomie.
Dynamiczne łączenie silnika elektrycznego i układu hamulcowego maksymalizuje odzyskiwanie energii. Układ ma pełną moc hamowania podczas hamowania odzyskowego.
Układ napędowy jest wyposażony w przekładnię dwustopniową (12,2 i 21,7), dzięki czemu przy każdej prędkości można zastosować zoptymalizowane przełożenie. Może to być ważne w obszarach górskich, w przypadku lekkich pojazdów użytkowych lub przy dużych prędkościach. W projekcie zdecydowano się na 2-stopniową skrzynię biegów, ponieważ klienci często wymagają więcej niż jedne przełożenie. Co więcej, może to być wyraźną zaletą, gdy istnieje duża różnica między jazdę bez i przy pełnym obciążeniu (np. lekki pojazd jadący pod górę).
W większości pojazdów elektrycznych, moduł zasilania, inwerter, silnik i przekładnia są oddzielnymi jednostkami, niezbyt dobrze zintegrowanymi. Oznacza to wiele części do zmontowania, różne granice podziału i dużo miejsca. Powoduje to również straty energii na połączeniach różnych części. Celem jest więc osiągnięcie bardziej kompaktowej jednostki napędowej, modułowej i w pełni zintegrowanej. To między innymi ułatwi montaż pojazdu. Wystarczy dodać tylko jedną skrzynkę, bez konieczności wykonywania dodatkowych połączeń.
CZYTAJ: Silniki elektryczne. Zastosowanie i ich wpływ na zmniejszenie emisji CO2
Projekt ReFreeDrive
Projekt ten koncentruje się na nowych konstrukcjach silników, które są całkowicie wolne od metali ziem rzadkich. Przyczynami tego stanu rzeczy są: ryzyko związane z dostawą, koszty (magnesy stałe mają duży udział w kosztach napędu), niepewność na rynku (zmienność cen) oraz przyczyny środowiskowe (ocena cyklu życia dowodzi, że metale ziem rzadkich mają duży wpływ).
Ponadto należy opracować projekty, aby osiągnąć niskie koszty produkcji dostosowane do potrzeb rynku masowego. Projekt obejmuje projektowanie, prototypowanie i testowanie różnych rozwiązań:
- Silnik indukcyjny z wirnikiem zwojonym silnik indukcyjny z wirnikiem z uzwojeniem wlewanym
- Synchroniczne silniki reluktancyjne, wspomagane magnesami stałymi (na bazie ferrytu, bez pierwiastków ziem rzadkich)
- Silnik synchroniczny reluktancyjny bez magnesów stałych
Każde z tych czterech rozwiązań powinno dostarczać dwa zakresy mocy: 75 kW i 200 kW. Tak więc w sumie zbadano 8 przypadków.
Dla silnika indukcyjnego, Tesla S była punktem odniesienia, ale osiągając większą moc na jednostkę objętości i osiągając 96% sprawności szczytowej. W przypadku miedzianego wirnika rozważane są dwie możliwości produkcyjne: fabrykowanie i odlewanie ciśnieniowe.
- Pod uwagę brane są dwa stopy miedzi dla wirnika zwojonego silnika indukcyjnego: czysta miedź i miedź ze srebrem (o różnej ilości srebra). Do temperatury 150˚C, oba silniki mają podobne właściwości mechaniczne, więc czysta miedź jest preferowaną opcją, ponieważ jest tańsza. Jednak w wyższych temperaturach (200°C lub wyższych) należy stosować miedź-srebro, aby uzyskać wystarczające właściwości mechaniczne. Temperatura pracy ma zatem kluczowe znaczenie dla dokonania właściwego wyboru materiału.
- Wirniki z uzwojeniem wlewanym. Wyzwaniem dla tej technologii produkcji jest porowatość. Porowatość skurczu nie jest problemem, ale porowatość generowana przez uwięzione resztki powietrza powoduje złą przewodność elektryczną, a tym samym niższą sprawność i gęstość mocy, powodując również problemy z wyważeniem przy dużych prędkościach. Zaawansowana technika Laminar Squeeze Casting (LSC) z pionową maszyną odlewniczą pozwala na równoległe wypełnianie wszystkich żłobków, w wyniku czego uwięzione powietrze jest wypychane przez sam ciekły metal. Praktycznie uzyskuje się zerową porowatość.
W maszynie s synchronicznej reluktancyjnej ze wspomagającymi magnesami stałymi stosuje się magnesy ferrytowe, aby uniknąć stosowania neodymu. Demagnetyzacja jest głównym problemem w przypadku ferrytu, ale może być ograniczona do 1%. Dzięki kompletnej optymalizacji konstrukcji, która obejmuje wirnik i resztę maszyny, osiągana jest maksymalna sprawność 95,5% (łącznie ze stratami mechanicznymi).
Silniki synchroniczne reluktancyjne bez magnesów (czysty silnik SynRel Motor) są bardzo prostym i tanim rozwiązaniem, ale dotychczas nie stosowanym w napędach EV. Dla tego typu silników maksymalna prędkość obrotowa jest ograniczona z powodu naprężeń mechanicznych. Ten aspekt został poddany analizie, w wyniku której uzyskano dopuszczalne odkształcenie maksymalne przy zoptymalizowaniu konstrukcji. Wykorzystuje się w nim stal magnetyczną z ziarnem niezorientownym). Falowanie momentu obrotowego może być problemem, ale pozostaje na dopuszczalnym poziomie. Zalety tej technologii są wielorakie: zwartość, niski wzrost temperatury, dobra wydajność przy mocy znamionowej i szczytowej, wysoka sprawność, prostota produkcji, niezawodność i redukcja cen.
Nawijanie szpulowe jest ważne dla zwiększenia współczynnika wypełnienia żłobka i poprawy rozkładu ciepła Silniki ReFreeDrive będą wyposażone w żłobki prostokątne.
Do produkcji rdzeni wybrano trzy różne stale z ziarnem nizorientiowanym rdzeń magnetyczny, o grubości 35, 30 i 20. Wszystkie trzy materiały mają dobre właściwości magnetyczne poprawiające parametry pracy. Cieńsze blachy są wciąż nieco lepsze (mniejsze straty w żelazie, szczególnie przy dużych prędkościach lub momentach obrotowych), ale także droższe (liczba 20 jest 2 do 3 razy droższa niż liczba 35). Numer 35 wydaje się mieć najlepszą równowagę pomiędzy ceną i wydajnością, więc jest to materiał wybrany do prototypów.
CZYTAJ: Sprawność silników elektrycznych i napędów o zmiennej prędkości
Projekt DRIVEMODE
Celem jest opracowanie energooszczędnego i kosztowo opłacalnego układu napędowego z wszystkimi elementami zintegrowanymi w jeden system oraz wykorzystanie koncepcji “rozproszonego układu napędowego”. Jest to system modułowy, w którym można wybrać kilka modułów w zależności od zastosowania (wymagana prędkość, moc itp.). Na przykład, w przypadku zwykłego samochodu wystarczy jeden moduł, w przypadku samochodu o większej mocy używane są 2 moduły, w przypadku pojazdu dostawczego – 3 moduły, itp. Taki zintegrowany system modułowy stworzyłby również możliwości wejścia na rynek pojazdów elektrycznych dla małych i średnich przedsiębiorstw.
Projekt wykorzystuje krótkie cykle projektowe, aby wygenerować różne koncepcje zintegrowanego układu napędowego. Po dokonaniu oceny dwóch typów silników – indukcyjnego i magnesu stałego – wybrano ten ostatni. Kluczowymi komponentami są:
- Szybkoobrotowy silnik synchroniczny z magnesami stałymi (75 kW, 100 Nm, > 20.000 obr/min)
- Inwerter SiC (na węgliku krzemu) (140 A rms (amper wartość skuteczna , taktowanie 20 kHz)
- Wysokoobrotowa trzystopniowa skrzynia biegów (sprawność 97% w obszarze punktów pracy nominalnej). Na każdą oś przypada jedna skrzynia biegów, tak jak w innych pojazdach elektrycznych. Każda kombinacja modułów jest zoptymalizowana dla jednego punktu roboczego. Punkt pracy całego układu napędowego można zmienić poprzez dodanie lub usunięcie modułów.
Inwerter jest topologią półmostkową, w 6 członową, opartym na tranzystorach MOSFET z węglika krzemu Zachowanie SiC w wysokiej temperaturze (150°C) jest zadowalające. GaN ma obecnie pewne ograniczenia w wysokiej temperaturze, ale posiada zalety w dziedzinie bardzo wysokich częstotliwości taktowania. Jedno nie jest z natury lepsze od drugiego, zależy to od kontekstu, będziemy musieli monitorować jak rozwijają się ich koszty i technologia. Tylko 3 chipy są używane zamiast 4 dla tego samego prądu, aby zminimalizować koszty.
Napięcie nominalne wynosi 800 V. Falownik jest chłodzony w temperaturze 65°C z przepływem 10l/minutę, co pozwala na osiągnięcie jednolitej temperatury < 150°C przy 140 A. Zmniejszenie dystansu między chipami zwiększa gęstość mocy ale pogarsza chłodzenie. Jest jednak pewne optimum. Miedź służy poprawie chłodzenia, w innych przypadkach aluminium, gdzie wymagana jest wysoka wydajność chłodnicza, a aluminium w innych miejscach.
Prędkość obrotowa silnika przekracza 20,000 obr/min. Wysoka prędkość zmniejsza rozmiar silnika, co poprawia jego wagę i zasięg. W celu optymalizacji ostatecznego projektu wykonano różne symulacje uwzględniające charakterystyki momentu i mocy od obrotów , w tym efektywność, analizę termiczną i mechaniczną. W analizie cieplnej uwzględniono dwa systemy chłodzenia: płaszcz spiralny i równoległy płaszcz osiowy, przy czym pierwszy z nich okazał się najlepszym rozwiązaniem. Zoptymalizowano również konstrukcję ułożyskowania, stosując tylko jedno łożysko na silnik (i trzy łożyska dla całej jednostki napędowej wraz z przekładnią). Efektem końcowym jest maszyna o bardzo dużej gęstości mocy.
ZOBACZ RÓWNIEŻ: Zarządzanie silnikami elektrycznymi jako aktywami
