- 21 stycznia 2022
- Aktualności
Samochody jako gigantyczne powerbanki
Stale rośnie zapotrzebowanie na energię elektryczną – zarówno wśród konsumentów komercyjnych, jak i prywatnych. Wynika to ze zwiększonego zapotrzebowania i zużycia sprzętu AGD i np. klimatyzacji w gospodarstwach domowych, zwiększonego popytu na energię elektryczną spowodowanego rosnącym wykorzystaniem Internetu dla mediów, czy też wyższą sprzedażą samochodów elektrycznych. Ze strony dostawców energii nie ma za to żadnych ruchów ani inwestycji na rzecz proporcjonalnej rozbudowy sieci elektrycznej. Jak pokazują raporty coraz częściej energia słoneczna i wiatrowa jest wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej, ale lądowa sieć elektryczna nie jest odpowiednio rozbudowywana do tego, aby ją odpowiednio wykorzystywać. Wynika to z wielu powodów, najczęściej z braku woli inwestowania lub z obaw o ochronę środowiska naturalnego towarzyszących budowie lądowych linii energetycznych. W rezultacie do sieci wprowadza się nadwyżkę energii, co prowadzi do ujemnych cen energii elektrycznej
i proporcjonalnych kosztów dla dostawców energii elektrycznej, które stanowią przeszkodę w przejściu na czystą energię.
Obecnie funkcjonująca sieć elektryczna została zaprojektowana jako system wyłącznie na żądanie, co oznacza, że konsumenci komercyjni i prywatni wykorzystują sieć jedynie do pozyskiwania energii elektrycznej, a dostawcy energii elektrycznej zwiększają produkcję w pobliskich elektrowniach. Nie ma za to urządzeń do przechowywania energii elektrycznej tam, gdzie jest tworzona i gdzie jest ona potrzebna.
Rosnąca sprzedaż pojazdów elektrycznych (skuterów, samochodów etc.) już wkrótce będzie stanowić duże obciążenie dla sieci energetycznej. Obecnie samochody, choć technicznie jest to możliwe, są wykorzystywane wyłącznie do zużywania energii elektrycznej, a nie jako bufor lub jej magazyn. Są one zatem jednostronnym obciążeniem dla istniejących sieci elektrycznych.
Celem głównym przedsięwzięcia/usługi jest zatem konwersja pojazdów wykorzystujących międzynarodowe silniki spalinowe (ICE) na pojazdy elektryczne (EV) z wykorzystaniem ich jako magazynów energii, które mogą zasilać instalację elektryczną.
Pojazdy te będą zatem działać w dwie strony – jako te które pobierają energię z sieci, ale również są w stanie tę sieć zasilać.
Ponieważ obecnie nie ma wiarygodnych danych dotyczących zużycia i ładowania pojazdów elektrycznych, które pozwoliłyby na opracowanie modeli biznesowych służących do wspólnego korzystania z energii elektrycznej przy użyciu lokalnie zainstalowanych akumulatorów i pojazdów elektrycznych, firma zgłasza zapotrzebowanie na przeprowadzenie prac B+R w celu zebrania danych.
Kluczowe wnioski nt. rynków zbytu, kanałów dystrybucji Przedsiębiorcy oraz konkurencji dotyczą efektywności i zasadności wykorzystywania poszczególnych z nich. Firma planuje tworzenie niszowych produktów dla odbiorców indywidualnych oraz dla klientów przemysłowych. Profesjonalna obsługa tychże klientów jest bardzo odmienna i wymaga znajomości specyfiki tych grup odbiorców a także specyfiki odbioru tych usług w różnych regionach świata. W związku z globalnym odbiorcą, firma nie jest uzależniona od jednego rynku, wysokiej konkurencji oraz niskich marż uzyskiwanych działalności i związanego z tym czynnikami ryzyka.
Szanse i zagrożenia związane zarówno z obecnymi, jak i potencjalnymi konkurentami Przedsiębiorcy przedstawione są w poniższej tabeli:
Tabela 1. Szanse i zagrożenia dla usługi powercore seaside 4.0
| SZANSE | ZAGROŻENIA | |
| powercore | Wejście na nowe rynkiPozyskanie nowych grup odbiorcówSzybki wzrost rynku (trend globalny)Możliwość pozyskania dofinansowania | Zmienność potrzeb i gustów klientówKonkurencja na rynku samochodów nowychCena |
Źródło: opracowanie własne.
POWERCORE SEASIDE 4.0 powstał jako pomysł na koncepcję dzielenia się energią i poszukiwania połączenia sprawdzonej i rzeczywistej technologii z bardziej nowoczesnymi technikami.
Na tym froncie POWERCORE SEASIDE 4.0 jest bardzo zaawansowany w projektowaniu i budowaniu platform do dzielenia się energią i zasadami dzielenia się energią niezbędnymi do wdrożenia dzielenia się energią poza laboratorium.
POWERCORE SEASIDE 4.0 wdroży Mobilną Platformę Gromadzenia Danych (Mobile Data Gathering Platform) do gromadzenia rzeczywistych danych w celu wsparcia modeli zużycia energii i oszacowania potencjału dzielenia się energią.
Model testowy:
Modele układu napędowego będą wykorzystywać EXCEL i Matlab \Simulink – program matematyczny.
Siła obciążenia pojazdu, F, zostanie określona w teście wybiegu z prędkością 120 km/h. F można oszacować na podstawie współczynników A, B i C (opublikowanych przez EPA dla wielu pojazdów i oszacowanych dla ruchomej platformy gromadzenia danych), w tym kilku pojazdów elektrycznych, i jest ona następująca: gdzie u jest prędkością pojazdu w m/s. Wykres siły obciążenia pojazdu vs zależności od prędkości przedstawiono na rys. 1. Krzywą taką można łatwo wygenerować na podstawie danych dotyczących współczynnika oporu ciągnięcia i oporu toczenia pojazdu. Oprócz wszystkich zewnętrznych sił obciążenia, takich jak opór toczenia i opór toczenia, krzywa danych dotyczących wybiegu zawiera dodatkowe straty związane z prędkością w obrębie układu napędowego platformy.
Rysunek 1 Przykład zalezności pomiędzy obciążeniem a prędkością pojazduw km/h
Mobile Data Gathering Platform Specifications and Measurements
Silnik: Silnik synchroniczny prądu zmiennego – maksymalnie 10 390 obr.
80 kW (109 DIN HP)
140 Nm Moment obrotowy (@5647 obr/min)
Max Regen 20 kW
Maszyna stała (Nm/A) K 0,195 na fazę (zakładana)
Oporność silnika (mΩ) RS 14 na fazę (zakładana)
Indukcyjność silnika (µH) LS 200 (zakładana)
Moment obrotowy bez obciążenia (Nm) TCF 1.6 (zakładany)
Sprawność silnika (%) (tylko strata obciążenia) ηm 96 (zakładana)
Skrzynia biegów: Przełożenie końcowe = 7,9377 – przekładnia redukcyjna z jedną prędkością obrotową
Maksymalne obroty koła napędowego = 1308,94
Zakładana sprawność przekładni (%) (tylko strata obciążenia) ηg 97
Strata oleju (W) na ((Nm rad/s) 0,03
Średnica koła: 63,25 cm = 1,9871 m (205/55R16)
Masa: 1,595 kg
Magazynowanie energii: 24 kWh
19,2 kWh efektywna (szacunkowa)
345 V
Oporność akumulatora (mΩ) RBP 110 (zakładana)
Żywotność Baterii Degradacja 80 %
— Baterie używane obecnie (LiFePO4 i inne formuły chemiczne) ulegają szybkiemu rozkładowi w przypadku całkowitego rozładowania lub przeładowania. Aktualny stan techniki wymaga zastosowania okna o 80% zużycia pomiędzy dolnym a górnym 10%.
— Napięcie pakietu x Amp-godzina znamionowa akumulatora = KW/h
— Baterie rozładowują się szybciej niż podaje producent po czas testów i oceny. Jest to określane jako efekt Peukerta. Musimy skorygować ten efekt. Baterie LiFePO4 są tylko nieznacznie uszkodzone. Akumulatory ołowiowo-kwasowe, nie planowane w tej platformie, znacznie cierpią na efekt Peukertsa.
— Peukerts: Ołowiowo-kwasowe = 0,55, LiFePO4 = 1,0
— Wielkość opakowania użytkowego: KWh x 0,80 x Peukerts = użyteczna KWh
— Temperatura baterii poniżej 10 stopni C zmniejsza zakres. Akumulatory kwasowo-ołowiowe stracą 30% swojego użytecznego Ah przy 0 C, a LifePO4 15-20%.
Inwerter: sprawność inwertera (%) ηinv 98 (zakładana)
Ładowarka: Wydajność ładowania ηchg 85 % (zakładana)
Prędkość: Vmax = 156,06 km/h (obliczona)
503,25 obrotów na kilometr (60km/h)
838,75 obrotów @ 100 km/h
1308.94/503.25 = 2.601
2.601 * 60 = 156.06
1308.94/838.75 = 156.06
— Tak jak w przypadku ICE, im szybciej jedziesz, tym więcej energii potrzebujesz. Im szybciej pojazd elektryczny porusza się, tym szybciej wyczerpuje się jego źródło energii, np. bateria. Będzie to miało wpływ na zasięg na jednym ładowaniu.
Zużycie: Est. 250 Wh/m (przewidywane)
— Volt x (Amp Draw / km/h ) = Wh/m
— W oparciu o szacunki
— Uwarunkowania dotyczące warunków jazdy, aerodynamiki, masy pojazdu, zmian wysokości, temperatury otoczenia, stylu jazdy i kilku innych czynników
— Można się spodziewać wpływu na zasięg po użyciu HVAC. Generalnie 4 kW – 6 kW do podniesienia temperatury powietrza do komfortowego poziomu w rozsądnym czasie, lub do chłodzenia wnętrza. Zużycie HVAC może być głównym czynnikiem i musi być kontrolowane i dokumentowane podczas testów. Testy dokumentują wpływ HVAC na zużycie energii i zasięg dla 10 C, 15 C i 20 C. Wszystkie trzy testy będą wykorzystywać tę samą energię napędu i średnią moc napędu przy 20 C, gdy nie jest wykorzystywana energia HVAC. Wyniki te zostaną podsumowane w tabeli.
Zasięg: Est. 76,8 km (19,2 kW / .25 W/m) (przewidywany)
— Podstawowym wzorem na określenie odległości jest..: ( KWh pakietu / wh/m ) = Odległość
— Ta liczba to maksymalna liczba na równym podłożu bez użycia akcesoriów.
Testowanie obliczeń modelu:
Silnik trakcyjny i przekładnia zostaną włączone podczas próby terenowej. Zakłada się, że parametry będą uwzględniać tarcie bez obciążenia i straty spowodowanej wiatrem silnika, przekładni i innych elementów układu napędowego. Straty wynikające z tarcia odnoszą się do strat poniesionych przez maszynę na skutek oporu, jaki powietrze stawia przed obrotem wału. Straty spowodowane tarciem występują w elektrycznych maszynach wirujących, takich jak silniki i generatory. Straty energii spowodowane tarciem występują również w maszynach takich jak turbiny i przekładnie. Przedstawiona sprawność układu napędowego jest wartością zakładaną dla strat tarcia w obrębie przekładni i pomija straty wirowe lub wirowe. Strata przy znamionowym momencie obrotowym i prędkości obrotowej jest określana, a następnie skalowana liniowo z momentem obrotowym i prędkością obrotową przekładni, aby określić straty wynikające z tarcia o koła zębate w każdych warunkach. Moment obrotowy wirnika, Tr , dla cykli jazdy próbnej jest obliczany w następujący sposób:
gdzie M jest masą pojazdu, a jest przyspieszeniem liniowym, JA jest odnoszonym do osi momentem bezwładności, α jest przyspieszeniem kątowym osi, r jest promieniem opony, n g jest przełożeniem skrzyni biegów, a η g jest sprawnością skrzyni biegów w tym stanie. Powyższe równanie można łatwo zmodyfikować w celu uwzględnienia sił podczas pokonywania wzniesień spowodowanych nachyleniem lub spadkiem drogi. Test EPA jest przeprowadzany na płaskiej powierzchni. Moment elektromagnetyczny silnika, TEM, prąd silnika na fazę, I ph, oraz napięcie, Vph, oblicza się jako:
gdzie TCF modeluje rdzeń i związane z obciążeniem straty z tytułu tarcia silnika, k jest stałą maszynową dla każdej fazy, Rs jest opornością dla każdej fazy, Ls jest indukcyjnością synchroniczną dla każdej fazy, a ω jest częstotliwością elektryczną.
Straty mocy przetwornicy, PLoss, Inverter, należy obliczyć poprzez skalowanie zaniku prądu na fazę ze stratą przy prądzie znamionowym podanym przez znamionową sprawność przetwornicy. Trójfazowa przetwornica trakcyjna prądu stałego jest modelowana ze sprawnością 98 % w stanie znamionowym. Zanikanie falownika skalowane jest przy pomocy prądu fazowego. Bateria jest modelowana na podstawie napięcia bez obciążenia i wewnętrznej rezystancji. Moc wymagana na łączu stałoprądowym będzie sumą mocy wejściowej silnika, strat przetwornicy, mocy pomocniczej i mocy HVAC. Znając napięcie bez obciążenia i moc wyjściową, prąd akumulatora można określić w następujący sposób:
Znając moc wyjściową baterii, można obliczyć jej wartość. Parametry modelu można wprowadzić do oprogramowania matematycznego i wykorzystać w danych warunkach cyklu napędowego do generowania zużycia energii w cyklu napędowym. Profile przyspieszania i hamowania pojazdu są generowane na podstawie danych o prędkości obrotowej w stosunku do czasu podawanych dla poszczególnych cykli napędowych.
Rysunek 2 Krzywa przyspieszenia z wyjściowym momentem obrotowym silnika
Jako wstępny test na modelu, krzywa przyspieszenia z wyjściowym momentem obrotowym wirnika będzie wyglądać tak, jak pokazano na rys. 2. Na przykładzie pokazano czas 0-100 km/h wynoszący 9,8 s. Wykres ten został bardzo prosto wygenerowany przy użyciu wcześniejszych równań i szacunków dotyczących prostego przyspieszenia w krokach czasowych. Wymagany moment obrotowy i moc silnika będą obliczane na każdym kroku przy narzuceniu maksymalnego momentu obrotowego silnika wynoszącego 280 Nm.
Cykle napędowe, wyniki symulacji
Istnieje wiele czynników, które mogą mieć wpływ na testowanie zużycia. Rys. 3 przedstawia schematyczny opis tych czynników. Czynniki, które należy uwzględnić podczas testowania są zaznaczone kursywą.
Rysunek 3 Czynniki wpływające na testowanie zużycia energii
Na całym świecie stosuje się wiele typów standardowych cykli napędowych. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska stosuje cztery podstawowe cykle: FTP, HFET, US06 i SC03. Oszczędność paliwa opiera się na testowaniu w różnych warunkach temperaturowych. Znaczna ilość danych na temat cyklu UDDS zostanie zebrana i przedstawiona w sposób podobny do rys. 4, natomiast zasilanie z akumulatora modelu zostanie przedstawione w sposób podobny do rysunku 5.
Rysunek 4 Standardowy cykl napędowy (LA4) w cyklu (kmph vs czas) przykład
Rysunek 5 UDDS (L4) moc baterii – przykład
Model ten jest wykorzystywany do obliczania energii potrzebnej do trakcji i hamowania. Wyniki modelu są następnie porównywane z danymi doświadczalnymi UDDS. Model zakłada, że cała dostępna energia regeneracyjna jest zwracana do akumulatora tak długo, jak poziom mocy regeneracyjnej wynosi 20 kW lub mniej. TABELA II przedstawia porównanie modelu ze szczegółowymi wynikami badań UDDS. Miejsce na błąd wynika z założeń inżynieryjnych dotyczących elektromechanicznego układu napędowego. Założenia te opierają się na inżynierskim zrozumieniu elementów elektromechanicznych, na co wskazuje 3 % błąd w oszacowaniu strat w układzie napędowym. Straty te, zgodnie z przewidywaniami modelu, zostaną przedstawione w dalszej kolejności w tabeli podobnej do TABELI II.
Tabela 2 porównanie modeli przewidywań i miar ANL
| Cykl jazdy UDDS | Model | ANL | Błąd |
| (kWh) | (kWh) | % | |
| Wyjście Baterii (trakcja i wyposażenie dodatkowe) | 1.99 | 1.980 | 1 |
| Wejście baterii – regeneracja | 0.55 | 05444 | 1 |
| Siatka akumulaturowa | 1,44 | 1.436 | 0 |
| Inercja | 0,98 | 0,9277 | 6 |
| DC kWh/mile | 0.193 | 0.194 | 0 |
| obciążenie drogowe i utrata obrotów pojazdu | 0,89 | 0,8777 | 1 |
| straty w układzie napędowym | 0,47 | 0.4891 | -3 |
| Straty przetwornika | 0.14 | ||
| Straty silnika | 0.27 | ||
| Starty skrzyni biegów | 0.07 | ||
| Starty baterii i straty przy ładowaniu | 0.28 | 0.300 | – 1 |
Cele:
Mobilna Platforma Gromadzenia Danych ma zapewnić ulepszony, uproszczony model układu napędowego oparty na parametrach brzegowych dla pojazdów opublikowanych przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska. Model ten będzie obejmował układ napędowy od gniazdka do sieci drogowej, w tym ładowanie, zarządzanie akumulatorami, akcesoria i obciążenia HVAC, falownik trakcyjny i silnik, przekładnię oraz siły obciążenia pojazdu.
Za pomocą Mobilnej Platformy Gromadzenia Danych POWERCORE zamierza dostarczyć eksperymentalne dane testowe, które mogą być wykorzystane do opracowania szczegółowych modeli zużycia energii. Modele te będą stanowić podstawę algorytmów określania przewidywanego zużycia energii i szacowania potencjału współdzielenia energii.
- Określenie minimalnych parametrów technicznych elementów służących do budowy prototypu mobilnej platformy gromadzenia danych
„Skorupa pojazdu”/Platforma –
System EV
Kontroler Curtis, Nissan lub porównywalny
Baterie 300V, 24 – 80 kWh Li-Ion
(w tym obudowa/obudowa odporna na wodę/wstrząsy)
Silnik AC, osiowy, 70 – 90 kW
Mobilne ramy
Koła dostępne w handlu – 6,5J x 16 ET 39
Opony dostępne na rynku – 205/60 R16 92 H
Podwozie dostępne w handlu – układ kierowniczy, hamulcowy, ogrzewanie
Oprzyrządowanie do gromadzenia danych –
Czujniki prądu Bateria – włączana/wyłączana, silnik włączany/wyłączany, sterownik włączany/wyłączany
Czujniki Halla – obroty silnika, obroty koła
Załącza – adaptery łączników umożliwiające dostęp do różnych systemów platformowych
Zbieranie danych z procesora – 1 x WIN 10 lub Mac OSX 14/Catalina główny procesor
1 x WIN 10 lub Mac OSX 14/Catalina redundantny procesor
Pamięć danych – 1 x 1 TB SSD do przechowywania danych z czujników głównych
1 x 1 TB SSD do nadmiarowego przechowywania danych z czujników
Komunikacja –
Urządzenie nawigujące GPS, ciągłe, GSM/3G (uzupełniające)
Karta SIM do urządzenia nawigującego GPS
Łączność komórkowa 3G/LTE dla danych spoza platformy
Karta SIM do komunikacji komórkowej
Oprogramowanie –
Gromadzenie i ocena danych – dane gromadzone w specjalnie zaprojektowanym formularzu programu MS Office – Excel