Μελέτη και κατασκευή εξομοιωτή ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος, ηλεκτροκίνητου οχήματος : διάταξη φόρτισης του ηλεκτροκινητήρα

Δεπούντης, Φαίδων

Study and implemantation of an electromotion emulator system, for an electric vehicle : charging scheme of the electric motor

Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΕ), Πανεπιστήμιο Πατρών

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί ένα από τα δύο υποσυστήματα ενός συνολικού συστήματος εξομοιωτή του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος και πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή μιας διάταξης φόρτισης του ηλεκτροκινητήρα ενός ηλεκτρικού οχήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Το υποσύστημα του εξομοιωτή που αφορά το σύστημα κίνησης του ηλεκτροκινητήρα πραγματοποιήθηκε σε άλλη διπλωματική εργασία από τον φοιτητή κ. Δημήτρη Ξύστρα. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση και κατασκευή ενός αμφίδρομου μετατροπέα ισχύος σταθερής τάσης για τον έλεγχο μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, η οποία συνδέεται μέσω ενός λόγου μετάδοσης με τον ηλεκτροκινητήρα ηλεκτρικού οχήματος. Κύριος στόχος είναι η πλήρη εξομοίωση των φορτίων που ασκούνται στον κινητήρα του οχήματος, όταν αυτό κινείται, ανάλογα με την κλίση του δρόμου και τη ταχύτητα του οχήματος. Αρχικά γίνεται μια σύντομη ιστορική ανασκόπηση στην εξέλιξη των ηλεκτρικών οχημάτων, ενώ παρουσιάζεται ο γενικός σκοπός της διπλωματικής εργασίας. Αναλύονται οι δυνάμεις που ασκούνται στους τροχούς ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου κατά την κίνησή του και γίνεται συσχέτιση των δυνάμεων με την ροπή της μηχανής συνεχούς ρεύματος. Στη συνέχεια περιγράφεται η λειτουργία του αμφίδρομου μετατροπέα ισχύος δύο κλάδων και για τις τρείς διατάξεις λειτουργίας τόσο στην κατάσταση συνεχούς λειτουργίας όσο και στην κατάσταση μη συνεχούς λειτουργίας, καθώς και οι μέθοδοι ελέγχου που χρησιμοποιήθηκαν. Το επόμενο βήμα είναι η προσομοίωση του συνολικού συστήματος φόρτισης, με τη χρήση του λογισμικού προγράμματος Simulink της MATLAB, για την εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας. Έμφαση δίνεται σε προβλήματα που προκύπτουν από τον έλεγχο σε αυτούς τους μετατροπείς αλλά και τρόποι με τους οποίους αντιμετωπίστηκαν. Ακολουθεί, ο σχεδιασμός της διάταξη, η οποία αποτελείται από τρείς πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος, καθώς και το λογισμικό που αναπτύχθηκε για τη παλμοδότηση του μετατροπέα. Στις πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος περιλαμβάνεται το κύκλωμα ισχύος του μετατροπέα, η πλακέτα του κυκλώματος οδήγησης παλμών με τη χρήση του μικροελεγκτή STM32F429ZI, η οποία είναι έτοιμη, και η πλακέτα αναλογικού ελέγχου. Παράλληλα έγινε η επιλογή των κατάλληλων στοιχείων και αναλύεται πλήρως ο τρόπος χρήσης του μικροελεγκτή στη συγκεκριμένη διάταξη. Τέλος, κατασκευάζεται στο εργαστήριο ο μετατροπέας, με τη βοήθεια του οποίου πραγματοποιούνται πειραματικές μετρήσεις για την αξιολόγηση της θεωρητικής ανάλυσης καθώς και η λειτουργία των μεθόδων ελέγχου που χρησιμοποιήθηκαν. Το συνολικό σύστημα τίθεται σε λειτουργία με συνδυασμό των δύο διπλωματικών εργασιών και μελετάται η ορθή λειτουργία φόρτισης του ηλεκτροκινητήρα.

This Diploma Thesis consists one of the two subsystems of a total electromotion emulator system of an electric vehicle and focuses on the design and the implementation of a charging scheme for vehicle electric motor. The Thesis was elaborated in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering at the University of Patras. The subsystem of the emulator that concerns the drive system of the electric motor was elaborated in another Diploma Thesis by the student Mr. Dimitris Xystras. The primary target of this thesis is the analysis and the implementation of a bidirectional dc-dc power converter for the control of a separately excited DC Machine, which is connected through transmission ratio with the electric motor of an electric vehicle. The main target is the full emulation of loads that acting on vehicle’s motor, when it’s moving, depending on the road slope and the vehicle speed. Initially, a short historical review is made to the evolution of electric vehicles, when also represented the generally purpose of this Thesis. The possible forces that acting on an electric vehicle while it’s moving are analyzed and a correlation is made between these forces and the electric torque of a DC Machine. Subsequently, is accomplished the theoretical analysis of the bidirectional interleaved dc-dc converter for the three operations mode both in continuous and discontinuous current mode and, also, the current control methods that are used. The next step is the simulation design of charging subsystem in Simulink/Matlab. Simulation results are presented to confirm the right operation of the subsystem. Direct attention is given on the problems that occurs on the control of a dc-dc converter and in the ways that these problems faced. Afterwards, follows the design of the three boards of which consist the controller. First, the appropriate elements were chosen for this implementation and the criteria for these elements was analyzed thoroughly. Then the boards were designed. The first board is the power circuit converter, which consist the power switches (MOSFET) and the current transducers. The second board consists the gate driver circuit and the third board consists the analog control circuit. Also, the board of the microcontroller STM32F429ZI was used for the pulse modulation of the switches. The final step is the construction of the full charging system. The constructed converter is tested in two operation modes with the closed loop control to prove the functionality of the system and confirm the theoretical analysis. The total electromotion emulator set in operation, in combination of two Thesis, to confirm the right functionality of motor’s charging