Elmotordrift av bilar

Transkript

1 Elmotordrift av bilar Elmotordrift av bilar kan vara ett av de bidrag som bidrar till en hållbar utveckling genom minskade utsläpp av CO eftersom det då blir möjligt att minska användningen av att fossila bränslen. Hållbar utveckling är en utveckling som tillgodoser den levande generationens behov utan att försämra kommande generationers möjlighet att tillgodose sina behov. Området har två inriktningar, den starka och den svaga. För att reda ut skillnaderna mellan dessa inriktningar definieras samhällets totala kapital K som en summa: K = Kr + Kn + Kh + Ks Där de olika termerna är realkapitalet Kr, naturkapitalet Kn, humankapitalet Kh och Ks det sociala kapitalet. Med svag inriktning menas att det räcker om K inte minskar, medan den starka inriktningen innebär att de enskilda termerna inte får minska. Man talar även om ett nödvändigt kritiskt naturkapital som inte får underskridas. Utformningen av de tekniska systemen är av avgörande betydelse för möjligheten att hantera de två termerna naturkapital och realkapital men även indirekt de två övriga termerna. Hållbar utveckling har inte alltid varit i fokus då tekniska lösningar utvecklats över tid, vilket i efterhand behöver åtgärdas. Detta märks inte minst inom transportsektorn där utsläppen av växthusgaser är stor. Bidraget är stort från vägtransporter, men flygets bidrag är snart mer betydande än biltrafiken. Biltrafiken består dels av personbilar men även av lastbilar och bussar. Vid järnvägsdrift används nästan uteslutande elenergi i Norden och till stor del även i europa. Det finns dock stor skillnad i sättet att omvandla energin till elenergi. I Sverige är det en stor andel vattenkraft och i kontinentaleuropa är det en stor andel kolkraft. En av vägarna för att göra vägtrafik mer hållbar kan vara att övergå till eldrift av bilar. I detta sammanhang ska elmotordrift av elbilar och i hybridbilar med tillhörande energilagring prioriteras. Bilar som helt eller delvis drivs av elmotorer kan delas in i olika grupper. En grupp är de rena elbilarna som har batterier som energilager och drivs av minst en elmotor. I litteraturen förekommer förkortningen BEV (Battery Electric Vehicle) för denna grupp av bilar. Ett av problemen med att lagra energi i batterier är att energilagret blir tungt jämfört med till exempel en full bensintank eftersom specifika energin för batterier är mycket lägre än för till exempel bensin eller diesel. Specifika energin har enheten J/kg eller kwh/kg. Räckvidden för en batteribil brukar därför vara kortare än för en konventionell bil med förbränningsmotor. Ett mellanting mellan bilar med enbart drivs med elmotorer och de med enbart en förbränningsmotor är hybridbilarna, som brukar förkortas med HEV (Hybrid Electric Vehicles). I en hybridbil finns en förbränningsmotor och minst en elmotor för framdrivningen. Det finns ett primärt energilager i form av en bränsletank och ett sekundärt i form av till exempel batterier. Under körning kan energi såväl tas ifrån som tillföras till det sekundära energilagret. Ett exempel är så kallad regenerativ bromsning då bilens rörelseenergi omvandlas till kemisk energi i batteriet, batterierna laddas alltså. En ytterligare klass är FCV (Fuel Cell Vehicle) eller bränslecellsbilar där en bränslecell används för att skapa elenergi som i sin tur omvandlas till mekanisk av minst en elmotor. I denna typ av bilar används en vätgastank som lagrar vätgas under högt tryck som primärt energilager (kanske även det enda energilagret). Avgaserna blir vid denna omvandling blir till vatten. 1

2 Elbilar, de rena. En ren elbil behöver inte nödvändigtvis vara ren i miljövänlig mening. Om batterierna laddas från elnätet och den elenergin kan genereras på ett mer eller mindre miljövänligt sätt. Efter ett, förhoppningsvis stort, antal ladningscykler måste batteriet skrotas, vilket kan ske antingen på ett miljövänligt sätt eller bara kastas på vebacken. En laddningscykel är en laddning följd av en urladdning, eller tvärt om. En förenklad systemuppbyggnad kan se ut som figuren nedan. stickpropp sladd Laddare axel Conv EM hjul Batteri Systemuppbyggnad för en ren elbil Pilarna anger möjlig effektriktning. För att ladda batterierna ansluts till exempel en stickpropp till ett vägguttag. Laddaren omvandlar elnätets växelspänning till likspänning och övervakar laddförloppet. Elmaskinen kan kan gå i motordrift och då tas effekten från batteriet och omvandlas till mekanisk. Bromsning kan ska regenerativt så att maskinen går i generatordrift och laddar batterierna. Detta är inte tillräckligt. För en nödsituation där kraftig inbromsning behövs dessutom en friktionsbroms till exempel en skivbroms. Ett styrsystem sköter blixtsnabbt fördelningen av bromskraft mellan de olika bromsmöjligheterna (brake blending). Den mekaniska transmissionen inklusive eventuell växellåda och differential kan anses inkluderade i blocket som kallas hjul. Hybridbilar En hybridbil har en förbränningsmotor och minst en elmotor. Hybridbilarna har en bränsletank och tankas precis som en konventionell bil driven av enbart en förbränningsmotor. Förutom det primära energilagret, bränsletanken, har hybridbilarna ett sekundärt energilager i form av batterier. Om hybridbilen dessutom har en inbyggd batteriladdare och dessutom kan tanka sitt sekundära energilager från elnätet så kallas det laddhybridbil förkortat PHEV (Pug in Hybrid Electric Vehicle). Laddhybriden kan därför köras som en ren elbil om körsträckan är kort per dag, till exempel jobbpendling med påföljande laddning på natten. Hybridbilarna kan delas in i undergrupper där de mest utpräglade och beskrivna topologierna kallas seriehybrid respektive parallellhybrid. Dessutom finns andra topologier som kanske kan ses som kombinationer av dessa. Nedan visas systemuppbyggnaden för en seriehybrid.

3 axel FM EM1 Conv1 axel Conv EM hjul Batteri Systemuppbyggnad av seriehybrid. Bränsletanken är det primära energilagret och som pilen visar kan energin gå från tanken till förbränningsmotorn, FM, och inte tvärt om. FM är axelkopplad till en elmaskin, EM1, som kan gå i generatordrift, men det är ingen ide att köra den i generatordrift om den inte ska användas som startmotor till FM. Elektriska effekten från EM1 omvandlas av en omvandlare, Conv1, till likspänning och laddar batteriet, det sekundära energilagret. Omvandlaren kan till exempel vara en växelriktare som beskrivs i XX som går i likriktardrift. Energin för framdrift tas från batteriet och omvandlas av omriktaren Conv till elenergi som i sin tur omvandlas till mekanisk energi av elmasinen EM. EM kan även gå i generatordrift vid regenerativ bromsning och ladda batterierna. Notera att pilarna som anger effekten riktning går åt båda hållen till höger om batteriet. Förbränningsmotorn kan köras i en optimal driftpunkt, lämpligt kan vara den driftpunkt som ger högst verkningsgrad för att ladda batterierna tills batterierna är laddade till en lagom hög nivå, till exempel fulla. När de är fulla kan förbränningsmotorn slås av och om bilen körs så laddas batterierna ur till en lagom låg nivå, till exempel helt urladdade då förbränningsmotorn återigen startas. En annan grupp är parallellhybrider. Enligt figuren nedan. FM axel EM axel hjul Bränsletank Bränsletank Conv Batteri Systemuppbyggnad av en parallellhybridbil. Förbränningsmotorn och elmaskinens rotor sitter på en gemensam axel och driver gemensamt bilen. Bilen kan drivas av enbart förbränningsmotorn eller elmaskinen eller av båda samtidigt. Även här laddas batterierna vid regenerativ bromsning, se de dubbelriktade pilarna. Förbränningsmotorn kan arbeta på en optimal arbetspunkt och om framdrivningen kräver mindre effekt än vad som kommer från förbränningsmotorn laddas batterierna med mellanskillnaden. Elmaskinen går då i generatordrift. Om framdrivningen kräver mer effekt, till exempel vid en omkörning, så går elmaskinen i motordrift och energi tas tillfälligt från batterierna. 3

4 Energilagring Energi kan lagras på många sätt. I detta sammanhang ska vi främst behandla batterier där energi lagras elektrokemiskt och kondensatorer där energi lagras elektriskt. Dessa metoder förväntas vara dominerande för att lagra energi i elbilar och förekommer även som sekundära energilager i hybridbilar. I bilar drivna av förbränningsmotorer kan man tänka sig lagring av energi som rörelseenergi i svänghjul. Det finns även andra möjligheter att lagra energit, till exempel som potentiell energi i en fjäder eller som magnetisk energi i en spole. I tabellen nedan finns ett försök till sammanställning av egenskaper för komponenter som kan lagra energi. Lagrings typ Teoretisk lagrad energi Elektrokemisk Batteri W E Q E C m Elektrisk Mekanisk Kondensator Spole Svänghjul Linjär fjäder Komprimerad luft (isoterm) Ecell = cellspänning, Cs = cell cell S laddningstäthet [As/kg], m = massa W C = kapacitans, U spänning 1 CU över kondensator 1 W LI L = induktans, I = ström genom induktans 1 W J m = massa, ω = vinkelhastighet 1 k = fjäderkonstant, y = W ky utböjning P n = mol, R = ideal gas A WAB nrt ln konstant, T = temperatur, P = PB tryck Förmågan att lagra energi kan mätas med storheten specifik energi [Wh/kg] (ofta används enheten kwh som för storheten energi, men den härledda SI-enheten är J). En annan viktig storhet är specifik effekt [W/kg] som är ett mått på hur fort energin kan tas ut eller lagras. Om man vill vara ännu mer noga finns det ett samband mellan specifik energi och specifik effekt. Vid hög effekt kan inte lika mycket energi omsättas som vid låg effekt. Sambandet kan åskådliggöras i en så kallad ragone plot som nedan. 4

5 Figur 1. Ragone plot av vanliga lagringsformer. Vi kan se i diagrammet att det mest energitäta batteriet Li-jon batteriet kan lagra ca 130 Wh/kg. En jämförelse med de fossila bränslena diesel eller bensin (1 kwh/kg) som har ca 90 gånger så hög energitäthet. Batterier Batterier består av en positiv och en negativ elektrod omgivna av en elektrolyt. Det finns engångsbatterier och det finns laddningsbara batterier som heter ackumulatorer men ofta kallas laddningsbara batterier. De vanligaste parametrarna som anges är spänningen till exempel U = 1 V och laddningsmängden till exempel Q = 60 Ah. Ur detta kan lagrad energi beräknas genom W U Q till exempel 1V 60Ah 70Wh vilket kan vara rimligt för ett vanligt bilbatteri som är en ackumulator (Bly-Ack). Vi behöver en elektrisk kretsmodell för ett batteri för att kunna utföra beräkningar på en krets där ett batteri är inkopplat. En vanlig modell är att göra en spänningskälla bestående av en E och en Rk som i Ruta 1.8. Modellen består av en inre spänning E eller som det även kallas emk och en inre resistans R k. Inre spänningen är detsamma som tomgångsspänningen. + E R k + I U Figur En Batterimodell bestående av ideal spänningskälla och inre resistans 5

6 Vi kan på olika sätt bestämma modellens två parametrar och det beskrivs i kapitel 1.3 Tvåpolssatsen i avsnitten Experimentell bestämning av tvåpolsekvivalenten samt i exempel 1.9 i avsnitt Beräkningsmässig bestämning av tvåpolsekvivalenten.. Även i exempel 1.4 och 1.5 i kapitel 1. De grundläggande lagarna för likströmskretsar finns mer att läsa. Det är olämpligt att kortsluta batterier, men om det görs så uppkommer E kortslutningsströmmen I K som kan beräknas enligt om modellen används. Vid kortslutning laddas batteriet ur, men all energi blir till värme inne i batteriet. Effekten utvecklas modellmässigt i den inre resistansen Rk som E Ik. R k Denna beräkning ska tas med en nypa salt, man ska komma ihåg att modellen är en linjär approximation av ett verkligt batteri som inte uppträder linjärt, från tomgång via lagom ström (last) till kortslutning. Nedan visas en figur på mätningar jämfört med modell på ett COTECH 1,5 V AA batteri. + tecknet är mätvärden på spänning [V] (y-axel) och på x-axeln är ström [A]. Röd linje är en linjär approximation av mätvärdena som ger parametervärdena E = 1,5 V och Rk = 0,3 ohm. För varje + tecken beräknas effekten som produkten mellan strömmen och spänningen. Den beräknade effekten för varje + tecken är utritat med ett * tecken. Y-axeln är för dessa beräknade * är är uttagen effekt [W]. Parabeln är den effekt som ges av den linje som approximerar spänningen som funktion av strömmen. Den understa linjen är verkningsgraden som börjar i 1 (100%) på y axeln. Denna punkt ska man bortse ifrån eftersom Put = 0 och Pin = 0 (nästan) Ett fenomen värt att notera är att den uttagna effekten har en maxpunkt då spänningen sjunkit till hälften, denna punkt motsvarar något som i elektrotekniken kallas effektanpassing. Vid resistiv belastning inträffar effektanpassning då belstningsresistansen är lika med inre 6

7 resistansen. En nackdel med att ta ut maxeffekt är att verkningsgraden blir 50% (eller lägre i praktiken) och endast hälften av energin som är lagrad i batteriet kommer till nytta, resten värmer upp batteriet. Om man tar ut betydligt lägre effekt blir verkningsgraden mycket bättre och en större andel av den lagrade energin kan tillgodogöras. Detta är ett uttryck för motsatsen mellan hög specifik energi och hög specifik effekt. Vill man ha hög specifik energi så ska man ha låg ström, då blir förlusterna små och verkningsgarden hög. Vid låg ström får vi dock inte så stor effekt. Önskas däremot hög specifik effekt ska man ha högre ström, men då blir förlusterna större och en större mängd av energin går förlorad och vi får inte ut så mycket energi. Vill man ha hög specifik energi så får man låg specifik effekt och vice versa. Olika strategier förekommer då laddningsbara batterier används och de utgår bland annat från begreppet laddningsdjup eller DOD som är en förkortning av Dept of Discharge. DOD anger i % hur mycket energi skall tillföras batteriet för att det skall bli fulladdat. Om DOD=80% så innebär det att 80% att batteriet är urladdat så att endast 0% av energin återstår. Ett laddningsbart batteris livslängd kan anges i antal laddningscykler. En laddningscykel är en urladdning med en påföljande uppladdning. Tyvärr kompliceras saken av att livslängden även påverkas av hur djupt batteriet laddas ur. Ett batteri kan till exempel klara cykler om det laddas ur till DOD=5% men bara 1000 cykler om det laddas ur till 80%. Det finns två olika laddningsstrategier där en går ut på att bibehålla laddningen på en konstant hög nivå (charge sustaining). Den andra går ut på att ladda då laddningen når en kritiskt låg nivå. (charge depletion). Laddningsmängden är kopplat till en strömstryka som kallas C-rate. 1C är den likström som laddar ur batteriet på en timme, om laddningsmängden är 60 Ah så är 1C = 60 A. Batterietypen ovan har laddningsmängden 1000mAh = 1Ah och 1C är därför 1A. Strömstyrkan på x-axeln går från 0 till ca 4C. Nedan finns urladdningskaraktäristik för ytterligare en batterityp. Här ser vi att om batteriet laddas ur med den konstanta strömmen 1C =,8 A så blir skärningen med x-axeln,8 Ah och att den energi vi då får ut ur batteriet är ca 3,7V *,8Ah = 10 Wh = 36 kj (3,7 V är en uppskattad medelspänning mitt mellan 3V och 4,3 V). Om batteriet däremoy laddas ur med 50C blir energin ca 3,4V * 1,5Ah = 5,1 Wh = 18 kj. 7

8 Figur. Testdata från NEC-Tokin batteri ML35B. 8

9 Superkondensatorer Ett alternativ eller komplement till att använda batterier är kondensatorer, som för detta ändamål kallas superkondensatorer eller ultrakondensatorer (super capacitor, ultracapacitor). Kondensatorerna har högre specifik effekt än batterier men lägra specifik energi. 1 Energi W CU SuperCaps (även kallade dubbel-lager kondensatorer) o Saknar normal halvledare, använder istället tunna plattor (nanometerskala) o Många lågvolts-elektrolytkondensatorer (-3V) med hög kapacitans (~10F) i serie o Användbara ner till halva spänningen, sedan är energiinnehållet för lågt (1/4) o Upp till 5.000F o Upp till 30Wh/kg o Upp till 6kW/kg En kretsmodell som kan användas i detta sammanhang är en ideal kondensator i serie med en resistans. Anledningen till att effekttätheten är större är att inre resistansen i någon mening är mindre än för batterier. Exempel på data för kondensatorn BMOD0110-P048 från Maxwell Technologies är Vr = 48,6 V, C = 110 F, ESR = 8,1 mω. För kondensatorer i allmännhet kallas serieresistansen ESR (Equivalent Series Resistance). ESR I + C U Figur Kretsmodell för kondensator med ideal kondensator och inre serieresistans Exempel på data för BMOD0110-P048: Nominal capacitance C = 110 F Rated voltage Vr = 48,6 V ESR = 8,1 mω (ESR = equivalent series resistance) Maximum continuous current 79 A Maximum peak current, 1 sec 1410 A Weight 11,3 kg Usable power density, Pd 3100 W/kg Usable power W Impedance match power density, Pmax 6450 W/kg Gravimetric energy density, Emax 3,19 Wh/kg Energy available 36 Wh Det är ofta olämpligt att i normal drift gå under halva spänningen och vid halva spänningen blir återstår 5% av den totala energimängden. Lagrad energi vid full spänning blir CU W 130kJ 36Wh 9

10 Ca 75 % av energin omsätts fram och åter i detta fall ca 7Wh = 97 kj. Spänningen är mycket starkare kopplad till energiinnehållet för en kondensator jämfört med ett batteri. Detta leder till en annan aspekt som i högsta grad gäller för kondensatorer men ej för batterier. Effekten som kan tas ut, eller tillföras, kondensatorn är lägre vid låg laddningsnivå än vid hög eftersom strömmen är begränsad till ett av laddningsnivån oberoende värde. Vi låg laddningsnivå är spänningen låg och eftersom strömmen är begränsad blir även effekten låg. Vid hög laddningsnivå är spänningen hög och eftersom strömmen är begränsad till samma nivå, oberoende av spänning, så blir effekten hög. 10