ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/213 Zdzisław Chłopek 1, Tomasz Szczepański 2 EKOLOGICZNE ASPEKTY EKSPLOATACJI SAMOCHODÓW ELEKTRYCZNYCH NA PRZYKŁADZIE OCENY ZUŻYCIA ENERGII 1. Wstęp Ekologiczne skutki motoryzacji są bardzo złożone [1]. W obiegowych opiniach skutki te są pojmowane tylko jako emisja zanieczyszczeń, zazwyczaj niesłusznie utożsamiana wyłącznie z emisją substancji zawartych w spalinach. Z tego powodu często samochody z napędami elektrycznymi określa się jako pojazdy nieszkodliwe dla środowiska. Przy tej ocenie zapomina się m.in. o emisji pyłów ze źródeł innych niż układ wylotowy silnika, a wiadomo przecież, że emisja pyłów ze źródeł innych niż silnik spalinowy może być dominująca [2]. Przy obiegowych ocenach nie uwzględnia się również emisji zanieczyszczeń w całym cyklu przekształcania energii Well to Wheel (od źródła nośników energii do kół pojazdu) [3 6], a tym bardziej obciążenia środowiska wyznaczonego metodą oceny cyklu istnienia pojazdu [3, 7 1]. W niniejszej pracy zajęto się szczególnym skutkiem ekologicznym eksploatacji samochodów, mianowicie zużyciem energii. 2. Opis właściwości energetycznych i ekonomicznych samochodów elektrycznych Do opisu właściwości energetycznych i ekonomicznych samochodów elektrycznych wykorzystuje się pojęcia: mocy elektrycznego napędu samochodu N T, mocy oporów jazdy N R, mocy hamowania maszyną elektryczną N B, mocy odzyskiwania energii hamowania N U, mocy ładowania akumulatorów N CH, sprawności ładowania akumulatorów CH, sprawności odzyskiwania energii hamowania U, sprawności napędu D, sprawności ogólnej G. Na rysunku 2 przedstawiono schemat przepływu mocy w zespole napędowym samochodu elektrycznego. 1 Prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów. 2 Mgr inż. Tomasz Szczepański, Instytut Transportu Samochodowego, Zakład Procesów Diagnostyczno Obsługowych. 31
N T N CH CH A D N U U N B N R Rys. 1. Schemat przepływu mocy w zespole napędowym samochodu elektrycznego. Oznaczenia: CH układ ładowania akumulatora, A akumulator, D układ napędowy samochodu, U układ odzyskiwania energii hamowania, N CH moc ładowania akumulatorów, N T moc elektrycznego napędu samochodu, N R moc oporów jazdy, N B moc hamowania maszyną elektryczną, N U moc odzyskiwania energii hamowania Sprawność ogólna jest iloczynem sprawności ładowania akumulatorów i sprawności napędu: (1) G CH Sprawność ładowania akumulatorów wynosi: N 32 D T CH (2) NCH Dla samochodu elektrycznego bez odzyskiwania energii hamowania sprawność napędu wynosi: N R D (3) NT Dla samochodu elektrycznego z odzyskiwaniem energii hamowania sprawność napędu zależy dodatkowo od sprawności odzyskiwania energii hamowania: a sprawność odzyskiwania energii hamowania wynosi N R D (4) NT N U N U U (5) NB 3. Badania samochodu elektrycznego na hamowni podwoziowej w warunkach symulujących użytkowanie w miastach ze względu na sprawność ogólną Badania empiryczne zużycia energii przez samochód elektryczny przeprowadzono na hamowni podwoziowej w Centrum Ochrony Środowiska w Instytucie Transportu Samochodowego [11]. Obiektem badań był samochód osobowy Zilent Courant produkcji Chińskiej Republiki Ludowej. Samochód Zilent Courant jest pojazdem z zasilaniem silników elektrycznych wyłącznie z akumulatorów energii elektrycznej. Samochód ma układ napędowy bez odzyskiwania energii hamowania. W tabeli przedstawiono dane badanego samochodu.
Tab. Dane elektrycznego samochodu osobowego marki Zilent model Courant Nazwa Dane Wymiary 3618 mm 1563 mm 1533 mm Masa pojazdu gotowego do jazdy 117 kg Liczba pasażerów 4 Prędkość maksymalna 85 km/h Prędkość ekonomiczna 4 km/h Zdolność pokonywania wzniesień 36% (2 ) Hamulce Przód tarczowe, tył bębnowe Zasięg przy prędkości ekonomicznej > 15 km Moc znamionowa silnika 8,5 kw Typ silnika Elektryczny, bezszczotkowy 3 fazy 12 Napięcie znamionowe akumulatorów 12 V 1 akumulatorów 12 V/1 Ah Typ akumulatorów Kwasowo ołowiowe Bezobsługowe System ładowania akumulatorów Zasilanie zewnętrzne (22 23) V/(5 6) Hz; moc 1,5 kw Czas ładowania akumulatorów (12 14) h Badania symulujące warunki użytkowania samochodu w miastach przeprowadzano w testach: Stop and Go [12, 13] do symulacji ruchu w zatorach ulicznych, UDC (Urban Driving Cycle miejski test jezdny) [13, 14], stanowiący test miejski w homologacyjnym teście europejskim NEDC (New European Driving Cycle nowy europejski test jezdny), FTP 75 (Federal Transient Procedure federalna procedura dynamiczna) [13, 14], będący homologacyjnym testem w Stanach Zjednoczonych Ameryki. Na podstawie zarejestrowanych w czasie testów przebiegów: prędkości jazdy samochodu na rolce hamowni podwoziowej, napięcia na zespole akumulatorów oraz natężenia prądu w instalacji napędowej pojazdu oceniano zużycie energii przez pojazd w warunkach symulujących jazdę w miastach wyznaczając sprawność ogólną. W celu wyznaczenia sprawności ogólnej konieczne było przyjęcie sprawności ładowania akumulatorów. Procesy napędu pojazdu i ładowania akumulatorów nie zachodzą w tym samym czasie, zatem pojęcie sprawności ogólnej pojazdu w warunkach dynamicznych jest umowne i w zasadzie sprawność ogólną można oceniać tylko w warunkach bilansowania energii. Literatura podaje wartości sprawności ładowania akumulatorów znacznie różniące się wartością w zależności od rodzaju akumulatorów [4, 9]. Ostatecznie na podstawie badań własnych [11] przyjęto sprawność ładowania akumulatorów równą,65. Do oceny sprawności ogólnej samochodu w pseudoprzypadkowych warunkach ruchu wykorzystano metodę Monte Carlo [15, 16]. 33
AV[η G ] Jako zerowymiarowe charakterystyki, opisujące właściwości procesu prędkości, wybrano następujące wielkości [12, 13]: wartość średnią prędkości v(t) T 1 AVv vtdt (6) T gdzie: T czas trwania testu; wartość średnią modułu iloczynu prędkości v(t) i przyspieszenia a(t): x t v t a t T 1 AVx vt at dt T (7) Na rysunkach 2 1 przedstawiono charakterystyki sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach testów jezdnych wyznaczone z zastosowaniem metody Monte Carlo. Wyniki badań symulacyjnych aproksymowano funkcją wielomianową.,6,5,4,3,2,1 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, 7,5 8, AV[v] [km/h] Rys. 2. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście Stop and Go od prędkości średniej 34
AV[η G ],6,5,4,3,2,1,15,2,25,3,35,4,45,5 AV[x] [m^2/s^3] Rys. 3. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście Stop and Go od wartości średniej modułu iloczynu prędkości i przyspieszenia,1,5,4,8,53,27 7,3 9,1 AV[x] 5,6 [m^2/s^3], 3,8 AV[v] [km/h] 2,,3 AV[η G ],2 Rys. 4. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście Stop and Go od prędkości średniej i od wartości średniej modułu iloczynu prędkości i przyspieszenia 35
AV[η G ] AV[η G ],6,5,4,3,2,1 1 15 2 25 3 AV[v] [km/h] Rys. 5. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście UDC od prędkości średniej,6,5,4,3,2,1 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 AV[x] [m^2/s^3] Rys. 6. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście UDC od wartości średniej modułu iloczynu prędkości i przyspieszenia 36
AV[η G ],4,1,5 4, 2,7 36 1,3 27 AV[x] 18 [m^2/s^3], 9 AV[v] [km/h],3 AV[η G ],2 Rys. 7. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście UDC od prędkości średniej i od wartości średniej modułu iloczynu prędkości i przyspieszenia,6,5,4,3,2,1 1 15 2 25 3 35 4 45 5 AV[v] [km/h] Rys. 8. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście FTP 75 od prędkości średniej 37
AV[η G ],6,5,4,3,2,1 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 AV[x] [m^2/s^3] Rys. 9. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście FTP 75 od wartości średniej modułu iloczynu prędkości i przyspieszenia,1,5,4 6, 4, 71 2, 53 AV[x] 36 [m^2/s^3], 18 AV[v] [km/h],3 AV[η G ],2 Rys. 1. Zależność sprawności ogólnej w pseudoprzypadkowych warunkach użytkowania samochodu w procesach teście FTP 75 od prędkości średniej i od wartości średniej modułu iloczynu prędkości i przyspieszenia 4. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski: 1. Wartość sprawności ogólnej badanego samochodu elektrycznego w warunkach ruchu w miastach wynosi przeciętnie około,3,4. 2. Sprawność ogólna samochodu elektrycznego w warunkach symulujących użytkowanie w miastach znacznie się różni dla modeli jazdy. Najmniejsza wartość sprawności ogólnej jest dla modelu Stop and Go, odpowiadającego jeździe w zatorach ulicznych. 38
3. Sprawność ogólna samochodu elektrycznego w warunkach ruchu w miastach jest wrażliwa na zastosowane charakterystyki punktowe procesu prędkości jazdy. Wrażliwość ta jest znacznie zróżnicowana. Najmniejsza wrażliwość jest w przypadku testu Stop and Go. Dla testów UDC i FTP 75 sprawność ogólna samochodu elektrycznego wyraźnie powiększa się w miarę zwiększania się prędkości średniej, a więc w przypadku mniejszej intensywności utrudnień ruchu. Zastosowana metoda badania zużycia energii przez samochód elektryczny jest skutecznym sposobem oceny właściwości użytkowych pojazdu w warunkach pseudoprzypadkowych na podstawie wyników doświadczeń empirycznych w pojedynczych realizacjach procesów prędkości testów jezdnych wykonywanych na hamowni podwoziowej. Literatura: [1] Chłopek Z.: Ochrona środowiska naturalnego. Pojazdy samochodowe. WKŁ. Warszawa 22. [2] Chłopek Z.: Testing of hazards to the environment caused by particulate matter during use of vehicles. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability. 2/212. 16 17. [3] Chłopek Z, Lasocki J.: Comprehensive environmental impact assessment of the process of preparation of bioethanol fuels of the first and second generation. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 213; 15 (1). 44 5. [4] Delucchi M.A.: Emissions of greenhouse gases from the use of transportation fuels and electricity. Report ANL/ESD/TM 22. Argonne, Illinois: Argonne National Laboratory, 1991. [5] Well to Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context. Well to Whells Report, Version 2c. EUCAR/CONCAWE /JRC. March 27. [6] Wheel to Well Analysis of EVs. MIT Electric Vehicle Team. MIT. April 28. http://web.mit.edu/evt/summary_wtw.pdf. [7] Cherry C.: Electric two wheelers in China: Analysis of environmental, safety, and mobility impacts. Ph.D. Dissertation. University of California, Berkeley 29. [8] Delucchi M.A.: Electric and gasoline vehicle lifecycle cost and energy use model. Report for the California Air Resources Board. Final Report UCD ITS RR 99 4. Davis, California: Institute of Transportation Studies University of California, 2. [9] Gaines L., Singh M: Energy and environmental impacts of electric vehicle battery production and recycling. SAE Total Life Cycle Conference and Exposition. Vienna, 1995. [1] Goedkoop M., Spriensma R.: The Eco indicator 99. A damage oriented method for Life Cycle Impact Assessment. Methodology Report. Pre Consultants B. V. Amersfoort, 21. [11] Chłopek Z. et al.: Badania empiryczne zużycia energii przez samochód elektryczny w warunkach symulujących rzeczywiste użytkowanie. Praca statutowa ITS nr 611/COŚ. Warszawa, 212. [12] BUWAL, INFRAS AG: Luftschadstoffemissionen des Strassenverkehrs 195 21. BUWAL Bericht Nr. 255. 1995. [13] Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria Mechanika z. 173. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1999. 39
[14] Worldwide emission standards. Passenger cars and light duty vehicles. Delphi. Innovation for the real world. 212/213. [15] Chłopek Z., Laskowski P.: Pollutant emission characteristics determined using the Monte Carlo Method. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability Nr 2(42)/29. 42 51. [16] Chłopek Z.: The cognitive interpretation of the Monte Carlo method for the technical applications. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability Nr 3 (43)/29. 38 46. Streszczenie Zagrożenie środowiska ze strony motoryzacji dotychczas były praktycznie utożsamiane z zastosowaniem silników spalinowych do napędu samochodów. Coraz szybszy rozwój samochodów elektrycznych powoduje celowość rozpatrzenia problemów obciążenia środowiska przez te pojazdy. Spośród ekologicznych aspektów eksploatacji samochodów elektrycznych przeanalizowano problem zużycia energii w czasie użytkowania pojazdów. W pracy przedstawiono wyniki badań empirycznych elektrycznego samochodu osobowego na hamowni podwoziowej w testach jezdnych symulujących użytkowanie pojazdu w warunkach ruchu w miastach. Wyznaczono sprawność ogólną samochodu warunkach pseudoprzypadkowych w testach jezdnych. Słowa kluczowe: samochody elektryczne, zużycie energii THE ECEGICAL ASPECTS OF THE OPERATION OF ELECTRICAL CARS Abstract Threat to the environment from the automotive industry so far been practically identified with the use of internal combustion engines to driver of cars. Increasing development of electric cars will consider the desirability of environment issues by these vehicles. Among the environmental aspects of the use of electric cars examined the problem of energy consumption during the use of cars. This paper presents the results of empirical research of the electric car on a chassis dynamometer in tests simulating the use of a vehicle driving in traffic conditions in cities. The general efficiency of the car was determined in a random conditions in the driving tests. Keywords: electrical cars, energy consumption 4