Optimum power-weight ratio for dual 3-Phase induction motor drives for regenerative power maximization

• Autorzy: Prakobsant Aran , Prastiyanto Dhidik , Photong Chonlatee

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.07.51

Warianty tytułu

PL

Optymalny stosunek mocy do masy dla podwójnych 3-fazowych napędów silników indukcyjnych w celu maksymalizacji mocy regeneracyjnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Dual electric motor drives inherently provide easier torque control, better acceleration, and robust handling. However, they have some drawbacks related to high weight, cost and complexity, which would need more research to eliminate these issues. This paper proposes the development of analytical and practical models to determine the optimum power-weight ratio for electric motors used in the dual motor drive systems in order to achieve maximum regenerative power generation during braking. The case studies of commonly used 3-phase induction motors for electric automotive applications were observed with the operating power rate in the range between 0.18 – 375 kW. The specifications of the motors of 3 manufacturers: General Electric, Siemens, and ABB, were used for the model development and analysis. The analytical results showed that the maximum regenerative power could be achieved only when two electric motors were identical with the same power-weight ratio. Although using the same rated power of the motors, different manufacturers provided significantly different amounts of maximum regenerative power. Lighter power load rating of the motors trended to generate higher regenerative braking power reflected by the regenerative power of 138.2-226.9 kW (36.9-60.5%) at high load of 375 kW, 78.5-128.3 kW (41.9-68.4%) at medium load of 187.5 kW and 18.9-31.5 kW (50.4-84.0%) at light load of 37.5kW. Low RPM speed motors trended to generate higher regenerative power than high RPM speed motors, reflected by the generated power of 26.4-226.9 kW for 1,000RPM compared to 18.9-209.2 kW and 17.9-210.7 of 1,500 RPM and 3,000 RPM. The power-weight ratio (kW/kg) lower than approximately 0.08 provided almost linear increasing in of maximum regenerative power proportional to the increasing rate of power-weight ratio. In turn, the regenerative power could be generated exponentially for power-weight ratio became over 0.08 – 0.12 dependent on RPM speed specification and fabrication technology of each manufacturer. These results could be the critical parameters for the optimum design for the electric automotive applications based dual motor drive approach.

PL

Podwójne napędy silników elektrycznych z natury zapewniają łatwiejszą kontrolę momentu obrotowego, lepsze przyspieszenie i niezawodne prowadzenie. Mają jednak pewne wady związane z dużą wagą, kosztem i złożonością, co wymagałoby dalszych badań w celu wyeliminowania tych problemów. W artykule zaproponowano opracowanie modeli analitycznych i praktycznych w celu określenia optymalnego stosunku mocy do masy silników elektrycznych stosowanych w dwusilnikowych układach napędowych, w celu uzyskania maksymalnej generacji mocy regeneracyjnej podczas hamowania. Zaobserwowano studia przypadków powszechnie stosowanych 3-fazowych silników indukcyjnych do elektrycznych zastosowań motoryzacyjnych o mocy roboczej w zakresie 0,18 – 375 kW. Do opracowania i analizy modelu wykorzystano specyfikacje silników 3 producentów: General Electric, Siemens i ABB. Wyniki analiz wykazały, że maksymalną moc regeneracyjną można było uzyskać tylko wtedy, gdy dwa silniki elektryczne były identyczne i miały ten sam stosunek mocy do masy. Pomimo stosowania tej samej mocy znamionowej silników, różni producenci zapewniali znacząco różną wielkość maksymalnej mocy regeneracyjnej. Mniejsza moc znamionowa silników wykazywała tendencję do generowania wyższej mocy hamowania regeneracyjnego odzwierciedlonej przez moc regeneracyjną 138,2–226,9 kW (36,9–60,5%) przy dużym obciążeniu 375 kW, 78,5–128,3 kW (41,9–68,4%) przy średnim obciążeniu 187,5 kW i 18,9-31,5 kW (50,4-84,0%) przy lekkim obciążeniu 37,5 kW. Silniki o niskich obrotach generują wyższą moc regeneracyjną niż silniki o wysokich obrotach, co znajduje odzwierciedlenie w generowanej mocy 26,4–226,9 kW przy 1000 obr./min w porównaniu z 18,9–209,2 kW i 17,9–210,7 przy 1500 obr./min i 3000 obr./min. Stosunek mocy do masy (kW/kg) niższy od około 0,08 zapewniał niemal liniowy wzrost maksymalnej mocy regeneracyjnej proporcjonalnie do tempa wzrostu stosunku mocy do masy. Z kolei moc regeneracyjna generowana wykładniczo dla stosunku mocy do masy przekraczała 0,08 – 0,12, w zależności od specyfikacji prędkości obrotowej i technologii produkcji każdego producenta. Wyniki te mogą stanowić krytyczne parametry dla optymalnego projektu podejścia z podwójnym napędem silnikowym do zastosowań w motoryzacji elektrycznej.

Słowa kluczowe

EN

power to weight ratio; motor weight; dual motor drive; regenerative power; regenerative braking; electric vehicle

PL

stosunek mocy do masy; masa silnika; napęd dwusilnikowy; moc regeneracyjna; hamowanie regeneracyjne; pojazd elektryczny

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 7
• Strony: 260--266
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Prakobsant Aran

• Faculty of Engineering, Mahasarakham University, Thailand

autor

Prastiyanto Dhidik

• Department of Electrical Engineering, Universitas Negeri Semarang, Indonesia

autor

Photong Chonlatee

• Faculty of Engineering, Mahasarakham University, Thailand

Bibliografia

• [1] Z. Wang, J. Zhou, and G. Rizzoni, “A review of architectures and control strategies of dual-motor coupling powertrain systems for battery electric vehicles,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 162, p. 112455, Jul. 2022.
• [2] J. Ruan and Q. Song, “A Novel Dual-Motor Two-Speed Direct Drive Battery Electric Vehicle Drivetrain,” IEEE Access, vol. 7, pp. 54330–54342, 2019.
• [3] S. Tseng, C. Tseng, T. Liu, and J. Chen, “Wide-range adjustable speed control method for dual-motor drive systems,” IET Electric Power Applications, vol. 9, no. 2, pp. 107–116, Feb. 2015.
• [4] C. T. P. Nguyen, B.-H. Nguyễn, J. P. F. Trovão, and M. C. Ta, “Optimal drivetrain design methodology for enhancing dynamic and energy performances of dual-motor electric vehicles,” Energy Conversion and Management, vol. 252, p. 115054, Jan. 2022.
• [5] M. Hu, J. Zeng, S. Xu, C. Fu, and D. Qin, “Efficiency Study of a Dual-Motor Coupling EV Powertrain,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 64, no. 6, pp. 2252–2260, Jun. 2015.
• [6] H. M. Hasanien, A. S. Abd-Rabou, and S. M. Sakr, “Design Optimization of Transverse Flux Linear Motor for Weight Reduction and Performance Improvement Using Response Surface Methodology and Genetic Algorithms,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 25, no. 3, pp. 598 605, Sep. 2010.
• [7] T. Takahashi, M. Takemoto, S. Ogasawara, W. Hino, and K. Takezaki, “Size and Weight Reduction of an In-Wheel Axial Gap Motor Using Ferrite Permanent Magnets for Electric Commuter Cars,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 53, no. 4, pp. 3927–3935, Jul. 2017.
• [8] H. M. Hasanien, “Particle Swarm Design Optimization of Transverse Flux Linear Motor for Weight Reduction and Improvement of Thrust Force,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 9, pp. 4048–4056, Sep. 2011.
• [9] G. V. Cvetkovski and L. B. Petkovska, “Weight reduction of permanent magnet disc motor for electric vehicle using genetic algorithm optimal design procedure,” IEEE EUROCON 2009, May 2009.
• [10] D. F. de Souza, F. A. M. Salotti, I. L. Sauer, H. Tatizawa, A. T. de Almeida, and A. G. Kanashiro, “A Performance Evaluation of Three-Phase Induction Electric Motors between 1945 and 2020,” Energies, vol. 15, no. 6, p. 2002, Mar. 2022.
• [11] P. Panmuang, T. Thongsan, N. Suwapaet, J. Laohavanich, and C. Photong, “A novel dual motor drive system for three wheel electric vehicles,” AIP Conference Proceedings, 2018.
• [12] W. Ngernbath, “A Novel Simplified Model of Dual Motor Belt Drive for Modern Motorcycles and Low Speed Electric Vehicles,” PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, vol. 1, no. 3, pp. 286–290, Mar. 2023.
• [13] N. Nasathit, M. A. B. Salim, and C. Photong, “Design and Development of Electric Tractor using Simple Remote Control,” Engineering Access, vol.8, no. 1, pp.112-122, 2022.
• [14] Q. An, J. Liu, Z. Peng, L. Sun, and L. Sun, “Dual-Space Vector Control of Open-End Winding Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Fed by Dual Inverter,” IEEE Transactions on Power Electronics, pp. 1–1, 2016.
• [15] L. R. Ramelan, E. Firmansyah, T.-H. Liu, S.-K. Tseng, and J. W. Hsu, “An improved maximum efficiency control for dual motor drive systems,” 2014 6th International Conference on Information Technology and Electrical Engineering (ICITEE), Oct. 2014.
• [16] A. Mousaei and H. Peng, “A new control method for the steadiness of electric vehicles with 2-motor in rear and front wheels,” International Journal of Emerging Electric Power Systems, vol. 0, no. 0, Jul. 2023.
• [17] J. Larminie and J. Lowrm, “Electric Vehicle Technologm EPplained,” Jul. 2012, doi: 10.1002/9781118361146.
• [18] https://www.wolong electric.com/upload/2019/04/16/155542288990271a7ao.pdf [Accessed: 1 June 2023].
• [19] http://www.gotrading.co.th/uploadfile/catalogue/ 20200323Mk0EPIeK.pdf [Accessed: 1 June 2023].
• [20] ABB_9AKK105789 EN 06-2018 General Perf.pdf [Accessed: 1 June 2023]
• [21] Y. Sebsadji, S. Glaser, S. Mammar and J. Dakhlallah, "Road Slope and Vehicle Dynamics Estimation," 2008 American Control Conference, Seattle, WA, USA, 2008, pp. 4603-4608, doi: 10.1109/ACC.2008.4587221.
• [22] https://www.qld.gov.au/transport/safety/road-safety/driving safely/stopping-distances [Accessed: 1 June 2023].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).