POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 92 Electrical Engineering 2017 DOI 10.21008/j.1897-0737.2017.92.0002 Arkadiusz DOBRZYCKI* Michał FILIPIAK* Jarosław JAJCZYK* ZASILANIE UKŁADÓW ŁADOWANIA AKUMULATORÓW AUTOBUSÓW ELEKTRYCZNYCH W artykule przedstawiono budowę autobusów elektrycznych ze szczególnym uwzględnieniem metod ich ładowania. Omówiono stosowane sposoby ładowania wtykowego, z użyciem pantografu i ładowania bezprzewodowego. Wykonano, poparte obliczeniami, których wyniki przedstawiono w postaci graficznej, porównanie strat mocy podczas ładowania przy przesyle liniami napięcia stałego lub zmiennego. W obliczeniach analizowano wpływ rodzaju zasilania i poziomu przesyłanej mocy dla różnych odległości. Wykazano, że straty mocy dla analizowanych układów, rozpatrywanych jako suma wszystkich urządzeń łączących linię napięcia stałego bądź zmiennego z akumulatorami, zależą od odległości od źródła. W pracy wskazano, które rozwiązania charakteryzują się mniejszymi stratami w zależności od wartości przesyłanej mocy i odległości od punktu zasilania. Słowa kluczowe: zasilanie autobusów elektrycznych, metody ładowania, straty mocy 1. WSTĘP Środki transportu bazują głównie na ropopochodnych źródłach energii, których podstawowe zastosowanie polega na spaleniu w celu przetworzenia zawartej w nich energii chemicznej w inne postacie energii. Spalanie wiąże się z wytwarzaniem znacznych ilości szkodliwych produktów spalania (CO, CO 2, NOx itd.). Pomimo stosowania specjalnych metod oczyszczania spalin (filtry, katalizatory, optymalne sterowanie procesem spalania) niestety nie udaje się całkowicie wyeliminować negatywnego wpływu tych związków. W dużych aglomeracjach miejskich istotny wpływ na powstawanie zanieczyszczenia powietrza mają pojazdy wyposażone w silniki spalinowe. W niektórych miastach wprowadza się przepisy ograniczające lub zakazujące poruszania się pojazdów spalinowych nie spełniających odpowiednich norm. Alternatywą w takich sytuacjach mogą być pojazdy elektryczne. Są to pojazdy ze- * Politechnika Poznańska.
26 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk roemisyjne, które poza brakiem negatywnego wpływu na środowisko charakteryzują się znacznie niższymi kosztami eksploatacji. Problemem pozostaje cena ich zakupu. Można jednak zaobserwować znaczny spadek cen i wzrost zainteresowania tego typu rozwiązaniami. Zalety napędu elektrycznego dostrzegli również producenci środków komunikacji zbiorowej [1, 2, 3, 4]. Produkuje się coraz więcej autobusów elektrycznych wykorzystujących do napędu silniki elektryczne i energię zgromadzoną w akumulatorach. W tego typu rozwiązaniach istotne jest odpowiednie zaprojektowanie zarówno pojazdu, jak również infrastruktury, w której będzie się on poruszał. W wielu przypadkach nieefektywne jest wyposażanie autobusu w akumulatory zapewniające pokonanie całej trasy, gdyż przestoje na przystankach końcowych zapewniające ponowne pełne naładowanie baterii byłyby nieakceptowalnie długie. Lepszym rozwiązaniem jest umożliwienie doładowywania baterii podczas postojów na przystankach. W takim przypadku odpowiednio skonfigurowany autobus oraz infrastruktura pozwalają na pracę autobusu praktycznie bez przerw. Istnieje kilka metod ładowania autobusów elektrycznych. W pracy przedstawiono metody ładowania wtykowego, z wykorzystaniem pantografu oraz bezprzewodowego. Projektowanie tras autobusów elektrycznych w komunikacji miejskiej wymaga określenia sposobu ładowania ich akumulatorów. W analizie uwzględnić należy nie tylko koszt infrastruktury, ale także przewidywane koszt energii (również tej traconej) w założonym okresie eksploatacji. 2. CHARAKTERYSTYKA AUTOBUSÓW ELEKTRYCZNYCH 2.1. Budowa Autobus elektryczny różni się od swojego odpowiednika z silnikiem spalinowym budową układu napędu i zasilania. Silnik spalinowy (zazwyczaj diesla) zastąpiono elektrycznym silnikiem trakcyjnym (zazwyczaj jednym). Stosowane najczęściej są silniki trójfazowe asynchroniczne o mocy od 60 kw do 240 kw. Dodatkową zaletą zastosowania silnika elektrycznego jest to, że podczas procesu hamowania może on pracować jako generator odzyskując i oddając energię do baterii akumulatorów [2, 3]. Akumulatory montowane w autobusach to w większości przypadków ogniwa litowo-jonowe. Ich liczba zależna jest od pojemności jaką chce się uzyskać, a ta jest determinowana przez żądany zasięg pojazdu. Zasięg z kolei zależy do konfiguracji trasy (wzniesienia, liczba przystanków, natężenie ruchu). Zazwyczaj pojemność akumulatorów montowanych w autobusach waha się w przedziale od 60 do 300 kwh. Planuje się już rozwiązania o zgromadzonej energii
Zasilanie układów ładowania akumulatorów autobusów... 27 do 500 kwh, jednak pojemność, a w konsekwencji zasięg, jest okupiona dużą masą całkowitą pojazdu (waga baterii ok. 6 ton) [3]. Ładowanie akumulatorów realizowane jest jedną z trzech metod: wtykową, za pomocą pantografu oraz bezprzewodowo. W zależności od metody ładowania pojazd musi być wyposażony w odpowiedni osprzęt i inwertery (falowniki) zawarte w tzw. kontenerze trakcyjnym. Ogólny schemat zasilania autobusu elektrycznego przedstawiono na rysunku 1. Akumulator wysokonapięciowy Ładowanie wtykowe Pantograf Ładowarka indukcyjna Kontener trakcyjny inwerter trakcyjny DC/AC inwertery M osprzęt Rys. 1. Schemat zasilania w autobusie elektrycznym Istotne różnice w budowie autobusu elektrycznego dotyczą dodatkowego osprzętu. Napędzanie i zasilanie układów, które w pojeździe spalinowym realizowane było za pośrednictwem silnika spalinowego i sprzężenia mechanicznego (np. kompresor powietrza, układ klimatyzacji, hydrauliczny układ wspomagania kierownicy, układ ogrzewania) w autobusach elektrycznych wykonywane jest poprzez napęd elektryczny i zasilanie z baterii trakcyjnych. 3. METODY ŁADOWANIA POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH Ładowanie pojazdów elektrycznych realizowane jest z wykorzystaniem stacji ładowania. Zadaniem tych urządzeń jest odpowiednie dostosowywanie energii elektrycznej pobieranej z systemu elektroenergetycznego na potrzeby zasobnika energii. W zależności od metody ładowania można mieć do czynienia z kilkoma wariantami transformacji energii elektrycznej. Wyróżnić można: wyprostowanie napięcia przemiennego na stałe (ładowanie stałym napięciem), dostosowanie poziomu napięcia (ładowanie napięciem przemiennym) oraz zmianę częstotliwości i wartości napięcia (ładowanie indukcyjne).
28 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk 3.1. Ładowanie wtykowe Ładowanie przewodowe (ang. Plug In) może odbywać się napięciem stałym lub przemiennym. W zależności od napięcia ładowania wykorzystuje się specjalne wtyki. Wyróżnia się wtyki na prąd stały, na prąd przemienny oraz tzw. kombinowane umożliwiające ładowanie zarówno prądem stałym jak i przemiennym. Proces ładowania obostrzony jest szeregiem norm, które określają m.in. maksymalny prąd ładowania na poziomie 250 A przy napięciu przemiennym o wartości do maksymalnie 690 V (50 60 Hz), oraz 400 A przy napięciu stałym o wartości do 1500 V. Tego typu ładowanie realizowane jest w praktyce z mocą nie większą niż 150 kw (750 V DC, 200 A) [1, 2]. Główną wadą tego typu metody jest konieczność podłączenia przewodów ładujących do pojazdu. Ogranicza to możliwość wykorzystania tej metody do ładowania autobusów na przystankach. 3.2. Ładowanie za pomocą pantografu Ładowanie autobusów za pomocą pantografu jest obecnie najpopularniejszą metodą zasilania autobusów elektrycznych, zwłaszcza podczas postoju na przystankach. Jest to związane z brakiem konieczności dodatkowej obsługi przez personel podczas uruchamiania ładowania. Po zatrzymaniu autobusu w wyznaczonym miejscu następuje połączenie ze stacją ładującą za pomocą pantografu. Proces ładowania jest stale monitorowany m.in. dzięki komunikacji bezprzewodowej pomiędzy autobusem a stacją ładującą. Ładowanie realizowane jest za pomocą napięcia stałego o wartości do 750 V przy natężeniu prądu do 1000 A. W stosowanych rozwiązaniach moc dostępna podczas ładowania wynosi do 500 kw (choć są dostępne ładowarki o mocy nawet do 750 kw) [2]. Umożliwia to bardzo szybkie doładowywanie baterii autobusu podczas postoju na przystanku, choć wykorzystanie tak dużych mocy, wymaga odpowiedniej infrastruktury energetycznej zapewniającej zasilanie stacji ładującej. 3.3. Ładowanie bezprzewodowe (indukcyjne) Z ładowaniem bezprzewodowym wiąże się obecnie duże nadzieje. Główną jego zaletę jest możliwość ładowania bez konieczności bezpośredniego połączenia galwanicznego pomiędzy stacją ładującą a pojazdem. Nie występują w tej metodzie styki robocze, które w innych metodach podczas eksploatacji ulegają zużyciu. Ponadto, stacja ładująca nie zakłóca architektury w miejscu jej lokalizacji (np. w obrębie zabytkowej zabudowy), gdyż nie są wymagane żadne instalacje widoczne w obrębie przystanku. Stacja ładowania może być zasilana napięciem stałym lub przemiennym. Układ ładowania zbudowany jest z dwóch części (rys. 2). W części przydrożnej znajduje się uzwojenie pierwotne stacji ładującej umieszczone w nawierzchni jezdni. W trakcie ładowania zasilane jest
Zasilanie układów ładowania akumulatorów autobusów... 29 ono napięciem o wysokiej częstotliwości (do ok. 20 khz) uzyskiwanym w przekształtniku mocy. Uzwojenie wtórne montowane w podłodze pojazdu jest zazwyczaj opuszczane na czas ładowania w celu uzyskania maksymalnej sprawności przesyłu bezprzewodowego, która przekracza 90% [1, 2]. Spotykane są również rozwiązania zastosowania bezprzewodowego ładowania w czasie jazdy. Osiągana w takich rozwiązaniach sprawność wynosi około 80% [4]. PRZYDROŻNA STACJA ŁADOWANIA URZĄDZENIA POKŁADOWE SIEĆ DC DC DC DC U AC I pierwotne uzwoj. uzwoj. wtórne DC AC M konwerter mocy SIEĆ AC AC DC kontrola prądu ładowania kontrola prądu ładowania BATERIE Rys. 2. Ogólny schemat systemu ładowania indukcyjnego w autobusie elektrycznym Moc maksymalna podczas ładowania indukcyjnego sięga około 200 kw [1, 2]. Układ pozwala na doładowywanie pojazdu podczas postoju na przystanku w trakcie wsiadania i wysiadania pasażerów. W większości przypadków linia autobusowa wyposażona w przystanki z ładowarkami indukcyjnymi pozwala na ciągłą pracę autobusów bez konieczności specjalnego zjeżdżania do zajezdni w celu doładowania baterii. 4. ANALIZA STRAT MOCY W UKŁĄDACH ŁADOWANIA AKUMULATORÓW AUTOBUSÓW 4.1. Lokalizacja strat mocy i energii w układach ładowania autobusów elektrycznych W analizie rozważano dwie koncepcje zasilania punktu ładowania autobusów. Pierwsza polega na bezpośrednim zasilaniu z GPZ za pomocą dedykowanej linii napięcia stałego 1500 V. Drugie rozwiązanie zakłada poprowadzenie linii napięcia zmiennego 15 kv zasilającej punkt ładowania wyposażony w z transformator obniżający napięcie. W przypadku bezpośredniego zasilania prądem stałym głównym miejscem powstawania strat mocy jest linia przesyłowa. Natomiast w sytuacji, gdy zachodzi konieczność konwersji napięcia przemiennego na stałe, to właśnie na tym etapie występują największe straty. Do obliczeń wykorzystano typowe dane katalogowe kabli oraz ładowarek stosowanych w stacjach ładowania autobusów [5, 6].
30 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk Analizie podlegały straty mocy związane z zasilaniem stacji ładowania. Celem badań jest wskazanie rozwiązania efektywniejszego energetycznie dla różnych mocy przesyłanych o wartościach odpowiadających krotnościom typowych mocy stosowanych w ładowaniu autobusów (krotności 150 kw) [6]. 4.2. Wyniki obliczeń W trakcie obliczeń wyznaczono straty mocy związane z zasilaniem stacji ładowania w zależności od rodzaju napięcia (DC lub AC), przesyłanej mocy oraz długości linii zasilającej. Obliczenia wykonano zgodnie z zależnościami na straty mocy i spadki napięcia dla linii DC [7]: 2l I 2 P (1) S 200l U I (2) SU gdzie: P straty mocy, l długość linii, I prąd linii zasilającej, konduktywność kabla, S przekrój żyły roboczej, U spadek napięcia, U napięcie robocze. W przypadku układu DC 1500 V, decydujące są straty przesyłowe, ze względu na brak przekształtnika AC/DC w stacji ładowania. Ponadto nie uwzględniono strat w układzie przekształtnikowym operatora systemu, gdyż za punkt początkowy analizy przyjęto początek linii stałoprądowej. Natomiast dla linii AC o napięciu znamionowym 15 kv, spadek napięcia i straty mocy przy założonych mocach są pomijalnie małe i decydujący wpływ ma przekształtnik umieszczony w punkcie ładowania, którego straty mocy wynoszą od 10 do 25% mocy przesyłanej [6]. Na rysunkach od 3 do 8 przedstawiono zależność strat mocy od długości odcinka GPZ bateria akumulatorów ładowanego autobusu, odpowiednio dla przypadków jednoczesnego ładowania od 1 do 6 autobusów (od 150 do 900 kw mocy odbiornika). Na rysunkach legenda DC oznacza przypadek zastosowania linii prądu stałego, natomiast AC układu przesyłowego prądu zmiennego o częstotliwości 50 Hz. Analiza powyższych wykresów pozwala wskazać odległości dla których następuje zmiana korzystniejszego energetycznie rozwiązania. Zauważyć można prawidłowość, że dla odległości mniejszych układ DC generuje mniejsze straty, a przy większych odległościach to układ AC jest efektywniejszy. W analizie strat mocy założono, że główne czynniki związane z powstawaniem strat to: straty przesyłowe (dla układu DC) oraz straty związane z konwersją AC/DC (w układzie AC). Przy czym straty rozpatrywano na odcinku od miejsca połączenia z siecią do baterii zlokalizowanych w pojeździe.
Zasilanie układów ładowania akumulatorów autobusów... 31 Rys. 3. Straty mocy dla jednego stanowiska moc przesyłana 150 kw Rys. 4. Straty mocy dla dwóch stanowisk moc przesyłana 300 kw Rys. 5. Straty mocy dla trzech stanowisk moc przesyłana 450 kw
32 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk Rys. 6. Straty mocy dla czterech stanowisk moc przesyłana 600 kw Rys. 7. Straty mocy dla pięciu stanowisk moc przesyłana 750 kw Rys. 8. Straty mocy dla sześciu stanowisk moc przesyłana 900 kw
Zasilanie układów ładowania akumulatorów autobusów... 33 Straty przesyłowe obliczono dla minimalnego dopuszczalnego przekroju przykładowego kabla DC [5] przeznaczonego do taboru kolejowego, a sprawność stacji ładowania przyjęto w oparciu o dane literaturowe [6] na poziomie 90%. W analizie tej nie można zapomnieć o spadku napięcia w linii DC spadek ten przy prądach rzędu setek amperów jest istotną barierą w przesyle na znaczne odległości. Na rysunku 9 przedstawiono zależność maksymalnej odległości od źródła zasilania w zależności od przesyłanej mocy przy spadku napięcia nie większym niż 5%, przy minimalnym przekroju przewodu dobranym ze względu na obciążalność prądową. Rys. 9. Maksymalna długość linii DC dla spadku napięcia nie przekraczającego 5% Przyjęty poziom spadku napięcia jest kompromisem między dopuszczalnym krótkotrwale spadkiem napięcia w sieciach trakcyjnych (do 30%) [8], a wartościami dopuszczalnymi dla linii zasilających nn (poniżej 3%) [7]. 5. WNIOSKI W pracy przestawiono budowę autobusów elektrycznych. Szczególną uwagę zwrócono na metody ich ładowania. Omówiono metodę ładowania wtykowego, ładowania z wykorzystaniem pantografu i metodę bezprzewodowego ładowania indukcyjnego. Na podstawie przedstawionych charakterystyk poszczególnych metod ładowania autobusów elektrycznych można stwierdzić, że: Ładowanie przewodowe jest najprostszą metodą niewymagającą rozbudowanej infrastruktury, jednak ze względu na konieczność podłączania stacji ładującej do autobusu za pomocą przewodu nie nadaje się do doładowywania akumulatorów na przystankach. Metoda ze względu na ograniczoną moc wykorzystywana jest podczas dłuższych postojów np. na przystankach końcowych lub w zajezdniach.
34 Arkadiusz Dobrzycki, Michał Filipiak, Jarosław Jajczyk Ładowanie za pomocą pantografu charakteryzuje się największą mocą. Pozwala na szybkie doładowanie baterii podczas postojów na przystankach. Niestety wymaga rozbudowanej infrastruktury stacji ładującej pozwalającej na wykorzystanie pantografu. Bezprzewodowe ładowanie indukcyjne pozwala również na szybkie doładowywanie baterii podczas postojów na przystankach. Moc dostępnych ładowarek jest większa niż ładowarek przewodowych. Wadą tej metody jest ograniczona do około 90% sprawność. W gęstej zabudowie mogą wystąpić problemy z wygospodarowaniem miejsca na dodatkową infrastrukturę techniczną. W wielu przypadkach wykonanie stacji ładowania zasilanej z sieci AC, w skład której wchodzić może transformator, układ prostowniczy i przetwornik DC/DC, może okazać się niemożliwe. Przeprowadzone rozważania pozwalają skalkulować racjonalność zastosowania systemu opartego na sieci DC, wykorzystującego jedynie konwerter DC/DC. Jest to układ mniej skomplikowany i wymagający znacznie mniejszej przestrzeni. Rozwiązanie takie wydaje się szczególnie atrakcyjne dla celu doładowywania autobusów na przystankach. Biorąc pod uwagę ograniczenia w postaci przesyłanej do jednego punktu mocy (150 kw) i dopuszczalnego spadku napięcia (5%) okazuje się, że można z jednego punktu zasilić obszar o promieniu 5 km. Opcja doładowywania autobusów na poszczególnych przystankach, a nie tylko na przystankach końcowych lub w zajezdni, może skutkować zastosowaniem akumulatorów o mniejszej pojemności, a więc pojazd będzie znacznie lżejszy i zużyje mniej energii. Należy się spodziewać, że ze względu na rosnącą popularność pojazdów elektrycznych wywoływaną głównie aspektami ekologicznymi autobusy elektryczne będą zyskiwały coraz większą popularność. Spowoduje to również rozbudowę infrastruktury do ich zasilania. LITERATURA [1] Bi Z., Song L., Kleine R., Chris Ch., Keoleian G.A., Plug in vs. wireless charging: Life cycle energy and greenhouse gas emissions for an electric bus system, Applied Energy 146 (2015) 11 19. [2] Rogge M., Sauer D.U., Wollny S., Fast Charging Battery Buses for the Electrification of Urban Public Transport A Feasibility Study Focusing on Charging Infrastructure and Energy Storage Requirements, Energies 2015, 8, 4587 4606. [3] Solaris Bus & Coach S.A., Urbino electric katalog produktów, https://www.solarisbus.com/pol/urbino_electric.html, dostęp: 12.02.2017. [4] Ko Y. D., Jang Y. J., The Optimal System Design of the Online Electric Vehicle Utilizing Wireless Power Transmission Technology, IEEE Transactions on intelligent transportation systems, vol. 14, no. 3, 2013, 1255 1265. [5] Prysmian Group, Rolling Stock Cables, http://www.astat.com.pl/download.php? file=pliki/prysmian_katalog_kable_gb.pdf, dostęp: 10.02.2017:
Zasilanie układów ładowania akumulatorów autobusów... 35 [6] Thiringer T., Haghbin S., Power Quality Issues of a Battery Fast Charging Station for a Fully Electric Public Transport System in Gothenburg City, Batteries 2015, 1, 22 33; doi:10.3390/batteries1010022. [7] Markiewicz H., Instalacje Elektryczne, WNT, Warszawa 2012. [8] Rojek A., Jakość energii elektrycznej w kolejowym systemie elektroenergetycznym, Problemy kolejnictwa, Zeszyt nr 137/138, 2003. CHARGING THE ELECTRICAL BUSES OF COLLECTIVE COMMUNICATION IN THE URBAN AREA The article presents the construction of electric buses with special emphasis on methods of charging. Discusses the methods used for charging plug, with a pantograph and wireless charging. Done, supported by calculations, the results of which are presented in graphical form, a comparison of power losses during charging the transmission line of DC and AC. The calculations analyzed the impact of the type of power and the level of power transmitted at various distances. It has been shown that for the analyzed system, considered as the sum of all devices connecting line DC voltage or AC with batteries, it depends on the distance from the source and can point solution for smaller losses, depending on the power transmitted. (Received: 21. 02. 2017, revised: 28. 02. 2017)