PAWELSKI Zbigniew 1 MACIEJCZYK Andrzej 2 Projekt prototypowego układu napędowego do autobusu elektrycznego AMZ Kutno WSTĘP Rosnące zainteresowanie pojazdami elektrycznymi, zwłaszcza przeznaczonymi do transportu w obszarach wysokiego stopnia urbanizacji, to nie tylko trend proekologiczny. Wynika ono z realnej potrzeby ograniczania emisji spalin i hałasu w zatłoczonych centrach miast, nad którymi często unosi się smog. To także konieczność poszukiwania alternatywnych źródeł zasilania, szeroko rozumianej oszczędności, bądź ograniczania zużycia energii otrzymywanej metodami konwencjonalnymi. Pojazd z napędem elektrycznym powinien posiadać własności porównywalne do pojazdów z napędem spalinowym w zakresie oczekiwań i funkcjonalności. Niestety ich zasięg jest ciągle głównym parametrem, który niekorzystnie wpływa na atrakcyjność tych pojazdów. Pojazdy typu BEV (Battery Electric Vehicle) wyposażone w układ napędowy z silnikiem elektrycznym, to rozwiązanie pozwalające na istotne zredukowanie liczby ruchomych elementów mechanicznych w stosunku do tych, napędzanych silnikiem spalinowym. Eliminacja wielu elementów mechanicznych pozwala zarówno na obniżenie masy pojazdu, jak i realną redukcję kosztów wytwarzania. Ważnym ograniczeniem i utrudnieniem towarzyszącym tego typu konstrukcjom jest problem magazynowania energii. Obecnie dostępne akumulatory charakteryzują się dużymi wymiarami, wysoką masą i ceną oraz ograniczoną żywotnością, przy niewielkiej efektywności w zakresie gęstości energii oraz gęstości mocy. Konsekwencją tego jest stosunkowo niewielki zasięg pojazdu, bez konieczności doładowania akumulatorów. Nowoczesna konstrukcja pojazdu o napędzie elektrycznym to taka, której masa wraz z ciężkimi i nieefektywnymi akumulatorami, nie przekracza masy pojazdu z napędem konwencjonalnym, przy porównywalnym zasięgu obu pojazdów. 1. PROTOTYP AUTOBUSU ELEKTRYCZNEGO AMZ KUTNO Celem realizowanego projektu jest kompletny układ napędowy do autobusu elektrycznego AMZ Kutno. Pod pojęciem kompletny układ rozumiany jest silnik elektryczny wraz z osprzętem sterującym i oprogramowaniem oraz zespół akumulatorów i superkondensatorów pracujący pod nadzorem zaawansowanego systemu BMS (Battery Management System). Z założenia prototyp układu napędowego, począwszy od doboru i zestawienia elementów, poprzez system sterowania oraz sam prototyp autobusu ma stanowić całkowicie polską konstrukcję. W tym celu powołano konsorcjum, w skład którego wchodzą AMZ Kutno i Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Łódzkiej. Jako podwykonawcy rozwiązań prototypowych uczestniczą: dla akumulatora energii BMZ Gliwice, a dla układu sterowania ENIKA Łódź. Projektowany autobus charakteryzuje się: masą całkowitą m c = 18 000 [kg], masą własną m w = 11 500 [kg], długością s = 9 [m], przewidywanym zasięgiem S = 250 350 [km]. W oparciu o przygotowywany układ napędowy przewidywane jest docelowa produkcja autobusu o długości 12 m. 1 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź 2 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź 4999
Rys. 1. Autobus o napędzie elektrycznym AMZ Kuto 2. DOBÓR SILNIKA ELEKTRYCZNEGO Z charakterystyki silnika elektrycznego wynika, że przy odpowiednim sterowaniu możliwe jest wytworzenie pełnego momentu napędowego począwszy od zerowej prędkości. W praktyce oznacza to brak takich podzespołów jak: sprzęgło i skrzynia biegów. Między kołami pojazdu i silnikiem pozostaje przekładnia główna o stałym przełożeniu. Schemat blokowy elektrycznego układu napędowego z uwzględnieniem pozostałych elementów przedstawiono na rysunku 2. Rys.2. Schemat blokowy napędu elektrycznego autobusu Układ napędowy obejmuje: silnik/prądnicę, zasobniki energii (akumulatory i superkondensatory), układ energoelektroniczny (falownik) i mikroprocesorowy system sterowania. Uwzględniając przewidywane opory ruchu uznano za możliwe do zastosowania silniki: silnik asynchroniczny ENI-ZNAP/TB/165 klatkowy, 400 V, trójfazowy, moc 165 kw, masa 770 kg, zasilany z przekształtnika częstotliwości zakres regulacji prędkości obrotowej od 0 do 1200 obr/min., przy stałym momencie 1400 Nm oraz od 1200 do 3100 obr/min przy stałej mocy, chłodzenie własne realizowane przez wentylator zamontowany na wale silnika, prąd znamionowy 293 A, silnik STDa250-4B klatkowy, 400V, trójfazowy, moc 125 kw, masa 475 kg, moment znamionowy 622 Nm, prędkość znamionowa 1918 obr/min, prąd znamionowy 219A, współczynnik przeciążenia 3, silnik LSM280 synchroniczny z magnesami trwałymi, 600V, moc 155 kw, masa 350 kg, zakres regulacji prędkości obrotowej od 0 do 1200 obr/min przy stałym momencie 1400 Nm oraz od 1200 do 3250 obr/min przy stałej mocy, współczynnik przeciążenia 1.9. 5000
Charakterystyki pracy pierwszych dwóch silników, wraz ze strefami regulacji oraz naniesionymi wartościami oporów ruchu dla nachylenia 0 i 5,5 % przedstawiono na rysunku 3, a charakterystyki silnika LSM280 na rysunku 4. Rys.3. Wykres momentu obrotowego w funkcji obrotów dla silników ENI-ZNAP/TB/165 oraz STDa250-4B (krzywe 0%, 5,5% - wartości oporów ruchu pojazdu dla nachylenia jezdni 0 i 5,5 %) Rys. 4. Charakterystyki silnika LSM280 [3] W rozważaniach brano także pod uwagę silnik typu BLDC (brushless DC motor). Jednakże z uwagi na dostępność tego typu silnika o dużej mocy, jego cenę oraz wysoki koszt układu sterującego, zrezygnowano z tego rozwiązania. Dodatkowo uznano że: wiedza dotycząca tych silników jest jak na razie ograniczona [2], spotykane rozwiązania dotyczą głównie układów małej mocy, wysokie obroty silnika BLDC spowodowałyby konieczność wprowadzenia dodatkowej przekładni w celu ich zmniejszenia. 5001
Aktualny punkt pracy silnika wynika z zadanej prędkości pojazdu oraz z aktualnego momentu oporów ruchu. Przy prędkości obrotowej mniejszej od znamionowej (I strefa regulacji, rysunek 3) punkt pracy silnika elektrycznego na charakterystyce mechanicznej ograniczony jest maksymalnym momentem silnika, który powinien być mniejszy od momentu wynikającego z chwilowej siły przyczepności między kołem i podłożem. Przyjmując współczynnik przyczepności µ=0.8 oraz siłę nacisku osi tylnej jako 70% całkowitego ciężaru autobusu (180000 N) otrzymano P µ =0.7x180000=126000 N i odpowiednio moment obrotowy M µ =8047 Nm. Dla silnika ENI-ZNAP/TB/165 z maksymalnym momentem obrotowym 1400 Nm, istnieje ponad 5-krotna nadwyżka momentu w typowych warunkach ruchu, która pozwoli zachować również 2- krotny zapas przy 2.5-krotnym przeciążeniu silnika elektrycznego. Największe przeciążenia można uzyskać stosując silniki typu PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym np. LSM 280. Silniki PMSM charakteryzują się [8]: najwyższą sprawnością spośród wszystkich typów silników elektrycznych, najwyższymi osiągalnymi obecnie współczynnikami momentu znamionowego i momentu maksymalnego do masy lub objętości silnika, wysoką chwilową przeciążalnością momentem. Ponadto pozwalają uzyskać niski poziom tętnień momentu mechanicznego na wale oraz umożliwiają osiągnięcie wysokiej dynamiki i precyzji regulacji napędu. Silniki ENI-ZNAP/TB/165 oraz STDa250-4B to sprawdzone w napędach trakcyjnych silniki asynchroniczne. Niestety obecnie nie można uznać ich konstrukcji za nowoczesną. Ostatecznie do napędu prototypowego autobusu elektrycznego przyjęto silnik LSM 280. 3. FALOWNIK I SYSTEM MIKROPROCESOROWY Przy prędkości obrotowej wyższej od znamionowej (II strefa regulacji) punkt pracy silnika ograniczony jest maksymalną mocą silnika i na charakterystyce mechanicznej ograniczony jest hiperbolą stałej mocy. Falownik zasilający silnik powinien być czterokwadrantowy, to znaczy, że charakterystyka mechaniczna napędu (prędkość obrotowa w funkcji momentu obciążenia) powinna obejmować cztery ćwiartki układu współrzędnych. Taką pracę falownika musi zapewnić mikroprocesorowy układ sterowania. Przechodzenie w II strefę regulacji, rys.3, komplikuje dodatkowo układ sterowania ze względu na zwiększony pobór prądu. Rezygnacja z zakresu dużych prędkości obrotowych (II strefy regulacji) upraszcza sterownik, ale powoduje to, że silnik zastosowany w pojeździe będzie przewymiarowany tj. za duży i za ciężki. Konstruując pojazd do jazdy typowo miejskiej należy pamiętać, że prędkość pojazdu miejskiego jest ograniczona przepisami ruchu drogowego do 50km/h. Zakres ten powinna pokrywać I strefa regulacji prędkości obrotowej. Tak więc praca napędu w II strefie regulacji byłaby sporadyczna i w bilansie całkowitego zużycia energii nie powinna odgrywać istotnej roli. Silnik z magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz wirnika ma dwie składowe momentu synchronicznego: moment od magnesów i moment reluktancyjny. Aby w pełni wykorzystać te momenty należy go zasilić z przekształtnika z algorytmem umożliwiającym ustawianie kąta fazowego położenia wskazu prądu stojana względem osi magnetycznej wirnika. Obecnie te przekształtniki nie są tak rozpowszechnione i uniwersalne jak przekształtniki dla silników asynchronicznych, a z tej przyczyny cena ich utrzymuje się na wyższym poziomie, gdyż zwykle wykonywane są dla konkretnego odbiorcy [6]. W prezentowanym projekcie silnik i przekształtnik tworzą kompletny zestaw. Głównym zadaniem systemu mikroprocesorowego przedstawionego na rysunku 5, jest sterowanie kluczami tranzystorowymi układu energoelektronicznego na podstawie pomiaru prądu pobieranego (linie przerywane) przez poszczególne fazy silnika oraz na podstawie położenia wirnika względem stojana. Ponadto system mikroprocesorowy steruje ilością energii w akumulatorach i superkondensatorach w zależności od chwilowego zapotrzebowania na energię kinetyczną pojazdu, 5002
co oznacza, że podczas hamowania pojazdu lub zjazdu ze wzniesienia możliwa jest rekuperacja (odzysk) energii. Rys.5. Układ mechatroniczny pojazdu z napędem elektrycznym [1] 4. AKUMULATORY I SUPERKONDENSATORY Podstawowym problemem przy projektowaniu napędu elektrycznego samochodu jest odpowiedni dobór akumulatorów i superkondensatorów. Jako odniesienie może posłużyć analiza cykli jazdy miejskiej, zamieszczona w tabeli 1. Tab. 1. Dobór pojemności baterii akumulatorów dla cykli jazdy miejskiej [7] Cykl s t V max a max N s E sr E 250 [m] [s] [m/s] [m/s 2 ] [kw] [kwh/km] [kwh/250km] MAN 500 64 13.89 1.304 46.3 1.65 411 Cuna 320 50 10.00 1.437 33.4 1.45 362 ECE 1018 195 10.68 0.680 25.4 1.35 338 Japoński 1 664 152 10.77 0.594 22.5 1.43 357 Japoński 2 1024 121 18.11 0.563 48.1 1.61 404 Kalifornijski 1350 155 20.53 0.567 53.2 1.69 424 Regara 495 67 15.22 0.797 43.9 1.65 412 Schrecka 149 27 15.28 1.574 71.9 1.35 337 Schneider 1800 300 11.40 1.077 36.1 1.67 417 Mazurka 1385 195 16.20 0.594 40.8 1.59 399 ITS 1095 220 9.81 0.517 22.2 1.24 310 Katowicki 1755 230 13.84 0.551 40.4 1.47 368 Wrocławski 10920 1490 14.12 0.488 35.4 1.34 335 Warszawski 2049 286 16.56 0.701 47.9 1.85 464 CVS 11995 1372 20.02 0.518 46.9 1.49 372 Bath 12240 3001 13.93 0.552 22.6 1.53 384 Dla miejskich cykli jazdy z tabeli 1 można odczytać ilości energii niezbędnej do przejazdu 1 km i 250 km. Z danych tych wynika, że pomimo różnych cykli wynikających z oceny różnych środowisk, 5003
ruch miejski cechuje podobne zużycie energii E sr w kwh/km dla wskazanego odcinka drogi. Należy zaznaczyć, że powyższe wyniki odpowiadają dynamice samochodów osobowych. Dla autobusu miejskiego otrzymane powyżej parametry należy uznać za zawyżone, ok. dwukrotnie. Zatem przyjęte do projektu wstępne założenia odnośnie ilości energii w akumulatorach E ak = 230 kwh i pojemności Q = 400 Ah przy napięciu U = 576 V można uznać za poprawne, co powinno zabezpieczyć zasięg S = 250 km. Niekorzystnymi czynnikami w przypadku akumulatorów jest niska gęstość mocy, problemy z poborem dużych prądów chwilowych, wysokie wymagania jakościowe co do wartości prądów i napięć ładowania, duża masa czy stosunkowo niska trwałość (liczba cykli ładowanie-rozładowanie). Do porównania akumulatorów wykorzystano dane przedstawione w tabeli 2. Tab.2. Porównanie akumulatorów trakcyjnych (dane z okresu 2008 2010) [5] Pb Kwasowoołowiowe NiCd Niklowokadmowe NiMH Niklowowodorkowe Li-Ion Litowo-jonowe Polimer Li-Ion Litowopolimerowe Energia właściwa 45 40 80 60 120 100 200 200 [Wh/kg] Moc właściwa [W/kg] 212 125 200 220 120 300 350 Nominalne napięcie 2 1.25 1.25 3.6 3.6 celi [V] Maksymalny prąd 5C 20C 5C 3C 3C obciążenia Rezystancja <100 100 200 200 300 150 250 200 300 wewnętrzna [mω] Moduł 12V Moduł 6V Moduł 6V Moduł 7.2V Moduł 7.2V Temperatura pracy -20 60-40 60-20 60-20 60 0 60 [ o C] Czas szybkiego 8 16 1 2 4 2 4 2 4 ładowania [h] Charakterystyka napięcia Mocno opadająca Opadająca Lekko opadająca Niemal pozioma Niemal pozioma rozładowania w czasie Trwałość cykliczna (do 80% pojemności) [cykli] Poziom samorozładowania/ miesiąc w temp 20 o C 200 300 1500 300 500 300 500 300 500 5% 20% 30% 10% 10% Czasokres serwisu 3 6 miesięcy 30 60 dni 60 90 dni Nie wymaga Nie wymaga Koszt 1 kwh [$ USA] 50 100 430 280 180 90 Z porównania podstawowych parametrów akumulatorów stosowanych w pojazdach wynika, że akumulatory Li-Ion najlepiej spełniają obecne kryteria trakcyjno-eksploatacyjne, co znajduje potwierdzenie w licznych prototypach samochodów elektrycznych. W celu zapewnienia równomiernego ładowania i rozładowywania baterii akumulatorów, jak i z uwagi na konieczność przyjmowania w bardzo krótkim czasie dużych ilości energii podczas rekuperacji, przewidziano układ superkondensatorów, wraz z zaawansowanym system sterowania akumulatorami. Ze względu na różnorodność cykli miejskich, często z odmiennymi parametrami dynamicznymi i niepowtarzalnymi przejazdami w rzeczywistym ruchu miejskim, dobór pojemności superkondesatorów proponuje się określić z warunku, że powinny pozwolić na zakumulowanie energii kinetycznej pojazdu podczas hamowania. Przyjmując dopuszczalną prędkość jazdy w mieście 50 km/h otrzymuje się pojemność baterii superkondensatorów rzędu: Energię zmagazynowaną w superkondensatorze o pojemności C [F] i napięciu U [V] można określić z zależności: (1) 5004
Zaletą napędu wyposażonego w baterię superkondensatorów jest zdolność jazdy bez zasilania z sieci podstawowej (baterii akumulatorów). Po naładowaniu kondensatorów do napięcia 350V możliwe było pokonanie drogi przez trolejbus o masie 18000 kg na odcinku 700 m w czasie 4 minut i 45 sekund [4]. Zastosowano superkondensatory BMOD0063 Maxwell o pojemności 63F, napięciu 125V, gęstości energii 2.3 Wh/kg, połączone w baterię. Przyjmując 4 moduły połączone szeregowo otrzymuje się: U max =500 V, C=15.75 F, E s =0.55 kwh, gęstość mocy P w = 3.6 kw/kg oraz krótkotrwałe obciążenie prądowe nawet do 6900A. Trwałość modułu wynosi 1 000 000 cykli, a masa 60.5 kg. WNIOSKI Potwierdzenia poprawności poczynionych założeń oraz rozważań dokonano poprzez porównanie przyjętych w projekcie rozwiązań, z stosowanymi w istniejących konstrukcjach tego typu. Jako materiał porównawczy przyjęto parametry autobusu o napędzie elektrycznym zbudowanego na bazie Solarisa Alpino w wersji 8,9 m LE (nisko wejściowej). Powstała konstrukcja o nazwie Urbino electric napędzana jest czteropolowym asynchronicznym silnikiem trakcyjnym firmy Vossloh Kiepe o mocy 120kW. Energia do napędzania silnika trakcyjnego zgromadzona jest w dwóch bateriach o jednostkowej wadze 700 kg. Baterie litowe mają napięcie znamionowe 600 V i gromadzą energię o wartości 120 kwh, co pozwala na przejechanie do 100 km. Pojazd może rozwijać maksymalną prędkość 50 km/h. Długość i masa autobusu Urbino electric, jak i będącego przedmiotem projektu, są takie same. Do napędu prototypu autobusu elektrycznego AMZ Kutno przyjęto nowocześniejszy i lżejszy silnik typu PMSM, o nieco większej mocy (155 kw). Źródło energii stanowi pakiet baterii litowo-jonowych o napięciu 576 V i większej wartości zgromadzonej energii - 230 kwh, co zapewni zwiększenie zasięgu do ok. 250 km. Istotną różnicą w stosunku do Solarisa jest system rekuperacji energii wyposażony w zestaw superkondensatorów. Streszczenie W artykule omówiono prototyp autobusu AMZ Kutno o napędzie elektrycznym. Przedstawiono założenia do konstrukcji prototypu układu napędowego. Przeanalizowano i opisano kryteria doboru silnika. W rozważaniach uwzględniono aspekt doboru układu sterującego w aspekcie zakresu regulacji silnika oraz oczekiwanych parametrów jezdnych. Porównano parametry dostępnych akumulatorów i określono ich niezbędną pojemność. Opisano rolę i dobór superkondensatorów w przewidzianym systemie rekuperacji energii. The project of prototype powertrain for electric bus AMZ Kutno Abstract The article discusses the prototype bus AMZ Kutno electrically driven. Presents guidelines for the construction of a prototype drive system. Analyzed and described the criteria for the selection of the engine. The discussion included the selection aspect of the control system in terms of the range of motor control and expected performance driving. Were compared the parameters of available batteries and set their the necessary capacity and the amount of stored energy. Describes the role and selection of capacitors in energy recuperation system provided. BIBLIOGRAFIA 1. Glinka T., Fice M., Setlak R.: Hybrydowy napęd pojazdu miejskiego. Maszyny Elektryczne, 2006, Nr 75, s.95-100 2. Goryca Z., Metody sterowania silników BLDC. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 66 Politechniki Wrocławskiej, Studia i Materiały Nr 32 2012. 3. http://www.tm4.com/en/heavyduty.aspx (2) 5005
4. Kobos W., Ciąćka M., Chudzik P.: Trolejbusowy napęd trakcyjny z zasobnikiem superkondensatorowym. Maszyny Elektryczne, nr 2, 2012, s.39-44 5. Krasucki J., Rostkowski A.: Projektowanie hybrydowych elektrohydraulicznych układów napędowych. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Eksploatacji Maszyn, Radom, 2010 6. Król E., Porównanie efektywności energetycznej silników z magnesami trwałymi I silników indukcyjnych. Maszyny elektryczne, 2007, Nr 78, s.75-78 7. Pawelski Z., Napęd hybrydowy dla autobusu miejskiego. Monografie Politechniki Łódzkiej, 1996 8. Rossa R., Król E., Regulacja prędkości obrotowej w napędzie elektrycznym e-kit dedykowanym do elektryfikacji małych samochodów osobowych i dostawczych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/2012 9. Rudnicki T., Pojazdy z silnikami elektrycznymi. Maszyny elektryczne, 2008, Nr 80, s.245-250 5006