Niniejszy referat opisuje serię badań, która została przeprowadzona na rowerze górskim wyposażonym w silnik elektryczny. Pomiary obejmują zarówno wyznaczenie całkowitej sprawności pojazdu jak i oddzielnie jego ładowarki, akumulatorów, silnika i układu przeniesienia napędu. Dodatkowo została określona ilość energii potrzebna na przebycie dystansu 100 km. Badania wymagały zastosowania specjalistycznego sprzętu takiego jak hamownia do pojazdów elektrycznych, czy liczniki energii. Istotnym punktem pracy jest odniesienie do parametrów technicznych podzespołów pojazdu oraz interpretacja otrzymanych wyników. Wnioski z przeprowadzonych badań pomagają zrozumieć znaczenie parametrów opisujących pojazdy elektryczne, ułatwiają analizę ekonomiczną i wskazują kierunek poszukiwań dla optymalizacji energetycznej.

Wstęp - pojazdy elektryczne

Ze względu na rosnące ceny paliw, coraz większą popularnością cieszą się pojazdy elektryczne. Wśród nich najczęściej wybierane są skutery i rowery, ponieważ zużywają stosunkowo niewiele energii a ich cena jest zdecydowanie niższa od samochodów elektrycznych. Użytkownik chcący zakupić taki pojazd zainteresowany jest zwykle tym, ile on „spali”. Trudno mówić tu o spalaniu, ale sformułowanie „zużycie energii” jest jak najbardziej na miejscu. W końcu z łatwością można określić ile KWh (kilowatogodzin) skuter potrzebuje na przebycie 100 km. Parametr z pozoru oczywisty, ale i tak dostarcza dużej ilości problemów. Ilość energii, którą zużyje skuter (a właściwie jego silnik) różni się od tej, pobranej z gniazdka zasilającego. Wynika to z ograniczonej sprawności układów pośredniczących w przekazywaniu energii. W typowym pojeździe można wyróżnić co najmniej pięć elementów, których parametry mają znaczący wpływ na sprawność całego pojazdu. Są to:

  • ładowarka
  • akumulatory
  • sterownik silnika
  • silnik
  • układ przeniesienia napędu

Niniejszy referat ma na celu określenie całkowitej sprawności pojazdu, każdego z powyższych elementów oraz średniego zużycia energii. Do badań został wykorzystany własnej konstrukcji rower elektryczny, przedstawiony na rysunku 1.


Rys. 1. Badany pojazd.

Pomiar sprawności ładowarki

Do ładownia roweru wykorzystywana jest impulsowa ładowarka zakupiona na popularnym polskim serwisie aukcyjnym. Wśród parametrów technicznych nie było niestety informacji o sprawności urządzenia. Znajomość tego parametru jest jednak istotna, ponieważ odgrywa ważną rolę w określaniu sprawności całkowitej oraz zużycia energii. Pomiar sprawności ładowarki wydaje się nieskomplikowany [1]. Tak rzeczywiście jest, ale tylko w przypadku obciążenia niezmiennego w czasie. Akumulator takim obciążeniem jednak nie jest, co potwierdza charakterystyka ładowania przedstawionej na rysunku 2.


Rys. 2. Charakterystyka ładowania akumulatorów wykorzystanych w rowerze.

Należy spodziewać się, że obciążenie ładowarki będzie miało wpływ na jej sprawność. Zatem jednorazowy pomiar z wykorzystaniem równania 1 wprowadzi błąd.

(1)

Pożądanym parametrem jest sprawność ładowarki z całego cyklu ładowania. Można ją wyznaczyć, mierząc nieprzerwanie moc wyjściową oraz wejściową ładowarki i całkując ją w przedziale czasowym od zera do chwili pełnego naładowania akumulatora (Tcc). Wynikiem wspomnianego całkowania będzie stosunek energii oddanej przez zasilacz do energii pobranej z gniazdka, co jest sprawnością ładowarki z całego cyklu ładowania (równanie 2).

(2)

W praktyce tak właśnie pomiar był realizowany. Do zacisków wejściowych i wyjściowych ładowarki zostały podłączone liczniki energii. Po zakończeniu ładowania wartości liczników zostały spisane. Otrzymany wynik pomiaru sprawności to 87%.

Sprawność cyklu ładowania/rozładowywania akumulatorów

Ważnym elementem każdego pojazdu elektrycznego jest akumulator. To z niego pojazd pobiera energię, aby mógł się przemieszczać. Jednak ilość energii, którą można pobrać z akumulatora jest mniejsza niż ta, dostarczona w procesie ładowania. Wynika to m.in. ze sprawności, która określana jest równaniem 3.

(3)

Sprawność akumulatorów jest zależna od wielu czynników takich jak temperatura, prąd rozładowywania, głębokość rozładowywania itd. [2]. Pomiary nie były wykonywane w pełnym zakresie czynników wpływających, a tylko w takim, w jakim normalnie pojazd jest użytkowany. Wyniki pomiarów przedstawia tabela 1.

Tab. 1. Wyniki pomiarów sprawności akumulatorów.

Średni prąd rozładowywania Głębokość rozładowania Sprawność cyklu
0,75C 80% 90,3%
1,4C 80% 89,6%
1,7C 30% 88,7%

Jak widać w powyższej tabeli, sprawność maleje wraz ze wzrostem prądu rozładowywania. Jest to uzasadnione między innymi istnieniem rezystancji wewnętrznej akumulatora. Niemniej wyniki rzędu 90% świadczą o wysokiej jakości badanych baterii.

Ważnym parametrem związanym z prądem rozładowywania akumulatorów jest ich pojemność. Producent, podając pojemność określa, przy jakim prądzie rozładowywania parametr ten został zmierzony. Wspomniane charakterystyki dla akumulatorów użytych w testowanym rowerze przedstawia rysunek 3. Można z nich wywnioskować, że przy dużym prądzie rozładowywania akumulator może kilkakrotnie zmniejszyć swoją pojemność.


Rys. 3. Charakterystyka rozładowywania akumulatorów.

Silnik wraz ze sterownikiem

Silnik był badany jednocześnie ze sterownikiem. Zatem uzyskany wynik jest iloczynem sprawności obu tych podzespołów. W dalszej części, dla uproszczenia, sprawność ta będzie nazywana sprawnością silnika. Zależy od wielu czynników, np. obroty, obciążenie, amplituda i wypełnienie sygnału sterującego uzwojeniami itp. By w pełni ją zobrazować należałoby utworzyć klika map silnika. W pracy skupiono się jednak na najbardziej istotnym zakresie. Została utworzona charakterystyka sprawności podczas przyspieszania od 0 do 70 km/h oraz średniej sprawności podczas jazdy z prędkością 35 km/h i 45 km/h.

Pomiary te były skomplikowane, ponieważ wymagały pomiarów mocy mechanicznej oddawanej na kole i jednocześnie mocy elektrycznej pobieranej przez sterownik. Do tego celu posłużyła hamownia bezwładnościowa ze specjalną przystawką do pomiaru pojazdów elektrycznych.

W pierwszej fazie mierzona była moc przekazana z koła roweru na rolkę hamowni. Wynikiem jest moc oddana przez silnik, pomniejszona o straty mocy na pokonanie oporów toczenia, które są mierzone w drugiej fazie pomiaru. Moc oddana przez silnik jest obliczona jako moc zmierzona na kole powiększona o straty mocy na pokonanie oporów toczenia. Wynik pomiarów sprawności silnika w fazie przyspieszania przedstawia rysunek 4.


Rys. 4. Charakterystyka sprawności podczas przyspieszania

Powyższy wykres nie może być jednak wykorzystany do oszacowania sprawności silnika podczas jazdy ze stałą prędkością, ponieważ wtedy silnik jest mniej obciążony, co skutkuje innym stosunkiem mocy zużywanej na pokonanie oporów własnych, strat wynikających z właściwości sterowania (PWM) i mocy oddanej przez silnik. W celu uzyskania wartości sprawności silnika podczas poruszania się roweru ze stałą prędkością, została wyznaczona moc w testach drogowych, a następnie przy wykorzystaniu hamowni, dla danej mocy mierzona była sprawność. Testy przeprowadzone zostały dla dwóch prędkości: 30 km/h oraz 45 km/h. Rezultaty przedstawia tabela 2.

Tab. 2. Sprawność silnika przy stałej prędkości

Prędkość Sprawność przeniesienia napędu
35 km/h 62%
45 km/h 73%

Opory toczenia i przeniesienia napędu

Wartość mocy potrzebnej na pokonanie oporów toczenia niemal nie zależy od obciążenia układu, natomiast duży wpływ ma prędkość. Rysunek 5 przedstawia otrzymaną charakterystykę, z której można odczytać zapotrzebowanie na moc by pokonać opory toczenia przy danej prędkości pojazdu [4].


Rys. 5. Wykres oporów toczenia w funkcji prędkośći

Jak nietrudno się domyślić, sprawność przekazania napędu będzie uzależniona od tego jak duża moc jest przenoszona. Podczas przyspieszania z maksymalną dynamiką sprawność jest wysoka, wynosząca około 98%, ale przy utrzymywaniu prędkości spada, przedstawia ja tabela 3.

Tab. 3. Sprawność układu przeniesienia napędu.

Prędkość Sprawność przeniesienia napędu
35 km/h 87%
45 km/h 91%

Zużycie energii

Dzięki zamontowanemu na rowerze licznikowi energii oraz pomiarowi przebytego dystansu, możliwe było określenie średniego zużycia energii. W tym celu zostały wykonane dwie jazdy testowe. Każda z nich miała punkt końcowy i początkowy w tym samym miejscu. Miało to na celu zminimalizowanie niedokładności pomiaru wynikające ze zmian wysokości oraz kierunku wiatru. Sterownik został zaprogramowany w tryb tempomatu: przy pierwszej trasie na 35 km/h, przy drugiej na 45 km/h.

Licznik zmierzył energię pobraną z akumulatorów, co nie daje pełnej informacji o zużyciu energii, gdyż energia pobrana z gniazdka zasilającego będzie większa (wynika to ze sprawności ładowarki i akumulatorów). Na rysunku 6 przedstawiono odczyt miernika energii po przejechaniu trasy ze średnią prędkością 45 km/h a tabela 4 zawiera wyniki zużycia energii z uwzględnieniem strat w procesie ładowania (zużycie energii - gniazdko) oraz bez ich uwzględniania.


Rys. 6. Zdjęcie miernika zużycia energii.

Tab. 4. Zużycie energii.

Średnia prędkość [km/h] 35 45
Zużycie energii - akumulatory 2,11 (kWh/100 km) 3,07 (kWh/100 km)
Zużycie energii - gniazdko 2,68 (kWh/100 km) 3,94 (kWh/100 km)

Podumowanie

W tabeli 5 zostały zebrane poszczególne sprawności oraz sprawność całkowita roweru w przypadku poruszania się ze stałą prędkością 35 km/h oraz 45 km/h. Sprawności całkowite zostały obliczone poprzez wymnożenie sprawności cząstkowych. Całkowita sprawność pojazdu początkowo nie wydaje się zadowalająca.. Jednak patrząc na wyższe rubryki zawierające sprawności cząstkowe widać, że są one wysokie i ich poprawa nie jest łatwym zadaniem. Jedynym elementem, którego wydajność można poprawić jest silnik. W badanym pojeździe jego wadą są duże opory własne, co powoduje znaczne straty, zauważalne przede wszystkim przy małych obciążeniach. Niemniej, nawet gdyby każdą ze sprawności udało się podnieść do poziomu 90% to końcowym efektem byłoby zaledwie 65%. Wynik ten brzmi zniechęcająco i pewnie to jest powodem skupiania uwagi klientów na sprawności silnika a nie całego pojazdu.

Tab. 5. Zestawienie sprawności.

  35 km/h 45 km/h
n ładowarki 87% 87%
n akumulatorów 90,3% 89,6%
n silnika 62% 73%
n przeniesienia napędu 87% 91%
n całkowita 42,4% 51,8%

Istotnym parametrem, przedstawionym w punkcie 6 jest zużycie energii, które w połączeniu z ceną i żywotnością akumulatorów jest dobrym wyznacznikiem opłacalności inwestowania pojazd elektryczny. W przypadku badanego roweru koszt przejechania 100 kilometrów, z uwzględnianiem zużycia akumulatorów powinien wynieść około 6 zł, z czego zaledwie 1/3 to koszt energii.

Artur Grzela

Literatura
[1] Sanjaya Maniktala, Switching Power Supplies A to Z
[2] http://www.europower.ie , 2 kwietnia 2012
[3] Arkadiusz Domoracki, Wpływ sposobu sterowania komutatorem elektronicznym na właściwości ruchowe silnika bezszczotkowego, Gliwice 2008
[4] Adam Stachura, Modelowanie dynamiki napędu hybrydowego, Gliwice 2011

Electric vehicles - energy balance

This paper describes a series of studies, which was carried out on a mountain bike equipped with an electric motor. The measurements include both the determination of overall efficiency of the vehicle and its separate: charger, battery, motor and drive train. In addition there was determined amount of energy needed to travel 100 km distance. The study required the use of specialized equipment such as electric vehicles dynamometer or energy meters. An important point of the study is a reference to the technical parameters of the vehicle components and the interpretation of results. The conclusions of these studies help to understand the meaning of the parameters describing electric vehicles. They facilitate the economic analysis and indicate the direction of the search for energy optimization

Artur Grzela - urodził się 27 czerwca 1987 roku w Kielcach. Podczas nauki w szkole średniej dwukrotnie zdobył tytuł Laureata Turnieju Młodych Mistrzów Techniki oraz Laureata Olimpiady Wiedzy Technicznej. Tytuł magistra oraz inżyniera uzyskał na Politechnice Wrocławskiej, gdzie planuje kontynuować naukę na stopniu doktoranckim. Podczas studiów budował roboty klasy minisumo, które niejednokrotnie zajmowały miejsce na podium podczas zawodów robotów. Od 2008 roku zajmuje się głównie pojazdami elektrycznymi i hybrydowymi. Do tej pory wykonał dwa kompletne, działające prototypy. Dokładne badania umożliwia mu hamownia podwoziowa własnej konstrukcji.

Dalsza część artykułu dostępna jest do w wersji pdf po zalogowaniu się 1/2012

Dodaj komentarz