1. SILNIKI STOSOWANE W BUDOWIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH

Do budowy pojazdów elektrycznych, stosuje sie obecnie następujące silniki:

1.1 PRĄDU STAŁEGO

komutatorowe ze wzbudzeniem elektromagnetycznym,

komutatorowe ze wzbudzeniem magnesami trwałymi.

1.2 PRĄDU ZMIENNEGO TRÓJFAZOWE

asynchroniczne klatkowe,

synchroniczne z trapezoidalnym kształtem siły elektromotorycznej - znane też jako silniki bezszczotkowe,

BLDC, Brushless DC Motor,

synchroniczne z sinusoidalnym kształtem siły elektromotorycznej - Permanet Magnet Synchronous Motor,

PMSM,

synchroniczne reluktancyjne przełączalne.

Do napędów pojazdów elektrycznych nadaje się każdy z wymienionych silników, można nimi napędzać

zarówno bezpośrednio bez przekładni jak i pośredniego z użyciem różnych przekładni. Dobór silnika będzie

decydował o osiągach wykonywanego pojazdu.

W napędach pojazdów jednośladowych stosowane są ostatnio silniki bezszczotkowe natomiast silniki

prądu stałego można zasilać bezpośrednio z akumulatorów, nie wymagają przetwornicy elektronicznej. Ale jest to

jednak rozwiązanie bardzo mało praktyczne i uniemożliwiające późniejsze kształtowanie parametrów napędu.

Silniki prądu zmiennego wymagają już przetwornicy energoelektronicznej. W praktyce spotyka się sterowanie

mikroprocesorowe przetwornic, bo tylko wtedy jest możliwość dowolnego kształtowania parametrów napędu

elektrycznego pojazdu elektrycznego.

Rys.1.1. Silnik 800W do wplatania w przednie koło [21]

Postęp w technologii produkcji magnesów trwałych (magnesów neodymowych) sprzyja tworzeniu

wysokoenergetycznych magnesów i tym samym stwarza nowe możliwości projektantom silników elektrycznych

do których należą bezszczotkowe silniki prądu stałego z magnesami trwałymi. (rys.1.1.) Są to nowej generacji

materiały magnesy oparte o pierwiastki: NEODYM, ŻELAZO, BOR (Nd-Fe-B), produkowanych już w latach 80

XX wieku, ale jeszcze nie potrafiono z nich właściwie skorzystać.

Pierwszymi firmami wykorzystującymi te pierwiastki były firmy z Japonii – Sumitomo i USA – General Motors.

Wystąpił tutaj problem korozji tych magnesów, gdzie rozwiązano to poprzez powlekanie odpowiednimi

materiałami antykorozyjnymi lub zastosowano powłoki hermetyczne. Zastosowanie tego typu silników jest coraz

bardziej opłacalne i są one coraz częściej wykorzystywane w przemyśle. Malejące ceny elementów

elektronicznych i układów przekształtnikowych zasilające te silniki wpływa na coraz to szersze ich stosowanie.

Obecnie spotkamy je w urządzeniach wywodzących się z wielu rożnych gałęzi przemysłu. Silniki tego typu są

obecnie coraz częściej stosowane w automatyce, robotach, lodówkach, sprzęcie medycznym, sprzęcie

komputerowym jako dyski twarde HDD i napędy CD ROM, w obrabiarkach numerycznych, w ogrzewaniu,

wentylacji, klimatyzacji oraz oczywiście szeroko rozumianej motoryzacji.

2

Silniki BLDC zyskują popularność również jako napędy pojazdów elektrycznych w rowerach oraz skuterach

elektrycznych z wbudowanym w jednym z kół silnikiem z magnesami trwałymi. Napędzają również riksze, wózki

inwalidzkie, cichobieżne pojazdy elektryczne poruszające się po centrach handlowych i obiektach

przemysłowych, terenach trawiastych, oraz do jazdy po drogach publicznych. [47]

Elektryczne skutery są pojazdami wymagającym stosunkowo dużego momentu obrotowego, rozwijanego

zazwyczaj w krótkim przedziale czasu przy pokonywaniu przeszkód. Moment obrotowy potrzebny do pokonania

przez skuter dużej przeszkody musi być kilkukrotnie większy od momentu wymaganego od napędu przy jeździe

ustalonej po twardym, równym podłożu. Duży stosunek momentu do prędkości obrotowej jaki występuje w

silnikach BLDC mobilizuje je do zastosowania w napędach skuterów bez przekładni mechanicznej. Kolejnymi

zaletami pozwalającymi na zastosowanie tego typu silników w napędzie pojazdu jest mniejsza masa i objętość w

stosunku do silników innego typu o podobnych parametrach. Dzięki tej właściwości całkowita waga skutera jest

mniejsza, a sam silnik można i przeważnie jest zabudowywany w piaście koła pojazdu. Skutkuje to znacznym

uproszczeniem konstrukcji całego napędu. Ważną cechą wymaganą od napędów pojazdów jest możliwość

działania z dużą dynamiką. Ten warunek jest spełniony w przypadku napędów z silnikami z magnesami trwałymi

dzięki stosunkowo małemu momentowi bezwładności i dużej przeciążalności momentem. Duża przeciążalność

momentem jest możliwa, gdyż nie ma wirujących styków elektrycznych i liniowej zależności momentu od prądu

obciążenia.

Dzięki zastosowaniu komutatora elektronicznego zamiast mechanicznego zużywającego się podczas eksploatacji

pojazdu skutera, silniki BLDC z magnesami trwałymi wykazują większą żywotność. Wirnik silnika BLDC nie

posiada uzwojenia jak normalne silniki komutatorowe, wytwarza pole magnetyczne wzbudzenia dzięki

namagnesowanym naprzemiennie magnesom trwałym. Takie rozwiązanie pozwala na wykluczenie strat w wirniku

oraz podniesienie całkowitej sprawności silnika. Straty w uzwojeniu stojana są również mniejsze, ponieważ silniki

z magnesami trwałymi wymagają mniejszej liczby zwojów na fazę i rezystancja uzwojenia jest mniejsza.

Kolejnymi zaletami silników z magnesami trwałymi są:

- szeroki zakres prędkości obrotowej,

- sprawna regulacja prędkości obrotowej,

- duża niezawodność ruchowa w porównaniu do silników prądu stałego,

- większy maksymalny moment obrotowy.

Rys.1.2. Wirnik z magnesami trwałymi, neodymowymi. [32]

Rys.1.3. Silnik wraz z kołem do zastosowania w skuterach i motorach. [15]

Powyższy rysunek pokazuje silnik (eCorner's) z podzespołami i różnymi komponentami. Silnik wraz z piastą (2)

znajduje się wewnątrz obręczy (1), elektroniczny hamulec klinowy (3) oraz aktywne zawieszenie (4)

i elektroniczne sterowanie (5) zastosowano zamiast konwencjonalny system hydrauliczny. Inżynierowie z firmy

Siemens VDO planują zintegrować napęd, układ kierowniczy, amortyzatory i hamulce na koła samochodowe

przyszłości. Nowy system, oparty jest na czterech niezależnych silnikach elektrycznych jako piasty pojazdu,

zastąpią konwencjonalne zawieszenie, układ kierowniczy, hamulce hydrauliczne i silniki. Dla kierowców

oznaczać to będzie niższe rachunki za paliwo, zwiększenie bezpieczeństwa i niezawodności. Siemens VDO

proponuje wyeliminowanie dużego silnika i układu przeniesienia napędu co pozwoli stylizować nowe wzory

pojazdu. Będzie możliwe zaprojektowanie pojazdu 4-kołowego z systemem obrotowego koła, gdzie można

3

parkować samochód na boki za pomocą takiego rozwiązania. Umożliwi kontrolę przyspieszenia poszczególnych

kół dla lepszej stabilności w niebezpiecznych sytuacjach. Mniej elementów i eliminacja systemów hydraulicznych

będzie owocowała zmniejszeniem zużycia i awarii i uczyni serwis łatwiejszy. Silniki takie zapewniają kontakt

między kołami i drogą i dla każdego koła można przenieść możliwość własnego kąta skrętu. Również podczas

hamowania silniki działają jako generatory, odzyskując energię i ładując akumulator pojazdu. [15]

Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi w zakresie prędkości od zera do prędkości znamionowej mają

większą sprawność od silników bez magnesów. Ale jeżeli chcemy osiągnąć wyższą od znamionowej prędkość

obrotową silnika to sprawność silnika z magnesami trwałymi maleje. Przy prędkościach większych od

znamionowej czyli w II strefie regulacji musi być pobierany dodatkowy prąd z akumulatora, który będzie

wytwarzał strumień magnetyczny osłabiający strumień pochodzący od magnesów trwałych.

Prawidłowo dobrany silnik elektryczny do napędu pojazdu elektrycznego powinien mieć możliwość pracy w

dwóch strefach regulacji: poniżej prędkości znamionowej (strefa I) oraz powyżej prędkości znamionowej (strefa

II). Zapewnić ma to dopasowanie silnika do charakterystyki momentu oporowego odpowiadającej pojazdowi

elektrycznemu. Obszar ograniczający położenie punktu pracy silnika oraz wyjaśniający co to są strefy regulacji,

przedstawia charakterystyka na rysunku 1.4.

Rys.1.4. Obszar ograniczający położenie punktu pracy silnika elektrycznego.

Aktualny punkt pracy silnika wynika z zadanej prędkości pojazdu oraz z aktualnego momentu oporowego, oporu

jaki napotyka pojazd. Przy prędkości mniejszej od znamionowej punkt pracy silnika elektrycznego na

charakterystyce mechanicznej ograniczony jest maksymalnym momentem silnika - tzw. obszar pracy ze stałym

momentem.

Przy prędkości wyższej od znamionowej punkt pracy silnika ograniczony jest maksymalną mocą silnika i na

charakterystyce mechanicznej ograniczony jest krzywą opisaną wzorem:

(1.1)

gdzie:

- prędkość silnika przy stałej mocy

Rozpatrując dopuszczalny obszar pracy sinika trzeba uwzględnić to, że ten obszar pracy może

się zmieniać z uwagi na to, że silnik elektryczny można na pewien czas przeciążyć.

W danych katalogowych silników podaje się wartość przeciążalności silnika i określa sie czas na jak długo można

silnik elektryczny przeciążyć. Przechodzenie w II strefę regulacji komplikuje układ sterowania ale jeśli

zrezygnujemy z zakresu dużych prędkości obrotowych to silnik zastosowany w pojeździe będzie

przewymiarowany tj. za duży i co za tym idzie za ciężki. Dobrym rozwiązaniem staje się klasyczny silnik

asynchroniczny, ma on sprawność około 80%, a nawet dochodzą do około 90% tzw. silniki wysokosprawne

(silniki o podwyższonej sprawności) produkowane np. przez Induktę. Rozważając tak sprawność widać, że silniki

z magnesami trwałymi nie są wcale tak atrakcyjne jeśli dodatkowo uwzględni się ich wysoką cenę, w porównaniu

z silnikami asynchronicznymi klatkowymi. Zasilanie silnika zawsze możemy dopasować do baterii akumulatorów.

4

Rys.1.5. Zmiana obszaru stref regulacji przy przeciążeniu silnika asynchronicznego.

Rys.1.6. Zmiana obszaru stref regulacji przy przeciążeniu silnika synchronicznego.

Najłatwiej jednak jest zastosować napięcie akumulatorów 300V i standardowy silnik klatkowy 380/220 połączony

w trójkąt. Jest wtedy możliwość wykorzystania standardowego falownika z tranzystorami IGBT do zasilania

silnika asynchronicznego. Większą sprawność maja przekształtniki do napędu silnika prądu stałego gdzie łączony

jest tylko jeden tranzystor w szereg z uzwojeniem silnika, natomiast w napędzie prądu zmiennego są zawsze dwa

tranzystory włączone w szereg z uzwojeniem silnika. W praktyce jednak oba przekształtniki mają dużą sprawność

sięgającą do 90% i bardziej znaczące są w tym przypadku są sprawności silników. Wybór jednak jest

zdecydowanie po stronie silników bezszczotkowych.

Maszyna bezszczotkowa, gdzie w zestawieniu wymienić można wiele zalet:

brak komutatora mechanicznego, który jest kłopotliwy w eksploatacji w silnikach prądu stałego i zużywające

się szczotki,

małej bezwładności wirnika bo znajdują się tam magnesy trwałe,

doskonałe parametry dynamiczne wynikające z małej indukcyjności uzwojeń fazowych,

proporcjonalna zależność momentu elektromagnetycznego do prądu,

wysoka sprawność silnika dzięki zastosowaniu magnesów trwałych jako wzbudzenie silnika,

zmniejszenie średnicy wirnika,

zmniejszenie wymiarów jak i całkowitej masy silnika,

Jeżeli są zalety takiego silnika to i oczywiście maszyny te mają też wady, najważniejsze z nich to:

duża wrażliwość właściwości magnetycznych na przekroczenie dopuszczalnych temperatur,

klejone magnesy do wirnika narażone są na duże siły odśrodkowe rozklejające magnesy,

brak odporności na czynniki mechaniczne, silnik montowany jest w kole więc narażony jest na drgania,

przeciążenia oraz dziury w jezdni, itp.,

kruchość magnesów które z upływam lat wykruszają się na krawędziach podczas eksploatacji ruchu

obrotowego,

wysoki koszt produkcji, coraz bardziej malejące.

Wybrany do napędu skutera elektrycznego, silnik prądu stałego BLDC, zasilany jest siłą elektromotoryczną o

kształcie przebiegu trapezoidalnego. Właściwości takiego układu zasilania charakteryzują się następującymi

własnościami:

komutator mechaniczny zastąpiony jest przez komutator elektroniczny,

prądy zasilające są prądami stałymi układu przekształtnik-silnik,

prędkość kątowa silnika jest proporcjonalna do wartości napięcia zasilającego,

czujniki położenia wału i odpowiedni układ sterujący komutacją prądu, powodują samo synchronizację układu,

kąt między wektorem strumienia wzbudzenia a wektorem prądu jest w przybliżeniu stały.

5

Z tych zależności wynika, że silnik taki składać się będzie z dwóch podzespołów:

1. Przekształtnika z modulacją szerokości impulsów,

2. Silnika synchronicznego o magnesach trwałych i trapezowym przebiegu siły elektromotorycznej.

Schemat takiego układu przedstawia poniższy rysunek 1.7.

Rys.1.7. Schemat sterowania silnikiem bezszczotkowym.

Przebiegi sił elektromotorycznych, w poszczególnych fazach o przebiegu trapezowym przedstawia rys.1.8.

Rys.1.8. Przebiegi sił elektromotorycznych o przebiegu trapezowym.

Rys.1.9. Pożądane przebiegi sił elektromotorycznych, prądów fazowych,

mocy chwilowej i momentu elektrycznego.

Ze względu na bardzo niewielką indukcyjność uzwojeń prądy bardzo szybko zanikają. Prąd szybko zanika,

a przenikalność magnetyczna z powodu bardzo dużej szczeliny pomiędzy stojanem, a wirnikiem jest

w przybliżeniu równa 1 (

Prądy w kolejnych fazach włączane są w sektorach gdzie siła elektromotoryczna E = const. Prąd wpływa do jednej

fazy przez 120o el

, a wypływa przez kolejne 60o el

przez dwie pozostałe. Napięcie przewodowe włączane jest

6

kolejno co 60o el

pomiędzy dwie fazy silnika

w celu wymuszenia odpowiedniego prądu. Średnia wartość napięcia impulsowego między fazami określana jest

szerokością impulsu.

2. OBLICZANIE ZASIĘGU SKUTERA ELEKTRYCZNEGO

Aby obliczyć zasięg pojazdu elektrycznego musimy uwzględnić wiele czynników i nie do końca możemy

to zrobić jednoznacznie. Możemy jednak wykonać obliczenia, maksymalnego zasięgu pojazdu w przyjętych

założeniach i warunkach. Jednym z ważnych parametrów jest opór aerodynamiczny pojazdu.

Jest to bezwymiarowy współczynnik, zależny od kształtu, kątowej orientacji poruszającego się ciała, liczby

Reynoldsa. Dla kuli Cx wynosi około 0,45 a dla samochodów osobowych około 0,30.

Rysunki obrazujące procentowy współczynnik siły oporu przedstawione zostały na poniższych rysunkach. [23]

Lp. Kształt i opływ Opór

kształtu

1

0%

2

~10%

3

~45%

4

100%

Rys.2.1. procentowy współczynnik siły oporu aerodynamicznego.[23]

Przykładowe wartości współczynnika Cx dla poszczególnych rodzajów pojazdów pokazuje tabela 2.1.

Tabela 2.1. Wartości współczynnika oporu aerodynamicznego Cx dla pojazdów:

Lp. Rodzaj nadwozia Średnia wartość oporu

aerodynamicznego - Cx

1. Cabrio 0,5 - 0,7

2. Combi 0,5 - 0,6

3. Sedan 0,4 - 0,55

4. Coupe 0,3 - 0,4

5. Ciężarowe 0,8 - 1,5

6. Autobusy 0,6 - 0,7

7. Motocykle 0,6 - 0, 7

2.1 ZAŁOŻENIA

a) ciągła prędkość jazdy - pojazd porusza się cały czas z tą samą stałą prędkością, nie przyspiesza i nie hamuje,

początkowe rozpędzenie pojazdu pominięto,

Prędkość taką przewidują przepisy ruchu drogowego aby prowadzić pojazd bez prawa jazdy dla osoby dorosłej,

powyżej tej prędkości potrzebne jest prawo jazdy kategorii A1.

(2.1)

b) masa pojazdu łącznie z akumulatorami,

7

Masa akumulatora według producenta wynosi ok.30kg, przy większej ilości dla zwiększenia napięcia wynosi

odpowiednio więcej, dlatego uwzględniłem średni ciężar 4 akumulatorów oraz pojazdu. Producenci skuterów

również podają podobny ciężar. [30, 33, 44, 46].

c) masa pasażera z bagażem,

d) wysokość pojazdu,

e) szerokość pojazdu,

f) współczynnik oporu aerodynamicznego,

g) sprawność przekładni, silnik napędza koła bezpośrednio, więc jest sam dla siebie przekładnią główną. Dlatego

sprawność jego jest bardzo wysoka,

(2.2)

h) współczynnik tarcia drogi przy prędkości 0 km/h przyjęto:

(2.3)

pośrednia wartość między gładkim asfaltem a gładkim betonem, zakładając że ciśnienie

w ogumieniu jest takie jak zaleca producent pojazdu,

i) gęstość powietrza - w temperaturze 20 °C powietrze suche ma gęstość:

(2.4)

Gęstość powietrza maleje wraz ze spadkiem ciśnienia

j) sprawność silnika bezszczotkowego – sprawność dochodzi nawet do 85%, w obliczeniach przyjmuję:

(2.5)

k) napięcie znamionowe baterii akumulatorów,

aby pokonać jak największą odległość pojazdem i podnieść sprawność i osiągi jazdy należy zastosować duże

napięcie. Jednak względy bezpieczeństwa przemawiają za zastosowaniem napięcia bezpiecznego. Również

względy kosztów eksploatacji zostały uwzględnione, ponieważ cena akumulatora jest dosyć pokaźna, bateria o

pojemności 100 Ah i napięciu 24 V kosztuje ok. 690 zł [30, 33, 44, 46].

Przyjąłem napięcie znamionowe na poziomie 24 V i 48 V

(2.6)

l) pojemność baterii akumulatorów została dobrana na zasadzie im większa tym dłuższy jest czas eksploatacji i

niestety rośnie koszt zakupu co zwiększa koszt samego skutera

lub Qak=100 Ah (2.7)

Większość producentów wyposaża skutery w akumulatory o pojemnościach 40 – 60Ah co zmniejsza dystans

pokonywanych odległości i zmniejsza cenę ostateczną skutera.

m) temperatura powietrza 20 oC,

n) pojazd porusza się po drodze,

1. płaskiej gdzie kąt nachylenia drogi = 0 o,

2. nachylenie wynosi = 10 o.

Siła oporów drogi jest zależna od ciężaru pojazdu i współczynnika oporu drogi. Na drogach

w zależności od ich rodzaju określone są dopuszczalne maksymalne wzniesienia:

- na drogach lokalnych hw = 10%,

- drogi państwowe hw = 5%,

- autostrady hw = 4%.

8

Wysokie wzniesienia dopuszczalne są na drogach lokalnych górskich, wzniesienia te zostały pominięte ponieważ

nie przewiduje się eksploatacji pojazdu w terenie górzystym.

o) nie ma wiatru,

p) pominięto straty energii w przekształtniku zasilającym silnik - straty te są pomijalnie małe przy dobrej

jakości przekształtniku w porównaniu ze stratami w silniku,

r) charakterystyka mechaniczna silnika jest taka, że przy zasilaniu napięciem Uak ma prędkość obrotową

odpowiadającą prędkości pojazdu V.

2.2 OBLICZENIE OPORÓW RUCHU

2.2.1 Opór toczenia

Siła oporu toczenia:

(2.8)

gdzie:

- przyspieszenie ziemskie,

- współczynnik dodatkowego oporu toczenia dla gładkiej

powierzchni asfaltowej.

- masa pojazdu łącznie z akumulatorami,

- masa pasażera z bagażem,

- ciągła prędkość jazdy

- współczynnik tarcia drogi przy prędkości 0 km/h

W sytuacji jazdy pod górę siła oporu wzniesienia Fw przyjmuje postać:

Rys. 2.1. Siły działające podczas jazdy pod górę.

ciężar pojazdu G

(2.9)

masa pojazdu

(2.10)

oporu wzniesienia Fw

(2.11)

gdzie:

- przyspieszenie ziemskie,

- masa pojazdu łącznie z akumulatorami,

- masa pasażera z bagażem,

= 10 o - nachylenie drogi pod górę (kąt wzniesienia)

Zatem opór drogi Fd jest sumą oporu toczenia i oporu wzniesienia i wynosi:

(2.12)

9

2.2.2 Opór powietrza

a) Współczynnik powierzchni czołowej skutera:

(2.13)

gdzie:

- wysokość pojazdu,

- szerokość pojazdu.

b) Siła oporu powietrza: [51]

(2.14)

gdzie:

- gęstość powietrza,

- współczynnik oporu aerodynamicznego dla skutera,

– obliczony współczynnik powierzchni czołowej skutera,

- ciągła prędkość jazdy.

c) Moc na kołach potrzebna do poruszania pojazdu:

dla = 0o

(2.15)

gdzie:

- obliczona siła oporu toczenia,

- obliczona siła oporu powietrza,

- ciągła prędkość jazdy.

Przy uwzględnieniu jazdy pod górę dla = 10o moc ta wynosi:

(2.16)

d) Moc potrzebna na poruszanie pojazdu przeliczona na wał silnika:

(9.17)

gdzie:

– obliczona moc na kołach potrzebna do poruszania pojazdu,

- sprawność przekładni (silnik napędza koła bezpośrednio bez przekładni).

Przy uwzględnieniu jazdy pod górę dla = 10o moc ta wynosi:

(2.18)

Silnik musi wytworzyć moc na wale Ps=1103,35 W aby poruszać ten pojazd z prędkością 50 km/godz.,

natomiast przy wjeździe na wzniesienie = 10o moc ta wynosi Ps=7166,84 W.

e) Moc pobierana przez silnik z akumulatorów:

dla = 0o

(2.19)

gdzie:

- obliczona moc potrzebna na poruszanie pojazdu przeliczona na wał silnika,

- sprawność silnika (silnik bezszczotkowy).

10

Uwzględniając jazdę pod górę dla = 10o moc pobierana wynosi:

(2.20)

f) Pobór prądu z akumulatorów:

Dla napięć założonych 24 V i 48 V obliczam prądy jakie są pobierane z akumulatorów przy zastosowaniu max

mocy silników potrzebnych do napędu skutera i jego prędkości maksymalnie 50 km/h

(2.21)

(2.22)

gdzie:

- moc pobierana przez silnik z akumulatorów,

oraz - napięcie znamionowe baterii bateria akumulatorów.

Przy podjeżdżaniu pod górę dla = 10o:

(2.23)

(2.24)

Prąd tak duży jest tylko w ciągu krótkiego czasu jazdy pod górę, dlatego nie należy go do końca uwzględniać przy

końcowej eksploatacji pojazdu. Pojemność akumulatorów nie pozwoliłaby na długą jazdę przy takim prądzie, a

wręcz byłby ten prąd niebezpieczny dla eksploatacji baterii. Doprowadziłby do szybkiego zniszczenia

akumulatorów.

g) Założenia dotyczące doboru akumulatorów

Przyjąłem, że zastosowane zostaną akumulatory żelowe o pojemności 100 Ah

lub 200 Ah. Napięcie znamionowe akumulatora wynosi 12 V, zatem chcąc uzyskać wyższe napięcia należy

zastosować krotność ilości akumulatorów co wiąże się z wyższymi kosztami zakupu oraz zwiększony ciężar

skutera. Przykładowe zestawienie akumulatorów produkcji Haze Battery Co przedstawiane są w tabeli 2.1.

Tabela 2.1. Waga i ceny akumulatorów żelowych o założonych pojemnościach

Napięcie

zasilania

Ilość

akumulatorów

Pojemność

Qak Waga akumulatorów Cena za 1 sztukę

24 V 2x12 V 200 Ah; 2x62 kg = 124 kg ok.1500 zł

24 V 2x12 V 100 Ah; 2x32 kg = 64 kg ok. 700 zł

48 V 4x12 V 200 Ah; 4x62 kg = 248 kg ok. 1500 zł

48 V 4x12 V 100 Ah; 4x32 kg = 128 kg ok. 700 zł

h) Czas jazdy skutera elektrycznego:

Przepisy ruchu drogowego dopuszczają maksymalną prędkość poruszania się po drogach publicznych dla

skuterów 50 km/h, dlatego też w założeniach wybrałem taka prędkość za maksymalną.

Przy jeździe poziomej = 0o:

- obliczono dla napięcia 24 V i pojemności 200 Ah (2.25)

- obliczono dla napięcia 24 V i pojemności 100 Ah (2.26)

- obliczono dla napięcia 48 V i pojemności 200 Ah (2.27)

11

- obliczono dla napięcia 48 V i pojemności 100 Ah (2.28)

Przy podjeździe na wzniesienie = 10o – czas jazdy nie jest ciągły, podjazd pod górę trwa krótko:

- obliczono dla napięcia 24 V i pojemności 200 Ah (2.29)

- obliczono dla napięcia 24 V i pojemności 100 Ah (2.30)

- obliczono dla napięcia 48 V i pojemności 200 Ah (2.31)

- obliczono dla napięcia 48 V i pojemności 100 Ah (2.32)

gdzie:

lub QAk=100 Ah – założona pojemność baterii akumulatorów (przy temperaturze 20oC)

- obliczony pobór prądu z akumulatorów

Wyniki zestawiono i porównano w tabeli 2.2.

Tabela 2.2. Zestawienie czasu jazdy skutera w zależności od pojemności i napięcia zastosowanych baterii

Lp. Pojemność

Qak [Ah]

Napięcie

znamionowe [V] Czas jazdy Vt0 dla

= 0o [h]

Czas jazdy Vt10

dla = 10o [h]

1 200 24 3,33 0,53

2 200 48 6,66 1,06

3 100 24 1,67 0,26

4 100 48 3,33 0,53

Zasięg jazdy Si pojazdu elektrycznego skutera:

Uwzględniony został maksymalny czas jazdy Vt = 50 km/h skutera elektrycznego dla wcześniejszych założeń:

dla napięcia 24 V i pojemności 200 Ah,

dla napięcia 24 V i pojemności 100 Ah,

dla napięcia 48 V i pojemności 200 Ah,

dla napięcia 48 V i pojemności 100 Ah,

przy prędkości max 50 km/h:

- dla Uak = 24 V i Qak = 200 Ah (2.33)

- dla Uak = 24 V i Qak = 100 Ah (2.34)

- dla Uak = 48 V i Qak = 200 Ah (2.35)

- dla Uak = 48 V i Qak = 100 Ah (2.36)

gdzie:

- ciągła prędkość jazdy w ciągu godziny,

- obliczony czas jazdy skutera elektrycznego przy prędkości 50 km/h (2.26 – 2.32)

Obliczony zasięg jazdy skutera elektrycznego o parametrach wymienionych w założeniach wynosi w zależności

od pojemności akumulatora od 83,5 do 333 km. Nie obliczałem zasięgu pojazdu przy jeździe na założonym

wzniesieniu = 10o, ponieważ skuter nie będzie użytkowany w taki sposób, tylko na powierzchni poziomej.

12

Jazda pod górę będzie tylko w sytuacjach wyjątkowych i przez krótki okres. Oczywiście

w warunkach rzeczywistych zasięg jazdy pojazdu będzie inny z reguły mniejszy

od obliczeniowego. Wyniki zestawiono i porównano w tabeli 9.3.

Tabela 9.3. Zestawienie wyników obliczonego zasięgu skutera w zależności

od pojemności i napięcia zastosowanych baterii

Lp. Pojemność Qak

[Ah]

Napięcie

[V] Czas jazdy Vt [h]

Zasięg jazdy S

[km]

1 200 24 3,33 166,5

2 200 48 6,66 333

3 100 24 1,67 83,5

4 100 48 3,33 166.5

Zapotrzebowanie na energię takiego pojazdy wynosi więc:

- dla Uak = 24 V i Qak = 200 Ah (2.37)

- dla Uak = 24 V i Qak = 100 Ah (2.38)

- dla Uak = 48 V i Qak = 200 Ah (2.39)

- dla Uak = 48 V i Qak = 100 Ah (2.40)

gdzie:

- moc pobierana przez silnik z akumulatorów (2.19),

- obliczony czas jazdy skutera elektrycznego przy prędkości 50km/h (2.26 – 2.32),

– obliczony zasięg jazdy pojazdu elektrycznego skutera (2.33 - 2.36).

2.3 UWAGI I WNIOSKI

Rzeczywisty zasięg jazdy pojazdu elektrycznego w podanych warunkach będzie jednak w rzeczywistości

mniejszy co wynika z tego, że rzeczywista pojemność akumulatorów będzie mniejsza a pobór prądu większy

niż obliczony. Wynika to z tego, że dla akumulatorów pojemność akumulatorów podawana jest dla

rozładowania prądem 20 lub 5 godzinnym.

Przy szybszym rozładowaniu pojemność akumulatorów jest mniejsza niż podana w założeniach.

Pobór prądu będzie większy niż obliczony, gdyż przy obciążeniu akumulatorów napięcie na nich jest mniejsze

od znamionowego i aby silnik mógł wytworzyć pożądaną moc na wale przy niższym napięciu zasilania musi

pobrać więcej prądu. Trzeba pamiętać też o tym, że nie zna się najczęściej sprawności silnika, gdyż ta która

podawana jest na tabliczce znamionowej silnika jest największą sprawnością, która jest tylko przy obciążeniu

znamionowym silnika. Przy mniejszym obciążeniu silnika sprawność silnika jest mniejsza co należałoby

uwzględnić w obliczeniach.

Jak można zauważyć duży wpływ na zasięg ma współczynnik tarcia zależny od jakości drogi ale też od kół

pojazdu.

Zwiększenie ciśnienia w ogumieniu i zastosowanie węższych opon zmniejszy ten współczynnik a tym samym

wydłuży zasięg pojazdu.

Zmniejszenie masy pojazdu pomoże w wydłużeniu zasięgu jazdy oraz zmniejszenie współczynnika Cx jednak

zarówno masę jak i Cx można praktycznie zmienić tylko na etapie projektowania pojazdu.

2.4 KOSZT JAZDY SKUTEREM ELEKTRYCZNYM

Biorąc pod uwagę pojazd o parametrach podanych powyżej można dokonać przybliżonych obliczeń

kosztu eksploatacji pojazdu elektrycznego w przeliczeniu na 100 km.

13

2.4.1 Założenia do kosztów eksploatacji jazdy skutera

- cena energii elektrycznej ok. 0,55 zł/kWh,

- cena energii elektrycznej w taryfie nocnej ok. 0,32 zł/kWh,

- jako zasilanie zastosowano akumulatory żelowe o pojemnościach odpowiednio 100 Ah oraz 200 Ah i napięciu

12 V. Dla uzyskania napięcia 48 V potrzebne będą 4 akumulatory na napięcie 12 V.

2.4.2 Obliczenia

Ładowanie akumulatorów żelowych w pełni rozładowanych przez większość czasu ładowane są prądem

10-cio godzinnym, a trwa od 12 do 14 godzin,

Prąd ładowania wynosi:

dla akumulatora 200 Ah

(2.41)

dla akumulatora 100 Ah

(2.42)

gdzie: oraz QAk=100 Ah – pojemność baterii akumulatorów.

Akumulator ma jednak sprawność mniejszą od 100% dlatego więcej energii należy dostarczyć do akumulatora

przy ładowaniu niż można z niego uzyskać przy wyładowywaniu.

Z tego wynika że proces całkowitego naładowania akumulatora kwasowego trwa dłużej niż 10 godzin.

Zakładamy, że napięcie ładowania baterii akumulatorów o napięciu znamionowym 48 V wynosi więcej bo ok.

50 V, a dla 24 V wynosi ok. 30 V co daje moc przekazywaną przy ładowaniu tych akumulatorów odpowiednio:

1. dla akumulatora 200Ah i UN = 48V

(2.42)

2. dla akumulatora 100 Ah i UN = 48 V

(2.43)

3. dla akumulatora 200 Ah i UN = 24 V

(2.44)

4. dla akumulatora 100 Ah i UN = 24 V

(2.45)

Dla akumulatorów 4x12 V wyliczono moc przy ładowaniu – 1000 W (9.42) a dla 2x12 V – 600 W (2.44).

Rozpatrzono górną granicę.

Moc ta dostarczana jest do akumulatorów przez ładowarkę. Jeśli zastosujemy ładowarkę impulsową to sprawność

takiego urządzenia jest ok. 90% zatem moc pobrana z sieci elektrycznej będzie wynosiła około 1100 W i

odpowiednio 660 W. Taka moc będzie pobierana przez ładowarkę tylko przez jakiś czas, później prąd ładowania

spada. Zakładając uproszczenia do obliczeń można przyjąć, że pełna moc pobierana jest przy ładowaniu

akumulatorów z sieci elektrycznej przez 8 godzin,

Dla maksymalnej pojemności QAk=200 Ah i napięcia Uak=48 V

(2.46)

Dla maksymalnej pojemności QAk=200 Ah i napięcia Uak=24 V

(2.47)

14

co da zużycie energii elektrycznej 8 kWh i 4,8 kWh

Do dalszych obliczeń przyjęto:

a) ceny energii za 1 kWh - 0,55 zł w taryfie dziennej,

b) ceny energii za 1 kWh - 0,32 zł w taryfie nocnej.

Dla taryfy dziennej:

Dla maksymalnej pojemności QAk=200 Ah i napięcia Uak=48 V

(2.48)

Dla maksymalnej pojemności QAk=200 Ah i napięcia Uak=24 V

(2.49)

W zależności od ilości akumulatorów, a co za tym idzie pojemności jaką użyjemy do zasilania skutera i ceny, ilość

zużytej energii elektrycznej będzie kształtowała się od 2,64 zł do 4,40 zł.

Obliczając koszt przejechania 100 km dla 4 akumulatorów o napięciu 12 V (48 V) gdzie koszt zużycia energii

elektrycznej wynosi 4,40 zł (2.48) - koszt przy jednym cyklu ładowania akumulatorów i przebytej drogi zasięgu

jazdy S3 i S4 obliczonej (2.35, 2.36), wynosi odpowiednio:

- dla Uak = 48 V i Qak = 200 Ah

(2.50)

- dla Uak = 48 V i Qak = 100 Ah

(9.51)

na dwóch akumulatorach 2x12 V=24 V gdzie koszt zużycia energii elektrycznej wynosi 2,64 zł (2.49) przy

jednym cyklu ładowania akumulatorów, dla przebytej drogi S1 i S2 (2.33, 2.34) koszt wynosi:

- dla Uak = 24 V i Qak = 200 Ah

(2.52)

- dla Uak = 24 V i Qak = 100 Ah

(2.53)

Można również założyć i zakładam, że przy jeździe w dzień, akumulatory będziemy ładować w taryfie nocnej,

warunkiem jest posiadanie licznika dwutaryfowego, przy którym cena jednostkowa energii wynosi w zależności

od regionu 0,32 zł.

Dla taryfy nocnej:

(2.54)

(2.55)

dla zużytej 8 kWh energii i ceny w taryfie nocnej 0,32 zł za 1 kWh obliczam koszt przejechania skuterem 100 km

dla akumulatorów Qak = 200 Ah i Qak = 100 Ah i napięcia U= 48 V:

(2.56)

(2.57)

15

dla zużytej 4,8 kWh energii i ceny w taryfie nocnej 0,32 zł za 1 kWh obliczam koszt przejechania skuterem 100

km dla akumulatorów Qak = 200 Ah i Qak = 100 Ah i napięcia

U= 24 V:

(2.58)

(2.59)

Wyniki obliczeń zestawiono dla porównania w tabeli 2.4.

Tabela 2.4. Koszt przejechania 100km przy ładowaniu akumulatorów w taryfie dziennej i nocnej.

Lp.

Ładowanie akumulatora

wg zakładu

energetycznego Vattenfall

Koszt przejechania 100 km w zł

pojemność QAk=200

Ah

pojemność

QAk=100 Ah

1. dla

taryfy

dziennej

48 V 1,32 2,64

2. 24 V 1,58 3,16

3. dla

taryfy

nocnej

48 V 0,77 1,54

4. 24 V 0,92 1,84

2.4.3 Koszt jazdy uwzględniający zużycie akumulatorów.

Koszt jazdy w przeliczeniu na 100 km jeśli uwzględnimy zużycie akumulatorów przedstawia się następująco:

1. Akumulatory utrzymują swoją pojemność przez maksimum 1500 do minimum 500 cykli pracy (załącznik

C),

2. Cena jednego średniej jakości akumulatora żelowego o pojemności 100 Ah i napięciu 12 V wynosi ok.

680 zł, a 200 Ah – 1300 zł,

3. Orientacyjny koszt zakupu akumulatorów w roku 2010 [30, 33, 46] (załącznik C),

100 Ah, 24 V – 1360 zł,

200 Ah, 24 V – 2600 zł,

100 Ah, 48 V – 2720 zł,

200 Ah, 48 V – 5200 zł.

4. Takich akumulatorów o napięciu 12 V musi być 2 aby uzyskać napięcie 24 V, lub 4 dla napięcia 48 V.

5. Akumulatory można wielokrotnie ładować, zatem przyjmuje minimum 500 cykli ładowania

i rozładowania.

Ilość kilometrów jaką można przejechać skuterem zestawiono w tabeli 2.5.

Tabela 2.5. Zestawienie zasięgu skutera przy 500 cyklach ładowania akumulatora.

Lp. Qak

[Ah]

Uak

[V]

Zasięg jazdy S na 1 cyklu

ładowania [km]

Przebieg przy 500 cyklach ładowania

[km]

1 200 24 166,5 83.250,00

2 100 24 83,5 41.750,00

3 200 48 333 166.500,00

4 100 48 166,5 83.250,00

6. Na jednym cyklu pracy akumulatorów skuter elektryczny powinien przejechać jak wcześniej obliczono

(2.33 - 2.36) od 83,5 km do 333 km, więc przez 500 cykli pracy powinien przejechać od 41750 km do

166500 km.

16

Obliczając koszt amortyzacji akumulatorów na 100 km:

(2.60)

Tabela 2.6. Cena przejazdu 100km uwzględniając amortyzację akumulatorów.

Lp. Pojemność Napięcie Cena za

2 szt

Przebieg przy 500 cyklach

ładowania/rozładowania

Cena amortyzacji

na 100 km

1 200 Ah 24 V 2600 zł 83250 km 3,20 zł

2 100 Ah 24 V 1360 zł 41750 km 3,07 zł

Lp. Pojemność Napięcie Cena za

4 szt

Przebieg przy 500 cyklach

ładowania/rozładowania

Cena amortyzacji

na 100 km

3 200 Ah 48 V 5200 zł 166500 km 3,20 zł

4 100 Ah 48 V 2750 zł 83250 km 3,03 zł

7. Uwzględniając koszt zużycia energii elektrycznej w nocnej taryfie, przy ładowaniu akumulatorów oraz

koszt amortyzacji akumulatorów to otrzyma się koszt przejechania 100km przy założonej prędkości 50

km/h, przedstawiony jest w tabeli 2.7.

Tabela 2.7. Zestawienie przejechania 100 km przy założeniu ładowania akumulatora w taryfie nocnej

i uwzględniający koszty amortyzacji akumulatora (2.56 – 2.59).

Lp. Pojemność Napięcie

Koszt amortyzacji

baterii

Koszt zużycia energii

dla ładowania baterii

Cena przejechania

100km przy prędkości

50km/h

1 200 Ah 24 V 3,20 zł 1,84 zł 5,89 zł

2 100 Ah 24 V 3,07 zł 0,92 zł 2,82 zł

3 200 Ah 48 V 3,20 zł 1,54 zł 4,93 zł

4 100 Ah 48 V 3,03 zł 0,77 zł 2,33 zł

8. Zakładając, że cena benzyny wynosi z dnia 26.11.2010 ORLEN Katowice Francuska 4.54 zł [38] to

odpowiada to użytkowaniu skutera spalinowego o zużyciu paliwa od 2,5 do 3 l na 100 km:

kosztem od 11,35 zł do 13,62 zł [43]

9. Przy skuterze spalinowym dochodzą jeszcze przynajmniej koszty oleju silnikowego, który należy

dodawać do paliwa wg zaleceń producenta.

Uwzględniając wszystkie te założenia i obliczenia stanowi to znaczącą konkurencję skutera elektrycznego

w stosunku do skutera spalinowego. Uzasadnienie i wnioski przedstawię w podsumowaniu projektu

2.5 Koszt projektowanego skutera

Zaprojektowany skuter elektryczny, zakładając najniższe ceny podzespołów, będzie kosztował:

1. Rama pojazdu – można skorzystać ze starych modeli skutera spalinowego, przerabiając go tak aby

zamontować w nim pojemniki na baterie – akumulatory i dostosować pozostałe podzespoły (sterownik,

ładowarkę),

2. Akumulatory o napięciu U = 12 V i pojemności Q = 100 Ah Cena 675 zł za 1 szt

3. Silnik firmy Hub Motor o mocy 800 W i napięciu 48 V Cena 468,13 zł

17

4. Sterownik silnika o mocy 800W i napięciu 48V Cena 99,99 zł

5. Ładowarka impulsowa do akumulatorów żelowych, trakcyjnych, AM, ołowiowych otwartych (z

kompensacją temperatury) model PB-600 12 V / 40 A Cena 670 zł

6. Inne akcesoria: Amperomierz - cena 70 zł

Woltomierz - cena 70 zł

Prędkościomierz /licznik - cena 50 zł

Razem sumując uzyskujemy cenę: 4128,12 złotych

Można ten koszt jeszcze zmniejszyć stosując odpowiednio założenia, jak proponują producenci, np. akumulator o

pojemności 40 Ah – 60 Ah zamiast 100 Ah – 200 Ah, gdzie cena wynosi odpowiednio mniej bo około 320 zł.

(załącznik C.1.) [44]

Czyli o połowę mniej niż założono w pracy. Będzie to miało znaczenie na odległości jazdy skuterem, ale również

będą przyzwoite osiągi.

2.6 Analiza porównawcza skutera elektrycznego do spalinowego:

Uwzględniam tutaj amortyzację skutera i przebieg przy jednym zestawie akumulatorów dla minimum (jak podają

producenci) 500 cyklach ładowania.

Skuter elektryczny:

1. Amortyzację całkowitą przejechania dystansu 100 km – 3,03 zł dla akumulatora 100 Ah

2. Przebieg przy 500 cyklach ładowania/rozładowania akumulatorów – 83250 km

Skuter spalinowy: aby przejechać 83250 km przy średnim spalaniu 2,6 l na 100 km musi zużyć paliwa PB95:

Różnica w cenie i oszczędności wynikające z posiadania skutera elektrycznego są następujące:

Ceny skutera projektowanego nie odliczam ponieważ na zakup jednego czy drugiego skutera musimy i tak

zapłacić.

Przeprowadzając analizę poszczególnych parametrów skutera dochodzimy do wniosku,

że można w tani sposób uzyskać ciekawy pojazd którego eksploatacja nie będzie wcale droga

i na większą skalę bardzo opłacalna.

1. Optymalnym wyborem za produkcją skutera elektrycznego jest wykorzystanie go przy krótkich

dystansach pokonywanych codziennie np. do pracy, szkoły, małe zakupy, itp.,

2. Pokonywanie krótkich odległości i używanie do tego celu samochodu jest ekonomicznie nieopłacalne,

3. Na jednym ładowaniu przejedziemy ponad 100 km, więc jeździmy 8 dni,

4. Mieszkając w zatłoczonym mieście również mamy możliwość szybkiego przemieszczania się podczas

podróży po cichu i bez stania w korku,

5. Możemy wykorzystać pojazd do naszych zainteresowań: wyjazdów na ryby, grzyby, wycieczki

krajoznawcze przejeżdżając bezszelestnie i bez nadmiernego hałasu,

6. Obecne ceny benzyny wynoszące ok. 4,54 złotych i analizując dane skuterów spalinowych, zauważamy,

że taki skuter zużywa średnio od 2,5 l do 3 l paliwa na 100 km. Zatem koszt eksploatacji, przy dystansie

100 km, pojazdu spalinowego wynosi odpowiednio:

18

Porównując moje obliczenia przekonujemy się, że eksploatacja skutera elektrycznego będzie kształtowała

się na poziomie 2,33 do 5,89 złotych uwzględniając już amortyzację, na razie bardzo drogich, ale skutecznych

akumulatorów żelowych o pojemnościach 100 i 200 Ah. Widać od razu różnicę w eksploatacji skutera

elektrycznego w stosunku do skutera spalinowego, w którym dochodzą jeszcze inne opłaty, m.in. przeglądy, olej,

również akumulator i niekomfortowa głośna jazda.

W dalszej analizie podsumowującej, obliczona zostaje eksploatacja pojazdu w miesiącach kiedy można

nim się bezpiecznie poruszać. W sezonie zimowym nie użytkujemy takiego pojazdu, można wykorzystać ten okres

do przeglądów i konserwacji skutera.

Zakładam, że jeździmy w miesiącach od kwietnia do listopada pokonując dziennie dystans 20 km. To

możemy obliczyć ile lat będziemy eksploatować taki pojazd optymistycznie myśląc. W rzeczywistości będzie to

jednak dużo mniej.

Tabela 2.1. Miesiące eksploatacji skutera i ilość dni w ciągu roku.

Miesiąc kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień październik RAZEM

liczba

dni 30 31 30 31 31 30 31 214

Żywotność akumulatorów – 500 cykli, tj. 83250 km do pokonania, więc nasz skuter będzie eksploatowany przez

lat:

Całość obliczeń i wyszukanych informacji o producentach: silników, sterowników, akumulatorów i

pozostałych podzespołów pozwoli na wykorzystanie tej wiedzy i przyczyni się do wykonania takiego skutera i

przebadanie w rzeczywistych realiach użytkowania.

Na koniec zebrałem w tabelach 2.2. i 2.3. zbiorcze porównanie producentów skuterów elektrycznych z

projektowanym oraz wszystkie zestawienia obliczonych parametrów dla projektowanego skutera elektrycznego.

Tabela 2.2. Zbiorcze porównanie producentów skuterów elektrycznych z projektowanym.

Lp. Parametry E-Skuter

E-MAX

EV-City

Projektowany

Model 90S Model 110S „Bogato

wyposażony”

1. Cena 4270 zł 10999 zł 12999 zł 6500 zł 4128 zł

2. Masa 128 kg 151 kg 160 kg 98 kg 150 kg

3. Moc silnika 800 W 2150 W 3000 W 1200 W 800 W

4. Prędkość 41 km/h 45 km/h 90 km/h 80 km/h 50 km/h

5. Zasięg 70 km 40 do 60 km 90 km 80 km 166 km

6. Pojemność

baterii 40 Ah 40 Ah 60 Ah 42 Ah 100 Ah

Tabela 2.3. Zbiorcze zestawienie założonych i obliczonych parametrów dla projektowanego skutera elektrycznego.

Lp

.

Pojemnoś

ć

Qak

[Ah]

Napięcie

[V]

Waga

akumulatorów

[kg]

Cena za

1 sztukę

[zł]

Czas jazdy

[h] Zasięg

jazdy

[km]

Przebieg

przy

500 cyklach

ładowania

[km]

Koszt przejechania

100km

[zł]

Cena

amortyzacji

na 100km

[zł]

Cena

przejechania

100km

[zł] dla

= 0o

dla

= 10o Taryfa

dzienna

Taryfa

nocna

1. 200 24 2x62 = 124 1300 3,33 0,53 166,5 83 250 1,58 0,92 3,20 5,89

2. 200 48 4x62 = 248 1300 6,66 1,20 333 166 500 1,32 0,77 3,20 4,93

3. 100 24 2x32 = 64 675 1,67 1,67 83,5 41 750 3,16 1,84 3,07 2,82

4. 100 48 4x32 = 128 675 3,33 0,53 166,5 83 250 2,64 1,54 3.07 2,33

20

3. ZAŁĄCZNIKI

A. PARAMETRY WYBRANYCH SILNIKÓW ELEKTRYCZNYCH

Rys. 3.1. Modele silników produkcji Hub Motor o mocy 800 W i 1500 W. [31]

W tabeli podano ceny przykładowych silników. Przeliczając walutę USD na PLN według kursu na

dzień 15.10.2010r. - 2,77 zł mamy następujące ceny silników [35]

Lp. Model

silnika Napięcie Moc Cena w USD Cena w PLN

1. Hub Motor 48 V 800 W (disc-brake) $169.00 468,13 zł

2. Hub Motor 48 V 1 kW (disc-brake) $199.00 551,23 zł

3. Hub Motor 48 V 1.5 kW (disc-brake) $249.00 689,73 zł

4. Hub Motor 48 V 2 kW (disc-brake $299.00 828,23 zł

5. Hub Motor 48 V 3 kW (High Speed) (disc-brak) $399.00 1105,23 zł

6. Hub Motor 48 V 3 kW (High Torque) (disc-

brake) $399.00 1105,23 zł

7. Hub Motor 60 V 800 W (disc-brake) $169.00 468,13 zł

8. Hub Motor 60 V 1 kW (disc-brake) $199.00 551,23 zł

9. Hub Motor 60 V 1.5 kW (disc-brake) $249.00 689,73 zł

10. Hub Motor 60 V 2 kW (disc-brake) $299.00 828,23 zł

B. STEROWNIK SILNIKA BEZSZCZOTKOWEGO Jeden z wielu sterowników o mocy 800 W i napięciu 48 V do silników bezszczotkowych dostępnych na rynku

w cenie 99,99 zł za sztukę

Rys.3.2. Sterownik do skutera do silnika bezszczotkowego 800 W 48 V.

21

Dla porównania sterownik o mocy 1200 W i napięciu 48 V do silników bezszczotkowych

w cenie 352,79 zł za sztukę

Rys.3.3. Sterownik do silnika bezszczotkowego 1200 W 48 V [50].

C. PARAMETRY WYBRANYCH AKUMULATORÓW

C.1. AKUMULATOR TOYAMA NPG 100 12 V ( GEL)

Pojemność wg normy C10 – 100 Ah, C20 - 105 Ah, akumulator żelowy wykonany w japońskiej technologii [44]

Rys. 12.4. Akumulator firmy Toyama [44]

Parametry akumulatorów Toyama:

Cena 690 zł 320 zł 240 zł

Pojemność 100 Ah 42 Ah 26 Ah

Napięcie 12 V 12 V 12 V

Długość 331 mm 196 mm 180 mm

Szerokość 173 mm 166 mm 166 mm

Wysokość 233 mm 171 mm 125 mm

Waga 30 kg 14 kg 8,6 kg

Żywotność do 12 lat do 12 lat 12 lat

ilość cykli ładowania-rozładowania - 900 przy rozładowaniu do 50%, Pełna szczelność , technologia wykonania

prawdziwy żel, Akumulatory AGM i GEL przy pracy cyklicznej ładujemy zawsze specjalnymi ładowarkami

Zalety:

- zwiększona ilość głębokich cykli rozładowania-ładowania,

- zżelowany elektrolit nie rozwarstwia się,

- dobrze toleruje podwyższoną temperaturę pracy,

- pełny powrót ze stanu głębokiego rozładowania, nawet jeśli ponowne,

- ładowanie baterii ma miejsce po jakimś czasie,

- bardzo dobra wydajność przy długich czasach rozładowań,

- zmniejszone samo rozładowanie,

- do zastosowań przy niestabilnej sieci zasilającej,

22

Zastosowanie:

- systemy UPS, centralki,

- mobilne zastosowania,

- silniki elektryczne – tu żel sprawdza się zdecydowanie lepiej niż AGM,

- systemy alarmowe, car audio,

- zabawki,

- narzędzia bezprzewodowe,

- oświetlenie awaryjne, systemy solarne, elektrownie wiatrowe,

Charakterystyka:

- odporny na niskie i wysokie temperatury , temp. pracy od - 20 do + 50 oC,

- praca w dowolnej pozycji,

- całkowita bez obsługowość,

- hermetyczna konstrukcja,

- doskonała zdolność ładowania,

- mały stopień rozładowania,

- żywotność do 12 lat, a przy prawidłowym użytkowaniu nawet dłużej.

C.2. AKUMULATOR HZY12 firmy Haze Battery Co [30]

Rys.3.5. Akumulator HZY firmy haze battery Co.

Typ Napięcie Pojemność Cena

HZY12-230 12 V 230 Ah 1998,99 zł z VAT

HZY12-200 12 V 200 Ah 1649,00 zł z VAT

HZY12-110 12 V 110 Ah 899,01 zł z VAT

Rys.3.6. Akumulator AGM firmy haze battery Co.

Typ Napięcie Pojemność Cena

AGM HAZE HZB12-200 12 V 200 Ah 1298,99 zł z VAT

AGM HAZE HZB12-100 12 V 100 Ah 679,00 zł z VAT

AGM SSB - SBL120-12i 12 V 120 Ah 764.00 zł netto

AGM SSB - SBL200-12i 12 V 200 Ah 1248.00 zł netto

AGM SSB - SBL100-12i 12 V 100 Ah 676.00 zł netto

Akumulatory HZY HAZE produkowane są na nowoczesnej linii produkcyjnej. Posiadają elektrolit w postaci

żelu, dzięki czemu akumulatory te są bezobsługowe. Baterie żelowe HAZE dostosowane są zarówno do pracy

buforowej jak i cyklicznej. Charakteryzują się trwałością oraz bardzo korzystnym stosunkiem jakości do ceny.

Akumulatory AGM HAZE wytwarzane są na nowoczesnej linii produkcyjnej. Akumulatory AGM posiadają

elektrolit unieruchomiony w matach z włókna szklanego, dzięki czemu nie wymagają obsługi. Baterie AGM

23

przeznaczone są do pracy cyklicznej i buforowej. Charakteryzują się trwałością oraz bardzo korzystnym

stosunkiem jakości do ceny.

Seria SBL charakteryzuje się projektowaną żywotnością na poziomie 10 - 12 lat. Dzięki bogatemu zakresowi

średnich i dużych pojemności, można optymalnie dobrać wymaganą pojemność. Akumulatory SBL sprawdzają

się w wielu dużych instalacjach co potwierdza ich wysoką jakość i powtarzalność parametrów. Zalecane do

stosowania: systemy UPS, baterie centralne, siłownie telekomunikacyjne, zasilanie rezerwowe w energetyce,

urządzenia pracujące cyklicznie, sprzęt mobilny, mała trakcja, itp. [30, 33, 46]

D. PARAMETRY ŁADOWAREK DO AKUMULATORÓW ŻELOWYCH

Rys.12.7. Ładowarka do akumulatorów żelowych PB-600 [44]

Model PB-600 12 V 40 A to najbardziej zaawansowana ładowarka impulsowa do akumulatorów żelowych,

trakcyjnych, AM, ołowiowych otwartych (z kompensacją temperatury) [44].

Ładowarki PB-600 występują o różnych prądach ładowania:

Lp. Model Napięcie Prąd ładowania Cena

1. PB-600-12 12 V 40 A 670 zł

2. PB-600-24 24 V 21 A 620 zł

3. PB-600-48 48 V 10,5 A 800 zł

Najważniejsze cechy:

2 lub 8 etapowa charakterystyka ładowania wybierana przyciskiem na panelu tylnym

Uniwersalny zakres napięć wejściowych (100 - 240 VAC)

Aktywny układ korekcji współczynnika mocy (PF > 0.95)

Zabezpieczenie zwarciowe, nadnapięciowe, termiczne, przed odwrotnym podłączeniem baterii

akumulatorów

Zaprojektowana do ładowania akumulatorów żelowych i innych kwasowo-ołowiowych

3 kolorowy wskaźnik LED stanu pracy ładowarki

Zdalne załączanie / wyłączanie ładowarki

Funkcja kompensacji temperatury (zmiana napięcia ładowania w zależności od temperatury)

Sterowanie (załącz / wyłącz) wentylatorem w zależności od prądu ładowania

Główne obszary zastosowań:

• telekomunikacja,

• maszyny do mycia i czyszczenia podłóg,

• systemy fotowoltaiczne,

• systemy zasilania na łodziach,

• wózki golfowe,

• pojazdy, windy i dźwigi z napędem elektrycznym,

• zasilanie UPS,

• przemysł.

Inteligentne ładowarki mikroprocesorowe PULSAR 2+ z funkcją testowania akumulatorów oraz z funkcją

rozładowania akumulatorów o mocy 350 W z regulacją prądu od 0,2 A do 12 A i z regulacją napięcia od 0,5 V

do 60 V. Cena 880 zł [18]

24

Rys.3.8. Ładowarka do akumulatorów żelowych PULSAR 2+ [44]

Podstawowe funkcje:

8 pamięci programu w każdej - ładownie, rozładowanie, rozładowanie/ładowanie i

ładowanie/rozładowanie.

Obsługiwane akumulatory: Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ion, Li-Pol, Li-Ta, Pb-bat, RAM, Li-Ph(FePO4)

Formowanie i Regeneracja

Szybki test akumulatora z pomiarem rezystancji wewnętrznej pakietu

Pamięć danych z 8 ostatnich procesów (pojemność, typ i ilość ogniw)

Wykresy procesu ładowania / rozładowania (PC - RS232)

Rozładowanie akumulatora: normal, auto, revers

Prąd ładowania 0,2 A - 12,0 A (350W)

Prąd rozładowania 0,2 A - 12,0 A (revers 250 W, w ciepło 50 W)

Napięcie zasilania 10,5 V – 16 V (400 W)

Napięcie ładowania 0,5 V – 60 V; 1 - 32 cel

Wyświetlacz LCD 2x16 znaków (podświetlany)

Akustyczna sygnalizacja zdarzeń

Pomiar temperatury i zabezpieczenie termiczne ładowanego akumulatora

Wentylator z automatyczną zmianą prędkości

Zabezpieczenie przed przegrzaniem elektroniki ładowarki

Zabezpieczenie przed rozładowaniem akumulatora zasilającego

Zabezpieczenie przed przeładowaniem akumulatora zasilającego (revers)

Zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem zasilania i pakietu

E. PARAMETRY DOSTĘPNYCH NA RYNKU SKUTERÓW ELEKTRYCZNYCH

E.1. E-Skuter

Tani i ekologiczny środek transportu. Idealny na dojazd do pracy, drobne zakupu czy wypad za miasto.

Sprawdza się również w biznesie - dostawy pizzy, listonosze itp. [42] Niezastąpiony w miejscach gdzie

niewskazany jest hałas i zanieczyszczenie środowiska.

Rys.3.9. Skuter elektryczny E-Skuter

25

1. Cena z Vat 4270 zł

2. Długość 1850 mm

3. Szerokość 690 mm

4. Wysokość 1030 mm

5. Rozstaw osi 1350 mm

6. Masa pojazdu 108 kg

7. Maksymalna masa całkowita 258 kg

8. Moc silnika 800 W (1,0876 KM)

9. Rozmiar opon 3,5’’ - 10’’

10. Prędkość maksymalna 41km/h

11. Zasięg do 70 km

12. Czas ładowania akumulatora 8 godzin

12. Pojemność / trwałość akumulatora 40 Ah / 250 cykli ładowania

13. Zasięg i prędkość są zależne od obciążenia,

15. Silnik elektryczny, bezobsługowy zamocowany w tylnym kole.

16. Brak elementów przeniesienia napędu

17. Gwarancja na 24 miesiące

18. Nie przewidziano okresowych przeglądów gwarancyjnych

E.2. Skuter elektryczny E-MAX 110 SUPER - elektryczny smart na dwóch kołach

Skuter wyposażony w napęd elektryczny to najnowsza propozycja marki Smart, znanej z produkcji małych i

drogich samochodów. [37]

Koncepcyjny dwukołowy pojazd wykorzystuje zalety samochodu elektrycznego Smart Fortwo Electric Drive,

oferując kompaktowe wymiary, zwrotność, wysoki poziom bezpieczeństwa i wydajny napęd bez emitowania

spalin. Oprócz innowacyjnych rozwiązań technicznych nowy Escooter ma przyciągnąć klientów nowoczesnym

designem oraz prostą obsługą. Kolejną zaletą jest zastosowanie smartfona która pełni funkcje rozmaitych

urządzeń, takich jak prędkościomierz czy wskaźnik zasięgu.

Światowa premiera tego oryginalnego skutera odbyła się podczas Mondial de Automobile 2010r. w Paryżu,

gdzie marka Smart zaprezentowała kilka innych modeli o zerowej emisji spalin. [37]

Rys.3.10. Skuter elektryczny E-MAX 110 SUPER

Skuter elektryczny E-max – dwa modele: 90S oraz 110S Rok produkcji: 2009

Model 90S Model 110S

Cena (brutto): 10,999 zł Cena 12999 zł

Zasięg 45 do 60 km Zasięg 90 km

Maksymalna Moc 2,15 kW (2,9234 KM) Maksymalna Moc 3 kW (4,079 KM)

(z doładowaniem 3,85 kW)

Prędkość maksymalna 45 km/h Prędkość maksymalna 90 km/h

Pojemność Baterii 4x12 V/40 Ah Pojemność baterii 4x12 V/60 Ah

Czas Ładowania 3 – 5 h Czas ładowania 3.5 - 6 h

Trwałość akumulatora min 500 cykli ładowania

Masa 151 kg

Hamulce Hydrauliczne – pływające tarcze (przód i tył)

Gwarancja 15 miesięcy lub 10,000 km

26

Dodatkowo skutery zostały wyposażone w przycisk „bust", który na 30 sekund zwiększa moc. Przyda się to

podczas wyprzedzania oraz w czasie podjazdów pod górę. Producent podkreśla, że pojazdy E-max są wyjątkowo

ciche i ekonomiczne. Przy obecnych cenach energii elektrycznej naładowanie akumulatorów „do pełna" to koszt

około 1 zł.

Nad rozwiązaniami technologicznymi czuwają niemieccy inżynierowie. Za ciekawy wygląd pojazdów marki E-

max odpowiadają natomiast włoscy styliści. [37]

E.3. Skuter elektryczny EV-CITY

W ofercie dwa modele skuterów EV-CITY o napędzie elektrycznym:

1. Model Retro EV-CITY HR-030

2. Model Sport EV-CITY HR-010

Rys.3.11. Skuter elektryczny EV-CITY [26]

Zalety skutera EV-CITY:

Niskie koszty "paliwa" - jedynie koszt ładowania baterii

Brak kosztów serwisu - oleju, filtrów, wariatorów

Zamiast tankowania - ładowanie z gniazdka

Bardzo cicha praca zespołu napędowego - skuter w trakcie jazdy porusza się wręcz bezszelestnie. [26]

Napęd w skuterach EV-CITY - silnik BLDC:

Cena skutera 6500 PLN brutto

Moc nominalna 1200 W (1,63 KM)

Napięcie 60 V

Sprawność >83%

Obciążenie prądowe 13 A (<32 A)

Prędkość przy ciężarze 75 kg – 70 km/h; pow. 80 kg – 50 km/h

Zasięg do 90 km

Pojemność akumulatora 42 Ah

Trwałość akumulatora 500 do 800 cykli ładowania/rozładowania

Masa 98 kg

4. LITERATURA

[1] Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Wyd. Pol. Śląskiej.

[2] Glinka T., Jakubiec M.: Rozwiązania konstrukcyjne silników tarczowych. Śląskie Wiadomości Elektryczne,

Nr 5/2007r. Str. 29-32.Gliwice, 2002.

[3] Goryca Z., Pakosz A.: Bezczujnikowe sterowanie bezszczotkowego silnika prądu stałego. Przegląd

Elektrotechniczny nr 6, 2008.

[4] Goryca Z.: Napęd lekkiego wózka zasilanego z akumulatorów. Wiadomości Elektrotechniczne nr 12, 2005.

[5] Goryca Z., Bojarczak P.: Napęd wózka inwalidzkiego. Nowa Elektrotechnika nr 5, maj 2005.

[6] Karpiński M.: praca dyplomowa, Zastosowanie procesora admc330 do sterowania bezszczotkowym

silnikiem prądu stałego. Gdańsk, 1999.

27

[7] Mendrela E., Łukaniszyn M., Macek-Kaminska K.: Tarczowe silniki prądu stałego z komutacją

elektroniczną. Wyd. PAN Oddział Katowice, 2002.

[8] Mendrela E., Moch J., Paduch P. Tarczowy bezszczotkowy silnik prądu stałego z uzwojeniem

jednopasmowym. Wiadomości elektrotechniczne 2000/2

[9] Mendrela E., Drzewoski R., Jelonkiewicz J.: Bezprzekładniowy napęd elektryczny pojazdów z silnikiem

tarczowym. Wiadomości elektrotechniczne 1999/4

[10] Popławski E.: Samochody z napędem elektrycznym. WKiŁ, 1994.

[11] Wiak S., Welfle H.: Silniki tarczowe w napędach lekkich pojazdów elektrycznych. Wyd. Pol. Łódzkiej,

2001.

[12] http://www.autoelektryczne.com

[13] http://www.auto-motor-i-sport.pl

[14] http://www.atol.wsm.gdynia.pl

[15] http://www.drives.co.uk

[16] http://www.e-elektronika.net

[17] http://www.electricscooterparts.com

[18] http://www.electrojett.cba.pl/index2.php

[19] http://www.elektronikab2b.pl

[20] http://www.ely.pg.gda.pl

[21] http://www.ekonapedy.com

[22] http://www.energyfree.republika.pl

[23] http://www.en.wikipedia.org

[24] http://www.ev.arbiter.pl

[25] http://www.ev.am.gdynia.pl

[26] http://www.evolta.pl

[27] http://www.exide.com

[28] http://www.futureblog.pl

[29] http://www.globalwarming.org

[30] http://www.hazebattery.com

[31] http://www.kellycontroller.com

[32] http://www.komel.katowice.pl

[33] http://www.leria.com.pl

[34] http://www.mototechnika.republika.pl

[35] http://www.money.pl

[36] http://www.motofakty.pl

[37] http://www.moto-bike.pl

[38] http://www.mrc.tychy.pl/ceny.paliw

[39] http://www.mrc.tychy.pl/ceny.paliw

[40] http://www.samochodyelektryczne.pl

[41] http://www.samochodyelektryczne.org

[42] http://www.skuter-elektryczny.com.pl

28

[43] http://www.skutery.net

[44] http://www.sonarsklep.pl

[45] http://www.taniemagnesy.pl

[46] http://www.volty.pl

[47] http://www.winntbg.bg.agh.edu.pl

[48] http://www.wnp.pl

[49] http://www.rcskorpion.pl

[50] http://www.magma.sklep.pl

[51] http://www.pg.gda.pl