Miljövänlig hybriddrift i yrkesmässig trafik

Transkript

1 Miljövänlig hybriddrift i yrkesmässig trafik ABB har lång erfarenhet av hybriddrifter, det vill säga kombinerad drift med el- och förbränningsmotor. Nu presenterar ABB tillsammans med Volvo sitt tredje koncept för miljövänliga hybriddrifter. Denna gång ska tekniken praktiskt utvärderas under en försöksperiod då två hybridlastbilar används i kommersiell distributionstrafik i Göteborg. Simuleringar har visat att bränsleförbrukningen och de miljöpåverkande emissionerna är betydligt lägre med hybridlastbilen än med konventionella lastbilar. Möjligheten att köra hybridbilen helt emissionsfritt är ytterligare en bidragande miljöfördel. A BB inledde i slutet av 980-talet forskningsstudier kring små högvarviga kraftaggregat och för att undersöka möjligheterna att använda dessa i hybridsystem. Den största andelen av de skadliga koldioxidutsläppen, som påverkar drivhuseffekten, kommer från våra vägfordon. Målsättningen med hybriddrift är minskade emissioner men även att kunna köra emissionsfritt i speciellt känsliga miljöer. Detta för att möta de allt hårdare krav som ställs på minskade utsläpp. Eftersom hybriddrift i första hand är avsedd för transporter i områden där miljön är känslig och påverkas av avgasutsläpp eller buller, ska föraren enkelt kunna välja att köra dessa sträckor med elektrisk drift. Det ger låg ljudnivå och inga skadliga utsläpp. Den första praktiska tillämpningen visades 992 i en personbil, då ABB i samarbete med biltillverkaren Volvo, tog fram en specialbyggd bil kallad ECC (Environmental Concept Car) []. Den utrustades med gasturbin och högvarvig generator monterade på samma axel. Det konceptet användes också senare som bas för två andra projekt, i en lastbil för distributionstrafik respektive i en buss [2]. I det nu lanserade tredje konceptet för miljövänliga hybriddrifter är det åkeriföretaget TGM AB i Göteborg som praktiskt ska använda tekniken. Under en försöksperiod om tre år kör företaget två lastbilar i reguljär distributionstrafik. Uppdraget är dagliga transporter av gods med lastbilar i Göteborgs centrum och förorter. Under den nu inledda försöksperioden sker mätningar av bland annat bränsleförbrukning, avgasutsläpp och ljudnivå. Dessutom studeras och utvärderas andra faktorer, bland annat förarnas attityd till den nya tekniken, fordonets köregenskaper och effekt på övrig trafik med hänsyn till accelerationsförmåga vid eldrift, servicebehovet och andra praktiska detaljer. Niclas P. Berg ABB Hybrid Systems AB Nytt koncept med differentierade mål Fördelen med det nya konceptet är att föraren kan köra i hybriddrift 2 till och från miljökänsliga områden genom att koppla in elektrisk drift, varvid fordonets drivsystem får sitt energibehov från batterier. Fordonet ska kunna köras av förare med sedvanliga yrkeskunskaper, utan specialkunskaper för körning med hybridteknik. Det ska räcka med en kort introduktion för att till fullo utnyttja fordonets egenskaper. För denna lösning har en väl renad dieselmotor valts för att driva konventionella generatorer och där driften av hjulen alltid sker med elektriska motorer via differential och drivaxel. ABB har levererat det kompletta elektriska drivsystemet, inklusive utrustning för övervakning och reglering av detsamma. Fordonen som används under den treåriga försöksperioden Hybridfordonet är uppbyggt kring en konventionell Volvo FL6 lastbil. Den elektriska utrustningen är huvudsakligen placerad längs sidorna på lastbilen 3. Mervikten blir ca 3 ton jämfört med en konventionell lastbil. Det är viktigt att de komponenter som finns i fordonen är både pålitliga och tål hård daglig drift, eftersom fordonen ska köras under en treårsperiod i distributionstrafik. För utveckling och utvärdering av hybridfordon är det komponenttekniskt sett viktigt att kunna samla in fakta byggda på erfarenhet av drift under verkliga och realistiska förhållanden, vilket sker i det nu aktuella fallet. Projektets förutsättningar är att varje fordon ska ha en genomsnittlig körsträcka på cirka 50 km per dag (typisk citydistributionscykel för en lastbil). Av dessa kan totalt 30 km ske med enbart elektrisk drift. Tabell visar fordonets huvuddata. 40 ABB Tidning 3/998

2 Drivlinan Volvo FL6 Hybrid, är ett seriehybridfordon. 4 visar ett blockdiagram över drivlinan. En dieselmotor genererar likström via två generatorer med varsin likriktare till ett likspänningsmellanled. De två batteristrängarna är kopplade till likspänningsmellanledet via två likspänningsomvandlare. Batterierna är av typ NiCd (nickelkadmium) och förser också hjälpkraftsystemen med energi. Hjälpkraftsystemen består bland annat av laddare för 2 och 24 V batterier samt en likströmsmotor som driver bromskompressor och styrservopump. Lastbilens drivmotorer utgörs av två asynkronmotorer. De två energikällorna, dieselmotor och batterier, kan kombineras på olika sätt. Drivlinan kan köras antingen helt elektriskt eller med hybriddrift. Vid elektrisk drift avges all energi från batterierna. Räckvidden och effektuttaget begränsas av batteriernas kapacitet. Återladdning av batterierna sker vid inbromsning av fordonet, då elmotorerna fungerar som generatorer. Laddningsaggregaten klarar att ladda batterierna på cirka 8 timmar från ett trefasuttag med 400 V, 6 A. Vid hybriddrift genereras huvuddelen av nödvändig effekt av dieselmotorn. Det överskott som generatorerna avger utnyttjas till att ladda batterierna. Vid höga effektuttag, under exempelvis acceleration, ger batterierna extra effekt till elmotorerna. Reglering och styrning av dieselmotorn är baserad på fordonets totala effektbehov. Tabell 2 visar de ingående delarna i hybriddrivlinan. Lastbilens styrenhet VMU (Vehicle Management Unit) är huvudenhet för reglering av drivlinan. Enheten styr också de ingående undersystem som påverkas av förarens manövrer. En ICU-enhet (Instrument Computer Unit) styr reglagens och instrumentbrädans funktioner. Den är också kommunikationskanal för dieselmotorns reglerfunktioner och mätgivare. BMU-enheten (Battery Management Unit) har till uppgift att övervaka kondition och Ett av TGMs fordon som ska användas i Göteborg för varudistribution under en treårig försöksperiod Tabell : Fordonets huvuddata Toppfart 90 km/h Räckvidd vid eldrift 5 30 km Totalvikt chassi 8,300 kg Mervikt hybrid 3,400 kg Nyttolast 4,600 kg Stigförmåga (vid full last) 6% Fordonslängd 8.6 m Fordonshöjd 3.3 m ABB Tidning 3/998 4

3 Reglering Vid eldrift tas all energi från batterierna. Likspänningsomvandlarna håller spänningen på likspänningsmellanledet vid 600 V. Under hybriddrift tas effekten till elmotorerna via generatorerna från dieselmotorn och vid behov också från batterierna. Effektflödet sker enligt P eds = P gen + η dcdc (P bat P aux ) () Reglagen i lastbilens förarhytt 2 tillstånd i batterierna samt kommunicera med VMU-enheten. Dieselmotorn har här samma placering som i en standardlastbil. De delar som tillkommit är placerade bakom förarhytten och längs lastbilens chassi 3. Elmotorerna och generatorerna är placerade i egen ram under lastbilens mitt. Varje batteri är utrustat med egen övervakningsutrustning. Batterienheterna är placerade på var sida av fordonet. Bakom Tabell 2: Specifikation över hybriddrivlinan Total motoreffekt Batterispänning (nom) Batterikapacitet (nom) Total generatoreffekt Dieselmotoreffekt (max) bakaxeln är kraftelektronik för hjälpkraften samt övrig elektrisk kopplingsutrustning och VMU installerade. 30 kw (kont) och 370 kw (topp) 2 strängar à 26 V 00 Ah/sträng, 43 kwh totalt 0 kw 54 kw vid 2,400 v/min där P eds är den totalt inmatade effekten till strömriktare och motorer, P gen den av dieselmotorn och generatorerna genererade effekten, η dcdc likspänningsomvandlarnas verkningsgrad, P bat batterieffekten och P aux hjälpkraften. Vid körning med hybriddrift regleras likspänningsmellanledets spänning mellan V beroende på effektuttag från generatorerna samt dess varvtal och temperaturer. Vid hastigheter under 7 km/h och då gaspedalen inte är nedtryckt, styr VMUenheten ned dieselmotorns varvtal och generatoreffekten för att begränsa ljudemissionerna vid exempelvis inbromsning vid övergångsställe eller trafikljus. VMUenheten begränsar effektuttaget från kraftaggregatet APU (Auxiliary Power Unit) inom området 0 0 kw. Kraftaggregatet består av generatorerna och dieselmotorn. Genom att minska det maximala effektuttaget från kraftaggregatet och den regenerativa effekten från det elektriska drivsystemet, håller VMU-enheten ned batterispänningen vid laddning av batterierna. På så sätt undviks skador på grund av överspänning i batterierna. Systemet ger automatiskt prioritet till elmotorbehovet (huvudsakligen vid acceleration) framför batteriladdning, vilket ger föraren möjlighet att maximalt utnyttja fordonets drivsystem med hänsyn till trafiksituationen. Regenerativ bromsning, dvs då fordonet bromsas genom att elmotorerna arbetar som generatorer och alstrar elenergi, används också för att erhålla bästa möjliga bränsleekonomi. Underspänningar i batterierna undviks genom att successivt begränsa möjligt effektuttag i det elektriska drivsystemet. 42 ABB Tidning 3/998

4 Placering av de olika komponenterna i hybridfordonets drivlina och chassi 3 Oljepumpar 2 Likriktare 3 Generatorer 4 Motorer 5 Transmission 6 24 V batteri 7 Dieselmotor 8 Dieseltank 9 Växelriktare 0 Batterier Hjälpkraftaggregat 2 HV-box med DC/DC-omformare 3 Kylsystem 4 2 V batteri 5 Batterienhet (BMU) Elektrisk motordrift Lastbilen använder sig av två vattenkylda asynkronmotorer med strömriktare för all drivning av fordonet. Elmotorerna är förbundna via en reduktionsväxel över en differential till bakaxeln. Den totala elmotoreffekten är 30 kw vid kontinuerligt effektuttag. Elmotorerna klarar momentant av 370 kw, men begränsas i denna fordonsapplikation av den totalt tillgängliga effekten på cirka 250 kw. 5 visar mätvärden för maximalt moment och effekt från en av de elektriska motorerna då den är kopplad till reduktionsväxeln och ansluten till sin strömriktare. 6 visar uppmätt verkningsgrad för en elektrisk motor då den är kopplad till reduktionsväxeln och ansluten till sin strömriktare. Verkningsgraden för elmotor och reduktionsväxel är över 92 % under större delen av driften. Strömriktarens verkningsgrad håller sig runt 97 % utom vid låga värden på såväl motorvarvtal som moment. Batterisystemet Batterierna är NiCd-batterier och väger 940 kg och har en sammanlagd energimängd på 43 kwh. För att hålla god effektiv arbetstemperatur är de vattenkylda. Batterierna är fördelade i två strängar med en nominell spänning på 26 V per sträng. Detta ger stort spänningsintervall för likspänningsmellanledet, vilket i sin tur ger stort arbetsområde för dieselmotorn och generatorn att arbeta inom. Det resulterar också i minskad bränsleförbrukning och lägre emissioner från lastbilen. Batteristyrningsenheten BMU beräknar och sänder gränsvärden och börvärden för batterierna till VMU. Fordonet eftersträvar via BMU optimala driftförhållanden utan att åldra batterierna för snabbt. Den övervakar också batteriladdningen. En ampere-timme-baserad algoritm beräknar laddningstillståndet för båda batterienheterna. BMU-enheten är utvecklad av Volvo, vilket också möjliggjort kompletteringar så att BMU inte or- ABB Tidning 3/998 43

5 Cabin Instrument computer unit Accelerator Brake Ignition key Drive mode Emergency stop Vehicle inputs Vehicle management unit Smartcharger 400V/50Hz G Rectifier Inverter IM Internal combustion engine DC bus APU G2 Rectifier DC/DC converter Auxiliary power system DC/DC converter 2 Inverter 2 IM 2 Electric drive system B B2 Battery management unit Blockdiagram över det elektriska drivsystemet i en hybridlastbil med dieselmotor 4 APU Hjälpkraftaggregat G, 2 Generator och 2 B, 2 Batteri och 2 IM, 2 Induktionsmotor och 2 sakar plötsliga ändringar av fordonets uppträdande i trafikförhållanden. Till exempel finns spänningsbegränsningar inlagda, orsakade av onormal batteritemperatur, som gradvis påverkar fordonet, så att detta inte plötsligt förändrar mo- nätsladden avlägsnas från fordonet eller då BMU-enheten indikerar att laddningen är fullbordad. Kraftaggregat tio gånger och sotpartiklarna fyra gånger, bättre än en motor utan filter. Ytterligare en fördel är att filtret också reducerar ljudet från motorn. Generatorerna är vattenkylda trefas synkronmaskiner med inre permanenta torns vridmoment. 7 visar en översikts- Kraftaggregatet är sammankopplat med magneter. Synkronmaskinerna är sam- bild av en BMU-enhet. För laddning av fordonets batterier används en enhet som kallas Smartcharger. Denna är i princip en on-board charger, likspänningsmellanledet via generatorernas likriktare. Dieseln erbjuder hög effektivitet och låg bränslekostnad, jämfört med bensindrivna fordon. Motorn i det mankopplade med dieseln via en växellåda. Generatorerna alstrar vardera 55 kw vid ca 550 V och 6000 varv/min, som motsvarar dieselns varvtal på 700 men med den skillnaden att inget särskilt här fallet är en standard sexcylindrig di- varv. 8 visar beräknad generatoreffekt. laddaggregat finns ombord, utan delar av fordonets drivlina används vid nätladdning. För laddning krävs ett 400 V trefas uttag med minst 6 A. Laddningen startas automatiskt då fordonet ansluts till nätuttaget och avslutas automatiskt om rektinsprutad turboladdad diesel. Dess maximala effekt är 54 kw vid 2400 varv. Dieselmotorn är utrustad med ett CRT-filter (Continuously Regeneration Trap) på avgassidan. Filtret renar kolvätehalten (HC) fem gånger, koloxiden (CO) mer än Mätningen av faktiska värden sammanfaller med beräkningarna. Generatorerna arbetar med en verkningsgrad på dryga 94 %. Förlusterna i likriktaren är mindre än %. 44 ABB Tidning 3/998

6 Mätningar och simuleringar 9 visar mätningar av den totala effekten för det elektriska drivsystemet (P eds ), generator- och batterieffekt relaterat till fart Nm kw när lastbilen körs med hybriddrift. Generatorns effektuttag följer motorlasten enligt den tidigare beskrivna börvärdesmetoden. Batterierna laddas av generatorerna, utom i de fall då elmotorernas effektbehov är större än det som generatorerna momentant kan bidra med. Då bidrar bat- T min n P terierna med effekt för att hjälpa till vid accelerationen. Uppmätta värden för maximalt moment T och effekt P från en av de elektriska motorerna jämfört med varvtalet n 5 Bränsleekonomi och föroreningar Vid projekteringen av hybridbilen har miljöhänsyn vägt tyngre än bränsleekonomin. Volvo har genomfört simuleringar för att jämföra hybridfordonet med en konventionell lastbil under identiska citydistributionscykler. Fordonets lastkapacitet är cirka 5 ton nyttolast. Med de tidigare nämnda projektförutsättningarna för el- Röd Maximal effekt Mörkblå Maximalt moment Ljusblå Kontinuerlig effekt Grön Kontinuerligt moment och hybriddrift samt det faktum att batterierna laddas med 39 kwh varje kväll, visar 0 bränsleförbrukning och emissioner. Beräkningarna visar att bränsleförbrukningen och emissioner av kväveoxider (NO x ) är lägre för hybridfordonet än för en konventionell lastbil. Olika hybridfordon Grovt kan hybridfordonen indelas i två typer: serie och parallell. I seriehybriden drivs fordonets hjul alltid elektriskt. Seriehybridens energikällor är någon typ av förbränningsmotor (exempelvis gasturbin, diesel- eller bensin- Uppmätt verkningsgrad för en elektrisk motor kopplad till reduktionsväxeln och matad av sin strömriktare n Varvtal T Moment 6 Schematisk skiss av batterisystemet (BMU) som har till uppgift att övervaka kondition och tillstånd i batterierna samt kommunicera med VMU-enheten T Nm Battery Battery 2 voltages 2 currents 2 temperatures 4 digital inputs Digital input Key or mains Digital output Cooling enable BMU Serial link Serial link VMU Terminal n min ABB Tidning 3/998 45

7 motorn kan dimensioneras efter fordonets medeleffektbehov och därmed η 96.0 % kw 80 P En generators verkningsgrad η jämfört med effektuttaget P, beräknad vid olika varvtal 4500 min min min min - motor) och ett energilager (exempelvis i form av batteri eller svänghjul). Eftersom hjulen alltid drivs elektriskt, måste elmotorerna dimensioneras för fordonets fulla prestanda, bland annat med hänsyn till acceleration och toppfart. Förbrännings- Fordonshastighet n, motoreffekt, batterieffekt och generatoreffekt under körning med en Volvo FL6 Hybrid P Effekt t Tid P,n Speed n (km/h) P gen (kw) P batt (kw) P eds (kw) s 50 t 8 9 göras mindre än om den skulle ha drivit hjulen direkt. Effektbalans måste alltid råda i ett elektriskt system, så även i ett hybridfordon. Vid höga effektbehov skjuter energilagret till effekt. Vid låga effektbehov och vid regenerativ bromsning kan energilagret laddas. I parallellhybriden drivs fordonets hjul elektriskt och/eller direkt av en förbränningsmotor. Såväl den elektriska motorn som förbränningsmotorn är nämligen mekaniskt kopplade till fordonets hjul via gemensam transmission. Sådana transmissioner har tenderat att bli tekniskt sett ganska komplicerade. Energikällorna och energilagren är desamma som i seriehybridfallet. I parallellhybridfallet är det vanligast att förbränningsmotorn dimensioneras efter fordonets fulla prestanda medan elmotorn dimensioneras för lägre prestanda. Effektbalansen hanteras på samma sätt som i seriehybridfallet. Det är tveksamt att säga exakt när en seriehybrid är att föredra framför en parallellhybrid och hur ett energilager ska dimensioneras. Valet av systemlösning kan underlättas genom systemsimuleringar, där olika krav beaktas, exempelvis: Är körsträcka prioriterad framför prestanda vid nollemissionskörning? I vilken miljö (miljözoner, nattetid etc) ska fordonen köras? I det av ABB Hybrid Systems levererade systemet har seriehybridlösningen valts, eftersom kraven på nollemissionskörning varit höga (fordonen ska gå i distributionstrafik med lastning och lossning i de centrala delarna av Göteborg) och eftersom fordonen ej ska köras långa sträckor på landsväg. Nollemissionskravet har också inneburit att batterierna är dimensionerade enligt energikravet (körsträcka) framför effektkravet (effekttillskott), dock utan att göra avkall på accelerationskravet. 46 ABB Tidning 3/998

8 Slutsatser Vid utvecklingen av hybridlastbilen har eftersträvats att utgå från ett standardfordon utrustad med elektrisk drivlina från ABB. Under hybriddrift körs dieselmotorn i det gynnsammaste driftläget (optimalt varvtal och effekt) och får då låg bränsleförbrukning. Under hybriddrift genereras fordonets medeleffektbehov av APU-enheten och effektöverskottet laddar fordonets batterier. Vid högre effektuttag ger batterierna det extra effektbehov fordonet behöver. Simuleringarna visar att hybridlastbilen har lägre bränsleförbrukning och betydligt lägre miljöpåverkande emissioner än en konventionell lastbil. Möjligheten att köra lastbilen helt emissionsfritt är ytterligare en bidragande miljöfördel. Volvo och ABB har byggt två hybridlastbilar för ett distributionsföretag i Göteborg. Dessa ska utvärderas praktiskt under en treårsperiod. Ett av syftena är att utvärdera kundacceptansen för denna nya teknik. Dessutom samlas också erfarenheter för att utröna vilka delar i hybridsystemet som kan bli föremål för förbättringar. Fordonets mervikt jämfört med en konventionell Volvo FL6 är drygt 3 ton. Detta betingat av de extra komponenter som den elektriska drivlinan består av. Den fortsatta utvecklingen av komponenterna minskar på sikt dessa vikter. Volvo FL6 Hybrid har en total lastkapacitet på ca 5 ton. Fordonets mervikt påverkar inte volymkapaciteten vad gäller lastförmåga. Fordonet uppfyller med andra ord de krav som ställs på lastförmåga för ett distributionsfordon. Idag är den elektriska drivlinan dyr, men det beror till stor del på att produktionsserierna av de ingående komponenterna är små. Kostnaden minskar vid massproduktion, och studier tyder på att priset för en elektrisk drivlina i framtiden inte blir högre än för dagens konventionella drivsystem. n Jämförelsestudie av simulerade värden för emissioner och bränsleförbrukning mellan en konventionell Volvo FL6 lastbil och en hybridbil byggd på samma chassi. Körningen är simulerad under ett typiskt distributionsfall i tätort. a Konventionell Volvo FL6, 000 kg b Volvo FL6 Hybrid, kg, 7 km/dag, laddad med 39 kwh per natt c Volvo FL6 Hybrid, kg, 40 km/dag, laddad med 39 kwh per natt n Hastighet (km/h) Orange Bränsleförbrukning (liter/00 km) Blå Medelhastighet (km/h) Gul NOx-emission (g/km) Referenser [] Chudi, P.; Malmquist, A.: Hybriddrift för bilar. ABB Tidning 9/93, 3 2. [2] Chudi, P.; Malmquist, A.: Miljövänlig hybriddrift för moderna lastbilar och bussar. ABB Tidning 6/7 96, a b c 4.7 Författarens adress Niclas P. Berg ABB Hybrid Systems S Västerås Fax: +46 (0) niclas.p.berg@sehyb.mail.abb.com 0 ABB Tidning 3/998 47