WPŁYW STANU NAŁADOWANIA BATERII NA ZASIĘG POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W TRAKCIE EKSPLOATACJI

Transkrypt

1 POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 98 Electrical Engineering 2019 DOI /j Arkadiusz DOBRZYCKI *, Michał FILIPIAK *, Jarosław JAJCZYK * WPŁYW STANU NAŁADOWANIA BATERII NA ZASIĘG POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W TRAKCIE EKSPLOATACJI W pracy przedstawiono zagadnienia dotyczące dostarczania i wykorzystania energii elektrycznej w pojazdach samochodowych. Przeanalizowano wpływ poziomu naładowania baterii (napięcia na jego zaciskach) na jego trwałość. Wskazano optymalny (zdaniem autorów) poziom ładowania baterii w zależności od sposobu eksploatacji pojazdu. Przeprowadzone obliczenia porównano z obserwacjami użytkowników pojazdów elektrycznych. Oszacowano graniczny przebieg, po którym powinna nastąpić wymiana pakietów baterii. Rozpatrzono dwa, znacznie różniące się od siebie pojazdy i pokazano, że istnieje korelacja między pojemnością baterii, a spodziewanym przebiegiem do ich wymiany pojazd z większą baterią będzie wymagał jej wymiany, po takiej samej liczbie cykli ładowania przy odpowiednio większym zasięgu. Określono również bezpieczny poziom ładowania baterii pojazdu tak, aby utrzymać jak największy zasięg na jednym naładowaniu baterii. SŁOWA KLUCZOWE: pojazdy elektryczne, ładowanie baterii w pojazdach elektrycznych, eksploatacja samochodów elektrycznych, zasięg pojazdów elektrycznych. 1. WPROWADZENIE Argumentami przemawiającym za stosowaniem pojazdów elektrycznych są ich cechy ekologiczne, tj. minimalna emisja hałasu i brak emisji zanieczyszczeń do powietrza podczas użytkowania. Nie bez znaczenia są niższe, w porównaniu do pojazdów spalinowych, koszty eksploatacji (mniejsza awaryjność, niższe koszty obsługi oraz paliwa). Również parametry jezdne pojazdów elektrycznych (łatwość sterowania oraz wysoki moment napędowy, szczególnie podczas rozruchu) wpływają na ich pozytywny odbiór. Te cechy pozwalają być pewnym, że będą one w przyszłości jednym z wiodących środków transportu. Za najsłabszy punkt pojazdów elektrycznych uważane są ich baterie. To głównie z ich powodu ceny samochodów elektrycznych są znacznie wyższe niż porównywalnych użytkowo samochodów spalinowych. Większość ograniczeń związanych z pojazdami elektrycznymi wynika z zastosowanych baterii (zasięg oraz jego znaczne ograniczenie przy niskich temperaturach, ograniczona mobil- * Politechnika Poznańska

2 160 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk ność związana z niewielką liczbą punktów ładowania oraz długi czas ładowania). Z tego powodu główne prace nad pojazdami elektrycznymi skupiają się nad bateriami i sposobami ich ładowania zapewniającymi długą i bezawaryjną eksploatację. Istotne jest optymalizowanie doboru akumulatorów do pojazdów w zależności od sposobu ich eksploatacji, jak również dobór odpowiednich metod ich ładowania. Zabiegi te mają na celu obniżenie kosztów zakupu i eksploatacji pojazdów elektrycznych [1, 2]. Niewątpliwie, skutkiem rosnącej popularności samochodów elektrycznych będzie wzrastające zapotrzebowanie na energię elektryczną. Jej transfer ze źródeł wytwarzania do punków ładowania będzie utrudniony i obarczony dodatkowymi stratami w systemie elektroenergetycznym. Należy zatem poszukiwać rozwiązań minimalizujących straty energii [3]. Ograniczenie strat leży nie tylko w obszarze zainteresowania właściciela ładującego pojazd z przydomowej ładowarki (oprócz kosztów energii przesłanej do pojazdu musi również zapłacić za energię traconą w procesie ładowania), lecz również zakładu energetycznego (wyższa sprawność powiązana jest ze zmniejszeniem strat przesyłowych). Minimalizację strat energii można uzyskać na drodze zabiegów technicznych, np. badania stanu izolacji urządzeń przesyłowych [4], oraz konstrukcyjnych optymalizacji układów zasilania oraz odbiorczych i gromadzenia energii z wykorzystaniem odpowiednich algorytmów optymalizacji [5, 6, 7, 8, 9]. 2. RYNEK SAMOCHODÓW ELEKTRYCZNYCH W ostatnich latach zauważalny jest gwałtowny wzrost liczby sprzedawanych pojazdów zarówno elektrycznych jak i hybrydowych. W prognozach Polskiego rządu zaprezentowanych w tzw. planie Morawieckiego założono, że w 2025 roku liczba pojazdów elektrycznych ma osiągnąć milion sztuk. Pomimo, że plan ten przewiduje wdrożenie rozwiązań zachęcających do zakupu takich pojazdów raczej zakładany poziom nie zostanie osiągnięty. W latach zakłada się budowę odpowiedniej infrastruktury do ładowania baterii w pojazdach elektrycznych [10]. W ostatnich latach ( ) sumaryczna sprzedaż aut elektrycznych w Polsce przekroczyła tysiąc sztuk przy corocznie dwukrotnym wzroście liczby tych pojazdów [11]. W roku 2017 sprzedaż wyniosła 435 sztuk, a w roku 2018 około 620 sztuk (0,1% liczby sprzedanych aut), co daje około 42,5% wzrost w ciągu roku [12]. Wdrażane są działania w kierunku rozwoju infrastruktury sieci szybkich ładowarek [13]. Ponadto bodźcem do zakupu może być planowane wdrożenie systemu dopłat [14]. W Europie natomiast, dzięki dopłatom i lepszej dostępności do punktów zasilania, pojazdy elektryczne są zdecydowanie bardziej popularne. Przykładowo w Niemczech liczba sprzedanych samochodów elektrycznych w roku 2018 wy-

3 Wpływ stanu naładowania baterii na zasięg pojazdów elektrycznych 161 niosła około 1% ogółu wszystkich pojazdów tj. ponad 36,2 tys. sztuk [15]. Takie wyniki sprzedaży pozwalają stwierdzić, że wzrost sprzedaży pojazdów elektrycznych jest, również w naszym kraju, nieunikniony. Na rysunku 1 przestawiono wzrost sprzedaży samochodów elektrycznych w krajach Europejskich r/r dla lat 2017 i Rys. 1. Sprzedaż samochodów elektrycznych w Europie [12] Podobna sytuacja dotyczy również autobusów elektrycznych. W celu zmniejszenia emisji zanieczyszczeń pochodzących od spalonego paliwa coraz więcej miast rozważa zakup autobusów elektrycznych. Przykładem jest Warszawa, gdzie w ostatnim czasie zamówiono 136 autobusów elektrycznych wraz z elementami infrastruktury, na którą składa się 19 punktów ładowania [15]. Taki trend może w niedługim czasie dotrzeć do innych miast w Polsce. Bardzo ciekawym rozwiązaniem związanym z ładowaniem autobusów elektrycznych są stacje pozwalające na ładowanie indukcyjne akumulatorów autobusów na przystankach w czasie krótkotrwałego postoju. Rozwiązanie tego typu można także zastosować do pojazdów osobowych w przydomowej stacji ładowania. Wykorzystując ładowanie indukcyjne można również ładować pojazdy

4 162 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk w trakcie ruchu. Wymaga to zbudowania specjalnych pasów, po których poruszałyby się pojazdy, zwiększając w ten sposób zasięg. W przypadku zastosowania takich rozwiązań eksploatacja samochodów spalinowych może stać się nieopłacalna. 3. ENERGOCHŁONNOŚĆ SAMOCHODÓW ELEKTRYCZNYCH Podczas eksploatacji środków transportu istotną rolę odgrywają sumaryczne koszty związane z ich posiadaniem (Total Cost of Ownership TCO). W przypadku każdego pojazdu, niezależnie od rodzaju napędu można oszacować koszt przejechania jednego kilometra. Można przyjąć, że przy podobnym sposobie użytkowania, pewne składniki sumarycznych kosztów będą dla różnych pojazdów podobne (np. stopień zużycia opon) a inne zdecydowanie różne (np. zużycie elementów ciernych układu hamulcowego w pojazdach hybrydowych ich wymiana jest konieczna średnio po dwukrotnie większym przebiegu niż w ich odpowiednikach spalinowych [16]). Głównym czynnikiem różnicującym koszty jest rodzaj zasilania pojazdu, czyli koszty paliwa (dla silników spalinowych) lub energii elektrycznej (dla pojazdów elektrycznych). W przypadku tych drugich jednym z rozważanych czynników podnoszących znacząco koszty eksploatacji jest potencjalna konieczność wymiany baterii szczególnie obawiają się tego nabywcy pojazdów na rynku wtórnym. Według zapewnień producentów, baterie powinny pracować bezawaryjnie przez 8-10 lat. Jednakże w eksploatacji można spotkać pojazdy hybrydowe, których wiek przekroczył 10 lat i znaczącą ich część dotychczas nie wymagała wymiany baterii. Awarie układu zasilania dotyczą nie tyle samych ogniw, co usterek połączeń elektrycznych, spowodowanych np. korozją. Awarie ogniw i konieczność ich regeneracji to rzadkość [17]. Ewentualny koszt wymiany baterii może być porównywalny z kosztem wymiany filtra cząstek stałych w samochodach wyposażonych w silniki o zapłonie samoczynnym. W związku z tym, ważnym elementem, mogącym mieć decydujące znaczenie przy określaniu TCO dla przypadku wieloletniej eksploatacji samochodu elektrycznego może być właściwa eksploatacja baterii, prowadząca w efekcie do minimalnego poziomu kosztów eksploatacji. Istotnym wydaje się właściwy, stosowny do potrzeb, dobór wielkości magazynu energii. Nie może on być, z oczywistych względów, zbyt mały, a wożenie dodatkowych kilogramów baterii może skutkować, wyższym jednostkowym (na 1 km) zapotrzebowaniem na energię. Dlatego korzystanie np. z pojazdu z bateriami pozwalającymi na przejechanie, bez konieczności ładowania, kilkuset kilometrów, przy zapotrzebowaniu dziennym kilkudziesięciu kilometrów (np. dojazdy do pracy z możliwością codziennego doładowania baterii w domu/pracy) jest ekonomicznie nieuzasadnione.

5 Wpływ stanu naładowania baterii na zasięg pojazdów elektrycznych 163 Dostępne na rynku samochody elektryczne charakteryzują się różnymi zasięgami (deklarowanymi przez producentów) na jednym ładowaniu. Podobnie jak w przypadku samochodów spalinowych, zasięg pojazdów elektrycznych jest uzależniony m.in. od masy pojazdu, oporów powietrza i toczenia oraz temperatury otoczenia. Na rysunku 2 przedstawiono porównanie pojemności baterii, deklarowanego zasięgu oraz energochłonności (energii potrzebnej do przejechana 1 kilometrowego odcinka drogi) wybranych samochodów elektrycznych. Rys. 2. Pojemność baterii, deklarowany zasięg i energochłonność wybranych samochodów elektrycznych [11] W przypadku najbardziej popularnego w pełni elektrycznego pojazdu marki Tesla model S producent podaje dane dla kilku prędkości pojazdu oraz kilku wariantów wyposażenia. Na rysunku 3 przedstawiono najkorzystniejszy wynik zużycia energii bez załączonej klimatyzacji i z kołami o średnicy 19 cali dla dwóch wariantów pojemności zainstalowanych baterii. Wykresy te wykreślono na podstawie danych użytkowników oraz producentów aut. Określono średnią energię potrzebną do przejechania 1 kilometrowego odcinka drogi.

6 164 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk Rys. 3. Zapotrzebowanie na energię elektryczną samochodu Tesla S w funkcji prędkości pojazdu dla dwóch pojemności akumulatora [18] Z danych użytkowników pojazdów elektrycznych wynika, że na przejechanie jednego kilometra potrzeba od 2000 do 250 Wh. W nielicznych przypadkach przy oszczędnej jeździe udało się osiągnąć poziom zużycia energii na poziomie 158 Wh/km. Z badań drogowych [19] przeprowadzonych na pojeździe Zilent Courant wyposażonym w 10 baterii (kwasowo-ołowiowych) o pojemności 110 Ah i napię- zatło- ciu znamionowym 12 V, dla którego pomiary wykonano w ruchu bardzo czonym oraz podczas jazdy pozamiejskiej, uzyskano zużycie na poziomie od 155 do 223 Wh/km. Dla popularnego samochodu elektrycznego (Nissan Leaf), którego wersja z roku 2018 wyposażona jest w baterię o pojemności 40 kwh osiągnięto deklapoziomie rowany przez producenta zasięg 378 km. Co daje wynik na 105,8 Wh/km. Realny zasięg tego pojazdu wg EPA (Enviromeental Protectiion Agency) to 243 km czyli, 164,6 Wh/km. 4. WPŁYW SPOSOBU EKSPLOATACJI SAMOCHODU ELEKTRYCZNEGO NA ŻYWOTNOŚĆ BATERIII Zasięg samochodu elektrycznego zależy od pojemności zasobnika energii (akumulatora), a ta zmniejsza się w trakcie eksploatacji pojazdu. Na dynamikę tego spadku ma wpływ między innymi osiągany poziom napięcia ogniwa po naładowaniu. Jego przekroczenie drastycznie zmniejsza żywotność akumulatora (a w efekcie pojemność). Na rysunku 4 przedstawiono liczbę cykli ładowania oraz uzyskiwaną pojemność ogniwa litowo-jonowego stosowanego powszechnie w bateriach samochodów elektrycznych w zależności od napięcia ładowania

7 Wpływ stanu naładowania baterii na zasięg pojazdów elektrycznych 165 [20, 21]. Można zauważyć, że ładowanie ogniwa do napięcia 4,3 V zamiast 3,9 V zwiększa uzyskiwaną pojemność ponad dwukrotnie kosztem około dzie- sięciokrotnie mniejsze żywotności. Rys. 4. Liczba cykli ładowania bateriii i ich pojemność w zależności do napięcia ładowania [20, 21] Uwzględniając charakterystykę przedstawioną na rysunku 4 wyznaczono optymalnyy poziom naładowania baterii w celu uzyskaniaa jak najdłuższej pracy baterii w określonych warunkach eksploatacji. Założono, że pojazd rocznie przejeżdża 25 tys. km (pokonuje 100 km dzienroku przez nie tylko w dni robocze). Przyjęto, że jest eksploatowany 250 dni w 8 lat (czas gwarancji udzielanej przez producentów pojazdów na baterie). Daje to 2000 cykli ładowania i rozładowania baterii. W przypadku pojazdu Tesla model S wymagane jest 1 ładowanie pojazdu na 2 dni. Dla pozostałych pojaz- obciąże- dów ze względu na niepewną sytuacje na drodze oraz możliwe większe nie baterii np. klimatyzacja, ogrzewanie, radio należy przyjąć codzienne ładociągu roku wanie pakietów baterii (rys. 2). Na podstawie przyjętego, przez autorów, średniego przebiegu w oraz zużycia energii na kilometr przejechanejj trasy ustalono, że optymalny podla ogniwa ziom ładowania baterii jest na poziomie pojemności równej 2 Ah typu Teoretycznie, dla Tesli model S 75kWh, daje to zasięg pojazdu elektrycznego w całym okresie eksploatacji na poziomie 750 tys. km, natomiast dla Nissana jest to około 485 tys. km. Dostępne informacje [22] dotyczące całkowitego przebiegu Nissana Leaf z baterią 30 kwh pozwalają stwierdzić, że oszacowany całkowity przebieg po- baterii jazdu elektrycznego jest jak najbardziej realny, lecz spadek pojemności będzie już odczuwalny (rys. 5).

8 166 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk Rys. 5. Spadek pojemności baterii w pojeździe Nissan Leaf [22] Na rysunku 5 przedstawiono zależność pojemności i jej spadek w funkcji przebiegu. Przyjęto dwuprocentowe obniżenie pojemności co 10 tys. km dla przebiegu do 100 tys. km oraz 1,5 % obniżenie pojemności dla przebiegów po- dystansu wyżej 100 tys. km [23, 24]. Jak widać po przejechaniu założonegoo 200 tys. km, pojemność baterii spadnie do 70% pojemności znamionowej i za- założo- miast 40 kwh będzie wynosić około 28 kwh. Można przyjąć, że przy nym trybie eksploatacji zasięg pojazdu zmalejee o ok. 30%. 5. WNIOSKI Pojazdy elektryczne głównie ze względóww ekologicznych, zyskują w ostat- mają w krajach wspierających tego typu środek komunikacji. Ich eksploatacja pociąga również szereg niebezpieczeństw związanych m.in. ze wzmożonym zapotrzebowaniem na energię elektryczną i trudnym do określenia obciążeniem sieci elektroenergetycznej. Komfort użytkowania pojazdów elektrycznych w głównej mierze zależy od nich latach na popularności. Szczególnie duży udział w rynku motoryzacyjnym dostępności punków ładowania, masy pojazdów i pojemności akumulatorów wpływającej na zasięg pojazdu. Gwarantowana przez producentów trwałość baterii na poziomie około 2000 cykli ładowania może zostać wydłużona przy zachowaniu odpowiednich reżimów przy ładowaniu (szczególnie nieprzekracza- zasilanych nie dopuszczalnego napięcia na ogniwo). W pracy oszacowano całkowity zasięg wybranych pojazdów energią elektryczną z pakietów baterii. Z analiz wynika, że z każdej zainstalo- wanej kilowatogodziny można uzyskać około tys. km przebiegu w całym okresie eksploatacji pojazdu (przy założeniu 2000 cykli ładowania). Po tym

9 Wpływ stanu naładowania baterii na zasięg pojazdów elektrycznych 167 okresie eksploatacja pojazdu może stać się uciążliwa ze względu na znaczne zmniejszenie zasięgu (o około 30%). Dalsze prace badawcze nad nowoczesnymi elektrochemicznymi zasobnikami energii powinny dotyczyć możliwości minimalizacji efektu zmniejszania pojemności akumulatorów w trakcie ich eksploatacji w pojazdach elektrycznych. LITERATURA [1] Jajczyk, J., Dobrzycki, A., Filipiak, M., Kurz, D., Analysis of power and energy losses in power systems of electric bus battery charging stations, In E3S Web of Conferences, Vol. 19, p , 2017, EDP Sciences. [2] Jajczyk J., Dobrzycki A., Filipiak M., Zasilanie układów ładowania akumulatorów autobusów elektrycznych, Poznan University of Technology Academic Journals, Electrical Engineering, Issue 92, ISSN , Published by Poznan University of Technology, 2017, s [3] Jajczyk J., Dobrzycki A., Filipiak M., The economics of use of wireless power supply in electric buses, Book Series: ITM Web of Conferences, Volume 19, Article Number UNSP 01034, Published [4] Dobrzycki A., Mikulski S., Opydo W., Analysis of acoustic emission signals accompanying the process of electrical treeing of epoxy resins, High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2014 International Conference on, Poznan, Poland, 8-11 Sept. 2014, Electronic ISBN: , ISBN: , DOI: /ICHVE [5] Jajczyk J., Kasprzyk L., The Use of Coupled Temperature and Electromagnetic Fields in Optimization Problems, Proceedings of the 6th IASME/WSEAS International Conference on Heat Transfer, Thermal Engineering and Environment (HTE'08), Rhodes, Greece, August 20 22, 2008, Book Series: WSEAS Mechanical Engineering Series, pages: [6] Jajczyk J., Use of Personal Computers with Multi-core Processors for Optimisation Using the Genetic Algorithm Method, Proceedings of Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE 2016) 14 17th, Sandomierz Poland. IEEEXplore Electronic ISBN: , ISBN: , DOI: / CPEE [7] Bednarek K., Jajczyk J., Effectiveness of optimization methods in heavy-current equipment designing, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN , R. 85 NR 12/2009, s [8] Kasprzyk L., Modelling and analysis of dynamic states of the lead-acid batteries in electric vehicles, Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability; Vol 19, Nr 2, pp , 2017,DOI: [9] Kasprzyk L., Nawrowski R., Tomczewski A., Optimization of Complex Lighting Systems in Interiors with use of Genetic Algorithm and Elements of Paralleling of the Computation Process, Intelligent Computer Techniques in Applied Electromagnetics, Studies in Computational Intelligence, Vol. 119, Wiak Slawomir, Krawczyk Andrzej, Dolezel Ivo (Eds.), Springer-Verlang Berlin Heilderberg New York, Available: September 3, 2008, pp

10 168 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk [10] Samochody elektryczne w Polsce: rząd zwolni z akcyzy, dopłaci do kupna, będzie zerowy VAT, [11] [12] New passenger car registrations by fuel type in the European Union, Quarter , Raport European Automobile Manufacturers Association, [13] Słowacka firma wybuduje w Polsce sieć szybkich ładowarek elektrycznych do aut [14] [15] Elektryczne autobusy w Warszawie. Docelowo 136 sztuk i 19 stacji do ładowania sztuk-i-19, ,artgal,t,id,tm.html, [16] [17] Hybrid vehicle battery reconditioning, repair and maintenance equipment for individual [18] [19] Moćko W., Ornowski M., Szymańska M., Badanie zużycia energii przez samochód elektryczny w czasie testów drogowych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 2017, (2), 99. [20] [21] [22] Nissan Leaf: 309 tysięcy kilometrów przebiegu, zostało 52 procent pojemności baterii [23] Staff Car Report: At 70,000 Miles, 2011 Nissan LEAF Still Going Strong, Gets New Brake Pads miles-2011-nissan-leaf-still-going-strong-gets-new-brake-pads/, [24] Staff Car Report: Nissan LEAF Loses its First Capacity After 3 Years, 52.8k Miles THE IMPACT OF THE BATTERY CHARGE STATUS ON THE RANGE OF ELECTRIC VEHICLES IN The paper describes trends regarding the growth in the number of electric vehicles on the Polish and European scale. Issues regarding the delivery and use of electricity in automotive vehicles are presented. The influence of the battery charge level (voltage on its terminals) on its durability was analyzed. The optimal (according to the authors) level

11 Wpływ stanu naładowania baterii na zasięg pojazdów elektrycznych 169 of the battery charging was indicated depending on the way the vehicle was used. The calculations made were compared with the observations of electric vehicle users. The boundary mileage has been estimated, after which it should be necessary to replace the battery packs. Two significantly different vehicles were considered and it was shown that there is a correlation between the battery capacity and the expected mileage to replace them - a vehicle with a larger battery will need to be replaced after the same number of charge cycles at a correspondingly higher mileage. The safe level of battery charging of the vehicle was also determined so as to keep it as wide as possible. (Received: , revised: )

12