Tendencje rozwoju aut elektrycznych w Unii Europejskiej

Transkrypt

1 WASIAK Irena BŁASZCZYK Piotr 2 WOJCIECHOWSKA Katarzyna 3 Tendencje rozwoju aut elektrycznych w Unii Europejskiej WSTĘP Rozwój motoryzacji w kierunku produkcji aut elektrycznych to ważny element strategiczny Unii Europejskiej. Jest on ściśle powiązany z uniezależnieniem się od paliw kopalnych, a także ze zmniejszeniem emisji CO 2, hałasu oraz redukcji emisji zanieczyszczeń do atmosfery w miastach. Parlament Europejski przyjął strategię Transport 2050, która zakłada zastąpienie pojazdów z silnikami spalinowymi, nowoczesnymi pojazdami z napędem elektrycznym. Zmiany te dotyczą przede wszystkim flot pojazdów służbowych. Działania członków Unii Europejskiej wspierają rozwój pojazdów elektrycznych, poprzez wprowadzenie regulacji prawnych w poszczególnych państwach, które pobudzają rynek pojazdów elektrycznych. Są to m.in. regulacje w strefie fiskalnej ( np. ulgi, rabaty związane z nabyciem pojazdu elektrycznego) oraz umożliwienie płatnego lub bezpłatnego ładowania tych pojazdów.. RYNEK POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH Wzrastająca popularność samochodów elektrycznych na rynku motoryzacyjnym pobudza producentów do wprowadzania nowych modeli aut. Silna konkurencja rynkowa powoduje obniżanie cen tych pojazdów, co może zachęcać potencjalnych klientów. Jak wskazują analizy firmy Frost&Sullivan sprzedaż samochodów elektrycznych w 203r. wyniosła około 80 tysięcy aut. Natomiast w roku 204 pojawią się nowe modele pojazdów elektrycznych takie jak: BMW i8, Tesla Model S, Audi R8 i Q7, Porsche 98 Spyder i Mercedes SLS AMG ECell. Na chwilę obecną liderem sprzedaży aut elektrycznych jest firma Renault, natomiast liderem sprzedaży aut hybrydowych Toyota. W celu stworzenia jak najbardziej komfortowej sytuacji dla kupującego, producenci przygotowują szereg pakietów ułatwiających użytkowanie samochodów elektrycznych przy słabo rozwiniętej infrastrukturze stacji ładowania. Istnieje forma nabywania aut elektrycznych bez konieczności kupowania akumulatorów wraz z samochodem. Firmy wprowadzają możliwość nabycia pakietu bateryjnego w formie leasingu lub dzierżawy. Takie rozwiązanie jest stosowane w celu finansowego odciążenia kupującego istotnym kosztem jakim jest zakup baterii. Kolejnym plusem takiego rozwiązania dla użytkownika jest ciągłe serwisowanie pakietu bateryjnego przez sprzedawcę (jeżeli bateria ulegnie uszkodzeniu sprzedawca zobowiązany jest dostarczyć nam nowy pakiet bateryjny). Kolejno w przypadku kiedy bateria rozładuje nam się w trakcie jazdy sprzedawca jest zobowiązany do wezwania mobilnego serwisu, który naładuje nam baterię w miejscu, w którym aktualnie się znajdujemy. Poniżej przedstawiono schemat przedstawiający aktualny rynek oraz tendencje rozwoju pojazdów elektrycznych, na którym zostały one sklasyfikowane według sposobu ładowania. Pierwsze modele aut elektrycznych wyposażano w ładowarki pokładowe AC małej mocy, umożliwiające ładowanie domowe. Takie rozwiązanie wynikało z braku infrastruktura umożliwiającej ładowanie pojazdu w miejscach publicznych. Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki, Instytut Elektroenergetyki, Łódź, ul. Stefanowskiego 8/22, tel: , irena.wasiak@p.lodz.pl 2 Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki, Instytut Elektroenergetyki, Łódź, ul. Stefanowskiego 8/22, tel: , piotr.blaszczyk@p.lodz.pl 3 Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki, Instytut Elektroenergetyki, Łódź, ul. Stefanowskiego 8/22, tel: , katarzyna.wojciechowska@p.lodz.pl 659

2 Rys.. Rynek pojazdów elektrycznych,[]. Wprowadzenie japońskiego standardu Chademo daje możliwość szybkiego ładowania pojazdów przez zewnętrzną stację ładowarkę DC. Sposób ten pozwala ładować pakiet bateryjny bez użycia ładowarki pokładowej. Zewnętrzne stacje ładowania pozwalają na wymianę informacji dotyczących parametrów ładowania bezpośrednio z systemem zarządzania pakietem bateryjnym znajdującym się w pojeździe. Kolejnym sposobem uzupełniania energii pakietu bateryjnego jest szybkie ładowanie AC z użyciem zewnętrznej stacji ładowania oraz ładowarki pokładowej dużej mocy. Tego typu rozwiązanie zastosowano w pojeździe Renault Zoe ZE. Producenci unikają takiego rozwiązania ze względu na wzrost ceny finalnej auta. Wyposażenie pojazdu w ładowarkę pokładową dużej mocy jest kosztownym rozwiązaniem, dlatego jest realizowane tylko na życzenie klienta. Innowacyjnym rozwiązaniem jest wprowadzenie europejskiego standardu Combo2. Taki sposób ładowania wprowadza zestaw konektora wraz z wtyczką znajdującą się na pojeździe, który jest dostosowany do ładowania AC oraz DC. Model takiego ładowania, jak potwierdza rysunek będzie standardem proponowanym przez większość producentów, wdrażających nowe modele aut elektrycznych. Przyczyną tego kierunku działań jest decyzja Komisji Europejskiej z dn r., która wprowadza standard Combo2 jako obowiązujący w Europie. 2. KONCEPCJE NAPĘDU W AUTACH ELEKTRYCZNYCH Producenci pojazdów elektrycznych wyposażają swoje modele w napędy z jednym silnikiem elektrycznym umieszczonym centralnie, jak również pojawiają się rozwiązania z silnikami elektrycznymi montowanymi w piasty kół. Obecnie pojawiają się pojazdy elektryczne z silnikami prądu stałego (komutatorowe ze wzbudzeniem elektromagnetycznym oraz ze wzbudzeniem magnesami trwałymi) oraz asynchroniczne a także synchroniczne prądu przemiennego. Silniki asynchroniczne w coraz większym stopniu są zamieniane na rzecz silników synchronicznych oraz BLDC jako napęd w pojazdach elektrycznych. 6592

3 Tab.. Liczba silników w poszczególnych modelach aut elektrycznych. PRODUCENCI SAMOCHODÓW MODEL LICZBA SILNIKÓW PRODUCENCI SAMOCHODÓW MODEL LICZBA SILNIKÓW Mitsubishi Honda i-miev 204 wersja x FIT - EV Japonia 2 Audi A2 Concept Urban Concept Kia Naimo Peugeot Partner Nissan LEAF ion Mercedes B ELECTRIC DRIVE SLS Coupe 4WD Full (mercedes W22) Sprinter E- Cell Brusa Spyder 4 Infiniti LE Concept 4 Chevrolet Spark EV 2 e-wolf Alpha SRF Volkswagen e-up Rolls Royce Phanton 03 EX Smart Fourjoy Byd BYD e6- Eco ed Ford Focus Elekctric Toyota iq-ev Connect EV RAV4 -EV Volvo C30 BEV Renault Zoe Romet 4e Kangoo Maxi Z.E. Skoda Octavia Green E Line Twizy Venturi America 2 Fluence Z.E. Kangoo be bop Z.E. Saab 9-3 ZE 4 RaceAbout 2 2 Fiat 500e Sam Re-Volt Citroen Berlingo Think City C-Zero Mini (BMW) MINI E Mazda Demo EV Coda EV

4 Silniki prądu stałego w wykonaniu standardowym posiadały możliwość bezpośredniego zasilania z pakietu bateryjnego jednakże nowoczesne silniki prądu stałego wymagają układów przetwarzających napięcie z możliwością sterowania wektorem pola. Silniki prądu przemiennego charakteryzują się następującymi parametrami: wysoka sprawność (wyższa niż w przypadku silników prądu stałego), duża moc (większa dla takich samym gabarytów w stosunku do silników prądu stałego), duża przeciążalność momentem (która decyduje o dynamice działania napędu) oraz stała wartość momentu w całym zakresie prędkości. Analiza dostępnych modeli pojazdów elektrycznych pozwala stwierdzić, że producenci najczęściej stosują silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Firma Renault stosuje w swoich pojazdach silniki synchroniczne z uzwojeniami wzbudzenia w wirniku, wprowadziła również model Twizy, który jest napędzany silnikiem asynchronicznym. Rynek silników elektrycznych jest wysokorozwinięty, co pozwala koncernom samochodowym na wybór sprawdzonym konstrukcji napędowych. Zatem często spotyka się sytuacje, gdzie silniki elektryczne są zamawiane w firmach takich jak Siemens, Brus czy Sew. Wynika to faktu, że producenci pojazdów mają małe doświadczenie w budowie silników elektrycznych i wspierają się gotowymi rozwiązaniami firm produkujących napędy elektryczne. Przedstawione konfigurację liczby oraz lokalizacji silników zależą od pomysłowości producentów. Większość z nich stosuje jedną centralnie umieszczoną jednostkę napędową, istnieją również rozwiązania dwóch, trzech a także czterech jednostek napędowych. Często wprowadzane rozwiązanie to dwa silniki znajdujące się w piastach kół tylnych. Większość rozwiązań jest przygotowana w kierunku odzysku energii podczas hamowania. Założeniem tego typu rozwiązań jest podniesienie możliwości odzyskiwania energii nawet do 30%. Koncern marki Ford zademonstrował samochód ewheeldrive, który posiada dwa silniki umiejscowione w piastach kół tylnych. Firma dodatkowo wprowadziła możliwość skrętnych kół tylnych, co pozwala na łatwiejsze parkowanie. Rozwiązanie to pozwala również na wykorzystanie miejsca pod maską pojazdu na pakiet bateryjny a elementy napędzające, hamujące i technologie wspomagające pracę układu kierowniczego zostały umieszczone w zintegrowanym układzie napędowym w piaście kół łącznie z układem chłodzenia. 3. METODY ŁADOWANIA AUT ELEKTRYCZNYCH Pomimo faktu, że rynek samochodów jest w fazie rozwoju, pewne aspekty dotyczą infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych zostały już znormalizowane. Jednym z europejskich dokumentów normalizacyjnych jest Raport do Mandatu M/468 wydany przez Fokus Group on Eurpean Elektro- Mobility. Poniższa tabela zestawia napięcia oraz pojemności pakietów bateryjnych dla wybranych modeli samochodów elektrycznych. Największe pojemności, a co za tym idzie największe moce pakietów bateryjnych posiadają takie modele aut elektrycznych jak: Mercedes SLS, Chevrolet Spark oraz Saab 9-3 ZE, sumaryczne napięcie pakietu bateryjnego w tych pojazdach przekracza 400V. Najbardziej popularne a zatem najczęściej produkowane są pojazdy o napięciu baterii około 300V. Są one przeznaczone do jazdy miejskiej, czyli pokonują niewielkie dystanse, a ich ładowanie odbywa się najczęściej z domowej instalacji elektrycznej. Jednym z kierunków prowadzących do unifikacji infrastruktury pojazdów elektrycznych jest wprowadzenie znormalizowanych trybów ładowania. Zostały one określone w normie IEC Tryby ładowania określają wyposażenie jakie musi zawierać pojazd oraz elementy połączenia samochodu ze stacją ładowania. Określa się w nich parametry ładowania oraz rodzaj napięcia ładującego pakiet bateryjny. Zostały zdefiniowane cztery podstawowe tryby ładowania. Pierwsze trzy z nich pozwalają na ładowanie napięciem przemiennym z wybraną szybkością oraz mocą, a ostatni dopuszcza ładowanie napięciem stałym. 6594

5 Tab.2. Parametry pakietów bateryjnych wybranych modeli aut elektrycznych. Producenci samochodów Model Napięcie Baterii Pojemność pakietu bateryjnego Pojemność pakietu bateryjnego Napięcie [V] [kwh] Producenci samochodów Model Baterii [V] [kwh] Mitsubishi i-miev 204 wersja x Mazda Demio EV x 3 Honda FIT - EV Japonia x 20 A2 Concept x 7, Kia Naimo Nissan LEAF Audi Urban Concept ,5 Partner B ELECTRIC DRIVE Peugeot ion SLS Coupe Brusa Spyder x 24 Mercedes 4WD Full (mercedes W22) Infiniti LE Concept x 2 Sprinter E-Cell x 35,2 Chevrolet Spark EV 520 4,5 Volkswagen e-up 374 8,7 e-wolf Fourjoy x 7,6 Rolls Royce Alpha SRF Phanton 03 EX x 64 Smart Ed 330 7,6 Byd BYD e6-eco x 23 iq-ev Focus Elekctric Toyota RAV4 EV 240 4,8 Ford Connect EV x 22,7 Zoe Volvo C30 BEV Kangoo Maxi Z.E Romet 4e x 26,5 Twizy x 6, Skoda Octavia Green E Line x 54 Fluence Z.E Venturi America x 26 Kangoo be Renault bop Z.E. x 5 Saab 9-3 ZE Fiat 500e RaceAbout 33 7 Citroen Berlingo ,5 Sam Re-Volt x 28 C-Zero Think City Coda EV x 6 Mini (BMW) MINI E

6 TRYB Rys.2. Schemat połączenia dla trybu, [2]. Wytyczne dla trybu : podłączenie pojazdu z napędem elektrycznym do sieci zasilania AC z wykorzystaniem standardowego gniazdka, wartości maksymalne dla jednej fazy to : 6A i 250V AC, maksymalna wartość napięcia dla zasilania 3-fazowego od strony dostarczania energii wynosi 480V AC, przewody ochronne, tryb przeznaczony do wolnego ładowania domowego, [4]. TRYB 2 Rys.3. Schemat połączenia dla trybu 2, [2]. Wytyczne dla trybu 2: podłączenie pojazdu z napędem elektrycznym do sieci zasilania AC, wartości maksymalne dla jednej fazy to : 32A i 250V AC, maksymalna wartość napięcia dla zasilania 3-fazowego wynosi 480V AC, wykorzystanie gniazda odpowiedniego dla zasilania jedno- i trójfazowego, przewody ochronne wraz z pilotem sterowania i systemem ochrony personalnej przed porażeniem (RCD), RCD musi być umieszczone w odległości 30 cm od wtyczki, tryb przeznaczony do wolnego ładowania domowego, [4]. 6596

7 TRYB 3 Rys.4. Schemat połączenia dla trybu 3, [2]. Wytyczne dla trybu 3: podłączenie pojazdu z napędem elektrycznym do sieci zasilającej AC z wykorzystanie dedykowanego EVSE, pilot sterowania połączony z kontrolnym wyposażeniem elementów stacji ładowania, wyposażenie ładowania trwale połączone z siecią AC, wymiana danych pomiędzy pojazdem a systemem ładowania, tryb przeznaczony do ładowania domowego lub w miejscach publicznych, [4]. TRYB 4 Rys.5. Schemat połączenia dla trybu 4, [2]. Wytyczne dla trybu 4: podłączenie pojazdu z napędem elektrycznym do sieci zasilającej DC, wykorzystanie ładowarki zewnętrznej, pilot sterowania połączony z kontrolnym wyposażeniem elementów stacji ładowania, wymiana danych pomiędzy pojazdem a systemem ładowania, system ładowania na stałe połączony z siecią, tryb przeznaczony do szybkiego ładowania w publicznych stacjach DC, [4]. 6597

8 WNIOSKI Rynek motoryzacyjny podlega dynamicznym zmianą ze względu na bardzo szybki rozwój samochodów elektrycznych. Wynika to bezpośrednio z założeń Unii Europejskiej, która dąży do obniżenia poziomu zanieczyszczeń w aglomeracjach miejskich oraz do uniezależnienia od paliw kopalnych. Zaistniała sytuacja wymusza wdrażanie innowacyjnych rozwiązań przez producentów pojazdów elektrycznych jak również producentów infrastruktury ładowania. Obecny rynek pojazdów elektrycznych wykazuje, że większość obecnie produkowanych pojazdów elektrycznych wyposażana jest w ładowarki pokładowe małej mocy. Wykazuje on tendencje do: produkcji szybkich ładowarek prądu stałego (taki tryb ładowania nie wymaga stosowania w pojazdach ładowarek o dużych mocy), minimalizacji produkcji ładowarek dużej mocy AC (stanowią one znaczny koszt ogólnej ceny pojazdu) oraz wyposażania pojazdów w przyłącze odpowiadające standardowi COMBO2 (ze względu na możliwość ładowania AC oraz DC). Różnorodność stacji ładowania, a jednocześnie sposób połączenia z pojazdem oraz moc tych stacji nie zawsze gwarantuje możliwość ładowania pojazdu. Często pojawia się niezgodność konektora dostępnego stacji ładowania z przyłączem istniejącym w pojeździe elektrycznym. Stacje ładowania nie zawsze gwarantują nam możliwość wyboru rodzaju ładowania (AC czy DC) oraz trybu szybkości ładowania pakietu bateryjnego. Szybki rozwój i dynamicznie prowadzone prace w dziedzinie pojazdów elektrycznych oraz infrastruktury ich ładowania najprawdopodobniej w krótkim czasie doprowadzą do pełnej unifikacji pojazd stacja ładowania. Streszczenie Pojazdy elektryczne odgrywają obecnie kluczową rolę na rynku motoryzacyjnym. W niniejszym artykule przedstawiono zarys rynku pojazdów elektrycznych oraz infrastruktury ładowania. Wskazano tendencje rozwoju dla standardów ładowania oraz preferencje producentów pojazdów elektrycznych. Opisano koncepcje napędów aut elektrycznych, w tym rodzaje silników i ich usytuowanie, a także firmy specjalizujące się w produkcji silników elektrycznych z poza branży motoryzacyjnej. Został zamieszczony również wykaz pojazdów dostępnych na rynku motoryzacyjnym. Omówiono metody ładowania pojazdów z napędem elektrycznym, na przykładzie wybranych modeli aut. Przedstawiono napięcia i pojemności pakietów bateryjnych. Zestawiono również cztery tryby ładowania określone przez normę IEC Trends in the development of electric vehicles in European Union Abstract Currently, the electric vehicles are very important in the automotive market. This article shows the outline of the market of EV and charging infrastructure. Indicated trends in the development and the preferences of manufactures of EV. Describes the concepts of electric vehicles drives, including the type of engines, location and companies specializing in the production of electric motors from outside the automotive industry. Included a list of vehicles available on the market. Discussed the charging method of electric vehicle for selected models. Shows the voltage and capacity of battery packs. Make a list four charging modes which are defined by the standard IEC BIBLIOGRAFIA. EV charging infrastructure Inteligent charging solution, ABB, Listopad 203r. 2. Guide to Vehicle Infrastructure, Bema, Maj Elektromobilność, NCBIR, Warszawa Raport in responsible to Commission Mandate M/468 concerning the charging of electric vehicles, Focus Group on European Electro-Mobility, Październik 20r. 6598