Aandrijving van elektrische voertuigen : bepaling optimale
aandrijflijn belangrijk aspect voor praktische realisatie van
elektrovoertuigen
Citation for published version (APA):
Dongen, van, L. A. M. (1980). Aandrijving van elektrische voertuigen : bepaling optimale aandrijflijn belangrijk
aspect voor praktische realisatie van elektrovoertuigen. Aandrijftechniek, (april), 214-221.
Document status and date:
Gepubliceerd: 01/01/1980
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be
important differences between the submitted version and the official published version of record. People
interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the
DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page
numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at:
openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
t u ig e n
Aandrijving
van elektrische
voertuigen*
lr. L. A. M. van Dongen
Om een zo gunstig mogelijk gebruik van de opgeslagen energie te bewerkstelligen moeten bij de ontwikkeling van aandrijvingen voor elektrische voertuigen de compo' nenten van de aandrijflijn zo goed mogelijk op elkaar worden afgestemd. Daarom is een grondige kennis van de energetische aspecten van het voertuig en de karak-teristieken van de samenstellende delen van de aandrijving onontbeerlijk. In dit artikel wordt bijzondere aandacht besteed aan de motor. Uitgaande van de diverse regelingen voor een onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor worden tenslotte de mogelijke aandrijflijnen voor elektrische voertuigen beschreven.
Tegen de huidige vorm van gemotoriseerd wegverkeer kunnen tal van bezwaren naar voren worden gebracht. Deze kunnen worden samengevat onder de volgende punten: ver-keersonveiligheid, overmatig gebruik van ruimte, lawaai. uitlaatgassen en overmatig ge-bruik alsook aÍhankelijkheid van één primai re energiesoort (aardolie). De positieve eigen-schappen, zoals van deur-tot-deur transport, privacy, directe beschikbaarheid en onder gunstige omstandigheden korte wachttijden onderweg biijken voor de meeste mensen toch tegen de genoemde bezwaren op te we-gen. Een aantal van de genoemde problemen kan worden opgelost door voertuigen te ge-bruiken, die elektrisch worden aangedreven. . Lawaai- en uitlaatgasproduktie kunnen aanzienlijk worden gereduceerd. Uiteraard wordt daarmee het probleem naar de elek-triciteitscentrale verschoven, maar daar kan met minder kosten meer en beter worden gereinigd.
. Voor een minder kieskeurig brandstofge-bruik is de elektrische aandrijving een op-lossing. Voor de opwekking van elektriciteit kan namelijk een grote verscheidenheid van primaire energiesoorten worden gebruikt, te weten: aardolieprodukten, aardgas, steen-kool, kernenergie en eventueel waterkracht, windkracht en directe zonnestraling. Met betrekking tot de verplaatsingsproble-men en speciaal die probleverplaatsingsproble-men, die in ver-band staan met de auto is het erg moei hjk om een stap terug te doen: het publiek wenst hetzelíde niveau van onaÍhankelijk-heid, dat gerealiseerd is door het individuele voertuig, te handhaven.
De auto met een verbÍandingsmotor wordt al sinds de laatste eeuwwisseling geproduceerd en ontwikkeld, zodat bij de ontwikkeling van
* De auteur dankt prof . ir. I4t. A. Koumans en prof. ír. J, A. Schot uoor de bijdrage die zii hebben geleuerd aan het toí stand komen uan dit onderzoek.
214
de elektrische auto, waaraan nu internatio-naal serieus wordt gewerkt, een grote achter-stand ingehaald moet worden om tenminste kwalitatief te kunnen concurreren met voer-tuigen, die uitgerust zijn met een verbran-dingsmotor. Om deze redenen moet men zich vooralsnog niet tot doel stellen om dit tlpe auto te verdringen, maar men moet proberen het elektrische voertuig in de daarvoor in aanmerking komende sectoren tussen de hui-dige voertuigen te introduceren, handhaven en verbeteren.
Hoewel de elektrische auto nadelen heeft, zo-als vereiste aanpassing van de infrastructuur, geringe actieradius, hoog gewicht en hoge aanschaÍkosten door de prijs van motorregel-systeem en batterij, moet deze auto worden beschouwd als een mogelijke optie voor de toekomst.
Door verdere ontwikkelingen is het niet on-denkbaar, dat een aantal van deze nadelen een minder grote rol gaat spelen ofzelfs ver-dwijnt. Om een bijdrage te leveren aan deze potentiële oplossing voor een onderdeel van de huidige milieu- en energieproblemen wordt aan de Technische Hogeschool Eind-hoven door de Interafdelingswerkgroep Elek-trische Auto een elekElek-trische stadsauto ont-wikkeld. In dit project wordt samengewerkt door de afdelingen Scheikundige Technolo-gie, Elektrotechniek en Werktuigbouwkun-de: de vakgroep Elektrochemie doet onder-zoek aan accu's, de vakgroep Elektrome-chanica ontwikkelt verschillende stuur- en regelsystemen voor de elektromotor en de werkeenheid Vervoerstechniek behartigt de werktuigbouwkundige aspecten van de auto. Een kritiek punt in de elektrische auto is het gedeelte van de aandrijflijn tussen motor en wielen. Daarin gaat relatief veel vermo-gen verloren, zeker als bij het remmen ener-gie teruggewonnen wordt, daar het remver-mogen in beide richtingen de lijn doorloopt. Vanwege de actieradius en het gebruik van primaire energie moet bij de ontwikkeling van aandrijflijnen voor elektrische voertuigen een optimale lay-out en afstemming van de
componenten van de aandnjflijn worden na-gestreefd om een zo gunstig mogelijk gebruik van de bij deze voertuigen beperkte hoeveel-heid opgeslagen energie te bewerkstelligen. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de meest in aanmerking komende aan-drijflijnen.
Motor
Voor elektrische wegtractie worden tot heden vanwege de aanwezige gelijkstroombron, de grote systeembetrouwbaarheid en de aan-schaÍkosten praktisch uitsluitend gelryk-stroommotoren in de aandrijving gebruikt. Deze motoren voldoen uitstekend aan de door het voertuig vereiste koppeltoerenka-rakteristiek en kunnen tot aan stilstand ener-gie terugwinnen, waardoor het energtever-bruik wordt gereduceerd (aÍb. l). Bij de vroe-ger vaak gebruikte seriemotor heeft een varia-tie van het koppel ook een relavaria-tiefgrote varta-tie van het toerental tot gevolg, omdat de an-ker- en de statorstroom aan elkaar gelijk ztln en iedere variatie van de ankerstroom dus te-gelijkertijd een versterking of verzwakking van het veld veroorzaakt, zodat het motor-toerental daalt respectievelijk stiigt. Bij de onaÍhankelijk bekrachtigde gelijk-stroommotor kunnen de ankerstroom en de veldstroom onaÍhankelijk van elkaar worden geregeld, zodat de bedrijfspunten gemakke-Ljk zijn in te stellen. De ankerstroom van de onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroom-motor kan bij ieder toerental in aÍhankelijk-heid van de last tot zijn maximale waarcle worden vergroot zonder een variatie van dat toerental. De geidealiseerde onaÍhankeiijk bekrachtigde gelijkstroommachine wordt, als het ijzer in de magnetische circuits lineaÍ is, in stationair bedrijf beschreven door de volgende vergelijkingen: U . : U , . , + R u ' I u : G ' 1 . ' < r * R " ' l " ( l )
U . : \- R.
T : G - I. . I"
(2) ( 3 ) AJ I. (t)u"
R-T AlrUitwerking van deze vergelijkingen levert: I ;]
r:G-dtr--o.r',1
(,
i ilï
tal
k - j d l
( 5 )
, o o
Uk rotorklemspanning
tyl
;li
U,o, opgewekte spanning in rotor tvl ;j Ru weerstand in rotorketen I?] ;l; I" rotorstroom [Al ;; G machinekonstante
; AandrijÍtechniek, aPril 1980 | At
fu--elektrische
voertu
igen
50
1 0 0
300
200
1 5 0
100
snelheid ( km/u ) f R itc' SAE tiidI
I\
r
I
I i T I l -I !\
\
I
I
,J-_
+r
i loïl ,
;o 'met en( Voertr, totale i m = 1 4f, = o'(
c " = o
A F = 1 p = 1 . 2 Als een nuttige kan wo - zondr - m e t eI l l
il
.,
F- t l-l
1 - t ' l , t-l i l l - tT
t:-Ë
l l{
--t_l
i ,,u If '
r ' t+
l
.''-t. :
-I
li,
'
i l/,
. , i ; . l - - r l , . 1 l ll ;
i r ;
1 ' t
R itcyclus:SAÊ, J227 Metropolitan Cycle, afgelegde afstand: 1542 meter
(sec) energierecuperatie energierecuperatie lrtuiggegevens: rle aandrijfrendement: 70% 1400 k9 0.02 = 0.42 -= 1.80 m2 1.29 kg/m3
ren accupakket 15 kWh aan ige energie kan leveren, worden afgelegd: zonder energierecuperatie: 70.2 km met energierecuperatÍe: 81.5 km
0
250
50
- L r l u t s c u ,o
50
roo
rso
-''-'---'
Afb. I. Energieverbruik van een elektrovoertuig met en zonder energierecuperatie,
reden ,n, de aan- elijk-ruikt. n d e ,nka- lner-)11 lta-bruik eveel-ligen. geven aan- SVer- tÍoe- aria-: an-. zljn ls te-king )IOr- rijk-,n de rden kke-van
)om-
rijk-arde r dat elijk t, als reair r d e ( 1 ) (2) ( 3 )tAl
[ r - ' ]
tvl
tc)l
[N*] statorstroomhoeksnelheid van motoras statorspanning
weerstand in statorwikkelineen machinekoppel
genomen dat de hoeksnelheid steeds positief ls.
Beinvloeding van het motortoerental kan plaatsvinden door aariatie uan de ankerspan-ning, de ueldstroom en de weerstanil in de rctorketen. Opname van een voorschakel-weerstand R, in het ankercircuit heeft tot ge-volg, dat de totale ankerketenweerstand gro-ter wordt (zie aÍb. 2b). Vergelijking (5) wordt oan:
l J u ( R . + R " ) . T
, : Ë ( 6 )
Door het inschakelen van de voorschakel-weerstand zal alleen de richtingscoëÍïiciënt van de koppeltoerenlijn veranderen. Als de motor bij stilstand op een constante klem-spanning zou worden aangesloten, zou de
in-R . = o
R . = o
generatorgebied a. Koppeltoerenlijn R aI
= R v - - 0 Ru groter motorgebiedb. lnvloed van voorschakelweerstanden
4 f t . 2 .
Karokterist
ieken van een onofhankelij
k
be
k ra c ht igde ge
lij kst
ro ommac
hine.
schakelstroom zonder voorschakelweer-standen zeer groot zijn, omdat aanvankelijk de in de rotor opgewekte spanning nul is. Om de inschakelstroom te beperken kan men een weerstand R, in serie met het anker schakelen, zodaï. de stroom dan gelijk wordt aan:
\
Q)u"
&
T
(4) ( 5 )Als wordt verondersteld, dat Ur, G, \ en R" u.onslant zijn, dan zal het grafische verloop van het koppel als functie van het toerentál ttneair zijn (aÍb. 2a). De daling van het toeren-tal bij toename ván het kolpel wordt ver-oorzaakt door het Ohmse iianningsverlies m het anker; bii niet te kleine maJhines is ott verlies klein- en verandert het toerental o{ variatie van het belastingskoppel dus rraar.weinig.
Bij een positief kàppei iungeert uc gelukstroommachine als moior en bij een negatief koppel als generator, als
wordt-aan-t - U * - U , wordt-aan-t
" R . + &
(7) uk - Ra+R;/l
tl
2l\l
Voor maximale versnelling kiest men R, zo-danig- dat I" gelijk wordt-aan de maximaal toelaatbare waarde, terwijl het hoofdpool-veld zo groot mogelijk wordt gemaakt. Als nu de machine aanloopt, groeit de rotatie-spanning en neemt de stroom I" af. De weerstand R, kan nu worden verkleind, waar-door de stroom weer toeneemt. De motor 215
sAO
L
versnelt, de rotatiespanning wordt hoger, de stroom neemt af, etc. Als de weerstand R, er thermisch op is ontworpen om gedurende langere tijd stroom te voeren, kan hij ook worden gebruikt voor toerensturing. Een na-deel van het gebruik van deze toepassing is de grotere vermogensdissipatie, die zal op-rreà'en: Iu2-1n"+È"; in plaats van Iu2, Ru.' Een tweede methode van sturing is uelduer-zwakking.
Als bij een constante klemspanning het mag-netische hoofdveld wordt verzwakt door de statorstroom te verkleinen, dan zal het nul-lastpunt naar een grotere hoeksnelheid ver-schuiven (afb. 2c). Tevens zal de koppel-toerenkromme een vlakker verloop krijgen, want differentiatie van vergelijking (4) naar ro levert:
óT _ _ (G.r.),
óa R"
De verhouding tussen het heersende magne-tische veld en het maximale magnemagne-tische veld wordt a, genoemd. De stroom door de veldwikkelingen is laag en daarom op een-voudige wijze te variëren met een goedkope transistorchopper. Aangezien het magneti sche veld verbonden is aan een maximale waarde door verzadiging van het ijzer en aan een minimale waarde door het maximaal toe-laatbare motortoerental in verband met vonkloze commutatie en mechanische belas-ting van de rotor door centrifugaalkrachten, zal een variaÍie van het motortoerental door veldregeling slechts in beperkte mate moge-hjk zijn. Door veldregeling is een regelbereik van 1 op 3 à 4 haalbaar zonder dat het nodig is een machine met compensatiewik-kelingen toe te passen.
Tenslotte is het als derde methode van toerentalsturing mogelijk om bij een constant magnetisch hoofdveldde klemspanning uan de motor te uariëren (aÍb. 2d). Indien de Ohmse spanningsverliezen klein zijn ten opzichte van de in de rotor opgewekte spannlng, mag op grond van vergelijking (1) worden aangeno-men, dat het toerental bij een constant mag-netisch veld evenredig is met de klemspan-ning. Door de klemspanning te variëren kan de koppeltoerenlijn dus horizontaal worden verschoven. Het is mogelijk om door het ver-lagen van de klemspanning het toerental tot lage waarden te regelen.
De klemspanning kan traploos worden geva-.rieerd door een hoofdstroomchopper, terwijl
het ook mogelijk is om de klemspanning in een aantal stappen te variëren via opdeling van het accupakket en serie-/parallelschake-ling van deze delen door middel van scha-kelaars.
Een chopper is een gelijkspanningsomzet-ter, die de energiestroom van een voedings-bron naar de belasting varieert. De veran-dering van de grootte van de energiestroom vindt plaats door periodiek aansluiten en af-schakelen van de belasting, waarbij zowel de periodetijd als de verhouding van de aan-sluit- en afschakeltijd kunnen worden geva-rieerd (aÍb. 3). De spanning U wordt slechts gedurende de periodiek herhaalde tijdsinter-vallen, T,", op de motorklemmen aangeslo-ten. Als de schakelaar open staat, zal de diode geleiden en de spanning over de
motor-216
klemmen zal nul zijn. De tijd, dat de schake-laar open is, is \,, en de periodetijd T is gelijk aan T,,*\u.De gemiddelde spanning over de motor is dan gelijk aan:
T.
u " : ï . u
( e )
Als de motorklemmen zijn aangesloten op de voedingsspanning, neemt de motorstroom bij quasi-constante hoeksnelheid toe volgens een e-macht en als de schakelaar open is zorgl de vrijloopdiode ervoor, dat de stroom kan blijven lopen. De werkfrequentie van de on-derbreker ligt meestal tussen 50 en 1000 Ha zodat de schakelaar alleen elektronisch is uit te voeren. Voor de schakelaar van de chopper kunnen vermogenstransistoren of thyristoren worden gebruikt.
Eigenschappen van de transistorchopper: . door de stuurspanning aan te brengen of weg te nemen beheerst men de geleiding en blokkering;
. met transistoren kunnen snelle circuits wor-den geconstrueerd;
. een hoog rendement is haalbaar; r de transistor kan geen hoge stromen ver-dragen (tot 100A);
. er is geen overbelasting mogelijk;
. parallelschakeling van meerdere transisto-ren levert nog problemen op;
. voor geleiding is blijvende sturing nodig. Kenmerken van de thyristorchopper: . hoge stromen zijn mogelijk (100-2000 A); o één hoofdthyristor is voldoende voor de hoofdstroom;
. snelle schakeltijden zijn te realiseren; . er is momentane overbelasting mogelijk; . een hoog rendement is haalbaar; . er is een ingewikkeld doofcircuit nodig. De rendementen van de transistorregeling en de thyristorregeling zijn gelijk en bedragen ongeveer 97/". Wegens hogere toelaatbare stroomsterkten lijkt de thyristorregeling voorlopig aantrekkelijker dan de transistor-regeling. Toch mag voor de moderne elek-trische auto de transistorregeling niet als mogelijkheid worden verworpen, omdat hij
door ontwikkelingen op het gebied van de
::..ï:fflu."rsistor
te zijner tijd kan
con-SamenuaÍting:
Het koppeltoerenvlak van de motor kan in twee gebieden worden verdeeld (zie aÍb. 4): In gebied I wordt bij constante veldbe-krachting de ankerspanning geregeld . of traploos door de hoofdstroomchopper, zodat het gehele gebied kan worden gebruikt, . of in een aantal stappen door serie-/pa-rallelschakeling van accugedeelten, zodat een gedeelte van dat gebied kan worden gebruikt. In gebied II wordt bij constante ankerspan-ning de veldbekrachtiging traploos geregeld door de veldchopper, zodat in dat hele ge-bied bedrijfspunten van de motor kunnen lig-gen. rr.lo wordt bepaald door de verzadiging van het ijzer en rr;*, wordt bepaald door de mechanische belasting van de motor (centri-fugaalkrachten) en door de vereiste vonkloze commutatie.
Mogelijke aandrijflijnen
In de ontwerpfase van een voertuig is voor het construeren van een aandrijflijn eenjuiste analyse van het lastproces belangrijk. Het lastproces wordt gevormd door verschijnse-len die de aandrijÍkracht bepaverschijnse-len en wordt gedeÍinieerd als combinatie van eiementaire deellastprocessen:
a. Luchtweerstand die een voertuig onder-vindt: Fr: ïp- VL. AF- C, ( 8 ) ( 10) FL p V.o luchtweerstand ÍNl dichtheid van de lucht [tg-rn-'] relatieve snelheid van
voertuig ten opzichte van
de lucht [- r-'] AF frontaal oppervlak van
voertuig [-'] C, experimenteelbepaalde vormweerstands-coëfïiciënt t-l b F F F h F
t
n
o dr
T l c l > 0 2 > c 3 > q 4c. Invloed van magnetisch hoofdveld d. lnvloed van klemspanning
Aft. 2. Karakteristieken van een onafhankelijk bekrachtigde geliikstroommachine.
Aandrijf techniek, aPril 1980
n d e con-In in \ 4): dbe-)per, uikt, -lpa-t een uikt. pan-:geld r l i o -ging rr de -loze voor oiste Het jnse-ordt taire rder-( 10)
)
1.1 I nuo À,:ttorijÍtechniek' april 1e8oelektrische
voertu
igen
ankercircuit
T 1 *
Afb. 3. Spanningen en sÍromen van een chopper.
@ | ! q x ^ -e c gebied I
\
\
' o l
t\
\
\
\
A.íb. 4. Instelbare bedrijfspunten van een onofhankelijk bekrach-t ig de ge I ij ksbekrach-t ro o mmac hine.
geschiedt dit door toepassing van motor-toerentalvariaties van I op 6 en een ver-snellingsbak met overbrengingsverhoudin-gen van 1 tot 4. Bij de onaÍhankelijk be-krachtigde gelijkstroommotor wordt meestal een transistorregeling voor de veldbekrach-tiging toegepast, omdat die eenvoudig en goedkoop is. De motor heeft in het toeren-gebied, waarin regeling door de transistor-chopper plaatsvindt, bovendien een hoog rendement. Omdat door veldregeling slechts een regelbereik van I op 3 à 4 kan worden gerealiseerd, is verdere aanpassing door va-riatie van de ankerspanning, door middel van voorschakelweerstanden of variabele overbrengingsverhoudin gen noodzakelijk.
V olledig elektronísche motorueg eling De chopper voor de ankerspanning is aan-trekkelijk, omdat het mogehjk is om de effec-tieve ankerspanning van de motor verliesarm aan te passen aan het lastproces van de auto, binnen zekere grenzen onaÍhankelijk van de accuspanning. Samen.met de veldbekrachti-ging, die geheel onaÍhankelijk van het anker-circuit werkt, kan ieder bedrijfspunt in het koppeltoerenvlak worden ingesteld(aÍb. 6) en is een regelbereik van 1 op oneindig haalbaar, zodat met een vaste reductie tussen de motor en de wielen zou kunnen worden volstaan. Deze choppers maken zonder veel bijkomen-de kosten binnen het gehele toerengebied van de motor een directe overgang mogeiijk van voortstuwing naar regeneratie remwerking. Als voordelen van dit systeem kunnen wor-den genoemd: het uitmuntende bedienings-gemak, goede comfort en hoge rendement, omdat de choppers een hoog rendement hebben en energierecuperatie mogelijk is. Als tussen de motor en het differentieel een vaste tandwieloverbrenging is aangebracht, moet de motor alle toerentallen tot en met het maximale toerental doorlooen. Omdat b. Rolweerstand van de wielen:
F . = I ; ' F N
t rolweerstand
I' rolweerstandscoëfficiënt Fx normaalkracht op het wiel
\ r = m ' g ' s i n a
De totale rijweerstand wordt nu:
/ r \
F : l p - V i * . A . - C * + m .
\ ' ' l
' [g' Í.. cos
d + g ' s i n
a + tr -
a ]
( 1 4 )
Èi
tNl
AÍbeelding 5 geeft voor verschillende hel-lingshoeken de stationaire rijweerstand van een elektrisch voertuig als functie van de snelheid.
Aan een elektrisch wegvoertuig dienen met betrekking tot de aandrdving de volgende eisen te worden gesteld:
. eenvoudige en veilige bediening;
o acceleratie- en remprestaties. aangepast aan het overige verkeer;
. voldoende koppel om hellingen te overwin-nen;
. voldoende actieradius;
. beperkt lawaai in verband met comfort; . lage aanschaf- en gebruikskosten. Een automobiel vereist in principe een regel-bereik van I op oneindig, omdat alle snel-heden tussen stilstand en maximale snelheid bereikt moeten kunnen worden. Snelheden tussen 0 en 5 à 10 km/u komen echter zo kortstondig voor, dat een regelbereik van 1 op 20 met een hoog rendement voldoende is. Bij voertuigen met een verbrandingsmotor c. Kracht voor overwinning van de
terrein-nellrn s:
I" hellingsweerstand IN] m voerluigmassa [te-l I aar_dgravitatieversnelling [-;-r, c hellineshoek
O U.t inrtutionaire gedeelte van het lastpro-ces._dat wordt bepaáld door de krachi die nodrg is om het vàertuis te versnellen: F" = ,{- ry1* 2
f" versnellingsweerstand 4 laktor om versnelling van
^ rekenen (1.0G1.45) q versnelling
(r2)
( 13)
tNl
t-t
[ m s - l 217elektrische
voertu
igen
onaÍhankelijk bekrachtigde gelijkstroommo-toren in het aanloopgebied en bij maximale veldverzwakking een minder goed rendement hebben, kan een handgeschakelde/automa-tische versnellingsbak of een continu varia-bele transmissie misschien toch aantrekkelijk zijn, omdat de motor dan vaker in zijn op-timale bedrijfsgebied werkt, waardoor het totale rendement van de aandrijflijn gemid-deld beter kan worden, ofschoon het rende-ment van de transmissie aan het geheel wordt toegevoegd. Een nadeel van de toepassing van een van deze overbrengingen is het feit, dat de aandrijflijn in dat geval nog duurder wordt dan hij al was door de hoge aanschaf-kosten van de ankerchopper en de omvang-rijke hoeveelheid regelelektronika.
W eerstandsregeling in het ankercircuít Bij de onaÍhankelijk bekrachtigde gelijk-stroommotor kan het veld worden geregeld door middel van een chopper, terwijl in het ankercircuit uitschakelbare weerstanden kunnen worden opgenomen (aÍb. 7). Dit was in het verleden de populairste regeling, die werd gebruikt vanwege de lage kosten en de eenvoudige en redelijk gelijkmatige werking. Het motortoerental wordt aangepast door de voorschakelweerstand in een aantal stappen te variëren. Wanneer de verandering van de stroomsterkte bij het in- of uitschakelen van een weerstand te groot is, zullen de perso-nen in de auto dit merken in een stap-vormige verandering van de aandrijÍkracht. Het is daarom van belang om een voldoende groot aantal weerstandsstappen te gebruiken, opdat een gelijkmatige acceleratie wordt ver-kregen.
Bij hoge snelheden komt de regeling van de motor geheel voor rekening van het veld, dat maximaal zal zijn bij de ondergrens van dit regelgebied en bij nog lagere snelheden op die maximale waarde wordt gehouden; bij lage snelheden verrichten de voorschakelweer-standen hun werk. Dan gaat echter voor aan-drijving bestemde energie verloren door om-zetting in warmte en energierecuperatie is niet mogelijk in het regelgebied, waarin de voorschakelweerstanden worden gebruikt (aangenomen. dat de accudelen niet ver-schakelbaar ziin). Tussen de motor en het differentieel kán'een vaste of een variabele reductie worden aangebracht. Met een vaste reductie kan in principe worden volstaan,
maar het rendement van de aandrijflijn met weerstandsregeling kan aanzienlijk worden verbeterd door een variabele reductie toe te passen, zoals bijvoorbeeld een continu varia-bele transmissie. De motor kan dan voor-namelijk in een gunstig rendementsgebied draaien en bovendien kan worden bereikt dat de aanloopweerstanden over een zo klein mogelijk gedeelte van het snelheidsbereik van de auto worden gebruikt, waardoor ook bij het remmen meer energie kan worden terug-gewonnen. Vanwege de grote verliezen is de
weerstandsregeling, zeker in het geval van een vaste reductie, een oplossing die voor de moderne elektrische auto niet in aanmerking komt. Het inschakelen van een voorschakel-weerstand mag slechts over een zeer beperkt gedeelte van het snelheidsbereik van de auto plaatsvinden.
G etr apte sp anning ssturing in het anker cir cuit De ankerspanning kan in een aantal stap-pen worden gevarieerd door het accupakket in groepen te verdelen, die door middel van
AÍb. 5. Stationaire aandrijfkrocht voor een elektrisch voertuig.
A-fb. 6. Volledig elektronische motorregeling. 218
AÍb. 7. Elektrische weerstandsregeling in het ankercircuit. aandrijfkracht (N)
Voertuiggegevens
: m = 1400 kS
fr = o'02
-cx= o'q2 '
A r = 1 ' 8 0
m 2
p = 1.29
ks/m3
,000
hellingshoek: 5 graden hellingshoek: 3 graden hellingshoek: 0 graden1 0 0
voe
rtu i gs-n
e I h e i d ( km i u )
vo.!tuig.t.r6!: gtorroepcl [m] toi.L. ov.tbr.'rilt'r'rhoudins: i ' 7 30 20 N . w . r i 3 . ! : ! . 5 r e ( ! n i n u t . À ) s i . l . t f u l : 0 . 2 7 5 ! ' - 2 , tï'"1"1 ' to 20 30 40 50 óO 70 30 vo.r."isrn.Ih.id Lb/q t 2 0 2 0 ' tP/'i'l to 2o 30 Áo I 60 70 & vo.rÈuia.o.1h.id ÍdllAandrijftechniek, april 1 980 i
I
I
It
l
Í
i l AJ A1 scl de: lijt ze bi( do ko scl kopu
wa de Bo scl we tac me Alr kar lad die oPr gar wa Aa.l van )or de ,rking rakel-:perkt ) auto tircuit srap-akket :l van
Ito.,il,
ottorijrtechniek'
april
1e80
219 VoorschakelweerstandAJb. 8. Getrapte spanningssturing voor ankercircuit.
elektrische
voertu
igen
een koppelomvormer, die bij het aanlopen en bij het schakelen van de spanning voor een soepele aandrijving zorgt. De koppelomvor-mer maakt de koppeling tussen de aangedre-ven as en de aandrijaangedre-vende as minder vast, waardoor de schokken, die door de getrapte spanrungsstunng optreden worden beperkt. Het regelbereik van de koppelomvórmer maakt het mogeiijk om bij spanningssturing slechts enkele stappen toe te passen. De slip in de koppelomvormer dissipeert echter ook energie, juist in het geval van de sladsauto, die vaak rijdt onder instarionaire bedriifs-condities. De totale kosten van deze aandiiif-lijn zijn echter gunstig.en het comfort is ie vergelijken met dat van een auro mer een verbrandingsmotor en een automatische ver-snellingsbak.
Ook door toepassing van een variabele re-ductie kan het aantal niet instelbare be-drijfspunten in het koppeltoerenvlak van de wielen kleiner worden gemaakt. Als de totale overbrengingsverhouding van de motor naar de wlelen ongeveer 7 bedraagt. dan zien de wielen de bronkarakteristiek ván aíb. 9. Wan-neer nu aan deze overbrengingsverhouding nog een reductie van 14 als moeeiiikheià wordt toegevoegd, dan worden deleizame-lingen van niet bereikbare koppeltoerencom-binaties kleiner. Bij het op snelheid komen van het voertuig, worden achtereenvolgens de. volgende deelgebieden doorlopen faíb. 1 0 ) :
u. á6 Volt -"t uoorschakelweerstand en over-brengingsverhouding 14 ;
b.36 Volt met overbrengingsverhouding 14; c. 72 Yolt met overbrengingsverhouding 14; d. l44Volt met overbrengingsverhouding 14; e. 144 Volt met overbrengingsverhouding 7. Er hoeft dus maar één keer mechanisch te worden geschakeld, als het voertuig vanaf stilstand zijn snelheidsgebied doórloopt. Door meer dan twee reducties in de vèr-snellingsbak in te bouwen wordt het aantal niet bereikbare koppeltoerencombinaties nog kleiner. Deze overbrengingsverhoudin-gen moeten zo worden gekozen, dat: c zoveel mogelijk bedrijfspunten kunnen worden bereikt;
r de motor in het gunstigste rendements-gebied werkt; en
o niet vaak geschakeld hoeft te worden bii snelheden en snelheidsvariaties, die in de staá vaak voorkomen,
Een hoog rendement en een grote actieradius zijn met dit systeem haalbaar, omdat de voor-schakelweerstand slechts nodie is om de motor aan te laten lopen (de a-uto even op gang te brengen). waarna de motor verder in gebieden met hoge rendementen werkt. Deze aandrijflijn heeft als nadeel, dat de trek-kracht om twee redenen wordt onderbroken: . de ankerspanning wordt stroomloos ge-schakeld;
o een andere overbrengingsverhouding wordt ingeschakeld bij onbelaste motor.
Als een continu variabele transmissie wordt gebruikt, vindt echter alleen trekkracht-onderbreking plaats door elektrisch schake-len, want deze transmissie varieert de over-brengingsverhouding onder belasting. Door de Interafdelingswerkgroep Elektrische Auto is een automatische getrapte spannings-schakelaars parallel of in serie kunnen
wor-oen,geschakeld. Als veldverzwakking moge-ïl qljft en de spanning van her anke"r op Íe-íï1U.. wordt gevarieerd. verplaatsr hei ge-oled, waarin de motorregeling plaatsvirïdt ooor veldregeling. zich horizonàd in her r.lppeltoerenvlak.
Is het aantal mogelijk in te scnakelen
waarden klein, dan ontstaan in het noppeltoerenvlak
verzamelingen bedrijfs
lll1.l. ap niet kunnen
wo-rden
bereikr,
ï^"lloo:i lij her
schakelen
van de spanning
uc a_andnjÍkracht sprongsgewij ze veianderl D{ven-dien valt de áandr-iji.ruót t rijdens het JLila|telen
even weg indièn men stroomloos "cnst te schakelen q!:tpunten om inbranden van de con_ voor de schakelaars te voorko_
fj: j:_ l.:r'r ongerijkmatig
worden
belasr.
l;:_",. ".1. problemen opleveren bij her op_ ;:: *ï"un her accupakkei. doordar á. u".u.,
:ig;fi
#:,,ïËï:ï"':1.:::1ff
3,o::,:::";:
ffi,tlÍlnine bereilen. Bij deze ,p;;nió
ry4irrDu waterstof en zuuistof in Lasuorirworden ontwikkeid, dient explosiegevaar door ventilatie van de accukoker te worden vermeden (aÍb. 8). Om een gelijkmatige be-iasting zeker te itellen is Uí; í++ Vo'Ít een dergelijke schakeling in drie trappen eenvou-dig,te verwezenlijken. Deze motorregeling heeft een hoog rendement, omdat de span-ningsverliezen over de schakelaars klein ziin en er een directe overgang mogelijk is vàn motorbedrijf naar rembednjf. Om een soe-pele snelheidsregeling mogelijk te maken kan men de verzamelingen van niet te bereiken bedrijfspunten verkleinen door voorschakel-weerstanden in het ankercircuit op te nemen. waardoorde richtingscoëfficiënt van de kop-peltoerenlijn kan worden veranderd. Doór deze voorschakelweerstanden wordt het ren-rlement van de aandrijflijn wel nadelig beïn-vloed, maar het rendement is in iedei eeval beter dan dat van de aandrijflijn. wàarin alleen voorschakelweerstanden in combinatie met veldstroomregeling worden gebruikt. In de aandrijflijn kan de functie van de voor-schakelweerstand worden overgenomen door
wielkoppel [Nnl i \ x \ \ r o = o l r . . R aroÈêr v o ê r t u i g g e g e v e n s : l o t a l e overbrengingsverhouding: i -n 4 . v e h o g e n : 33.5 kW (3 ninutên) w i e l s t r a a l : 0 . 2 j 5 A n - 1 4 0 0 k g f r - 0 . 0 2 -C x - 0 . 4 2 -5 - r . a o . 2 p - l . 2 9 k g l n 3 8 0 0 v i e l r o ê r e n r a l l o w / E i n ] v o e r t u i g s n e l h e i d & n / u ]
sturing in het ankercircuit van de motor ont-worpen, die het accupakket zodanig schakelt,
dati6,72of 144 Volt aan de motorklemmen ontstaat. De gebruikte motor is een onaÍhan-keliik bekrachtigde gelijkstroommotor van hetlabrikaat Siemens, die speciaal voor voer-tuigen is ontwikkeld:
nominaal toerental 2200 omw/min nominaal vermogen 17 kW maximaal toerental 6700 omwrmin maximaal vermogen 33,5 kW
Om deze automatische spanningssturing on-der instationaire bedrijfscondities te testen is een vliegwielproefstand opgebouwd (aÍb. 1 1). Aan de motor is een vliegwiel gekoppeld, \ryaaÍvan het massatraagheidsmoment over-eenkomt met de massatraagheid van de auto. De rolweerstand en de luchtweerstand van de auto worden nagebootst door een elek-trische rem, die via een tandriemoverbren-gingaan de as van het vliegwiel is gekoppeld. Tussen de motor en de wielen wordt in het voertuig een automatische planetaire versnel-lingsbak met drie reducties geconstrueerd. Om de verliezen in deze automatische ver-snellingsbak te beperken wordt geen koppel-omvormer toegepast, hetgeen mogelijk is door een goede motorsynchronisatie. Conclusie
Door de diverse automobielfabrikanten wor-den in allerlei voertuigen verschillende aan-drijflijnen toegepast en getest. De lastproces-sen en belastingscondities bij de beproevin-gen van deze voertuibeproevin-gen zijn zelden gelijk, waardoor het moeilijk is om de uitkomsten
van deze onderzoekingen te gebruiken voor een betrouwbare vergelijking van de onder-zochte aandrijflijnen.
De Interafdelingswerkgroep Elektrische Au-to heeft zich onder andere Au-tot doel gesteld om diverse aandrijfconcepten in eenzelfde voertuig te construeren en te beproeven. Om-dat de rendementen van de verschillende onderdelen van een aandrijflijn niet constant z{n, maar aÍhankelijk van het bedrijfspunt, waartn de desbetreffende comoonent zich be-vindt. variëren. is het moeilijk om het ge-middelde rendement van een aandriifliin te bepalen. Er is daarom een besin semaáki met de ontwikkeling van een geíetaïlleerd simu-latleprogramma voor het elektrisch voertuig om het grote aantal mogelijke aandrijflijnen wat betreft rendement te kunnen vergelijken onder gelijke omstandigheden. Het pógiam-ma moet in sraat zijn om de onafhankelijk be.krachtigde gelijkirroommotor met ver-scnlllende regelingen. accu's en transmissres DU drverse ritcycli (belasringscycli) van de auto door te rekenen. Het feit, áut ..n uo.r-turg en een aandrijflijn gegenereerd kunnen worden uit opgeslágen Ààellen, waarin de aan de diverse onderdelen semeten rende-mentswaarden voor verschiÍende bedriifs-omstandigheden worden bewaard, maakt éen oergelijk rekenprogramma uirerst flexibel. "r^rs eenmaal een voertuig. een aandrijflijn en een ritcyclus zijn uitgeÈázen, kan óe-auto met kleine stappen ii de tijd vorderen op i.!I.,*.g en kàn per srap her energievei-orurk van het voèrruig én de aandïijfele-menten worden bepaaldl Ais met behuii van net simulatieprogràmma de mogelijke óplos-AandrijÍtechn
iek, aprit 1 980
singen beoordeeld kunnen worden, zullen enige aandrijflijnen in de auto worden be-proefd om de theorie te toetsen en de aan-drijflijnen op praktische aspecten te beoor-delen. De gedachten gaan daarbij uit naar: . een aandrijflijn met getrapte spannings-sturing in het ankercircuit, elektronische veldstroomregeling en een automatische ver-snellingsbak;
. een aandrijflijn met volledig elektronische motorregeiing en eventueel een versnellings-bak;
. een aandrijflijn met alleen eiektronische veldstroomregeling en een continu variabele transmissie.
Gehoopt wordt op deze wijze een zinvolle bijdrage te leveren aan het tot stand komen van elektrische personenauto's, waarmee (in kleine aantallen) ervaring kan worden opge-daan, voordat de toepassing door toenemen-de benzineschaarste actueel wordt.
Literatuur
[1] Koumans, W . A., Veruoerstechniek,T.H. Eindhoven, dictaat.
[2] Schot, J. A., Electromechaníca uoor W, T.H. Eindhoven, dictaat.
[3] Ratcliff, J. F., Torque conuerters make e le c tr ic ue hí cle s compe ti tiue, Electric Vehicle Synposium Diisseldorf.
[4] Griffith, J.T., Performance of an electric uan fitted with a hydrodynamic rorque con-Derter transmission, Electric Vehicle Sympo-sium Dtisseldorf.
[5) Electrics' star is rising on baÍíery aduances, Automotive News, l0 april 1978.
[6] Peter, J. M., L'éuolutíon des semi-condur teurs de puissances. Application à la propulsion ëlectríque, Ingenieurs de I'automobile, juni
1975.
[7] Bader, C. Elektrísche und hybride Antriebe íilr Nutzfahrzeuge, Automobiltechnische Zeitschrift. iuni I 979.
Aíb. I 1. Proefopstell ing voor auto matische spanningssturin g.
v o ê r È u i g g e g e v e n s : c o t a L e o v e r b r e n g i n g s v e r h o u d i n g r i - 7 e n i - 1 4 n a x . v e m o s e n : 3 3 . 5 k I ( 3 n i n u l e n ) B e d r i j f s g ê b i e d e n : - 3 6 V o 1 ! , - 3 6 V o l l , - 7 2 V o I t , - 1 4 4 V o l t , - I 4 4 V o 1 t , a = 0 . 4 \ o = O . O ' o = 0 . 4 \ - o = 0 . 3 4
\
1 980Aíb. I 0. Getropte spanningssturing met twee overbrengingsverhoudingen.
