Arkiv / Teknik

Drivsystem till elfordon – elmaskiner och kraftelektronik

Creative commons license

Idag får ni Mikael Alatolas sammanfattning av två disputationer om elmaskiner och kraftelektronik, men först ger han en överblick av utvecklingen av elmaskiner och kraftelektronik till elfordon.

Drivsystem till elfordon samt sammanfattning av två avhandlingar

skrivet av Mikael Alatalo (Chalmers)
Elektriska fordon och även plug-in hybrider kräver förutom ett energilager ett elektriskt drivsystem, bestående av elmotor och kraftelektronik. Den stora kostnaden står energilagret, d.v.s. batteriet, för och en intensiv jakt på bättre, säkrare och billigare batterier bedrivs av många aktörer idag.
Elmotorn är i grunden en konstruktion från artonhundratalet men det sista årtiondet har en snabb utveckling av elmotor och kraftelektronik bedrivits av framförallt biltillverkare och underleverantörer till desamma. Pionjärerna i det här arbete har varit GM och Toyota. GM började leverera  EV1 redan 1996 och den första generationen hade blybatterier. Senare kom även en version med NiMH-batterier som skulle klara 250 km’s räckvidd. För framdrift av den här bilen användes en asynkronmaskin.
Toyota började producera Prius 1997 och har sen dess utvecklat drivsystemet i fyra generationer. Den sista generationen är på väg till marknaden i vår. Varje generation har haft bättre elmotor, bättre kraftelektronik och bättre batterier. Bränslebesparingen över varje generationsväxling har varit runt 10 % samtidigt som bilarna har blivit större. Toyota använder som de flesta tillverkare idag en permanentmagnetiserad elmaskin.
Jämfört med de asynkronmaskiner som används inom traditionell basindustri har motorerna utvecklats till högre effekttäthet och verkningsgrad. Det gäller inte bara att ha en hög verkningsgrad i en maxpunkt utan den höga verkningsgraden ska vara tillgänglig för de flesta av arbetspunkter. Det kan finnas en mening i att optimera maskinen till att ha hög verkningsgrad i driftpunkter som ofta används. Motorerna har bättre järnmaterial och tunnare plåtar än vad som används i industrimaskiner. För att det inte ska utvecklas strömmar i de stillastående järndelarna så byggs dessa upp av tunna plåtar. Järnet blandas dessutom upp med kisel vilket försämrar ledningsförmågan och minskar strömmar.
Tabell 1. Elmotorer från olika tillverkare
Elmaskiner     Moment/NM Maxeffekt/kW Varvtal/rpm Vikt/kg
BMW i3             250                  125            7000                  49
Prius 2004        400                   50              6000                    45
Prius 2010        200                   60             13500               36,7
Prius 2016        200                   60             13500               29,4
VW eGolf          270                   85             12000
Nissan Leaf      280                   80             10400               56
GM Spark EV    540                 105             4500              35
Tabell 2. Kraftelektronikens utveckling, 2016 är beräknat värde
Kraftelektronik    Effekt/kW          kW/kg
Prius 2004             50                    3,8
Prius 2010              60                   6,9
Prius 2016              60                   7,7
För att få ut bästa möjliga moment ur maskinerna optimeras den stillastående delen och även hur magneterna är placerade i den rörliga delen, rotorn, och magneterna har bättre material än tidigare. Magneterna ska även tåla höga temperaturer, vilket i sig är ett problem för de magneter som används.
I de flesta fall används radial-flödesmaskiner men det förekommer även maskiner av s.k. axialflödestyp. I dessa maskiner vänds det magnetiska flödet från att gå i radiell riktning till att ledas i samma riktning som axeln. För att få ut maxeffekt används hög strömtäthet i maskinens lindning, vilket medför snabb temperaturstegring och maxeffekten i maskinerna kan bara användas i ett 10-tal sekunder. Med rimliga strömtätheter kan man få ut ca. 9 Nm  per kg aktivt material. Efter att man byggt in maskinen i hus och kylning och med kullager och axlar återstår ca. 6 Nm per kg maskin vilket t.ex. Prius motor kan prestera.
Att ange det moment man kan få ut ur en elmotor är en viktig faktor då det bestämmer hur mycket material som behövs. Oftast vill dock bilbyggare prata om den effekt som kan fås ut ur maskinen men den handlar om rotationsvarvtal och hur maskinen växlas i förhållande till hjulet och hjulets diameter i förhållande till maxhastighet. Ett inte onormalt utväxlingsförhållande är 7:1 och hjuldiameter på 0.7 m. Vilket ger rotationshastigheten 7400 rpm vid 140 km/h. Ofta roterar maskinerna uppemot 12 000 rpm som mest, vilket ställer stora krav på att inte järnkretsen producerar för mycket förluster. T.ex. en 8-polig maskin har en elektrisk frekvens på 800 Hz internt inne i maskinen vid maxvarvtal. Elektroplåtar som normalt används för 50 Hz i industrimaskiner är inte användbara i de här sammanhangen och specialplåtar tas fram med bättre och bättre data. Ett sätt att undvika förluster i materialet är att göra plåtarna tunnare. Återigen ett exempel från Prius är att plåttjockleken är ca. 0.3 mm att jämföra med industrimaskiner som har 0.5-0.65 mm.
Ett annat viktigt material i elmaskinerna är de permanenta magneterna som tillverkas av Neodymium, vilket är en sällsynt jordartsmetall. Den är dock inte så sällsynt utan kan finnas t.ex. i Gränna-trakten där en geologisk undersökning har visat att hyfsad tillgång finns under äppelodlingarna. De som inte bryr sig om äppelodlingarna är Kineser och den största gruvbrytningen av material till permanenta magneter sker idag i Kina. Man kan nästan påstå att det finns ett monopol som kan köra magnetpriserna lite upp och ner. Det inträffade runt 2010 då magnetpriserna ökade med nära en faktor 5 under ett år. Eftersom magneterna används i både servomotorer och vindkraftverk har det startats aktiviteter för att minska sårbarheten till magnetpriset. T.ex. kan maskinerna utformas för att minska mängden magnetmaterial, alternativa gruvor har prospekterats och nya material har testats. I USA undersöks om Cerium kan användas i stället för Neodymium och man försöker få magneterna att bli tåliga mot hög temperatur på olika sätt. Det klassiska är att använda Dysprosium som är än mer sällsynt och priskänsligt men genom att göra magneten mer homogen kan materialet göras mer tåligt mot hög temperatur utan allför stor inblandning av Dysprosium.
Ett sätt att minska magnetmaterial i maskinerna är att utnyttja det sk reluktansmomentet,vilket bildas av att rotorn har olika benägenhet att leda magnetflöde i olika riktningar. Med hjälp av den skillnaden kan rotorn magnetiseras i en riktning och om en ström riktas vinkelrätt mot detta flöde bildas ett moment. D.v.s beroende på hur strömmarna positioneras i förhållande till rotorn kan ett moment bildas. Normalt positioneras strömmen i den riktning i förhållande till rotorn som ger mest moment per strömenhet, vilket kan vara besvärligt då materialens magnetiska egenskaper är olinjära och maskinens egenskaper ändras med strömmen i maskinen.
Rotorn till en elmaskin för elbilsdrift har tagit stegen från en s.k. instucken magnet (Prius 2007), till  två V-ställda magneter (Prius 2004) och även fler V-ställda magneter ( GM och BMW). Allt för att optimera momentet per volymsenhet. De här konstruktionerna är också till för att fältstyrkan i konstruktionen ska kunna styras vilket i sin tur bestämmer vilken spänning som krävs.
En del av problematiken som kan vävas in i driv-linan är hur bilen ska laddas. Renault har en laddningsteknik där elmotorns lindningar används för att skapa induktans och sen används den vanliga omriktaren till att mata in effekt i batteriet. Fördelen är att det endast behövs en trefasanslutning för att ladda bilen. T.ex. ett trefasuttag avsäkrat för 32 A kan lämna  22 kW i laddeffekt, vilket kan göras utan några större extrakostnader. Det talas om 80 kW med den här tekniken men frågan är om inte det börjar kosta pengar för varje fordon i form av kraftigare omriktare och elmotor. Tekniken ska konkurrera med DC-snabbladdning som kan ske nästan utan kostnad för elbilen men själva laddaren är i dagsläget dyr. Endast en DC-kontakt behövs i elbilen och Audi pratar om laddare med effekten 150 kW.
Elteknik är en avdelning på Energi och Miljö som studerar elmaskiner kraftelektronik och hur maskinerna ska konstrueras.
De senare åren har flera arbeten bedrivits som studerar hur elmaskinerna ska konstrueras, hur de storleksmässigt ska dimensioneras i förhållande till fordonet och körcykeln, hur motorn ska styras för att få bästa möjliga moment med minsta ström och hur rotorerna ska konstrueras för att maximera momentet från en viss volym. En typ av integrerad laddning lik den som används av Renault har också föreslagits och utvärderats.
Under November har två disputationer skett med anknytning till driv-linor för elfordon.
Poopak Roshanfekr försvarade sin avhandling den 5 / 11, en regnig Novemberdag efter en ovanligt varm och fin Oktober. Hennes arbete har varit en del av ett större projekt som handlar om hur elenergi ska genereras och transporteras till fastlandet från vindkraftparker ute till havs. Totalt arbetar tre doktorander i projektet med transformatorer, elmaskiner och kraftelektronik. Professor Pia Lindh från Lappeenranta fungerade som opponent denna dag och ledde en intressant diskussion om innehållet och om framtiden.
Poopak’s arbete har inriktats på att jämföra olika permanentmagnetiserade(PM) elmaskiner med samma statorkonstruktion men med olika rotorer. Den ena rotorn har haft magneter på rotorytan medan den andra har haft magneterna inmonterade i rotorns plåtpaket. En andra jämförelse har varit att jämföra en permanentmagnetiserad maskin med en som har en reluktansrotor. I den senare används bara elektromagnetiska järnplåtar i rotorn och man sparar på detta sätt kostnader för magneterna.
Genom att jämföra effekttäthet för de olika konstruktionerna och hur den årliga produktionen från ett vindkraftverk med respektive generator påverkas så kan man få en uppfattning om vilket som är bäst. Ett arbete som är direkt överförbart till fordonsvärden, då man pss strävar efter bästa möjliga moment med minsta möjliga effektförlust.
Poopak har även undersökt vilken spänningsnivå som kan vara fördelaktig då man tänker sig en stor vindkraftpark ute till havs och effekten samlas ihop till en DC-länk för vidare transport till fastlandet.
I arbetet har Poopak tittat på hur mekaniska begränsningar påverkar rotorkonstruktionen och hur förluster i magneter uppstår och kan minimeras.
De viktigaste slutsatserna är att magneter på rotorytan ska undvikas, det är bättre att montera magneterna inne i rotorn och genom att montera dessa på samma sätt som i en reluktansmaskin kan man spara ytterligare 14 % magnetmaterial, jämfört med den andra konstruktionen med bara en magnet. Verkningsgraden för den här sista maskinen är dessutom högre över hela arbetsområdet och momentvariationer är lägre.
En ren reluktansmaskin klarar bara 74 % av effekten som nyttjas i en PM-maskin vilket innebär att en reluktansmaskin måste göras större än motsvarande PM-maskin.
Disputationen avslutades av prof. Ewan Ritchie från Ålborg som drog igång en debatt mellan prof. Thiringer och prof. Liu om vilken vinkel som egentligen används vid styrning av en elmaskin. Jag tror diskussionen fortsatte under buffen. Svaret kommer i nästa avhandling av  Ali Rabiei.
Den 17:e November la Ali fram sin avhandling för granskning inför en fullsatt EA-sal. Opponent var Roy Nielsen från Wärtsilä i Norge.
När elmaskinen både har en permanentmagnet och osymmetrier i rotorn som kan ge reluktansmoment blir momentet beroende av dels strömmens amplitud men även beroende av strömmens vinkel i förhållande till rotorn. Normalt använder man maskinens linjära parametrar för att beräkna den vinkel som ger mest moment för given strömamplitud. Eller så använder man den vinkel som ger minst förluster. Problemet är att maskinens parametrar förändras då man belastar den med hög ström, vilket man gör i elbilsdrifter. Maskinens beteende är olinjärt och det är svårt att hitta en analytisk lösning på problemet.
Ali har jämfört olika metoder för att hitta bästa strömvinkel och visar att de olinjäriteter som finns i maskinens parametrar ska tas med i Lagrangian-funktionen för att ge bästa strömläge. Metoden har byggt på en approximation av FEM-beräknade data och i slutänden kunde en kvasianalytisk lösning hittas. En annan helt numerisk metod som har utvärderats är att minimera värdet av ett antal ekvationer som bestämmer maskinens arbetspunkt och även tar hänsyn till de limiteringar som finns för ström och spänning. Med den här metoden kan en mer optimal styrning åstadkommas i det område där maskin och omriktare använder systemets maximala spänning.
En annan del av Ali’s avhandling utvärderar olika kraftelektroniska lösningar för styrning av elmaskinen. Krafthalvledarna kan förväntas växla över från Kisel till Kiselkarbid de närmaste åren och verkningsgraden i omriktarna kommer att öka med ett par procent. Hur stor verkningsgradsökning man får beror på vilken körcykel som utvärderas.
Förutom de här arbetena har ett flertal stora projekt bedrivits i Europa och USA. I Europa kan t.ex. Artemis nämnas som är en projekt för att integrera elfordon i elnätet. D.v.s. Elnätet ska via kommunikationsteknologi kunna styra laddningen till elfordonet. På det sättet kan överskott i förnyelsebar energi kunna hanteras och tas om hand.
RESCAR 2.0 är ett projekt drivet av Audi och Frauenhofer som tittat över elektriska komponenter i omriktarna. Syftet är att skapa ’robusta komponenter’ för electromobility och i andra projekt har man studerat elmaskiner och hur de ska konstrueras och produceras på bästa sätt. Liknande projekt, har bedrivits i USA , t.ex. APEM  i vilket man tittat på kylmetoder och montering av halvledare jämte material i kondensatorer. På omriktarsidan handlar mycket om att integrera komponenterna så tätt som möjligt för att få ned vikt och storlek.
Egen kommentar
Efter att ha blivit på efterkälken i början av 2000-talet kan man nog säga att Europeiska och Amerikanska fordonstillverkare närmar sig de asiatiska tillverkarna. Fortfarande saknas volymerna i Europa men det börjar ta sig.
De tre stora japanska tillverkarna har fortfarande ett stort försprång på antal sålda full-hybrider och plug-in fordon, d.v.s fullstora elsystem. Volymerna växer för laddbilar och kanske Europeerna har ett trumf i alla plug-in varianter som nu trycks ut på marknaden. De kommer att ge välbehövliga volymer på viktiga komponenter, vilket är en avgörande faktor för att priserna ska börja dala och ge vinst till företagen.