Advanced Electric Vehicle Concepts for Designing Electric Bicycles

Advanced Electric Vehicle  Concepts for Designing  Electric Bicycles Created for: IEEE, Rock River Valley Section Rockford, IL by Rakesh k Dhawan  Ele...
Author: Phebe Thomas
0 downloads 4 Views 908KB Size
Advanced Electric Vehicle  Concepts for Designing  Electric Bicycles Created for: IEEE, Rock River Valley Section Rockford, IL by Rakesh k Dhawan  Electric Motion Systems, LLC 45150 Business Court, Suite 300 Dulles, VA 20166 October 2, 2008

E+ Advantages Powerful

• •

1000 & 750 Watt Motors High top speed (30+ mph)

Versatile

• • • • •

Any terrain: on-road and off-road All electric, pedal, or both electric and pedal Simple to Operate / On demand power Range and speed variability Advanced technology & features

Reliable

• • •

Completely new designs by very experienced Team High quality components Testing, Testing, Testing

Safe

• •

Hub Motor & Hub Battery → Low center of gravity - Stable handling and riding NiMH Battery Chemistry

• • • •

9 Forward Riding Modes 9 Exercise Modes Cruise Control Virtually Silent & Vibration Free

Low Operating & Maintenance Costs

• • •

Minimal maintenance for electric drive train Standard maintenance for bike All electronics inside

Environmentally Responsible

• •

Silent, smooth, stylish Emission-free

Additional Features

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+ Technology: The Basics E+ Display Unit

E+ Rack Battery (Future)

Power

D

at a

Data

P

er ow

Data

E+ Hub Battery

E+ Hub Motor

Power

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+ Motor and Battery

Electric Motor in Rear Wheel

Rechargeable Battery in Front  Wheel

Hub HubMounted MountedBattery Batteryand andMotor, Motor,Gearless GearlessDirect Direct Drive, Low Center Gravity, High Stability, Drive, Low Center Gravity, High Stability,Silent Silent © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

+Que: User Interface E Brake Switches • In both brake levers • Enable regenerative braking

E+Que: Display / Control Unit • Safe/easy access • Vehicle controller and key • Removable / System Lock          Security

Thumb Throttle • Thumb type • Controls output torque of       motor

Twist Grip Shifter • Controls de‐railler •9 Speeds

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+ System Diagram E+ Display Unit

E+ Rack Battery (Future)

Power

D

at a

Data

P

er ow

Data

E+ Hub Battery

E+ Hub Motor

Power

The TheE+ E+is isan anIntelligent IntelligentSystem Systemthat thatTakes TakesCare Careof of Itself Itself––Riders RidersDo DoNot NotNeed Needto toWorry WorryAbout Aboutit. it. © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+QUE Technology

Integrated  •Bicycle Computer •Electric Vehicle Controller •Exercise Machine

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+ Testing for Reliability • Motor Level Testing – – – –

Continuous Power Stall Torque Heat Rise Torque‐Speed Performance

• Battery Level Testing – – – –

Over Current Short Circuit Over Temperature Discharge/Charge Performance

• System Level Testing: – Shock and Vibration – Vertical Drop – Water intrusion – battery, motor,  and display separately – Daily ride tests © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

The E+ System can really take it…

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Vehicle Characteristics

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Vertical Velocity, Vz Yaw Velocity

Forward Velocity, Vx

Lateral Velocity, Vy

Roll Velocity

Pitch Velocity

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Forward Motion Analysis Moving Direction

F

mg b

c

mgfr L

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Fx Wf

Equations Mbicycle.a = ∑ Ftraction ‐ ∑ Rfriction a = dV/dt Wkinetic = 1/2. Mbicycle.V2

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Maximum Traction Force Fxmax = μ.N μ = ƒ (tire material, tire temperature, tire  inflation pressure, tread geometry, road  roughness, road material, road conditions  etc.)

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Normal Forces Nf = Mbicycle.g. (c/L).cosθ‐ Mbicycle.a.(h/L) ‐ Mbicycle.a.(h/L).sinθ Nr = Mbicycle.g. (b/L).cosθ‐ Mbicycle.a.(h/L) +  Mbicycle.a.(h/L).sinθ

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Rolling Resistance Rx = f.Mbicycle.g f = Coefficient of rolling resistance = ƒ (tire material, tire temperature, tire inflation pressure, tread geometry, road  roughness, road material, road conditions etc.)

f = f0 + 3.24. fs. (V/224)2.5 [Stuttgart Model]

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Aerodynamic Drag Dx = 1/2.ρ.Af.Cd.V2 Af  = Vehicle Frontal Area Ρ = Shape of the Vehicle and Air Density Cd = Aerodynamic Drag Coefficient

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Grade Climbing

mg.sinθ

mg.cosθ

mg

θ

Gx = Mbicycle.g.Sin θ Wp = Mbicycle.g.z © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Acceleration Performance F1

F1>F2>F3 P1>P2>P3 W1>W2>W3

Constant Force F2

Constant Power

Force F3

W1, P1 W2, P2 W3, P3 Vbase

Speed

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Acceleration Performance • Maximum Acceleration is defined by maximum  available force in the vehicle and tire ground contact. • The vehicle is designed to be in constant force mode  followed by constant power mode. • Rated power can be reduced considerably by  minimizing the constant force region thereby  reducing size, weight, and cost. © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Equations Prated = Fmax.Vbase F = Prated/V Wkinetic = ∫Ptraction.dt

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Let us Define our Vehicle

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Vehicle Parameters Vehicle Parameters Tire diameter Vehicle Weight

English 2.17 ft= 60 lbs=

SI 0.661 27.216

m kg

Number of Passengers

1

Weight per passenger

185

lbs=

83.916

kg

Total weight

245

lbs=

111.132

kg

5.0 1.00 0.014 1

ft =

2

0.46

m

Projected area Horiz drag coefficient Rolling coefficient Number of motors

2

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Performance Requirements • Top Speed = 30 mph on a flat ground with a 185 lb  rider • Climb 20% grade at 10 mph for 2 miles • Range of 20+ miles at a speed of 15 mph on a flat  ground • 0 to 25 mph in 10 seconds © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Top Speed = 30 mph Total system efficiency

70%

Flat Road Acceleration Slope grade Angle of inclination Acceleration force Grade force Rolling force Drag force Total force = Accel + Drag + Rolling + Grade Speed Angular speed Total torque req'd. Output torque Output power Input power

0.00 0.0% 0.00 0 0 3.43 11.5

Gs

0.00

m/s2

deg lbs= lbs= lbs= lbs=

0 0 15 51.2

N= N= N= N=

0.0 0.0 1.6 5.2

kg kg kg kg

15 30.0 40.32 16 16 1.19 1.72

lbs= mph= rad/sec= ft-lb= ft-lb= hp= hp

67 48.00 385.0 22.0 22.0 0.887 1.267

N= km/h= rpm N-m N-m kW kW

7 13.3

kg m/s

360 0.28 17 8.5 13.6

Battery Energy Time Range

W hr hrs mins miles km

Battery Capacity 10 Ah Battery Voltage 36 V © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Current 35.19 A

Reserved

Grade Climb of 20% Total system efficiency Maximum climb Acceleration Slope grade Angle of inclination Acceleration force Grade force Rolling force Drag force Total force = Accel + Drag + Rolling + Grade Speed Angular speed Total torque req'd. Output torque Output power Input power

65%

0.00 20.0% 11.31 0 48.048 3.4 1.3

Gs

0.00

m/s2

deg lbs= lbs= lbs= lbs=

0 214 15 5.7

N= N= N= N=

0.0 21.8 1.5 0.6

kg kg kg kg

53 10.0 13.44 57 57 1.40 2.18

lbs= mph= rad/sec= ft-lb= ft-lb= hp= hp

234 16.0 128 77.5 77.5 1.042 1.603

N= km/h= rpm N-m N-m kW kW

24 4.4

kg m/s

Battery Energy Time Range

360 0.22 13 2.2 3.6

W hr hrs mins miles km

Ah Battery Capacity 10 Battery Voltage 36 V Current© Electric Motion Systems 2008. All Rights  45 A Reserved

Range = 20+ miles Total system efficiency Maximum climb Acceleration Slope grade Angle of inclination Acceleration force Grade force Rolling force Drag force Total force = Accel + Drag + Rolling + Grade Speed Angular speed Total torque req'd. Output torque Output power Input power

80%

0.00 0.0% 0.00 0 0 3.4 2.9

Gs

0.00

m/s2

deg lbs= lbs= lbs= lbs=

0 0 15 12.8

N= N= N= N=

0.0 0.0 1.6 1.3

kg kg kg kg

6 15.0 20.16 7 7 0.25 0.32

lbs= mph= rad/sec= ft-lb= ft-lb= hp= hp

28 24.0 193 9.3 9.3 0.187 0.234

N= km/h= rpm N-m N-m kW kW

3 6.7

kg m/s

360 1.54 92 23.1 36.9

Battery Energy Time Range

W hr hrs mins miles km

Ah Battery Capacity 10 Battery Voltage 36 V © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Current 6 A Reserved

Min Torque vs Speed Curve 100.00 90.00 80.00

Torque (N-m)

70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

rpm

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

275

300

325

350

375

400

Vehicle Performance Data Vehicle Acceleration vs Time 2.50

90.00 Drag Force (N)

Motor Torque (N-m)

Velocity (kph)

Accel (m/s^2)

80.00 2.00

70.00

1.50 50.00

40.00 1.00

A c ce lra tion (m /s

60.00

30.00

20.00

0.50

10.00

0.00

0.00 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Time (sec)

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Specifications • Vehicle: A bicycle which remains a bicycle after installation of  propulsion components. No noise is added during  operation by propulsion components

• Motor and Controller: 85Nm, 1000W, 85% Efficient, 8 kg, No Vibration, No Noise, In  the spokes of a bicycle wheel

• Battery Pack: 36V, 10AHr, NiMH, 8kg, Safe, In the spokes of a bicycle wheel

• Vehicle Controller: Bicycle computer, electric vehicle controller and exercise  computer in one. © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Challenges • A Bicycle Chassis is very light. • Motor Design – 1000W • Motor with embedded controller • 36V, 10AHr Battery Pack in a hub • Battery Pack with embedded BMS © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Motor Design

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Starting with a Clean Slate • Off the shelf motor? • Which motor technology is best suited? – Switched Reluctance Motor – Induction Motor – Brushless Permanent Magnet – Brushed DC

• What are the trade offs?

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Trade‐Offs ? SRM

IM

Brushless

Brushed DC

Vibration Free

No

Yes

Yes

Yes

Smooth Operation

No

Yes

Yes

Yes

Ease of Control

No

No

Yes

Yes

Low Maintenance

Yes

Yes

Yes

No

Constant Power Range

Yes

Yes

Yes

No

Cost

Low

Low

High

High

Efficiency

High

High

High

Low

Ease of Cooling

Low

Low

High

High

Reliability

High

High

Medium

Low

Compactness

Low

Low

High

Medium

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Motor Technology • Decisions to be made: – – – – – – – –

Geared vs. Gearless Hub vs. Chain Driven Output Power/Peak Torque Number of Magnets Number of Stator Poles Half Bridge vs. Full Bridge Sensing Scheme Location of the Motor Controller © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Motor Parameters Characteristic

Value

Unit

Torque, Peak

85

Nm

Torque, Continuous

30

Nm

Speed, Top

450

rpm

Speed, Base

125

rpm

Voltage, Bus (nom)

36

V

Rotor Diameter

0.244

m

Stack Length

0.05

m

Air Gap

1.0

mm

Weight

8.2

Kg

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Good Prior Art [2003] 7‐Phase TidalForce Motor

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Good Prior Art [2003] Example Motor Design Parameters

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example FEA Analysis

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Sources of Loss • • • • • •

Battery Internal Resistance  Core Back Iron and PM ring Bearing Resistive Inverter

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Design of Power Electronics Factors which affect the design: •Motor Phase Current •Switching Frequency •Overall System Efficiency •Half‐Bridge vs. Full‐Bridge Configuration •Input ripple current

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

What do we worry about? • • • • • • • • • • •

Winding Loss Power Input Power Output Temperature Rise Efficiency Battery Time Conduction Losses Range Duty Cycle Switching Loss Torque Produced per Amp © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example Winding Loss Plot  (Torque Vs. Motor Speed with Winding Loss in Watts)

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example Input Power Plot  (Torque Vs. Motor Speed with Input Power in Watts)

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example Output Power Plot  (Torque Vs. Motor Speed with Output Power in Watts)

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example Phase Current Plot  (Torque Vs. Motor Speed with Phase Current in Amps)

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example MOSFET Conduction Losses  Plot (Torque Vs. Motor Speed with MOSFET Conduction Loss  in Watts)

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example MOSFET Switching Losses  Plot (Torque Vs. Motor Speed with MOSFET Switching Loss in  Watts)

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example System Duty Cycle Plot  (Torque Vs. Motor Speed with Duty Cycle in %)

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Power Electronics Architecture – Comparing Half Bridge vs. Full Bridge

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Example Ripple Current Estimation Plot  for Estimating Input DC Link Capacitors

Source: Seven phase brush‐less synchronous motor with reduced inverter size, Dhawan, Soghomonian,  IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition No19, Anaheim CA , ETATS‐UNIS (22/02/2004)  

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Control Algorithm • BLDC (Trapezoidal Control) – Basic Control – Most Motors in the industry today – Chinese Kits, BionX,  Crystalyte, Giant Twist, Optibike, etc.)

• Sinusoidal PWM (Scalar Control) – Semi‐Advanced  Control • TidalForce Motor/Sparta Ion Motor (designed at Wavecrest  Laboratories)

• SVPWM (Space Vector PWM) – Most Advanced and  State of the Art Control – E+ Electric Bicycle Motor by Electric Motion Systems © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Field Weakening/Phase Advance Control  to achieve 6 to 1 Speed Advance w.r.t Base Speed

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+ Motor Technology • Brushless permanent magnet motor – No maintenance, highly reliable,  smooth operation

• Powerful: – 1000W

• No Gears: – No maintenance, no noise, highly  efficient

• ‘Inverted design’: – high torque, low inertia

• All electronics inside:  – Unique – much higher reliability  (min wires, connectors, ‘boxes’),  easy to replace if necessary

• Advanced software control: – Higher torque, speed, efficiency,  and safety

• Sealed: – Against water, dirt, sand, etc. © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+ Motor Performance • 80Nm Torque – Extremely high – Fast acceleration – Great hill climbing ability

• 1000W max power – High Top speed

• High peak efficiency – 82% Efficiency

• 8.2kg (18lbs) – Very High torque/power density

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Battery Technology

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Battery Decisions • Battery Types – Lead Acid – NiMH – Li Ion – NiCd etc.

• Cell Shapes – D Cells – C Cells – Rectangular shapes etc. © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Pack Design Considerations • • • • • • • • • •

Chemistry Weight Safety Power Density Operational Behavior Serviceability Maintenance Requirements Longevity Cost Load Characteristics etc. © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Battery Management System • Regulate Charge • Regulate Discharge • Protect Cells against  – Short Circuit – Over Temperature – Under Voltage

• Record Data to understand usage and behavior • Allow more than one pack to be connected in  parallel © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

NiMH Battery Efficiency

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Source www.batteryuniversity.com

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+ Battery Technology • 30 NiMH 10 Ahr D‐cells: – Safe technology

• 5‐cell modules: – Unique ‐ Battery can be  easily refurbished

• All electronics inside: – Much higher reliability (min  wires, connectors, ‘boxes’),  easy to replace if necessary

• Advanced Battery  Management System: – Uses battery to max safe  limits, Protects from over  discharge & abuse,  Maximizes battery life

• ~ 500 charge cycles – 80% of original capacity  remaining

• Sealed: – Against water, dirt, sand

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Vehicle Controller

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+QUE Technology

Integrated  •Bicycle Computer •Electric Vehicle Controller •Exercise Machine

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

E+Que: Display Technology • Vehicle Controller and Key – Removing display disables system

• 19 different drive modes – 9 Power Modes, 9 Regen Modes, Neutral

• • • • •

Security Mode Cruise Control Speedometer Battery State of Charge Other Vehicle Data:  – Odometer, Trip Odometer, Trip Timer,  Battery Power (+/‐), Average Speed, Max  Speed, etc.

• LED Backlight – for night riding

• Sealed: – Against water, dirt, sand, etc. © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Inside E+ Que LCD

•Plastic Housing PCB

LCD Lens

Push Buttons

Waterproof Connectors Plastic Cover Waterproof Design © Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved

Questions

Email: [email protected] Phone: Toll Free (877) 624‐5339

© Electric Motion Systems 2008. All Rights  Reserved