DOI 10.21008/j.1897-0737.2017.92.0002
_______________________________________
* Politechnika Poznańska.
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 wty- kowego, 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 obli- czeniach 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, któ- rych podstawowe zastosowanie polega na spaleniu w celu przetworzenia zawar- tej w nich energii chemicznej w inne postacie energii. Spalanie wiąże się z wy- twarzaniem znacznych ilości szkodliwych produktów spalania (CO, CO2, NOx itd.). Pomimo stosowania specjalnych metod oczyszczania spalin (filtry, katali- zatory, optymalne sterowanie procesem spalania) niestety nie udaje się całkowi- cie wyeliminować negatywnego wpływu tych związków.
W dużych aglomeracjach miejskich istotny wpływ na powstawanie zanie- czyszczenia powietrza mają pojazdy wyposażone w silniki spalinowe. W nie- których miastach wprowadza się przepisy ograniczające lub zakazujące poru- szania się pojazdów spalinowych nie spełniających odpowiednich norm. Alter- natywą w takich sytuacjach mogą być pojazdy elektryczne. Są to pojazdy „ze-
roemisyjne”, które poza brakiem negatywnego wpływu na środowisko charakte- ryzują się znacznie niższymi kosztami eksploatacji. Problemem pozostaje cena ich zakupu. Można jednak zaobserwować znaczny spadek cen i wzrost zaintere- sowania tego typu rozwiązaniami.
Zalety napędu elektrycznego dostrzegli również producenci środków komu- nikacji zbiorowej [1, 2, 3, 4]. Produkuje się coraz więcej autobusów elektrycz- nych wykorzystujących do napędu silniki elektryczne i energię zgromadzoną w akumulatorach. W tego typu rozwiązaniach istotne jest odpowiednie zapro- jektowanie 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 przystan- kach końcowych zapewniające ponowne pełne naładowanie baterii byłyby nie- akceptowalnie długie. Lepszym rozwiązaniem jest umożliwienie doładowywa- nia baterii podczas postojów na przystankach. W takim przypadku odpowiednio skonfigurowany autobus oraz infrastruktura pozwalają na pracę autobusu prak- tycznie bez przerw.
Istnieje kilka metod ładowania autobusów elektrycznych. W pracy przed- stawiono 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. BudowaAutobus elektryczny różni się od swojego odpowiednika z silnikiem spali- nowym 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 proce- su hamowania może on pracować jako generator odzyskując i oddając energię do baterii akumulatorów [2, 3].
Akumulatory montowane w autobusach to w większości przypadków ogni- wa 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). Zazwy- czaj pojemność akumulatorów montowanych w autobusach waha się w prze- dziale od 60 do 300 kWh. Planuje się już rozwiązania o zgromadzonej energii
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 ładowa- nia pojazd musi być wyposażony w odpowiedni osprzęt i inwertery (falowniki) zawarte w tzw. kontenerze trakcyjnym. Ogólny schemat zasilania autobusu elektrycznego przedstawiono na rysunku 1.
Ładowanie wtykowe
Pantograf
Ładowarka indukcyjna
Akumulator wysokonapięciowy
M
Kontener trakcyjny inwerter trakcyjny DC/AC
inwertery 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 reali- zowane było za pośrednictwem silnika spalinowego i sprzężenia mechaniczne- go (np. kompresor powietrza, układ klimatyzacji, hydrauliczny układ wspoma- gania 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 sta- cji ładowania. Zadaniem tych urządzeń jest odpowiednie dostosowywanie ener- gii elektrycznej pobieranej z systemu elektroenergetycznego na potrzeby zasob- nika energii. W zależności od metody ładowania można mieć do czynienia z kilkoma wariantami transformacji energii elektrycznej. Wyróżnić można: wy- prostowanie napięcia przemiennego na stałe (ładowanie stałym napięciem), dostosowanie poziomu napięcia (ładowanie napięciem przemiennym) oraz zmianę częstotliwości i wartości napięcia (ładowanie indukcyjne).3.1. Ładowanie wtykowe
Ładowanie przewodowe (ang. Plug In) może odbywać się napięciem stałym lub przemiennym. W zależności od napięcia ładowania wykorzystuje się specjal- ne wtyki. Wyróżnia się wtyki na prąd stały, na prąd przemienny oraz tzw. kombi- nowane umożliwiające ładowanie zarówno prądem stałym jak i przemiennym.
Proces ładowania obostrzony jest szeregiem norm, które określają m.in. maksy- malny 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 ko- nieczność podłączenia przewodów ładujących do pojazdu. Ogranicza to możli- wość 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 przy- stankach. Jest to związane z brakiem konieczności dodatkowej obsługi przez personel podczas uruchamiania ładowania. Po zatrzymaniu autobusu w wyzna- czonym miejscu następuje połączenie ze stacją ładującą za pomocą pantografu.
Proces ładowania jest stale monitorowany m.in. dzięki komunikacji bezprzewo- dowej 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 przy- stanku, choć wykorzystanie tak dużych mocy, wymaga odpowiedniej infrastruk- tury 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 połą- czenia 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
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]. Spotyka- ne są również rozwiązania zastosowania bezprzewodowego ładowania w czasie jazdy. Osiągana w takich rozwiązaniach sprawność wynosi około 80% [4].
SIEĆ DC
SIEĆ AC
DC DC
AC DC
DC AC
U I
pierwotne uzwoj.
uzwoj.
wtórne
DC AC
M
BA TERIE kontrola prądu ładowania
kontrola prądu ładowania konwerter mocy
PRZYDRO ŻNA STACJA ŁADOWANIA URZĄDZENIA POKŁADOWE
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 autobu- sów. Pierwsza polega na bezpośrednim zasilaniu z GPZ za pomocą dedykowa- nej 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 zacho- dzi 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].
Analizie podlegały straty mocy związane z zasilaniem stacji ładowania. Ce- lem badań jest wskazanie rozwiązania efektywniejszego energetycznie dla róż- nych mocy przesyłanych o wartościach odpowiadających krotnościom typo- wych mocy stosowanych w ładowaniu autobusów (krotności 150 kW) [6].
4.2. Wyniki obliczeń
W trakcie obliczeń wyznaczono straty mocy związane z zasilaniem stacji ła- dowania 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]:
2
2S I P l
(1)SU I U l
200
(2)gdzie: P – straty mocy, l – długość linii, I – prąd linii zasilającej, – konduk- tywność 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 wy- noszą od 10 do 25% mocy przesyłanej [6].
Na rysunkach od 3 do 8 przedstawiono zależność strat mocy od długości od- cinka 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 czę- stotliwości 50 Hz.
Analiza powyższych wykresów pozwala wskazać odległości dla których na- stępuje 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 powstawa- niem strat to: straty przesyłowe (dla układu DC) oraz straty związane z konwer- sją AC/DC (w układzie AC). Przy czym straty rozpatrywano na odcinku od miejsca połączenia z siecią do baterii zlokalizowanych w pojeździe.
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
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
Straty przesyłowe obliczono dla minimalnego dopuszczalnego przekroju przykładowego kabla DC [5] przeznaczonego do taboru kolejowego, a spraw- ność stacji ładowania przyjęto w oparciu o dane literaturowe [6] na poziomie 90%. W analizie tej nie można zapomnieć o spadku napięcia w linii DC – spa- dek ten przy prądach rzędu setek amperów jest istotną barierą w przesyle na znaczne odległości. Na rysunku 9 przedstawiono zależność maksymalnej odle- głości od źródła zasilania w zależności od przesyłanej mocy przy spadku napię- cia 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 warto- ściami 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 rozbudo- wanej infrastruktury, jednak ze względu na konieczność podłączania stacji ładującej do autobusu za pomocą przewodu nie nadaje się do doładowywa- nia akumulatorów na przystankach. Metoda ze względu na ograniczoną moc wykorzystywana jest podczas dłuższych postojów np. na przystankach koń- cowych lub w zajezdniach.
– Ładowanie za pomocą pantografu charakteryzuje się największą mocą. Po- zwala 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 doła- dowywanie baterii podczas postojów na przystankach. Moc dostępnych ła- dowarek jest większa niż ładowarek przewodowych. Wadą tej metody jest ograniczona do około 90% sprawność.
W gęstej zabudowie mogą wystąpić problemy z wygospodarowaniem miej- sca na dodatkową infrastrukturę techniczną. W wielu przypadkach wykonanie stacji ładowania zasilanej z sieci AC, w skład której wchodzić może transforma- tor, 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 przestrze- ni. Rozwiązanie takie wydaje się szczególnie atrakcyjne dla celu doładowywa- nia autobusów na przystankach. Biorąc pod uwagę ograniczenia w postaci prze- syłanej 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 zastosowa- niem 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 ekolo- gicznymi 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:
[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 elektroenergetycz- nym, 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)
