OCENA DROGOWEGO ZUŻYCIA ENERGII PRZEZ SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY EVALUATION OF SPECIFIC DISTANCE ENERGY CONSUMPTION BY ELECTRIC CAR

Transkrypt

1 Zdzisław Chłopek Instytut Transportu Samochodowego OCENA DROGOWEGO ZŻYCIA ENERGII PRZEZ SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY W artykule przedstawiono wyniki badań samochodu elektrycznego Zilent Courant w warunkach symulujących użytkowanie w mieście. Badania przeprowadzono na hamowni podwoziowej w testach DC (rban Drivig Cycle), FTP 75 (Federal Transient Procedure) i Stop and Go do symulacji jazdy w zatorach ulicznych. Wyznaczono średnie drogowe zużycie energii oraz sprawność ogólną pojazdu w testach. Stwierdzono małą wrażliwość średniego drogowego zużycia energii przez pojazd na warunki jazdy zdeterminowane przebiegiem prędkości w testach. EVALATION OF SPECIFIC DISTANCE ENERGY CONSMPTION BY ELECTRIC CAR The results of an electric car Zilent Courant in conditions simulating operation in the city are in the paper presented. The study was conducted on a chassis dynamometer in tests: DC (rban Drivig Cycle), FTP 75 (Federal Transient Procedure) and the Stop and Go to simulated driving in congestion street. An average specific distance energy consumption and general efficiency of the vehicle in the tests. Found low sensitivity of average energy consumption of road vehicle driving conditions determined in the course of the speed tests.

2 Transport Samochodowy Wprowadzenie Poszukiwania rozwiązań technicznych umożliwiających zmniejszenie zagrożeń środowiska przez motoryzację obejmują również pojazdy z napędami elektrycznymi. Jest to koncepcja znana już od ponad 1 lat [7, 13] największy udział pojazdów z napędami elektrycznymi był na początku XX w. zasadnieniem ekologicznych motywacji takich poszukiwań jest przede wszystkim zmniejszenie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia ludzi i ich środowiska [1, 5 9, 15]. W związku ze znaczną różnicą w całym ciągu emisji zanieczyszczeń z pojazdów napędzanych klasycznie silnikami spalinowymi i z pojazdów elektrycznych ocena ekologiczna porównywalnych rozwiązań jest bardzo względna. Możliwym rozwiązaniem tego problemu jest dokonywanie tzw. analizy Well to Whell od źródła nośników energii do kół pojazdu [5, 7, 15]. Analiza ta umożliwia ocenę emisji zanieczyszczeń w całym cyklu wytwarzania nośników energii oraz ich wykorzystywania do napędu pojazdu. Zgodnie z tą analizą można również ocenić wrażliwość całkowitej szkodliwości ocenianych rozwiązań na technologię przetwarzania nośników energii w istocie wrażliwość to jest bardzo duża i w znacznym stopniu może być decydująca o ekologicznej ocenie porównywanych rozwiązań. W przypadku samochodów elektrycznych szczególnie ważny jest problem produkcji energii elektrycznej [5 9] w przeważającej mierze energia elektryczna jest wytwarzana przynajmniej w Polsce z kopalnych nośników energii (przede wszystkim z węgla kamiennego) z wykorzystaniem technologii dalekich od poszanowania środowiska. Mimo tych zastrzeżeń należy jednak zwrócić uwagę na ważny argument, przemawiający za rozwojem napędów elektrycznych. Nawet w przypadku negatywnej oceny emisji zanieczyszczeń w analizie Well to Whell, w przypadku pojazdów z napędami elektrycznymi istnieje możliwość przesunięcia miejsc źródeł emisji zanieczyszczeń z obszarów największych zagrożeń z centrów wielkich aglomeracji miejskich do miejsc położenia elektrowni [6, 8, 9]. Innym argumentem ekologicznym na rzecz rozwoju pojazdów elektrycznych jest zmniejszenie emisji hałasu. Współczesne samochody elektryczne, mimo znacznego postępu, zarówno technicznego, jak i eksploatacyjnego, związanego m.in. z systemami ładowania akumulatorów, nie stanowią na razie realnej konkurencji dla pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi. Za najbardziej obiecujące rozwiązanie należy obecnie raczej traktować pojazdy z napędami hybrydowymi elektryczno spalinowymi [1, 5, 7, 11]. Z technicznego punktu widzenia należy ocenić, że we współczesnych pojazdach elektrycznych najsłabszym elementem są akumulatory energii elektrycznej [3, 6 8, 13]. Nie jest to w żadnym przypadku zaskoczeniem, gdyż powszechnie wiadomo, że magazynowanie energii jest szczególnie trudnym problemem do tej pory niedoścignionym rozwiązaniem jest stosowanie paliw ciekłych [5, 7]. Ważnym problemem, związanym z eksploatacją samochodów elektrycznych, jest ocena zużycia energii i sprawności w warunkach rzeczywistego użytkowania pojazdów [3 5]. Obecnie przewiduje się przede wszystkim użytkowanie samochodów elektrycznych w miastach [1, 5 12, 15]. W związku z tym w pracy przeprowadzono badania zużycia energii w warunkach jazdy typowych dla jazdy w miastach. Badania zostały przeprowadzone w celu oceny wpływu modelu ruchu na drogowe zużycie energii oraz na sprawność ogólną pojazdu elektrycznego. 76

3 Ocena drogowego zużycia energii Badania zużycia energii przez samochód elektryczny na hamowni podwoziowej Obiektem badań był elektryczny samochód osobowy Zilent Courant wyprodukowany w Chińskiej Republice Ludowej. Jest to zgodnie z punktem 2 Regulaminu 11 EKG ONZ tzw. pure electric vehicle, czyli samochód z zasilaniem silników elektrycznych wyłącznie z akumulatorów energii elektrycznej. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe dane samochodu Zilent Courant. Badany pojazd jest wyposażony w układ napędowy, zaliczany do kategorii układów bez odzyskiwania energii hamowania. Dane elektrycznego samochodu osobowego marki Zilent model Courant Data of electric car Zilent Courant Tabela 1 Table 1 Nazwa Dane Jednostka miar Wymiary mm Masa pojazdu gotowego do jazdy 117 kg Liczba pasażerów 4 Prędkość maksymalna 85 km/h Prędkość ekonomiczna 4 km/h Zdolność pokonywania wzniesień 36% (2 ) Hamulce Przód tarczowe, tył bębnowe Zasięg przy prędkości ekonomicznej > 15 km Moc znamionowa silnika 8,5 kw Typ silnika Elektryczny, bezszczotkowy 3 fazy 12 Napięcie znamionowe akumulatorów 12 V 1 akumulatorów 12 V/1 Ah Typ akumulatorów Kwasowo ołowiowe Bezobsługowe System ładowania akumulatorów Zasilanie zewnętrzne (22 23) V/(5 6) Hz; moc 1,5 kw Czas ładowania akumulatorów (12 14) h W celu oceny właściwości ekonomicznych samochodu elektrycznego ze względu na zużycie energii oraz sprawność wprowadza się następujące pojęcia: moc elektrycznego napędu samochodu N T, moc oporów jazdy N R, moc hamowania maszyną elektryczną N B, moc odzyskiwania energii hamowania N, moc ładowania akumulatorów N CH, sprawność ładowania akumulatorów CH, sprawność odzyskiwania energii hamowania, sprawność napędu D, 77

4 Transport Samochodowy sprawność ogólna G, drogowe zużycie energii elektrycznej c. Dla samochodu elektrycznego bez odzyskiwania energii hamowania system sprawności definiuje się w następujący sposób: NR D (1) NT NT CH (2) NCH G CH D (3) Dla samochodu elektrycznego z odzyskiwaniem energii hamowania system sprawności jest zdefiniowany w następujący sposób: NR D (4) N N N T (5) N B Na rysunku 1 przedstawiono schemat przepływu mocy w zespole napędowym 1 samochodu elektrycznego z odzyskiwaniem energii elektrycznej. N T N CH CH A D N N B N R Rys. 1. Schemat przepływu mocy w zespole napędowym samochodu elektrycznego. Oznaczenia: CH układ ładowania akumulatora, A akumulator, D układ napędowy samochodu, układ odzyskiwania energii hamowania, N CH moc ładowania akumulatorów, N T moc elektrycznego napędu samochodu, N R moc oporów jazdy, N B moc hamowania maszyną elektryczną, N moc odzyskiwania energii hamowania Fig. 1. Diagram of power in powertrain of the electric car. Signs: CH battery charging system, A battery, D car drive system, brake energy recuperation system, N CH battery charging power, N T power of electric drive, N R power of drive resistance, N B electric braking power, N power of braking energy recuperation Jako modele ruchu samochodu odpowiadające ruchowi w miastach oraz na drogach podmiejskich wybrano testy jezdne: DC (rban Driving Cycle) miejski test jezdny [4, 14] rysunek 2, 1 Termin układ napędowy jest używany zgodnie z tradycyjnym stosowaniem w naukach motoryzacyjnych do oznaczenia układu przenoszenia energii mechanicznej z silnika do kół jezdnych pojazdu. Dla układu napędowego wraz z silnikiem oraz zbiornikiem energii stosuje się w niniejszej pracy termin zespół napędowy. 78

5 Ocena drogowego zużycia energii FTP 75 (Federal Transient Procedure) federalny test przejściowy [4, 14] rysunek 3, Stop and Go test do symulacji jazdy w warunkach zatorów ulicznych [2, 4] rysunek v [km/h] Rys. 2. Test DC Fig. 2. The DC test 1 8 v [km/h] Rys. 3. Test FTP 75 Fig. 3. The FTP 75 test 79

6 Transport Samochodowy v [km/h] Rys. 4. Test Stop And Go Fig. 4. The Stop And Go test Badania przeprowadzono na jednorolkowej hamowni podwoziowej z regulowaną charakterystyką oporów firmy AVL Zoellner [3]. W czasie badań na hamowni podwoziowej dokonywano pomiarów: prędkości jazdy samochodu na rolce hamowni podwoziowej, napięcia na zespole akumulatorów, natężenia prądu w instalacji napędowej pojazdu. Pomiary oporów całkowitych ruchu pojazdu o masie samochodu gotowego do jazdy wynoszącej 117 kg przeprowadzono na drodze w warunkach ruchu drogowego na odcinku o płaskim profilu. W czasie pomiarów droga była sucha, temperatura wynosiła 14ºC, ciśnienie atmosferyczne 16,8 hpa a prędkość wiatru nie przekraczała,2 m/s. Przed pomiarami akumulatory trakcyjne pojazdu zostały całkowicie naładowane. Na odcinek pomiarowy pojazd był holowany. W czasie pomiarów pojazd przyspieszał korzystając z energii elektrycznej. Wykonano 1 testów polegających na rejestracji prędkości pojazdu w czasie jazdy wybiegiem od prędkości równej około 8 km/h. Na podstawie wyników badań empirycznych zidentyfikowano współczynniki charakterystyki mocy pochłanianej przez hamownię podwoziową w postaci wielomianu stopnia trzeciego. Rejestracji sygnałów badanych wielkości dokonywano z czasem próbkowania 1 s. Zarejestrowane sygnały zostały poddane wstępnemu przetwarzaniu w celu usunięcia błędów grubych i zmniejszenia udziału szumów o wysokich częstotliwościach. Do poszukiwania błędów grubych wykorzystano analizę bieżącej wariancji sygnałów. W celu zmniejszenia udziału szumów o wysokich częstotliwościach w sygnałów zastosowano filtracje dolnoprzepustową. Wykorzystano do tego celu filtr filtr Golaya Savitzky ego z wielomianem drugiego stopnia oraz z aproksymacją obustronną po 2 punkty. Na rysunkach 5 7 przedstawiono wyniki badań w teście DC. Na rysunku 5 jest przedstawiona realizacja procesu prędkości pojazdu na hamowni podwoziowej. 8

7 Ocena drogowego zużycia energii v [km/h] Rys. 5. Realizacja testu DC Fig. 5. The realisation of the DC test Na rysunku 6 przedstawiono natężenie prądu pobieranego z akumulatora i napięcie na zaciskach akumulatora I [V] I [A] Rys. 6. Natężenie prądu pobieranego z akumulatora i napięcie na zaciskach akumulatora w teście DC Fig. 6. The Current intensity and the voltage at the battery in the DC test Na rysunku 7 przedstawiono porównanie mocy elektrycznej napędu samochodu i mocy oporów ruchu pojazdu. 81

8 Transport Samochodowy NT NR N T, N R [kw] Rys. 7. Moc elektryczna napędu samochodu i moc oporów w teście DC Fig. 7. The electric power of car driver and the resistance power in the DC test Na rysunkach 8 1 przedstawiono przebiegi analizowanych wielkości w teście FTP 75, analogicznie jak w przypadku testu DC. 8 6 v [km/h] Rys. 8. Realizacja testu FTP 75 Fig. 8. The realisation of the FTP 75test 82

9 Ocena drogowego zużycia energii [V] I I [A] Rys. 9. Natężenie prądu pobieranego z akumulatora i napięcie na zaciskach akumulatora w teście FTP 75 Fig. 9. The Current intensity and the voltage at the battery in the FTP 75 test N T, N R [kw] NT NR Rys. 1. Moc elektryczna napędu samochodu i moc oporów w teście FTP 75 Fig. 1. The electric power of car driver and the resistance power in the FTP 75 test Na rysunkach przedstawiono przebiegi analizowanych wielkości w teście Stop and Go, analogicznie jak w przypadku testów DC i FTP

10 Transport Samochodowy v [km/h] Rys. 11. Realizacja testu Stop and Go Fig. 11. The realisation of the Stop and Go test I [V] I [A] Rys. 12. Natężenie prądu pobieranego z akumulatora i napięcie na zaciskach akumulatora w teście Stop and Go Fig. 9. The Current intensity and the voltage at the battery in the Stop and Go test 84

11 Ocena drogowego zużycia energii N T, N R [kw] NT NR Rys. 13. Moc elektryczna napędu samochodu i moc oporów w teście Stop and Go Fig. 13. The electric power of car driver and the resistance power in the Stop and Go test Na rysunku 14 zestawiono sprawność ogólną w poszczególnych testach, a na rysunku 15 średnie drogowe zużycie energii. Do wyznaczenia sprawności ogólnej i średniego drogowego zużycia energii przyjęto na podstawie badań własnych [3] oraz danych z literatury [5] wartość sprawności ładowania akumulatorów kwasowo ołowiowych równą,65.,4,3 h G,2,1 Stop and Go DC FTP-75 Test Rys. 14. Sprawność ogólna w testach Stop and Go, DC I FTP 75 Fig. 14. The generally efficiency in the tests: Stop and Go, DC and FTP 75 85

12 Transport Samochodowy ,8 c [MJ/km],6,4,2 Stop and Go DC FTP-75 Test Rys. 15. Średnie drogowe zużycie energii w testach Stop and Go, DC i FTP 75 Fig. 15. The specific distance energy consumption in the tests: Stop and Go, DC and FTP 75 W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono bardzo małą różnicę wartości sprawności ogólnej w testach DC i FTP 75. Znacznie mniejsza jest natomiast sprawność ogólna w teście Stop and Go, szczególnie ciężkim ze względu na utrudnienia jazdy, o średniej prędkości samochodu wynoszącej około 5,8 km/h. Podobne wartości średniego drogowego zużycia paliwa są dla testów FTP 75 i Stop and Go. Średnie drogowe zużycie energii w teście DC jest mniejsze. Jest charakterystyczne, że testy zarówno FTP 75, jak i Stop and Go, są stworzone zgodnie z kryterium wiernej symulacji w dziedzinie czasu, a test DC jest wynikiem syntezy zgodnie z podobieństwem charakterystyk punktowych w warunkach badań i rzeczywistego użytkowania. W konsekwencji jazda samochodu w testach FTP 75 i Stop and Go charakteryzuje się silniejszymi właściwościami dynamicznymi niż w przypadku jazdy w teście DC [4]. Ilościowym odpowiednikiem tej właściwości jest większa wartość widmowej gęstości mocy prędkości w testach FTP 75 i Stop nad Go w stosunku do testu DC dla dużych częstotliwości [4]. Wartości średniego drogowego zużycia energii przez badany samochód w przyjętych testach są podobne do wartości spotykanych w literaturze [5, 8, 1, 12]. Podsumowanie Badania elektrycznego samochodu osobowego w warunkach symulujących użytkowanie w ruchu w miastach umożliwiły wyznaczenie średniego drogowego zużycia energii oraz sprawności napędu elektrycznego i sprawności ogólnej. Stwierdzono, że średnia sprawność ogólna jest rzędu,3,4, co należy uznać za dobry wynik, uwzględniając, iż warunki ruchu pojazdu w mieście zaliczają się do ciężkich ze względu na często występujące hamowanie i przyspieszanie oraz stosunkowo małą prędkość średnią, szczególnie w teście Stop and Go. Wartość średniego drogowego zużycia energii jest zbliżona do wartości występujących w literaturze. Średnie drogowe zużycie energii nie jest praktycznie zależne od prędkości średniej w testach, co należy uznać za wynik oryginalny w stosunku do wyników drogowego zużycia paliwa przez silniki spalinowe samochodów [2, 4]. Istnieje natomiast wyraźny wpływ właściwości dynamicznych 86

13 Ocena drogowego zużycia energii procesów prędkości w testach na zużycie energii być może jest to wynik tego, że badany pojazd nie jest wyposażony w układ odzyskiwania energii hamowania. LITERATRA: [1] Becker T. A., Sidhu I., Tenderich B.: Electric vehicles in the nited States. A New model with forecasts to 23. Center for Entrepreneurship & Technology (CET). Technical Brief Number 29.1.v.2.. Revision Date: August 24, 29. [2] BWAL, INFRAS AG: Luftschadstoffemissionen des Strassenverkehrs BWAL Bericht Nr [3] Chłopek Z. et al.: Badania empiryczne zużycia energii przez samochód elektryczny w warunkach symulujących rzeczywiste użytkowanie. Praca statutowa ITS nr 611/COŚ. Warszawa 212. [4] Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria Mechanika z Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa [5] Eberhard M., Tarpenning M.: The 21st century electric car. Tesla Motors Inc. 6 October 26. [6] Matthew Wilson C.: A critique of the economic and environmental value of electric cars. C. Matthew Wilson, 21. [7] Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań 26. [8] Núñez P. J. M. et al.: Electric vehicle. A cyclical story of death and resurrection. International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 1) Granada (Spain), 23th to 25th March, 21. [9] Raut A. K.: Role of electric vehicles in reducing air pollution: a case of Katmandu, Nepal. The Clean Air Initiative _resource_1.doc [1] Ridlay R.: The future of the electric car. Ridley Engineering Inc conf.org/26/apec_26_plenary_3.pdf. [11] Szumanowski A.: Pojazdy ekologiczne przyszłość samochodów hybrydowych. Przegląd Mechaniczny 1/21. [12] van Essen H., Kampman B.: Impacts of electric vehicles Summary report. Publication number: Delft, April [13] Wakefield E. H.: History of the electric automobile: Batery only powered cars. Warrendale PA. SAE [14] Worldwiede emission standards. Passenger cars and light duty vehicles. Delphi. Innovation for the real world. 211/212. [15] Zhang C. et al.: Life cycle assessment of electric bike application in Shanghai. In: Proceedings of the 21 Environmental Sustainability Conference and Exhibition. Society of Automotive Engineers Technical Paper Series, Graz, Austria