Renault ZOE jest wyznacznikiem nowej ery – dostępnych dla wszystkich samochodów elektrycznych. Renauly ZOE stanowi połączenie perfekcyjnie opanowanej technologii elektrycznej Renault z kompaktowym i atrakcyjnym designem. Zaprojektowany od początku jako samochód wyłącznie elektryczny, Renault ZOE jest kompaktowym hatchbackiem o rewelacyjnych parametrach dotyczących zasięgu 400km oraz systemu ładowania Camelon, który został opatentowany w na całym świecie. Dzięki układowi ładowania Cameleon, ZOE jest pojazdem elektrycznym, który można naładować poprzez pojedyncze gniazdo w pojeździe w czasie od 30 minut do 10 godzin, w zależności od mocy dostępnej w terminalu ładowania (od 3 do 43kW). ZOE może również uzupełniać zapas energii ze standardowych gniazdek 230 V (2,2 kW) i zwiększyć zasięg o około 30 km w ciągu 3 godzin dzięki kablowi Flexi Charger. Samochód jest wyposażony w system „Range OptimiZEr” (optymalizator zasięgu), który poprawia zasięg niezależnie od warunków drogowych. Renault ZOE z nowym akumulatorem Z.E.40, oferuje największy zasięg wśród wielkoseryjnych modeli pojazdów z napędem elektrycznym. Nowy akumulator Z.E.40 zapewnia ZOE rekordowy zasięg w cyklu NEDC, wynoszący aż 400 km – dwukrotnie większy niż w dniu debiutu rynkowego tego modelu. W warunkach rzeczywistych nowy zasięg pozwala autu pokonać bez problemu 300 km na trasach miejskich i podmiejskich.
Renault ZOE posiada ochronę patentowa w postaci całej rodziny patentów, która podkreśla szeroki zakres opatentowanych rozwiązań technicznych w dziedzinie samochodów elektrycznych oraz jednoznacznie określa lidera tej branży. Ze względów praktycznych przedstawiony jest tylko jeden patent Renault US884755, który w charakterze protoplasty swojego rozwiązania powołuje się na patent EP0603778 Fuji Electric Ltd.
EP0603778A1 Electric system of electric vehicle, Fuji Electric Ltd, Kinoshita et al., Data publikacji: 29.06.1994. Wynalazek przedstawia system napędowy konwencjonalnego pojazdu elektrycznego, który wykorzystuje baterię jako źródło zasilania. Znane konstrukcje pojazdu elektrycznego zawierają trakcyjny silnik indukcyjny AC zasilany w obwodzie trójfazowym z invertera DC/AC, który przetwarza napięcie DC z baterii pojazdu na napięcie trójfazowe o zadanych parametrach. Omawiane konstrukcje charakteryzują się również rewersyjnym trybem pracy podczas hamowania pojazdu, który wykorzystuje silnik AC jako prądnice trójfazową. Napięcie trójfazowe z prądnicy zasila inverter pracujący również w trybie inwersyjnym co zapewnia konwersje napięcia AC/DC, a następnie ładowanie prądem stałym baterii trakcyjnych.
Fakt przystosowania pojazdu elektrycznego do pracy w dwóch trybach użytkowych: napęd/hamowanie sugeruje możliwość łatwej adaptacji w/w konstrukcji do ładowania z sieci trójfazowej z wykorzystaniem istniejących elementów pojazdu tzn.: trójfazowych uzwojeń stojana silnika trakcyjnego jako filtrów indukcyjnych oraz invertera w trybie rewersyjnym. Zmiana trybów pracy pojazdu elektrycznego wymaga jednak zastosowania stycznika trójbiegunowego, który w trybie napędu/hamowania zwiera końce uzwojenia statora w gwiazdę natomiast w dodatkowym trzecim trybie ładowania zasila oddzielnie poszczególne uzwojenie trójfazowego silnika odpowiednią faza sieci trójfazowej po uprzednim rozłączeniu uzwojeń z konfiguracji gwiazdy.
FIG.1- jest schematem przedstawiającym system napędowy konwencjonalnego pojazdu elektrycznego;
Fig.2 – przedstawia schemat trójfazowego invertera (falownika) zasilającego silnik trakcyjny AC;
Fig.3 – przedstawia rozpływy napięć i prądów sekcji elektrycznej pojazdu z Fig.1;
Fig.4(A-D) – ilustruje przebiegi napięcia i prądu w obwodzie zasilania pojazdu elektrycznego; odniesione do Fig.3;
Fig.5(A-D) – ilustrują przebieg napięcia i prądu w obwodzie zasilania w/w pojazdu Fig.3, podczas hamowania regeneracyjnego z opcją ładowania baterii zasilania;
Fig.6 – przedstawia schemat obwodu elektrycznego konwencjonalnego systemu ładowania baterii pojazdu elektrycznego;
Fig.7 – przedstawia schematem blokowy konwencjonalnego urządzenia ładującego baterie elektryczne ;
Fig. 8 – przedstawia schemat ilustrującym typowy sposób ładowania samochodu elektrycznego;
Fig. 9 – przedstawia schemat instalacji elektrycznej pojazdu elektrycznego według przykładu wykonania niniejszego wynalazku;
Fig.10 – przedstawia część schematu elektrycznego obwodu zasilania silnika trakcyjnego pojazdu AC, podczas jazdy;
Fig.11- przedstawia część schematu elektrycznego obwodu zasilania podczas operacji ładowania baterii z wykorzystaniem uzwojeń stojana silnika trakcyjnego;
Fig.12 – przedstawia uproszczony schemat połączeń instalacji elektrycznej pojazdu podczas operacji ładowania baterii;
Fig.13 – jest równoważnym schematem funkcjonalnym obwodu podczas operacji ładowania według przykładu wykonania z Fig.9;
Fig.14 – przedstawia przebiegi napięcia i prądu w różnych częściach obwodu ładowania z Fig.13;
Fig.15- przedstawia ekwiwalentny schemat obwodu zasilania silnika indukcyjnego AC według przykładu wykonania z Fig.9;
Fig.16- przedstawia równoważny schemat elektryczny podczas operacji ładowania pojazdu według przykładu wykonania z Fig.9;
Fig.17 – ilustruje obecność pojemności upływu w obwodzie ładowania pojazdu elektrycznego.
Koncepcje samochodu elektrycznego w dużym uproszeniu ilustruje rysunek Fig.1, na którym w charakterze silnika napędowego zastosowano pojedynczy trójfazowy silnik indukcyjny. Do elementów składowych pojazdu należą: bateria DC 1, przełącznik zasilania 2, bezpiecznik 3, inverter DC/AC 4, stycznik trójbiegunowy 6, silnik indukcyjny 5, przekładnia redukcyjna obrotów 7, przekładnia różnicową 9 oraz koła napędowe 81,82. W przykładzie wykonania pojazdu elektrycznego 100A, zgodnie z Fig.9, inverter 4 działa jako konwerter zasilania do przodu/do tyłu oraz posiada funkcję regeneracyjną baterii podczas hamowania pojazdu. Linie łączące 60a po stronie zasilania AC invertera 4 są połączone odpowiednio z zaciskami 51a, 52a i 53a uzwojeń fazowych 51, 52 i 53 silnika trójfazowego. Pozostałe końce 51b, 52b i 53b uzwojenia 51, 52 i 53 są połączone odpowiednio do zacisków 61a, 62a i 63a stycznika trójpolowego 6 za pośrednictwem linii łączących 60b. Pozostałe końcówki 61b, 62b i 63b trzystopniowego stycznika 6 są połączone linią zwarciową 65 tak, że zaciski te są zwarte. Zaciski ładowania linii łączących 66 są połączone odpowiednio z końcówkami stycznika trójbiegunowego 6, a pozostałe końce przewodów 66 są połączone z złączem ładującym 210a. Jeden zacisk linii zera 67 jest podłączony do złącza ładującego 210a, a drugi koniec tej linii uziemienia 67 jest połączony z masą nadwozia pojazdu 68.
Podczas jazdy złącze ładowania 210a jest otwarte a stycznik trójbiegunowy 6 jest zamknięty, co powoduje, że linie wewnętrznego kabla ładowania 66 są zwarte, a zatem końce gniazda ładowania 210a są również zwarte. W rezultacie napięcie silnika 5 nie pojawia się na zaciskach gniazda ładowania, co zapewnia bezpieczeństwo eksploatacji podczas jazdy. Podczas ładowania stycznik trójbiegunowy jest otwarty, więc sieć trójfazowa AC ze złącza 210a podawana jest na wyjście invertera 4 poprzez uzwojenia stojana silnika 51,52,53. Inverter pracuje w trybie inwersyjnym, który zapewnia konwersje AC/DC oraz ładowanie baterii prądem stałym, podobnie jak podczas hamowania pojazdu. Inverter 4 zawiera obwód sterujący PWM 4A do wykonywania sterowania PWM podczas jazdy oraz układ sterowania ładowaniem 4B do sterowania prądem ładowania baterii. Ponadto, w celu uruchomienia napędu elektrycznego, przewidziano obwód zabezpieczający 6A, który wykrywa awarie invertera w wyniku czego otwiera stycznik 6. Podczas ładowania baterii stycznik 6 jest otwarty tak, że silnik AC zostaje zatrzymany, a napięcie trójfazowe zasilane z zewnętrznego źródła AC jest dostarczane do invertera przez uzwojenia silnika AC pracującego jako dławiki indukcyjne. Inverter działa jako konwerter AC/DC i ładuje prądem stałym baterię. trakcyjną. Podczas ładowania akumulatora z sieci AC obudowa pojazdu elektrycznego 110, jest uziemiona ponieważ jest połączona z gruntem przez złącze ładujące i kabel ładowania tak, że jest pełne zabezpieczenie obsługi przed porażeniem prądowym .
W przypadku zastosowania silnika AC z magnesami trwałymi PM (Permanent Magnet Motor) moment obrotowy działający na wirnik silnika synchronicznego jest proporcjonalny do prądu silnika, ponieważ strumień magnetyczny wirnika jest stały. Podczas operacji ładowania w tym przykładzie wykonania nie wytwarza się żadnego momentu obrotowego w pojeździe elektrycznym, ponieważ wirnik jest zatrzymywany, a prąd silnika jest prądem zmiennym mającym częstotliwość sieci zasilania AC. Odpowiednio, średni moment obrotowy działający na wirnik staje się zerowy, a zatem nie wytwarza się momentu obrotowego wykorzystywanego do przemieszczania pojazdu elektrycznego.
US8847555 Fast charging device for an electric vehicle, Renault, Loudot et al., Data publikacji: 30.08.2014. Wynalazek dotyczy układu ładowania baterii elektrycznej pojazdu, a dokładniej urządzenia ładującego, wbudowanego w pojazd, umożliwiającego naładowanie baterii bezpośrednio z jednofazowej lub trójfazowej sieci zasilającej oraz źródła prądu stałego. Jedną z głównych wad pojazdów elektrycznych jest ich dostępność. W praktyce, gdy bateria jest rozładowana, pojazd elektryczny pozostaje niedostępny przez cały czas ładowania, który może potrwać kilka godzin. Aby zmniejszyć czas ładowania baterii , należy zwiększyć moc ładowania, czyli wartość prądu pobieranego z sieci. Oczywistym wydaje się również, że moc ładowania będzie większa gdy prąd będzie pochodził z sieci trójfazowej, a nie z sieci jednofazowej.
Przedmiotem wynalazku jest zatem, urządzenie do ładowania baterii zawierające trójfazowy prostownika podłączony do sieci zasilającej oraz falownik, który jest podłączony do baterii i automatykę regulacji średniego prądu ładowania. Urządzenie do ładowania baterii jest przeznaczone do zamontowania w pojeździe samochodowym zawierającym co najmniej jedno elektryczne urządzenie trakcyjne, to jest urządzenie zawierające co najmniej silnik elektryczny i falownik. W charakterze falownika urządzenia do ładowania akumulatora może być zastosowany układ falownika systemu trakcyjnego pojazdu pracujący w układzie rewersyjnym.
W ten sposób urządzenie ładujące jest więc w całości włączone do pojazdu i nie wymaga dodatkowego falownika, biorąc pod uwagę, że używany jest już falownik, który już znajduje się w pojeździe. Prąd pobierany z trójfazowej sieci zasilającej może być zasadniczo filtrowany przez kondensatory wejściowe i filtr kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), tak aby ten prąd spełniał wymagania dotyczące tłumienia zakłóceń harmonicznych. Również indukcyjność cewek stojana pojazdu elektrycznego może być stosowana jako filtry buforów energii. W praktyce, gdy moc ładowania jest wysoka, wymagana objętość i ciężar tego typu indukcyjności i/lub pojemnościowego filtra stanowi istotne ograniczenie dla montażu na pokładzie pojazdu. Na przykład ciężar filtra indukcyjnego i/lub pojemnościowego może wynosić około 30 kilogramów przy objętość około 20 litrów wymaganych do montażu w pojeździe, w przypadku urządzenia do ładowania baterii pradem 63A z sieci trójfazowej 400 VA, przy zadanych napięciach baterii trakcyjnej w zakresie od 250 do 400 V. Opracowane rozwiązanie obejmuje również regulację średniego prądu uzyskanego z prostownika w stosunku do wartości bieżącej maksymalnego prądu dostarczanej przez sieć zasilającą zgodnie z współczynnikiem określonym przez stosunek między maksymalnym napięciem wejściowym prostownika, a napięciem baterii.
Nowość rozwiązania układu ładującego baterie polega na bezpośrednim podłączeniu stopnia wejściowego prostownika synchronicznego do sieci trójfazowej lub jednofazowej bezpośrednio tzn.: bez użycia stycznika. Możliwe jest zatem zapewnienie pracy w trybach ładowania i trakcji bez konieczności stosowania styczników w celu przełączania się z jednej konfiguracji na drugą. Wyjście falownika jest zabezpieczone przez diodę powrotną (freewheeling), której zadaniem jest tłumienie oscylacji zakłóceń prądowych towarzyszących kluczowaniu tranzystorów falownika. W ten sposób, prąd wyjściowy w cewkach stojana może nadal cyrkulować poprzez diodę zwrotną, co zabezpiecza obwody prądowe falownika. Prąd pobierany z sieci zasilającej może być kontrolowany przez czas cykli roboczych, tzn.: czasy trwania, impulsów sterujących tranzystorami układu prostownika. Zalety i cechy wynalazku są oczywiste po analizie szczegółowego opisu jednego z przykładów wykonania wynalazku, który nie jest w żaden sposób ograniczony i stanowi bazę konstrukcyjną do realizacji kolejnych przykładów wykonania.
Fig. 1 – przestawia schemat blokowy urządzenia do ładowania baterii według przykładu wykonania;
Fig. 2 – przedstawia schemat elektryczny przykładu wykonania urządzenia do ładowania baterii z sieci trójfazowej;
Fig.3(A-B) – przedstawia przykładowe środki regulacji prądu ładowania;
Fig.4 – przedstawia schemat elektryczny urządzenie do ładowania baterii z sieci jednofazowej;
Rys.5 – przedstawia schemat elektryczny urządzenia ładującego baterie, zasilanego napięciem stałym;
Fig. 6 – przedstawia kolejną implementację urządzenia do ładowania baterii z sieci trójfazowej;
Fig.7 – przedstawia schemat diagramu ilustrującego procedurę ładowania baterii według wynalazku.
Zaletą zaprojektowanego urządzenie ładującego zamontowanego w pojeździe elektrycznym według wynalazku jest uniwersalność jego zasilania, ponieważ umożliwia ładowanie baterii z różnych źródeł energii elektrycznej, tzn.: z sieci jednofazowej, trójfazowej oraz źródła prądu stałego. Jako złącze połączeniowe zastosowano przemysłową wtyczka 63A PK, firmy Schneider-Electric.
Urządzenie do ładowania 1 baterii 2 według przykładu wykonania Fig.2 zawiera filtr kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), 5a oraz kondensatory filtrujące 5b, które zapewniają filtrowanie impulsów prądowych sterujących pracą tranzystorów prostownika 6 oraz falownika 7, połączonych miedzy sobą za pomocą uzwojeń stojana silnika trakcyjnego 14. Układ synchronicznego prostownika trójfazowego 6 zawiera w każdej fazowej gałęzi dwie diody 11 w jednakowej konfiguracji oraz dwa tranzystory sterujące 12 połączone szeregowo, przy czym każda gałąź zasilana jest z oddzielnej fazy podawanej do węzła łączącego oba tranzystory 12. Prostownik 6 sprzęgnięty jest z trójfazowym uzwojeniem stojana silnika 14 wchodzącym w skład układu falownikiem 7, poprzez układ pomiarowy natężenia prądu 10 oraz z co najmniej jedna diodą zwrotną ( freewheeling diode ) 13, połączona równolegle do jego wyjścia. Układ pomiarowy 10 stanowi źródło pomiarowe w pętli regulacji średniego prądu prostownika 6. Falownik 7 zbudowany jest w klasycznej konfiguracji , w postaci trzech równoległych gałęzi z których każda zawiera dwa tranzystory 16 zbocznikowane diodami 15 oraz trójfazowe uzwojenie stojana silnika 14 połączone odpowiednio do węzłów łączących pary tranzystorów 16 kolejnych gałęzi. Falownika 7 pracuje w układzie inwersyjnym, który zapewnia ładowanie baterii 2 przetworzonym prądem prostownika 6. Prostownik 6 podlega kontroli bezpośrednio za pomocą pętli regulacji 8, która dostosowuje cykle pracy sygnału przełączającego tranzystory 12 w sposób zdefiniowany przez diagram pętli regulacji Fig.3B.
Prąd ładowania z prostownika 6 dostarczany jest na wyjście uzwojeń trakcyjnych 14 falownika 7, który objęty jest pętla regulacji 9 prądu ładowania baterii 2, ale który może pracować również w konfiguracji niezależnej od pętli regulacji 8. Prąd ładowania jest określany w oparciu o moc dostępną w sieci zasilającej oraz znamionowe napięcie baterii . Przykładowo górna granica prądu ładowania może wynosić do 200A, w przypadku trójfazowej sieć zasilająca o moc 43kW dla napięcia baterii rzędu 200V. W celu ograniczenia spectrum harmonicznych wynikowego prądu ładowania baterii 2 impulsy kluczujące tranzystory 14, gałęzi falownika 7, są przykładowo przesunięte względem siebie o 1/3 okresu powtarzania, który może być zmieniany w zależności od liczby zastosowanych gałęzi uzwojeń trakcyjnych 14. Każda gałąź obwodu stopnia wyjściowego falownika 7 może być regulowana indywidualnie za pomocą pętli regulacji z Fig.3B, lub łącznie, to znaczy w tym samym cyklu pracy, który jest stosowany do sterowania każdą gałęzią poprzez wektor przestrzenny stosowany w technice modulacji wektorowej adaptowanej do sterowania falowników. Zaletą układu ładującego jest możliwość dodatkowego ładowania z sieci jednofazowej oraz z sieci prądu stałego, co zostało zilustrowane na rysunkach Fig.4 i Fig.5, które podkreślają uniwersalność konstrukcji poprzez adaptacje układu prostownika 6 do pracy w warunkach zasilania różnych źródeł energii. Dodatkowo układ ładujący według wynalazku umożliwia również wykorzystanie indukcyjności cewek stojana 14 urządzenia ładującego 1 jako filtrów buforujących energii co rozwiązuje praktycznie problem zastosowania dodatkowego układu ładującego wyposażonego w dławiki indukcyjne o dużej masie i objętości, przedstawionego przykładowo w patencie Ep0603778.
WNIOSKI
Jedną z najważniejszych zalet elektrycznych układów napędowych jest wysoka sprawność przekazywania energii, która wynosi 70-90% podczas gdy dla silników spalinowych parametr ten kształtuje się na poziomie 15-30%. Wysoka wartość momentu obrotowego dostępnego już od startu silnika znakomicie wpływa na zdolność pojazdów elektrycznych do przyspieszania. Silnik elektryczny jest również znacznie cichszy w porównaniu z spalinową jednostką napędową i nie emituje spalin (przynajmniej nie w miejscu jego eksploatacji – spaliny powstają w elektrowni przy produkcji energii elektrycznej). Przy obecnych cenach energii elektrycznej użytkowanie samochodów elektrycznych jest również znacznie bardziej korzystne pod względem ekonomicznym. Koszt przejechania 100 km nie przekracza 10 zł. Dużą zaletą elektrycznego układu napędowego jest także możliwość łatwego odzysku energii hamowania pojazdu. W czasie hamowania silnik napędowy staje się prądnicą, a jego moment oporowy skutecznie zmniejsza prędkość pojazdu. Wytwarzane w tym czasie napięcie doładowuje baterie trakcyjne.
Poglądowy materiał filmowy How does an Electric Car work ? Tesla Model S dostępny jest w serwisie YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=3SAxXUIre28
Istotą patentu EP0603778 Electric system of electric vehicle jest adaptacją konstrukcji pojazdu elektrycznego, który nie jest tradycyjnie przystosowany do ładowania baterii trakcyjnych z sieci trójfazowej AC. Fakt zastosowania w pojeździe trybu odzysku energii hamowania, który polega na ładowaniu baterii przez inverter w trybie rewersyjnym AC/DC zasilanym przez trójfazowy silnik trakcyjny pracujący jako prądnica AC pozwolił na przystosowanie pojazdu do ładowania baterii z sieci trójfazowej AC. Opatentowana konstrukcja posiada stycznik trójbiegunowy, którego zadaniem jest przełączanie obwodu zasilania silnika trakcyjnego z trybu jazdy na tryb ładowania (rewersyjny) w którym napięcie trójfazowe z sieci AC podawane jest na inverter AC/DC ładujący baterie, poprzez uzwojenia stojana silnika. Zastosowanie uzwojeń silnika trójfazowego w charakterze filtrów indukcyjnych zabezpiecza sieć AC przed pasożytniczymi zakłóceniami towarzyszącymi pracy invertera w trybie rewersyjnym AC/DC, podczas ładowania baterii.
Patent US8847555 Fast charging device for an electric vehicle przedstawia natomiast uniwersalne urządzenie ładujące, wbudowane w pojazd, które zapewnia naładowanie baterii bezpośrednio z jednofazowej lub trójfazowej sieci zasilającej oraz źródła prądu stałego, przy czym jest to wersją rozwojową rozwiązania opatentowanego przez Fuji Electric Ltd, EP0603778. Nowość rozwiązania układu ładującego baterie polega na bezpośrednim podłączeniu stopnia wejściowego prostownika synchronicznego do sieci trójfazowej lub jednofazowej bezpośrednio tzn.: bez użycia stycznika. Możliwe jest zatem zapewnienie pracy w trybach ładowania i trakcji bez konieczności stosowania styczników w celu przełączania się z jednej konfiguracji na drugą. Istotną zaleta układu ładującego jest również uniwersalność opatentowanej konstrukcji, która zapewnia adaptacje układu prostownika synchronicznego do pracy w warunkach zasilania z różnych źródeł energii.
Polski dorobek w dziedzinie samochodów elektrycznych przedstawia strona : http://www.auto-elektryczne.pl/nap281d-elektryczny.html
Szczególnie interesującą propozycją, w naszych warunkach, możliwą do realizacji od zaraz jest koncepcja samochodu hybrydowego Pasagon, który w warunkach miejskich moze przejechac około 100 km na bateriach jonowo-polimerowych: Pasagon, natomiast poza miastem podstawowe funkcje napedowe realizuje silnik wysokopręzny Andoria.
KONCEPCJA NAPĘDU HYBRYDOWEGO PRZEZNACZONEGO DO SAMOCHODU DOSTAWCZEGO – CONCEPT OF THE HYBRID DRIVE DEDICATED FOR VAN CAR zawarta jest w krótkim atykule Hybrid van car
Natomiast uroki jazdy samochodem elektrycznym w tym przypadku Renault ZOE przedstawia krótki materiał filmowy Yotube ZOE https://youtu.be/TBKWDQczPRk
Interesujacy może być również materiał filmowy:
How does an Electric Car work ? | Tesla Model S https://youtu.be/3SAxXUIre28