Τα τελευταία 35 χρόνια έχει προκύψει ένα ενεργειακό πρόβλημα το οποίο μας επιβάλει να αλλάξουμε την ενεργειακή μας αντίληψη. Το πετρέλαιο αλλά και άλλα ορυκτά καύσιμα έχουν πεπερασμένα αποθέματα και η χρήση τους επιβαρύνει το περιβάλλον. Επίσης γεωπολιτικά συμφέροντα δεν επιτρέπουν την ανεμπόδιστη διανομή του. Μέσα σε αυτό το κλίμα της ενεργειακής απεξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα αναπτύσσονται τα τελευταία χρόνια τα υβριδικά οχήματα. Τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα είναι ένα μεταβατικό στάδιο από την πετρελαιοκίνηση στην εξ’ ολοκλήρου κίνηση μέσω ηλεκτρισμού από ενεργειακές κυψέλες. Αποτελούνται από έναν συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης και μια ηλεκτρική μηχανή, η οποία τροφοδοτείται από συσσωρευτές. Τα υβριδικά οχήματα χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τις τεχνολογίες υβριδοποίησης που διαθέτουν και την διάταξη του ηλεκτρομηχανολογικού τους συστήματος. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας (η οποία είναι η συνέχεια δυο προηγούμενων) είναι η προσπάθεια κατασκευής ενός υβριδικού αυτοκινήτου. Για να γίνει αυτό εφικτό απαιτούνται, ένα όχημα το οποίο να μπορεί να δεχθεί εύκολα μηχανολογικές μετατροπές, ένας ηλεκτρικός κινητήρας και συσσωρευτές. Ο ηλεκτρικός κινητήρας ελέγχεται από έναν αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας είναι μια ηλεκτρική συσκευή η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενο. Βασικό κομμάτι του αντιστροφέα είναι η λογική παλμοδότησής του. Ο αντιστροφέας που κατασκευάστηκε χρησιμοποιεί τον άμεσο έλεγχο ροπής, ο οποίος είναι ένα είδος άμεσου διανυσματικού ελέγχου που χρησιμοποιεί τον μετασχηματισμό Park. / Τα τελευταία 35 χρόνια έχει προκύψει ένα ενεργειακό πρόβλημα το οποίο μας επιβάλει να αλλάξουμε την ενεργειακή μας αντίληψη. Το πετρέλαιο αλλά και άλλα ορυκτά καύσιμα έχουν πεπερασμένα αποθέματα και η χρήση τους επιβαρύνει το περιβάλλον. Επίσης γεωπολιτικά συμφέροντα δεν επιτρέπουν την ανεμπόδιστη διανομή του. Μέσα σε αυτό το κλίμα της ενεργειακής απεξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα αναπτύσσονται τα τελευταία χρόνια τα υβριδικά οχήματα. Τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα είναι ένα μεταβατικό στάδιο από την πετρελαιοκίνηση στην εξ’ ολοκλήρου κίνηση μέσω ηλεκτρισμού από ενεργειακές κυψέλες. Αποτελούνται από έναν συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης και μια ηλεκτρική μηχανή, η οποία τροφοδοτείται από συσσωρευτές. Τα υβριδικά οχήματα χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τις τεχνολογίες υβριδοποίησης που διαθέτουν και την διάταξη του ηλεκτρομηχανολογικού τους συστήματος. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας (η οποία είναι η συνέχεια δυο προηγούμενων) είναι η προσπάθεια κατασκευής ενός υβριδικού αυτοκινήτου. Για να γίνει αυτό εφικτό απαιτούνται, ένα όχημα το οποίο να μπορεί να δεχθεί εύκολα μηχανολογικές μετατροπές, ένας ηλεκτρικός κινητήρας και συσσωρευτές. Ο ηλεκτρικός κινητήρας ελέγχεται από έναν αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας είναι μια ηλεκτρική συσκευή η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενο. Βασικό κομμάτι του αντιστροφέα είναι η λογική παλμοδότησής του. Ο αντιστροφέας που κατασκευάστηκε χρησιμοποιεί τον άμεσο έλεγχο ροπής, ο οποίος είναι ένα είδος άμεσου διανυσματικού ελέγχου που χρησιμοποιεί τον μετασχηματισμό Park.

Η θεματολογία της εργασίας αυτής περιλαμβάνει την υβριδική τεχνολογία στην αυτοκίνηση. Γίνεται μία εκτεταμένη ανάλυση των υβριδικών οχημάτων, αρχικά κάνοντας αναφορά στην ιστορία των υβριδικών και μη οχημάτων και έπειτα στα περιβαλλοντικά θεμάτα που τα έφεραν στο προσκήνιο. Η ανάλυση περιλαμβάνει επίσης την μελέτη των διαφόρων κατηγοριών υβριδικών οχημάτων, την εξέταση των κατασκευαστικών μερών τους και κλείνει με την παρουσίαση κάποιων χαρακτηριστικών οχημάτων που βγήκαν στην παραγωγή. Στη συνέχεια, η εργασία περνά στο πειραματικό της στάδιο, που περιλαμβάνει τη μελέτη και κατασκευή ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος για εφαρμογή σε πειραματικό όχημα. Το όχημα μετά τις επεμβάσεις θα είναι υβριδικό, κάνοντας χρήση δύο πηγών ενέργειας, ορυκτά καύσιμα και ηλεκτρισμό. Έγινε η προμήθεια του οχήματος και των απαραίτητων μερών του συστήματος δηλαδή ενός ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα και των μπαταριών, που είναι τύπου οξέος-μολύβδου. Ακολούθησαν μηχανολογικές μετατροπές στο αμάξωμα ώστε να δεχθεί το πρόσθετο σύστημα μετάδοσης κίνησης, οι οποίες και αναλύονται. Παράλληλα βρίσκονταν σε εξέλιξη οι μετατροπείς ισχύος που απαιτούνται στο σύστημα ηλεκτρικής κίνησης για να προσαρμόσουν τα ηλεκτρικά μεγέθη κατάλληλα ώστε να επιτρέψουν την ροή ισχύος από τις μπαταρίες προς τον κινητήρα, κατά την επιτάχυνση του οχήματος, και την επιστροφή ενέργειας στις μπαταρίες από τη μηχανή, που λειτουργεί ως γεννήτρια λαμβάνοντας ενέργεια από την κινητική του οχήματος. Οι απαιτούμενοι μετατροπείς είναι ένας αμφικατευθυντήριος μετατροπέας ανύψωσης – υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή και ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη, ή πιο απλά τριφασικός αντιστροφέας. Ο δεύτερος μετατροπέας πραγματοποιεί και τον έλεγχο της ροπής που παράγει σε κάθε στιγμή ο κινητήρας μέσω της μεθόδου του Άμεσου Έλεγχου Ροπής (DTC). Περιγράφονται οι μεθοδολογίες ελέγχου των τριφασικών ασύγχρονων κινητήρων και γίνεται λεπτομερής ανάλυση της χρησιμοποιούμενης μεθόδου. Στο τελευταίο τμήμα περιγράφονται οι πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν με το σύστημα που κατασκευάστηκε, στον εργαστηριακό πάγκο και επί του οχήματος της εφαρμογής. Τέλος, γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν. / The subject of this work includes the use of hybrid technology in automotive. An extensive analysis of hybrid vehicles is carried out, referring to the history of hybrid and other vehicles and then to the environmental matters that brought hybrids to the fore. The analysis also includes the study of different types of hybrid vehicles, examining their components and ends with the presentation of some remarkable vehicles that have been produced. The work then passes into the experimental phase, involving the design and construction of an electric system to be applied in a conventional vehicle. The vehicle is meant to function as a hybrid, using two energy sources, fossil fuels and electricity. For the reason, a vehicle has been supplied along with the necessary parts of the system, which consist of an asynchronous electric motor and lead acid batteries. Mechanical modifications that were made to the chassis to accept the additional drivetrain are discussed in detail. The construction of the necessary power converters is carried out in parallel. Their purpose is to adjust the electrical values in order to allow the flow of power from the batteries to the engine during acceleration of the vehicle and return energy to the batteries from the electrical machine, which acts as generator powered from the vehicle’s wheels.. The required converters are: a bi-directional buck/boost DC to DC converter and a three-phase DC to AC converter, which is simply described as inverter. The second converter also performs the control of the torque produced at any time from the engine, using Direct Torque Control (DTC). Alternate methodologies are also described, while the used technique is fully analyzed. The final section describes the experimental procedures performed to the constructed systems. At first they are tested in the laboratory and afterwards they are applied on the vehicle. Finally, an analysis of the results is performed.

Η μόλυνση του περιβάλλοντος από τα μέσα μεταφοράς και η συνεχής μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων αποτελούν τους δύο κύριους λόγους για τη στροφή των τμημάτων έρευνας της παγκόσμιας αυτοκινητοβιομηχανίας στην επινόηση οικολογικότερων μέσων μετακίνησης. Από αυτή την προσπάθεια προέκυψαν τα ηλεκτρικά υβριδικά οχήματα, τα οποία περιορίζουν την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπες ρύπων συγκριτικά με συμβατικά οχήματα παραπλήσιων τεχνικών χαρακτηριστικών. Τα υβριδικά οχήματα είναι, ουσιαστικά, ο προάγγελος και το πεδίο δοκιμής και εξέλιξης της αμιγούς ηλεκτροκίνησης. Ο κοινός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας και άλλων δύο διπλωματικών εργασιών, οι οποίες εκπονήθηκαν παράλληλα με αυτή, είναι η μετατροπή ενός συμβατικού βενζινοκίνητου αυτοκινήτου σε ηλεκτρικό υβριδικό όχημα. Το αρχικό μέλημα υπήρξε η εύρεση του κατάλληλου οχήματος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Την προμήθεια του οχήματος ακολούθησε η έρευνα της αγοράς για την εύρεση του κατάλληλου ηλεκτρικού κινητήρα. Ο κινητήρας, ο οποίος επιλέχθηκε, είναι τριφασικός ασύγχρονος. Εν συνεχεία, αγοράστηκαν συσσωρευτές οξέος μολύβδου ως εναλλακτική πηγή ενέργειας του οχήματος. Ακολούθησε εμπεριστατωμένη μελέτη για τη μηχανολογική προσαρμογή του ηλεκτρικού κινητήρα και των συσσωρευτών στο όχημα και πραγματοποιήθηκε αυτή η εργασία. O ηλεκτρικός κινητήρας τοποθετήθηκε επί του διαφορικού, ενώ κατασκευάστηκε ειδική βάση για τους συσσωρευτές. Υπολογίστηκε και κατασκευάστηκε κατάλληλο σύστημα μετάδοσης για τη μεταφορά της κίνησης από τον κινητήρα στον άξονα μετάδοσης της κίνησης του οχήματος, ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες κίνησης του. Το γεγονός ότι ο κινητήρας χρειάζεται σύστημα υδρόψυξης για την ασφαλή και αποδοτική λειτουργία του είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή κατάλληλης διάταξης. Το δεδομένο ότι οι συσσωρευτές παράγουν συνεχές ρεύμα, ενώ ο κινητήρας απαιτεί τροφοδοσία με εναλλασσόμενο ρεύμα οδήγησε στην κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Ο αντιστροφέας αποτελεί μια ηλεκτρική διάταξη, η οποία μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Το απαιτούμενο επίπεδο τάσης εξόδου του αντιστροφέα για την τροφοδοσία του κινητήρα προϋποθέτει συγκεκριμένο επίπεδο τάσης στην είσοδο του μετατροπέα, το οποίο είναι υψηλότερο από την τάση εξόδου της συστοιχίας των συσσωρευτών. Επιχειρήθηκε, λοιπόν, η εξομοίωση και η κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η ιδιότητα του είναι η ανύψωση του επιπέδου τάσης των συσσωρευτών κατά τη φάση της τροφοδότησης του κινητήρα αλλά και ο υποβιβασμός της τάσης για τη φόρτιση των συσσωρευτών κατά την επιστροφή ενέργειας από τη λειτουργία του κινητήρα ως γεννήτρια, τη λεγόμενη διαδικασία της αναγεννητικής πέδησης. Ο έλεγχος του ηλεκτρικού κινητήρα πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής του άμεσου ελέγχου ροπής (DTC), ενός είδους άμεσου διανυσματικού ελέγχου. / The environmental pollution caused by all means of transport and the continued reduction of stocks of fossil fuels are the two main reasons, which directed the global automotive research in developing “greener” means of transport. From this effort emerged hybrid electric vehicles, which reduce fuel consumption and emissions compared to conventional vehicles with similar technical characteristics. Hybrid vehicles are essentially the precursor and the field for testing and developing pure electric traction. The common objective of this and two other diploma theses, which were prepared in parallel with it, is to convert a conventional gasoline car to a hybrid electric one. The initial concern was to find a suitable vehicle for this application. The supply of the vehicle was followed by the market research to find a suitable motor. The selected motor is a three-phase asynchronous motor. Subsequently, lead acid batteries were purchased as an alternative energy source for the vehicle. This was followed by a thorough study of the mechanical adjustment of the electric motor and battery in the vehicle and the planned work was performed. The electric motor is adapted on the differential and a base was constructed to fit the batteries. A suitable transmission system was built to transmit motion from the electric motor to the transmission axle of the vehicle to meet the needs of the driving conditions. The fact that the motor needs a water cooling system for its safe and efficient operation resulted in the construction of an adequate array. Taking into account that the batteries produce direct current, while the motor requires the supply of alternating current led to the design and construction of a three-phase power inverter at the laboratory. The inverter is an electrical device that converts direct current to alternating current. The demanded level of voltage in the inverter’s output to power the motor requires a specific voltage level at the input of the converter, which is higher than the output voltage of the battery pack. Therefore, the simulation and the construction of a bidirectional DC to DC voltage converter was attempted at the laboratory. The aim is to raise the level of battery voltage during the phase of the electric machine functioning as a motor and to reduce the voltage level to charge the batteries during the phase that the electric machine functions as a generator, a process called regenerative braking. The control of the electric motor was achieved by the technique of direct torque control (DTC), a kind of direct vector control.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μετατροπή ενός συμβατικού αυτοκινήτου σε υβριδικό ηλεκτρικό όχημα. Προς αυτή την κατεύθυνση, μελετάται και κατασκευάζεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα του οχήματος, το οποίο έχει τοπολογία παράλληλης διάταξης. Τα υποσυστήματα που το συνθέτουν είναι ένας τριφασικός ασύγχρονος ηλεκτρικός κινητήρας, μία συστοιχία ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και οι απαραίτητοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Το υβριδικό όχημα διαθέτει τη δυνατότητα επιστροφής ενέργειας κατά την επιβράδυνση, φορτίζοντας τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές (αναγεννητική πέδηση). Για την προσαρμογή του ηλεκτροκινητήριου συστήματος στο υπάρχον συμβατικό κινητήριο σύστημα του αυτοκινήτου έλαβαν χώρα ορισμένες μηχανολογικές μετατροπές και κατασκευάστηκε ένα σύστημα υδρόψυξης για τον ηλεκτροκινητήρα. Για τη ενεργειακή διαχείριση του όλου συστήματος έγινε εμπεριστατωμένη ηλεκτρολογική μελέτη. Για την τροφοδοσία του τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση (τριφασικός αντιστροφέας). Για τη λειτουργία του τριφασικού κινητήρα σε επίπεδα ονομαστικής ισχύος απαιτήθηκε η ανύψωση της συνεχούς τάσης των μπαταριών και για αυτό το λόγο έγινε σχεδιασμός, προσομοίωση και κατασκευή ενός αμφικατευθυντήριου ηλεκτρονικού μετατροπέα ανύψωσης/υποβιβασμού συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση. Ο έλεγχος της ηλεκτρικής μηχανής υλοποιείται από την μέθοδο Αμέσου Ελέγχου Ροπής (DTC), η οποία αποτελεί ένα είδος αμέσου διανυσματικού ελέγχου. Παράλληλα με αυτή τη διπλωματική εργασία, εκπονήθηκαν δύο ακόμα διπλωματικές εργασίες πάνω στο θέμα του υβριδικού οχήματος. / The present diploma thesis deals with the conversion of a conventional car to a hybrid electric vehicle (HEV). To this direction, the powertrain of the vehicle is designed and constructed, composing a parallel hybrid topology. The subsystems of the electric propulsion system are a three-phase asynchronous electric motor, an electrochemical battery pack and the necessary power electronic converters. The hybrid electric vehicle has the ability to return energy and charge the batteries during deceleration (regenerative braking). In order to adapt the electrical compounds to the existing conventional propulsion system, some mechanical modifications had to be made. Furthermore, a water cooling system was designed and constructed in order to cool the electric motor. The energy management of the electrical system is analysed. The power of the three-phase asynchronous motor is controlled by a three-phase DC to AC inverter. The operation of the motor at its nominal power requires the boost of the battery voltage level. For this reason, a bidirectional DC to DC boost / buck converter was firstly simulated to ensure its proper operation. The above power converters were designed and constructed at the laboratory. The control of the electric motor is implemented by the Direct Torque Control method (DTC), which is a kind of direct vector control. In parallel with this work, two more diploma theses were prepared on the project of the hybrid electric vehicle.