1. Bevezetés

A villamos autók elterjedése napjainkban felgyorsult, köszönhetően a műszaki fejlődésnek, a szigorodó környezetvédelmi céloknak és a dízelautókhoz kötődő botrányoknak. A nagy teljesítményű, magas fordulatszámú hajtások alkalmazása a villamos meghajtású járművekben rendkívül előnyös, hiszen ezzel nagy teljesítménysűrűség és jobb hatásfok érhető el. Így az autóiparhoz kötődő fejlesztések az akkumulátorok mellett az ilyen típusú hajtásláncokra koncentrálnak. Az elmúlt időszakban számos autóipari szereplő jelentette be, hogy a közeljövőben villamos meghajtású járművekkel újítja meg termékpalettáját. Ezekben az alkalmazásokban 80-150 kW teljesítménytartomány és 14 000-22 000 rpm fordulatszám a tipikus.

Bár a villamos hajtásrendszerek évtizedek óta tartó fejlődése érintette azok minden komponensét (villamos gép, teljesítményelektronika, hajtásszabályozás, érzékelők stb.), egy járműben alkalmazott rendszer esetén számos új kihívás jelenhet meg (megbízhatóság, rázkódásállóság, környezeti hatások, szélsőséges hőmérséklet-tartomány stb.). A fejlesztőknek választ kell adniuk ezekre a kihívásokra, amit nagymértékben támogat a kifejlesztett vagy fejlesztés alatt álló berendezéseinek tesztkörnyezetben való minél szélesebb körű és mindenre kiterjedő vizsgálata.

Ez az igény motiválta a magas szintű szaktudást nyújtó egyetem keretein belül egy erre a célra kifejlesztendő és kialakítandó laboratórium tervének megszületését.

Egy ilyen laboratóriumnak nemcsak a jelen kor kihívásainak kiszolgálását kell megcéloznia, hanem a jövőben felmerülő igényekre és paraméterekre is megoldásokat kell adnia.

A fejlesztési kihívásokra válaszul épül meg a Felsőoktatási és Ipari Együttműködési Központ (FIEK) keretében egy e-mobilitás villamos hajtásrendszer laboratórium, amely lehetővé teszi a villamos (akár hibrid) hajtáslánc minden elemének részletes, üzemi és speciális körülmények közti átfogó vizsgálatát.

2. A FIek

2.1. A FIek szervezet

A BME Felsőoktatási és Ipari Együttműködési Központ, egyrészt önálló egyetemi szervezeti egység, ugyanakkor egy kutatásszervezési modell is a felsőoktatási intézmény és a vállalatok stratégiai együttműködésével, közös irányításával. A cégek lehetőséget kapnak, hogy megfogalmazzák kutatásfejlesztési és képzési igényeiket a felsőoktatás számára, míg a felsőoktatási intézmény tudományos tevékenysége mellett olyan eredményeket mutat fel, amelyek a gyakorlatban hasznosíthatóak.

Feladata, hogy menedzselje a kutatási eredmények hasznosítását és az ipari szereplők számára innovációhoz kapcsolódó szolgáltatásokat nyújtson. A középtávú cél, hogy az egyetem nagy hozzáadott értékű tevékenységgel kapcsolódjon be a globális értékláncba.

2.2. A FIek mint projekt

Az Emberi Erőforrások Minisztériuma Oktatásért felelős államtitkára 2014-ben fogalmazta meg azt a célt, hogy az egyetemi kutatási-fejlesztési tevékenységeket közelíteni kell a vállalatok igényéhez. Ennek érdekében született meg a Felsőoktatási és Ipari Együttműködési Központ. 2017-ben a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, a Siemens Zrt., a Richter Gedeon Nyrt., a Nokia Solutions and Networks Kft. és a Magyar Villamos Művek Zrt. konzorciumot alapított az egyetem és az ipar kapcsolatainak erősítésére.

A Központ munkájához a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal FIEK 16-1-2016-0007 kódszámú pályázatának keretén belül 3,96 milliárd forint támogatást nyert el, a részt vevő vállalatok összesen 2 milliárd forint forrást biztosítottak.

A négy ipari résztvevővel együttműködve a támogatásból alprojektek keretein belül kutató csoportok végzik munkájukat.

A Siemens Zrt-vel együttműködve a Villamos Energetika Tanszék és az Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék munkatársaiból alakított kutatócsoport dolgozik az e-mobilitás laboratórium kialakításán. A laboratórium villamos koncepcionális terve az 1. ábrán látható.

3. Bme–Siemens-alprojekt

3.1. Az alprojekt célja

A projekt keretei között egy modern villamos hajtás laboratórium kerül kialakításra a BME V1 épületének C szárnyában.

A Siemensszel közösen végzett FIEK projekt célja egy olyan próbapad rendszer fejlesztése, amely flexibilisen képes elektromos és hibrid meghajtású járművek (közúti vagy légi) teljes hajtásláncának és összes komponensének tesztelésére (hibrid esetén a belsőégésű motort villamos hajtógéppel emulálja). Emellett kiemelt célja, hogy az autóipar számára lehetővé tegye nagy fordulatszámú hajtásláncok tesztelését.

Az egyedi paramétereivel, nagy teljesítménnyel, magas fordulatszámmal, magas egyenköri feszültség szinttel, magas alapharmonikus frekvenciával a hajtáslaboratórium képes lesz arra, hogy teljesítse nemcsak napjaink, hanem a jövő legmagasabb műszaki igényeit is. Az alkalmazott technológia a tudomány élvonalába tartozik.

A maximális modularitás (cserélhetőség és párhuzamos mérések lehetősége) miatt két egyforma villamos gép beépítése történik meg (350 kW-os háromfázisú aszinkrongépek), így az egyik villamos géppel lehetőség van egy belsőégésű motor emulálására is, ezzel lehetséges egy hibrid hajtáslánc mérése is (M2, G2), ahogy az 1. ábrán látszik. A maximális laborkihasználtság mellett egyszerre üzemelő négy darab, egyenként ~300 kW-os gép vesztesége (jó esetben is) 140 kW lehet, ami alátámasztja a vízhűtés igényét.

A hajtáslaboratórium jellemző paraméterei: – Teljesítményszint: 350 kW – Fordulatszám: 5000 rpm (áttétel nélkül), 15 000 rpm (áttétellel) – Nyomaték: 1200 Nm (2500 rpm-en) – Egyenköri feszültségszint: 1000 V – Maximális alapharmonikus frekvencia: 1000 Hz

3.2. A próbapad részei és azok paraméterei

A kitűzött célt moduláris felépítésű rendszer tudja hatékonyan kiszolgálni. A rendszer elemei egyszerű, de biztonságos átkapcsolásokkal konfigurálhatók a kívánt vizsgálati konfiguráció megvalósítására alkalmas kapcsolásokká. – AFe: aktív egyenirányító a DC feszültség létrehozásához (500 A) – lFI: kisfrekvenciás inverter, alapvetően a hajtó motor táplálásához, szabályozásához – HFI: nagyfrekvenciás inverter, a nagy alapharmonikus frekvencia eléréséhez (f1max=1 kHz) – dcdc: feszültségnövelő/csökkentő konverter (galvanikusan leválasztott) – 3l: fojtó az invertertesztekhez– 3l-c: LC szűrő. – G1, m1: terhelő, hajtó gépek – mátrix: a különféle mérési konfigurációkat megvalósító átkapcsolásokhoz – tQ: nagy pontosságú (0,05 OP) nyomatékmérő HBM K-T40B a motorok tengelyein Különböző átkapcsolásokkal a rendszer adaptálható az összes elem egyedi tesztjére, illetve a teljes hajtásrendszer együttes tesztelésére is.

A teljes rendszer Siemens PLC-vel lesz vezérelve. A mérőrendszer kiválasztásánál és a mérőműszereknél fontos szempont volt, hogy nagy pontosságú mérési eredmények legyenek a teljes teljesítménytartományon.

3.3. A vizsgálható berendezések és azok paraméterei

A próbapadnak alkalmasnak kell lennie a következő elemek és a belőlük felépített rendszerek mérésére: – m2: A mérendő hajtómotor [maximális teljesítmény 350 kW, maximális fordulatszám 5000 rpm (áttétel nélkül), 15 000 rpm (áttétellel)] – INv: A hajtás inverter (max. 1000 V DC bemeneti feszültség) – BAtt: Az akkumulátor – G2: Hibrid hajtáslánc esetén a generátor – bat.ch: Az akkumulátortöltő és elektronika

4. Elvégezhető tesztelési feladatok

Néhány jellemző tesztelési feladatot mutatunk be a flexibilitás és modularitás érzékeltetésére.

4.1. Az inverter tesztelése

Az invertert AC és DC táplálással is lehet vizsgálni. A 2. ábrán az AC táplálás látható. Ez a teszt alapvetően az inverter melegedésének mérésére szolgál, így célszerű a legegyszerűbb U/f vezérlést alkalmazni. Az inverter kimenetén háromfázisú fojtó (3L) van, a nagyfrekvenciás inverterrel (HFI) és egy feszültségcsökkentő szaggatóval (DCDC) a hálózat irányába táplálható az energia. Teszt közben az energia nagy része a hurokban cirkulál, a hálózatból csak a veszteségeket veszi fel.

Az egyedi inverterek működése többféle konfigurációban vizsgálható. Ennek köszönhetően a vezérlő rendszer működése széles tartományban analizálható mind stabilitás, mind pedig dinamika szempontjából. Emellett a HFI lehetővé teszi gyors tranziensek vizsgálatát is, amit valóságos motorral nehéz lenne kivitelezni.

4.2. Az akkumulátor tesztelése

Az akkumulátor tesztelése nemcsak a cellák kimérését, öregedési, töltési tulajdonságainak tesztelését jelenti, hanem az akkumulátort kezelő elektronika – akkumulátor felügyeleti rendszer (BMS) tesztjét is. A BMS rendszerek tipikusan CAN buszon kommunikálnak, amit a mérőrendszer is kihasznál. A megfelelő feszültségcsökkentő elektronikával (DCDC), LC szűrővel (3L-C), és aktív egyenirányítóval (AFE) a kisütő teljesítmény – amely akár 300 kW is lehet – nagy része a hálózatba kerül visszatáplálásra.

4.3. A motor tesztelése

A mérendő motor tipikus fordulatszáma repülőgépes alkalmazás esetén 2500-5000 rpm, villamos autós alkalmazás esetén 15 000-20 000 rpm. A szokásos magas pólusszám mellett a magas fordulatszám eléréséhez ekkor szükséges, hogy a HFI inverter képes legyen akár 1 kHz frekvenciájú alapharmonikus előállítására.

A teszteléshez szükség van egy terhelő gépre (G1), amellyel a mérendő motort lehet terhelni. A terhelő gép teljesítményelektronikája a próbapad része, standard kétszintű topológiával rendelkező inverter, amely 600 A effektív értékű, maximum 200 Hz alapharmonikusú táplálást képes előállítani (LFI). A terhelő gép a 200 Hz-es kiadható alapharmonikus miatt áttétel nélkül képes a vizsgálandó motort 0-5000 rpm fordulatszám-tartományban terhelni, magasabb fordulatszám esetén mechanikus áttétel alkalmazása szükséges. A mechanikus áttétellel elérhető a 15 000-20 000 rpm-es fordulatszám, amely illeszkedik az autóipar igényeihez.

4.4. teljes elektromos hajtáslánc tesztelése

A FIEK laboratórium fő erőssége, hogy lehetővé teszi nagy teljesítményű integrált hibrid vagy elektromos hajtáslánc teljes rendszerének a vizsgálatát.

A fejlesztők számára ez lehetővé teszi, hogy a komponensek viselkedését az eredeti rendszerben vizsgálják. A laboratóriumot úgy alakítottuk ki, hogy az integrált tesztek során nemcsak a statikus, hanem a dinamikus viselkedés is nagy pontossággal megfigyelhető legyen. Ezek a tesztek lehetővé teszik, hogy a hajtáslánc egészét termikusan és villamosan optimalizálják a fejlesztők, hiszen ilyenkor az igénybevételek a valóságos környezetben figyelhetőek meg. Az integrált tesztek legfőbb előnye szabályozástechnikai szempontból, hogy nem alkalmazunk szakaszmodelleket az analízisek során, így a modellhibákból adódó kockázatok elhanyagolhatóak. Ez a konfiguráció az 5. ábrán látható.A laboratórium rugalmassága lehetővé teszi, hogy a villamos hajtáslánc gyártók a funkcionális vagy karakterizáló mérések során saját fejlesztésű rendszerüket gyorsan be tudják integrálni a laboratórium infrastruktúrájába. Egy ilyen rendszer tipikus elemei az akkumulátor, az akkumulátortöltő, az inverter, illetve a villamos motor.

A laboratóriumban egyéb vizsgálatok mellett lehetőség lesz a teljes hajtáslánc hatásfokának kimérésére, az egyes modulok helyes működésének ellenőrzésére.

5. Néhány szakmai részlet

5.1. villamos gépek

A maximális modularitás (cserélhetőség, párhuzamos mérések) miatt kettő egyforma villamos gépre van szükségünk.

Ezek feladata a tesztelendő villamos gépek hajtása/fékezése, illetve a komplett hibrid hajtás vizsgálata esetén a belsőégésű motorok emulálása.

A gépeket két egymástól nagyon eltérő inverter fogja táplálni. Az egyik az LFI, ami viszonylag kis alapharmonikusú (100-200 Hz) feszültség előállítására képes, ez alapvetően meghatározza a pólusok számát (2,4), hogy mezőgyengítéses tartományban el tudjuk érni az 5000 rpm fordulatot.

A másik konverter nagy (akár 100 kHz látszólagos) kapcsolási frekvenciával működik (a villamos gép veszteségének csökkentése végett). Ennek maximális alapharmonikusa 1000 Hz. Így ennél az eszköznél nagyon magas a feszültség, ugrások meredeksége, a „szokásos érték” többszöröse. Ez az általunk kiválasztandó gépeknél speciális tekercsfej-szigetelést és nagy dU/dt elviselését igényli.

A mechanikai paraméterek közül nagyon fontos a rezgés és hangnyomás érték, hiszen ebben a laboratóriumban egyszerre négy, nagy teljesítményű gép forog majd. Ezek közül a mérendő gépek (prototípusok) vélhetően sokkal rosszabb paraméterekkel rendelkeznek majd, mint a fix gépeink. Ezért a mi általunk választottak „rezgésszegények” lettek (3,5 mm/s 2 -nél kisebb rezgésgyorsulás), hogy az eredő környezetre gyakorolt hatás minél kisebb legyen. A tesztelő motorok rendelkeznek rezgésérzékelőkkel, hogy rezonancia esetén vészleállással megvédjük a berendezéseket. A rezgések csillapítására a motorpadok hangolt rezgéscsillapító alátámasztásokkal rendelkeznek.

5.2. teljesítményelektronika

A teljesítményelektronika konvertereinek tervezése, tesztelése és irányításának kifejlesztése a BME-n történt. Ez komoly gyakorlati és elméleti vizsgálatokat igényelt, melyekből számos tudományos cikk született [1-4].

A jövő várható tendenciáinak kiszolgálására a mérendő berendezésekhez a feszültség inverterek egyenáramú körében képesek vagyunk az 1000 V-os feszültségszint biztosítására. Ez kihívást jelent a félvezetők feszültség igénybevétele szempontjából. A DC feszültség szintet szigetelt DC/DC konverterrel állítjuk elő.

A másik kihívás a teljesítmény és a fordulatszám magas értéke. A nagy fordulatszámhoz nagy alapharmonikus frekvencia szükséges. Ahhoz, hogy a vizsgálat minél kisebb felharmonikus tartalom mellett történjen, növelni kell a felharmonikusok frekvenciáját a kapcsolási frekvencia növelésével (ami nagyobb alapharmonikus frekvencián kritikusabb), vagy/és nagyobb szintszámú invertert kell használni. Ezeket a módszereket használtuk a konverterek kifejlesztésénél. A HFI inverter nagy kapcsolási frekvenciát lehetővé tévő, Silicon-Carbid (SiC) diódás gyors IGBT modulokat tartalmaz. Az inverter háromszintű hídágakból áll (fázisonként három, eredőben egy 7 szintű invertert kapunk). A félvezetők a legmodernebb, a gyakorlatban most először kipróbált modulok.

A modern, úttörő jellegű fejlesztések biztonságos tesztelési, szimulációs eszközök használatát igénylik. Ennek kiváló eszköze a Power Hardware-In-the-Loop szimulátor, amellyel biztonságos virtuális, de a gyakorlathoz közeli környezetben lehet a tesztelendő berendezést vizsgálni. Ilyen eszközök kifejlesztése is feladat volt [1], [3], [4].

6. Összefoglalás

A készülő e-mobilitás laboratórium jövőbe mutató paramétereivel, flexibilitásával, a mögötte lévő, a BME szakemberei által nyújtott magas szintű elméleti és gyakorlati támogatással unikális lesz a szakterületen.

A laboratórium 2019 második felétől várja a villamos hajtások fejlesztőit, akármelyik részegységét vagy rendszerét akarják tesztelni berendezésüknek. És nemcsak az e-mobilitás területéről. köszönetnyilvánítás A projekt a FIEK 16-1-2016-0007 projekt keretében készül el, a Nemzeti Fejlesztési, Kutatási és Innovációs Hivatal támogatásával, finanszírozva a FIEK 16 által.

A cikkben szereplő mérési elrendezések képeit a BME FIEK munkacsoport állította össze.
Irodalomjegyzék: [1] kökényesi t., Sütő z., varjasi I.: Multilevel Validation Method for Hardware-in-the-Loop Simulation Models, SPEEDAM 2018 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, Amalfi, June 2018. [2] veréb Sz., Balázs G., kökényesi t., debreceni t., Sütő z., varjasi I.: Application Dependent Optimization of Balancing Methods for Lithiumion Batteries, IEEE-PEMC 2018 - 18th Int. Conf. on Power Electronics and Motion Control, Budapest, August 2018. [3] Sütő z., Balogh A., kiss d., veréb Sz., varjasi I.: Power HIL Emulation of AC Machines with Parallel Connected ANPC Bridge Arms, IEEE-PEMC 2018 - 18th Int. Conf. on Power Electronics and Motion Control, Budapest, August 2018. [4] kökényesi t., Hegedűs m., veréb Sz., Balogh A., Sütő z., varjasi I.: FPGA-Driven DAC with Second Order Sliding Mode Control of Filter Model for Hardware-In-the-Loop Simulators, IEEE-PEMC 2018 - 18th Int.

Conf. on Power Electronics and Motion Control, Budapest, August 2018.

Forrás: Elektrotechnika - 2018.12.31. (15,16,17,18. oldal)