Zdzis aw Juda Politechnika Krakowska, Pracownia Mechatroniki Samochodowej Kraków, ul. Warszawska 24, tel.:

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 3-4 Zdzis aw Juda Politechnika Krakowska, Pracownia Mechatroniki Samochodowej Kraków, ul. Warszawska 24, tel.: The ability of secondary sources of energy to the storage of the energy is connected with essential parameters of hybrid vehicle (HEV - Hybrid Electric Vehicle) that is with the maximum range, with the ability to rise and the vehicle acceleration. The same parameters influence also on the durability of traditional secondary sources (SES - Secondary Energy Source)- electrochemical batteries (EB - Electrochemical Battery). The extension of the durability of the battery, and consequently the decrease of operating costs of HEV, makes possible the use of additional SES in the form the sets of super capacitors (SCAP - Super capacitor). These elements appear under names: super capacitor, ultra condenser, and pseudo condenser. In the English literature there is besides the name (EDLC - Electric Double Layer Capacitor). SCAP are characterized with very high capacities up to 2700 F for the single module, at the tension approx 2.5 V. In the relationship with large capacities, SCAP have also very high values of the specific power (PD - Power Density) expressed in W/ kg. The limited durability of the battery (CL - Cycle Life) is connected with a number and a depth of charges/discharges (DoD - Depth of Discharge). The time of the charge and the discharge of the battery are much longer than Super capacitors, because chemical reactions are dependent on time. Super capacitors can be loaded and unloaded almost without barred quantitative, and the time of the discharge can be very short - stored energy is accessible in the course milliseconds. The value of received current can be very high without the risk of the damage. One from cases of the SCAP use is the state of the applying of the brake of the regeneratory vehicle during which gained over is the peck of the energy in the short time (several seconds). Other is by fortune the possibility of the aid of the basic source of energy during the start or accelerating of the vehicle. Then large quantity of the energy with controlled microprocessors energy electronic sets can be delivered to the vehicle drive in several seconds. The velocity of charge and discharge depends on low resistance of internal super capacitor. The association of the battery with the sets of super capacitors demands uses of computer drivers and energy electronic transforms for the proper management energy conversions. In the article one introduced {one represented} The idea of the super capacitors' use to the association with the battery and results of simulations of the energy brake salvage in the small vehicle with the electric drive intended mostly to the traffic in antique centres of cities is presented in the paper. BUFOROWE WTÓRNE RÓD O ENERGII Z SUPERKONDENSATORAMI W ZASTOSOWANIU DO NAP DU ELEKTRYCZNEGO POJAZDÓW Zdolno wtórnych róde energii do magazynowania energii jest zwi zana z istotnymi parametrami pojazdu hybrydowego (HEV Hybrid Electric Vehicle): maksymalnym zasi giem, zdolno ci pokonywania wzniesie i rozp dzaniem pojazdu. Te same parametry wp ywaj tak e na ywotno tradycyjnych wtórnych róde (SES Secondary Energy Source) - baterii elektrochemicznych (EB Electrochemical Battery). Wyd u enie ywotno ci baterii, a tym samym obni enie kosztów eksploatacyjnych HEV, umo liwia zastosowanie dodatkowego SES w postaci zespo u superkondensatorów (SCAP Supercapacitor). Elementy te wyst puj pod nazwami: superkondensator, ultrakondensator, pseudokondensator. W literaturze angloj zycznej spotykana jest ponadto nazwa (EDLC - Electric Double Layer Capacitor). SCAP charakteryzuj si bardzo wysokimi pojemno ciami dochodzacymi do 2700 F dla pojedynczego modu u, przy napi ciu rz du 2.5 V. W zwi zku z du ymi pojemno ciami SCAP maj te bardzo wysokie warto ci mocy jednostkowej (PD Power Density) wyra onej w W/kg. Ograniczona trwa o baterii (CL Cycle Life) jest zwi zana z liczb i g boko ci adowa /roz adowa (DoD Depth of Discharge). Czas adowania i roz adowania baterii jest o wiele d u szy ni superkondensatorów, poniewa reakcje chemiczne s uzale nione czasowo. Superkondensatory mog by 141

2 adowane i roz adowywane prawie bez ogranicze ilo ciowych, a czas roz adowania mo e by bardzo krótki zmagazynowana energia jest dost pna w ci gu milisekund. Warto pobieranego pr du mo e by bardzo wysoka bez ryzyka uszkodzenia. Jednym z przypadków wykorzystania SCAP jest stan hamowania regeneracyjnego pojazdu, podczas którego pozyskiwana jest du a ilo energii w krótkim czasie (kilku sekund). Innym przypadkiem jest mo liwo wspomagania podstawowego ród a energii w czasie startu lub rozp dzania pojazdu. Wówczas du a ilo energii za po rednictwem sterowanych mikroprocesorowo uk adów energoelektronicznych mo e by dostarczona do nap du pojazdu w ci gu kilku sekund. Szybko adowania i roz adowania wynika z niskiej rezystancji wewn trznej superkondensatora. Wspó praca baterii z zespo em superkondensatorów wymaga zastosowania sterowników komputerowych i przekszta tników energoelektronicznych dla w a ciwego zarz dzania przemianami energii. W artykule przedstawiono koncepcj zastosowania superkondensatorów do wspó pracy z bateri oraz wyniki przeprowadzonych symulacji odzysku energii hamowania w ma ym poje dzie z nap dem elektrycznym przeznaczonym g ównie do ruchu w zabytkowych centrach miast. 1. Wprowadzenie Osi gni cie wystarczaj co wysokich warto ci takich parametrów jak zasi g pojazdu z nap dem elektrycznym (bez zewn trznego uzupe niania energii), zdolno pokonywania wzniesie i przyspieszania warunkuj zapotrzebowanie rynku na tego typu pojazdy. Ponadto koszty ponoszone w ci gu ca ego okresu eksploatacji pojazdu zale w du ej mierze od dojrza o ci technicznej zastosowanych rozwi za szczególnie dotyczy to róde energii, urz dze do przekszta cania energii oraz systemów sterowania. Jednostka nap dowa ka dego pojazdu, dla wywo ania jego ruchu, musi wytwarza moc na ko ach w celu pokrycia oporu aerodynamicznego, oporów ruchu i si grawitacji w czasie pokonywania wzniesie. Ponadto w trakcie przyspieszania pojazd musi pokona si y bezw adno ci, a znacz ca cz energii dostarczonej do systemu podczas przyspieszania jest w konsekwencji bezpowrotnie tracona w czasie hamowania. Dodatkowo potrzebna jest pewna ilo energii na o wietlenie, klimatyzacj czy uk ady wspomagania. Wsz dzie tam, gdzie moment nap dowy jest wytwarzany przez maszyny elektryczne (a tak jest zarówno w pojazdach elektrycznych jak i w pojazdach hybrydowych) mo liwe jest ograniczenie strat energii podczas hamowania pojazdu poprzez skuteczn regeneracj. Energia kinetyczna pojazdu uwolniona podczas hamowania pojazdu konwencjonalnego jest zamieniana na ciep o i ca kowicie tracona, podczas gdy w poje dzie z nap dem elektrycznym lub hybrydowym mo e by zatrzymana w systemie, a konkretnie we wtórnym ródle energii (EB, SCAP). Zastosowanie podwójnego, wtórnego ród a energii na bazie EB oraz SCAP, w którym transfer energii z jednego ród a do drugiego odbywa si po kontrol sterownika komputerowego podniesie energetyczn sprawno ca ego systemu oraz wyd u y czas eksploatacji baterii. adowanie i roz adowanie baterii podlega okre lonym ograniczeniom i powinno odbywa si wed ug w a ciwej procedury, podczas gdy SCAP stanowi ród o o wysokim stopniu dost pno ci (szybkie adowanie/roz adowanie przy praktycznie nieograniczonej liczbie cykli). 2. Przep ywy energii w pojazdach W pojazdach konwencjonalnych praca na ko ach pojazdu jest uzyskiwana z paliwa za po rednictwem silnika spalinowego jako rezultat procesu przetwarzania energii w przypadku silnika spalinowego prowadzonego przy niskiej sprawno ci. Rysunek poni ej (Rys.1) pokazuje uj te procentowo przep ywy energii w redniej wielko ci poje dzie dla dwu cykli jezdnych: miejskiego i autostradowego. Jak wida, wi kszo energii paliwa jest tracona, a jedynie 12,6% ca kowitej energii w cyklu miejskim jest dostarczane do kó pojazdu. W cyklu autostradowym ta ilo wzrasta do oko o 20%. Energia zapotrzebowana przez pojazd mo e by przedstawiona w funkcji czasu jako [10]: 142

3 E mgf t t 3 m 2 2 t vdt K v v p v k, (1) gdzie: m - masa pojazdu [kg], g - przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ], f t - wspó czynnik oporu toczenia (przyj to f t = ) [10], v - pr dko pojazdu [m/s], K - grupuje wspó czynniki oporu aerodynamicznego i powierzchni czo ow pojazdu, v p, v k - odpowiednio pocz tkowa i ko cowa pr dko podczas hamowania [m/s] Poszczególne cz ony równania oznaczaj kolejno energi na pokonanie oporów toczenia, energi na pokonanie oporów powietrza i energi kinetyczn pojazdu, uzyskan w czasie rozp dzania. Du a cz energii kinetycznej (zwykle rozpraszanej i traconej podczas hamowania) mo e by odzyskana je eli pojazd jest wyposa ony w system umo liwiaj cy regeneracj. Rys. 1. Przep ywy energii w redniej wielko ci poje dzie konwencjonalnym Fig. 1. Medium size conventional vehicle energy flow W pojazdach z nap dem elektrycznym i hybrydowym cz energii kinetycznej pojazdu mo e by odzyskana w trakcie hamowania pojazdu (Rys. 2). Rys. 2. Przep ywy energii w poje dzie hybrydowym Fig. 2. Hybrid Electric Vehicle energy flow 143

4 3. Superkondensatory Elektrochemiczne elementy do magazynowania energii wyst puj pod nazwami: superkondensator, ultrakondensator, pseudokondensator. W literaturze angloj zycznej spotykana jest ponadto nazwa Electric Double Layer Capacitor (EDLC). SCAP charakteryzuj si bardzo wysokimi pojemno ciami dochodz cymi do 2700 F dla pojedynczego modu u, przy napi ciu rz du 2.5 V (obecnie zaawansowane technologicznie elementy osi gaj napi cie 2.7 V). Wysoka pojemno jest osi gana dzi ki specjalnej konstrukcji kondensatora. W typowym kondensatorze energia jest magazynowana w postaci adunku elektrycznego na dwu ok adzinach metalowych przedzielonych cienk warstw dielektryka. W typowej baterii elektrochemicznej energia jest magazynowana w postaci chemicznej jako aktywny materia wype niaj cy p yty kratowe stanowi ce elektrody. Co do budowy SCAP przypomina EB. SCAP zbudowany jest z dwu elektrod nas czonych elektrolitem oraz separatora umieszczonego pomi dzy nimi. Dla uzyskania bardzo du ej powierzchni czynnej, elektrody s wykonane z materia u porowatego o rednicach porów rz du nanometrów. Jednostkowa powierzchnia czynna elektrod osi ga 2300 m 2 /g [1,2]. Energia w superkondensatorze jest magazynowana w postaci adunku elektrycznego, gromadz cego si w mikroporach oraz na granicy pomi dzy sta ym materia em elektrod a elektrolitem. Separator zbudowany z materia u przepuszczaj cego jony, rozdziela elektrody o ró noimiennych adunkach elektrycznych. Charakterystyki napi ciowe SCAP i EB ró ni si, wobec czego konieczne jest zastosowanie sterowanych komputerowo przetworników DC/DC w celu transferu energii pomi dzy ród ami o ró nych napi ciach (Rys.3). Rys. 3. Budowa SCAP (z lewej) oraz charakterystyki napi ciowe baterii i SCAP w funkcji czasu (z prawej) Fig. 3. SCAP structure and voltage curves for EB and SCAP 4. Uk ady nap dowe pojazdów elektrycznych z odzyskiem energii Energia uwolniona podczas hamowania pojazdu konwencjonalnego jest ca kowicie tracona, podczas gdy w elektrycznym poje dzie hybrydowym mo e by zatrzymana w systemie (Rys.2), a konkretnie we wtórnym ródle energii (EB, SCAP, ko o zamachowe) [12]. Odzysk energii jest mo liwy, bo maszyna elektryczna mo e pracowa w sposób odwracalny, a wi c jako silnik elektryczny nap dowy lub jako generator w trybie regeneracyjnym podczas hamowania. Szacuje si, e w intensywnym ruchu miejskim w wyniku hamowania regeneracyjnego mo na oszcz dzi do 15% energii. Ilo mo liwej do 144

5 odzysku energii jest ograniczona poniewa proces hamowania odbywa si zazwyczaj w krótkim okresie, przy bardzo du ej ilo ci energii, która si wówczas wydziela. Wielko (moc) elektrycznego silnika nap dowego jest okre lana dla danego pojazdu z punktu widzenia parametrów trakcyjnych pojazdu, a ilo energii mo liwej do odzysku w trakcie hamowania wymaga aby znacznie wi kszej (i ci szej) maszyny, zdolnej do przetworzenia w krótkim czasie du ej ilo ci energii mechanicznej na energi elektryczn. Przewymiarowanie silnika nap dowego jest nieuzasadnione technicznie i ekonomicznie. O ilo ci przej tej energii decyduje sterownik komputerowy w oparciu o przyj t strategi sterowania. Pewna cz energii mo e by potrzebna w przypadku u ycia mechanicznego systemu hamowania pojazdu w celu szybkiego zatrzymania [9]. Program steruj cy kontrolera podejmuje decyzje na podstawie sygna ów pomiarowych z sensorów k towego po o enia peda u przyspieszania i hamulca, a tak e szybko ci zmian tych k tów (Rys.4). krzywa a buck converter (obni aj cy) krzywa b boost converter (podwy szaj cy) krzywa c boost-buck converter (podwy szaj co-obni ajacy) Rys. 4. Wspó praca baterii i superkondenstaorów za po rednictwem przetwornika DC/DC podwy szaj coobni aj cego (z ang. Buck-Boost) Fig. 4. EB and SCAP cooperation with Buck-Boost DC/DC converter Zastosowanie przetwornika DC/DC obni aj co-podwy szaj cego (Buck-Boost Converter krzywa c na rys. 5) umo liwia przekazywanie energii pomi dzy ród ami o ró nych napi ciach [3, 4]. Rys. 5. Schemat uk adu nap dowego z maszyn obcowzbudn Fig. 5. Propulsion system with separately excited motor 145

6 5. Miejski pojazd elektryczny symulacja przep ywu energii Za o enia do projektu systemu odzysku energii Parametry pojazdu koncepcyjnego: 1. Masa (wraz z adunkiem) ok. 500 kg,, silnik el. o mocy P = 2.1 kw (U = 36V) 2. Pr dko pojazdu 25 km/h, redni czas hamowania pojazdu 10 s 3. Obliczona maksymalna ilo energii kinetycznej mo liwej do odzysku 12.5 kj 4. Ilo ogniw SCAP (2.5 V) 42V/2.5V = 17 ogniw (3 modu y BPAK0350 po 6 ogniw), pojemno ogniwa 350 F, sta a czasowa t = 2.5 s 5. Moc obliczona z energii kinetycznej i czasu hamowania P = 12.5 kj/10 s = 1.25 kw Dobrany typ SCAP spe nia wymogi co do pojemno ci, a tak e co do rozk adu napi cia na pojedyncze ogniwa. Dobrane zestawy s wyposa one w system aktywnego wyrównywania napi poszczególnych ogniw SCAP Maxwell BPAK0350 s produkowane z przeznaczeniem do systemów energetycznych pojazdów i charakteryzuj si co najmniej 10 letnim okresem eksploatacji, bardzo nisk rezystancj wewn trzn i du liczb cykli przekraczaj c Masa pojedynczego pakietu m = 0.5 kg, a wymiary d. =216 mm, sz. = 69 mm, a wys.=38 mm. Ca kowita masa stosu wynosi 2.0 kg. Rys. 6. Wyniki symulacji pojazdu z regeneracj energii podczas hamowania Fig. 6. Results of simulation of vehicle with energy recuperation 146

7 Wyniki wst pnych symulacji przeprowadzonych w rodowisku programowym MATLAB/SIMULINK wykazuj zdolno uk adu nap dowego do odzysku pewnej ilo ci energii w czasie hamowania pojazdu. Symulacja zosta a przeprowadzona dla niestandardowego cyklu jezdnego o czasie trwania 240 s i maksymalnej pr dko ci 32 km/h. W trakcie cyklu wyst puj 4 okresy rozp dzania oraz 4 okresy hamowania pojazdu (górna cz rys. 6. Podczas realizacji cyklu stan na adowania wtórnego ród a energii (SOC) systematycznie maleje (za wyj tkiem okresów hamowania odzyskowego punkty zaznaczone na wykresie SOC). Rozpatruj c wykresy pr du oraz mocy buforowego wtórnego ród a energii (dolne wykresy), mo na zaobserwowa przedzia y czasowe, w których pr d i moc przyjmuj warto ci ujemne, co w tym przypadku oznacza przep yw energii do ród a, a wi c regeneracj energii [6, 7, 8]. 6. Konkluzja Ma e pojazdy elektryczne zbudowane na bazie wózków golfowych, ale wyposa one w niezb dne do ruchu na drogach publicznych, wymagane prawnie zespo y bezpiecze stwa mog rozwija pr dko ci do 25 km/h. Nawet przy tak niskich pr dko ciach mo liwy jest odzysk pewnej ilo ci energii, która normalnie jest ca kowicie zamieniana na ciep o i tracona w czasie hamowania pojazdu. Idealnym wtórnym ród em energii do magazynowania i oddawania energii w okresach hamowania i rozp dzania pojazdu jest superkondensator, jako element o nast puj cych cechach: - wysoka ywotno przy wielokrotnych cyklach adowanie/roz adowanie - zdolno przyjmowania i oddawania du ej ilo ci energii w krótkim czasie - wysoka warto g sto ci mocy [W/kg] - wyd u enie ywotno ci baterii poprzez przejmowanie obci e chwilowych - krótkim czasie adowania/roz adowania Dla prawid owego dzia ania ca ego systemu nap dowego z odzyskiem energii niezb dne s wydajne urz dzenia steruj ce, pracuj ce w czasie rzeczywistym. Literatura [1] Burke, Review of Ultracapacitor Technologies for Vehicle Application, [2] Maher, Ultracapacitors and the Hybrid Electric Vehicle, White Paper, Maxwell Technologies. [3] Chan, Chau, Modern Electric Vehicle Technology,Oxford University Press, [4] Husain, Electric and Hybrid Vehicles Design Fundamentals, CRC Press, [5] Miller, Smith, Ultracapacitor Assisted Electric Drives for Transportation, Maxwell Technologies [6] Juda, Simulation of Energy Conversion in Advanced Automotive Vehicles, SAE Paper , ATTCE Congress Barcelona [7] Juda, Hybrid Electric City Car Simulation of Coceptual Solutions, SAE Paper , ATT Congress Paris [8] Juda, Hybrid-Electric City Car Simulation, Journal of KONES, Warszawa 2003, ISSN [9] Juda, Wspó praca baterii elektrochemicznych I superkondensatorów w pojazdach hybrydowych, Konmot-Autoprogress 2004, Zakopane. [10] Si ka, Energoch onno ruchu samochodu, WNT Warszawa, 1997, ISBN

8 [11] Maxwell Technologies, Application Note, How To Determine The Appriopriate Size Ultracapacitor For Your Application. [12] Szumanowski, Fundamentals of Hybrid Vehicle Drives, Wydawnictwo Warsaw-Radom, ISBN , Radom