Elektromobily současnosti

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Elektromobily současnosti Bakalářský projekt Pavel Kněbort Liberec 2010 Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Ref lexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Ústav mechatroniky a technické informatiky Akademický rok: 2009/10 ZADÁNÍ ROČNÍKOVÉHO PROJEKTU Jméno a příjmení: Pavel Kněbort Studijní program: B2612 Elektrotechnika a informatika Název tématu: Elektromobily současnosti Vedoucí učitel projektu: Ing. Jan Koprnický, Ph.D. Zásady pro vypracování: 1. Zpracujte přehled současného stavu problematiky elektromobilů. 2. V praktické části analyzujte systém laboratorního elektrovozu. 3. Navrhněte možná vylepšení stávajícího stavu systému. 4. Závěrečnou technickou zprávu napište v sázecím systému L A TEX. Seznam odborné literatury: [1] Cenek, M.; aj.: Akumulátory od principu k praxi. Praha : FCC PUBLIC, 2003, ISBN 80-86534-03-0. [2] Larminie, J.; Lowry, J.: Electric Vehicle Technology Explained. Chichester : John Wiley & Sons, Ltd, 2003, ISBN 0-470-85163-5. [3] Rybička, J.: L A TEXpro začátečníky. Brno : Konvoj, 1999, ISBN 80-85615-42-8. [4] Vegr, J.: Elektromobily historie a současnost. Pro-Energy, ročník 2008, č. 3: s. 44 50, ISSN 1802-4599. [5] Šťastný, J.; Remek, B.: Autoelektrika a autoelektronika. Praha : T. Malinanakladatelství, 2003, ISBN 80-86293-03-5. Rozsah závěrečné zprávy o řešení projektu: 10 až 15 stran V Liberci dne 29. září 2009 Vedoucí učitel projektu (podpis)............... 2

Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu práce panu Ing. Janu Koprnickému, Ph.D. za rady a připomínky při vypracování ročníkového projektu. Abstrakt Ročníkový projekt se soustředí na problematiku elektromobilů. Nejdříve se zabývá výhodami a nevýhodami elektromobilů. Poté se zaměřuje na problematiku akumulátorů, které jsou velmi podstatnou součástí elektromobilů. Praktická část se zabývá ověřením matematického modelu v Matlabu. Následně se zabývá rekuperací a možností použití rekuperace u elektrické koloběžky. Klíčová slova rekuperace, elektromobily, akumulátory, KERS Abstract The two-semestral project will focus on issues of electric vehicles. First, the work deals with the advantages and disadvantages of electric cars. It focuses on the issue of batteries, which are very important part of electric vehicles. The practical part deals with the verification of a mathematical model in Matlab. Subsequently project deals with the recovery and use options for recovery of electric scooters. KEYWORDS recuperation electromobile, batteries, KERS 3

Obsah Obsah Abstrakt 3 Abstract 3 1 Úvod 7 1.1 Elektromobily současnosti............................ 7 1.2 Výhody elektromobilů.............................. 7 1.3 Nevýhody elektromobilů............................. 7 2 Elektrické motory 8 2.1 Stejnosměrné motory............................... 8 3 Akumulátory 9 3.1 Olověné akumulátory............................... 9 3.2 Alkalické akumulátory.............................. 9 3.2.1 Ni-Cd akumulátory............................ 10 3.2.2 Akumulátory Li-ion............................ 11 3.2.3 Ni-MH akumulátory........................... 11 4 Napájení pohonu elektromobilů 13 4.1 Nabíječe...................................... 14 4.1.1 Další výhody rychlonabíjení....................... 14 5 Ukázky elektromobilů 14 6 Rekuperace 14 6.1 Použití rekuperace................................ 15 6.1.1 KERS ve Formuli 1............................ 15 6.2 Použití rekuperace u elektromobilů....................... 16 6.3 Nevýhody rekuperace............................... 16 7 Model motoru 16 7.1 Motor....................................... 16 4

Obsah 7.1.1 Parametry motoru............................ 17 7.2 Ověření matematického modelu......................... 17 7.3 Matematický model motoru........................... 18 8 Použití rekuperace u elektrické koloběžky 18 9 Určení množství energie získané z rekuperace 20 9.1 Odpor stoupání.................................. 21 9.2 Odpor vzduchu.................................. 22 9.3 Valivý odpor................................... 22 9.4 Odpor setrvačnosti................................ 22 9.5 Celková energie.................................. 23 9.6 Využití energie získané z rekuperace....................... 24 9.6.1 Superkondenzátor............................. 24 Závěr 24 Literatura 26 5

Seznam tabulek Seznam obrázků 1 VW elektrovůz [2]................................. 15 2 Model motoru................................... 18 3 Nezatížený motor................................. 19 4 Zatížený motor.................................. 19 Seznam tabulek 1 Odpor [3]..................................... 17 2 Indukčnost [3]................................... 18 3 Údaje o elektrické koloběžce........................... 20 4 Kinetická energie................................. 20 5 Brzdná dráha elektrické koloběžky........................ 21 6 Výsledné síly působící na koloběžku....................... 23 7 Energie získaná z rekuperace........................... 23 6

1 Úvod 1 Úvod Se snižujicími se zásobami fosilních paliv jsme nuceni hledat alternativní zdroje energie. U automobilů je kladen velký důraz na snižování emisí. To jsou hlavní důvody, proč se elektromobily stávají velmi žádanými. Ke svému provozu nepotřebují fosilní paliva a jsou šetrnější k životnímu prostředí. 1.1 Elektromobily současnosti Teoretická čast je zaměřena na srovnání elektromobilů, oproti běžným automobilům se spalovacím motorem. Hlavním problémem u elektromobilů je efektivní uskladněmí elektrické energie. Proto jsem se soustředil na alkalické akumulátory, které se používají jako zdroj energie pro elektromotory v elektromobilech. Zaměřil jsem se především na Ni-Cd a Ni-MH akumulátory. Olověným akumulátorům se věnuji jen okrajově. 1.2 Výhody elektromobilů Elektromobily používají obnovitelné zdroje energie. Elektromotory mají až 97% účinnost, oproti spalovacím motorům, jejichž účinnost je kolem 20 % 30 % je to velmi podstatný rozdíl. Náklady na výrobu elektromotorů jsou nižší, než u spalovacích. Velkou výhodou je i absence emisí, které škodí životnímu prostředí. Za negativní, již dnes není možné považovat dobu nabití akumulátorů, ta se pohybuje kolem 60 až 180 minut (při použití rychlonabíjení). Lze také předpokládat, že cena akumulátorů v budoucnu klesne. Jediným větším negativem, které elektromobily přinášejí, je velká spotřeba elektrické energie. Ovšem elektrická energie se dá vyrobit z obnovitelných zdrojů. Musíme také vzít v úvahu, že elektromotory mají méně součástek, než klasické spalovací motory. 1.3 Nevýhody elektromobilů Mezi nevýhody elektromobilů patří jejich: vysoká cena, vyšší hmotnost, 7

2 Elektrické motory horší jízdní vlastnosti, maximální dojezd elektromobilů, se pohybuje kolem 150 300 km. 2 Elektrické motory Elektrické motory můžeme rozdělit do několika skupin: stejnosměrné motory, asynchroní motory, speciální (lineární). Výhodou je, že každý elektrický motor může fungovat i jako generátor, této vlastnosti se často využívá u rekuperace. U elektromobilů se používají elektrické motory stejnosměrné a asynchroní. 2.1 Stejnosměrné motory Stejnosměrné motory dále dělíme na: s cizím buzením, derivační motor, motor se sériovým buzením, kompaundní motor. Sériový motor nesmí běžet nezatížený. Při chodu naprázdno otáčky dosahují nebezpečně velkých hodnot. Velikost otáček je tedy velmi závislá na zatížení motoru. Sériové motory se využívají pro pohon vozidel. Je-li potřeba může být sériový motor přetížen. Dodává po krátkou dobu velký moment, při pomalejších otáčkách. 8

3 Akumulátory 3 Akumulátory Akumulátory slouží jako zdroj elektrické energie pro velkou část elektrických přístrojů. Energie se zde uchovává v elektrochemické formě. Nejpoužívanější jsou dvě základní skupiny akumulátorů olověné a alkalické. 3.1 Olověné akumulátory Využití olověných akumulátorových baterií v elektromobilech se ukázalo jako velmi problematické. Olověné akumulační baterie nelze dobíjet velkými nabíjecími proudy, protože by došlo k nedostatečnému nabití spodní části akumulátoru. Toto omezení prakticky vylučuje použití rychlo nabíjení. Díky této nevýhodě by elektromobily používající olověné akumulační baterie nebyly schopny konkurovat vozidlům se spalovacím motorem. Nabíjení [1] U olověných akumulátorů se zpravidla používájí nabíjecí proudy 0,1 až 0,3 C n (A) do vzestupu na plynovací napětí 2,4 V/čl. 3.2 Alkalické akumulátory Alkalické akumulátory používají jako elektrolyt roztok hydroxidu alkalického kovu např. hydroxidu draselného. Alkalické akumulátory lze rozdělit do několika skupin, podle toho jakou aktivní hmotu používají na kladných a záporných elektrodách. Nejpoužívanější v současné době jsou nikl-kadmiové (Ni-Cd) a Ni-MH akumulátory. Světová produkce nikl-kadmiových akumulátorů, představuje přibližně desetinu produkce olověných akumulátorů [1]. Vyskytují se ve třech formách: uzavřené, větrané, hermetické. 9

3 Akumulátory 3.2.1 Ni-Cd akumulátory Elektrolytem nikl-kadmiových akumulátorů je vodný roztok hydroxidu draselného (KOH) s přísadou 20 g hydroxidu lithného na 1 dm 3 elektrolytu. Přísada LiOH zlepšuje nabití a zabraňuje slinutí oxidů. Výhody Ni-Cd akumulátorů delší životnost, schopnost rychlého nabíjení, větší odolnost proti přebíjení, lépe snáší střídavou složku proudu, mohou být ponechány ve vybitém stavu, aniž by došlo k jejich poškození, mohou pracovat při nižších teplotách, nižší teplota elektrolytu nemá vliv na kapacitu akumulátoru, větší mechanická odolnost, elektrolyt nepůsobí na okolní prostředí korozitivně, během skladování není nutné akumulátory nabíjet. Nevýhody Ni-Cd akumulátorů jsou dražší, mají nižší napětí článků, menší energetická účinnost, větší počáteční samovybíjení. Nabíjení Protože při nabíjení dochází k vzestupu teploty elektrolytu, je třeba dbát, aby teplota nepřesáhla 40. Pro běžné nabíjení se používá nabíjecí proud 0,2 C N (A) po dobu 7, 5 h. 10

3 Akumulátory Nabíjení malými proudy Nabíjíme li Ni-Cd akumulátory velmi malými proudy menšími než 0,002 C. Tak se na povrchu materiálu elektrod tvoří velké krystaly. Kvůli těmto krystalům se zmenšuje využitelná plocha elektrod, a to má negativní vliv na kapacitu akumulátoru. 3.2.2 Akumulátory Li-ion Zde se nepoužívá kov lithia, ale pouze ionty lithia. Při nabíjení se ionty lithia přesouvají z kladné elektrody na zápornou a naopak. Materiálem katody jsou sloučeniny LiCoO 2, LiMn 2 0 4 či LiNiO 2, materiálem anody je uhlíková matrice připravená např. z grafitizovaných částic koksu.[1] 3.2.3 Ni-MH akumulátory V této kapitole bych se rád zabýval články Ni-MH (nikl-hybrid kovu). A to hlavně z důvodu jejich zvyšujicího se významu. Dnes jsou již články Ni-MH běžně komerčně dostupné. Hlavní součásti článků Ni-MH [1] kladná elktroda se skláda ze sloučenin niklu, záporná elektroda obsahuje sloučeniny pohlcující vodík, jako elektrolyt slouží zředěný roztok hydroxydu, separace. Vlastnosti Ni-MH článků Složení slitiny má velmi výrazný vliv na její vlastnosti. Pro výběr slitin jsou významné tyto vlasnosti: velikost skladovací kapacity pro vodík, ta má vliv na velikost vybíjecí kapacity. Dále je důležitou vlastností velká odolnost k oxidaci při dlouhodobém používání. Ke konci nabíjení se na kladné elektrodě začne tvořit kyslík. U uzavřených Ni-MH článků musí být tento dodatečně se tvořící kyslík spotřebován, jinak by došlo k přetlaku. Využitelná kapacita článku je určena kladnou elektrodou. Záporná elektroda musí mít dostatečnou rezervu, jinak by mohlo dojít k její degradaci při konci vybíjení. 11

3 Akumulátory Nabíjecí a vybíjecí charakteristiky [1] Kyslík, který se tvoří ke konci nabíjení na kladné desce, následně rekombinuje. To způsobí samovolné zahřívání článků. Po dosažení 100 % nabíjecí kapacity napětí trochu klesne, protože má záporný teplotní koeficient. Při pomalejším nabíjení se vlivem vyšší teploty sníží vybíjecí kapacita. Vybíjecí napěťová charakteristika článků Ni-MH je podobná jako u Ni-Cd článků. Ale oproti Ni-Cd článků mají Ni-MH články dvojnásobnou kapacitu, při stejných velikostech. S rostoucím proudem se zvyšuje vliv teploty okolí, zvláště při nízkých teplotách. Standardní nabíjení Nabíjí se konstantním proudem 0,1 C po dobu 15 až 16 hodin. Za tuto dobu se do článku vloží asi 160 % náboje [1]. Teplota při nabíjení, by se měla pohybovat od 0 do 45. Maximální doba, po kterou může být článek přebíjen proudem 0,1 C, je 100 hodin. Zrychlené nabíjení Při zrychleném nabíjení se nabíjí proudem 0,3 C po dobu 5 h. Hodnota vloženého náboje je 150 %. Teplota při dobíjení by měla být v rozmezí 10 až 45. Rychlé nabíjení [1] Nabíjí se konstantním proudem 0,5 až 0,1 C. Trvalé nabíjení Někdy je nutné, aby články měly vždy 100 % kapacity. Aby se vyrovnaly ztráty způsobené samonabíjením, používá se dobíjecí proud 0,03 0,05 C. Dobíjení by se mělo provádět při teplotách 10 až 35. Doporučené teplotní podmínky pro provoz článků Nabíjení Při vyšších teplotách roste zároveň i produkce kyslíku na kladných elktrodách. A to má negativní vliv na účinnost nabíjení. Proto při velmi nízkých teplotách, kdy je tvorba kyslíku minimální má nabíjení vynikající účinost. Rekombinace kyslíku při níž vzrůstá tlak v nádobě článků je také závislá na teplotě. 12

4 Napájení pohonu elektromobilů Vybíjení Pro vybíjení by se měla teplota pohybovat od 20 do 60. Chceme-li však dosáhnout maximální kapacity, teplota by měla být okolo 20. Skladování Při skladování dochází k tzv. samovybíjení. To je závyslé na teplotě, při které jsou články skladovány. Čím vyšší je teplota, tím roste i samovybíjení. Změny kapacity, ke kterým dochází při dlouhodobém uskladnění, jsou vratné. Aby se docílilo obnovení kapacity článku, který byl dlouhodobě skladován (v řádech roků) stačí jej několikrát po sobě znovu nabít. 4 Napájení pohonu elektromobilů Akumulátorové baterie jsou z mého pohledu jediným vážným nedostatkem u elektromobilů. Jejich zatím nedostatečná kapacita a vysoká pořizovací cena brání většímu nárustu elektromobilů u nás i ve světě. Nedostatečná kapacita se projevuje na menších dojezdových vzdálenostech. Cena akumulátorů tvoří podstatnou část z ceny elektromobilu. Je ale pravda, že v poslední době se podařilo zvýšit dojezdovou vzdálenost použitím nových druhů akumulátorů, především soustavy nikl-hybrid kovu. Tyto soustavy mají výrazně zvýšený výkon baterie na jednotku hmotnosti a objemu.více viz [1]. K tomu, aby elektromobily byly schopny konkurovat klasickým automobilům bylo nutné výrazně zkrátit dobu nabíjení. U normálního nabíjení se doba pohybuje od 4 do 16 h podle kapacity a druhu článku. Rychlonabíjení tuto dobu zkracuje z několika hodin na minuty. Doba nabití u rychlonabíjení je 30 až 150 minut. Díky tomu, se dají akumulátory nabít i několikrát za den. Tím se zvyšuje i celkový denní maximální dojezd. Důležitou vlastností elektromobilů je i životnost jeho baterií. Jedním ze způsobů, jak zvýšit životnost baterií, je stabilizovat morfologickou strukturu jejich elektrod. Rychlé nabíjení vylučuje nežádoucí efekt plynování elektrod akumulátorových baterií. Díky rychlému nabíjení snižujume nežádoucí efekt, změny struktury materiálu elektrod. Tyto změny ve struktuře materiálu jsou způsobeny především malými nabíjecími proudy a přebíjením v době neúčinného nabíjení. 13

6 Rekuperace 4.1 Nabíječe Pro rychlonabíjení musíme použít speciální nabíjecí stanice. Ty jsou vybaveny mikroprocesory, které řídí celý nabíjecí cyklus. Na začátku rychlonabíjení se akumulátor nabíjí velkým proudem. Je nutné neustále sledovat teplotu a elektrochemické vlastnosti nabíjeného článku. Samotné nabíjení se dělí na dvě fáze: přebíjení (overcharge) jde o účinné nabíjení Ni-Cd akumulátorů, dodaný elektrický náboj se při velkém nabíjecím proudu účastní výlučně účinného nabíjení, za neustálé kontroly hodnoty napětí na prázdno. Poté následuje fáze podbíjení. Zde dochází k nabíjení sníženým nabíjecím proudem. Ten zajišťuje, že se neuvolní plyny a nevzniká reakční teplo vlivem neúčiného přebíjení. K tomu by došlo, pokud by se celou dobu nabíjelo konstantním proudem. Akumulátor použitý pro rychlonabíjení by měl mít co nejmenší vnitřní odpor. Vlivem vnitřního odporu vzniká teplo a to přímo ovlivňuje maximální proud, kterým lze akumulátor dobíjet. 4.1.1 Další výhody rychlonabíjení prodlužuje dobu, za kterou je nutno doplnit elektrolyt, odstraněním přebíjení zabraňujeme vylučování plynů a vypařování elektrolytu v podobě areosolu, nabíjení se samo ukončí, jestliže baterie nepříjmá žádný náboj. 5 Ukázky elektromobilů Na Obr. 1 je schéma elektromobilu VW. 6 Rekuperace Rekuperace je proces přeměny kinetické energie, získané elektrodynamickým brzděním, zpět na využitelnou elektrickou energii. Takto získanou energii, musíme okamžitě využít, anebo uložit například do akumulátorů. Nevýhodou ukládání do akumulátorů je jejich vysoká hmotnost. Výhodou rekuperace je úspora energie a snížení ztrát. Část kinetické energie se při brzdění získává zpět. 14

6 Rekuperace Obrázek 1: VW elektrovůz [2] 6.1 Použití rekuperace Rekuperace se používá s úspěchem u kolejových vozidel s elektrickou trakcí (tramvaj, elektrická lokomotiva, metro). Lze se s ní setkat i u hybridních vozů a elektromobilů, nebo ve formuli 1, kde je využívána v systému KERS. U rekuperace platí, že čím je pohybujicí se tělěso těší, tím více energie lze získat zpět. Její výhody jsou nejlépe patrné u železniční přepravy a to především u nákladních vlaků, jejichž hmotnost se pohybuje v řádech tisíců tun. 6.1.1 KERS ve Formuli 1 Zkratka KERS pochází z anglického názvu Kinetic Energy Recovery System. Jde o systém pracujícím na podobném principu jako klasická rekuperace. Při brzdění se energie ukláda do akumulátorů (váží několik desítek kilogramů). Získaná energie poté slouží k dočasnému zvýšení rychlosti vozu. Generátor, který při brzdění získává elektrickou energii, se může dočasně změnit na elektromotor, spotřebovat uloženou energii, a tím zvýšit rychlost monopostu. Existují dva základní druhy systému KERS: elektronický, 15

7 Model motoru mechanický. Mechanický KERS ukládá energii do setrvačníků, tento druh systému je méně používaný. Literatura viz [4]. 6.2 Použití rekuperace u elektromobilů V poslední době se začala rekuperace používat i u elektromobilů. Energie získaná z brzdění se ukládá do akumulátorů a tím se zvyšuje maximální dojezd elektromobilu. Nejvíce se rekuperace využije v prostředí, kde je nutné často brzdit a znovu se rozjet např. ve městě. Naopak na dálnici, kde brzdíme jen minimálně, je získaná energie z rekuperace minimální. 6.3 Nevýhody rekuperace Mezi hlavní nevýhody rekuperace patří především: vysoká cena, značná hmotnost, při stoupání do kopce a na rovině je účinnost malá. 7 Model motoru Praktická část práce se zabývá elektrickou koloběžkou. Elektrická koloběžka je uložena v laboratořích technické university, kde se využívá jako experimentální model. Nejdříve shrnuji všechny základní údaje. A ověřuje správnost matematických modelů motoru elektrické koloběžky. Poté se zabývám možností použití rekuperace. 7.1 Motor Elektrická koloběžka je poháněna stejnosměrným elektromotorem model MY1020. 16

7 Model motoru 7.1.1 Parametry motoru Parametry motoru viz [3]. napětí: 36V, jmenovitý výkon: 750 W, proud na prázdno: 2,5 A, jmenovitý točivý moment: 2,5 Nm, otáčky na prázdno: 3500, jmenovité otáčky: 2800, jmenovitý proud: < 26,5 A, účinnost: 78 %, použití: Malé elektrické skútry. 7.2 Ověření matematického modelu K tvorbě matematického modelu je nutné určit hodnoty elektrického odporu a indukčnost motoru. Odpor lze spočítat pomocí Ohmovy metody, byl tedy použit následující vzorec: R = U I [Ω, V, A] (1) U je napětí motoru a I je proud motoru Tabulka 1: Odpor [3] I(A) U(V ) R(Ω) 10 3,14 0,314 Indukčnost byla určena pomocí vzorce: L = R t (2) 17

8 Použití rekuperace u elektrické koloběžky Tabulka 2: Indukčnost [3] R(Ω) t(s) L(mH) 0,314 0,0018 0,54 7.3 Matematický model motoru Výše uvedené hodnoty byly použity k vytvoření matematického modelu v matlabu. Model (Obr. 2) simuluje otáčky motoru v závislosti na dodané energii a počátečních podmínkách. Dále byli v Matlabu vygenerovány charakteristiky otáček nezatíženého motoru (Obr. 3) a zatíženého motoru (Obr. 4 ). Obrázek 2: Model motoru 8 Použití rekuperace u elektrické koloběžky Přínos rekuperace u vozidla s malým výkonem motoru je velmi sporný. Jak bylo řečeno již dříve, množství energie, které je možno získat pomocí rekuperace, je závislé na hmotnosti. Lze tedy předpokládat, že u vozidla s tak malou hmotností, je účinnost rekuperace velmi malá. Cena rekuperace, která začíná na 10 000 Kč, zvedne pořizovací cenu elektrické koloběžky o 100 %. 18

8 Použití rekuperace u elektrické koloběžky Obrázek 3: Nezatížený motor Obrázek 4: Zatížený motor 19

9 Určení množství energie získané z rekuperace 9 Určení množství energie získané z rekuperace Kinetická energie vozidla je z velké části ztracena při brzdění. Jen část této energie je spotřebována na překonání jízdních odporů. Aby se dalo určit, kolik energie získáme zpět rekuperací, musíme nejdříve zjistit hodnoty jízdních odporů. Ty se budou pro různé rychlosti měnit. Pro výpočty byly potřeba údaje o váze vozu, součinitel odporu vzduchu. Do celkové hmotnosti musí být zahrnuta i váha řidiče. Čelní plocha byla určena odhadem. Tabulka 3: Údaje o elektrické koloběžce Hmotnost 100 kg součinitel odporu vzduchu 1 čelní plocha vozu 0,6 Aby bylo možné určit energii ztracenou, anebo dodanou jednotlivými jízdnímy odpory, musíme znát dráhu, na které elektrická koloběžka zastaví. Pro zjištění množství kinetické energie můžeme použít následující vzorec: E = 1 2 m v2 (3) Rychlost musí být v m/s. Tabulka 4: Kinetická energie rychlost před brzděním [km/h] posuvná kinetická energie [J] 5 96,45 8 246,91 10 385,8 20 1543 30 3472 40 6173 50 9645 Pro další výpočty bylo potřeba určit zrychlení a dráhu, na které koloběžka úplně zastaví. Při menším zpomalení bude trvat zastavení delší dobu. Celkovou dráhu, na které vozidlo 20

9 Určení množství energie získané z rekuperace zastaví, jsem potřeboval k určení velikosti energie, kterou zmařili, anebo dodali, jednotlivé odpory. Zpomalení a je 2 ms 2 Vzorce pro výpočet času a dráhy: t = v 2 v 1 a (4) s = v 2 t 0, 5 a t 2 (5) Tabulka 5: Brzdná dráha elektrické koloběžky rychlost před brzděním [km/h] konečná rychlost [km/h] brzdná dráha [m] 5 0 0,48 8 0 1,23 10 0 1,93 20 0 7,72 30 0 17,36 40 0 30,86 50 0 48,23 30 10 15,43 9.1 Odpor stoupání U odporu ze stoupání mohou nastat tři situace: brzdění do kopce, brzdění po rovině, brzdění z kopce. Výpočet odporu stoupání lze provést pomocí následujicího vzorce: F st = m g sin α (6) Je důležité si uvědomit, že při brzdění do kopce bude energie spotřebována tímto odporem. Při brzdění z kopce bude naopak odpor celkovou energii navyšovat. Při brzdění na rovině je tento odpor nulový. 21

9 Určení množství energie získané z rekuperace 9.2 Odpor vzduchu Hodnota aerodynamického odporu je velmi důležitá, protože je jeho velikost závislá na druhé mocnině rychlosti. Při větší rychlosti je jeho hodnota značná. Vzorec pro výpočet aerodynamického odporu: F aero = 1 2 ρ C a S a v 2 (7) ρ je hustota vzduchu, C a součinitel odporu vzduchu, S a čelní plocha a v rychlost vozu. Pro menší hodnoty rychlosti bude síla aerodynamického odporu velmi malá. Během brzdění se bude snižovat rychlost, a proto i tato síla bude postupně klesat. Musím tedy určit její střední hodnotu. Použiji k tomu upravený vzorec: F aerostred = 1 v v2 v 1 0, 5 ρ C a S a v 2 dv = 0, 5 ρ C a S a v [ v 3 ] v2 (8) 3 v 1 9.3 Valivý odpor Valivý odpor je v případě elektrokoloběžky malý. Právě pro malou hodnotu valivého odporu jsem neuvažoval změnu součinitele valení při změnách rychlosti. Hodnotu součinitele valení jsem zvolil f = 0,015. Velikost odporu se spočte ze vzorce: F f = m g f (9) m je hmotnost elektrické koloběžky, g tíhové zrychlení, f součinitel odporu valení. 9.4 Odpor setrvačnosti Síla odporu setrvačnost působí na elektrickou kololoběžku při změně rychlosti. Při brzdění s ním tedy musíme počítat pokaždé. Vypočte se ze vztahu: F = m a b (10) m je hmotnost elektrické koloběžky, a zpomalení, b součinitel odporu setrvačných hmot. 22

9 Určení množství energie získané z rekuperace 9.5 Celková energie Výslednou sílu působící na vůz získáme ze vzorce: F c = F aeru ± F S F f + F (11) Energii lze vypočítat jako násobek výsledné síly a celkové dráhy. Výpočty jednotlivých sil budou počítány pro jízdu do kopce, po rovině, a z kopce. Úhel stoupání a klesání je 5. Tabulka 6: Výsledné síly působící na koloběžku rychlost [km/h] do kopce [N] po rovině [N] z kopce [N] 5-0 99,55 185,04 270,54 8-0 99,17 184,67 270,17 10-0 98,82 184,32 269,82 20-0 95,94 181,44 266,94 30-0 91,14 176,64 262,14 40-0 84,41 169,91 255,41 50-0 75,77 161,27 246,77 30-10 87,30 172,80 258,30 Tabulka 7: Energie získaná z rekuperace rychlost [km/h] do kopce [J] po rovině [J] z kopce [J] 5-0 48,01 89,24 130,47 8-0 122,43 227,79 333,54 10-0 190,63 355,56 520,49 20-0 740,30 1400,02 2059,74 30-0 1582,28 3066,65 4551,02 40-0 2605,40 5244,28 7883,16 50-0 3653,98 7777,24 11900,49 30-10 1347,17 2666,61 3986,05 Nejnižší a nejvyšší hodnota je 48,01 J a 11,9 kj. 23

9 Určení množství energie získané z rekuperace Hodnoty, které vyšly, jsou maximální hodnoty energie, kterou by bylo možné získat (při 100% účinnosti rekuperace). Účinnost přeměny na elektrickou energii není stoprocentní. Musíme počítat se ztrátami. Účinnost rekuperace orientačně maximálně 65%. Elektrická koloběžka se pohybuje běžnou rychlostí do 30 km/h. Vyšší rychlostí by dosáhla jen jízdou z kopce. Nejčastější rychlost se bude pohybovat kolem 10 až 20 km/h. Energie získaná z rekuperace bude průměrně od 114 do 1200 J. 9.6 Využití energie získané z rekuperace U elektrické koloběžky jsou použity olověné akumulátory, které by měly být dobíjeny pozvolna. Při brzdění dochází k vytvoření proudových špiček. Při přímém dobíjení z rekuperační energie by se výrazně snížila celková životnost akumulátoru. Proto jsem zvolil ukládání energie z rekuperace do superkondenzátoru. 9.6.1 Superkondenzátor Jedinou součástkou, u které je možné akumulovat energii přímo v elektrické formě, je kondenzátor. Protože se energie před akumulací nemusí transformovat do jiné formy, např. elektrochemické, nedochází ke ztrátě energie při akumulaci. Rychlost přeměny energie v akumulátoru je omezená, tím je určena maximální proudová zatížitelnost akumulátoru. Pro svou nízkou měrnou energii (0,01 Wh/kg), není běžný elektrolytický kondenzátor pro akumulaci el. energie vhodný. Tento nedostatek odstraňuje superkondenzátor, který má až 100 větší měrnou energii. Proto by se mohl stát perspektivnm prostředkem k ukládání elektrické energie [5]. Závěr Na závěr bych chtěl shrnout současnou situaci elektromobilů. Dnes si již i velké automobilky uvědomují, že budoucnost patří elektromobilům. Jsou šetrnější k životnímu prostředí, a náklady na jeden ujetý kilometr jsou nižší než u automobilu se spalovacím motorem. Většímu rozšíření elektromobilů u nás brání malý zájem zákazníků a vyšší pořizovací cena. Nejvíce se na ní podílejí vysoké pořízovací náklady elektro baterií. S pokračujicím 24

9 Určení množství energie získané z rekuperace vývojem v oblasti elektroakumulátorů by měla časem výrazně klesnout i jejich cena. Dalším významným problémem je malý počet dobíjecích stanic. První sériově vyráběné elektromobily se v ČR začnou prodávat v průběhu roku 2010. Použití rekuperace u elektrické koloběžky se nevyplatí. Hlavními důvody je malá hodnota získané energie a vysoké pořizovací náklady. 25

Literatura Literatura [1] Cenek, M.; aj.: Akumulátory od principu k praxi. Praha : FCC PUBLIC, 2003, ISBN 80-86534-03-0. [2] Ing. Jaromír Marušinec, P.: Elektromobily minulosti a budoucnosti v06 CZ.ppt. 5 2008 [cit. 2010-4-22]. URL: http://www.elektromobily.org/w/images/7/74/ Elektromobily_minulosti_a_budoucnosti_v06_CZ_mini.ppt [3] Porteš, M.: Electric Vehicles Today. Květen 2009, semestrální projekt MTI FM TUL. [4] s.r.o, A. P.: Grafika: KERS. 2 2008 [cit. 2010-05-12]. URL: http://formule1.auto.cz/ novinky/grafika-kers.html [5] Vladek, P.: Rekuperační systém se superkondenzátorem. Dizertační práce, České vysoké učení technické, Fakulta elektrotechnická, Katedra elektrických pohonů a trakce, 2003. URL: http://www3.fs.cvut.cz/web/fileadmin/documents/12241-bozek/ publikace/2003/supcap4_rsss.pdf Poděkování: Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Ref lexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh černobíle. 26