Les politiques de réduction de production de CO2 dans les transports et les progrès techniques, comme l’augmentation des capacités des batteries des voitures électriques, ont ouvert de nouvelles perspectives pour la voiture électrique. De plus, les institutions publiques et groupes privés se sont engagés pour inciter et accompagner du déploiement de la voiture électrique. Malgré ce contexte propice, celui-ci peine à dépasser la barre de 1,07% de part de marché des véhicules légers en France. Cette thèse prend le parti d’étudier le sujet du déploiement de la voiture électrique par les entrées « Usage» et « Innovation ». Autrement dit, comment le processus de la construction de l’usage peut-il dialoguer avec le processus d’innovation ? Après avoir éclairé le contexte de l’usager de la voiture par une représentation de son écosystème, nous proposons une méthodologie (RUI) qui sera en capacité de capter, capitaliser et évaluer les trois connaissances (les Représentations (R) -avant usage-, les Utilisations (U) -pendant usage- et les Instrumentalisations (I) -usage sur le long terme-) constitutives de la construction de l’usage chez un individu. L’analyse de ces connaissances permettra de préciser les freins et leviers à l’émergence de la voiture électrique et les conditions dans lesquelles ils agissent. Elle permettra aussi d’identifier les acteurs concernés par les blocages à l’usage de la voiture électrique. Ainsi, nous proposons les éléments constitutifs à l’élaboration de scénarios du déploiement de la voiture électrique sur le territoire du Sillon Lorrain / Reducing CO2 production policies in transport and technical progress, such as electric-car batteries increase in capacity, have opened up new prospects for electric-car. Furthermore, public institutions and private groups have engaged in encouraging and accompanying electric-car deployment. Despite this favourable context for the electric vehicle development, electric-car does not exceed 1.07% of the market share of vehicles in France. This thesis studies the subject of the electric-car deployment by Usage and Innovation inputs. In other words, how the constructing use process could dialogue with the innovation process? We have formalized car’s user context by an ecosystemic representation. Then, we propose a methodology (RUI) which will be able to capture, capitalize and evaluate the three knowledges Representations (R) -before use-, Uses (U) -during use- and Instrumentalizations (I) - long-term use- constitutive of an indidividual use construction. Knowledge analysis will identify brakes and levers of electric-car emergence and conditions within they operate. It permits also to identify actors concerned by the identified use blockages. Thus, we offer the elements to develop electric-car deployment scenarios in the Sillon Lorrain territory

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 παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την υλοποίηση της διάταξης φόρτισης συσσωρευτών ενός μικρού ηλεκτροκίνητου οχήματος. Αυτή η διάταξη έχει ονομαστική ισχύ 1kW και αποτελεί το μέσο που συνδέει τους συσσωρευτές με το δίκτυο παροχής ενέργειας. Η εκπόνηση της εργασίας πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η υλοποίηση ενός φορτιστή ο οποίος πρέπει να έχει υψηλό βαθμό απόδοσης και ταυτόχρονα να προσφέρει ασφάλεια στο χρήστη. Ωστόσο, βασική επιδίωξη είναι να μην επιβαρύνει το δίκτυο με την έγχυση ανώτερων αρμονικών. Έτσι, στη σχεδίαση συμπεριλαμβάνεται η εφαρμογή τεχνικής Διόρθωσης του Συντελεστή Ισχύος (Power Factor Correction). Χρησιμοποιείται ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος τύπου Flyback (υποβιβασμού-ανύψωσης) με ενεργό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων (Snubber) και μετασχηματιστή απομόνωσης. Αρχικά, παρουσιάζονται τα οφέλη της ηλεκτροκίνησης. Κατόπιν, πραγματοποιείται η θεωρητική ανάλυση και μελέτη της βαθμίδας φόρτισης, για κατανόηση και επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας της διάταξης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδιασμού του φορτιστή. Έτσι, καθορίζονται οι προδιαγραφές και τα χαρακτηριστικά του, ο οποίος πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για τους συσσωρευτές του ηλεκτρικού οχήματος «Buggy» του Εργαστηρίου. Το επόμενο βήμα αποτελεί η προσομοίωση της υπό μελέτη διάταξης στο λογισμικό προσομοίωσης κυκλωμάτων Simulink του Matlab. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης που προηγήθηκε. Τέλος, παρουσιάζεται το πρακτικό σκέλος της εργασίας, που εκπονήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος «Πρακτικής Άσκησης Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών», στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις της εταιρίας APTRONIC HELLAS, η οποία εξειδικεύεται στην παροχή προσαρμοσμένων λύσεων στα ηλεκτρονικά ισχύος. Πέρα από την εξοικείωση με το εργασιακό περιβάλλον, πραγματοποιήθηκε το σχηματικό και το τυπωμένο κύκλωμα του φορτιστή στο λογισμικό Zuken Cadstar. / The present diploma thesis deals with the design and implementation of a charger which is used for the batteries of a small electric vehicle. This device has nominal power of 1kW and is the medium that connects the batteries to the power grid. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical Engineering and Computer Science of the Polytechnic School in the University of Patras. The objective is to implement a charger which has high efficiency and simultaneously provides safety to the user. However, it is crucial not to overload the network by injecting higher harmonics. Thus, the design included the application of a Power Factor Correction Technique. The Power Electronic Converter which is used is a Flyback Topology (Buck-Boost Converter). Moreover, it disposes of an active surge suppression circuit (Snubber) and isolation transformer. Initially, the benefits of electrification are analysed. Then, the theoretical analysis of this device is provided so that its proper function is guaranteed. In addition, the design process of the charger is presented in detail. Consequently, all the specifications and features for the charger, which will be used for the batteries of the electric vehicle «Buggy» of the Laboratory, are determined. The next step in this thesis is the simulation of the device with Simulink of Matlab. In this way, the theoretical analysis is confirmed. Finally, the practical part of the work is presented. It was carried out during an Internship in APTRONIC HELLAS (a Phoenix Contact Company). Many projects are conducted at the industrial facilities of this company, which specializes in providing solutions in Power Electronics. Besides work experience, a schematic and a printed circuit for the charger was designed in Zuken Cadstar.

Les véhicules électriques présentent désormais une alternative crédible aux véhicules équipés demoteurs à combustion interne. Ils sont plus propres et plus confortables à l’utilisation. La gestion del’énergie d’un véhicule électrique est actuellement focalisée sur le fonctionnement du moteur, principalconsommateur d’énergie, sans tenir compte du confort de l’utilisateur.Le travail présenté dans cette thèse intègre la prise en compte des préférences utilisateur au seinde la gestion de l’énergie des véhicules électriques. La contribution est réalisée par un canevas logicielnommé ORQA. Dans un premier temps, les organes du véhicule sont caractérisés par leurs besoinsénergétiques et par les niveaux de qualité de service qu’ils proposent. Un gestionnaire d’énergie estensuite intégré au système logiciel du véhicule. Il se base sur les caractéristiques des organes et propose àl’utilisateur une solution de configuration de trajet prenant en compte ses préférences d’utilisation ainsique d’éventuelles contraintes de temps et d’énergie. Cette solution définit des contraintes d’utilisationsur le moteur et les organes de confort lors du déroulement du trajet.Le gestionnaire d’énergie est exécuté au sein des systèmes embarqués du véhicule dont les platesformessont fortement contraintes. Pour satisfaire celles-ci, il est primordial de proposer une configurationefficace du gestionnaire d’énergie. L’intérêt et la validité de l’approche employée sont démontrésau travers de la comparaison entre la configuration originelle et une configuration optimisée sur deuxvéhicules exemples. / Electric vehicles are nowadays a viable alternative to vehicles built around an internal combustionengine. They offer a cleaner and more comfortable driving thanks to the electric engine. The energymanagement of an electric vehicle is usually focused on the engine operation, the biggest energyconsumer, thus ignoring the user comfort.The contribution presented in this thesis allows for the consideration of the user preferences insidethe energy management of electric vehicles. It takes shape with a framework named ORQA. First,the vehicle devices are characterised by their energy requirements and the quality levels they offer.An energy manager based on the devices characteristics is then integrated into the software systemof the vehicle. The manager offers the user a solution to configure a trip request. The configuration isbased on the usage preferences and optional constraints over duration and consumption. The solutiondefines a set of constraints on the motor and on the comfort-related devices during the trip execution.The energy manager is executed in the embedded systems of the vehicle which platforms are highlyconstrained. Thus, the energy manager’s implementation is optimised to satisfy the execution platformconstraints. The interest and the validity of the chosen approach are attested by the comparison ofthe original configuration and an optimised configuration on two example vehicles.

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 παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή διάταξης φόρτισης του κινητήρα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός αμφίδρομου ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, που θα ελέγχει μια μηχανή συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, η οποία συνδέεται μέσω ενός συστήματος μετάδοσης με τον κινητήρα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Απώτερος στόχος είναι η εξομοίωση όλων των πιθανών φορτίων που ασκούνται σε έναν κινητήρα κατά την κίνηση του οχήματος. Αρχικά αναλύεται το φορτίου του κινητήρα κατά την κίνηση του οχήματος και αναζητούνται τρόποι για την εξομοίωση και τη σύνδεση των εξωτερικών δυνάμεων που ασκούνται στο όχημα με τη ροπή της μηχανής. Στη συνέχεια αναλύθηκε ο αμφίδρομος ηλεκτρονικός μετατροπέας που χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο της μηχανής συνεχούς ρεύματος και αναζητήθηκαν οι κατάλληλες μέθοδοι για τον έλεγχο του συγκεκριμένου μετατροπέα. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση του συνολικού συστήματος φόρτισης προκειμένου να εξακρθωθεί η ορθή λειτουργία του πριν την κατασκευή, με χρήση του λογισμικού MATLAB/SIMULINK. Τέλος, μελετάται και κατασκευάζεται στο εργαστήριο η πειραματική διάταξη, με τη χρήση της οποίας διεξάγονται οι μετρήσεις για την επιβεβαίωση και την αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης. / This thesis discusses the design and manufacture of a charging device intended for an electric vehicle motor. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The main purpose of this thesis is to manufacture a bidirectional electronic power converter able to control a DC motor which is connected with the engine of an electric vehicle via a transmission system. The ultimate goal is to simulate all possible loads exerted on a motor during the vehicle movement. Initially we analyze the load on the engine during vehicle movement and seek ways to simulate and combine the external forces acting on the vehicle with the engine torque. In the sequel the bidirectional electronic power converter used to control the DC motor is analyzed and appropriate control methods are investigated. The next step is to simulate and validate the overall system functionality using MATLAB / SIMULINK, before actually proceeding with the manufacture. Finally, an experimental setup is prepared in our lab, the results of which are utilized to confirm and evaluate the aforementioned theoretical study.

Cette thèse propose une nouvelle structure de machine à courant continu pouvant être utilisée dans une application démarreur Stop-Start automobile. Une structure tridimensionnelle à griffes est proposée pour remplacer le stator à plots actuel dans le but de réduire son coût de fabrication. La structure de la machine à griffes est modélisée par un réseau de réluctances permettant la prise en compte de la saturation et de la réaction magnétique d'induit. Grâce à sa rapidité et précision, ce modèle est ensuite intégré dans un processus d’optimisation afin d'obtenir rapidement une machine optimale. Enfin, un prototype de machine à courant continu à griffes est réalisé, montrant ainsi la faisabilité de cette topologie. Par ailleurs, un modèle original combinant réseaux de réluctances et résolution de l'équation de Laplace a été développé pour lever certaines difficultés liées à la modélisation par réseau de réluctances des machines électriques tout en prenant en compte la rotation / This thesis deals with a new DC machine structure that can be used in an automotive Stop-Start starter application. A three-dimensional claw pole stator is proposed to replace the current stator in order to reduce its manufacturing cost. The claw pole machine topology is modeled by a reluctance network to take into account the saturation and the magnetic armature reaction. Thanks to its speed and precision, this model is then integrated in an optimization process to obtain an optimal machine. Finally, a prototype of a machine with DC claws is manufactured to show the feasibility of this topology. Moreover, an original model combining reluctance networks and solving the Laplace equation has been developed to overtake some difficulties related to modeling by reluctance network of electrical machines while taking into account the rotation

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη των βασικών τμημάτων που απαρτίζουν ένα ηλεκτρικό όχημα, με άμεσο στόχο τη μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση ενέργειας. Προς την κατεύθυνση αυτή μελετάται αρχικά η βαθμίδα φόρτισης των συσσωρευτών. Παρουσιάζονται οι προδιαγραφές και προτείνεται ως βέλτιστη τοπολογία αυτή του Flyback η οποία αντιμετωπίζει λειτουργικές δυσκολίες. Έτσι προτείνεται μια ειδική μεθοδολογία σχεδιασμού βασιζόμενη στην επιλογή του λόγου του Μ/Τ. Επίσης προτείνεται ένα νέο κύκλωμα καταστολής των υπερτάσεων λόγω σκέδασης. Η αποτελεσματική λειτουργία επιβεβαιώνεται μέσω εξομοιώσεων και πειραματικών δοκιμών. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται ένα νέο κύκλωμα τροφοδοσίας. Πρόκειται για μετατροπέα μονής βαθμίδας με ένα τρανζίστορ κα αποτελεσματική καταστολή υπερτάσεων. Παράλληλα πραγματοποιεί βελτίωση του συντελεστή ισχύος του κυκλώματος. Στο τρίτο μέρος μελετάται το κινητήριο σύστημα και προτείνεται μια μέθοδος ελέγχου της μαγνητικής ροής και του λόγου μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων ώστε να επιτυγχάνεται η ελάχιστη δυνατή ενεργειακή κατανάλωση του οχήματος. Τα αποτελέσματα εξομοίωσης επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου. / Basic aim of the present work is the analytical study of the basic part of an EV, in order to be obtained a good energy saving. For this purpose the charging unit of an EV is studied. The specifications which must fulfill this device are exhibited and the Flyback topology is suggested as the optimal. However it appears some important problems. For this purpose, a new strategy of design based on the transformer.

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.