Co dalej z systemami ładowania autobusów akumulatorowo-elektrycznych / Ziling Zeng, Xiaobo Qu

0
146
Autobus elektryczny podczas ładowania akumulatorów w Warszawie. Autorstwa Adrian Grycuk – Praca własna, CC BY-SA 3.0 pl, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=93952300

1 . Wstęp

Jako jeden z priorytetów w zakresie dotacji rządowych i zachęt finansowych, globalne zasoby autobusów elektrycznych (EB) przekroczyły 670 000 sztuk do końca 2021 r. (IEA, 2022). Pomimo ostatnich osiągnięć w pozyskiwaniu EB, nadal stanowią one mniej niż 4% globalnej floty. Wdrożenie na dużą skalę tej zależnej od sieci technologii napotyka dwa kluczowe wyzwania: (1) ograniczony zasięg w połączeniu z długim czasem ładowania oraz (2) niewystarczającą infrastrukturę ładowania (Perumal i in., 2021).

Przeszkody te są obecnie rozwiązywane przez (1) wysoką gęstość energii i (2) możliwość szybkiego ładowania. Jesteśmy optymistycznie nastawieni do technologii akumulatorów, ale obecne eksperymenty są wciąż dalekie od komercyjnej opłacalności. Poza tym autorzy twierdzą, że wykorzystanie drogiej stacji ładowania / pasa ruchu będzie nieoczekiwanie niskie. Przy dwóch ładowarkach terminalowych dostępnych do uzupełniania energii, autorzy oszacowali dzienne zapotrzebowanie na ładowanie dla szesnastu EB na w pełni zelektryfikowanej linii autobusowej 16 w Göteborgu w Szwecji. Wynik na rys. 1(a) wskazuje, że średnie dzienne obłożenie wyniosło 10,3%, przy czym terminale 1 i 2 odnotowały odpowiednio 10% i 10,76%. Oczekujemy, że wykorzystanie będzie rosło w miarę dojrzewania rynku i oczekiwań inwestorów. Ilość zwiększonego wykorzystania poprzez współdzielone stacje ładowania będzie jednak znacznie ograniczona ze względu na szczególne położenie i czas dostępu do terminali autobusowych.

Ryc. 1

  1. Pobieranie: Pobierz obraz w wysokiej rozdzielczości (226 KB)
  2. Pobierz: pobierz obraz w pełnym rozmiarze

Ryc. 1 . Wady i rozwiązania systemu EB. a) Niskie wykorzystanie terminali ładujących w przypadku linii autobusowej 16 w Göteborgu w Szwecji. Należy zauważyć, że zapotrzebowanie na energię pomiędzy punktami czasowymi t i t + 1 jest agregowane w punkcie czasowym t + 1. (b) Trzy strategie ładowania dla przyszłego systemu EB.

Motywacją do tej pracy są nierozwiązane problemy istniejących strategii, takie jak niewystarczalność i niewystarczające wykorzystanie ładowarek. Jak pokazano na ryc. 1 (b), proponujemy trzy technologie ładowania, które odpowiadają światowemu trendowi radzenia sobie z problemami.

2 . Bezprzewodowe ładowanie między pojazdami

Ładowanie pojazd-pojazd (V2V) umożliwia autobusom wzajemne ładowanie. Technologia ta rozszerza sieć transportową na dwa współzależne wymiary, przepływ pojazdów i przepływ energii. Po ustaleniu bezpiecznej odległości dla przesyłu energii między EB, transfer energii jest możliwy w dynamicznym bezprzewodowym systemie ładowania V2V. Ponieważ źródło energii zawsze wchodzi do sieci i podtrzymuje transfer energii, w idealnym systemie żaden EB w sieci drogowej nie doświadczyłby niepokoju o przebieg. Kiedy jeden EB jest gotowy do zakończenia ostatniej zaplanowanej podróży, rozprowadza pozostałą energię tak daleko, jak to możliwe w sieci drogowej, rezerwując niewielką ilość energii na dojazd do zajezdni. Teoretycznie strategia ta maksymalizuje efektywność energetyczną, pod warunkiem, że straty przesyłowe są nieznaczne. Jednak ze względu na dodatkowy wymiar przepływu energii, złożoność działania systemu znacznie wzrasta.

Z technicznego punktu widzenia, technika bezprzewodowej transmisji energii z wykorzystaniem magnetycznego sprzężenia rezonansowego jest potencjalną opcją dla ładowania V2V ze względu na wysoką wydajność transferu energii i dużą odległość transmisji. Cewki nadajnika i odbiornika są osadzone odpowiednio z przodu i z tyłu EB. Dzięki takiemu podejściu moc jest dostarczana bezprzewodowo z wysoką wydajnością przez duże szczeliny powietrzne. Wydajność szacuje się na ponad 90%, gdy odległość jest mniejsza niż 1 m w stanie spoczynku (Kurs i in., 2007). Jednak transfer energii na duże odległości z dynamicznymi przesunięciami bocznymi jest przełomem. Zakładając odległość 5-8 m między dwoma EB (jednosekundowy odstęp), przewidywana wydajność energetyczna jest bliska zeru (Imura i Hori, 2011). Aby stymulować rozwój, wyzwaniem byłoby: (1) spełnienie przepisów bezpieczeństwa (np. kryteriów bezpieczeństwa IEEE dla szerokiej ekspozycji publicznej) oraz (2) utrzymanie efektywnego transferu mocy przy dynamicznych wymaganiach dotyczących dużej mocy.

Biorąc to pod uwagę, uważamy, że bezprzewodowa transmisja V2V będzie atrakcyjna, gdy sprawność energetyczna osiągnie około 45% (Kurs i in., 2007), tj. nieco poniżej średniej wartości dla pasów dynamicznego ładowania.

3 . Mobilny pojazd do ładowania

Mobilne pojazdy ładujące (MCV) są zaprojektowane do dostarczania energii przez lokalną sieć za pośrednictwem dwukierunkowych ładowarek, a następnie dystrybuowania jej do EB za pośrednictwem wyspecjalizowanego agregatora. Agregator nadzoruje interakcję MCV i EB, a także komunikację z siecią w celu uzupełnienia energii. Spekulujemy, że MCV może być podłączony przewodowo do transferu energii i podłączony do docelowego EB, czerpiąc inspirację z architektury autobusu modułowego.

Zgodnie z tą technologią stacja ładowania autobusów zmienia się ze stałej w aktywną, a pojazdy MCV podążają za EB podczas zaplanowanej podróży i uzupełniają ją wystarczającą ilością energii podczas podróży. W rezultacie autobusy zostaną uwolnione od polegania na stałych lokalizacjach ładowania; zamiast tego wszystkie zadania ładowania mogą być wykonywane w trasie. Ponadto pojazdy MCV mogą również świadczyć usługi ładowania w nocy, jeśli harmonogram jest bardziej intensywny niż wielkość floty MCV. W ten sposób pierwotny problem planowania ładowania EB zostaje przekształcony w problem wyznaczania trasy MCV i problem ładowania MCV.

Ogólnie rzecz biorąc, koszt dostarczania energii do pojazdów MCV jest określany przez całkowite koszty degradacji baterii, ceny energii elektrycznej, koszty dostawy energii i wartość oszczędności czasu. Biorąc za przykład linię 16 w Göteborgu, rozważamy typowy pojazd EB z akumulatorem o pojemności 200 kWh obsługujący 10 zaplanowanych przejazdów tam i z powrotem przy średnim zużyciu energii wynoszącym 22,12 kWh na przejazd. Przy MCV zapewniającym moc wyjściową 400 kW i przewożącym akumulator o dużej mocy 700 kWh do ładowania EB, dochodzimy do wniosku, że takie podejście nie byłoby opłacalne, chyba że koszt dostawy energii dla jednego EB byłby niższy niż 0,63 USD, jeśli pominiemy 221,2 USD z tytułu zużycia baterii. Zmniejszona moc wyjściowa czyni tę technikę bardziej opłacalną i obniża koszty rozwoju MCV, ale powoduje znaczny wzrost współczynnika zapotrzebowania między MCV a EB. Ponadto wyniki pokazują, że wydajność ładowania jest ustawiona na 95%, co jest obecnie odpowiednie tylko dla niższych mocy wyjściowych, takich jak ładowarki dwupoziomowe (np. 6,6 kW). Szczegóły obliczeń przedstawiono w Załączniku.

4 . Przenośne urządzenia ładujące

Przenośne urządzenie ładujące (PCD) dodatkowo zmniejsza zależność od uzupełniania energii z innych pojazdów. Można go postrzegać jako akumulator zapasowy o energii wystarczającej do zasilenia EB na co najmniej jedną podróż zgodnie z harmonogramem. Dlatego też duże stacje przesiadkowe pełnią w tym systemie rolę „banków akumulatorów”, do których przybywają pojazdy EB z potrzebą ładowania i są podłączane do jednego lub większej liczby PCD, a następnie rozładowywane do kolejnych „banków akumulatorów” na trasie. gdy bateria PCD jest wyczerpana.

Waga, efektywność transferu energii, koszt posiadania i żywotność PCD to kluczowe czynniki, które należy wziąć pod uwagę. Aby uniknąć dodatkowego obciążenia EB, PCD można zaprojektować w kształcie przyczepy poruszającej się wraz z EB, a nie przymocowanej do nadwozia. PCD różni się od MCV tym, że nie można go aktywnie zawieszać ani odłączać od EB i zwykle ma mniejszą baterię przeznaczoną do obsługi jednego EB. Z drugiej strony, technika ta wymaga niewielkich nakładów początkowych i można ją dostosować do wielu zastosowań. Dlatego PCD jest postrzegane jako środek, który można najszybciej skomercjalizować w systemie EB. Istnieją już komercyjnie opłacalne zastosowania skierowane do lekkich pojazdów elektrycznych, które zapewniają ratownictwo, a pojemność akumulatorów waha się od 3 do 8 kWh przy sprawności do 85% (Moghaddam i in., 2021).

Warto jednak zauważyć, że gęstość energii PCD w dalszym ciągu nie przekroczy technicznych ograniczeń akumulatorów litowo-jonowych. Chociaż ani ceny, ani pojemności PCD nie da się pobić w krótkim czasie, możliwe jest dodawanie i usuwanie małych akumulatorów w celu ciągłego dostarczania energii na wczesnych etapach. Dlatego też koncepcję tę można zastosować raczej jako rozwiązanie tymczasowe niż długoterminowe, do czasu opracowania akumulatorów o dużej pojemności.

5 . Uwagi końcowe

Istnieją znaczne powiązania między EB a zasobami ładowania ze względu na niską pojemność baterii, długi czas ładowania i niewystarczającą liczbę urządzeń do ładowania. Wcześniejsze badania wykazały, że zwiększenie gęstości energii i zapewnienie alternatywnych metod ładowania na trasie może pomóc w rozwiązaniu tych problemów. Obawiamy się o praktyczność i skuteczność sugerowanych środków i uważamy, że zwiększenie gęstości baterii jest obecnie wyzwaniem technicznym. Ponadto obserwuje się niskie wykorzystanie szybkiego ładowania w stałych miejscach, zajmujące mniej niż 11% czasu, co wskazuje na ogromne marnotrawstwo ograniczonych zasobów.

Dlatego proponujemy trzy systemy ładowania, aby sprostać wyzwaniu, jakim jest zrównoważenie inwestycji z góry z rzeczywistym wykorzystaniem. Bezprzewodowy system ładowania V2V rozszerza fizyczną sieć drogową na dwa wymiary, pojazd i przepływ energii, umożliwiając ciągłe przesyłanie energii w celu maksymalnego wykorzystania przepływu energii. Pojazdy MCV oparte są na modułowej architekturze autobusowej, w której pojazd o dużej mocy i dużej pojemności akumulatora służy jako mobilna stacja ładowania ładująca akumulatory EB na trasie. Podobnie jak w przypadku trybu V2V, wydajność transferu energii pozostaje dużym problemem. Trzecią strategią jest PCD, która obiecuje komercjalizację z przenośnymi bateriami, które można zawiesić i zdjąć w celu ładowania EB podczas podróży, chociaż jest to rozwiązanie tymczasowe, dopóki nie zostaną udostępnione baterie o dużej gęstości.

Należy jednak zauważyć, że do tych rozwiązań należy podchodzić z uwzględnieniem sprzecznych z intuicją implikacji zarządczych. Na przykład samo zwiększenie gęstości baterii może nie być najbardziej opłacalnym wyborem, a wysokie wykorzystanie ładowarek może nie być konieczne do maksymalizacji zasobów. Projekt systemu ładowania musi uwzględniać holistyczne podejście, biorąc pod uwagę politykę, technologię, operacje i ekonomię.

W związku z tym, aby skutecznie inwestować w infrastrukturę ładowania pojazdów elektrycznych, decydenci muszą nie tylko rozważyć wykonalność techniczną, ale także starannie rozważyć kompromisy między początkowymi inwestycjami a faktycznym wykorzystaniem. Przyjmując kompleksowe i strategiczne podejście, system ładowania pojazdów elektrycznych można zoptymalizować, aby zaspokoić potrzeby zarówno systemu transportu publicznego, jak i jego użytkowników.

                Ziling Zeng, Xiaobo Qu

Oświadczenie o konkurujących interesach

Autorzy oświadczają, że nie mają żadnych znanych konkurencyjnych interesów finansowych ani powiązań osobistych, które mogłyby mieć wpływ na prace opisane w tym artykule.

Podziękowanie

Praca ta była wspierana przez Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych (NSFC) (granty nr 52221005 i 52220105001 ).

Załącznik .

W tym miejscu oceniamy efektywność kosztową MCV w oparciu o oszczędności pieniężne związane z czasem ładowania i wydatkami na energię elektryczną. Rozważamy EB z akumulatorem o pojemności 200 kWh podróżujący tam i z powrotem na określonej trasie autobusowej. Każdy przejazd zużywa 22,12 kWh. Dlatego co najwyżej 10. przejazd wymaga ładowania MCV na trasie. W oparciu o rzeczywiste dane operacyjne linii 16 w Göteborgu w Szwecji, parametry wejściowe są wymienione w tabeli A1.

Tabela A1 . Parametr wejściowy dla obsługi MCV.

Parametr Wartość Parametr Wartość
Długość linii 15,8 km Wartość czasu dla sterownika EB 31,2 $/godz
Konsumpcja podróży autobusem 22,12 kWh Zużycie jednostki MCV 1,8 kWh/km
Liczba wycieczek 10 Cena energii 0,07 $/kWh
Moc ładowania 400 kW Koszt baterii jednostkowej 1000 $/kWh
Pojemność akumulatora MCV 700 kWh Żywotność cyklu baterii 1000
Wydajność ładowania 0,95 Pojemność baterii EB 200 kWh
Czas potrzebny do ładowania można obliczyć jakoCHARGING_TIMmi=BtyS_TRIP_CoNStyMPTIoN×NtyMBmiR_oF_TRIPSCHARGING_PowmiR×CHARGING
_miFFICImiNCy= 22.12×10400×0,95=0,58H
Wartość pieniężną ekwiwalentu czasu ładowania (wartość zaoszczędzonego czasu) można obliczyć jakoVAltymi_oF_SAwmiD_TIMmi=VAltymi_oF_TIMmi_FoR_miB_DRIwmiR×CHARGING_TIMmi=31.2×0,58=$18.1
Koszty energii elektrycznej zarówno dla EB, jak i MCV można oszacować jakomilmiCTRICITy_miXPmiNSmiS=(BtyS_TRIP_CoNStyMPTIoN×NtyMBmiR_oF_TRIPS+LINmi_lmiNGTH×MCV
_tyNIT_CoNStyMPTIoN)×miNmiRGy_PRICmi=(22.12×10+15.8×1.8)×0,07=$17.47
∗Zauważ, że zakłada się, że MCV będzie kursować zgodnie z pełnym rozkładem jazdy z EB.
Koszt zużycia baterii opisano jakoUNIT_BATTmiRy_CoST×BATTmiRy_CAPACITyCyClmi_lIFmi×NtyMBmiR_oF_CyClmi=
1000×7001000×22.12×10700=$221.2
Warunek brzegowy kosztu przesyłu energii można dodatkowo obliczyć jako różnicę pomiędzy całkowitą ceną energii elektrycznej a wartością zaoszczędzonego czasu:VAltymi_oF_SAwmiD_TIMmi−milmiCTRICITy_miXPmiNSmiS=18.1−17.47=$0,63

Bibliografia

Cited by (4)

Ziling Zeng uzyskała tytuł licencjata inż. i mgr inż. uzyskała stopnie naukowe na Uniwersytecie Beijing Jiaotong w Pekinie, Chiny, odpowiednio w 2017 i 2019 roku. Obecnie jest w trakcie doktoratu. Uzyskała stopień doktora na Uniwersytecie Technologicznym Chalmers w Göteborgu, Szwecja. Jej zainteresowania badawcze obejmują optymalizację systemów transportowych zarówno na poziomie makroskopowym, jak i mikroskopowym, specjalizując się w wyznaczaniu tras i harmonogramach dla pojazdów elektrycznych i podłączonych do sieci, rozmieszczaniu infrastruktury i rozkładach jazdy.

Xiaobo Qu jest profesorem katedry inteligentnego transportu w Changjiang na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach. Jego badania koncentrują się na ulepszaniu dużych, złożonych i wzajemnie powiązanych systemów mobilności miejskiej poprzez integrację z nowymi technologiami. Do chwili obecnej prof. Qu uzyskał finansowanie badań znacznie przekraczające 12 milionów euro od Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych, Szwedzkiej Agencji Innowacji Vinnova, STINT i Unii Europejskiej. Opublikował ponad 150 artykułów opublikowanych w czołowych czasopismach z zakresu transportu. Od 2020 roku jest członkiem z wyboru Academia Europaea – Akademii Europy.