DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0025
__________________________________________
* Politechnika Poznańska
Michał FILIPIAK
*, Jarosław JAJCZYK
*, Arkadiusz DOBRZYCKI
*EKONOMIKA STOSOWANIA BEZPRZEWODOWEGO ZASILANIA W POJAZDACH OSOBOWYCH
I AUTOBUSACH ELEKTRYCZNYCH
Praca dotyczy zagadnienia ładowania baterii (akumulatorów) pojazdów elektrycz- nych z wykorzystaniem technologii bezprzewodowej. W artykule scharakteryzowano układy stosowane do bezprzewodowego zasilania odbiorników. W przeprowadzonych analizach skoncentrowano się na efektywności poszczególnych rozwiązań. Przeanalizo- wano, 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, ekono- mia, pojazdy elektryczne.
1. WSTĘP
Bezprzewodowe zasilanie, czyli przekazywanie energii elektrycznej od źró- dła 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 napię- cia zasilającego (w przypadku stosowania układów zasilanych napięciem sinuso- idalnym), odległość odbiornika od nadajnika oraz impedancja urządzenia zasila- nego (odbiornika). Dla urządzeń o małej mocy takich jak urządzenia mobilne (smartfony, tablety), komputery przenośne itp., wartości strat energii nie są pa- rametrami 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-
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 koniecz- ności zastosowania w tego typu układach dodatkowych urządzeń energoelektro- nicznych oraz braku galwanicznego połączenia pomiędzy układem ładującym, a odbiornikiem. Ograniczenie tych strat leży nie tylko w obszarze zainteresowa- nia właściciela ładującego pojazd z przydomowej ładowarki (oprócz energii przesłanej do pojazdu musi również zapłacić za energię traconą w procesie ła- dowania) 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 elek- trycznych 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. Nale- ży zatem poszukiwać takich rozwiązań, aby straty energii były jak najmniejsze.
Obserwując obecny stan krajowej energetyki, można było, podczas szczyto- wych godzin poboru mocy, zauważyć, że niebezpiecznie zbliżano się do mak- symalnego 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 rozwią- zanie oprócz potencjalnie droższej energii może okazać się rozwiązaniem nie- pewnym ze względów np. politycznych, a także może spowodować dodatkowe problemy techniczne w funkcjonowaniu krajowego systemu elektroenergetycz- nego (KSE). Do tych problemów w szczególności zaliczyć należy stabilność napięcia (kształt, amplituda i częstotliwość). W przypadku problemów z docho- waniem tych parametrów może dojść do pracy wyspowej (odłączenia niestabil- nego 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 sto- sowane.
Zastosowanie bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej o wysokiej sprawności może rozwiązać częściowo problemy ze stratami energii przy wyso- kim komforcie użytkowania systemu ładowania. Większa sprawność pozwoli na
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 zarów- no elektrycznych jak i hybrydowych. W prognozach Polskiego rządu zaprezen- towanych w tzw. „planie Morawieckiego” zakłada się, że w 2025 roku liczba pojazdów elektrycznych ma osiągnąć milion sztuk. Plan ten przewiduje wdroże- nie rozwiązań zachęcających do zakupu takich pojazdów. W latach 2019-2020 zakłada się budowę odpowiedniej infrastruktury do ładowania baterii w pojaz- dach elektrycznych [7]. W ostatnich latach (2013-2016) sumaryczna sprzedaż aut elektrycznych w Polsce przekroczyła tysiąc sztuk przy corocznie dwukrot- nym wzroście liczby tych pojazdów [8]. Wdrażane są działania w kierunku roz- woju infrastruktury sieci szybkich ładowarek [9].
W Europie natomiast, dzięki dopłatom i lepszej dostępności do punktów zasi- lania, pojazdy elektryczne są zdecydowanie bardziej popularne. Przykładowo w Niemczech liczba sprzedanych pojazdów elektrycznych w marcu (2017) wy- niosła 1,25% ogółu wszystkich pojazdów tj. prawie 4,5 tys. sztuk [8]. Takie wyniki sprzedaży pozwalają stwierdzić, że wzrost sprzedaży pojazdów elek- trycznych jest, również w naszym kraju, nieunikniony.
Podobna sytuacja dotyczy również autobusów elektrycznych. W celu zmniej- szenia zanieczyszczeń pochodzących od spalonego paliwa coraz więcej miast rozważa zakup autobusów elektrycznych. Przykładem jest Warszawa, gdzie ostatnio zamówiono 136 autobusów elektrycznych wraz z infrastrukturą zawie- rającą 19 punktów ładowania [10]. Taki trend może w niedługim czasie dotrzeć do innych miast w Polsce.
Bardzo ciekawym rozwiązaniem związanym z infrastrukturą autobusów elek- trycznych są stacje pozwalające na ładowanie indukcyjne akumulatorów autobu- sów na przystankach w czasie krótkotrwałego postoju. Rozwiązanie tego typu można także zastosować do pojazdów osobowych w przydomowej stacji łado- wania. Wykorzystując ładowanie indukcyjne można również ładować pojazdy w trakcie ruchu. Wymaga to zbudowania specjalnych pasów po których porusza- łyby się pojazdy, zwiększając w ten sposób zasięg. W przypadku zastosowania takich rozwiązań samochody spalinowe staną się nieopłacalne.
3. UKŁADY ZASILANIA BEZPRZEWODOWEGO
Do zasilania indukcyjnego stosuje się układy pracujące w stanie rezonansu [11, 12]. Poszczególne rozwiązania różnią się metodą kompensacji obwodu od- biornika [13]. Najczęściej stosowane układy przedstawiano na rysunkach 1 i 3 [14]. W celu wykonania badań eksperymentalnych zbudowano stanowisko po- miarowe, 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. Poka- zane na rysunku 2 charakterystyki sprawności i mocy wyjściowej w funkcji od- ległości 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)
Rys. 2. Sprawność i moc wyjściowa w funkcji odległości dla układu z kompensacją szeregowo- równoległą dla rezystancji obciążenia 100 Ω
Układy z kompensacją równoległą obwodu odbiornika umożliwiają uzyska- nie wyższej sprawności i mocy na wyjściu dla rezystancji obciążenia większej od 20 Ω. Wartość 20 Ω określono na podstawie wcześniejszych badań analizo- wanego obwodu [11]. Układ ten charakteryzuje się wyższym napięciem wyj- ściowym 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)
Rys. 4. Sprawność i moc wyjściowa w funkcji odległości dla układu z kompensacją szeregowo- szeregową 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 mak- simum 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 ob- ciążenia wynoszącego 10 Ω (10 Ω określono na podstawie wcześniejszych ba- dań [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 możli- wości doładowania baterii w pojeździe w czasie jazdy. Ograniczony zasięg, ze względu na pojemność zasobnika energii, wymusza na konstruktorach poszuki- wania rozwiązań pozwalających na jego zwiększanie, oprócz możliwości doła- dowania 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% spraw- ność transferu energii [16] obliczono straty energii elektrycznej dla zadanej licz- by pojazdów.
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 sta- rano się zamodelować podobny sposób użytkowania różnych pojazdów. Pozwo- liło 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 zasobni- ków energii, pojazd powinien mieć zwiększony zasięg. Do dalszych analiz wy- brano 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). Pod- czas 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 elek- trycznej 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
01.03.2017) daje to dodatkowo rocznie 166,4 zł kosztów. Powyższa kwota w okresie całorocznego korzystania z pojazdu nie jest wysoka lecz inaczej sytu- acja wygląda z punktu widzenia strat energii w skali kraju.
Na podstawie danych dotyczących eksploatacji pojazdów elektrycznych uzy- skanych od użytkowników oraz producentów pojazdów założono spadek pojem- ności baterii na poziomie 20% w całym okresie użytkowania pojazdu (zazwy- czaj 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 ładowa- niem 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 rozwiąza- nia (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 pojaz- dów elektrycznych drogą indukcyjną.
W pracy wykazano, że jednostkowe straty energii podczas cyklu ładowania akumulatorów w typowym samochodzie elektrycznym nie są na wysokim po- ziomie, 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 ac- companying the process of electrical treeing of epoxy resins, High Voltage Engi- neering 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 Interna- tional 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 Po- land 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 kup- na, będzie zerowy VAT, 09.2016, http://www.polskieradio.pl/42/3168/Artyku l/1670599, Samochody-elektryczne-w-Polsce-rzad-zwolni-z-akcyzy-doplaci-do- kupna-bedzie-zerowy-VAT, dostęp elektroniczny.
[8] http://samochodyelektryczne.org, 05.05.2017.
[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 łado- wania, http://warszawa.naszemiasto.pl/artykul/elektryczne-autobusy-w-warszawie- docelowo-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 Jour- nals,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 Vehi- cle 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 insignifi- cant 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)
