CC BY
153
УДК 629.341
ЕЛЕКТРОБУС НА СУПЕРКОНДЕНСАТОРАХ ДЛЯ М1СЬКИХ ПЕРЕВЕЗЕНЬ
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., О.В. Бикова, зав. лаб., О.В. П1дгора, студент, Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотаця. Проведено анал1з ¡снуючих енергоефективних м1ських автобуав, а саме г1бридних автобуав та електробуав. Виконано розрахунок енергетичних показниюв електробуса на суперконденсаторах для одного з маршрут1в м. Харкова. Запропоновано як основний накопичувач електроенергп використовувати блок суперконденсатор1в. Розраховано витрати на пальне (еле-ктроенерг1ю) на один день роботи для дизельного, г1бридного та електричного автобуса.
Ключов1 слова: електробус, г1бридний автобус, суперконденсатор, електротранспорт, акуму-ляторна батарея, енергоефективт технологи.
ЭЛЕКТРОБУС НА СУПЕРКОНДЕНСАТОРАХ ДЛЯ ГОРОДСКИХ ПЕРЕВОЗОК
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Е.В. Быкова, зав. лаб., А.В. Пидгора, студент, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Проведен анализ существующих энергоэффективных городских автобусов, а именно гибридных автобусов и электробусов. Выполнен расчет энергетических показателей электробуса на суперконденсаторах для одного из маршрутов г. Харькова. Предложено в качестве основного накопителя электроэнергии использовать блок суперконденсаторов. Рассчитаны расходы на горючее (электроэнергию) на один день работы для дизельного, гибридного и электрического автобуса.
Ключевые слова: электробус, гибридный автобус, суперконденсатор, электротранспорт, аккумуляторная батарея, энергоэффективные технологии.
ULTRACAPACITOR ELECTROBUS FOR URBAN TRANSPORT
А. Gnatov, Prof., Doct. of Science, Sch. Argun, Asso^ Prof., Ph. D., Ye. Bykova, head of laboratory, A. Pidgora, student, Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. Analysis of existing energy-efficient urban buses, namely hybrid buses and electrobuses was carried out in this paper. The energy indicators of ultracapacitor electrobus for one of Kharkiv bus routes were calculated. It was proposed to use the ultracapacitor unit as the main electricity storage. The expenses for fuel (electricity) for one working day of the diesel bus, hybrid bus and electrobus were calculated.
Key words: electrobus, hybrid bus, ultracapacitor, electric transport, accumulator battery, energy-efficient technology.
Вступ
Одна з найбшьш нагальних i актуальних проблем у галузi автобусних перевезень -еколопчнють транспорту. Особливо гостро ця проблема стопъ при забезпеченш мюьких перевезень i е одшею з головних причин поя-ви електропбридних автобушв i електробу-шв. Частка пасажирських мюьких перевезень
в Украш становить приблизно 82 %, примь ських - 15 %, мiжмiських - 3 %, а мiжнарод-них - 0,002 %. Мюью автобуси щодня про-1'жджають по 200-250 км. Отже, стопъ завдання створити еколопчно чистий автобус - електробус, який забезпечить такий проб^ або його частину, якщо е можливють в шдзарядженш в процес його експлуатацп [1].
У Радянському Союзi icHyBaB норматив: 200000 населення - з'являсться тролейбус, 500000 - трамвай, мшьйон - метро. В авто-6yciB мшмальна вивiзнa здaтнicть, у тролей-буса - бшьше, метро - ще бiльше. Вiдповiдно в Укра!ш е електричнi мережi, до яких тро-лейбуси й електробуси можуть тдключатися.
Оcтaннiм часом багато кра!н активно переходить на стандарти «€вро-4», «€вро-5», вщпо-вiдно до яких европейське ствтовариство стимулюе виробникiв створювати технiкy бiльш ефективною та технолопчною, а мюь-ку владу - використовувати цей вид техшки.
У пбридному (як i в електро-) трaнcпортi економiя вiдбyвaетьcя за рахунок гальмуван-ня. А це найбшьш актуальний режим для мь ста. Отже, режим рекуперацп енергп - це один з найбшьш важливих аспекпв у сучас-ному мюькому електробyci [1, 2].
Розрахунок, проектування та створення елек-тробуса для категорп «мicький автобус» е актуальною й важливою нayково-технiчною задачею, виршення яко! дозволить не тiльки втшити енергоефективнi технологи в мicький транспорт, а й майже повнicтю зробити його еколопчно чистим та безпечним для навко-лишнього середовища та населення.
Мета i постановка завдання
Метою роботи е проведення aнaлiзy наявних енергоефективних та еколопчних мюьких aвтобyciв i розрахунок електробуса на суперконденсаторах для одного з маршрута м. Харкова.
AH&ni3 публжацш
Автобус (скорочення вiд «автомобшь-онiбyc») - безрейковий мехaнiчний транспо-ртний зaciб, призначений для перевезення восьми i бiльше пacaжирiв, який приводиться в рух енергiею, запасеною або виробленою з палива, що зберiгaетьcя на борту, або з будь-яким iншим видом автономно! тяги (автобус у традицшному розумшш) [3].
До енергоефективних та еколопчно чистих транспортних автобушв можна вщнести гiбриднi моделi та електробуси. Так, напри-клад, компaнiя «Volvo Buses» (рис. 1) тсля кiлькох роюв наполегливо! прaцi над пбрид-ними технолопями запустила в cерiйне ви-
робництво дизель-електричнi автобуси [4]. Пбридш автобуси дозволяють максимально знизити витрату палива, забезпечуючи мшь мальний викид шкщливих речовин в атмосферу. Пбридний автобус витрачае в серед-ньому на 30-35 % дизельного палива менше, нiж звичайна мюька модель aнaлогiчного дизельного автобуса.
Рис. 1. Автобус Volvo 7700 Hybrid
1нтерес до електричного громадського транспорту зростае пропорцшно зростанню вар-тосп палива. Але е ще один стимулюючий чинник, що примушуе уряд багатьох кра!н замислитися про електричш автобуси - !х екологiчнicть. На вщмшу вiд тролейбуса, автобус не потребуе контактно! мережi й по-внicтю мобiльний, але при цьому працюе на електрицi, нaкопиченiй у тягових акумулято-рних батареях [5].
Сьогодш стало трендом турбуватися про на-вколишне середовище. Доказом тому е уст-шнicть втiлення електробушв у кaтегорiю мicьких перевезень у розвинених кра!нах по всьому свггу. Нaйбiльшим представником електробyciв е компашя «BYD Auto» з мо-деллю К9 (Китай) (рис. 2).
Рис. 2. Електробус BYD K9
Еколопчно чист автобуси BYD здатш в мь ському режимi долати 250-300 км шляху без тдзарядження. 1х час зарядження - 3 години на спещальних термiналах [5].
Електроавтобус 3i швидким зарядженням
Новий транспортний зашб е промiжною ланкою мiж звичайним електричним транспортом i тролейбусами. Автобус заряджаеться вщ особливо швидких зарядних установок тд час посадки/висадки пасажирiв i здатний !здити маршрутом без необхщносп у багато-годиннiй зарядцi батарей [6].
У Люксембурзi компашя «АВВ» запустила автоматичнi системи швидкого зарядження, яка може прибрати один з головних бар'ерiв для збшьшення використання мiських елект-ричних автобушв - тривалий час зарядження при коротких вщстанях пробiгу (рис. 3) [7].
Ii
Рис. 3. Швидке зарядження електроавтобушв (м. Люксембург)
З автоматичним тдключенням на даху час звичайного зарядження електробуса тривае 4-6 хв. Систему можна легко штегрувати в наявш автобуснi лши, встановивши швидкi пристро! зарядження на кшцевих зупинках, термiналах, депо i (або) на промiжних зупинках.
Для того, щоб з'ясувати, який автобус буде менше споживати палива (або електрично! енергп), проведемо порiвняння звичайного дизельного автобуса, гiбридного автобуса, електричного автобуса на акумуляторах та автобуса на суперконденсаторах.
Для коректного подання даних обрано один маршрут у м. Харюв («Пролетарська» -«Проспект Гагарша», маршрут № 147). Дов-жина шляху в один бш дорiвнюe 20,4 км. Час руху становить 55 хв. Кiлькiсть зупинок - 36.
У Харковi цим маршрутом !здить дизельний автобус «Богдан А091». На один маршрут-ний про!зд витрачаеться 6,7 лiтра дизельного пального. За один день автобус робить 10 таких по!здок. Цша 1 лггра дизельного пального - 16,80 грн. Витрати на пальне на один день складають 1126 грн.
Якщо обрати пбридний автобус, для приве-дення в рух якого використовуеться не тшь-ки дизельний двигун, а й електричний двигун потужнiстю 180 кВт, то отримаемо приблиз-но 35 % економи дизельного палива. Отже, витрати на дизельне пальне для пбридного автобуса на обраний маршрут м. Харкова будуть складати 732 грн.
Якщо обрати електробус, який приводиться в рух електричним двигуном потужнютю 230 кВт, то експлуатацшш затрати на один робочий день будуть значно менш^ Львiвсь-кий автобус «Електрон Е 19101» може прокати без тдзаряджання до 210 км, а щоб тдзарядитися на 70 %, необхщно усього 1520 хв. Таким чином такий автобус якраз тд-ходить для цього маршруту. На автобус «Електрон Е 19101» стоять акумуляторш ба-таре! емнiстю 120 кВттод. Отже, на один робочий день електробус витратить 120 кВт. Цша 1 кВт електроенерги для промислового споживання дорiвнюе 1,38 грн. Вщповщно на один робочий день буде витрачено 165 грн. на електричну енергда. А якщо проводити зарядження акумуляторних батарей уночi (за шчним тарифом), то це буде удвiчi менше -приблизно 85-90 грн.
Електробус «Електрон Е 19101» буде бшьш економiчним, порiвняно з розглянутими вище, але на ньому стоять звичайш Li-Ion-акумулятори, а термш !х служби при такому штенсивному використаннi становить 3-5 рокiв. Це е значним недолшом таких ав-тобусiв.
Електроавтобус на суперконденсаторах
Доступна для рекупераци енерпя становить
Пропонуеться обрати електробус, який вико-ристовуе замють Li-Ion-aкyмyляторiв супер-конденсатори (iонicтори). Термш служби iонicторiв на порядок довший, нiж у Li-Ion aкyмyляторiв (10-15 роюв, 500000 циклiв зарядження-розрядження, а нового типу 1 млн - це 25-30 роюв).
Пропонуеться на бaзi автобуса «Богдан А091» зробити електробус, у якого, на мющ для двигуна буде знаходитися блок yльтрaконденcaторiв (3) з апаратурою керу-вання (рис. 4). Два електричш двигуни (4) розмщуються безпосередньо на оci обертан-ня колю, як це зображено на рис. 4. Зарядний пристрш розташовано на даху електробуса, що забезпечить безпечний заряд ультракон-денcaторiв на зупинках громадського транспорту.
Рис. 4. Схематичне зображення елеменпв автобуса: 1 - зарядний пристрш; 2 -проводка; 3 - суперконденсатори; 4 -електричш двигуни
Вибiр того чи шшого типу електрично! ма-шини для електробуса не може бути проведений у вiдривi вщ вибору шших елементiв тягового електропривода. Застосування кожного типу двигушв несе ютотш змiни силового перетворювача, механiчних елементiв (редукторiв, гальм), набору первинних вимь рювачiв (датчикiв положення, швидко стi тощо), а також визначае будову системи керування.
Розрахунок енергетичних показникчв
Для робочого циклу руху по замкнутому маршруту для мюького транспорту: розгш -пробiг - гальмування - стоянка, енерпя, не-обхiдна для розгону транспортного засобу, мютить тшьки кiнетичну енергiю розгону з урахуванням втрат [8]
E1 =-
m • V1
2KU,
2
(1)
Ku • m у2 2
(2)
де m - маса транспорту; Ки - сумарний кое-фiцiент, що враховуе вс втрати пiд час руху транспорту; V - швидкicть транспорту пicля розгону.
Ефективнicть рекyперaцi! можна подати як вщношення енергi! рекупераци до енерги, необхiдно! на розгш транспортного засобу
EF = —.
E,
(3)
Для робочого циклу руху мicького транспорту ефективнicть рекупераци за наявност на-копичувача можна подати у виглядi
EF =
Ф^Л K2V2 V!2 ^
(4)
де п - ККД роботи накопичувача в цикл за-рядження-розрядження; ф - ККД роботи DC/DC-перетворювача; V2 - швидкicть транспорту тсля вибiгy.
Враховуючи, що в розглянутому циклi руху енергоспоживання необхщне тiльки на розгiн транспортного засобу, отримуемо
E • S =
m •V12
звiдки
Ku = -
V!2
2EПт • S
(5)
де Епт - питоме енергоспоживання транспорту; S - довжина маршруту в цикль
Оскшьки тролейбуси мають таю ж електро-технiчнi умови експлуатаци, як i розглянутий мюький електробус, то для порiвняння буде-мо спиратися на цей вид транспорту.
Досвщ екcплyaтaцi! тролейбyciв по мюькому маршруту (S ~ 350 м, V ~ 45 км/год, час розгону 20-25 с, час циклу ~ 60 с) дае величину Епт = 85-100 Втгод/(ткм); ф = 0,95; п = 0,8. Як правило, для тролейбyciв V2 /V = 0,85.
2
1
2
3
4
Щцставляючи вiдповiднi величини у вираз (5), отримаемо: Ки = 0,65. З виразу (3) визна-чаемо ефективнють рекуперацп
Зак1нчення табл. 1
EF = % =
0,6
Е1 1,44
= 0,42.
Розрахункова енерпя, необхiдна для розгону автобуса з масою 8 т до швидкосп 55 км/год, дорiвнюе
Е =:
т - V12 8000 -15,3
2К„
2 - 0,65
= 1,44 МДж.
За ефективносп рекуперацп EF = 0,42 енерпя, яку буде зекономлено в кожному робо-чому цикт, становитиме
Ерек =1,44 0,42 = 0,6 МДж.
Необхщна енергiя для здшснення циклу, з урахуванням рекуперацп, дорiвнюе
ЕцИК =1,44 - 0,6 = 0,83 МДж.
Середня потужшсть електродвигуна на роз-гонi для забезпечення часу розгону 25 с повинна становити
РСр =1,44 /25 = 57,6 кВт.
Для того щоб конденсатор забезпечив розгш автобуса протягом всього необхщного часу (25 с), енерпя, що вщдаеться при розрядi, повинна бути не менше 57,6 кВт=1,425 МДж. Щц час гальмуваннiя накопичувач може отримати лише 0,6 МДж.
Зпдно з проведеними розрахунками визнача-емо технiчнi вимоги для компонента елект-рично! силово! установки у складi мiського автобуса «Богдан А091» (табл. 1-3).
Таблиця 1 Техтчт вимоги для електробуса «Богдан А091»
Найменування Значения
1 2
Номшальна потужшсть елект- 60
родвигуна, кВт
Максимальна потужшсть елек- 120
тродвигуна, кВт (два по 60)
Номшальна потужшсть нако- 90
пичувача, кВт
Енерпя накопичувача за номь бшьше 1,44
нально! потужносп, МДж
1 2
Ресурс, цикл < 1000 000
ККД у цикт заряджен-ня/розрядження (п), < 0,8
Термш служби, рок1в 10
Максимальний проб1г за раху- до 5
нок енерги накопичувача, км.
Розрахунки показують, що для того, щоб пiдзарядити блок суперконденсаторiв електробуса, необхщно буде встановити п'ять за-рядних пристро!в на обраному маршрут («Пролетарська» - «Проспект Гагарша», маршрут № 147, м. Харюв).
Таблиця 2 Накопичувач на основ1 ЕК для електричного приводу м1ського автобуса «Богдан А091»
Найменування Значення
Модель накопичувача 14х30ЭК404
Напруга, В 630
£мшсть, Ф 28,6
Об'ем, л 420
Маса, кг 520
Номшальна потужшсть, кВт 90
ККД у цикт заряджен-ня/розрядження (п ) > 0,8
Конденсаторний модуль 30ЭК404
Напруга, В 45
£мшсть, Ф 400
Внутршнш отр, мОм 12
Маса, кг 37
Габаритний розм1р, мм 560х219х245
Робоча температура, °С -50...+70
Таблиця 3 Характеристики м1ського автобуса «Богдан А091» з електроприводом
Найменування Значення
Довжина, м 7,2
Повна маса,т 8
Пасажиром1сткють, чол. 45
Номшальна потужшсть тягового електродвигуна, кВт 60
Габаритний об'ем, л 420
Маса, кг 520
Максимальна швидшсть, км/год 70
Час розгону до швидкосп 50 км/год, с 25
Середня ефектившсть рекуперацп 0,23
Середня питома витрата енергп, Втгод/(ткм) 80-84
Максимальний проб1г за рахунок енергп накопичувача, км до 5
Розрахований час зарядження суперконден-саторiв буде складати вiд декшькох секунд (20-30 с) до декшькох хвилин (до 5 хв). Цей час визначаеться потужнютю зарядного пристрою.
Висновки
Проведено аналiз наявних енергоефективних та еколопчних мюьких автобушв, а саме пб-ридних автобушв та електробусiв.
Проведено розрахунок електробуса на суперконденсаторах для маршруту м. Харкова («Пролетарська» - «Проспект Гагарша», маршрут № 147). Довжина шляху в один бш дорiвнюе 20,4 км, час руху - 55 хв, кшьюсть зупинок - 36. Запропоновано як основний накопичувач електроенерги замють Li-Ion-акумуляторiв (термiн служби - 3 роки) пос-тавити блок суперконденсаторiв (термш служби - 15 рокiв). Номiнальна потужнють тягового електродвигуна - 60 кВт, максимальна потужнiсть - 120 кВт (або два по 60 кВт). Як накопичувач електрично! енергп пропонуеться використовувати модуль 14*30ЭК404 потужнiстю 90 кВт. Максима-льний пробп автобуса при повному заря-дженнi модуля накопичення енерги стано-вить 5 км.
Розраховано необхщну енергiю для циклу прискорення до швидкосп 55 км/год та галь-мування для мiського електробуса «Богдан А091» вагою 8 т. На такий цикл електро-бус витрачае 1,44 МДж; при цьому за раху-нок рекуперацп буде зекономлено 0,6 МДж. Отже, на один цикл прискорення -гальмування електробус витрачае 0,83 МДж.
Розраховано витрати на пальне (електроенер-гда) на один день роботи, яю станов лять:
- для дизельного автобуса - 1126 грн;
- пбридного автобуса - 732 грн;
- електробуса - 165 грн.
Литература
1. Бажинов О.В. Пбридш автомобш: мо-нографiя / О.В. Бажинов, О.П. Смирнов, С.А. Сершов та iH. - Х.: Крок, 2008. -328 с.
2. Бажинов О.В. Синергетичний автомо-бшь. Теорiя i практика: монографiя / О.В. Бажинов, О.П. Смирнов, С.А. Серков, В.Я. Двадненко. - Х.: ХНАДУ, 2011. - 236 с.
3. Автобус // Матерiали сайту - 2015. -Режим доступу: https://ru.wikipedia.org/ wiki/Автобус.
4. Пбридш автобуси Volvo // Матерiали сайту - 2015. - Режим доступу: http:// volvo.infocar.com.ua/news 44205.html.
5. Електробус BYD K9// Матерiали сайту -2015. - Режим доступу: http:// internetua.tv/index.php/press-releases/ 3120-byd-5.html.
6. Електроавтобус з швидкою зарядкою // Матерiали сайту - 2015. - Режим доступу: http://autonews.autoua.net/ novosti/ 11004-kitajcy-sozdali-elektroavtobus-so-sverhbystroj-zar.html.
7. Запуск автоматично! системи швидко! зарядки // Матерiали сайту - 2015. - Режим доступу: https://ecotown.com.ua/ news/V-Lyuksemburzi-vstanovyly-robota-dlya-shvydkoyi-zaryadky-elektroavtobusiv/.
8. Чолпан П.П. Фiзика: пiдручник / П.П. Чолпан. - К.: Вища школа, 2003. -568 с.
Рецензент: О.В. Бажинов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надiйшла до редакцп 10 березня 2016 р.
