ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014 Zdzisław Chłopek 1, Jakub Lasocki 2 BADANIA ZUŻYCIA ENERGII PRZEZ SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY W WARUNKACH RUCHU W MIEŚCIE 1. Wprowadzenie Pojazdy z napędem elektrycznym zyskują w ostatnich latach coraz większą popularność w motoryzacji. Obecnie większość czołowych producentów samochodów na świecie ma już w swojej ofercie przynajmniej jeden pojazd zasilany energią elektryczną, inni pracują nad jego wprowadzeniem na rynek. I choć samochody elektryczne w skali globalnej nie stanowią na razie realnej konkurencji dla samochodów napędzanych silnikami spalinowymi, w najbliższej przyszłości można spodziewać się dalszego ich dynamicznego rozwoju [1, 2]. Uzasadnienia rosnącego zainteresowania pojazdami elektrycznymi należy szukać przede wszystkim w kwestiach związanych z ochroną środowiska przed negatywnym oddziaływaniem motoryzacji [3 5]. Niewątpliwie jednym z najważniejszych problemów współczesnej motoryzacji jest zanieczyszczenie powietrza substancjami szkodliwymi dla zdrowia ludzi [6 9]. Szczególnie niekorzystna sytuacja panuje w wielkich miastach, w których duża intensywność ruchu pojazdów, w połączeniu z trudnymi warunkami rozpraszania zanieczyszczeń, skutkuje częstymi przekroczeniami dopuszczalnych poziomów stężenia niektórych substancji toksycznych w powietrzu (np. cząstek stałych, tlenków azotu) [8]. Innym istotnym problemem, związanym z motoryzacją, jest wyczerpywanie się nieodnawialnych zasobów surowców naturalnych, zwłaszcza tych wykorzystywanych do wytwarzania paliw silnikowych [6, 9]. Rozwiązania powyższych problemów upatruje się w zastosowaniu w pojazdach samochodowych napędów elektrycznych, gdyż pozwalają one na wyeliminowanie silnika spalinowego, emitującego zanieczyszczenia, oraz nie wymagają zasilania paliwem [3 5]. W rzeczywistości ocena ekologiczna samochodów elektrycznych zwłaszcza w celu porównania ich z klasycznymi rozwiązaniami motoryzacyjnymi jest bardzo złożonym zagadnieniem i wymaga rozważenia wielu czynników występujących poza etapem eksploatacji pojazdu. W przypadku samochodów elektrycznych obciążenie środowiska jest bowiem w znacznej mierze przeniesione na etap wytwarzania energii elektrycznej [10], która w Polsce powstaje głównie w procesie spalania węgla kamiennego i brunatnego. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że zastosowanie pojazdów elektrycznych umożliwia przesunięcie źródeł emisji zanieczyszczeń z obszarów największego zagrożenia centrów miast do miejsc położenia elektrowni [10, 11]. Istotnym zagadnieniem w zakresie eksploatacji samochodów elektrycznych jest ocena zużycia energii [11]. W badaniach homologacyjnych w Unii Europejskiej zużycie energii przez samochody elektryczne jest wyznaczane zgodnie z procedurą opisaną 1 Prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów. 2 Mgr inż. Jakub Lasocki, doktorant, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów. 33

2 w Regulaminie EKG ONZ nr 101. Pojazd jest badany na hamowni podwoziowej w teście jezdnym NEDC, symulującym jazdę miejską i pozamiejską [12]. W celu rozszerzenia wiedzy o właściwościach samochodów elektrycznych wykonuje się badania w innych testach jezdnych, odpowiadających różnym warunkom ruchu [11], a także w warunkach trakcyjnych, podczas rzeczywistego użytkowania [13]. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań elektrycznego samochodu osobowego w warunkach ruchu w mieście. Celem badań była ocena drogowego zużycia energii przez samochód elektryczny oraz porównanie uzyskanych wyników z drogowym zużyciem energii wyznaczonym dla samochodu z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym i o zapłonie samoczynnym. 2. Obiekt badań Obiektem badań był samochód Renault Fluence Z.E. (rysunek 1), wyposażony w silnik elektryczny (synchroniczny, z uzwojeniem wzbudzenia w wirniku) o mocy znamionowej 70 kw i układ odzyskiwania energii hamowania. Podstawowe dane samochodu przedstawiono w tabeli 1. Rys. 1. Samochód elektryczny Renault Fluence Z.E. 3. Badania zużycia energii Badania empiryczne przeprowadzono w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji. Procedura badań obejmowała przejazd samochodem elektrycznym wybranej trasy, pomiar i rejestrację prędkości jazdy samochodu oraz doładowanie akumulatorów wraz z pomiarem zużycia energii elektrycznej. Wykonano dwanaście przejazdów. Trasa przejazdu samochodu (rysunek 2) miała długość ok. 5,4 km i przebiegała w Warszawie. Została ona wybrana w taki sposób, aby odzwierciedlała typowe warunki użytkowania samochodu w mieście uwzględniono m.in. natężenie ruchu drogowego, rodzaje skrzyżowań (z sygnalizacją świetlną, bez sygnalizacji) oraz ograniczenia prędkości. W czasie wykonywania badań na trasie przejazdu nie występowały zatory uliczne. Do pomiarów prędkości samochodu wykorzystano urządzenie RaceLogic Performance Box. Sygnał prędkości rejestrowano z czasem próbkowania 1 s. 34

3 Tabela 1. Dane samochodu elektrycznego Renault Fluence Z.E. [14] Nazwa Dane Jednostka miar Wymiary 4748 x 1813 x 1458 mm Rozstaw osi 2701 mm Masa własna pojazdu 1543 kg Liczba miejsc 5 Prędkość maksymalna 135 (ograniczona elektr.) km/h Czas przyspieszania ((0 100) km/h) 13 s Moc maksymalna silnika 70 kw Maksymalny moment obrotowy 226 N m Oś napędzana Przednia Zasięg (w teście NEDC) 160 km Typ akumulatora Litowo jonowy Czas ładowania akumulatora 8 h Napięcie znamionowe akumulatora 398 V Masa akumulatora 250 kg Rys. 2. Trasa przejazdu samochodu w Warszawie Doładowanie akumulatorów przeprowadzono zgodnie z tzw. procedurą normalnego doładowania nocnego według Regulaminu EKG ONZ nr 101. Zużycie energii mierzono za pomocą urządzenia Pafal PRL T3195 typ A52. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy przebieg prędkości samochodu elektrycznego, zarejestrowany podczas badań. 35

4 v [km/h] t [s] Rys. 3. Przykładowy przebieg prędkości samochodu elektrycznego podczas badań Jak widać na rysunku 3, ruch samochodu w mieście ma bardzo silne właściwości dynamiczne. Jest to związane z koniecznością częstego gwałtownego przyspieszania i hamowania. Podobne przebiegi prędkości uzyskano dla pozostałych jedenastu przejazdów. Średnia prędkość samochodu we wszystkich przejazdach wyniosła 29,61 km/h. Na podstawie wyników badań empirycznych obliczono drogowe zużycie energii dla samochodu Renault Fluence Z.E. w poszczególnych przejazdach. Wyznaczona wartość uwzględnia sprawność ogólną pojazdu, obejmującą sprawności: napędu, odzyskiwania energii hamowania oraz ładowania akumulatorów [11]. Średnie drogowe zużycie energii dla samochodu Renault Fluence z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym i o zapłonie samoczynnym wyznaczono wykorzystując do tego celu dane zawarte w programie INFRAS AG [15]. Dane wejściowe do programu odpowiadały samochodom osobowym z silnikami o objętości skokowej (1,4 2) dm 3. Wartości średniego drogowego zużycia energii dla samochodu z silnikiem spalinowym wyznaczono dla tych samych prędkości średnich, które uzyskano w poszczególnych przejazdach samochodu elektrycznego podczas badań drogowych. Na rysunku 4 zestawiono zależność drogowego zużycia energii od prędkości średniej pojazdu dla samochodu elektrycznego oraz dla samochodu z silnikiem spalinowym: o zapłonie iskrowym i o zapłonie samoczynnym. Średnie drogowe zużycie energii dla samochodu elektrycznego w warunkach ruchu w mieście jest rzędu (2,2 2,4) MJ/km. Dla porównania średnie drogowe zużycie energii wyznaczone z wykorzystaniem programu INFRAS AG dla podobnego samochodu osobowego z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym wynosi ok. (2,4 2,6) MJ/km, zaś z silnikiem spalinowym o zapłonie samoczynnym ok. (1,6 1,7) MJ/km. We wszystkich przypadkach, w rozpatrywanym zakresie prędkości, zużycie energii zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości średniej pojazdu. 36

5 c [MJ/km] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 EV ZI ZS v AV [km/h] Rys. 4. Zależność drogowego zużycia energii c od prędkości średniej pojazdu v AV dla samochodu elektrycznego EV oraz samochodu z silnikiem spalinowym: o zapłonie iskrowym ZI i o zapłonie samoczynnym ZS 4. Podsumowanie Badania trakcyjne elektrycznego samochodu osobowego w warunkach ruchu w mieście umożliwiły wyznaczenie średniego drogowego zużycia energii. Na podstawie wyników symulacji z zastosowaniem modelu INFRAS AG stwierdzono, że zużycie to jest mniejsze niż dla samochodu z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym, lecz większe niż dla samochodu z silnikiem spalinowym o zapłonie samoczynnym. Uzyskana wartość średniego drogowego zużycia energii przez samochód elektryczny jest stosunkowo duża, gdyż jego ruch podczas badań charakteryzowały silne właściwości dynamiczne. Konieczność gwałtownego hamowania, która w ruchu ulicznym występuje dość często, nie sprzyja odzyskiwaniu energii w trybie pracy prądnicowej silnika. W takim wypadku sprawność odzyskiwania energii hamowania nie jest duża, gdyż większość energii jest rozpraszana przez tarcie w hamulcach. Do wyznaczenia tej sprawności potrzeba jednak dalszych badań, obejmujących ciągły pomiar napięcia i natężenia prądu na zaciskach akumulatora podczas jazdy samochodu. Świadomość różnic między wynikami homologacyjnych testów zużycia energii oraz testów drogowych skłania do poszukiwań skuteczniejszych sposobów badania tej wielkości. Jednym z rozwiązań może być opracowanie specjalnych testów jezdnych, przeznaczonych na hamownię podwoziową, uwzględniających specyfikę samochodów z napędem elektrycznym. Podziękowania Autorzy pragną podziękować firmie Renault Polska Sp. z o.o. za udostępnienie do badań samochodu Renault Fluence Z.E., a także Przemysłowemu Instytutowi Motoryzacji w Warszawie za wyrażenie zgody na publikację wyników badań. Praca naukowa Jakuba Lasockiego jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, projekt Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej realizowany przez Centrum Studiów Zaawansowanych. 37

6 Literatura: [1] Pollet B.G., Staffell I., Shang J.L.: Current status of hybrid, battery and fuel cell electric vehicles: From electrochemistry to market prospects. Electrochimica Acta, 2012, z. 84, s [2] Propfe B., Kreyenberg D., Wind J., Schmid S.: Market penetration analysis of electric vehicles in the German passenger car market towards International Journal of Hydrogen Energy, 2013, z. 38(13), s [3] Hawkins T. R., Gausen O. M., Strømman A. H.: Environmental impacts of hybrid and electric vehicles a review. International Journal of Life Cycle Assessment, 2012, z. 17(8), s [4] Faria R., Moura P., Delgado J., de Almeida A. T.: A sustainability assessment of electric vehicles as a personal mobility system. Energy Conversion and Management, 2012, z. 61(1), s [5] Maa H., Balthasar F., Tait N., Riera Palou X., Harrison A: A new comparison between the life cycle greenhouse gas emissions of battery electric vehicles and internal combustion vehicles. Energy Policy, 2012, z. 44, s [6] Chłopek Z.: Ochrona środowiska naturalnego. Pojazdy samochodowe. WKŁ, Warszawa [7] Roussou T., Behrakis P.: The Respiratory Effects of Air Pollution. W: Nicolopoulou Stamati P., Hens L., Hovard C.V. (red): Environmental health impacts of transport and mobility. Environmental Science and Technology Library, 2005, z. 21, s [8] Lasocka J., Lasocki J., Siekmeier R., Chłopek Z.: Impact of Traffic Related Air Pollution on Health. Advances in Experimental Medicine and Biology. Praca w druku. [9] Hensher D.A., Button K.J: Handbook of transport and the environment. Publisher Elsevier Science, Amsterdam [10] Chłopek Z., Lasocki J.: Comparison of the environmental impact of an electric car and a car with an internal combustion engine in Polish conditions using life cycle assessment method. Combustion Engines, 2013, z. 154(3), s [11] Chłopek Z.: Research on energy consumption by an electric automotive vehicle. The Archives of Automotive Engineering Archiwum Motoryzacji, 2012, z. 57(3), s [12] Raslavičius L., Starevičius M., Keršys A., Pilkauskas K., Vilkauskas A.: Performance of an all electric vehicle under UN ECE R101 test conditions: A feasibility study for the city of Kaunas, Lithuania. Energy, 2013, z. 55(15), s [13] Lorf C., Martínez Botas R.F., Howey D.A., Lytton L., Cussons B.: Comparative analysis of the energy consumption and CO 2 emissions of 40 electric, plug in hybrid electric, hybrid electric and internal combustion engine vehicles. Transportation Research Part D, 2013, z. 23, s [14] Dane techniczne samochodu Renault Fluence Z.E. {Dostępny : renault/ekologia/auta elektryczne/fluence kangoo ze prezentacja wersje produkcyjne/}. [15] BUWAL, INFRAS AG: Luftschadstoffemissionen des Strassenverkehrs BUWAL Bericht Nr

7 Streszczenie Spośród możliwych kierunków rozwoju motoryzacji szczególnie duże nadzieje wiąże się obecnie z zastosowaniem napędów elektrycznych. Istotny problem stanowi ocena zużycia energii przez samochody elektryczne w warunkach odpowiadających ich typowemu użytkowaniu, tzn. w miastach. W pracy przedstawiono wyniki badań zużycia energii przez samochód elektryczny Renault Fluence Z.E. w warunkach ruchu w mieście. Zużycie energii mierzono uwzględniając sprawność ogólną pojazdu, obejmującą sprawności napędu, odzyskiwania energii hamowania oraz ładowania akumulatorów. Wyznaczono średnie drogowe zużycie energii przez samochód elektryczny. Uzyskane wyniki porównano ze średnim drogowym zużyciem energii przez samochód z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym i o zapłonie samoczynnym. Słowa kluczowe: samochody elektryczne, zużycie energii, badania drogowe RESEARCH ON ENERGY CONSUMPTION BY AN ELECTRIC VEHICLE IN CITY TRAFFIC CONDITIONS Abstract Among the possible directions of the development of motorization, the possible use of electric drive is regarded as very promising solution. Evaluation of electric car energy consumption in conditions corresponding to its typical use, i.e. in the cities, has always been an important problem. The paper presents the results of the research on energy consumption of electric car Renault Fluence Z.E. in city traffic conditions. Energy consumption has been measured taking into account the overall efficiency of the car, which include drive efficiency, regenerative braking efficiency and battery charging efficiency. Average road energy consumption of the electric car has been determined. The results were compared with the average road energy consumption of a car with an internal combustion engine, both spark ignition and compression ignition. Keywords: electric vehicles, energy consumption, road tests 39