POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 95 Electrical Engineering 2018 DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0025 Michał FILIPIAK *, Jarosław JAJCZYK *, Arkadiusz DOBRZYCKI * EKONOMIKA STOSOWANIA BEZPRZEWODOWEGO ZASILANIA W POJAZDACH OSOBOWYCH I AUTOBUSACH ELEKTRYCZNYCH Praca dotyczy zagadnienia ładowania baterii (akumulatorów) pojazdów elektrycznych z wykorzystaniem technologii bezprzewodowej. W artykule scharakteryzowano układy stosowane do bezprzewodowego zasilania odbiorników. W przeprowadzonych analizach skoncentrowano się na efektywności poszczególnych rozwiązań. Przeanalizowano, na przykładzie wybranego pojazdu, straty energii związane z zastosowaniem indukcyjnej metody ładowania. Oszacowano roczne straty energii. Wykazano, że nawet nieznaczne zwiększenie sprawności przesyłu energii drogą bezprzewodową, może w ujęciu globalnym (z punktu widzenia systemu energetycznego) istotnie ograniczyć straty energii. SŁOWA KLUCZOWE: bezprzewodowy przesył energii, ładowanie indukcyjne, ekonomia, pojazdy elektryczne. 1. WSTĘP Bezprzewodowe zasilanie, czyli przekazywanie energii elektrycznej od źródła do odbiornika z wykorzystaniem zjawiska indukcji elektromagnetycznej cechuje się stosunkowo niską sprawnością. Straty w tego typu układach można powiązać z kilkoma dominującymi parametrami takimi jak częstotliwość napięcia zasilającego (w przypadku stosowania układów zasilanych napięciem sinusoidalnym), odległość odbiornika od nadajnika oraz impedancja urządzenia zasilanego (odbiornika). Dla urządzeń o małej mocy takich jak urządzenia mobilne (smartfony, tablety), komputery przenośne itp., wartości strat energii nie są parametrami kluczowymi ze względu na stosunkowo niskie wartości bezwzględne. W urządzeniach tych istotne jest zapewnienie przede wszystkim wysokiego komfortu użytkowania. Dla takich urządzeń opracowano standard Qi wireless power [1], w którym odbiorniki podzielono ze względu na dostarczaną do nich moc na dwa poziomy do 5 W i do 120 W. Pomijanie strat mocy i energii nie jest uzasadnione w przypadku ładowania lub ciągłego zasilania urządzeń o znacznej mocy pobierczej np. pojazdów samo- * Politechnika Poznańska
268 Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk, Arkadiusz Dobrzycki chodowych lub środków transportu publicznego. Należy zauważyć, że moce dostarczane do pojazdów samochodowych są rzędu od kilku do kilkudziesięciu kilowatów, natomiast dla tzw. szybkich ładowarek oraz dla środków transportu publicznego wynoszą nawet 250 kw. W takich przypadkach straty energii przy wykorzystaniu systemów ładowania na drodze indukcyjnej mogą stanowić znaczną część energii przesyłanej do pojazdu. Wynikają one głównie z konieczności zastosowania w tego typu układach dodatkowych urządzeń energoelektronicznych oraz braku galwanicznego połączenia pomiędzy układem ładującym, a odbiornikiem. Ograniczenie tych strat leży nie tylko w obszarze zainteresowania właściciela ładującego pojazd z przydomowej ładowarki (oprócz 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 [2], oraz konstrukcyjnych optymalizacji układów zasilania oraz odbiorczych i gromadzenia energii z wykorzystaniem odpowiednich algorytmów optymalizacji [ 3, 4, 5, 6]. Jednym z argumentów przemawiającym za stosowaniem pojazdów elektrycznych są ich cechy ekologiczne, tj. minimalna emisja hałasu i brak emisji zanieczyszczeń do powietrza podczas ruchu. Nie bez znaczenia są niższe koszty eksploatacji takich pojazdów. Te cechy pozwalają być pewnym, że będą one w przyszłości jednym z wiodących środków transportu. Niewątpliwie, skutkiem takiej sytuacji będzie wzrastające zapotrzebowanie na energię elektryczną. Należy zatem poszukiwać takich rozwiązań, aby straty energii były jak najmniejsze. Obserwując obecny stan krajowej energetyki, można było, podczas szczytowych godzin poboru mocy, zauważyć, że niebezpiecznie zbliżano się do maksymalnego możliwego obciążenia jednostek wytwórczych. Jedną z możliwości uzupełnienia niedoboru energii może być zakup energii poza granicami Polski i transfer do najbardziej obciążonych węzłów sieci. Niestety, tego typu rozwiązanie oprócz potencjalnie droższej energii może okazać się rozwiązaniem niepewnym ze względów np. politycznych, a także może spowodować dodatkowe problemy techniczne w funkcjonowaniu krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE). Do tych problemów w szczególności zaliczyć należy stabilność napięcia (kształt, amplituda i częstotliwość). W przypadku problemów z dochowaniem tych parametrów może dojść do pracy wyspowej (odłączenia niestabilnego fragmentu sieci od KSE, co nie tylko nie poprawi funkcjonowania sytemu, ale może spowodować, że koszty poniesione na połączenie systemów państw sąsiednich zostaną zmarnowane i rozwiązanie to nie będzie w przyszłości stosowane. Zastosowanie bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej o wysokiej sprawności może rozwiązać częściowo problemy ze stratami energii przy wysokim komforcie użytkowania systemu ładowania. Większa sprawność pozwoli na
Ekonomika stosowania bezprzewodowego zasilania 269 potencjalne zmniejszenia zapotrzebowania na energię, czyli podniesie zapas mocy wytwórczych. W artykule poddano analizie zasadność (z ekonomicznego punktu widzenia) stosowania układów bezprzewodowego ładowania baterii w pojazdach elektrycznych. 2. RYNEK POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH Od kilku lat zauważalny jest wzrost liczby sprzedawanych pojazdów zarówno elektrycznych jak i hybrydowych. W prognozach Polskiego rządu zaprezentowanych w tzw. planie Morawieckiego zakłada się, że w 2025 roku liczba pojazdów elektrycznych ma osiągnąć milion sztuk. Plan ten przewiduje wdrożenie rozwiązań zachęcających do zakupu takich pojazdów. W latach 2019-2020 zakłada się budowę odpowiedniej infrastruktury do ładowania baterii w pojazdach elektrycznych [7]. W ostatnich latach (2013-2016) sumaryczna sprzedaż aut elektrycznych w Polsce przekroczyła tysiąc sztuk przy corocznie dwukrotnym wzroście liczby tych pojazdów [8]. Wdrażane są działania w kierunku rozwoju infrastruktury sieci szybkich ładowarek [9]. W Europie natomiast, dzięki dopłatom i lepszej dostępności do punktów zasilania, pojazdy elektryczne są zdecydowanie bardziej popularne. Przykładowo w Niemczech liczba sprzedanych pojazdów elektrycznych w marcu (2017) wyniosła 1,25% ogółu wszystkich pojazdów tj. prawie 4,5 tys. sztuk [8]. Takie wyniki sprzedaży pozwalają stwierdzić, że wzrost sprzedaży pojazdów elektrycznych jest, również w naszym kraju, nieunikniony. Podobna sytuacja dotyczy również autobusów elektrycznych. W celu zmniejszenia zanieczyszczeń pochodzących od spalonego paliwa coraz więcej miast rozważa zakup autobusów elektrycznych. Przykładem jest Warszawa, gdzie ostatnio zamówiono 136 autobusów elektrycznych wraz z infrastrukturą zawierającą 19 punktów ładowania [10]. Taki trend może w niedługim czasie dotrzeć do innych miast w Polsce. Bardzo ciekawym rozwiązaniem związanym z infrastrukturą 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 w trakcie ruchu. Wymaga to zbudowania specjalnych pasów po których poruszałyby się pojazdy, zwiększając w ten sposób zasięg. W przypadku zastosowania takich rozwiązań samochody spalinowe staną się nieopłacalne.
270 Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk, Arkadiusz Dobrzycki 3. UKŁADY ZASILANIA BEZPRZEWODOWEGO Do zasilania indukcyjnego stosuje się układy pracujące w stanie rezonansu [11, 12]. Poszczególne rozwiązania różnią się metodą kompensacji obwodu odbiornika [13]. Najczęściej stosowane układy przedstawiano na rysunkach 1 i 3 [14]. W celu wykonania badań eksperymentalnych zbudowano stanowisko pomiarowe, które umożliwiało zrealizowanie bezprzewodowego przesyłu energii w odległości od co najmniej 1,5 cm między cewkami. Na rysunku 1 przedstawiono schemat układu zasilania bezprzewodowego, w którym część nadajnika pracuje w stanie rezonansu szeregowego natomiast część odbiorcza w stanie rezonansu równoległego. Na rysunku 3 przedstawiono układ pracujący po stronie nadawczej i odbiorczej w konfiguracji rezonansu szeregowego. Na rysunkach 2 i 4 przedstawiono charakterystyki wykreślone na podstawie wyników pomiarów wykonanych na rzeczywistych układach. Pokazane na rysunku 2 charakterystyki sprawności i mocy wyjściowej w funkcji odległości uzyskano w układzie o napięciu zasilającym 12 V a.c. z ograniczeniem prądowym do 2 A. Rys. 1. Schemat układu pracującego w stanie rezonansu szeregowym po stronie nadajnika wraz z układem kompensacji równoległej (układ LC-LCr)
Ekonomika stosowania bezprzewodowego zasilania 271 Rys. 2. Sprawność i moc wyjściowa w funkcji odległości dla układu z kompensacją szeregoworównoległą dla rezystancji obciążenia 100 Ω Układy z kompensacją równoległą obwodu odbiornika umożliwiają uzyskanie wyższej sprawności i mocy na wyjściu dla rezystancji obciążenia większej od 20 Ω. Wartość 20 Ω określono na podstawie wcześniejszych badań analizowanego obwodu [11]. Układ ten charakteryzuje się wyższym napięciem wyjściowym co wynika z tego, że układ pracuje w stanie jałowym (układ w stanie rezonansu równoległego posiada impedancję dążącą do nieskończoności). Rys. 3. Schemat układu pracującego w stanie rezonansu szeregowego po stronie nadajnika i po stronie wtórnej (układ LC-LCs)
272 Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk, Arkadiusz Dobrzycki Rys. 4. Sprawność i moc wyjściowa w funkcji odległości dla układu z kompensacją szeregowoszeregową dla rezystancji obciążenia 10 Ω Kolejny badany układ pracował w stanie rezonansu szeregowego (rys. 3). Podobnie jak w poprzednim układzie sprawność zależy od dopasowanie na maksimum mocy odbiornika do układu zasilania. Układ ten pracuje w stanie bliskim zwarcia, więc posiada wyższą wydajność prądową przy niższym napięciu. Przedstawiona na rys. 4 charakterystyka posiada najwyższą sprawność dla obciążenia wynoszącego 10 Ω (10 Ω określono na podstawie wcześniejszych badań [11]). Przedstawione układy są stosowane w zależności od charakteru i wielkości obciążenia co przedstawiono w publikacji [15]. 4. SZACUNKOWE STRATY ENERGII Stosowanie bezprzewodowego ładowania pojazdów samochodowych jest związane z wygodą użytkowania, ale niesie za sobą również potencjalne możliwości doładowania baterii w pojeździe w czasie jazdy. Ograniczony zasięg, ze względu na pojemność zasobnika energii, wymusza na konstruktorach poszukiwania rozwiązań pozwalających na jego zwiększanie, oprócz możliwości doładowania pojazdu stacjonarnie projektowane są pasy z indukcyjnym ładowaniem baterii pojazdów w czasie jazdy. W pracy założono, że sprawność przesyłu energii elektrycznej zależy jedynie od strat związanych z przesyłem na drodze indukcyjnej. Przyjmując 90% sprawność transferu energii [16] obliczono straty energii elektrycznej dla zadanej liczby pojazdów.
Ekonomika stosowania bezprzewodowego zasilania 273 Dostępne na rynku pojazdy elektryczne charakteryzują się zróżnicowanym (deklarowanym przez producentów) zasięgiem na jednym ładowaniu. Podobnie jak dla pojazdów spalinowych zasięg jest zależny od masy pojazdu, oporów powietrza i toczenia się kół, a także temperatury zewnętrznej. W badaniach starano się zamodelować podobny sposób użytkowania różnych pojazdów. Pozwoliło to na porównanie wyników analiz. Przykładowy spis wybranych, dostępnych pojazdów, wraz z pojemnościami ich baterii oraz zasięgiem przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Pojemność baterii i deklarowany zasięg wybranych pojazdów elektrycznych [8] W celach analizy założono że przykładowy pojazd rocznie przejeżdża około 25 tys. km. Jest to przebieg pozwalający na wykonanie 100 km dziennie (np. na dojazd do pracy) przez 250 dni w roku. Dla takiego sposobu eksploatacji, ze względu na zużycie baterii oraz niesprzyjające warunki pogodowe dla zasobników energii, pojazd powinien mieć zwiększony zasięg. Do dalszych analiz wybrano samochód elektryczny wyposażony w baterię o pojemności 24,2 kwh (e- Golf) pozwalającą na przejazd około 190 km. Stosując ładowanie indukcyjne moc dostarczona będzie o około 10% niższa, niż w przypadku ładowania stykowego. A więc, nie tylko zwiększy się czas ładowania, ale również zwiększy się energia pobrana z sieci (o 2,42 kwh). Podczas jednego całkowitego procesu ładowania sumarycznie pobierana jest energia o wartości 26,62 kwh. Straty przy jednym ładowaniu nie są znaczące, lecz przy założonym rocznym przebiegu otrzymujemy ilość dostarczonej energii elektrycznej do pojazdu na poziomie 3,23 MWh i dodatkowo 0,32 MWh strat. Przy obecnych cenach 1 kwh energii elektrycznej na poziomie 0,52 gr/kwh (stan na
274 Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk, Arkadiusz Dobrzycki 01.03.2017) daje to dodatkowo rocznie 166,4 zł kosztów. Powyższa kwota w okresie całorocznego korzystania z pojazdu nie jest wysoka lecz inaczej sytuacja wygląda z punktu widzenia strat energii w skali kraju. Na podstawie danych dotyczących eksploatacji pojazdów elektrycznych uzyskanych od użytkowników oraz producentów pojazdów założono spadek pojemności baterii na poziomie 20% w całym okresie użytkowania pojazdu (zazwyczaj przyjmuje się 8 lat z limitem kilometrów) [8]. Na wykresie (rys. 5) uwzględniono nieliniowy spadek pojemności baterii. Przyjęto w pierwszych 20 tys. km spadek pojemności na poziomie 2%, który wraz z częstszym ładowaniem będzie się zwiększał. Rys. 5. Energia dostarczona do pojazdu i straty energii w funkcji przebiegu pojazdu Przy założeniu, że 1% liczby samochodów korzystałaby z takiego rozwiązania (w Polsce, wg danych na 06.2015r zarejestrowanych pojazdów z ważnym OC i przeglądem jest około 16 mln [17]) co oznacza, że ładowanie 0,16 mln (16% zakładanej ilości na rok 2025) pojazdów będzie związane z około 51,2 GWh strat rocznie. Natomiast dla planowanego 1 mln aut elektrycznych będzie to 323 GWh strat energii elektrycznej rocznie. 5. PODSUMOWANIE W pracy zaprezentowano dwa układy wykorzystywane do bezprzewodowego ładowania akumulatorów w pojazdach elektrycznych. Głównym celem pracy było obliczenie strat energii dla odbiorcy i generatora podczas zasilania pojazdów elektrycznych drogą indukcyjną.
Ekonomika stosowania bezprzewodowego zasilania 275 W pracy wykazano, że jednostkowe straty energii podczas cyklu ładowania akumulatorów w typowym samochodzie elektrycznym nie są na wysokim poziomie, nawet przy zastosowaniu ładowania indukcyjnego. W artykule, na podstawie wyników pomiarów oraz symulacji, określono wartość strat energii w ujęciu całorocznym, przy założeniu istotnego udziału pojazdów elektrycznych w komunikacji samochodowej. Na podstawie przyjętych założeń uzyskano wynik określający roczne straty energii elektrycznej w Polsce w roku 2025 na poziomie około 300 GWh. Przeprowadzone symulacje pozwalają stwierdzić, że istotna jest poprawa sprawności bezprzewodowego transferu energii. Zwiększenie sprawności o kilka procent da wymierne korzyści związane z kosztami strat energii oraz mniejsze zanieczyszczenie środowiska naturalnego. LITERATURA [1] Van Wageningen, D., Staring, T., The Qi wireless power standard. In Proceedings of 14th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE- PEMC 2010. [2] 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), International Conference on, Poznan, Poland, 8 11 Sept. 2014, Electronic ISBN: 978-1-4799-6613-4, Print on Demand(PoD) ISBN: 978-1-4799-6614-1, DOI: 10.1109/ICHVE.2014.7035500. [3] 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, pp. 226 231. [4] 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), September, 14-17th, 2016, Sandomierz Poland IEEEXplore Electronic ISBN: 978-1-5090-2800-9, Print on Demand(PoD) ISBN: 978-1-5090-2801-6, DOI: 10.1109/CPEE.2016.7738731. [5] Bednarek K., Jajczyk J., Effectiveness of optimization methods in heavy-current equipment designing, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 85 NR 12/2009, s. 29-32. [6] 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, 2017, pp. 229 236, DOI: http://dx.doi.org/10.17531 /ein.2017.2.10. [7] PAP JK, Samochody elektryczne w Polsce: rząd zwolni z akcyzy, dopłaci do kupna, będzie zerowy VAT, 09.2016, http://www.polskieradio.pl/42/3168/artyku l/1670599, Samochody-elektryczne-w-Polsce-rzad-zwolni-z-akcyzy-doplaci-dokupna-bedzie-zerowy-VAT, dostęp elektroniczny. [8] http://samochodyelektryczne.org, 05.05.2017.
276 Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk, Arkadiusz Dobrzycki [9] Greenway Infrastructure Poland, Greenway Infrastructure i elektromobilność fakty i liczby, http://greenwaypolska.pl/pl/media-download, dostęp elektroniczny. [10] red., Elektryczne autobusy w Warszawie. Docelowo 136 sztuk i 19 stacji do ładowania, http://warszawa.naszemiasto.pl/artykul/elektryczne-autobusy-w-warszawiedocelowo-136-sztuk-i-19,3891336,artgal,t,id,tm.html dostęp elektroniczny. [11] Filipiak M., Zjawiska rezonansu w układach zasilania bezprzewodowego, Poznań University of Technology Academic Journals,Electrical Engineering, Poznań, 2016, s. 437-445. [12] Frivaldsky, M., Piri, M., Spanik, P. et al. Electr Eng (2017) 99: 1439. https://doi.org/10.1007/s00202-017-0658-4. [13] Bolkowski S., Teoria Obwodów Elektrycznych, WNT,2003, Warszawa. [14] Filipiak M., Nawrowski R., Testing of efficiency and power transferred from the source to the receiver in various wireless power supply systems. In Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE), 18th International Conference on IEEE, September,2017, pp. 1 4. [15] Filipiak M., Analiza wybranych układów umożliwiających bezprzewodowy przesył energii elektrycznej, Poznań University of Technology Academic Journals,Electrical Engineering, No 79, 2014, s. 197 204. [16] Maggetto G., Van den Bossche P., Inductive Automatic Charging The Way to Safe, Efficient and User-Friendly Electric Vehicle Infrastructure, In Electric Vehicle Symposium EVS-18, October, 2001, pp. 20 24. [17] Wekiera M., Park samochodów zarejestrowanych w Polsce, 2016. THE ECONOMICS OF USE OF THE WIRELESS POWER SUPPLY IN PASSENGER VEHICLES AND ELECTRIC The paper deals with the issue related to the charging of batteries of electric vehicles using the wireless technology. The article presents the circuits used for the wireless powering of receivers. The main focus of the conducted analyses was the effectiveness of the respective solutions. Based on the example of a selected vehicle, the energy losses related to the application of the inductive charging method were analysed. The annual energy losses were estimated. On top of this, it was demonstrated that even an insignificant increase in the efficiency of the wireless energy transfer may globally limit the energy losses (from the point of view of the power system) to a significant extent. (Received: 31.01.2018, revised: 05.03.2018)