Dimitri Tseronis - Veröffentlichungen

Επικοινωνία

Εργασίες


Δημοσιεύσεις


Συνδέσεις

Περίληψη Διπλωματικής εργασίας Δ. Τσερώνη με τον τίτλο:

 

<< Βελτίωση της δυναμικής συμπεριφοράς προωθητικών συστημάτων: ανάπτυξη μιας μονάδας πυκνωτών υψηλής χωρητικότητας και ενσωμάτωσή της σε ένα ηλεκτρικό όχημα. >>

 

Ηλεκτρικά οχήματα χαρακτηρίζονται τα οχήματα στα οποία η προωθητική δύναμη της κίνησής τους δημιουργείται από έναν ή περισσότερους ηλεκτρικούς κινητήρες. Κατά κανόνα, η κύρια πηγή ενέργειας σημερινών ηλεκτρικών και υβριδικών οχημάτων είναι συσσωρευτές. Υπάρχουν και άλλες τεχνολογίες όπως οι κυψέλες καυσίμων, τα φωτοβολταϊκά κ.α. που βρίσκονται ακόμα στο στάδιο της ανάπτυξης, που όμως δεν αφορούν άμεσα αυτή την εργασία. Η γενικευμένη δομή ενός ηλεκτρικού οχήματος αποτελείται από ένα μέσο αποθήκευσης ενέργειας, μία συσκευή που διαμορφώνει τις παραμέτρους της ηλεκτρικής ενέργειας και τον ηλεκτρικό κινητήρα. Μια πιο συγκεκριμένη μορφή φαίνεται στην ακόλουθη απεικόνιση: Ένας συσσωρευτής που τροφοδοτεί ένα παλμοτροφοδοτικό που ελέγχει τον κινητήρα.

 

 

Υπερπυκνωτές χαρακτηρίζονται σε αυτή την εργασία προϊόντα με χωρητικές ιδιότητες που κυκλοφορούν στην αγορά με ονόματα όπως: «Supercaps», «Ultracaps», «Boostcaps». Οι υπερπυκνωτές βασίζονται πάνω σε ένα ηλεκτροχημικό φαινόμενο που παρατηρήθηκε από τον Hermann von Helmholz στις αρχές του αιώνα. Η δομή τους μοιάζει με αυτή των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, μόνο που σε αντίθεση με αυτούς, φτάνουν χωρητικότητες μερικών χιλιάδών Farad. Η χωρητικότητά τους είναι μεγάλη, διότι μεταξύ ενός ηλεκτροδίου ενεργού άνθρακα και του ηλεκτρολύτη σχηματίζεται ένα διπλό χημικό διηλεκτρικό τοίχωμα μόλις 6 μικρομέτρων (Η χωρητικότητα είναι αντ. ανάλογη της απόστασης των ηλεκτροδίων). Περαιτέρω πλεονέκτημα είναι η αντοχή τους σε ρεύματα της τάξης μερικών kilo Ampere. Το μειονέκτημα του λεπτού διηλεκτρικού, είναι η ελάχιστη αντοχή σε τάσεις, που περιορίζει την λειτουργία του υπερπυκνωτή σε μια περιοχή από 0 έως 2,5 Volt.

Ο κύριος λόγος που δεν καθιερώθηκαν ευρέως ηλεκτρικά οχήματα είναι η μικρή τους ενεργειακή αυτονομία και η μικρή τους ισχύς, που οφείλεται κυρίως στην δυσκολία της αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συσσωρευτές γενικότερα, επειδή αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια χημικά, έχουν περιορισμένη ισχύς αφού η ισχύς της εξαρτάται από την ταχύτητα αντίδρασης των εκάστοτε χημικών αντιδράσεων. Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, έχουν μία πολύ απεριοδική και απότομη καμπύλη κατανάλωσης που καταπονεί τους συσσωρευτές. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι να διερευνήσει, αν η εισαγωγή υπερπυκνωτών στο σύστημα προώθησης ενός ηλεκτρικού οχήματος μπορεί να βελτιώσει την απόδοσή του.

 

Ο συνδυασμός συσσωρευτών και πυκνωτών φαίνεται απαραίτητος διότι οι συσσωρευτές έχουν περιορισμένη ισχύς σε σχέση με την μάζα τους ενώ οι υπερπυκνωτές έχουν περιορισμένη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας. Βέβαια έχουν κατασκευαστεί πρωτότυπα οχήματα που χρησιμοποιούν μόνο μία από τις τεχνολογίες όμως συνδυάζοντας τις τεχνολογίες μπορούν να συνδυαστούν και τα πλεονεκτήματά τους. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται σε λογαριθμική βάση η περιοχή λειτουργίας διάφορων τύπων συσσωρευτών και πυκνωτών.

 

Πηγή: EPCOS

 

 Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να συνδεθεί μια συστοιχία πυκνωτών σε ένα όχημα. Για αυτήν την εργασία επιλέχθηκε ο απλούστερος. Κατασκευάστηκε μια συστοιχία πυκνωτών έτσι ώστε να έχει την ίδια ονομαστική τάση όπως και το σύνολο των συσσωρευτών και συνδέθηκαν παράλληλα. Η συνδεσμολογία αυτή είναι γνωστή και ως «Peak Power Assistance», διότι οι πυκνωτές λόγο της χαμηλότερης εσωτερικής αντίστασης, απορροφούν τις απότομες απαιτήσεις ισχύος. Κάθε άλλη κατασκευή θα απαιτούσε παλμοτροφοδοτικό υψηλής ισχύος που ήταν οικονομικά απρόσιτο για την μελέτη αυτή. Λόγο των περιορισμένων οικονομικών δυνατοτήτων, όλα τα συστήματα μέτρησης ήταν ιδιοκατασκευές και η ανάπτυξη τους μέρος αυτής της εργασίας.

Ο σχεδιασμός της μελέτης προέβλεπε μετρήσεις εντός και εκτός διαφόρων οχημάτων με διαφορετικές τάσεις. Εκτός από την καταγραφή του έντασης, της τάσης του κινητήρα και των συσσωρευτών θα έπρεπε να καταγραφούν και οι εντάσεις, οι τάσεις και οι θερμοκρασίες των υπερπυκνωτών. Διότι, σαν νέο και ακριβό υλικό έπρεπε να διαπιστωθεί αν παρουσιάζονται ασυμμετρίες στα φορτία τους ή πρόωρη γήρανση όπως έχουν παρατηρήσει άλλοι ερευνητές.

Πρώτα από όλα, ορίστηκε σαν βασική μονάδα μια εν σειρά σύνδεση έξι υπερπυκνωτών, που σχηματίζουν έναν ισότιμο πυκνωτή με ονομαστική τάση 12 Volt. Η τάση αυτή είναι η μικρότερη που συναντά κανείς σε ηλεκτρικά οχήματα και εκτός αυτού είναι και το ελάχιστο κοινό πολλαπλάσιο των τάσεων που χρησιμοποιούνται συνήθως (24,36,48). Κατά δεύτερο, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα τυπωμένο με microcontroller, ο οποίος κάνει περιοδικές μετρήσεις όλων των απαραίτητων μεγεθών. Επίσης αναπτύχθηκε ένα πρόγραμμα σε PC που έχει την δυνατότητα να λαμβάνει μέσο CAN-BUS τα δεδομένα του microcontroller να τα επεξεργάζεται, προβάλλει και αποθηκεύει. To CAN-BUS προτιμήθηκε λόγο της ευρείας χρήσεις του σε οχήματα και λόγο της ανθεκτικότητάς του σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Η δεύτερη συσκευή που κατασκευάσθηκε υλοποιούσε τον τηλεχειρισμό σταθεροποιημένων πηγών και ηλεκτρονικών φορτίων για προσομοιώσεις οχημάτων στο εργαστήριο. Η συσκευή αυτή, επίσης περιείχε έναν microcontroller που επιβάρυνε τους συσσωρευτές και πυκνωτές με χαρακτηριστικές καμπύλες καταναλώσεις αυτοκινήτων σε πόλεις τύπου ECE15. Η συσκευή κατέγραφε και τις περιβαλλοντολογικές συνθήκες του εργαστηρίου και ρυθμίζεται από ένα PC μέσο CAN-BUS. Η τρίτη συσκευή που κατασκευάσθηκε ήταν μια βελτίωση της πρώτης με μεγαλύτερη ακρίβεια και χαμηλότερο κόστος για περισσότερες βασικές μονάδες πυκνωτών. Αποτελείται από μία μητρική πλακέτα με microcontroller και περιφερειακά τυπωμένα, βιδωμένα επάνω στους πυκνωτές με ψηφιοποιητές. Τα περιφερειακά τυπωμένα κατέγραφαν τα δεδομένα και τα παραδίδουν στην μητρική μέσο SPI-Bus και η μητρική πλακέτα σε ένα PC μέσο CAN-Bus.

Κατά την διάρκεια της εργασίες έγιναν μετρήσεις στο εργαστήριο και στον δρόμο με διαφόρους συνδυασμούς συσσωρευτών και υπερπυκνωτών. Οι μετρήσεις στο εργαστήριο έγιναν με ένα αυτοματοποιημένο σύστημα που προσομοίωνε τον ηλεκτρικό φόρτο ενός ηλεκτρικού οχήματος και οι μετρήσεις στον δρόμο έγιναν με ένα ηλεκτρικό όχημα τύπου MiniEl. Οι μετρήσεις στον δρόμο έγιναν και με εναλλάκτη που έχει και με εναλλάκτη που δεν έχει ικανότητα ηλεκτρικής πέδησης. Σχεδόν όλες οι μετρήσεις επαναλήφθηκαν πέντε φορές. Στον δρόμο η όμοια επιβάρυνση του ηλεκτρικού συστήματος εξασφαλίστηκε με μια συγκεκριμένη διαδρομή και συγκεκριμένο προφίλ οδήγησης σε όμοιες περιβαλοντολογικές συνθήκες.

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων επιτρέπουν τα ακόλουθα συνοπτικά συμπεράσματα:

 

·        Η μέθοδος υποστήριξης μεγίστης ισχύος („Peak Power Assistance“) αυξάνει την ανεξαρτησία ενός ηλεκτρικού οχήματός. (Κατά την διάρκεια των μετρήσεων ανάλογα τον συσσωρευτή 10-200%).

·        Οι υπερπυκνωτές βελτιώνουν την απόδοση του συσσωρευτή αντιστρόφως ανάλογα με την μέγιστη ισχύς του συσσωρευτή.

·        Αν χρησιμοποιούνται υπερπυκνωτές σε ηλεκτρικά οχήματα με δυνατότητα ηλεκτρικής πέδησης, αυξάνουν την ενέργεια που ανακτάται κατά την διάρκεια της πέδησης.

·        Με σταθερό το μηχανικό φορτίο, τον κινητήρα, τον εναλάκτηρα, τους συσσωρευτές και τις περιβαλοντολογικές συνθήκες, η αύξηση της ανεξαρτησίας ενός ηλεκτρικού οχήματος αυξάνεται με την αύξηση της χωρητικότητας των υπερπυκνωτών. (Η σχέση είναι σχεδόν γραμμική με ένα θεωρητικό όριο)

·        Διαφορές στην δυναμικότητα (επιτάχυνση) του οχήματος δεν μετρήθηκε.

·        Κατά την διάρκεια των μετρήσεων δεν εμφανίστηκαν ασυμμετρίες στους εν σειρά συνδεμένους πυκνωτές. Οι διαφορές δυναμικού περιορίστικαν σε 0,1 Volt ανά γειτονικό πυκνωτή.

·        Κατά την διάρκεια των μετρήσεων οι υπερπυκνωτές δεν αύξησαν σημαντικά την θερμοκρασία τους, ούτε καν με ρεύματα άνω των 150 Ampere.

 

Όλα τα σχέδια, τα τυπωμένα, το λογισμικό και τα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι αποθηκευμένα σε ηλεκτρονική μορφή και διαθέσιμα για όλους τους ενδιαφερόμενους.


<<< Επιστροφή