POJAZDY ELEKTRYCZNE ROZWÓJ TECHNOLOGII. UKŁADY ŁADOWANIA I WSPÓŁPRACA Z SIECIĄ ELEKTROENERGETYCZNĄ

Transkrypt

1 POJAZDY ELEKTRYCZNE ROZWÓJ TECHNOLOGII. UKŁADY ŁADOWANIA I WSPÓŁPRACA Z SIECIĄ ELEKTROENERGETYCZNĄ dr inż. Jarosław Guziński, dr inż. Marek Adamowicz, mgr inż. Jan Kamiński, Politechnika Gdańska 1. WPROWADZENIE Wzrost działań na rzecz ochrony środowiska oraz uniezależnienie od ograniczonych zasobów ropy naftowej to obecnie jedne z podstawowych aspektów wytyczających kierunki rozwoju transportu samochodowego. Obserwowany wzrost rynku pojazdów elektrycznych EV (Electric Vehicle) oraz intensywny rozwój nowych technologii sprzyjają ciągłej poprawie parametrów, osiągów i dostępności EV - co w efekcie służy ich rozpowszechnieniu. Powszechna elektryfikacja transportu samochodowego wymaga zapewnienia odpowiedniej infrastruktury oraz zmiany świadomości kierowców, zwłaszcza poprzez działania promocyjne. W pierwszej kolejności korzystnym działaniem upowszechniającym wiedzę a jednocześnie stanowiącym promocję EV jest wprowadzenie pojazdów elektrycznych do transportu publicznego, służb miejskich a także udostępnianie ich w sieciach wypożyczalni samochodów. Wraz z rozwojem rynku coraz więcej modeli EV jest dostępnych w sprzedaży i pomimo wysokiej ceny coraz częściej znajduje nabywców. Przykładowo, w lutym 2012 r. we Francji zarejestrowano 406 pojazdów EV [1]. W Chinach na drogach jest już obecnie 10 tys. EV [2]. Oczekiwania względem poprawy osiągów a także możliwego obniżenia ceny dotyczą obecnie akumulatorów, silników elektrycznych, przekształtników, systemów ładowania oraz układów sterowania. W każdej z tych dziedzin obserwuje się nieustanny postęp technologiczny [3]. 2. ZAGADNIENIA TEORII RUCHU POJAZDU Właściwości napędowe pojazdów elektrycznych przeważają nad pojazdami spalinowymi. Napęd przekształtnikowy może zapewnić osiąganie pełnego momentu obrotowy w całym zakresie prędkości. Przy tej samej mocy silników elektrycznego i spalinowego pojazd elektryczny uzyskuje znacznie lepsze przyspieszenie. Przykładowo Opel Ampera z silnikiem elektrycznym 150 kw ma przyspieszenie odpowiadające zastosowaniu turbodoładowanego silnika Diesla 250 kw [4]. Silnik spalinowy wytwarza moment maksymalny jedynie w wąskim zakresie obrotów silnika co narzuca również konieczność zmiany przełożenia - w zależności od prędkości pojazdu (rys. 1). W przypadku EV nie ma takiej konieczności. Rys. 1. Charakterystyki napędowe pojazdu spalinowego (I,... IV numery przełożeń skrzyni biegów). Napęd elektryczny umożliwia płynną regulację prędkości z pełnym momentem do wartości znamionowej prędkości silnika elektrycznego ω = ω N jest to obszar pracy ze stałym momentem. Przy prędkości wyższej od znamionowej punkt pracy silnika na wykresie M - ω ograniczony jest hiperbolą momentu M = P/ω, wynikającą z ograniczenia mocy P = const. silnika. Odpowiada to charakterystyce momentu oporowego pojazdu rys

2 Rys. 2. Obszar ograniczający położenie punktu pracy silnika elektrycznego. Zastosowania w napędzie pojazdu kilku silników elektrycznych równocześnie umożliwia realizację zaawansowanych funkcji sterowania jazdą [5]. W pojazdach elektrycznych stosowane są rozwiązania z niezależnym napędem dwóch lub czterech kół pojazdu przy zastosowaniu odpowiedniej liczby silników elektrycznych. Umożliwia to przykładowo realizację funkcji pojazdów terenowych z napędem na cztery koła. Poprzez niezależne sterowanie silnikami możliwe jest realizowanie funkcji likwidacji poślizgu kół przy rozruchu (ASR), czy blokowania kół przy hamowaniu (ABS) lub innych funkcji. Niezależne sterowanie silników elektrycznych pozwala również na uzyskanie większej precyzji sterowania układów ASR/ABS przy równoczesnych krótszych czasach reakcji w porównaniu z napędami pojazdów spalinowych. 3. TRENDY ROZWOJOWE. Największy postęp w rozwoju EV widoczny jest obecnie w technologii akumulatorów. Brak istotnego rozwoju w tej dziedzinie w poprzednich dekadach był głównym ograniczeniem upowszechnienia EV. Do istotnych parametrów charakteryzujących zasobniki energii pojazdów elektrycznych można zaliczyć: gęstość energii, gęstość mocy, sprawność, koszt, spodziewane nakłady na konserwację i utrzymanie, koszty późniejszej utylizacji oraz bezpieczeństwo użytkowania [6]. Do najczęściej stosowanych należą wciąż akumulatory kwasowo ołowiowe. Charakteryzują się one gęstościami energii poniżej 40 Wh/kg [7] oraz gęstością mocy rzędu 250 W/kg [8]. Większość pojazdów użytkowych np. wózków transportowych czy widłowych wyposażona jest w akumulatory trakcyjne, które produkowane wielkoseryjnie mają stosunkowo niską cenę. Przykładem są akumulatory trakcyjne Trojan [9], które wybierane są, np. przez pasjonatów zajmujących się budową samochodów elektrycznych. Wadą ich jest duża objętość i waga, co znacząco ogranicza zasięg jazdy EV. Produkowane są obecnie również nowe rodzaje akumulatorów takich jak m.in.: niklowo kadmowe NiCd, niklowo metalowo wodorowe NiMH, litowo jonowe Li ion, litowo jonowo polimerowe LiPo. Charakteryzują się większą gęstością mocy, mniejszą wrażliwością na warunki środowiskowe oraz najczęściej większą ilością cykli pracy. Pojazdy elektryczne wyposażone w takie akumulatory mogą osiągnąć obecnie zasięg nawet do 500 km. Np. seryjna Tesla Roadaster osiągnęła w 2011 roku rekord 558,6 km [10]. Przykładem nowoczesnych akumulatorów przeznaczonych do napędu pojazdów elektrycznych są, wykonane w technologii Li-ion baterie produkowane przez firmę GLOBALPOWER [11] typu GMP tab. 1. Tab. 1. Zestawienie parametry przykładowych baterii: kwasowo ołowiowej i litowo-jonowej. Rodzaj Model Producent Kwasowo-ołowiowa T-105 Trojan Battery Litowo-jonowa GMP Global Power Pojemność Napięcie Wymiary Waga 5-godzinna [Ah] znamionowe [V] Długość [mm] Szerokość [mm] Wysokość [mm] [kg]

3 Z uwagi na korzystny stosunek parametrów do ceny większość nowo powstających EV wyposażona jest w baterie litowo-jonowe. Baterie te mają gęstości energii, do Wh/kg a gęstości mocy - do 400 W/kg [12]. Przy masie baterii 220 kg mogą one zapewnić zapotrzebowanie pojazdu na energię do 35 kwh. Rozwój technologii EV dotyczy również silników elektrycznych. Nowe EV wyposażane są w silniki prądu zmiennego w większości z magnesami trwałymi PMSM lub BLDCM. Alternatywę stanowią też tańsze silniki asynchroniczne klatkowe SAK. Szczególnie obiecujący dla SAK jest wzrost sprawności dzięki zastosowaniu odlewanej klatki miedzianej wirnika [13]. Zwiększenie użytecznego momentu można uzyskać przez wykorzystanie wyższych harmonicznych momentu w silnikach klatkowych wielofazowych, np. 5-fazowych. Przykładowo Chorus Motor produkuje pięciofazowe silniki serii Meshcom [14]. Silniki te współpracują z falownikiem napięcia, który oprócz składowej podstawowej napięcia generuje piątą harmoniczną, która wywołuje dodatkową składowe momentu elektromagnetycznego silnika. Zmniejsza to wymiary silnika i pulsacje momentu. Silniki wielofazowe wymagają bardziej złożonego falownika, w którym jednak można stosować tańsze tranzystory na mniejsze prądy. Do nowych pojazdów EV stosowane są również silniki synchroniczne. Spotykane są maszyny z uzwojeniem wzbudzenia, jednak dominują silniki z magnesami trwałymi. Sprawność tych silników jest bardzo wysoka - do 95%, stanowiąc silną konkurencję dla maszyn klatkowych. Są to jednak rozwiązania droższe z uwagi na koszt magnesów trwałych PM (Permanent Magnet). Wyróżnia się: silniki z PM montowanymi powierzchniowo, o sinusoidalnym (Surface mounted Permanent Magnet Synchronous Motors, SPMSM) lub trapezoidalnym rozkładzie siły elektromotorycznej SEM (Brushless Direct Current Motors, BLDCM) oraz silniki synchroniczne z PM zagłębionymi w wirniku (Internal mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM). W pojazdach EV korzystniejszymi własnościami charakteryzują się silniki IPMSM. Przy dwustrefowej pracy napędu elektrycznego zmniejszenie w drugiej strefie (rys. 2) strumienia magnetycznego silnika pochodzącego od magnesów trwałych wymaga wytwarzania przeciwnie skierowanego strumienia magnetycznego wymuszonego prądem stojana. W przypadku SPMSM wpływa to na obniżenie sprawności napędu. Natomiast w maszynie IPMSM osłabianie strumienia PM może zwiększyć sprawność wyniku występowania dodatkowego momentu reluktancyjnego będącego rezultatem niesymetrycznej konstrukcji magnetycznej wirnika różnej indukcyjności podłużnej i poprzecznej rys. 3. Rys. 3. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi zagłębionymi w wirniku. W pojazdach EV stosowane są także silniki z osiowym strumieniem magnetycznym (Axial Flux Motors, AFM) [15, 16]. Taka budowa umożliwia co najmniej dwukrotny zwiększenie gęstości mocy maszyny. Maszyny AFM produkowane są jako prądu stałego, synchroniczne i asynchroniczne [17, 18]. Konstrukcje AFM szczególnie nadają się do napędów bezpośrednich (wheel motors, hub-in motors) [19]. W fazie opracowań są obecnie silniki z transwersalnym strumieniem magnetycznym, w których wykorzystuje się przepływ strumienia osiowego i promieniowego [20, 21]. Istotny wzrost gęstości mocy w silnikach tego typu przekłada się na znaczną redukcję ciężaru i wymiarów maszyny. Jest to technologia przyszłościowa dla EV [22] i niezwykle rozwojowa, jednakże wymaga opracowania nowych materiałów magnetycznych np. proszków żelaza. 4. SUPERKONDENSATORY I STEROWANIE ROZDZIAŁEM ENERGII W UKŁADACH PRZEKSZTAŁTNIKOWYCH EV [23] Jedną z zalet EV jest możliwość efektywnego gromadzenia energii hamowania bez znaczących zmian w topologii i sterowaniu przekształtnika. Ograniczenie może stanowić typ stosowanych akumulatorów, które powinny charakteryzować się zdolnością przyjmowania znacznych impulsów prądu hamowania bez negatywnego wpływu na swoją żywotność. Nawet przy zastosowaniu 73

4 odpowiednich akumulatorów problem hamowania odzyskowego wystąpi w początkowym okresie jazdy, kiedy baterie są w pełni naładowane. Rozwiązaniem jest zastosowanie dodatkowego buforowego zasobnika energii superkondensatora SC (SuperCapacitor). [24, 25]. Układ buforowy akumulator-superkondensator tworzy zintegrowany zasobnik energii, którego zadaniem jest zapewnienie określonej ilości energii dla realizacji zadanego zasięgu jazdy, wystarczającej mocy chwilowej dla określonej dynamiki jazdy i zapewnienie określonej żywotności akumulatorów zmniejszenie ilości głębokich cykli rozładowania-ładowania. Gęstość energii SC jest kilkudziesięciokrotnie mniejsza niż akumulatorów - około 3,5 Wh/kg ale znacznie większa jest gęstość mocy do 6,5 kw/kg. Mogą pokryć zwiększone zapotrzebowanie na moc chwilową przy przyspieszaniu i zapewnić szybkie magazynowanie energii przy hamowaniu [26]. Zasobniki SC mają większą żywotność niż akumulatory - ponad 1 mln cykli pracy oraz znacznie mniejszymi rezystancjami wewnętrznymi rzędu 2,5 mω. O optymalnym rozdziale energii pomiędzy akumulator i superkondensator decyduje algorytm sterowania uwzględniający szereg parametrów i czynników, m.in.: napięcia superkondensatora decydujące o zdolności odbierania energii hamowania, charakteru jazdy (predykcja prędkości pojazdu), sprawność przetwarzania energii wynikająca ze strat na rezystancjach wewnętrznych akumulatora, superkondensatora i przekształtnika. Strategia sterowania rozdziałem energii zasobnika pojazdu może zapewnić spełnienia kryteriów optymalizacji minimalizację zużycia energii lub czasu przejazdu. Minimalizacja zużycia energii zapewnia maksymalizację zasięgu pojazdu po naładowaniu akumulatora ale też obniżenie dynamiki jazdy. Zwiększenie sprawności napędu można uzyskać poprzez: odwzbudzanie silnika indukcyjnego w pierwszej strefie regulacji przy małym obciążeniu, ograniczanie momentu silnika tak aby uzyskać maksymalną sprawność napędu, wykorzystanie energii gromadzonej w SC i doładowywanie SC z dużą sprawnością. Minimalizacja czasu przejazdu wiąże z kolei ze zmniejszoną sprawnością napędu z powodu dynamicznej jazdy oraz zmniejszeniem zasięgu EV. Zapewnienie jazdy z dużymi przyspieszeniami wymaga doładowywania superkondensatora przy obniżonej sprawności. Optymalny rozdział energii zasobnika w EV jest problemem złożonym, w którym zastosowanie znajdują metody sterowania rozmytego, sieci neuronowe oraz algorytmy genetyczne [27, 28]. Przekształtnikowy układ napędowy EV ze zintegrowanym zasobnikiem energii (rys. 4) składa się z baterii akumulatorów BA, superkondensatora SC, dwukierunkowej przetwornicy DC/DC oraz falownika napięcia obciążonego silnikiem pojazdu. Rys. 4. Schemat układu przekształtnikowego pojazdu elektrycznego ze zintegrowanym zasobnikiem energii. Podczas jazdy superkondensator jest rozładowywany w trakcie przyspieszania pojazdu elektrycznego - poprawiając dynamikę jazdy oraz częściowo doładowywany w czasie hamowania. Superkondensator może być również doładowywany z akumulatora poza fazą hamowania. W układzie sterowania zasobnikiem energii mierzona jest moc P f pobierana przez falownik zasilający silnik indukcyjny, stan naładowania akumulatora SOC (State Of Charge) oraz prędkość pojazdu v. Algorytm sterowania przez cały czas kontroluje stopień naładowania superkondensatora przez pomiar napięcia u sc. Problem minimalizacji strat energii polega na znalezieniu współczynnika rozdziału energii kd pomiędzy superkondensator i akumulator zapewniającego minimalizację strat mocy ΔP po stronie napięcia stałego układu przekształtnikowego w czasie rozruchu, jazdy i hamowania pojazdu. Poszukiwana jest zależność sumy strat mocy ΔP od współczynnika rozdziału mocy k d. W analizie strat energii należy uwzględnić: straty na rezystancji wewnętrznej akumulatorów, P aku = i 2 aku. r aku straty na rezystancji wewnętrznej superkondensatora P SC = i 2 SC. r SC, straty na rezystancji dławika przekształtnika DC/DC P L = i 2 SC. r L,. 74

5 Moc falownika P f jest równa mocy obciążenia P obc powiększonej o straty silnika. Suma strat mocy w zintegrowanym zasobniku energii EV: Minimum strat mocy można znaleźć przyrównując pochodną do zera: gdzie [23]: (1) (2) (3) (3) W określonej temperaturze napięcie u aku jest liniową funkcją stanu naładowania SOC [30]. Rezystancja r aku wzrasta ze spadkiem stanu naładowania SOC. Na rys. 5 pokazano charakterystyki zmian napięcia i rezystancji wewnętrznej baterii akumulatorów kwasowo-ołowiowych u aku nominalne =48V typu US2200. Rys.5. Charakterystyki: a) zmian napięcia, b) rezystancji wewnętrznej w funkcji SOC akumulatorów. Maksymalna wartość napięcia superkondensatorów U sc(max) powinna zmieniać się wraz z prędkością pojazdu. Napięcie na superkondensatorze zapewniające, przy określonej prędkości v, odebranie przez superkondensator energii hamowania pojazdu o masie m, pomniejszonej o straty można wyznaczyć ze wzoru [30]: (4) W algorytmie sterownia należy uwzględnić, że gęstość mocy superkondensatora P SC oraz prąd maksymalny I SC(max) zależą od napięcia u SC. W algorytmie rozdziału energii zasobnika pojazdu elektrycznego przyjmuje się uśrednione wartości mocy falownika, rezystancji wewnętrznej r akuav (SOC) = r akuav = const i stanu naładowania akumulatora u akuav (SOC) = u akuav = const za okresy czasu wynikające ze stałej czasowej zmian prędkości pojazdu. Wraz ze zmianą napięcia superkondensatora punkt odpowiadający wartości współczynnika rozdziału energii kd przesuwa się po charakterystyce z rys. 6. Każda zmiana rezystancji wewnętrznej akumulatora powoduje zmianę nachylenia charakterystyki. Rys. 6. Charakterystyka zmian współczynnika rozdziału energii k d zasobnika energii w funkcji napięcia superkondensatora u SC dla stanów naładowania baterii akumulatorów SOC=70% oraz SOC=90%. 75

6 5. STANOWISKA BADAWCZE POJAZDÓW EV W laboratorium Katedry Automatyki Napędu Elektrycznego WEiA PG opracowano kilka stanowisk badawczych pojazdów elektrycznych jedno z nich pokazano na rys. 7. Rys. 7. Stanowisko badawcze z pojazdem Melex napęd z silnikiem indukcyjnym Iskra typ AMT7126 o mocy 5kW i baterią akumulatorów US2200; falownik napięcia MMB Drives z bezczujnikowym sterowaniem i odsprzężoną regulacją wzbudzenia i prędkości; układ superkondensatorów typ BMOD0500 P016 B01 z przetwornicą DC-DC ze sterowaniem rozdziałem energii. Jako układy sterujące zastosowano opracowane na wydziale EiA PG systemy mikroprocesorowe typu SH65L oraz SH363 ze zmiennoprzecinkowymi procesorami sygnałowymi ADSP-21065L oraz ADSP i układami logiki programowalnej FPGA. Użyto interfejsy RS232 i USB do komunikacji DSP i komputerem PC. Oprogramowanie panelu operatora opracowane w języku C zapewnia rejestrację sygnałów w uruchamianym napędzie pojazdu oraz zadawanie parametrów układu regulacji np. zadanego momentu silnika lub zadanego strumienia. Jedną z realizowanych metod sterowania jest sterowanie wektorowe z estymacją zmiennych stanu silnika (rys. 8) [31]. Rys. 8. Struktura układu sterowania polowo zorientowanego pojazdu elektrycznego. Metoda sterowania wektorowego - polowo zorientowanego (FOC) jest obecnie powszechnie stosowana w nowoczesnych przemysłowych układach napędowych z silnikami klatkowymi. W metodzie sterowania polowo zorientowanego regulacja silnika odbywa się dla składowych prądu stojana w wirującym układzie współrzędnych wirujących dq. Składowa d prądu umożliwia regulację strumienia w silniku, natomiast kombinacja składowych d oraz q służy do regulacji momentu na wale silnika. Przez zastosowanie bloku odprzężenia w torze regulacji składowych d oraz q regulacja strumienia i momentu silnika może odbywać się niezależnie. Dzięki temu uzyskuje się dla silnika asynchronicznego klatkowego lepsze właściwości napędowe niż dla obcowzbudnej maszyny prądu stałego. Niezbędne w procesie regulacji zmiennych stanu silnika obliczane są w czasie rzeczywistym na podstawie mierzonego napięcia baterii akumulatorów prądów fazowych silnika oraz wprowadzonych równań modelu matematycznego maszyny. Obliczana jest m.in. prędkość obrotowa silnika jak również strumień magnetyczny silnika oraz kąt położenia wektora strumienia jak też moment elektromagnetyczny. 76

7 6. WPŁYW POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH NA SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY Podstawowym pytaniem jest czy, przy przewidywanym wzroście ilości EV, obecny system elektroenergetyczny podoła zwiększonemu zapotrzebowaniu na moc. Zgodnie z danymi Instytutu Badań Rynku Motoryzacji SAMAR [32] ilość samochodów osobowych zarejestrowanych w Polsce przekracza 17 mln sztuk. Według przewidywań w roku 2020 co 10 samochód będzie EV [33]. Ponieważ energia baterii EV wynosi obecnie średnio ok. 20 kwh to w trybie ładowania 10 godzinnego pojazd EV stanowi dla SEE obciążenie 2kW. Przy 1,7 mln pojazdów i ekstremalnym współczynniku jednoczesności ładowania będzie to stanowić obciążenie dla SEE o mocy 3,4 GW. W Polsce, według stanu z października 2010, sumaryczna moc zainstalowana w elektrowniach wynosi 35,9 GW. Z zestawienia tych danych wynika, że w przyszłości EV mogą mieć istotny wpływ na pracę SEE. W rzeczywistości obciążenie systemu będzie mniejsze, gdyż jedynie część pojazdów będzie równocześnie ładowana. Pozytywnym jest to, że główny proces ładowania EV przypada na godziny noce. W tych czasie w SEE jest nadmiar mocy. W godzinach obciążeń szczytowych SEE większość użytkowników EV jest w drodze dom-praca jedynie mała liczba EV będzie ładowana w tym okresie rys. 9. Ładowanie pojazdów EV w okresach zmniejszonego obciążenia SEE umożliwia stabilizację SEE przez zmniejszenie nierównomierności obciążenia. Rys. 9. Dobowy rozkład obciążeń systemu elektroenergetycznego [34]. Czynnikiem sprzyjającym ładowaniu większości pojazdów w okresach zmniejszonego zapotrzebowania na energię elektryczną jest istotne zróżnicowanie taryf energii. Możliwe są scenariusze, że przy zastosowaniu układów inteligentnych ładowania EV, wybierane będą automatycznie momenty pracy układu ładującego aby zapewnić minimalizację kosztów energii kosztów tankowania pojazdów. Osobnym zagadnieniem związanym z wpływem EV na system EE jest wzrost ilości przekształtników energoelektronicznych ładowarek. Typowa struktura takiego układu wykorzystuje przetwarzanie pośrednie AC/DC/DC/AC transformator wysokiej częstotliwości i prostowanie końcowe AC/DC rys. 10. Rys. 10. Typowa struktura przekształtnika do ładowania baterii akumulatorów. Zastosowanie na wejściu ładowarki prostownika diodowego powoduje, że prąd pobierany z sieci jest silnie odkształcony rys. 11. Rys. 11. Kształt prądu wejściowego pobieranego z sieci EE dla ładowarki z rys

8 Przy dużej ilości układów ładujących o strukturze z rys. 10 nastąpi niedopuszczalny wzrost wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym. Dlatego, układy ładowarek EV muszą mieć bardziej rozbudowana strukturę zapewniająca pobór z sieci prądu sinusoidalnego przy jednostkowym współczynniku mocy. Jest to możliwe jeśli wejściowy prostownik diodowy zastąpi się prostownikiem sterowanym tranzystorowym. Taki układ pozwala też na zwrot energii do sieci co jest podstawą koncepcji V2G. 7. POJAZDY ELEKTRYCZNE JAKO ZASOBNIKI ENERGII KONCEPCJA V2G (VEHICLE-TO-GRID) Pojazdy z napędem elektrycznym można traktować jako ruchome, rozproszone źródła zasilania. Wyposażenie pojazdu w przetwornicę energoelektroniczną o dwukierunkowym przepływie energii (rys 12) umożliwia przetworzenie energii akumulatorów na energię prądu zmiennego, którą można przekazać do sieci elektroenergetycznej. Rys. 12. Układ przekształtnika dla V2G przekształtnik o dwukierunkowym przepływie energii. Ilość energii elektrycznej pojedynczego pojazdu zawiera się w granicach od paru kwh do ponad kilkudziesięciu kwh tab. 2. Jest to ilość energii pomijalna dla systemu elektroenergetycznego. Jednak przewidywany znaczący wzrost liczby takich pojazdów, będzie umożliwiał realne wykorzystanie EV jako zasobników dla SEE. Tab. 2. Zestawienie parametrów osobowych pojazdów elektrycznych [35] Renault Kia Ray Toyota Zoe EV iq EV ActiveE Focus El Partner El Moc silnika 65 kw kw 100 kw 42 kw 11.6 Typ baterii Li-Ion LiPo Li-Ion Li-Ion Li-Ion Na-NiCl Li-Ion Energia baterii 22 kwh 16.4 kwh 11 kwh 32 kwh 23 kwh 23.5 kwh 7 kwh Zasięg 210 km 139 km 105 km 240 km 122 km 120 km 100 km Prędkość max. 135 km/h 130 km/h 125 km/h 145 km/h 136 km/h 110 km/h 90 km/h BMW Ford Peugeot Re-Volt Przy wykorzystaniu zasobników EV trzeba pamiętać, że tylko część pojazdów jest jednocześnie ładowana, różny jest ich stopień naładowania baterii oraz zmienny rozkład umiejscowienia podłączenia do SEE. Ilość energii, którą można pobrać z baterii EV uzależniona jest też od zezwolenia użytkowników EV planujących najbliższe jazdy. Uwzględnienia wymaga też sprawność układów przetwarzania energii pomiędzy EV a SEE. Wydaje się więc, że bieżąca dostępność zasobników EV jest trudna do oszacowania. Jednak można to będzie ocenić z dużym prawdopodobieństwem analogicznie jak ocenia się obecnie prawdopodobieństwo obciążenia SEE. Koncepcja konwersji energii pojazdów EV do SEE jest podstawą technologii, określanej jako V2G (ang. Vehicle-to-Grid), która została po raz pierwszy przedstawiona w pracy [36-38]. Wykorzystanie technologii V2G w strukturze sieci EE pokazano na rys. 13. Koncepcja V2G obejmuje zagadnienia zarówno techniczne jak i ekonomiczne. Energię z EV można użyć do stabilizacji SEE, podtrzymania zasilania w sieci lokalnej a nawet do kompensacji mocy biernej i harmonicznych w sieci ograniczonej czy też regulacji mocy w systemie [39]. Wykorzystanie EV z V2G we wtórnej regulacji SEE przez rozproszenie i niepewność umiejscowienia utrudnia użycie do procesów regulacji wtórnej SEE. Łatwiejsze będzie użycie do bilansowania energii pochodzącej z rozproszonych lokalnych odnawialnych źródeł energii, szczególnie charakteryzujących się duża zmiennością generowanej energii np. elektrowni wiatrowych [40]. 78

9 Rys. 13. Koncepcja technologii V2G [36]: (1) elektrownie zawodowe, (2) rozproszone źródła energii odnawialnej, (3) linie przesyłowe wysokich i średnich napięć, (4) sieci dystrybucyjne niskiego napięcia, (5) indywidualne stacje ładowania domy mieszkalne, (6) grupowe stacje ładowania parkingi, zakłady pracy, centra handlowe, biura, urzędy, (7) centrala Operatora Systemu, (8) pojazdy EV z indywidualną łącznością z Operatorem Systemu, (9) pojazdy EV w grupowych stacjach ładowania łączność z Operatorem Systemu realizowana przez centralny układ grupowej stacji ładowania. Wprowadzenie V2G wymaga specjalizowanych przetwornic ładowania i odpowiedniej infrastruktury. Niezbędna jest koordynacja rozproszonych magazynów energii przez łączność pomiędzy EV a centralą operatora systemu. Można tu użyć powszechne systemy GSM i GPS. Do komunikacji z grupowymi punktami ładowania EV komunikacja z EV odbywać mogła by się pomiędzy punktem nadzorującym ładowanie grupowe pojazdów a centrum operatora systemu. Istotnym elementem V2G jest układ pomiarowy do precyzyjnego pomiaru ilości energii pobranej i oddawanej do rozliczenia finansowego miedzy operatorem SEE a kierowcą EV. System rozliczania finansowego w V2G można wyobrazić sobie jako odpowiednik obecnie działających systemów rozliczeń telefonów komórkowych. Ponieważ pojedynczy użytkownik EV nie jest raczej interesujący dla operatora SEE najprawdopodobniejszym rozwiązaniem jest wprowadzenie szeregu małych firm usługodawczych pośredniczących pomiędzy użytkownikami EV a operatorem SEE. Być mogło by to być dodatkowym obszarem działalności operatorów sieci telefonii GSM, których infrastruktura pozwala już obecnie na realizację takich rozwiązań. Podstawowym zastrzeżeniem w stosunku do V2G jest to że użytkownicy pojazdów nie będą chcieli aby baterie ich pojazdów były rozładowywane co uniemożliwiało by im późniejszą jazdę. Konieczne jest więc zapewnienie możliwości ograniczenia dopuszczalnego stopnia rozładowania baterii w zależności od czasu i zasięgu planowanej jazdy przy użyciu odpowiedniego panelu sterującego na desce rozdzielczej pojazdu. Dodatkowe układy nie są barierą ograniczająca V2G. Wzrost ceny pojazdu EV dostosowanego do V2G jest oceniany jako nieznaczny w porównaniu z ceną całego pojazdu [41]. Korzyści ekonomiczne kierowców sprzedawców energii z magazynów EV będą przyczyniać się do rozwoju sieci V2G. 8. ROZWIĄZANIA UKŁADÓW ŁADOWANIA POJAZDÓW. W Polsce Konsorcjum Green Cars zrealizowało projekt budowy testowych punktów ładowania EV w miejscach publicznych (120 terminali) i prywatnych (20 terminali). Każdy z publicznych terminali jest obiektem trzystanowiskowym. Na każdym stanowisku jest typowe jednofazowe gniazdo elektryczne 230V 50Hz z zabezpieczeniem 32A. Ładowanie pojazdu wymaga posiadania specjalnej karty pozwalającej na identyfikację użytkownika. Punkty będą eksploatowane do testów centralnego systemu monitorowania. Dzięki temu zgromadzone zostaną dane z 2 letniego okresu eksploatacji EV. Pozwoli to na ocenę przygotowanej infrastruktury ładowania EV [42]. 79

10 Ładowanie bezprzewodowe Typowe układy ładowania baterii pojazdów wymagają połączenia stykowego wtyk gniazdo. Wadą tego rozwiązania są: konieczność każdorazowego podłączenia i odłączenia przewodu przez użytkownika, niebezpieczeństwo porażenia oraz kłopoty z podłączeniem w przypadku ośnieżenia / oblodzenia pojazdu. Do wad można zaliczyć tez obniżenie estetyki pojazdu. Z tych względów korzystnym rozwiązaniem jest wykorzystanie bezprzewodowych układów ładowania. Najbardziej obiecujące jest zastosowanie przekazywania energii na zasadzie indukcji magnetycznej dwie cewki, jedna w pojeździe druga w miejscu postojowym, sprzężone są magnetycznie i tworzą transformator z dużą szczeliną powietrzną. Oprócz wygody obsługi, zaletą układów ładowania bezprzewodowego jest większą odporność na wandalizm w porównaniu ze zwykłymi stacjami ładowania typu słupek z gniazdkiem. Systemy bezprzewodowego zasilania wykorzystywane są w zakładach przemysłowych do zasilania elementów linii produkcyjnych. Prace nad takimi układami w zastosowaniu dla samochodów elektrycznych trwają już od wielu lat opracowywane są liczne prototypy m.in. rozwiązanie takich stacji ładowania przygotowywano już w latach dla eksperymentalnej serii pojazdów General Motors EV1 i EV2 [43] przy wykorzystaniu systemu Magne Charge [44]. Obecnie spotyka można już rozwiązania komercyjne. np. Inductive Power Transfer IPT [45], Numexia [46]. Komercyjne rozwiązanie IPT firmy Conductix-Wampfler zastosowano w Turynie we Włoszech. Uruchomiono dwie linie autobusowe na których kursują łącznie 23 pojazdy elektryczne. Są to autobusy o masie własnej 7.5 t przeznaczone dla 37 pasażerów. Autobusy napędzane są silnikami elektrycznymi o mocy 120 kw i wyposażone są w baterie akumulatorów żelowych o pojemności 180 Ah. Długość linii to 12 km trasa tam i z powrotem. Na przystanku początkowym i końcowym umieszczono stacje ładowania bezprzewodowego o mocy 30 kw. Baterie autobusów podładowywane są w trakcie postojów co pozwala im pokonać wielokrotnie trasy w ciągu dnia - dzienny pokonywany dystans wynosi do 200 km [47]. Ładowanie pojazdu odbywa się po zaparkowaniu na specjalnie przygotowanym miejscu postojowym, w którym zamontowana jest uzwojenie strony pierwotnej transformatora. Cewka ta zasilana jest prądem przemiennym o wysokiej częstotliwości wytwarzanym w przetwornicy energoelektronicznej zasilanej z sieci EE. Energia prądu zmiennego przekazywana jest do uzwojenia wtórnego a następnie przetwarzana w przetwornicy pojazdu na prąd stały, którym ładowana jest bateria pojazdu. rys. 14. Rys. 14. Schemat blokowy systemu bezprzewodowego ładowania [48] Uzyskanie zadowalającej sprawności takiego przetwarzania energii wymaga wysokiej częstotliwości pracy uzyskiwanej np. poprzez zastosowanie falowników rezonansowych. W urządzeniach ładowania ilość energii przekazywanej z uzwojenia pierwotnego jest uzależniona od rozmiarów cewki oraz amplitudy i częstotliwości napięcia zasilającego cewkę. Dla przekształtnika AC/DC/AC z prostownikiem diodowym i falownikiem napięcia, amplituda napięcia cewki jest ograniczona przez dostępne źródło zasilania np. sieć jednofazową 230V 50Hz. Rozmiary cewki ograniczone są rozmiarami podwozia samochodu. Największe możliwości daje więc zwiększenie częstotliwości pracy układu. Dla krzemowych tranzystorów mocy można osiągnąć obecnie częstotliwości rzędu kHz. Nowe możliwości stwarza zastosowanie dostępnych od roku na rynku tranzystorów mocy z materiału węglika krzemu SiC, które umożliwiają pracę przy częstotliwościach przełączeń do kilkuset khz. Podstawowe znaczenie dla sprawności takich układów ma jak najlepsze sprzężenie magnetyczne uzwojeń. Z uwagi na dużą szczelinę powietrzną transformatora, współczynnik sprzężenia uzwojeń jest niski rzędu [49]. Dla układów ładowania bezprzewodowego opracowywany jest przez międzynarodowe zrzeszenie inżynierów przemysłu lotniczego i samochodowego SAE International (Society of Automobile Engineers) dokument standardu SAE J2954 określający 80

11 minimalne parametry i kryteria bezpieczeństwa [50]. Zgodnie z tym opracowaniem należy dążyć do uzyskania sprawności większej od 90%. Przy ocenie układów ładowania bezprzewodowego istotnymi parametrami są: moc układu, determinująca czas ładowania pojazdu, maksymalny dopuszczalny odstęp między powierzchnia parkingową a podwoziem pojazdu, sprawność przetwarzania energii określana pomiędzy zasilaniem z sieci EE a zaciskami baterii akumulatorów, dopuszczalna tolerancja pozycjonowania pojazdu na miejscu parkingowym, rozmiary i waga szczególnie istotne dla części układu znajdującej się w samochodzie. Zestawienie parametrów układów ładowania prototypów i rozwiązań komercyjnych przedstawiono w tab. 3. Z zestawienia wynika, że układy lądowania bezprzewodowego mają już obecnie parametry umożliwiające praktyczne stosowanie. Tab. 3 Zestawienie wybranych układów ładowania bezprzewodowego EV Producent Moc Częstotliwość Odległość między cewkami Tolerancja pozycjonowania Waga, wymiary Uniwersytet Auckland, 2 kw 38,4 khz mm mm Cewka wtórna Nowa Zelandia [51] 7kg, średnica 420 mm Saitama University, Japonia [52] Inductive Power Transfer IPT Conductix-Wampfler, Niemcy [45] On-Line Electrical Vehicle KAIST OLEV [53] 1.5 kw 50 khz mm ±125 mm Cewka wtórna 4,6 kg Rdzeń ferrytowy 240x250 mm Sprawność 85% 95% dla samego transformatora 30 kw mm mm? 80% 3 kw 20 khz 10 mm? 10 kg 80% 6 kw 20 khz 170 mm? 80 kg 72% 17 kw 20 khz 170 mm? 110 kg 71% Oak Ridge National Laboratory ONRL, USA [54] 4 kw 20 khz 254 mm? Bezrdzeniowy, cewka 1016x762 mm HaloIPT [55] 3 kw 20 khz mm ± 150 mm Cewka 800x400x30 mm 92% 85% Bezpieczeństwo Istotnym zagadnieniem jest wpływ pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości na organizmy żywe. Standardy w tym zakresie definiowane są przez instytut ICNIRP (International Committee on Non-Ionizing Radiation Protection) [56]. Dla częstotliwości wchodzących w zakres układów bezprzewodowego ładowania ( khz) dopuszczalne jest narażenie organizmów żywych na pole magnetyczne o indukcji do 6.25 μt [57]. Metalowe podwozie samochodu oraz kształt rdzenia cewek zapewniają brak promieniowania we wnętrzu pojazdu. Najbliższy kontakt z polem magnetycznym jest przy wyjściu z pojazdu. Jednak oddalenie cewki od progu pojazdu zapewnia w tym miejscu indukcję spełniająca warunek bezpieczeństwa. W pomiarach pokazanych w [53], dopuszczalna B =6.25 μt zmierzona została w odległości 900 mm od środka cewki zapewniając spełnienie wymagań szerokiego pojazdu elektrycznego. Dodatkowym zabezpieczeniem może być uzależnienie startu ładowania od obecności kierowcy w pojeździe i jego pobliżu. Współpraca układów ładowania bezprzewodowego z siecią EE Zastosowanie układów ładowania bezprzewodowego zgodnie z koncepcją V2G wymaga zastosowania bardziej złożonego układu energoelektronicznego umożliwiającego dwukierunkowy przepływ energii [58]. Z powodu złożoności takiego układu i związanych z tym kosztów nie jest to rozwiązanie efektywne ekonomicznie. Współpraca pomiędzy EV z układami ładowania bezprzewodowego a siecią EE będzie raczej ograniczona jedynie do uzależnienia okresu ładowania od dobowego obciążenia sieci EE. 81

12 Ładowanie bezprzewodowe pojazdów w czasie jazdy Wysoki koszt zakupu pojazdów elektrycznych wynika z ceny baterii. Dlatego poszukiwane są rozwiązania pozwalające na zmniejszenie ilości energii elektrycznej, która gromadzona jest w pojeździe. Jedną z idei zmierzających w tym kierunku jest elektryfikacji dróg, pozwalająca na dostarczanie energii do pojazdów w czasie ruchu. Według analiz pokazanych w [59] Przy wprowadzeniu elektryfikacji dróg cena EV będzie porównywalna z ceną pojazdów spalinowych przy pominięciu kosztów koniecznej infrastruktury. Jednocześnie elektryfikacja dróg eliminuje ograniczenie zasięgu pojazdów EV [60]. Wysoka sprawność konwersji energii wymusza aby energia była dostarczana jedynie do sekcji drogi, po której aktualnie porusza się pojazd. Elektryfikacja dróg umożliwia też efektywne wykorzystanie rozproszonych źródeł energii odnawialnej, które mogą dostarczać energie do pobliskich odcinków zelektryfikowanych dróg. 9. ZAKOŃCZENIE Zalety pojazdów elektrycznych stanowią istotną zachętę do upowszechniania tego rodzaju transportu. Sprzyja temu obserwowany szybki rozwój technologii układów napędowych, maszyn elektrycznych oraz akumulatorów energii elektrycznej. Jednak warunkiem nieodzownym jest zapewnienie odpowiedniej infrastruktury ładowania akumulatorów oraz związanych z tym systemowych rozwiązań finansowych. Koszty związane z rozwojem takiej infrastruktury są związane głównie z budową licznych, dostępnych punktów ładowania EV. System energetyczny już obecnie powinien podołać zwiększonemu zapotrzebowaniu na energię do ładowani EV przy założeniu, że większość ładowań będą to ładowania wolne w porze nocne. Przy takim założeniu pojazdy EV będą stanowić korzystny dla SEE odbiornik energii. Rozwiązania V2G umożliwią zwiększenie niezawodności pracy SEE oraz wzrost ilości rozproszonych źródeł energii odnawialnej. Obecnie nie ma przeszkód technicznych uniemożliwiających rozwój powszechnej komunikacji z użyciem EV. Konieczne są jednak działania promocyjne i upowszechnianie wiedzy o EV. BIBLIOGRAFIA [1] aut_osobowych.htm [2] [3] Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, [4] [5] Mizan M., Karwowski K.: Pojazdy z elektrycznym niezależnym napędem kół - algorytmy sterowania i badania modelowe. Konferencja Technicon, Gdańsk [6] Ehsani M., Gao Y., Emami A.: modern electric, hybryd electric and fuel cell vehicles. fundamentals, theory and design, CRC Press, Taylor&Francis Group, 2010 [7] Miller J. M.: Energy Storage System Technology Challenges facing Strong Hybrid, Plugin and Battery Electric Vehicles, IEEE Conference VPPC (2009), [8] Dixon J., Nakashima I., Arcos E.F., Ortúzar M.: Electric vehicle using a combination of ultracapacitors and ZEBRA battery, IEEE Trans. Ind. Electron, 57 (2010), n. 3, [9] Trojan Battery Company: [10] [11] GLOBALPOWER: [12] Miller J. M.: Energy storage system technology challenges facing strong hybrid, plugin and battery electric vehicles, IEEE Conference VPPC (2009), 4-10, [13] Szczęsny D., Drabik G.: Silniki wysokosprawne z klatką miedzianą, Napędy i sterowania, nr 12, 2007 [14] [15] Wiak S., Welfle H.: Silniki tarczowe w napędach lekkich pojazdów elektrycznych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, [16] Nelson A., Chow M.: Electric vehicles and axial flux permanent magnet motor propulsion systems, IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, vol. 46, no. 4, pp..3-6, Dec [17] [18] [19] Yang Y.P., Cheung C.H., Wu S.W., Wang J.P, Optimal design and control of axial-flux brushless dc wheel motor for electrical vehicles, Proceedings of the 10th Mediterranean Conference on Control and Automation - MED2002 Lisbon, Portugal, July 9-12,

13 [20] Chang J., Lee J., Kim J., Chung S., Kang D., Weh H.: Development of rotating type transverse flux machine, Materiały konferencyjne IEEE International Electric Machines & Drives Conference, IEMDC '07. [21] Yu-Sheng Hsu and Mi-Ching Tsai, Development of a novel transverse flux wheel motor, IEEE Trans. Magn., vol. 47, no. 10, pp , [22] Gartner, M., Seibold, P., Parspour, N.: Laminated circumferential transverse flux machines - lamination concept and applicability to electrical vehicles, IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), May 2011, Niagara Falls, USA, pp [23] Adamowicz M., Kamiński J., Szewczyk J., Krzemiński Z.: Sterowanie rozdziałem energii w układach przekształtnikowych pojazdów elektrycznych i źródeł odnawialnych, X Krajowa Konferencja Naukowa : Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2011, Łódź, listopad 2011 [24] Faggioli E., Rena P., Danel V., Andrieu X., Mallant R., Kahlen H.: Supercapacitors for the energy management of electric vehicles, Journal of Power Sources n. 84 (1999), [25] Pay S., Baghzouz Y., Effectiveness of Battery-Supercapacitor Combination in Electric Vehicles, IEEE Bologna Power Tech Conference (2003). [26] Sousa D.M., Costa Branco P.J., Dente J.A.: Electric bicycle using batteries and supercapacitors, Proc. EPE Conference (2007). [27] Chenghui Z., Qingsheng S., Naxin C., Wuhua L.: Particle Swarm Optimization for energy management fuzzy controller design in dual-source electric vehicle, IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC (2007), pp , [28] Moreno J., Ortúzar M. E., Dixon J. W., Energy-management system for a hybrid electric vehicle, using ultracapacitors and neural networks, IEEE Trans. Ind. Electr., 53 (2006), [29] Pang S., Farrell J., Du J., Barth M.: Battery state-of-charge estimation, Proc. American Control Conference (2001), [30] Guidi G., Undeland T. M, Hori Y.: Effectiveness of supercapacitors as power-assist in pure ev using a sodium-nickel chloride battery as main energy storage, EVS24 International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium (2009). [31] Guziński J.: Napęd pojazdu elektrycznego z silnikiem asynchronicznym klatkowym. Miesięcznik techniczno - informacyjny Napędy i Sterowanie. Nr 2 - Luty 2010.[32] Strona internetowa IBRM Samar [33] Strona internetowa [34] Gładyś H., Matla R.: Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym. Wrocław Warszawa, WNT 1999 [35] [36] Kempton, W., Letendre, S.E.: Electric vehicles as a new power source for electric utilities. Transportation Research Part D 2 (3), 1997., pp ] [37] [38] Projektu V2G [39] Jarnut M., Benysek G.: Zastosowanie układów energoelektronicznych w technologii SmartGrid i V2G (Vehicle To Grid), Przegląd Elektrotechniczny, 2010/6. [40] Pillai, J.R., Bak-Jensen, B.: Integration of vehicle-to-grid in the western Danish power system, IEEE Transactions on Sustainable Energy, Jan Vol. 2 No. 1, pp [41] Letendre S.E., Kempton W.: The V2G concept: a new for model power? Public Utilities Fortnightly February 15, [42] [43] [44] [45] Conductix-Wampfler: IPT Charge for Electric Vehicles, katalog [46] [47] Reference REF E, E-Mobility, Inductive Power Transfer IPT Conductix-Wampfler [48] Miller J.M., Wireless power transfer fundamentals and challenges, IECON 2011, Melbourne, Australia. [49] Nagatsuka Y., Ehara N., Kaneko Y., Abe S., Yasuda T.: Compact contactless power transfer system for electric vehicles, Power Electronics Conference (IPEC), 2010, pp [50] [51] Chang-Yu H., Boys J.T., Covic G.A., Budhia M.: Practical considerations for designing IPT system for EV battery charging, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC '09., 2009, pp [52] Nagatsuka Y., Ehara N., Kaneko Y., Abe S., Yasuda T.: Compact contactless power transfer system for electric vehicles," in Power Electronics Conference (IPEC), 2010, pp ] [53] Huh J., Lee S., Park C., Cho G.-H., Rim C.-T.: High performance inductive power transfer system with narrow rail width for on-line electric vehicles," IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010, pp [54] Miller J.M.: Wireless plug-in electric vehicle (PEV) charging, Oak Ridge National Laboratory presentation - url?sa=t&rct=j&q=wireless%20power%20charging%20miller%20 oak%20ridge%20national%20laboratory&skurce=web&cd=2&sqi=2&ve 83

14 d=0ccsqfjab&url=http%3a%2f%2fwww.ornl.gov%2fadm%2fpartnerships%2fevents%2fpower_electronics%2fpresentations%2ft2-f- Wireless_Power_Transfer.pdf&ei=6NVQT-22AYKeOrS19ZMK&usg=AFQjCNH_Wp6SF06MK alswe7jictmqjyv3a&cad=rja [55] [56] [57] ICNIRP, "Guideline for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields," [58] Madawala U.K., Thrimawithana D.J.: A ring inductive power transfer system, IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2010, pp [59] Brooker A., Thornton M., Rugh J.: Technology improvement pathways to cost effective vehicle electrification, SAE2010 World Congress, Detroit, Michigan, [60] Wu, H.H., Gilchrist A., Sealy K., Israelsen P., Muhs J.: A review on inductive charging of electric vehicles, IEEE 2011 International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC