Βέλτιστος σχεδιασμός και διαχείριση συστημάτων κίνησης ηλεκτρικών οχημάτων
Authors: Σαρηγιαννίδης Αθανάσιος 
Published: September 2021

Η παρούσα εργασία επιχειρεί τον βέλτιστο σχεδιασμό και διαχείριση του ηλεκτρικού συστήματος ισχύος ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσονται τεχνικές βέλτιστης σχεδίασης γεωμετρίας και οδήγησης Σύγχρονων Κινητήρων Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΚΜΜ), θεωρώντας πολλαπλά σημεία λειτουργίας, κατάλληλων για συστήματα ηλεκτρικής κίνησης. Αρχικά, στα πλαίσια της σχεδιομελέτης του κινητήρα, αναπτύσσονται δυο νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι, ο προσαρμοστικός αλγόριθμος διαφορικής εξέλιξης (DE) και ο αλγόριθμος σμήνους σωματιδίων (PSO), των οποίων η στιβαρότητα και η ταχύτητα σύγκλισης διερευνάται μέσω κατάλληλων συναρτήσεων δοκιμής. Ο προσαρμοστικός αλγόριθμος DE, που παρουσιάζει συνολικά την ταχύτερη σύγκλιση, ενσωματώνεται σε πλήρως παραμετροποιημένο αριθμητικό εργαλείο σχεδίασης κινητήρων, με ικανότητα θεώρησης των γεωμετρικών και λειτουργικών περιορισμών καθώς επίσης και της στρατηγικής ελέγχου. Στη διαδικασία της βελτιστοποίησης, περιλαμβάνονται τόσο μοντέλα Πεπερασμένων Στοιχείων (ΠΣ), όσο και κυκλωματικά μοντέλα συγκεντρωμένων παραμέτρων του κινητήρα με θεώρηση δυο αξόνων, ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας που επιβάλλεται από σύστημα οδήγησης. Στη συνέχεια, η διαδικασία βελτιστοποίησης επεκτείνεται για κινητήρες ηλεκτρικών οχημάτων, με την ενσωμάτωση του Νέου Ευρωπαϊκού Κύκλου Οδήγησης (New European Driving Cycle - NEDC), χρησιμοποιώντας κατάλληλα χαρακτηριστικά σημεία λειτουργίας, επιτυγχάνοντας με τον τρόπο αυτόν συμβιβασμό μεταξύ ακρίβειας και υπολογιστικού κόστους. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βελτιστοποίησης εφαρμόζεται σε κινητήρες τοπολογίας επιφανειακών και εσωτερικών Μονίμων Μαγνητών (ΜΜ) και εξετάζονται ενδελεχώς τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους για λειτουργία στον NEDC. Η ακρίβεια των μεθοδολογιών που αναπτύσσονται επιβεβαιώνεται μέσω σύγκρισης των αποτελεσμάτων με πειραματικά σε πρότυπο κινητήρα εσωτερικών ΜΜ. Επιπλέον, αναπτύσσεται τόσο σε περιβάλλον δυναμικής προσομοίωσης, όσο και σε μικροεπεξεργαστή διανυσματικός ελεγκτής ροπής κινητήρα εσωτερικών ΜΜ, ο οποίος λαμβάνει υπόψιν φαινόμενα μαγνητικού κορεσμού και αμοιβαίας σύζευξης μεταξύ ορθού (d) και κάθετου (q) άξονα, μέσω μοντέλου ΠΣ, για την εφαρμογή του ηλεκτρικού οχήματος. Αρχικά, πραγματοποιείται πλήρης χαρτογράφηση της ροής και των αυτεπαγωγών του κινητήρα για όλο το εύρος λειτουργίας και υπολογίζονται τα κατάλληλα ρεύματα στους δύο άξονες d-q, για λειτουργία τόσο στην περιοχή σταθερής ροπής-Μέγιστης Ροπής ανά Ρεύμα (Maximum Torque per Ampere - MTPA), όσο και στην περιοχή σταθερής ισχύος-Εξασθένισης Πεδίου (Field Weakening - FW). Τα αποτελέσματα της πεδιακής ανάλυσης ενσωματώνονται μέσω κατάλληλων πινάκων αντιστοίχισης στον διανυσματικό ελεγκτή, τόσο για τον υπολογισμό των ρευμάτων αναφοράς, όσο και για τον υπολογισμό της τάσης τυμπάνου του κινητήρα για την κατάσταση FW. Η λειτουργία του κινητηρίου συστήματος μέσω του προτεινόμενου ελεγκτή ροπής προσομοιώθηκε στον NEDC, παρουσιάζοντας ικανοποιητική και ευσταθή λειτουργία σε όλο το εύρος ταχυτήτων. Επιπλέον, διερευνώνται οι απώλειες των ανώτερων αρμονικών και η κυμάτωση της ροπής του κινητηρίου συστήματος, οι οποίες προκαλούνται από τη τροφοδότηση του κινητήρα μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Για τον σκοπό αυτόν αναπτύχθηκε συζευγμένο χρονομεταβλητό πεδιακό-κυκλωματικό μοντέλο. Προτάθηκε μεθοδολογία βελτιστοποίησης της διακοπτικής συχνότητας της τάσης που παρέχει ο μετατροπέας με σκοπό τη μείωση των απωλειών και της κυμάτωσης ροπής των ΣΚΜΜ, για πολλαπλά σημεία λειτουργίας μέσω του παραπάνω μοντέλου και κατάλληλης πειραματικής επιβεβαίωσης σε πρότυπο ΣΚΜΜ. Τέλος, διερευνάται η δυνατότητα επικουρικής φόρτισης των μπαταριών του ηλεκτρικού οχήματος μέσω Φωτοβολταϊκής (Φ/Β) συστοιχίας, τοποθετημένης στην οροφή του οχήματος, και κατάλληλου συστήματος διαχείρισης, το οποίο αποτελείται από ηλεκτρονικό μετατροπέα DC-DC και ελεγκτή Ανίχνευσης Σημείου Μέγιστης ισχύος (MPPT), με σκοπό την αύξηση της αυτονομίας του.