Izboljšanje dinamičnih lastnosti hranilnikov električne energije
Marijan ŠPANER
Izvleček: Prispevek obravnava sisteme za hranjenje energije pri električnih in hibridnih vozilih ter različne možnosti izboljšav njihovih dinamičnih lastnosti. Ključni element vozil z električnim pogonom je učinkovit hranilnik električne energije. Lastnosti akumulatorske baterije so odvisne od izbrane tehnologije, delovne temperature, tipa obremenitve, življenjske dobe / starosti in še nekaterih drugih pogojev. Zelo pomembna lastnost hranilnika električne energije je zmožnost oddajanja in sprejemanja velike količine energije v kratkem času. Ob tem naj bi bil izkoristek hranilnika čim boljši. Standardne akumulatorske baterije (še zlasti svinčene) te zahteve le težko izpolnijo. Zato lahko dodamo sklope, ki so sposobni učinkovito prevzeti konice moči in na ta način bistveno izboljšajo dinamične lastnosti, izkoristek ter podaljšajo življenjsko dobo baterije.
V prispevku je predstavljeno, kako se na osnovi simulacije določi obremenitev baterije med vožnjo vozila. Glede na visoko dinamiko obremenitve se izkaže, da baterija pri vršnih vrednostih obremenitve ne zmore shranjene energije učinkovito pretvoriti v električno. Ta pomanjkljivost se rešuje z dodatnim hranilnikom energije, kot sta superkondenzator ali mehanski vztrajnik. Obe izvedbi »dinamičnega« hranilnika energije sta v prispevku podrobneje opisani, prav tako tudi način njune integracije v »hibridni« hranilnik električne energije.
Ključne besede: električna vozila, vozni cikli, hranilniki električne energije, superkondenzator, vztrajnik, bidirectional Buck-Boost converter
■ 1 Uvod
Električna, hibridna in vozila na go-rivne celice imajo zaradi učinkovitejše izrabe energije nekaj bistvenih prednosti pred običajnimi vozili s pogonom na fosilna goriva. Ničelna stopnja izpusta toplogrednega plina CO2, tiha in udobna vožnja električnih vozil ter izboljšanje izkoriščenosti fosilnega goriva pri hibridnih vozilih so ključni razlogi za intenziven razvoj električne avtomobilske pogonske tehnike v zadnjih dveh desetletjih. A glede na tehnično dovršenost pogonskih motorjev in močnostnih stikalnih pretvornikov ostaja akumulatorska baterija še vedno šibka točka celotnega električnega sklopa električnih in hibridnih vozil.
Učinkovit akumulator oziroma hranilnik električne energije je ključni element pogonskega sistema pri
Mag. Marijan Španer, univ. dipl. inž., Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko računalništvo in informatiko
vozilih z električnim pogonom. Lastnosti akumulatorske baterije so odvisne od izbrane tehnologije, tipa obremenitve, življenjske dobe oziroma starosti, delovne temperature in še mnogih drugih okoliščin. Pomembna zahteva za hranilnik električne energije je zmožnost oddajanja in sprejemanja velike količine energije v kratkem času. Istočasno naj bi bil izkoristek hranilnika čim boljši. Standardne akumulatorske baterije (še zlasti svinčene) te zahteve le težko izpolnijo.
Kapaciteta akumulatorske baterije oziroma količina razpoložljive električne energije je odvisna od pogojev pri praznjenju in njene izrabljenosti, na katero pa vplivata predvsem število ciklov in način uporabe v preteklosti. Zaradi velikega števila dejavnikov, ki vplivajo na dejansko kapaciteto baterije (pra-znilnega toka, števila opravljenih ciklov praznjenja-polnjenja, globina praznjenja, stanja napolnjenosti baterije (SOC), obratovalne temperature in obremenitve) [1], je modeliranje tega procesa zelo zahtevno.
V prispevku je predstavljeno, kako se na osnovi simulacije določi obremenitev baterije med vožnjo vozila. Glede na visoko dinamiko obremenitve se izkaže, da baterija pri vršnih vrednostih obremenitve ne zmore shranjene energije učinkovito pretvoriti v električno. To pomanjkljivost je možno razrešiti z dodanim hranilnikom energije, kot je superkondenzator ali mehanski vztrajnik. Obe izvedbi »dinamičnega« hranilnika energije sta v prispevku podrobneje opisani.
■ 2 Analiza vožnje električnega vozila in obremenitev baterije
Simulacija vožnje je bila narejena s programskim paketom Simulink / MATLAB. Uporabljen je bil matematični model s parametri testnega vozila Estrima Biro [2].
Matematični opis gibanja vozila je možen na osnovi splošnih pravil mehanike. Glede na dejstvo, da je vozilo kompleksen sistem, sesta-
vljen iz velikega števila komponent, smo se pri obravnavi pogonskega sistema omejili na enodimenzionalno gibanje.
Obnašanje vozila vzdolž smeri gibanja je popolnoma določeno z opisom velikosti sil v tej smeri. Pogonski agregat preko gonila generira vlečno (trakcijsko) silo Ft, ki premika vozilo naprej. Med gibanjem \/ozila se paojavi ^ilia uipora (kotalni in inaraiični upor^, ki naspprotuj^ cgikanja oziroma poskuša vozilo zaustaviti, in sila za p)jl^mac:jovcinjf^ Icl^ncci. F^o djuc;|(3m Nilkva/ltonov/fnm ^^^onui je |:)n3sp)^še-Vcinj^ vcnzzila doloia^ncd ^^
dV _ 'LFt -'LFr dt ~ M + SJr
kjecrje:
V hitrost vozila
2:Ft skupna si)^ pnoc^ona voziln
HF^ skupna sil^ uppora vozi|a
skupna mia^^ vc:)^iia (d masni fjikto:j, l^i pr^1:vc3ri r(c:ta-cijske vz1trcijno;;1)) v trčonsli^cirijjlcej mase
J( vztrarnostj^i moment rotirai)^-čih delo\/i vozila
Skupni upor vodila med vožnjo je vsota treh komponent: kotalnega upcara, zračn^t^a upcska in komrapo-n^nte sil^ teže pri vožnji po klancu:
F = Ff +F^+F^
Kotalni up)or av^tomobrilskega kolesa pri vožnji p)o trdni podlagi je p)o^l(^dica lastnosti meit^riala pnevmatik pri deformaciji.
KK^^Pfr = mgfr
jjj f^rje
velikost sile uifporei kotah^g^a trenja
F' skupna sil^ obfr^m^irit^e^ n^ Ico-lesa
r^ masa vozsHia Or ^^kktjoi^ kn^otz^lnsitg^ u^or^
Oj3 upsio^tev/anj^ ^li;;11e;rer^lsf;; kk^i-akc-teri^tik:^ Ido1 (^«a^orm^ciri penev/mati-kke je, kDotsreEitano ^a l^ot^lj^nj^ l<col(ž^£i vIc3^iti energijo, ki paropaorcio-ncilr^^ loc^v/ršjini hiistenezne kriv^ulje. Fak^tior kot:alnega uppoi"^ fr je; odv/i^ sen od l^stnosti matejrial^ p)n^^r:^a-tik in p)odlage, obii^ajn^ vrednost f)ri sodobnih materialih pa znaša okrog 0,r^1[N/NJ].
Upcor zraka, ki d^li^j^ nei vo^ilcu pri vožnji z dolocjiBnco ^itr-ostCo, ime-ujemj^o tudi ^e^(^din^(sličrii id |Pior. SS^stavljen j^ i -o iiiv/^e;!/ ^o:) r^|^jjn(5n1i, zzrčičn^cgči uppoi-ci ziiarčrdi olblikue! vozile, in piov: rr-šii nk^d^^cscr trr^nric ^ ^i-cik:^ m . O)blikci \/ozi|a ir^či ze;lo |:)ccrufemblen vplivv rial n aičin cudr-iv^ ujai m ai^ee m^: dija rzr^kkai) m^d \t/o;rr^jo, pK^^l^idica tegaj^ ^ila upco^i-ia. D^^inii-ar1 j(i koes^ ^icie^nt zl-j<č:rl(^ciJ<^ u|jorl;a cr (drcic;) co^-efficient):
2Fw.
pv ji
kjer je:
Fw velikost sile zračnega upora p sp)^(^ifična gccstotci medija (^r-Eika) v hitrost gibanja skozi medij A čelna površina vozila
Površinsko trenje nastane zaradi vrtinčenja molekkul kot piosledica velike razlike v/ hitrosti mračnih plasti tUk ot) pjov/ršini vv^cs^ilia. S5l<ru|^rra siiir ^r-^č-nf:l(g^ l.Jp)C3i'čj vo^^i1^ je; |^(^dclni^ |cr3t:
Icjerje^
p c|:cc;;1:ccti^ t^l;rdi_jiEl ilzi^i-cjk^li P I•ri11|rc3st (^itj^nj;^ sIcc:)^i meirlt ^^ ^^i1llr)^^1: \/e;1llpa
Pr-i vožnji p)c^ l^i^n^ci^ ^clr:lc^nc3^ cc|:)iš;^rrrcc Ict^rtlpr(^r^en1ro ^ilei, k-ci rcci-sp)rc3tuje gibhcinju vo^zila pri vožnji n^v^gonr cc^i1oma pzo^maga gi banju pr^i vožnji navzdConl:
IF^ =m.'g.Sr^aot
Skup)lž a ;;i la upaoo^ x/oczilci m^cl vc^-^|Cijoje v^ota vs^h treh komp)on^nt:
/K^nKsiiiiej
^a (^^noiivji j:e;)j ;i^^o:ri1io^1:i in la^ttnjc-^til vo^il^ji e;; loil ^^ |^(^1:|j^l:)e sir^uliac)ije; i^nl^l^n mate;lmc:ti(j:|rii mod^l v/'ozila. SSimulacijo vožn-e ree možno izvesti n;^ osnovi sil, ktgr \ti:)ll\/atc^ na ^ibianje, ^^ndar smo soe; ^^čiac:li tipai ptogona ^r(o1)cicijski moton) i:i pj^gledneCše^
IB
^ozni cilsl ECE-tS
trn*	PI'S

M4d«l vOiiU

Slika 1. Simulacijska shema za analizo vožnje Ventil 21 /2015/ 3
h HrDA voii la
-►K
Hllnjit Wll* jlnna
v kn/h
cd =
Slika 2. Simulacijavožnje vozila: hitr^stvožnje, navor motorja in potrebna moč pogo na
opcijske obravnave; retduktorja hitrosti (menjcilnika in difereniaiala) odloičiii up)orab)lti navor l^ot vhodno veličino v ercodel vozila).
Te k F.r
kjeerre:
Te pogonskinavorelentromotorj^ F sila za poc^on vozilci r polmer kolera
Čascevni jjrofi|):)o1ireli:)n(r r^oi01 prro-goaskis11^ sistema \/(f)^ili3 j^ triinlolo-čena na c^^nc3vi ainan^^ vožiifije vorfila. Simulacija vožnje omogoča opa-zov^n^jf^ v/seeh spremenljivzlb sistema, od potrebna poc^cmsk^ sile in navora motorja do hitrosti vožnje in prevožene razdalje. Za potrebe preučevanja delovanja akumulatorske baterije je najpomembnejši podatek časovni potek potrebne električne moči, ki jo mora baterija zagotavljati za pogon vozila.
Za testni način vožnje smo izbrali Evropski mestni vozni cikel ECE-15, katerega časovni profil glede vozne dinamike in hitrosti vožnje popolnoma ustreza vožnji majhnega električnega aivtomobila va urbanem okodju.
Simulacijska shema na sliki 1 predstavlja zaprtozančno hitrostno vo-
de nje voozila. Uppr^rabljerij^ prropor-ciccnalei Vitsostni recrularto-, reSe-r^nca |jegijilatotirja j^ gan^riaanei po voznem ciklu ECE-15.
Značilnost vožnje po urbanem okolju je relativno nizka hitrost s stalnimi spremembami oziroma dinamičnimi pospeševanji in zaviranji vozila. Slika 2 prikazuje potreben navor oziroma moč pogonskega sklopa. Tretji graif ^lik^ priksaizuje moč jozi-|joma (cft) ipii-e^i^pDoss-t^vki kkonst^nline;;
baterijske napetosti) obliko toka, ki ga mora akumulatorska baterija zagotavljati za potrebe pogonskega sklopa. Razvidno je, da je pri mestni v^ožžnji obrerk^nitev^ baterije izrazito impulzna v obeh režimih delovanja, tako pri pospeševanjih kot tudi zaviranjih vozila.
■ 3 Omejitve
akumulatorskih baterij
Za analizo energijske izkoriščenosti baterije je potrebno izvesti simulacijo di^lov^nja elektromcctornega pogona z močnostnim pretvornikom, pri čemer se za obravnavo delovanja vira energije uporabi ustrezen model akumulatorske baterije. Ob simulaciji vožnje po dinamičnem voznem ciklu se zaradi visokih obremenitev pokažejo slabosti akumulatorske baterije: znižanje napetosti, posledica tega sta še dodatno povečanje izl■accdneg^ tokfi^ in upad izko-rišc;l^riccsti shranjene eniergije. Jasno se p)ok^že, da al<ur-ul^torska baterija najučinkoviteje deluje pri nizki in čim bolj konstantni obremenitvi. Pri vseh akumulatorskih baterijah, ne glede na tip (svinčene, Ni-Mh ali liti-jeve), s povečevanjem obremenitve upade izkoristek pretvorbe razpoložljive kemične energije v električno. Pri električnem vozilu nastopajo takšne obremenitve ob delovanju pog^onskega motor-a ^ visoko mo-
> I
ro
Š O)
C
t a
Discharge Time
Slika 3. Praznilna karakteristika baterije Leoch, tip BLDJM1245 [4]
Slil<^4. Hibridni hranilnik energija (primer kon'ibinacije baterije in superkondenzatorja)
čjo, to je predvsem ob močnem pospešjevanju fpri višjih liitrostih. V 1:em ir^žirriu al<unnulcitoi-sl<i bciltferi-ji ^iai-iäcJi n_j^n(ünc:)1:i-an_if2 uiizoi-i-iossti fjiäcie naii)e1io;;t in: |ze|<ori;;1:iE!l< Inr^nH^ nii^a jn^iC3iij^ j< drastiiino zrnicinj^r. D^janiko kapaciteto t)aterije v oCvi-snosti ori praznilnec<a toka <n pvrime-ru konstantiec^ci tihremi^nci) je n^oi: ^^dovoljivco opiisati z empiii-ičnlm Fi^ulceitovimn f)ravilojj [<r:
vedno dinamično spremenljiva, zcitoji^ za ui:in[c(^iiito anialiddo firi^ pjiroi:|iivci uriori3biiti k(^mf)ll^ksnej^ šli ni^od^l biate^rije. Za simiuladio d^lovanjci s\/ini:^n^ akurjuic:ton-sl^^ biateri<e j^ z^lo pgrimieren »^l-n^tični rijoidel batr^rije« (Ki[<jilVl), Iki upc:)št^\/cl tudi reg^n^reijrijski efekt mued po^ame^nim<ii intervali obre-menitviej. Pojdrolijen opis KiBafi^ j^ poid^n v <35].
■ 4< |^(ombiiniran Iiiranilnik električne energije
Glede na opisane slabosti standardne akumulatorske baterije kot tudi s stališča učinkovitosti izrabe akumulirane energije pri vozilu so idealni pogoji delovanja takšni, le akumulatorska baterija pokriva le srednjo vrednosti potrebne moči. Na ta način je razbremenjena visokih vršnih vrednosti moči, posledično pa je možno izkoristiti največji delež shranjene energije.
Predpostavimo, da je hranilnik električne energije sestavljen iz dveh komponent, od katerih prva (baterija) pokriva le srednjo vrednost, druga pa dinamični del obremeni-tgr.^, |:ll"il<^^^nrl) na s^^rrr 4. Prednosti tgčjkgšnec-^ l<omb)ini-aiii^ga ali hibri-cinega hranilnikcl eleI<trične energije bi bile naslednje: izboljšana izkoriščenost shranjene energije, manjše termične izgube in predvidoma tudi podaljšanje življenjske dobe f)cmam^ akumulatorske baterije.
v. ::ris:)evlnu sta cpisani dve raz-Hčni izzviedbii kko^mldi ni ranega (ali hib|1idneg^) |-il"£lnilniI<a električne energiiije. Prim'ian-ii ieanilnik, ki za-gotavilja sredn<o vrndnost moči, je v otd^ii primerili akumulatorska baterija. I^ot dini^mična komponenta, k^i ^agotav^jja konice moči pri po-
C, = I' t
kjeerje;:
Cp nazivna kapaciteta baterije [Ah] I aktualni praznilni toci-c [AA] t čas praznj^jja biciterije [h] k Peukertova l^onstanta
Tudi po podatkih piroizvajalcci j^ja-r;azvidejn ^f^bt: upičai^a l.1|:)c:)r^b)n^ kapučicitete cil<i.Jr^uletol-^l<e b:<^1:«rij^ pri povečini tokovni jobremenitvi. Slika 3 p ri kazuje praznilno karakteristiko svinčenih baterij Leoch, tip DJM 1245, ki so vgrajene v testnem vozilu Estrima Biro. Tako že pri obremenitvi baterije s tokom 25 A njena kapaciteta močno pade, z nazivnih 45 Ah na le 25 Ah.
Realna obremenitev baterije je med vožnjo električnega vozila
Slika 5. Dvosmerni močnostni stikalni DC/DC-pretvornik
speševanju in zaviranju vozila, sta podani dve možnosti:
a)	superkondenzator s pretvornikom ali
b)	mehanski vztrajnik z elektro-motornim pogonom.
V	obeh primerih sta sklopa preko močnostnih pretvornikov z ustreznim vodenjem povezana na skupno enosmerno vodilo glavnega pogona (slika 4).
V	hibridnem hranilniku energije je za testiranje uporabljena akumulatorska baterija iz električnega vozila Estrima Biro. Gre za 8 kosov serijsko vezanih 12-voltnih trakcijskih svinčenih gel akumulatorskih baterij Leoch, tip DJM1245 [4]. Skupna napetost je 96 V, kapaciteta 45 Ah, količina shranjene energije v celotni bateriji pa 4,3 kWh.
■ 5 Hranilnik
električne energije s superkondenzatorjem
Superkondenzatorji (SC) ali ultra-kondenzatorji so kondenzatorji, ki
se zaradi svojih posebnih lastnosti (nov^ tehinolocgij^, l<;i omogoičajo zelo velike kapacitivnosti, majhno notranjo up)ornost in (:)osl^(ail:n(^ visol^e 1:oko\^ne; olbire; meinittx/e^) up:) or^tnl^jcijo zeie shranjevanje električne energije [5].
Wsc =
CU2 2
kjer je:
Vjesc količina shranjene električne
energije [Ws] C kapaciti\rnost l<orrcl^n^ta1:i:)reč) [F] U napetost ne konC^nratorju
Kondenzatorska baterija je sesta-vlnena iz šestih see[s<cj vez<anili kondenzatorjev s kiapaacitivnostjo po 2n0 n /t 1:6: Vvs prroizvgajalc^ IVIax\A/ella, tip BMOD0250-16.2V. SC je na skupno enosmerno vodilo povezan preko dvosmernega močnostnega stikalnega DC/DC-pretvornika.
Močnostni dvosmerni stikalni pretvornik (slika 5) je bil v laboratoriju razvit posebej za priključitev SC na enosmerno vodilo pogona. Pretvornik navzdol (Buck) prenaša energijo z mesta višjega potenciala (s
skupnega enosmernega vodila z na-petc3^tjc3 2Ej0 V) v superkondenzator, ki deluje v napetostnem območju od 50 \/ iCC^ 100 V/. Pij(l;t\rornik navri^cjor ^[iroci^t) c^roj<c;|cri:a p^^nos en^rc|ije v nasprotni smeri, pri čemer mora dvigniti napetost za faktor 2,5- do 5-krat. Obe konfiguraciji sta združeni v sestavljenem vezju dvosmernega pretvornika, tipa Buck-Boost.
Močnostni stikalni pretvornik deluje ^ p:u|znoširinsko moCulacijo (PWM, Pulse Width Modulation). Modulator z dvema izhodoma skrbi za preklop med obema različnima strukturama v^odenja (Buek ^li Boor^t), s t^m p^ s^ določi tudi smer ppe^toOa energije^. Stikalna frekvenca 16 kHz je prilagojena uporabljenim močnostnim tranzistorskim stikalnim elementom IGBT. Tokovna zmogljivost pretvornika na strani SC je v območju +/-100 A. Delovanje pretvornika je podrobneje opisano v [5].
Za vodenje celotnega kombiniranega hibridnega hranilnika električne energije je bila razvita kompleksna shema vodenja (slika 6), ki v dveh re-
E^U


^	_, Um

Stwwc

Pwnu
"r.


Ut
□



PWM

trS^ t



BtMri|A

mmiAki negon
Slika 6. Shema vodenja kombiniranega hranilnika energije 232
"e
Slika 7. Odziv kondenzatorskega hranilnika električne energije pri obremenitvi po voznem ciklu ECE-15
gulacijskih krogih zagotavlja ustrezno dinamiko delovanja za vsakega od obeh hranilnikov/virov energije. Vsak hranilnik energije uporablja svoj dvosmerni močnostni pretvornik, oba pa sta priključena na skupno enosmerno vodilo, ki zagotavlja napajanje za glavni pogonski motor vozila.
Dinamična enota s superkonden-zatorjem se mora hitro odzivati na spremembe. To je zagotovljeno z vodenjem pretvornika s kaskadno regulacijsko zanko neposredne kontrole l^oliičine enercjiije na enosmernem vodilu. Pri konstantni vrednosti kapciciti\/nos1:i tal<šna recgulacijslk^ zanikci zacjiotavlja <:onstantno nap^-tc^st nci ^nosm ernem vodilu. I^hocJ renullcltorjci energije nei izhcc^du pir^c1-stnvljci ref^r^nco potrebne moči. [RCen^ereencc: tol^a ^a no^reinjco tokovno riecgulacijs^cs	se iz^r^čun^Vci i^
referenca mccl:i in izmerjene napetosti suipnerkzond^n^atorja:
I
P,
ref
c rff
Uc
Ker je količina shirainjen e energ ije v su|^^|C<:ondf5nl^£ätorjul reliativrno mijijl-j-na^ ^icidoigčia l^ ^a plospj^fevclr^je5 vo^ ^il^ o;jirj3ma zz^ ne!|caij i^eset: se^<unlci vožrije jzailoga enernij^ je v razredu 105 Ws). Da bi bilo v SC vselej dovolj enercnij^ za ppotrebe glavnegai po-gonai v/ozila, ^e nrorai C^C z ^n^rgijo polniti iz baterija. Ta prooce^ pjotelrci s počasno dinamiko in tako zagotavlja optimalne razm-iere za delovainje akumulatorsl^e tcaterije. Zd regulacij-^Ico ^clnlfo \/odelnjcl |Ol^etol<a ^ne^rgjije
iz baterije preko enosmernega vodila se regulira napetost na SC. Tudi tukaj je uporabljena kaskadna shema z notranjo tokovno zanko.
Kot strojna oprema za vodenje sklopa je v pretvorniku uporabljen eksperimentalni komplet Texas Instruments TMS320C2000 [6] z mikrokrmilnikom TMS320F28335. Regulacijsko shemo smo sestavili v programskem paketu MATLAB Simulink, generiranje in prenos programske kode se izvede s CCStudio.
5.1: Presiklus djirc<amičn^gcja hranilnilo «> !su|3erkc^n cHen zatoorjem
Izveden je bil laboratoripsl^i dinamični 1:est obji-ecm: ejni1:^l^ ^ n o^^ ^ zu perk(^n-
denzatorjem s pripadajočim pretvornikom. Dinamični hranilnik je bil priključen na »preizkuševališče hibridnih pogonov« [5], to je testno merilno mesto za preizkušanje posameznih pogonskih komponent pri vozilih, različnih hranilnikov energije in konfiguracij vodenja posameznih sklopov. Obremenitev hranilnika energije s SC je bila izvedena preko 5-kilovatnega trakcijskega motorskega pogona AC PM z obremenitvijo, identično vožnji po voznem ciklu ECE-15. Enota za mehansko obremenjevanje je sestavljena iz vodenega AC-servopogona, sprogramirana po karakteristikah iz matematičnega modela električnega vozila Estrima Biro.
V laboratorijskem testu je bila enota s superkondenzatorjem obremenjena po dinamičnem voznem ciklu ECE-15, rezultati meritev so prikazani na sliki 7. Eksperiment je podrobneje opisan v [5], izveden pa je bil pod naslednjimi pogoji: konstantna napetost skupnega vodila Udc link = 250 V, Uc(t = 0) = 90 V, vodenje pogonskega motorja po voznem ciklu ECE-15 (60-odstotna obremenitev). Obremenitev vira oziroma izmerjeni tok na enosmernem vodilu IDC |.rk je po obliki identičen obremenitvi pri simulaciji vožnje (slika 2). Zaradi energije, ki se za pogon vo-^ilai [jjretaka iz SiC v motor, se zmanjša vljudnost shranjeie energije v SC, po-sleedično tudi zniža napietost Uc (slika 7). Friri ^naki obremenitvi je zaznavno tudi poveečanje; toka iz SC ob znižani ::r^|^^to^ti na l<ccnd(^n2:atc^rju.
_ ^ Dcroc W
preEvomilt I
CC link
Alnjmulalorska batHija
—I
pogon M I \Ji-
AC sarvig H
pogofi ■
©PsgowW molor vozilä
Metianjlci vztrajnik
SZkči 8. Kombini^iana hrani^n^k ^ne^rgr^e (Iba^er^jca Zn ^Z^kirjcnji motor/ gezierattor z
H 6 IHričiiiiliiilc el(=>l(tri(:^(:> enercjitjee 21 iii(sihč)iisl<iii'i vztrajnikom
Kot alternativa hranilniku električne energije s superkondenzatorjem je predviden tudi hranilnik električne energije z mehanskim vztrajnikom. Ta sklop je delno še v fazi izdelave.
Električni motor (z vodenim pretvornikom) pretvarja električno moč na sponkah motorja (U.I) v mehansko moč na izhodni gredi (M.u), energija pa se akumulira v obliki kinetične enerc|ije vrtečegga se rotcorja vztrajnika. F'r^tok mocli j^ dvosmeren, elel^1iiic:ni moto^r lahl^o cJeluje v iro1:or^l<^m ali g^n^ratorslcem ri;ži-mu. S^hranjena kiir^^tiična energija vzi-tečega telesa je določena z izrazom:
Wki =

Wkin količina
kinetične
kj^rje:
shranjene
energije
J skupni vztra]no^ti moment rotorja [kg.rti2] w kotna hitrost rotorja [rad/s]
Glede na zakonitost, da je shranjena energija proporcionalna kvadratu vrednosti kotne hitrosti, je za shranjevanje energije primerna čim višja kotna hitrost. Slika 9 prikazuje
količino shranjena kinetične energije v vztrajr^iku v odvisnosti od kotne hitrosti (prikaz v grafu je v odvisnosti od vrtilne hitrosti [min-1] ).
Predvideno konstrukcijo rotorja vztrajnika prikazuje slika 10. Izbira dimenzij, vrtilne hitrosti in ostalih lastnosti sklopa je odvisna predvsem od razpoložljive tehnologije. V današnjem času se za izdelavo vztraj-nikov uporabljata predvsem dva različna materiala, jeklo ali kompozi-ti iz ogljikovih vlakken. Oblika vztrajnika, ali je ploščat oziroma vitek in d^lj!5i, doloiča vrednost vztrajnostee-ga momenta. Matematično je mo-žcniv (ilcr^iaz^til d<a isoli isin<a ^|]iianje;n^ ^ne^rgire; pzi'i |Io1:orju i^ (rlo|Ol:^^ne;g^ m ateriala ni odvisna od oblike, temveč le od mase vztrajnika [7].
Fri podani konstrukciji (na sliki 10) je masa rotorja jeklenega vztrajnika m = 22 kg, skupni vztrajnostni moment vseh vrtečih se delov J = 0,14]! kkg.m 2. Fri vrtilni hitrosti do n = I20.000 m in-1 to ustreza najvišji vrednosti shranjene energije v razredu 300.000 Ws.
Električni motor za pogon vztrajnika ima funkcijo pretvorbe električne energije v mehansko. Glede na današnjo tehnologijo električnih motorjev bi bila smiselna izbira motorja s trajnimi magneti (FM motor),
Slika 9. Količina shranjene energije vztrajnika v odvisnosti od vrtilne hitrosti 234
s^i so m^njSi, omoc]Olča velike preobremenitve in ima boljši izkoristek od ostalih tipov motorjev. A glede na pretežno impulzno, nizko inter-mitenčno delovanje električnega motorja so zelo pomemben dejavnik tudi izgube v prostem teku. FM-motorji imajo v primerjavi z motorji brez trajnih magnetov pri visokih vrtilnih hitrostih primerljivo visoke izgube magnetenja (hi-sterezne in vrtinčne). Zato smo se kljub slabšemu izkoristku odločili za uporabo asinhronskega motorja. Zaradi zahtevane visoke obratovalne vrtilne hitroosti do 20.000 vrt/min je izbran standardni 2-polni moitor. FIr^dvidelnh pir^d^ljjv^^ obsega ob-dleelčjvio rotor-j^ in n^1:<^nčno centriranje, zamenjavo ležajev, izdelavo novih ležajnih pokrovov kot tudi previjanje navitja statorja za ustrezno napetost. Električni motor/generator bo na skupno enosmerno vodilo vozila priključen preko trifaznega tranzistorskega mostiča z vektorskim FWM-vodenjem, kar bo omogočilo neodvisno nastavljanje magnetilne in delovne komponente. Ta način zagotavlja optimalno delovanje v različnih režimih, tako z najvišjo stopnjo magnetenja do nazivne delovne točke (10.000 vrt/ min), v območju slabljenja polja (med 10.000 vrt/min in 20.000 vrt/ min) kot tudi možnost delovanja brez magnetnih izgub v prostem teku.
Pri visokih vrtilnih hitrostih, še zlasti pri aplikaciji, kjer so zahtevane čim manjše izgube, je potrebno zagotoviti minimalno trenje. V ta namen je predvidena vgradnja motorja v zaprto ohišje, kjer bo deloval v helijevi atmosferi. Helij zaradi nižje viskoznosti zagotavlja tudi nižji viskozni zračni upor vrtečega se rotorja. Za boljše hlajenje je zelo ugodna tudi bistveno boljša toplotna prevodnost helija (He: 0,14 W/ (m.K), zrak: 0,025 W/(m.K), oboje velja pri temperaturi T = 293 K in tlaku p = 1 bar).
Ležaji morajo pri opisani aplikaciji zadostiti mnogim zahtevam. Zagotavljati morajo vrtenje rotorja v širokem območju vrtilne hitrosti in radialnih osnih obremenitev, pri tem pa morajo biti izgube zaradi Ventil 21 /2015/ 3
hHROAAIMILhniKI ENERGIJE
trenja čim meir^jše. Tetm ^ahtev^m ustre^č^jo perici zn i kotalni l ^^aji s l<erčiimii:nimr kcro^liccuroi.
Pri uležciji^riju ce lotnetga i^klcip cije; potrebno) upoštevati tudi mo^nost vgrciidnj e v vozilom. ^ pr^imrern, da je sklop vgraijen voclo|ravno, ^n rei^d voožnjo oeb zavijanju vooila na o^ ^ztrcijnlka pporavi preeesijski navor. Ioavor na vrteči se rotor znaša:
M = J .a„ .m
prec
kjer je:
J vztrajnostni moment rotorja [kg.m2]
kotna hitrost rotorja [rad/s]
u
prec
kotna [rad/s]
hitrost precesije
Slika 10. Predvidena konstrukcija elektromotornega pogona z vztrajnikom
2Za tehtno voziloaje brilo pri vožnji izmerjeno, da piri zavijcinju v^o^ila pri-h^ajiä jdc^ por-ejc^:rir^l<e l<o1in^ |eitros1:1 cJo ]. rai:l/s. Frr^cesijski navor boo par. najvišji kotni hitrosti rotorja vztrajnika in sočci^ni ricijvlšri hitrosti zäavijanja vozila dosecgvrednota 300 Mm. Pei predvidJeni konstrukciji vztrajnika bo ^ila nci l^ž^^je ^našcila do F = 1.6100
■>	max
Mi, kar jia znaša okrirog 1511%. ljio\/cc-ljene radialne dinamične obremenitve izbranih ležajev.
■ 7 Sklep
Superkondenzator je zaradi svoje robustnosti zelo primeren za dinamične obremenitve. Za razliko od akumulatorske baterije nima omejitve števila ciklov oziroma življenjske dobe, prednost pa je tudi v visoki specifični moči. Izvedena je bila analiza delovanja kombiniranega hranilnika električne energije, sestavljenega iz primarne baterije in dodane »dinamične« komponente. V laboratoriju je bilo izmerjeno obremenjevanje pogonskega sklopa vozila po voznem ciklu ECE-15 z napajanjem iz hranilnika s super-kondenzatorjem kot virom energije.
Izmerjene dinamične lastnosti potrjujejo primernost uporabe super-kondenzatorja kot enote za shranjevanje električne energije tudi pri hitrih spremembah obremenitve. Ker je baterija razbremenjena dinamične komponente toka, se pričakuje znatno podaljšanje njene življenjske dobe.
Id^ntiij^r^ posikkus kot s superkon-den^atorj^m .je paec|\^iden tudi pri |-iraniln|lcu e;n^|-|:jij(l; z vztrajnikom. Cilj je natančno |zmeriti in ovrednotiti vse lastnosti, vključno z izkorist-kkoom in cJinami čn^iml odzivi. Zlasti zeinimlva bo primerjava lastnosti superkondenzatorja kot čistega ^lektjlč^neg^ sistemei t^r vztrajnika kkot el^ktromehan^l<e^ga sistema.
Literatura
[1]	Handbook of Batteries, David Linden, Thomas Reddy, McGraw-Hill, Mew York, 2001 (http://www.mcgraw-hill.com. au/html/9780071359788.html)
[2]	električno vozilo Estrima Biro: http://www.estrima.com/en/
[3]	Manwell, J. F. and J. G. McGowan. Lead accid battery storage model for hybrid energy systems. Solar Energy, 1993. 50(5): p. 399
[4]	http://www. leoton. ua/leoch-bat-tery-djm1245.php
[5]M.	Španer, "Hranilniki energije pri hibridnem pogonu", Magistrsko delo, Univerza v Mariboru, 2010
[6]	TexasInstrumentsTMS320C2000 Experimenter Kit: http://www. ti.com/general/docs/lit/getlitera-ture.tsp?literatureNumber=spruf r5f&fileType=pdf
[7]	J. Laeuffer, A Small Flywheel Energy Storage for Hybrid Cars, PCIM Europe 2012, 8-10 May, Nuremberg
Electrical energy storage system with improved dynamics
Abstract: The paper presents the energy storage systems of electric and hybrid vehicles and the approaches for improving the dynamic properties of the energy storage. The key element of the vehicles with electric propulsion is an efficient energy storage system. The properties of the battery depend on its type/manufacturing technology, operation temperature, type of load, age and some other factors. A very important property of the energy storage is its ability to receive and store significant amounts of energy in a short time. Its efficiency should also be the best possible during such an operation. The commonly used batteries (especially lead batteries) hardly meet this requirement. Therefore, the elements that can efficiently handle energy peaks and by this significantly improve the dynamics and lifetime of the battery are added into the energy storage. The elements described in the paper are the supercapacitor and the mechanical storage-flywheel. Furthermore, it is shown how these additional components are integrated into the hybrid energy storage system of the vehicle.
Key words: electric vehicles, driving cycles, electric energy storage, supercapacitor, flywheel, bidirectional Buck-Boost converter.