Ανάλυση, σχεδιασμός και κατασκευή ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος με σύγχρονο κινητήρα μονίμων μαγνητών: βάση ανάπτυξης ηλεκτροκίνητου οχήματος κυψελών καυσίμου

Abstract

This thesis deals with the analysis, design and deployment of an electric drive system with a brushless DC (BLDC) motor, which is the basis for the development of a Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV). Particularly, this thesis focuses on the electrical systems (propulsion and sources) of a lightweight vehicle and gives emphasis on position sensorless commutation techniques of a BLDC motor drive system. From that perspective, the issues concerning the embedded Hall effect sensors are highlighted and the effects of incorrect positioning or displacement of sensors in the operational characteristics of this type of motor are investigated. Additionally, a method for identifying and quantifying the angle of deviation from the correct position of Hall effect sensors is proposed, based on back Electromagnetic Force (EMF) zero crossing points. It should be noticed that the proposed method is implemented for real time fault detection and identification. Moreover, the already published position sensorless commutation methods for BLDC motor drive systems have been assessed based on their applicability to various types of permanent magnet synchronous motors, the operating range of the motor, the reliable identification of the correct commutation instant and the computational cost for their implementation. A novel method for position sensorless commutation of a BLDC motor drive system with trapezoidal back EMF has been proposed exploiting the Zero Sequence Voltage (ZSV). The incorporation of the proposed method in the BLDC motor drive system enables extended operational speed range of the motor without load torque limitations while the accurate commutation instants are defined reliably within that range (accurate zero crossing point detection of the information signal). It should be noticed that the overall cost for implementing this method is kept low. Finally, in this thesis, an energy management strategy for a BLDC motor drive system power by multiple electrical sources is proposed, as the basis for a FCEV constitution. The effectiveness of the proposed strategy is verified through a simulation scenario for typical urban driving cycle.Specifically, in Chapter 1 the need for replacement of internal combustion engines by electric machines in the automotive sector is highlighted. Also, a brief description of the aims and the structure of this thesis are provided. In Chapter 2 an introduction of permanent magnet synchronous machines technology is provided. The design features of machine components and their influence on the electrical characteristics of these electrical machines are provided. Also, a comparative study for permanent magnet synchronous motors (PMSM) and BLDC motor is presented.In Chapter 3 the operational behavior of a BLDC motor with trapezoidal back EMF driven by a three phase inverter that utilizes Hall effect sensors is investigated. The issues raised by the utilization of Hall effect sensors for the commutation techniques are highlighted. This chapter also presents a study of the side effects of Hall sensors misplacement on BLDC motor operation. Concluding this study, a method for detecting the incorrect placement of Hall sensors and for determining the exact angular misplacement is proposed. In Chapter 4 a comprehensive study of already known position sensorless commutation techniques for BLDC motor drive systems is presented. These methods are classified with respect to the electrical characteristics that utilize for extracting information regarding the rotor position and the required measurement and processing units.In Chapter 5 a novel position sensorless commutation method for a BLDC motor drive system is proposed by the author of this thesis. The effectiveness of the proposed technique is verified via simulation results of the investigated drive system. Also some experimental results from the intermediate processing steps of the proposed technique are provided.In Chapter 6 the constructed in our Laboratory experimental setup is presented. Experimental results of the investigated BLDC motor drive system which incorporates the proposed position sensorless commutation method are presented. The proposed method and the experimental results are assessed for steady state and during transient in comparison to those coming from embedded Hall sensor. In Chapter 7 an application of the investigated BLDC motor drive system as a propulsion system in electric vehicles is provided. In this context, a comparative study of the existing electric vehicle architectures is provided. In Chapter 8 the technology of Fuel Cells (FCs) with emphasis on Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are provided. The electrical characteristics of a PEMFC stack are extensively analyzed and experimental investigation has been carried out for the operational behavior of a commercial PEMFC stack to be clarified. These results provide the basis for developing a mathematical model for the given stack in the Matlab/Simulink environment. In Chapter 9 the architectural interconnection of the supply system with the propulsion system is described. Also, a literature review of the already known energy management methods for pure electric vehicles with hybrid power supply system is provided. In this chapter an energy management strategy is proposed for dual BLDC motor drive system powered by two different electrochemical energy sources. The effectiveness of the proposed method is evaluated in the investigated system via simulation in Matlab/Simulink environment for a typical urban driving cycle. Finally, in Chapter 10 the original contribution of this thesis to the research domain of BLDC motor drive systems power by electrochemical energy sources is highlighted, its additional results are noted and subjects of possible future work are presented.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση, το σχεδιασμό και την κατασκευή ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος με σύγχρονο κινητήρα μόνιμων μαγνητών, το οποίο αποτελεί βάση ανάπτυξης ηλεκτροκίνητου οχήματος κυψελών καυσίμου. Ειδικότερα, επικεντρώνεται στα ηλεκτρικά συστήματα πρόωσης και τροφοδοσίας του οχήματος και εστιάζει στην οδήγηση σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών τραπεζοειδούς κυματομορφής τάσης εξ επαγωγής παρακάμπτοντας τη χρήση αισθητήρων θέσης. Στη κατεύθυνση αυτή, επισημαίνονται τα προβλήματα της χρήσης των αισθητήρων τύπου Hall και ερευνάται η επίδραση της εσφαλμένης τοποθέτησης ή μετατόπισης των αισθητήρων στα λειτουργικά χαρακτηριστικά αυτού του τύπου του κινητήρα. Ειδικότερα, προτείνεται μέθοδος εντοπισμού και ποσοτικοποίησης της γωνίας απόκλισης από την ορθή θέση, που βασίζεται στην εμφανιζόμενη τάση εξ επαγωγής και εφαρμόζεται σε πραγματικό χρόνο. Επίσης, αξιολογούνται οι μέθοδοι οδήγησης σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών χωρίς τη χρήση αισθητήρων θέσης, οι οποίες έχουν προταθεί στο πλαίσιο ερευνητικών εργασιών στο διεθνή χώρο, βάση τη δυνατότητα εφαρμογής τους σε διαφόρους τύπους σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών, το εύρος λειτουργίας του κινητήρα, τον αξιόπιστο εντοπισμό των σημείων μετάβασης και τον υπολογιστικό φόρτο υλοποίησής τους. Προτείνεται νέα μέθοδος οδήγησης σύγχρονου κινητήρα μόνιμων μαγνητών τραπεζοειδούς κυματομορφής τάσης εξ επαγωγής, παρακάμπτοντας τη χρήση των αισθητήρων θέσης. Η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει διευρυμένο εύρος λειτουργίας του κινητήρα με αξιόπιστο εντοπισμό των σημείων μετάβασης (μέγιστη ακρίβεια εντοπισμού το σημείου μηδενικού δυναμικού του πληροφοριακού σήματος). Το δε κόστος και ο υπολογιστικός φόρτος για την υλοποίηση της μεθόδου είναι χαμηλά. Τέλος, προτείνεται μέθοδος ενεργειακής διαχείρισης ηλεκτροκινητήριου συστήματος με υβριδικό σύστημα τροφοδοσίας ως βάση ανάπτυξης αμιγούς ηλεκτρικού οχήματος. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου αξιολογείται στο υπό μελέτη σύστημα για έναν τυπικό κύκλο οδήγησης εντός πόλης.Αναλυτικότερα, στο κεφάλαιο 1 επισημαίνεται η αναγκαιότητα της αντικατάστασης των μηχανών εσωτερικής καύσης από ηλεκτρικούς κινητήρες στον τομέα της αυτοκίνησης. Επίσης, αναφέρονται οι στόχοι που τέθηκαν για την εκπλήρωση της διατριβής και η γενική δομή αυτής.Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η τεχνολογία των Σύγχρονων Μηχανών Μόνιμων Μαγνητών. Συγκεκριμένα, εξετάζονται τα κατασκευαστικά στοιχεία αυτού του τύπου μηχανών, υπό το πρίσμα της επιρροής αυτών στα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Επίσης παρατίθεται μια συγκριτική μελέτη της λειτουργίας των δύο (2) κατηγοριών Σύγχρονων Μηχανών Μόνιμων Μαγνητών, όπως αυτά καθορίζονται από την μορφή της Τάσης εξ Επαγωγής.Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται αναλυτικά η λειτουργική συμπεριφορά του Σύγχρονου Κινητήρα Μόνιμων Μαγνητών Τραπεζοειδούς Κυματομορφής Τάσης εξ Επαγωγής. Επίσης τίθεται το ζήτημα οδήγησης αυτού του είδους Σύγχρονων Κινητήρων καθώς απαιτείται γνώση για τη θέση του δρομέα και ως εκ τούτου είναι απαραίτητη η ενσωμάτωση αντίστοιχων αισθητήρων. Στο κεφάλαιο αυτό, επίσης παρουσιάζεται μία μελέτη αναφορικά με τα σφάλματα που εισάγουν στη λειτουργία του κινητήρα οι ασύμμετρα τοποθετημένοι αισθητήρες θέσης τύπου Hall. Ως κατακλείδα αυτής της μελέτης προτείνεται μία μεθοδολογία ανίχνευσης της εσφαλμένης τοποθέτησης των αισθητήρων θέσης και προσδιορισμού της γωνίας απόκλισης αυτών.Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια εκτενής μελέτη των τεχνικών οδήγησης Σύγχρονων Κινητήρων Μόνιμων Μαγνητών Τραπεζοειδούς Κυματομορφής Τάσης εξ Επαγωγής, παρακάμπτοντας τη χρήση αισθητήρων θέσης. Οι παρουσιαζόμενες μέθοδοι συγκρίνονται ως προς τα μεγέθη που χρησιμοποιούν για να εξάγουν την πληροφορία αναφορικά με τη θέση του δρομέα, τον τρόπο μέτρησης και τις μεθόδους επεξεργασίας αυτών. Στο κεφάλαιο 5 αναλύεται διεξοδικά η μέθοδος που προτάθηκε από τον συγγραφέα της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αναφορικά με την οδήγηση των υπό μελέτη κινητήρων. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής οδήγησης επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιωτικών αποτελεσμάτων. Επίσης παρατίθενται και πειραματικά δεδομένα από τα ενδιάμεσα στάδια επεξεργασίας που συνιστούν την προτεινόμενη τεχνική οδήγησης.Στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται η πειραματική διάταξη και παρουσιάζονται αποτελέσματα πειραματικής διερεύνησης του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος Σύγχρονου Κινητήρα Μόνιμων Μαγνητών, στο οποίο εφαρμόζεται η προτεινόμενη τεχνική οδήγησης. Η μέθοδος αυτός αξιολογείται σε διάφορα σημεία λειτουργίας του υπό μελέτη κινητήρα.Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται μια εφαρμογή του υπό μελέτη κινητήριου συστήματος στα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Σε αυτό το πλαίσιο γίνεται μία συγκριτική μελέτη των ηλεκτρικών οχημάτων σε επίπεδο κινητήρων και ενεργειακών πηγών.Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου με έμφαση στον τύπο μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Αναλύονται εκτενώς τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων και πραγματοποιείται πειραματική διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς μιας εμπορικής συστοιχίας κυψελών καυσίμου. Τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν τη βάση για την ανάπτυξη ενός μοντέλου για τη δεδομένη συστοιχία κυψελών καυσίμου στο περιβάλλον Matlab. Στο κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται οι αρχιτεκτονικές διασύνδεσης του συστήματος τροφοδοσίας με το ηλεκτροκινητήριο σύστημα και συγκριτική μελέτη των μεθόδων συντονισμού των επιμέρους υποσυστημάτων με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία. Επίσης, προτείνεται μέθοδος ενεργειακής διαχείρισης για ηλεκτροκινητήριο σύστημα με υβριδικό σύστημα τροφοδοσίας ως βάση ανάπτυξης αμιγούς ηλεκτρικού οχήματος. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου αξιολογείται στο υπό μελέτη σύστημα μέσω προσομοίωσης στο περιβάλλον Matlab για ένα τυπικό κύκλο οδήγησης εντός πόλης.Τέλος, στο κεφάλαιο 10 επισημαίνεται η συμβολή της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής στην έρευνα σχετικά με τα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα Σύγχρονων Κινητήρων Μόνιμων Μαγνητών τροφοδοτούμενα από ηλεκτροχημικές πηγές ενέργειας, ανακεφαλαιώνονται τα αποτελέσματα αυτής και αναφέρονται σημεία που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο επιστημονικής έρευνας στο μέλλον.