Βέλτιστος σχεδιασμός και διαχείριση συστημάτων κίνησης ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

The present thesis undertakes optimal design and management of electric vehicle drive-train systems. More specifically, particular Permanent Magnet Motor (PMM) design and control optimization techniques are developed, considering multiple operating points for Electric Vehicle (EV) applications. In a first step, for the motor design, two new evolutionary optimization algorithms are developed, namely the adaptive Differential Evolution (DE) algorithm and the Particle Swarm Optimization (PSO). The robustness and convergence characteristics of the proposed algorithms are investigated via necessary test functions. The adaptive DE algorithm, exhibiting superior convergence characteristics among the developed optimization routines, is integrated in fully parameterized motor design tools, enabling consideration of both geometric and operating constraints, as well as the controller operating mode. In this process, electromagnetic analysis is performed by respective Finite Element (FE) models, incorporating circuit models for the precise calculation of the two axes input current components, regarding the operating mode imposed by the drive system. In a next step, the optimization procedure is extended for EV propulsion motors, with the integration of the New European Drive Cycle (NEDC), where equivalent multiple operating points are considered, enable achieving a convenient compromise between precision and computational cost. The proposed methodology has been applied to optimize the geometry of both surface mounted and interior PMM configurations. The proposed motor configuration is based on a thorough trade-off among the two alternative optimized geometries and has been validated by measurements on a prototype. Furthermore, a field oriented dynamic torque controller, considering interior PMM magnetic saturation and cross coupling effects between direct (d) and quadrature (q) axis for the EV application, is developed. Initially, an extended motor flux and inductance mapping over wide load and speed range is implemented, employing a non linear FE model, in order to calculate the appropriate d-q axis currents, for operation in Maximum Torque per Ampere (MTPA) - constant torque region and Field Weakening (FW) - constant power region. The results of the FE mapping analysis are integrated in the torque control model via appropriate lookup tables, enabling accurate calculation of both the reference current values and the armature stator voltage for the FW operation. The effectiveness of the control model has been validated through NEDC operation for the investigated EV motor. Moreover, the harmonic losses and the torque ripple of PMMs driven by Pulse Width Modulated (PWM) inverter for a wide range of Switching Frequencies (SFs) are investigated, using a 2-D non linear time stepping FE model, including strand conductors proximity effect, coupled with an appropriate external electric circuit. The analysis undertaken proposes an optimum SF, in terms of overall drive system efficiency and torque quality, considering multiple operating conditions. The simulated results are validated by measurements on a prototype PMM, illustrating that the SF plays an important role on PMM drive applications. Finally, the EV driving autonomy enhancement, through the incorporation of PhotoVoltaic (PV) array into the vehicle's roof, has been investigated. For the efficient control and power management of the PV array, charging supplementary the EV battery pack, a complete control strategy, including the Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm and the DC-DC converter topology has been developed.

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.