Gestione del dc-link di veicoli elettrici ibridi
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- Costanzo Gori
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1 Gestione del dc-link di veicoli elettrici ibridi
2 Sottosistema a propulsione elettrica Controllore del veicolo Convertitore elettronico di potenza Motore elettrico Trasmissione meccanica DRIVE TRAIN ELETTRICO Il drive train è costituito da tre principali sottosistemi: un motore a propulsione elettrica, una sorgente di energia, ed un ausiliario. Unità management di energia Sorgente di energia Ausiliario di fornitura della potenza Unità direttrice di potenza Il sottosistema a propulsione elettrica comprende un controllore del veicolo, un convertitore di potenza, un motore elettrico, la trasmissione meccanica e le ruote motrici. Sottosistema sorgente di energia Unità di riferimento dell enerdia Unità di controllo Hotel climate Sottosistema ausiliario Volante Il sottosistema sorgente di energia comprende la sorgente di energia, l unità di controllo dell energia e l unità di rifornimento dell energia. Il sottosistema ausiliario comprende un unità di potenza di comando, un unità di controllo di hotel climate (ristorazione Collegamento meccanico clima) ed un unità di fornitura di potenza ausiliaria Collegamento elettrico Collegamento di controllo Illustrazione concettuale di una configurazione generale di un EV liserre@poliba.it
3 SISTEMI A PROPULSIONE ELETTRICA Accumulatore di energia Controllore elettrico Convertitore di potenza Motore elettrico Trasmissione e differenziale Software Hardware Devices Topology CAD Type VVVF FOC MARC STC VSC NNC Fuzzy µ processor µ controller DSP Transputer IGBT MOSFET GTO MCT BJT Chopper Inverter PM Resonant FEM EM Thermal Graphics DC IM SRM PMSM PMBM PMHM Diagramma a blocchi funzionale di un tipico sistema a propulsione elettrica
4 Classificazione dei motori elettrici driver per applicazioni negli EV e HEV Motor drives A collettor e Senza collettor e Autoeccitazion e Eccitazion e separata Induzion e Sincron o PM brushles s Riluttanza commutat a PM ibrido Serie Derivazio ne Campo eccitato PM eccitato A rotore avvolto A gabbia di scoiattol o A rotore avvolto PM rotore Riluttan za
5 CARATTERISTICHE DEL MOTORE DI TRAZIONE Nella figura A si nota che nella regione a bassa velocità, ovvero per velocità più basse della velocità base, il motore ha una coppia costante. Nella regione ad alta velocità, ovvero per velocità più alte della velocità base, il motore ha una potenza costante. Nella figura B si nota una regione estesa a potenza costante, in cui la massima coppia del motore può essere significativamente aumentata, ed in questo caso l accelerazione del veicolo ed il grado di abilità possono essere migliorati mentre la trasmissione può essere semplificata. A - Caratteristiche coppia-velocità di un motore elettrico B - Profilo coppia velocità di un motore elettrico. a 60 KW con x = 2, 4 e 6. liserre@poliba.it
6 VEICOLI IBRIDI ELETTRICI Dalla figura si evince che sono possibili diverse combinazioni: Sorgente di energia (1) Power train (1) (unidirezionale) Convertitore di energia (1) 1. power train 1 eroga solamente energia al carico; 2. power train 2 eroga solamente energia al carico; 3. entrambi i power train 1 e 2 erogano contemporaneamente energia al carico; 4. il power train 2 ottiene energia dal carico (frenatura rigenerativa); 5. il power train 2 ottiene energia dal power train 1; 6. il power train 2 ottiene energia contemporaneamente dal power train 1 e dal carico; 7. il power train 1 eroga energia contemporaneamente al carico ed al power train 2; 8. il power train 1 eroga energia al power train 2, che a sua volta eroga al carico; 9. power train 1 eroga energia al carico che a sua volta eroga energia al power train 2. Power train (2) (bidirezionale) Σ Carico Sorgente di energia (2) Convertitore di energia (2) Flusso di potenza per la propulsione Flusso di potenza per caricare il power train (2) liserre@poliba.it
7 CLASSIFICAZIONE DEI VEICOLI IBRIDI ELETTRICI Serbatoio di combustibile Batteria Macchina IC Generatore Convertitore di potenza Motore elettrico T R A S M I S S I O N E Serbatoio di combustibile Batteria Macchina IC Convertitore di potenza Motore elettrico T R S M I S S I O N E Ibrido serie Ibrido parallelo Serbatoio di combustibile Serbatoio di combustibile Macchina Controllore del motore Motore di trazione motor Trasmissione meccanica Macchina Generatore Raddrizzatore Accoppiamento meccanico Trasmissio nemeccani ca Finale di guida e differenziale DC Batteria Carica batteria Trazione Carica batterie Controllor e del motore Carica batterie Batteria Trazion e Carica batterie liserre@poliba.it
8 SCHEMA A BLOCCHI DEL MODELLO TOYOTA PRIUS FASE DI SCARICA DELLA BATTERIA Convertitore DC/DC con rispettivo controllo DC-link liserre@poliba.it
9 CONVERTITORE DC/DC
10 Pulse Width Modulation (PWM) 1 tts v v d V sw t sw d TS t T on S v vˆ ref tri t T on d (duty cycle) S vˆtri v ref v tri v ref v d Vd sw 0 t + - OFF ON v sw V d ON v sw v ref + - v tri V d + - v sw 0 ton OFF toff t f S TS 1 (switching frequency) T S liserre@ieee.org
11 v sw, v o [V] i L, i o [A] v sw, v o [V] i L, i o [A] Convertitore abbassatore i d v d + - PWM + v sw - Freewheeling diode i o + v o - R o L o t [ms] t [ms] i d v d + - PWM + v sw - i L L F v L C F + - i o + v o - R o L o 50 0 v sw v o t [ms] 5 0 i L i o t [ms] liserre@ieee.org
12 Pulse-Width-Modulation (PWM) per convertitori monofase modulante portante V liserre@ieee.org
13 Pulse-Width-Modulation (PWM) per convertitori monofase Vˆcontrol Vˆtri 180 o m a Ampiezza della armonica k V ˆk 4V cos k ' k Indice di modulazione m a Vˆ Vˆ control tri Vˆ k ' cosk1 m 4V k a 2 ˆ 4V V1 sen ma 2 Vˆ 3 Vˆ 5 4V 3 sen ma 3 2 4V 5 sen ma 5 2 ˆ 4V 7 V7 sen ma 7 2 liserre@ieee.org
14 Pulse-Width-Modulation (PWM) per convertitori monofase Np e il numero di impulsi per semiperiodo f Rapporto di frequenze m = s f f 1 m a N p m f = 2 liserre@ieee.org
15 Pulse-Width-Modulation (PWM) per convertitori monofase Indice di modulazione : Rapporto di frequenza : m a m Vˆ Vˆ f control tri f f S 1 Tensione average in un periodo di commutazione vcontrol Vd V v ; v Vˆ V tri 2 Ao Ao control tri liserre@ieee.org
16 Modulazione PWM Sinusoidale (SPWM) Dato un segnale di controllo sinusoidale: v V ˆ sin( t ), control control 1 La fondamentale della tensione prodotta e Vd vao m sin( ) a t ma 2 ˆ Vd VAo ma ma L inverter funziona in regione lineare se m a 0,1 Le armoniche sono presenti in gruppi detti sideband h f 1 f jm k f Per valori pari di j esistono armoniche solo per valori dispari di k, e viceversa liserre@ieee.org
17 v Ao Gruppo 1 1 SPWM, analisi armonica nell intervallo di modulazione lineare fondamentale ed eventuali altre armoniche (baseband harmonics) v Ao h Gruppo h Gruppo 3 se la modulante e sinusoidale, sono presenti solo se la modulazione non e nella regione lineare multipli della frequenza della portante v Ao h Gruppo 4 gruppi di armoniche (sideband harmonics) v Ao h liserre@ieee.org
18 Controllo del convertitore DC/DC Ha lo scopo di mantenere ad un valore costante di 500V la tensione del DC-link. E costituito da due anelli di controllo che svolgono: 1. Il controllo sulla tensione 2. Il controllo sulla corrente liserre@poliba.it
19 Modello State Space Averaging del convertitore DC/DC È un modello semplificato del convertitore DC/DC. Le grandezze tensione e corrente vengono controllate agendo sul duty-cycle (d); per questo il controllo dovrà agire proprio su quest ultimo. Non si considerano più i valori istantanei di tensione e corrente ma i loro valori medi calcolati sul periodo T. liserre@poliba.it
20 Controllo del modello State Space Averaging del convertitore DC/DC Il controllo non agisce più sui valori istantanei delle grandezze controllate ma sui valori medi nel periodo T. Non è presente il pilotaggio PWM, in quanto non ci sono più gli IGBT. In uscita dal controllo si ottengono la tensione che pilota il generatore ideale di tensione (d V DC ) e la corrente che pilota il generatore ideale di corrente (d I BATT ). liserre@poliba.it
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