Skip to main content
SUPERVISOR
سیدمرتضی سقائیان نژاداصفهانی (استاد راهنما) احمد سوهان کا راصفهانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Sayed Reza Rahnamaei
سیدرضا ره نمائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Thermal Analysis of Switched Reluctance Motors Connected to an Integrated Battery Charger Used in Electrical Vehicles
Due to increase greenhouse gases and limitation of fossil fuels, electrical vehicles becoming more important. According to research, the number of cars will double in 2050 compared to 2015, which emphasizes the importance of electrical vehicles. Battery and battery chargers are the most important parts in an electrical vehicle. Considering limitations and high costs of using battery charging stations, there are two choices in front of electrical vehicle manufacturers that can be use the battery charger separately in the car or use the integrated battery charger structure with electrical machine and drive. The use of the integrated structure means the winding use as large inductors and drive’s switches use as battery charger’s switches. The integrated battery charging structure, reducing costs, also reducing weight and occupied volume of the electrical vehicle. The SRM, due to simplicity of the structure, cost of production and maintenance, lack of winding and magnet in the rotor, and wide range of speed at constant power, make suitable options for using this electrical machine in electrical vehicles. On the other hand, to charge the battery pack of the electrical vehicle when it stopped at the garage, using winding as a large inductor of the battery charger and multi-phase excitation causes some restrictions. One of these limitations is movement of the rotor during battery charging, which increases control instrument and mechanical devices such as clutches or brakes. It also increases temperature of the winding and makes lower the electrical machine life. Because of the inductance variations in each phases at different rotor position and effect of mutual inductance due to the multi-phase excitation, zero torque control is important for fixing the rotor angle. After selecting charge current of the battery and identifying the position of the rotor by the control system, based on the zero torque condition, can chose current excitation of each phase by the control instrument. In this structure, winding’s temperature increase due to the multi-phase excitation, it is possible to exceed the permissible temperature of insulation and reduce electrical machine life. Therefore, presence of the system that monitoring the temperature of the winding is important. In this dissertation, a model is developed analytically to monitor the instantaneous increase of temperature while charging the battery in the integrated battery charger and for reducing the volume and time of the calculations, proposed a reduced order model, this model provides the ability to estimate the winding’s temperature in different charge level of the battery when it requires faster charging. For this proposition, using the finite element method and MAXWELL software, electromagnetic analyzes are performed in the field of loss calculation and zero torque and also temperature of the winding in steady state by ANSYS software and its transient by the proposed analytical method and type of reduction Its order is calculated in MATLAB . In order to investigate accuracy of the proposed analytical model and its reduced order model, the temperature obtained from model estimation with experimental results is compared. In the following, ohmic loss reduction method is also investigated by maintaining zero torque and with normal zero torque control is compared the temperature of the winding. Also, due to the possibility of interleaved in the converter, the reduction of the ripple battery’s current is also examined and at the end general algorithm for charging the battery with thermal limitation in winding is presented. Keywords: 1-Switched Reluctance machine, 2-Ohmic Loss, 3-Thermal Analysis, 4-Electrical Vehicle, 5-Integrated Battery Charger.
با توجه به افزایش گازهای گلخانه‌ای و همچنین محدودیت در تأمین سوخت‌های فسیلی، خودروهای الکتریکی از جایگاه ویژه‌ای برخوردار هستند، بر اساس تحقیقات شرکت خودروسازی تسلا، تعداد خودروها در سال 2050 میلادی نسبت به سال 2015 میلادی دو برابر می‌شوند، که این موضوع اهمیت خودروهای الکتریکی را گوش زد می‌کند، از طرفی باتری و باتری شارژرها از مهم‌ترین بخش‌های یک خودروی الکتریکی هستند. با در نظر داشتن محدودیت‌ها و هزینه‌های اعمالی از طرف ایستگاه‌های شارژ باتری، دو انتخاب پیش روی تولیدکنندگان خودروهای الکتریکی قرار دارد که می‌توان به استفاده از ساختار باتری شارژر به صورت مجزا در خودرو و یا ساختار باتری شارژر مجتمع شده با موتور و درایو اشاره کرد. استفاده از ساختار مجتمع به این معنا است که سیم پیچ موتور به عنوان سلف‌های بزرگ و ادوات نیمه هادی درایو به عنوان ادوات مورد نیاز باتری شارژر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساختار باتری شارژر مجتمع علاوه بر کاهش هزینه، در کاهش حجم و وزن خودروی الکتریکی نیز مؤثر است. موتور سوئیچ رلکتانس به دلیل سادگی ساختار، هزینه تولید و نگهداری کم، عدم استفاده از سیم پیچ و مگنت در روتور و محدوده وسیع سرعت در توان ثابت از گزینه‌های مناسب جهت استفاده در خودروهای الکتریکی است. از طرفی برای شارژ بسته باتری خودروی الکتریکی متوقف شده در پارکینگ خانه، استفاده از سیم پیچ موتور به عنوان سلف‌های بزرگ باتری شارژر و تحریک همزمان فازها موجب محدودیت‌هایی می‌شود. یکی از این محدودیت‌ها حرکت روتور در حین شارژ باتری است که این موضوع باعث افزایش ادوات کنترلی و مکانیکی مانند کلاچ و یا ترمز می‌گردد. همچنین افزایش دمای سیم پیچ و حتی کاهش عمر موتور را به دنبال دارد، به دلیل تغییرات اندوکتانس فازهای موتور در هر موقعیت زاویه‌ای روتور و همچنین نمایان شدن اندوکتانس متقابل به دلیل تحریک چندگانه فازها، کنترل گشتاور صفر برای ثابت نگهداشتن روتور از اهمیت بالایی برخوردار است، به این صورت که بعد از انتخاب جریان شارژ باتری و شناسایی موقعیت روتور توسط سیستم کنترلی، بر اساس شرط گشتاور صفر، جریان هر فاز به موتور اعمال می‌شود. در این ساختار به دلیل استفاده از سیم پیچ‌های موتور و افزایش دمای آن‌ به سبب عبور جریان پیوسته در فازها امکان تجاوز از دمای مجاز عایق‌ها و کاهش طول عمر موتور وجود دارد، پس حضور سیستم ناظر بر افزایش دمای سیم پیچ موتور در این مسیر از اهمیت بالایی برخوردار است، در این پایان نامه مدلی به صورت تحلیلی، جهت نظارت لحظه‌ای افزایش دما در حین شارژ باتری در ساختار باتری شارژر مجتمع پیشنهاد و برای کاهش حجم و زمان محاسبات، مدل کاهش مرتبه یافته‌ای نیز ارائه می‌شود، این مدل، امکان تخمین دمای سیم پیچ در شرایط تغییر سطح شارژ باتری در مواقعی که احتیاج به سریع‌تر شدن زمان شارژ باتری است را فراهم می‌سازد. برای این منظور به کمک روش المان محدود و نرم افزار ماکسول تحلیل‌های الکترومغناطیسی در زمینه محاسبه تلفات و برقراری گشتاور صفر انجام می‌گردد، همچنین دمای سیم پیچ موتور به صورت حالت دائم توسط نرم افزار انسیس و حالت گذرای آن به کمک روش تحلیلی پیشنهادی و نوع کاهش مرتبه یافته آن در نرم افزار متلب محاسبه می‌شود. جهت بررسی دقت مدل تحلیلی پیشنهادی و مدل کاهش مرتبه یافته آن، دمای حاصل شده از تخمین مدل با نتایج آزمایشگاهی مورد بررسی و مقایسه قرار می‌گیرد. در ادامه روش کاهش تلفات اهمی با حفظ گشتاور صفر نیز بررسی و با حالت عادی کنترل گشتاور صفر از منظر تلفات و تغییرات دمای سیم پیچ مقایسه می‌شود، همچنین به دلیل امکان چندفازه شدن مبدل، کاهش ریپل جریان شارژ باتری نیز مورد بررسی قرار گرفته و در انتها الگوریتم کلی جهت شارژ باتری با نگاه محدودیت حرارتی ارائه می‌شود. کلمات کلیدی : 1- موتور سوئیچ رلکتانس، 2- تلفات اهمی، 3- تحلیل حرارتی، 4- خودروی الکتریکی، 5- باتری شارژر مجتمع.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی