Mittwoch, 14. August 2024 · 0 min read
Ermittlung des Energieverbrauchs von elektrischen Kleinbussen
Im Rahmen eines öffentlich finanzierten Universitätsprojekts sollte der Energieverbrauch von elektrischen Kleinbussen auf verschiedenen Linien in Mexiko-Stadt ermittelt werden. Für dieses Testprojekt wurde ein autonomes Echtzeit-Messsystem mit einer Abtastrate von bis zu 1 MS/s benötigt, das in der Lage sein sollte, die Position eines Busses mit Spannungs- und Stromverbrauchsdaten in Beziehung zu setzen. Mit Hilfe von Dewesoft-Datenerfassungssystemen und -sensoren wurden Testfahrten bei verschiedenen Geschwindigkeiten und mit unterschiedlichen Lasten durchgeführt.
Das Labor zur Bewertung von Fahrzeugtechnologien (Laboratorio de Evaluación de Tecnologías Vehiculares, LETEV ) ist ein Projekt des Instituts für Ingenieurwesen der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko (UNAM). Das Sekretariat für Bildung, Wissenschaft, Technologie und Innovation (SECTEI) von Mexiko-Stadt finanziert das Projekt, das unter anderem den Energiebedarf und die Reichweite von Fahrzeugen mit Hybrid- und Elektroantrieb unter realen Fahrbedingungen in Mexiko-Stadt ermitteln soll.
Zu diesem Zweck wurden Feldversuche mit kommerziellen Fahrzeugen und Prototypen initiiert, um aus den gesammelten Daten eine spezifische Datenbank für Fahrzyklen auf Strecken des städtischen Metrobús-Nahverkehrssystems in Mexiko-Stadt zu erstellen.
Pilotversuche mit einem elektrischen Kleinbus
In den ersten Monaten des Jahres 2022 stellte das LETEV die Notwendigkeit fest, ein tragbares Datenerfassungssystem zusammenzustellen und in einem Elektro-Kleinbus des Metrobús-Nahverkehrssystems zu installieren. Das Labor entschied sich für ein SIRIUS-R2DB-System, da es über die notwendige Autonomie für diese Art von Tests verfügt.
Im Kleinbus wurden Spannungs- und Stromsensoren in Kombination mit den Signalen des GPS-Moduls verwendet, um momentane Daten der mit den Fahrten des Fahrzeugs zusammenhängenden Variablen aufzuzeichnen. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf der Messung der Spannung und des Stroms, die von der Batteriebank bezogen werden. Abb. 1 zeigt den elektrischen Kleinbus, mit dem das LETEV die Tests durchführte.
Warum Dewesoft?
Ein vollständig autonomes System, das keinen Anschluss an das Stromnetz benötigt, war für die Durchführung der Tests unerlässlich. Weitere entscheidende Faktoren waren die Fähigkeit des Systems, die Erfassungsgraphen in Echtzeit zu beobachten, und eine Abtastrate von bis zu 1 MS/s. Schließlich sollte das System in der Lage sein, die Position des Kleinbusses zu ermitteln und sie mit den entsprechenden Spannungs- und Stromverbrauchsmessungen zu korrelieren.
Diese Kriterien wurden von einem SIRIUS-R2DB-System mit SIRIUSir-HS8xLV-Karte und SIRIUS-HS-2xHV-2xSTG+-DUAL-Karte erfüllt. Das SIRIUS-R2DB ist ein kompaktes mobiles Datenerfassungssystem mit integriertem Datenlogger, leistungsfähigem Datenverarbeitungsrechner, Touchscreen, Maus, Tastatur und integrierten Akkus für den autonomen Betrieb. Bei Bedarf liefert Dewesoft auch Lithium-Ionen-Akkupacks für autonome, fahrzeugbasierte oder ferngesteuerte Test- und Messanwendungen.
Darüber hinaus nutzte das LETEV die Leistungsanalyselösung von Dewesoft, um die Analyse der erfassten Daten zu erleichtern und die Kapazität der Batteriebank in Bezug auf die Geschwindigkeit, die zurückgelegte Strecke und die Lastkapazität des Kleinbusses zu bestimmen. Solche Daten können unter anderem für die Batterieentwicklung (Effizienzanalyse, Zellcharakterisierung, Langzeittests, Crashtests, Kurzschlussanalyse, Überhitzungs-/Überlastungstests, Alterungstests usw.) sowie für Überwachungsanwendungen (Datenlogging, transiente Aufzeichnung, Lade-Entlade-Analyse usw.) genutzt werden.
Es gibt viele Parameter, die den Energieverbrauch und die Reichweite von Elektrofahrzeugen beeinflussen können. Dabei kann es sich um Umgebungsparameter wie Temperatur, Wetterbedingungen, Straßenzustand oder unterschiedliche Fahrsituationen (bergauf, bergab, Stadt, Überland oder gemischte Fahrten) oder auch um unterschiedliche Fahrstile handeln. Der Leistungsanalysator von Dewesoft ermöglicht eine Energieanalyse unter Berücksichtigung all dieser Parameter bereits während der Testfahrten.
Liste der für die Messung verwendeten Komponenten
SIRIUS-R2DB mit SIRIUSir-HS-8xLV- und SIRIUS-AMP-2xHS-HV2xHS-STG+-DUAL-Karte
Hall-Effekt-Strommesszange DS-CLAMP-1800DC
10-Hz-GPS-Empfänger/Antenne DS-GPS-SYNC-10Hz mit PPS- und NMEA-Protokoll
Merkmale des Kleinbusses
Bei dem für die Testfahrten eingesetzten Elektro-Kleinbus handelte es sich um das Modell Jest des türkischen Herstellers Karsan. Der Jest wird von einem vollelektrischen BMW-Motor angetrieben, der eine hohe Beschleunigungsleistung bietet. Der Bus wird mit Lithium-Ionen-Batterien und Ladetechnik von BMW angetrieben.
| KARSAN JEST Electric Minibus Specifications | |
|---|---|
| Maximale Leistung | 135 kW |
| Maximales Drehmoment | 290 Nm |
| Batterie | Li-Ion 360 V - 88 kWh |
| Höchstgeschwindigkeit | 70 km/h |
| Länge | 5845 m |
| Radstand | 3750 m |
| Gewicht | 5000 kg |
| Fahrgastkapazität | 22 Personen |
The Karsan electric minibus has ten fixed and two folding seats, as shown in Fig. 2. At maximum load, ten passengers are assumed to be standing.
Die Tests
Bei der Testvorbereitung wurde folgendermaßen vorgegangen:
Auswahl der geeigneten Strecke(n)
Durchführung von mindestens drei instrumentierten Fahrten auf der/n ausgewählten Strecke(n) für jeden Belastungszustand, einschließlich der Extremfälle (Fahrt ohne Fahrgäste und Fahrt mit maximaler Auslastung)
Durchführung der Datenverarbeitung und -analyse
Quantifizierung des Energieverbrauchs der Transporteinheiten
Für die Bewertung wurde die Linie 4 des Metrobús-Nahverkehrssystems ausgewählt. Die Strecke beginnt am CETRAM Pantitlán, führt zur U-Bahn-Haltestelle Hidalgo beim zentralen Einkaufszentrum von Mexiko-Stadt und von dort zurück zum Ausgangspunkt. Die Testfahrten folgten der in der Satellitenansicht (Abb. 3) durch die gelbe Linie gekennzeichneten Route. Durchschnittlich wurden etwa 19,3 km pro Testfahrt zurückgelegt.
Die Charakteristiken der mit dem Elektro-Kleinbus durchgeführten Testfahrten sind in Tabelle 2 dargestellt.
| Test | Anzahl der Wiederholungen | Testszenario |
|---|---|---|
| 1 | 3 | Fahrzeug mit vier Fahrgästen, ohne Ballast, Regenerationsmodus 1 |
| 2 | 3 | Fahrzeug mit vier Fahrgästen, mit ca. 1000 kg Ballast, Regenerationsmodus 1 |
| 3 | 3 | Fahrzeug mit vier Fahrgästen, mit ca. 1000 kg Ballast und Rückspeisemodus 2 |
Abb. 4 zeigt die im Elektrofahrzeug eingerichteten Datenerfassungsgeräte. Die Stromsensoren wurden an den Stromleitungen der Batteriebank und des Kombiinstruments des Fahrzeugs installiert.
Bei sechs der neun Tests wurde statischer Ballast mitgeführt (siehe Tabelle 2). Abb. 5 zeigt die Anordnung der für diesen Zweck verwendeten Bleiakkumulatoren.
Die Abb. 6, 7 und 8 zeigen Beispiele der während der Tests im Elektrofahrzeug erfassten momentanen Geschwindigkeitsdaten. Diese Daten wurden statistisch verarbeitet, um eine Streckenkarte für jede Testfahrt zu erhalten und verschiedene Fahrzeugkonfigurationen zu simulieren.
Zusätzlich zeigen die Abb. 9, 10 und 11 die Betriebsspannung des Elektro-Kleinbusses bei Fahrten mit drei verschiedenen Testkonfigurationen auf der Linie 4 des Metrobús-Transportsystems.
Die Ergebnisse
Das LETEV testete drei verschiedene Szenarien: Beim ersten wurde der Kleinbus ohne Geschwindigkeitsbegrenzung und mit der für die Durchführung der Tests erforderlichen Mindestanzahl von Personen (Fahrer und vier Fahrgäste) gefahren. Beim zweiten wurden etwa 45 Bleiakkumulatoren als statischer Ballast verwendet; die Geschwindigkeit wurde weiter nicht begrenzt. Beim dritten Szenario wurde die Höchstgeschwindigkeit des Elektro-Kleinbusses auf 50 km/h begrenzt.
Für jedes dieser Testszenarien wurden drei Fahrten durchgeführt, so dass insgesamt neun Fahrten auf der Linie 4 des Metrobús-Nahverkehrssystems erfasst wurden.
Das Diagramm in Abb. 12 zeigt ein Beispiel für die während der Fahrten auf der Metrobús-Linie 4 erfasste Momentanleistung: Die rote Linie zeigt, wann der Elektromotor Leistung anforderte, die grüne Linie, wann das Regenerationssystem aktiv war.
Die Durchschnittsergebnisse der neun durchgeführten Testfahrten können in Tabelle 3 eingesehen werden; der hochgerechnete Tagesverbrauch wurde ausgehend von einer 14,23 Fahrten pro Tag entsprechenden Distanz und des im Fahrzeug erfassten spezifischen Verbrauchs ermittelt.
| Dauer in Minuten | 84,33 |
| Tägliche Betriebszeit in Stunden | 20 |
| Anzahl der Fahrten pro Tag | 14,23 |
| Spezifischer Verbrauch kWh/km | 0,33 |
| Fahrleistung pro Fahrt in km | 19,30 |
| Voraussichtlicher Tagesverbrauch in kWh | 91,76 |
| Nutzbare Energie in einer Batteriebank in kWh | 79,2 |
| Differenz in % | -16 |
Fazit
Auf Grundlage der Testfahrten auf der Linie 4 des Metrobús-Nahverkehrssystems in Mexiko-Stadt lässt sich Folgendes feststellen:
Die Testfahrten hatten eine durchschnittliche Dauer von 84,33 Minuten.
Die durchschnittlich zurückgelegte Strecke pro Fahrt betrug 19,3 km.
Bei einer täglichen Betriebszeit von 20 Stunden ergibt sich ein voraussichtlicher Verbrauch von 91,76 kWh pro Einheit. Da die nutzbare Energie der Batteriebank 79,2 kWh (90 % von 88 kWh) beträgt, muss die Autonomie des gewählten Fahrzeugs erhöht werden, damit es auf der getesteten Nahverkehrsstrecke eingesetzt werden kann, oder es muss eine geeignete Logistik zum Aufladen der Einheiten während der Betriebszeiten eingerichtet werden.
Um einen repräsentativen Wert für die Autonomie eines Fahrzeugs zu erhalten, war die Erfassung von Momentanwerten für Geschwindigkeit, Spannung, Strom usw. unerlässlich. Ein einfach zu konfigurierendes, tragbares Datenerfassungssystem, wie das SIRIUS-System von Dewesoft, erleichterte die Durchführung der experimentellen Tests.
Die während der Fahrten gesammelten Daten ermöglichten es, einen charakteristischen Fahrzyklus für die Linie 4 Nord des Metrobús-Nahverkehrssystems in Mexiko-Stadt zu definieren; die entsprechenden Informationen wurden in das Simulationssystem AVL CRUISE M eingegeben, um den Energieverbrauch größerer Einheiten vorherzusagen. Die Ergebnisse lieferten Werkzeuge für eine bessere Auswahl der elektrischen Einheiten, die in das Transportsystem integriert werden sollen. Außerdem konnte aus ihnen abgeleitet werden, dass der Energiebedarf größerer Einheiten niedriger wäre als vom Hersteller angegeben, was eine erhebliche Kostenreduzierung bedeutet.
Wie gehts in Zukunft weiter?
Die Einführung von Elektrofahrzeugen nimmt in vielen Ländern aufgrund niedrigerer Preise, staatlicher Anreize und Subventionen, der Notwendigkeit der Energieunabhängigkeit und des Umweltschutzes kontinuierlich und schnell zu. Es wird erwartet, dass Elektrofahrzeuge schon bald den privaten Automarkt dominieren werden.
Die Batterien dieser Elektrofahrzeuge werden aus dem allgemeinen Stromnetz aufgeladen werden und können bei unsachgemäßer Handhabung schwerwiegende Auswirkungen haben. Andererseits könnten sie bei korrekter Handhabung viele Vorteile für das Stromnetz bringen und den Eigentümern Einnahmen verschaffen.
Im Rahmen zukünftiger Phasen des LETEV-Projekts sollen die möglichen negativen Auswirkungen des Aufladens von Elektrofahrzeugen – vor allem des unkontrollierten Aufladens – auf das allgemeine Stromnetz untersucht werden. Dabei soll ermittelt werden, wie diese Auswirkungen durch kontrolliertes Laden und Entladen verringert werden können.
Zu diesem Zweck ist vorgesehen, Dewesoft-Datenlogger und -Sensoren bei Feldtests einzusetzen, die eine Quantifizierung der folgenden Aspekte ermöglichen:
Auswirkungen des unkontrollierten Ladens von Elektrofahrzeugen auf den Anstieg des Spitzenbedarfs
Abweichung der Spannung von akzeptablen Grenzwerten
Phasenungleichgewicht durch Einphasenlader
harmonische Verzerrung
Überlastung von Stromversorgungseinrichtungen
Anstieg von Leistungsverlusten
Mit Dank an
das Sekretariat für Bildung, Wissenschaft, Technologie und Innovation (SECTEI) von Mexiko-Stadt
das Metrobús-Nahverkehrssystem von Mexiko-Stadt
die Mitarbeiter des Labors für die Bewertung von Fahrzeugtechnologien (LETEV)