ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΝΟΣ PLUG-IN ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ OΧΗΜΑΤΟΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΝΟΣ PLUG-IN ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ OΧΗΜΑΤΟΣ ΣΑΜΟΣ ΖΑΧΑΡΙΑΣ ΑΕΜ: 4957 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΝΤΖΙΑΧΡΗΣΤΟΣ ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΤΣΟΚΟΛΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 214

2 1. 2. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 5. Υπεύθυνος: Επικ. Καθ. Λεωνίδας Ντζιαχρήστος ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Τσοκόλης Δημήτριος 7. Τίτλος εργασίας: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣOΜΟΙΩΣΗ ΕΝΟΣ PLUG-IN ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ OΧΗΜΑΤΟΣ 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή (-ών): Σάμος Ζαχαρίας 1. Θεματική περιοχή: Υβριδικά οχήματα 14. Περίληψη: 11. Ημερομηνία έναρξης: 3/ Αριθμός μητρώου: Ημερομηνία παράδοσης: 3/214 Η εργασία αυτή σκοπό έχει, να παρουσιάσει τα αποτελέσματα των μετρήσεων εκπομπών ρύπων, καθώς και κατανάλωσης ενέργειας που προέκυψαν από ένα όχημα τύπου PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) το οποίο χρησιμοποιεί και ηλεκτρική ισχύ για την πρόωση του. Το όχημα διαθέτει συσσωρευτή με δυνατότητα επαναφόρτισης απευθείας από το δίκτυο διανομής ηλεκτρικού ρεύματος. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το όχημα τοποθετήθηκε πάνω στην ειδική δυναμομετρική πέδη που διαθέτει το εργαστήριο. Η πέδη προσομοιώνει τις αντιστάσεις κίνησης του οχήματος κατά τη λειτουργία του οχήματος στον δρόμο. Μετέπειτα έλαβε χώρα η διαδικασία των μετρήσεων. Για τον προσδιορισμό της κατανάλωσης και των εκπομπών ρύπων λήφθηκε υπ όψιν η νομοθεσία E/ECE/324 E/ECE/TRANS/55 και τα πειράματα ακολούθησαν τυποποιημένα προφίλ ταχυτήτων τα οποία υπαγορεύονται από πιστοποιημένους κύκλους οδήγησης. Οι κύκλοι οδήγησης στοχεύουν στην βέλτιστη προσομοίωση των συνθηκών οδήγησης. Στην έρευνα μας αναζητήθηκαν αποτελέσματα για τους ακόλουθους κύκλους: NEDC, Artemis Urban, Artemis Road, WLTC, ERMES. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων δείχνουν ότι ένα PHEV όχημα σημειώνει σημαντική εξοικονόμηση καυσίμου και μείωση των εκπομπών ρύπων σε σχέση με ένα συμβατικό όχημα. Συγκεκριμένα η μέση κατανάλωση καυσίμου από τους παραπάνω κύκλους οδήγησης ανέρχεται στα 3,55 L/1 km, ενώ όσον αφορά το CO 2 η μέση τιμή είναι 84,4 g/km. Ακόμη για τα NO x η μέση τιμή είναι,3 g/km, για τους υδρογονάνθρακες είναι,9 g/km και για το CO είναι,84 g/km. Τέλος ο μέσος αριθμός σωματιδίων ανέρχεται στα 7,85 E+11 #/km. Ταυτόχρονα δημιουργήθηκε μοντέλο προσομοίωσης του Prius PHEV στο πρόγραμμα Cruise, με σκοπό να ανταποκρίνεται όσο το δυνατόν καλύτερα στις πειραματικές μετρήσεις και ελέγχθηκε με το κριτήριο συσχέτισης R Αριθμός εργασίας: 14.DI.54.V1 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 14 Αρ. Εικόνων: 133 Αρ. Πινάκων: 21 Αρ. Παραρτημάτων: Λέξεις κλειδιά: 17. Σχόλια: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός: 2

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Αντικείμενο μελέτης αυτής της εργασίας είναι η πολλά υποσχόμενη κατηγορία Plug-in υβριδικών οχημάτων. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Επικ. Καθ. Λεωνίδα Ντζιαχρήστο για την ανάθεση του ενδιαφέροντος αυτού θέματος αλλά και την γενικότερη καθοδήγηση που μου προσέφερε καθ όλη την διάρκεια των σπουδών μου. Ακόμη θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτωρ Δημήτριο Τσοκόλη για την πολύ σημαντική βοήθεια που μου παρείχε καθ όλη την πορεία εξέλιξης της διπλωματικής εργασίας αλλά και την άψογη συνεργασία του. Επίσης ευχαριστίες και στον Πέτρο Κατσή για την πολύτιμη βοήθεια του για την διεκπεραίωση αυτής της εργασίας στην συνεργασία που είχαμε στα πλαίσια της πρακτικής μου εξάσκησης. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την αμέριστη συμπαράσταση αλλά και τις πολύτιμες συμβουλές που μου παρείχαν και τους φίλους μου οι οποίοι υπήρξαν στηρίγματα σε όλη την φοιτητική ζωή μου. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 3 ΕΙΚΟΝΕΣ-ΠΙΝΑΚΕΣ Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ PHEV Ιστορική εξέλιξη των PHEV Λόγοι ανάπτυξης των PHEV Πλεονεκτήματα των PHEV Οικονομία των PHEV Ανάλυση οικονομικών παραμέτρων Οικονομική σύγκριση ενός PHEV με ένα υβριδικό όχημα Δυναμική των PHEV στην παγκόσμια αγορά σήμερα ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΟΜΗΣ ΤΩΝ PHEV Σχεδίαση των PHEV Ηλεκτρικός κινητήρας Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας Hybrid Synergy Drive (HSD) Πλανητικό σύστημα μετάδοσης Σύστημα ελέγχου Τεχνολογικές προκλήσεις των PHEV Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας Ηλεκτρικός κινητήρας Άλλες τεχνολογικές προκλήσεις Συστήματα μετάδοσης κίνησης των PHEV Διάταξη εν σειρά Παράλληλη διάταξη Διάταξη διαχωρισμού ισχύος ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ Ρύποι- Επιπτώσεις Πειραματική διάταξη Δυναμομετρική πέδη Όργανα-συσκευές μετρήσεων CPC (Condensation Particle Counter Model 31) Pegasor Particle Sensor (PPS)

5 Αναλυτές καυσαερίων Κύκλοι οδήγησης Γενική περιγραφή Ανάλυση χαρακτηριστικών των κύκλων οδήγησης NEDC ARTEMIS WLTP Ermes Νομοθεσία των μετρήσεων Κανονισμός No Ορισμοί Γενικές οδηγίες για την διαδικασία των μετρήσεων Ερμηνεία των αποτελεσμάτων Τροποποίηση και επέκταση έγκρισης ενός ήδη εγκεκριμένου τύπου Συμμόρφωση της παραγωγής Μέθοδος μέτρησης CO2, κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, κατανάλωσης καυσίμου οχημάτων με υβριδικό-ηλεκτρικό σύστημα κίνησης Κατηγορίες υβριδικών-ηλεκτρικών οχημάτων Αποτελέσματα των δοκιμών CO Κατανάλωση καυσίμου Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Μέθοδος μέτρησης ηλεκτρικής αυτονομίας οχημάτων με ηλεκτρικό σύστημα κίνησης ή με υβριδικό-ηλεκτρικό σύστημα κίνησης Συνθήκες δοκιμής Διαδικασία δοκιμής ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Αποτελέσματα για τον NEDC Αποτελέσματα για τον Artemis Urban Αποτελέσματα για τον Artemis Road Αποτελέσματα για τον WLTC Αποτελέσματα για τον Ermes Υπολογισμός Dav ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ PRIUS PLUG-IN HYBRID ΣΤΟ CRUISE

6 5.1. Εισαγωγή στο Cruise Διαδικασία μοντελοποίησης Διαθέσιμα τεχνικά χαρακτηριστικά Χτίσιμο του μοντέλου Αποτελέσματα NEDC WLTC Artemis Road Artemis Urban Ermes Συμπεράσματα και αποτίμηση του προσομοιωμένου μοντέλου ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

7 ΕΙΚΟΝΕΣ-ΠΙΝΑΚΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ Εικόνα 1.1 Το Lohner-Porsche Mixte Hybrid ήταν το πρώτο υβριδικό όχημα. Εικόνα 1.2 Το Audi Duo που παρουσιάστηκε το Εικόνα 1.3 Μετατροπή σε +Prius από την CalCars. Εικόνα 1.4 Κατανομή συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης στην Ευρώπη το έτος 28 και επιμερισμός στα διάφορα μέσα των μεταφορών. Εικόνα 1.5 Ιστορική εξέλιξη της κατανάλωσης στις μεταφορές και τους άλλους τομείς από το 199 έως το 26. Οι μονάδες του κατακόρυφου άξονα είναι ισοδύναμοι μεγατόνοι πετρελαίου (Μtoe). Εικόνα 1.6 Παραγωγή και κατανάλωση πετρελαίου στην Ευρώπη κατά την διάρκεια των τελευταίων ετών με βάση στοιχεία της ΕΙΑ (Energy Information Administration). Εικόνα 1.7 Τεστ εκφόρτισης του Τοyota Prius Plug-in σε Artemis Urban κύκλους. Εικόνα 1.8 Κόστος παραγωγής μπαταριών συναρτήσει του όγκου παραγωγής Εικόνα 1.9 Οικονομική ανάλυση και σύγκριση των μοντέλων Prius Plug-in Hybrid, Auris και Corolla. Εικόνα 1.1 Ποσοστιαίος στόλος των PHEV. Εικόνα 2.1 Τυπική απόδοση των ηλεκτρικών κινητήρων συναρτήσει των στροφών τους. Εικόνα 2.2 Σύγκριση των διαφόρων τεχνολογιών μπαταριών με παράμετρο την ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου και ανά μονάδα βάρους. Εικόνα 2.3 Χαρακτηριστικά του κύκλου ζωής των τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας. Εικόνα 2.4 Toyota Hybrid Synergy Drive. Εικόνα 2.5 Το πλανητικό σύστημα μετάδοσης. Εικόνα 2.6 Τυπική συμπεριφορά των PHEV σε κύκλους εκφόρτισης. Εικόνα 2.7 Επίπεδο φόρτισης μπαταρίας συναρτήσει της διανυόμενης απόστασης. Εικόνα 2.8 Διάρκεια ζωής διαφόρων τύπων μπαταριών ως συνάρτηση του βάθους εκφόρτισης. Εικόνα 2.9 Σύστημα ελέγχου λειτουργίας του Prius. Εικόνα 2.1 Χωρητικότητα μπαταρίας συναρτήσει θερμοκρασιών λειτουργίας. Εικόνα 2.11 Το Chevrolet Volt λειτουργεί με διάταξη σειράς. Εικόνα 2.12 Δομή της διάταξης σειράς. Εικόνα 2.13 Το Honda Accord λειτουργεί σε παράλληλη διάταξη. Εικόνα 2.14 Δομή της παράλληλης διάταξης. Εικόνα 2.15 Το Τoyota Prius Plug-in Hybrid λειτουργεί με διάταξη διαχωρισμού ισχύος. Εικόνα 2.16 Δομή της διάταξης διαχωρισμού ισχύος. Εικόνα 3.1 Διάταξη συλλογής και αραίωσης καυσαερίου για τον προσδιορισμό εκπομπής ρύπων. Εικόνα 3.2 Το Prius Plug-in Hybrid στην δυναμομετρική πέδη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του ΑΠΘ. Μπροστά από το όχημα φαίνεται ο ανεμιστήρας ψύξης. Εικόνα 3.3 Προσομοίωση των αντιστάσεων κίνησης του Prius από την δυναμομετρική πέδη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Εικόνα 3.4 Συσκευή μετρήσεως σωματιδίων.tsi Model 31 Condensation Particle Counter. Εικόνα 3.5 Σχηματική ροή του μοντέλου 31 CPC. Εικόνα 3.6 Ο αισθητήρας Pegasor. Εικόνα 3.7 Λειτουργικά χαρακτηριστικά του Pegasor. Εικόνα 3.8 Αναλυτές μέτρησης CO και CO 2. Εικόνα 3.9 Αναλυτής μέτρησης οξειδίων του αζώτου Εικόνα 3.1 Το προφίλ του NEDC. Επαναλαμβάνεται 4 φορές o ECE και διαγράφεται από τα s έως τα 78 s. O EUDC διαγράφεται από τα 78 s έως 118 s. Εικόνα 3.11 Το προφίλ του Αrtemis Urban. Εικόνα 3.12 Το προφίλ του Αrtemis Road. 7

8 Εικόνα 3.13 Το προφίλ του WLTC. Εικόνα 3.14 Το προφίλ του Ermes. Εικόνα 3.15 Τα προφίλ SOC για OVC-HEVs που δοκιμάζονται στη Κατάσταση Α. Εικόνα 3.16 Τα προφίλ SOC για OVC-HEVs που δοκιμάζονται στη Κατάσταση Β. Εικόνα 4.1 Κατανάλωση καυσίμου ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. Εικόνα 4.2 Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. Εικόνα 4.3 Εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. Εικόνα 4.4 Εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα (CO) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής Εικόνα 4.5 Εκπομπές υδρογονανθράκων (HC) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. Εικόνα 4.6 Εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. Εικόνα 4.7 Εκπομπές μονοξειδίου του αζώτου (NO) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. Εικόνα 4.8 Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. Εικόνα 4.9 Μάζα εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. Εικόνα 5.1 Η πλατφόρμα εργασίας του Cruise. Εικόνα 5.2 Εισαγωγή προφίλ ταχύτητας στο Cruise. Εικόνα 5.3 Αποτελέσματα του προσομοιωμένου μοντέλου. Εικόνα 5.4 Η διαδικασία προσομοίωσης. Εικόνα 5.5 Η πλατφόρμα εργασίας του μοντέλου Prius Plug-in Hybrid. Εικόνα 5.6 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο για τον κύκλο NEDC x5. Εικόνα 5.7 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες για τον κύκλο NEDC x5. Εικόνα 5.8 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο NEDC x5. Εικόνα 5.9 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο NEDC x5. Εικόνα 5.1 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 1 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.11 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 1 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.12 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 1 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.13 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 1 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.14 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 2 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.15 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 2 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.16 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 2 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.17 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 2 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.18 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.19 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 3 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.2 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 3 με αρχικό max SoC). 8

9 Εικόνα 5.21 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 3 με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.22 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 1 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.23 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 1 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.24 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 1 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.25 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 1 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.26 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 2 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.27 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 2 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.28 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 2 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.29 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 2 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.3 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 3 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.31 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 3 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.32 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 3 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.33 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 3 με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.34 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο για τον κύκλο WLTC x2. Εικόνα 5.35 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες για τον κύκλο WLTC x2. Εικόνα 5.36 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο WLTCx2. Εικόνα 5.37 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο WLTCx2. Εικόνα 5.38 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος WLTC με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.39 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος WLTC με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.4 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος WLTC με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.41 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος WLTC με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.42 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος WLTC με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.43 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος WLTC με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.44 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος WLTC με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.45 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος WLTC με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.46 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο για τον κύκλο Artemis Road x3. Εικόνα 5.47 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες για τον κύκλο Artemis Road x3. Εικόνα 5.48 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο Artemis Road x3. 9

10 Εικόνα 5.49 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο Artemis Road x3. Εικόνα 5.5 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Art. Road με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.51 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Art. Road με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.52 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Road με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.53 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Road με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.54 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Art. Road με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.55 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Art. Road με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.56 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Road με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.57 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Road με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.58 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο, για τον κύκλο Artemis Urban x6. Εικόνα 5.59 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες, για τον κύκλο Artemis Urban x6. Εικόνα 5.6 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη, για τον κύκλο Artemis Urban x6. Εικόνα 5.61 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη, για τον κύκλο Artemis Urban x6. Εικόνα 5.62 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Art. Urban με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.63 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Art. Urban με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.64 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Art. Urban με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.65 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Urban με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.66 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Urban με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.67 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Ermes με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.68 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Ermes με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.69 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Ermes με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.7 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Ermes με αρχικό max SoC). Εικόνα 5.71 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Ermes με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.72 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Ermes με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.73 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Ermes με αρχικό min SoC). Εικόνα 5.74 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Ermes με αρχικό min SoC). Εικόνα Π.1 Γενικά χαρακτηριστικά βενζινοκινητήρα. Εικόνα Π.2 Καμπύλη πλήρους φόρτισης του βενζινοκινητήρα. Εικόνα Π.3 Χάρτης κατανάλωσης καυσίμου του βενζινοκινητήρα. 1

11 Εικόνα Π.4 Χαρακτηριστική καμπύλη του ηλεκτροκινητήρα. Εικόνα Π.5 Χάρτης απόδοσης του ηλεκτρικού κινητήρα. Εικόνα Π.6 Χαρακτηριστική καμπύλη της γεννήτριας. Εικόνα Π.7 Χάρτης απόδοσης της γεννήτριας. Εικόνα Π.8 Χαρακτηριστικά της μπαταρίας. ΠΙΝΑΚΕΣ Πίνακας 1.1 Τιμές που χρησιμοποιήθηκαν για την οικονομική σύγκριση ενός PHEV με ένα υβριδικό όχημα και ένα συμβατικό. Πίνακας 1.2 Δαπάνες για τα μοντέλα Prius Plug-in Hybrid, Auris και Corolla συναρτήσει των ετών. Πίνακας 1.3 Πωλήσεις αυτοκινήτων PHEV. Πίνακας 1.4 Πωλήσεις αυτοκινήτων PHEV Τοyota Prius ανά χώρα. Πίνακας 3.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά του Pegasor. Πίνακας 3.2 Βασικά χαρακτηριστικά του NEDC. Πίνακας 3.3 Βασικά χαρακτηριστικά του Artemis Urban. Πίνακας 3.4 Βασικά χαρακτηριστικά του Artemis Road. Πίνακας 3.5 Βασικά χαρακτηριστικά του WLTC. Πίνακας 3.6 Βασικά χαρακτηριστικά του Ermes. Πίνακας 3.7 Κατηγορίες υβριδικών-ηλεκτρικών οχημάτων. Πίνακας 4.1 Αποτελέσματα του NEDC για τις ημέρες με μέγιστο αρχικό SoC. Πίνακας 4.2 Αποτελέσματα του NEDC για τις ημέρες με ελάχιστο αρχικό SoC. Πίνακας 4.3 Τελικά αποτελέσματα του κύκλου NEDC. Πίνακας 4.4 Αποτελέσματα του κύκλου Artemis Urban Πίνακας 4.5 Αποτελέσματα του κύκλου Artemis Road. Πίνακας 4.6 Τελικά αποτελέσματα του κύκλου WLTC. Πίνακας 4.7 Τελικά αποτελέσματα του κύκλου Ermes Πίνακας 4.8 Υπολογισμός του Dav μέσα από την διαδικασία εκφορτίσεων. Πίνακας 5.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά του Prius. Πίνακας 5.2 Κριτήριο συσχέτισης και διαφορά στην συνολική κατανάλωση μεταξύ προσομοίωσης-πειράματος. 11

12 1. Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ PHEV 1.1. Ιστορική εξέλιξη των PHEV Η ιστορία των PHEV εκτείνεται λίγο περισσότερο από έναν αιώνα, αλλά οι περισσότερες από τις σημαντικές εμπορικές εξελίξεις έχουν λάβει χώρα μετά το 22. Η αναβίωση του ενδιαφέροντος για αυτήν την τεχνολογία αυτοκινήτων, οφείλεται στην πρόοδο που έχει επιτευχθεί στην τεχνολογία των μπαταριών, καθώς και τις ανησυχίες για τις ολοένα και πιο ασταθείς τιμές του πετρελαίου, των διαταραχών του εφοδιασμού, καθώς επίσης και την ανάγκη μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (οι λόγοι ανάπτυξης των PHEV αναλύονται περισσότερο στην παράγραφο 1.2). Μεταξύ του 23 και 21 τα περισσότερα PHEV που κυκλοφορούσαν στους δρόμους ήταν μετατροπές των HEV, και το εξέχον PHEV ήταν οι μετατροπές που έγιναν το 24 ή αργότερα του Toyota Prius, τα οποία είχαν την ικανότητα φόρτισης από εξωτερική πηγή. Αυτά τα οχήματα εξοπλίστηκαν με μπαταρίες μολύβδου-οξέος και έτσι επιτεύχθηκε η επέκταση της ηλεκτρικής αυτονομίας τους. Από τον Ιανουάριο του 213 υπάρχει μαζική παραγωγή επτά PHEV που διατίθενται σε πολλές διεθνείς αγορές. Πρόκειται για τα εξής μοντέλα: το BYD F3DM, το Chevrolet Volt και τα «αδέλφια» του Opel/Vauxhall Ampera και Volt Holden, το Prius Plug-in Hybrid, το Fisker Karma, το Ford C-Max Energi, το Volvo V6 Plug-in Hybrid, και το Honda Accord Plug-in Hybrid. Μετά την έναρξη πωλήσεων του BYD F3DM το Δεκέμβριο του 28, πάνω από 11.8 PHEV έχουν πωληθεί σε όλο τον κόσμο μέχρι τον Ιούνιο του 213, με την οικογένεια οχημάτων Volt/Ampera να βρίσκεται στην κορυφή, με τις παγκόσμιες πωλήσεις 5.4 PHEV μέχρι τον Ιούνιο του 213, ακολουθούμενο από το Prius Plug-in Hybrid με 35. οχήματα [1]. Υβριδικά οχήματα άρχισαν να παράγονται ήδη από το 1899 με το πρώτο όχημα να είναι το Lohner-Porsche που φαίνεται στην Εικόνα 1.1. Στις αρχές τα υβριδικά οχήματα θα μπορούσαν να φορτίζονται από μία εξωτερική πηγή πριν από τη λειτουργία. Ωστόσο, ο όρος «plug-in υβριδικό» έχει καταλήξει να σημαίνει ένα υβριδικό όχημα το οποίο έχει την δυνατότητα να φορτιστεί από μια απλή ηλεκτρική πρίζα. Το 1989, η Audi παρουσίασε το Audi Duo, ένα PHEV που βασίζεται στο Audi 1 Avant Quattro. Αυτό το αυτοκίνητο ήταν εξοπλισμένο με έναν ηλεκτροκινητήρα Siemens Electric 12,6 ίππων (9,4 kw), που οδηγούσε τους πίσω τροχούς. Η μπαταρία που παρέχει ενέργεια στον ηλεκτροκινητήρα είναι νικελίου-καδμίου. Οι εμπρός τροχοί του οχήματος τροφοδοτούνται από έναν πεντακύλινδρο κινητήρα εσωτερικής καύσης 2.3 λίτρων με απόδοση 136 ίππων (11 kw). Η πρόθεσή της Audi ήταν να παράγει ένα όχημα που θα μπορούσε να λειτουργήσει με τον κινητήρα εσωτερικής καύσης σε αυτοκινητόδρομους και με τον ηλεκτροκινητήρα στην πόλη. Ο τρόπος λειτουργίας μπορούσε να επιλεγεί από τον οδηγό. Μόλις δέκα οχήματα έχουν κατασκευαστεί. Ένα μειονέκτημα ήταν ότι, λόγω του επιπλέον βάρος του ηλεκτροκινητήρα, το όχημα ήταν λιγότερο αποτελεσματικό όταν λειτουργούσε με τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, από το πρότυπο Audi 1s που είχε τον ίδιο κινητήρα. Το Audi Duo παρουσιάζεται στην Εικόνα 1.2. Τον Σεπτέμβριο του 24, ο Οργανισμός Αυτοκινήτων Καλιφόρνιας (California Cars Initiative) μετέτρεψε ένα Toyota Prius (HEV)σε PHEV και το αποκάλεσε +PRIUS το οποίο παρουσιάζεται στην Εικόνα 1.3. Με την προσθήκη των 13 kg των συσσωρευτών μολύβδουοξέος, το +PRIUS καταφέρνει να κάνει ταξίδια μέχρι και 15 km χρησιμοποιώντας μόνο ηλεκτρική ενέργεια [2]. 12

13 Εικόνα 1.1 Το Lohner-Porsche Mixte Hybrid ήταν το πρώτο υβριδικό όχημα [1]. Εικόνα 1.2 Το Audi Duo που παρουσιάστηκε το 1989 [1]. 13

14 Εικόνα 1.3 Μετατροπή σε +Prius από την CalCars [2]. Στις 18 Ιουλίου του 26, η Toyota ανακοινώνει ότι σχεδιάζει να αναπτύξει ένα υβριδικό όχημα που θα λειτουργεί με μπαταρίες που θα φορτίζονται από μία οικιακή ηλεκτρική πρίζα σε τοπικό επίπεδο πριν τη μετάβαση σε ένα βενζινοκινητήρα για μεγαλύτερες αποστάσεις [3]. Τον Απρίλιο του 27 η Toyota ανακοινώνει ότι προγραμματίζει την εισαγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου στα μελλοντικά υβριδικά μοντέλα της, αλλά όχι στο μοντέλο Prius του29 [4]. Στις 25 Ιουλίου του 27, το Ιαπωνικό Υπουργείο Χωροταξίας, Υποδομών και Μεταφορών πιστοποιεί το plug-in υβριδικό όχημα της Toyota για χρήση σε δημόσιους δρόμους, καθιστώντας το έτσι το πρώτο PHEV αυτοκίνητο που επιτυγχάνει αυτή έγκριση. Η Toyota διεξάγει δοκιμές «επί του δρόμου» για να ελέγξει την ηλεκτρική αυτονομία του οχήματος. Το Prius Plug-in Hybrid είχε ηλεκτρική αυτονομία των 13 km [5] Λόγοι ανάπτυξης των PHEV Τα τελευταία χρόνια, οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και η εξάντληση των φυσικών πόρων έχουν γίνει πολύ σοβαρό παγκόσμιο πρόβλημα. Ο τομέας των μεταφορών είναι ο πιο ραγδαία αναπτυσσόμενος καταναλωτής ενέργειας στον κόσμο, έχοντας μερίδιο της τάξης του 3% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης. Από το υποσύνολο των μεταφορών το μεγαλύτερο μερίδιο (81,9%) καταλαμβάνουν οι οδικές μεταφορές όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.4 [6]. 14

15 Εικόνα 1.4 Κατανομή συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης στην Ευρώπη το έτος 28 και επιμερισμός στα διάφορα μέσα των μεταφορών [6]. Οι μεταφορές παρουσιάζουν επίσης μια συνεχώς αυξητική τάση. Ο μέσος ετήσιος ρυθμός αύξησης στο διάστημα που παρουσιάζει η Εικόνα 1.5 είναι 1,6%. Εικόνα 1.5 Ιστορική εξέλιξη της κατανάλωσης στις μεταφορές και τους άλλους τομείς από το 199 έως το 26. Οι μονάδες του κατακόρυφου άξονα είναι ισοδύναμοι μεγατόνοι πετρελαίου (Μtoe).[6] Εκτιμάται επίσης ότι εάν η εξόρυξη και η κατανάλωση πετρελαίου ακολουθήσουν τις ισχύουσες τάσεις, οι πόροι πετρελαίου παγκοσμίως θα εξαντληθούν σε μερικές δεκαετίες [7]. Αυτές οι ανησυχίες οδηγούν τους ερευνητές της αυτοκινητοβιομηχανίας και τους μηχανικούς να επικεντρωθούν σε εναλλακτικά συστήματα ενέργειας, ούτως ώστε να επιτύχουν τα παρακάτω αποτελέσματα. Πρώτον, να καταφέρουν μείωση ή έστω επιβράδυνση του ρυθμού αύξησης των εκπομπών που παράγονται από τον τομέα των μεταφορών, για την προσπάθεια ελέγχου της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Δεύτερον, να μειωθεί η εξάρτηση από το πετρέλαιο, τόσο για να υπάρχει ενεργειακή ασφάλεια όσο και για την αποφυγή δημιουργίας κοινωνικό-οικονομικών ζητημάτων που δημιουργούνται από την υψηλή τιμή του πετρελαίου. Στην Εικόνα 1.6 φαίνεται η αυξημένη τιμή του πετρελαίου που διαμορφώνεται από πολλούς παράγοντες, καθώς και η κατανάλωση 15

16 συναρτήσει των ετών. Παρατηρείται μια αισθητή μείωση τα τελευταία χρόνια ως αποτέλεσμα των πολιτικών ανεξαρτητοποίησης από το πετρέλαιο που ακολουθήθηκαν. Εικόνα 1.6 Παραγωγή και κατανάλωση πετρελαίου στην Ευρώπη κατά την διάρκεια των τελευταίων ετών με βάση στοιχεία της ΕΙΑ (Energy Information Administration) [8]. Σε γενικές γραμμές, τα συμβατικά οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι πιο αποδοτικά σε σχετικά υψηλότερα φορτία και λιγότερο αποδοτικά σε χαμηλότερα φορτία. Όμως, την περισσότερη ώρα λειτουργούν σε χαμηλότερα φορτία και ως εκ τούτου δεν έχουν καλύτερη συνολική απόδοση. Μια από τις λύσεις σε αυτό το πρόβλημα είναι η χρήση ηλεκτρικών οχημάτων (EV), τα οποία είναι ενεργειακά περισσότερο αποδοτικά και έχουν υπό προϋποθέσεις μηδενικές εκπομπές ρύπων [9]. Ωστόσο, αυτά τα οχήματα δεν είχαν επιτυχία λόγω του σημαντικά υψηλότερου κόστους, του προστιθέμενου βάρους των μπαταριών, της μειωμένης ικανότητας λειτουργίας σε υψηλά φορτία, το περιορισμένο εύρος λειτουργίας (αυτονομία), και την έλλειψη υποδομών επαναφόρτισης. Τα σημερινά υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEV) προσφέρουν μεγαλύτερη οικονομία καυσίμου, χαμηλές εκπομπές ρύπων και έχουν το πλεονέκτημα των υφιστάμενων υποδομών των καυσίμων, αλλά εξακολουθούν να εξαρτώνται εξ ολοκλήρου από το πετρέλαιο για την φόρτιση της μπαταρίας. Από την άλλη πλευρά, το υδρογόνο και οι τεχνολογίες κυψελών καυσίμου έχουν προχωρήσει με ταχείς ρυθμούς, αλλά εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν ζητήματα κόστους, υποδομών και τεχνικών προκλήσεων που περιορίζουν τη διείσδυση τους στην αγορά για τα επόμενα 1-15 χρόνια [7]. Ένα plug-in υβριδικό ηλεκτρικό όχημα (PHEV) είναι παρόμοιο με τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEV) που διατίθενται στην αγορά σήμερα. Ένα HEV βασίζεται στο πετρέλαιο για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται επί του αυτοκινήτου, ενώ ένα PHEV έχει μπαταρία που μπορεί να φορτιστεί πλήρως συνδέοντας την σε μια ηλεκτρική πρίζα. Στα plug-in υβριδικά οχήματα η μπαταρία είναι ο κύριος πάροχος ενέργειας για σχετικά μικρές αποστάσεις. Για μεγαλύτερες αποστάσεις, όταν η μπαταρία έχει εξαντληθεί και έχει φθάσει σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο φόρτισης (State Of Charge ή SοC), 16

17 το όχημα περνάει σε υβριδική λειτουργία. Η υβριδική λειτουργία, περιλαμβάνει τη χρήση ενέργειας η οποία επανασυλλέγεται από την πέδηση, την απενεργοποίηση του κινητήρα όταν το όχημα σταματά και εκμεταλλεύεται την ιδιότητα του κινητήρα εσωτερική καύσης αποδοτικότερης λειτουργίας σε μια πιο σταθερή και αποτελεσματική ταχύτητα. Τοιουτοτρόπως όσοι επιβάτες οδηγούν λιγότερα χιλιόμετρα ανά ημέρα, από όσα τους προσφέρει η ηλεκτρική αυτονομία του οχήματος, δεν χρησιμοποιούν καθόλου καύσιμα. Συνεπώς τα PHEV εκμεταλλεύονται την πλειονότητα των περιβαλλοντικών οφελών της χρησιμοποίησης πλήρως ηλεκτρικών οχημάτων, ενώ δεν αποχωρίζονται τα πλεονεκτήματα των συμβατικών οχημάτων με κινητήρα εσωτερικής καύσης. Παρακάτω στην παράγραφο 1.3 αναλύονται τα κύρια πλεονεκτήματα των PHEV 1.3. Πλεονεκτήματα των PHEV Η τεχνολογία των PHEV συνοδεύεται από μια σειρά σημαντικών πλεονεκτημάτων που σκοπό έχουν να κάνουν ελκυστικότερα τα συγκεκριμένα οχήματα προς τους καταναλωτές. Παρακάτω αναλύονται αυτά τα πλεονεκτήματα. Τα plug-in υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα είναι μια κίνηση προς την σωστή κατεύθυνση για την μείωση των εκπομπών ρύπων, τα οποία προσφέρουν υψηλές επιδόσεις και αποδοτικότητα των καυσίμων τόσο στην ηλεκτρική όσο και στην υβριδική λειτουργία. Το πιο ξεκάθαρο πλεονέκτημα των plug-in υβριδικών οχημάτων είναι η ικανότητά τους να μειώνουν την κατανάλωση πετρελαίου αφού παρέχουν ηλεκτρική αυτονομία για ένα σημαντικό ποσοστό της καθημερινής οδήγησης. Για παράδειγμα, εάν ένα PHEV λειτουργεί αποκλειστικά με ηλεκτρική ενέργεια (για σχετικά τοπικές διαδρομές) μέχρι να φτάσει τα όρια της ηλεκτρικής αυτονομίας του, τότε δεν χρειάζεται να ανεφοδιαστεί με πετρέλαιο. Όπως δείχνει η Εικόνα 1.7 το Prius Plug-in εκφορτίζεται μετά από περίπου 17 km διαδρομής, σε Artemis Urban κύκλους οδήγησης και επομένως για διαδρομές μικρότερες των 17 km εντός πόλης δεν θα χρειαστεί να ενεργοποιηθεί ο κινητήρας εσωτερικής καύσης. Όταν λειτουργούν αποκλειστικά με ηλεκτρισμό, τα plug-in οχήματα δεν έχουν εκπομπές καυσαερίων, παρέχοντας ένα δυνητικό όφελος για την υγεία. Οι εκπομπές των plug-in τότε είναι έμμεσες και ισχυρά συνδεδεμένες με το μείγμα των καυσίμων που χρησιμοποιείται από τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, την αποτελεσματικότητα της παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι έμμεσες αυτές εκπομπές για ένα όχημα που λειτουργεί με ηλεκτρική ενέργεια είναι αρκετά μικρότερες από ένα συμβατικό όχημα που λειτουργεί με καύσιμα πετρελαίου. Επιπροσθέτως, υπό το πρίσμα της δημόσιας υγείας, οι ρύποι από τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι λιγότερο επιβλαβείς από τις εκπομπές ρύπων από ένα όχημα, καθώς το τελευταίο βρίσκεται πλησιέστερα στους ανθρώπους, ενώ οι σταθμοί παραγωγής συνήθως είναι απομακρυσμένοι από τα μεγάλα αστικά κέντρα. Ακόμη αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι τα plug-in υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα που φορτίζονται από το δίκτυο, εκπέμπουν λιγότερο CO2 και άλλους ρύπους καθ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής των καυσίμων [7], σε σύγκριση με τα συμβατικά οχήματα και τα υβριδικά οχήματα. Επομένως με τα PHEV οχήματα μπορούν να μειωθούν οι εκπομπές και οι επιπτώσεις του τομέα των μεταφορών σε πολλές περιοχές όπου η ηλεκτρική ενέργεια του δικτύου προέρχεται από καθαρότερες πηγές από το πετρέλαιο. 17

18 Speed [km/h], Distance [km], SoC [%] Eng. Speed [rpm] Car speed (km/h) Cum. Distance [km] Hybrid battery pack remaining life [%] PID 5B EB Engine speed [1/min] PID C EA Εικόνα 1.7 Τεστ εκφόρτισης του Τοyota Prius Plug-in σε Artemis Urban κύκλους. Ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα των plug-in είναι ότι η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για την τροφοδότηση του οχήματος, μπορεί να προέρχεται από οποιονδήποτε συνδυασμό πηγών ενέργειας συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα, της πυρηνικής ενέργειας, του φυσικού αερίου, του πετρέλαιο ή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η υδροηλεκτρική, η ηλιακή, η αιολική ενέργεια, παρέχοντας έτσι μια ευελιξία στην διαδικασία παραγωγής της. Συνεπώς σε ένα μελλοντικό σενάριο όπου οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας περιορίσουν τις εκπομπές τους, χρησιμοποιώντας το εκάστοτε καταλληλότερο ενεργειακό μείγμα, θα έχουμε λιγότερη επιβάρυνση του πλανήτη από την ατμοσφαιρική ρύπανση/φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των PHEV αλλά και των EV είναι η ικανότητα τους να γίνονται «φιλικότερα» προς το περιβάλλον όσο περνάνε τα χρόνια. Αυτό οφείλεται στον περιορισμό των έμμεσων εκπομπών που προέρχονται από το ηλεκτρικό δίκτυο με την πάροδο του χρόνου αφού η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται όλο και πιο αποδοτική. Έτσι δημιουργείται ένα συγκριτικό πλεονέκτημα με τα συμβατικά οχήματα και τα HEV. Τέλος τα ΡΗΕV μπορούν να κατασκευαστούν με την ήδη υπάρχουσα τεχνολογία, χωρίς να χρειάζεται η ανάπτυξη μιας νέας, πειραματικής τεχνολογίας. Επομένως υπάρχει ο αναγκαίος βαθμός αξιοπιστίας στα PHEV, που τα κάνει ανταγωνιστικά με τα συμβατικά οχήματα. Παρακάτω στην παράγραφο 1.4 εξετάζονται τα PHEV από την σκοπιά των οικονομικών παραμέτρων σε μια προσπάθεια να γίνουν εμφανή τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που προσφέρει αυτή η κατηγορία οχημάτων. 18

19 1.4. Οικονομία των PHEV Ανάλυση οικονομικών παραμέτρων Γενικώς τα PHEV κοστίζουν περισσότερο από τα συμβατικά οχήματα και τα υβριδικά (HEV). Το κόστος των PΗΕV οφείλεται κυρίως στο επιπλέον κόστος της μπαταρίας (σε σύγκριση με τα συμβατικά οχήματα). Η επιλογή της σωστής ηλεκτρικής αυτονομίας που θα έχει το όχημα είναι απαραίτητη έτσι ώστε να υπάρχει καλύτερος χειρισμός των καθημερινών αναγκών οδήγησης. Οι κατασκευαστές αναμένεται να παράξουν PHEV με διαφορετικές αποστάσεις ηλεκτρικής αυτονομίας. Έτσι με την κατάλληλη έρευνα, οι αγοραστές θα μπορούν να επιλέξουν τα οχήματα που ανταποκρίνονται καλύτερα στις ανάγκες τους ενώ θα τους επιτρέπει να καταναλώνουν λιγότερα καύσιμα, κάτι που θα βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση της περιόδου απόσβεσης λόγω της αυξημένης τιμής αγοράς του οχήματος. Αναμφίβολα η διεύρυνση του χάσματος μεταξύ των τιμών της ηλεκτρικής ενέργειας και πετρελαϊκών τιμών θα κάνει τα PHEV όλο και ελκυστικότερα σε μακροπρόθεσμη προοπτική. Η βιωσιμότητα των PHEV θα εξαρτάται από το κόστος, καθώς την απόδοση τους. Παρά το γεγονός ότι ένα PHEV θα έχει αρχικά υψηλότερη τιμή από ένα συμβατικό όχημα, η διαφορά θα μειώνεται με την πάροδο του χρόνου λόγω του αυξημένου λειτουργικού κόστους των συμβατικών οχημάτων. Το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολύ χαμηλότερο σε σύγκριση με το πετρέλαιο. Εικόνα 1.8 Κόστος παραγωγής μπαταριών συναρτήσει του όγκου παραγωγής [9]. Το κόστος της μπαταρίας είναι ένα σημαντικό εμπόδιο για την εμπορευματοποίηση των PHEV με εκτεταμένη ηλεκτρική αυτονομία. Το κόστος της μπαταρίας εξαρτάται από μια σειρά παραμέτρων, συμπεριλαμβανομένου του τύπου της μπαταρίας, των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν, και τον όγκο της παραγωγής. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι σήμερα ακριβότερες από τις μπαταρίες Ni-MH (νικελίου-υδριδίου του μετάλλου). Επίσης, όσο βελτιώνεται η τεχνολογία των μπαταριών, τα PHEV θα γίνονται όλο και δημοφιλέστερα. Ακόμη με την αύξηση του όγκου της παραγωγής των μπαταριών, το κόστος θα κατέβει με 19

20 αθροιστικό κόστος ( ) την καλύτερη οργάνωση των αυτοματοποιημένων γραμμών παραγωγής. Η Εικόνα 1.8 δείχνει την τάση της μείωσης του κόστους με την αύξηση του όγκου παραγωγής των μπαταριών [9]. Ο ηλεκτρικός κινητήρας και οι μπαταρίες στα PHEV απαιτούν χαμηλή συντήρηση καθ 'όλη τη διάρκεια ζωής του οχήματος. Ενώ ο κινητήρας εσωτερικής καύσης δεν χρειάζεται επιπλέον συντήρηση σε σύγκριση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης των συμβατικών οχημάτων, επομένως δεν επιβαρύνονται οικονομικά τα PHEV.Επιπροσθέτως κάτι που θα βοηθήσει να μειωθεί το κόστος ανά όχημα συνολικά στον τομέα των μεταφορών είναι οι χρησιμοποιημένες μπαταρίες να ανακυκλώνονται Οικονομική σύγκριση ενός PHEV με ένα υβριδικό όχημα. Παρακάτω γίνεται μια προσπάθεια οικονομικής ανάλυσης του μοντέλου Prius Plugin Hybrid ενώ παράλληλα συγκρίνεται με το μοντέλο Auris και το μοντέλο Corolla κατά τη διάρκεια ζωής των οχημάτων. Πρόκειται για οχήματα ίδιου κυβισμού (1.8 L). Η σύγκριση περιλαμβάνει το λιανικό κόστος, το κόστος της ετήσιας ενέργειας (καύσιμα και ηλεκτρική ενέργεια), αλλά δεν λαμβάνει υπόψη πιθανές διαφορές στο κόστος συντήρησης. Για τον υπολογισμό της ετήσιας κατανάλωσης βενζίνης και την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, γίνεται η εξής υπόθεση: τα οχήματα υποτίθεται ότι ταξιδεύουν 15. χιλιόμετρα ανά έτος. Η τιμή της βενζίνης επιλέχθηκε 1,84 /l που είναι η μέση τιμή της βενζίνης στην Ελλάδα [1], ενώ για την ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε η τιμή,1252 /kwh η οποία προέκυψε από το τιμολόγιο της ΔΕΗ [11]. Ακόμη για τον υπολογισμό χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα κατανάλωσης που προέκυψαν κατά την διαδικασία των μετρήσεων στο εργαστήριο για τον κύκλο NEDC. Επιπλέον θεωρήθηκε ότι το 35% των συνολικών χιλιομέτρων διανύθηκαν με ηλεκτρική αυτονομία για να υπολογισθεί και το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας. Στην Εικόνα 1.9 παρουσιάζονται γραφικά τα αποτελέσματα της ανάλυσης Στον Πίνακα 1.1 που ακολουθεί συνοψίζονται οι τιμές που χρησιμοποιήθηκαν [12] [13] [14] και στον Πίνακα 1.2 επισημαίνονται αναλυτικά οι τιμές που προέκυψαν PRIUS (PHEV) Αuris (HEV) Corolla (Συμβατικό) έτη 5 έτη 1 έτη 15έτη Εικόνα 1.9 Οικονομική ανάλυση και σύγκριση των μοντέλων Prius Plug-in Hybrid, Auris και Corolla. 2

21 Πίνακας 1.1 Τιμές που χρησιμοποιήθηκαν για την οικονομική σύγκριση ενός PHEV με ένα υβριδικό όχημα και ένα συμβατικό. KYKΛΟΣ ΟΔΗΓΗΣΗΣ: ΝΕDC τιμή ηλεκτρικής ενέργειας Prius Plug-in Hybrid χιλιόμετρα οχήματος ανά έτος 15 μέση τιμή βενζίνης 1.84 κατανάλωση καυσίμου 3.3 ενεργειακή κατανάλωση.26 λιανική τιμή οχήματος Auris Corolla Μονάδες km/έτος /kwh /L L/1km - - kwh/km 2 15 Πίνακας 1.2 Δαπάνες για τα μοντέλα Prius Plug-in Hybrid, Auris και Corolla συναρτήσει των ετών. Κόστος ( ) Έτη Prius Plug-in Hybrid Auris Corolla Η ανάλυση εξαρτάται ισχυρά από το κόστος της βενζίνης, αλλά και το αρχικό κόστος αγοράς του οχήματος. Από την Εικόνα 1.9 παρατηρούμε ότι βραχυπρόθεσμα τα οικονομικά οφέλη του Prius δεν είναι ικανοποιητικά, αν οι τιμές της βενζίνης παραμείνουν στα σημερινά ήδη υψηλά επίπεδα ενώ το κόστος της μπαταρίας δεν μπορεί να μειωθεί δραματικά βραχυπρόθεσμα. Παρατηρούμε ότι η απόσβεση του επιπλέον κόστους του Prius γίνεται μετά από περίπου 7 χρόνια. Όμως, υπάρχουν άλλοι παράγοντες που μπορούν να δικαιολογήσουν το επιπρόσθετο κόστος του μοντέλου. Παραδείγματα αποτελούν η μείωση στη χρήση πετρελαίου που συνεπάγεται βελτίωση των εκπομπών του θερμοκηπίου και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, αλλά και την βελτίωση της εθνικής ενεργειακής ασφάλειας. Επιπροσθέτως θα μπορούσαν να αναφερθούν και άλλοι παράγοντες όπως οι λιγότεροι ανεφοδιασμοί που θα χρειαστούν να γίνουν στο βενζινάδικο, η επαναφόρτιση από την άνεση του σπιτιού, η βελτιωμένη επιτάχυνση λόγω των υψηλής ροπής ηλεκτροκινητήρων και η ικανότητα παροχής εφεδρικής ισχύος έκτακτης ανάγκης στο σπίτι από την μπαταρία [7] Δυναμική των PHEV στην παγκόσμια αγορά σήμερα Τα τελευταία χρόνια τα PHEV προσπαθούν να διεισδύσουν όλο και περισσότερο στην παγκόσμια αγορά και με αργά αλλά σταθερά βήματα φαίνεται να το καταφέρνουν. Παρακάτω στον Πίνακα 1.3 παρουσιάζονται οι συνολικές πωλήσεις plug in υβριδικών οχημάτων παγκοσμίως, καθώς και οι πωλήσεις σε διάφορες χώρες ξεχωριστά, ενώ στον Πίνακα 1.4 φαίνονται οι πωλήσεις του μοντέλου Τοyota Prius. Ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης και η κατανομή των διαφόρων μοντέλων αυτοκινήτων του στόλου της κατηγορίας PHEV [15]. Στην Εικόνα 1.1 φαίνεται ότι το Τοyota Prius Plug-in Hybrid κατέχει ένα σημαντικό μερίδιο της αγοράς της (περίπου το 1/3). Ακόμη φαίνεται ότι το 85% περίπου καλύπτεται από δύο μοντέλα αυτοκινήτων (τα Chevrolet 21

22 Volt/Opel Ampera/Vauxhall Ampera έχουν λίγες διαφορές κυρίως εξωτερικές) πράγμα που δείχνει ότι η τεχνολογία των PHEV έχει μεγάλα περιθώρια βελτίωσης λόγω του ανταγωνισμού μεταξύ των κατασκευαστών που αναμένεται να προκύψει τα επόμενα χρόνια. Πίνακας 1.3 Πωλήσεις αυτοκινήτων PHEV [15]. Συνολικές πωλήσεις παγκοσμίως Περισσότερα από 96.5 Πωλήσεις από Δεκέμβριο 28 μέχρι Μάιο 213 Ηνωμένες Πολιτείες Περίπου 66.5 Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Ιαπωνία Περισσότερα από 16.9 Πωλήσεις μέχρι Μάιο 213 Ολλανδία Περίπου 6. Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Κίνα Περισσότερα από 2.7 Πωλήσεις μέχρι Απρίλιο 213 Καναδάς Περισσότερα από 2.15 Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Σουηδία Περισσότερα από 1.3 Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Γερμανία Περισσότερα από 1.3 Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Ηνωμένο Βασίλειο Περισσότερα από 1.2 Πωλήσεις μέχρι Μάρτιο 213 Πίνακας 1.4 Πωλήσεις αυτοκινήτων PHEV Τοyota Prius ανά χώρα [15]. Συνολικές πωλήσεις παγκοσμίως Toyota Prius PHΕV Περισσότερα από 35. Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Ηνωμένες Πολιτείες Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Ιαπωνία 12.6 Πωλήσεις μέχρι Μάρτιο 213 Ολλανδία Πωλήσεις μέχρι Μάιο 213 Σουηδία 738 Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Γαλλία 65 Πωλήσεις μέχρι Μάιο 213 Ηνωμένο Βασίλειο 588 Πωλήσεις μέχρι Μάρτιο 213 Νορβηγία 274 Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Καναδάς 211 Πωλήσεις μέχρι Ιούνιο 213 Mitsubishi Outlander P-HEV 4% BYD F3DM 3% Fisker Karma 2% Others 2% Ford C-Max Energi 5% Toyota Prius Plugin Hybrid 34% Chevrolet Volt/Opel Ampera/Vauxhall Ampera 5% Εικόνα 1.1 Ποσοστιαίος στόλος των PHEV [15]. 22

23 2. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΟΜΗΣ ΤΩΝ PHEV 2.1. Σχεδίαση των PHEV Σε γενικές γραμμές, ο σχεδιασμός περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της εμπορικής ικανότητας του οχήματος που εκπροσωπείται κυρίως από το λειτουργικό κόστος, τα οικονομικά χαρακτηριστικά και τις ανάγκες της αγοράς. Το πιο σημαντικό ζήτημα στο σχεδιασμό ενός PHEV οχήματος είναι ότι πρέπει να επιτύχει τις επιδόσεις (επιτάχυνση, μέγιστη ταχύτητα πλεύσης, κλπ.) με την όσο το δυνατόν μικρότερη κατανάλωση καυσίμου και τις λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. H ισχύς του κινητήρα εσωτερικής καύσης, του ηλεκτροκινητήρα και η χωρητικότητα της μπαταρίας, έχουν μεγάλη επιρροή στην συμπεριφορά του οχήματος, την αποτελεσματικότητα της λειτουργίας και την οικονομία καυσίμου. Ως εκ τούτου, κατά το σχεδιασμό των οχημάτων PHEV, οι παράμετροι αυτοί πρέπει να καθορίζονται μέσω βελτιστοποίησης. Επίκεντρο του σχεδιασμού PHEV είναι η ενσωμάτωση των τριών συστημάτων: Σύστημα μετάδοσης : Αφορά την επιλογή και διαστασιολόγηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης και του ηλεκτρικού κινητήρα. Σύστημα μπαταρίας : Εστιάζει στην επιλογή και διαστασιολόγηση της μπαταρίας. Σύστημα ελέγχου : Προγράμματα υπολογιστών τα οποία καθορίζουν τις πολύπλοκες σχέσεις μεταξύ όλων των μερών-συστατικών του οχήματος. Δηλαδή το σύστημα ελέγχου καθορίζει το πως θα πρέπει να διανέμετε η ισχύς ως συνάρτηση διαφόρων παραμέτρων του οχήματος όπως για παράδειγμα σε μια μεγάλη ανηφόρα, το σύστημα ελέγχου θα αποφασίσει εάν χρειάζεται να ενεργοποιηθεί και πότε ο κινητήρας εσωτερικής καύσης Ηλεκτρικός κινητήρας Η επιλογή του ηλεκτρικού κινητήρα για τα PHEV εξαρτάται από την γενική διαστασιολόγηση του οχήματος και τους περιορισμούς που αυτή επιβάλλει. Δηλαδή θέματα χώρου, βάρους και γενικότερης σχεδίασης οχήματος λαμβάνονται υπ όψιν για την επιλογή του ηλεκτρικού κινητήρα. Ακόμη σημαντικό ρόλο στην επιλογή του ηλεκτρικού κινητήρα παίζει και η διαστασιολόγηση των υπόλοιπων κύριων συστατικών μερών του οχήματος δηλαδή η μέγιστη ισχύς του κινητήρα εσωτερικής καύσης, η ονομαστική ισχύς της γεννήτριας και η χωρητικότητα της μπαταρίας έτσι ώστε να προκύπτει μια ομαλή συνεργασία μεταξύ αυτών και να ανταποκρίνονται στις οδηγικές απαιτήσεις (π.χ. θα ήταν ανώφελο να υπάρχει ένας πολύ ισχυρός ηλεκτροκινητήρας εάν δεν υπάρχει μια μπαταρία ικανή να τον τροφοδοτεί επαρκώς). Γενικώς, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης χάνει σημαντικά απόδοση σε χαμηλά φορτία, ενώ ένας ηλεκτρικός κινητήρας παρουσιάζει υψηλότερη απόδοση σε όλο το εύρος στροφών. Η Εικόνα 2.1 δείχνει την τυπική απόδοση των ηλεκτρικών κινητήρων συναρτήσει των στροφών τους [16]. 23

24 Εικόνα 2.1 Τυπική απόδοση των ηλεκτρικών κινητήρων συναρτήσει των στροφών τους [16]. Διάφοροι τύποι ηλεκτρικών κινητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τα PHEV. Oι κινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC) είναι λειτουργικοί, ωστόσο έχουν χαμηλή ισχύ σε σχέση με το βάρος τους (συνήθως 1HP ανά 7,3 kg). Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC) χρειάζονται μετατροπέα και επιπλέον εξαρτήματα (ψήκτρες) για την τροφοδοσία ρεύματος στο σκελετό, καθιστώντας τους βαρύτερους, λιγότερο αξιόπιστους και ανεπιθύμητους για συντήρηση [17]. Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) επαγωγής είναι ευρέως αποδεκτοί, αφού πρόκειται για κινητήρες απαλλαγμένους από συλλέκτη, με χαμηλό κόστος, υψηλή αξιοπιστία και λειτουργία χωρίς να χρειάζεται συντήρηση. Όμως η ταχύτητα περιστροφής δεν ρυθμίζεται εύκολα αφού εξαρτάται από τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος [18]. Οι κινητήρες SRM (Switched Reluctance Motor) χρησιμοποιούν μόνο εξωτερικά ηλεκτρομαγνήτες στον στάτορα, και δεν υπάρχουν τυλίγματα ή μόνιμοι μαγνήτες στο ρότορα. Έτσι, είναι πολύ απλοί, στιβαροί στον σχεδιασμό και χαμηλού κόστους. Αυτοί οι κινητήρες έχουν ικανότητα λειτουργίας σε υψηλή ταχύτητα με σταθερή ισχύς [19]. Οι μεγάλες βελτιώσεις των ηλεκτρονικών συσκευών κατά τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχουν οδηγήσει σε ανάπτυξη των κινητήρων μόνιμου μαγνήτη (brushless permanent motor, PM) που προσφέρουν σημαντικές βελτιώσεις στην πυκνότητα της ισχύος, την απόδοση, τον θόρυβο, την μείωση των κραδασμών και την απαλλαγή από ηλεκτρικούς σπινθήρες. Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (Permanent magnet synchronous motors, 24

25 PMSMs) είναι αποτελεσματικότεροι και ευκολότερο να ψυχθούν. Φαίνεται να είναι η καλύτερη επιλογή για τα PHEV [2]. Ένας σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη, που χρησιμοποιεί για παράδειγμα υλικό NdFeB (μαγνήτες νεοδυμιο-σιδηρο-βορίου) για να δημιουργήσει μαγνητικό πεδίο έχει την υψηλότερη απόδοση (95%) σε σύγκριση με το επαγωγικό κινητήρα ή κινητήρα συνεχούς ρεύματος. Το κύριο μειονέκτημα των κινητήρων αυτών είναι το υψηλό κόστος λόγω των μαγνητών. Σήμερα, από τους διάφορους τύπους κινητήρων που διατίθενται για PHEV, οι SRM και οι κινητήρες με μόνιμους μαγνήτες είναι οι προτιμώμενες επιλογές [21]. Το Prius Plug-in Hybrid διαθέτει έναν σύγχρονο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη ονομαστικής ισχύος 8 hp (6 kw) ο οποίος αποδίδει ροπή 27 Nm Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας Αυτή τη στιγμή μια πολύ σημαντική παράμετρος για το σχεδιασμό των PHEV, είναι η επιλογή του τύπου της μπαταρίας. Τυπικά, τα PHEV παρέχουν μεγαλύτερα ποσά αποθηκευμένης ενέργειας από τα HEV με την ενσωμάτωση μεγαλύτερων μπαταριών. Αυτό το μεγαλύτερο μέγεθος της μπαταρίας δημιουργεί τη δυνατότητα αντικατάστασης ουσιαστικών ποσοτήτων υγρού καυσίμου που χρειάζεται ο κινητήρας εσωτερικής καύσης με ηλεκτρική ενέργεια η οποία προέρχεται από το ηλεκτρικό δίκτυο. Για τα PHEV που προορίζονται να έχουν σημαντικό εύρος ηλεκτρικής αυτονομίας, η μπαταρία πρέπει να αποθηκεύει αρκετή ενέργεια για να ικανοποιούνται οι οδηγικές απαιτήσεις. Οι μονάδες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να διαστασιοποιούνται κατάλληλα ώστε να αποθηκεύουν επαρκή ενέργεια (kwh) και να παρέχουν επαρκή ισχύ αιχμής (kw) για το όχημα ούτως ώστε να καλύπτουν τις οδηγικές απαιτήσεις. Ταυτοχρόνως θα πρέπει να πληρούνται θεμελιώδεις συνθήκες όπως ο ικανοποιητικός χρόνος ζωής της μπαταρίας καθώς και η ανάλυση του κύκλου ζωής του προϊόντος να μην είναι ιδιαίτερα επιβαρυντική για το περιβάλλον [22]. Η ανάπτυξη των μπαταριών εξαρτάται από την βελτιστοποίηση των ισορροπιών μεταξύ των πέντε κύριων χαρακτηριστικών της μπαταρίας: την ισχύς, την χωρητικότητα ενέργειας, τη διάρκεια ζωής, την ασφάλεια και το κόστος. ΙΣΧΥΣ Ισχύς είναι ο ρυθμός μεταφοράς ενέργειας. Μετριέται σε watt ή για εφαρμογές αυτοκινητοβιομηχανίας σε kilowatt (kw). Η ισχύς ενός συμβατικού οχήματος συνήθως αναφέρεται σε ιπποδύναμη (hp), όπου 1 hp είναι ισοδύναμη με 75 kw. Για τις μπαταρίες, η ισχύς είναι παρόμοια με την ταχύτητα με την οποία η βενζίνη μπορεί να παραδοθεί στον κινητήρα. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Η χωρητικότητα, σχετίζεται με το ποσό της ενέργειας που αποθηκεύεται στη μπαταρία. Καθορίζει την απόσταση που μπορεί να ταξιδέψει το όχημα αποκλειστικά με ηλεκτρική ενέργεια. Η χωρητικότητα συνήθως μετριέται σε kilowatthours (kwh), όπου μια kwh ισούται με παροχή 1 Watt επί 1 ώρα. 25

26 ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΖΩΗΣ Με την καθημερινή χρήση και την πάροδο του χρόνου, η απόδοση της μπαταρίας μπορεί να υποβαθμιστεί σημαντικά, με επιπτώσεις στην χωρητικότητα και την ασφάλεια. Συνεπώς πρέπει να προβλέπεται ικανοποιητικός χρόνος ζωής. ΑΣΦΑΛΕΙΑ Η ασφάλεια είναι ένας άλλος σημαντικός παράγοντας γιατί οι μπαταρίες αποθηκεύουν χημική ενέργεια και οι χημικές ουσίες που περιέχουν μπορεί να είναι επικίνδυνες εάν δεν ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα ασφαλείας. (πχ έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες) ΚΟΣΤΟΣ Το κόστος της μπαταρίας είναι ένας από τους πιο κρίσιμους παράγοντες που επηρεάζουν την εμπορική ανάπτυξη των ηλεκτρικών τεχνολογιών και την εφαρμογή τους στην αυτοκινητοβιομηχανία. Η μπαταρία είναι η συσκευή η οποία αποθηκεύει χημική ενέργεια και την αποδεσμεύει με τη μορφή ηλεκτρισμού. Πολλές χημικές ενώσεις χρησιμοποιούνται με στόχο να αναπτυχθεί η τεχνολογία των μπαταριών η οποία ακόμη δεν βρίσκεται στο επιθυμητό επίπεδο. Στην Εικόνα 2.2 φαίνεται η συμπεριφορά της ενεργειακής πυκνότητας των διαφόρων κατηγοριών των μπαταριών σε σχέση με τον όγκο και το βάρος. Εικόνα 2.2 Σύγκριση των διαφόρων τεχνολογιών μπαταριών με παράμετρο την ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου και ανά μονάδα βάρους [22]. 26

27 Οι συσσωρευτές μολύβδου έχουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα συνήθως γύρω στις 3 Wh/kg, ενώ οι μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ni-MH) έχουν μια ενεργειακή πυκνότητα περίπου 7 Wh/kg. Παρά το γεγονός ότι οι Ni-MH μπαταρίες έχουν σημαντικά μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τις μπαταρίες μολύβδου, έχουν χαμηλότερη αποδοτικότητα φόρτισης. Παρατηρούμε ακόμη ότι, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) έχουν ενεργειακή πυκνότητα μέχρι και 18 Wh/kg. Συνεπώς οι μπαταρίες ιόντων λιθίου και οι μπαταρίες πολυμερών λιθίου είναι από τις πιο ελπιδοφόρες κατηγορίες οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα ηλεκτρικά και υβριδικά οχημάτα. Ακόμη οι νέες μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι σε θέση να διαρκέσουν 1 χρόνια ή περισσότερο όπως φαίνεται από εργαστηριακές εξετάσεις. Συνεπώς, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα σε ένα μικρότερο πακέτο μπαταρίας (όγκο και βάρος). Η εξοικονόμηση όγκου και βάρους (περίπου 6%) από μια μπαταρία Ni-MH προσφέρει ευελιξία στον σχεδιασμό του οχήματος [22]. Εικόνα 2.3 Χαρακτηριστικά του κύκλου ζωής των τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας [23]. Ένα PHEV είναι πιθανό να υποστεί τουλάχιστον μία βαθειά αποφόρτιση ανά ημέρα με αποτέλεσμα να υποστεί περισσότερες από 4 βαθιές αποφορτίσεις σε 1-15 χρόνια ζωής. Η Εικόνα 2.3 δείχνει την αναμενόμενη απόδοση του κύκλου ζωής των τεχνολογιών μπαταριών ιόντων λιθίου και νικελίου-υδριδίου μετάλλου ως συνάρτηση του βάθους εκφόρτισης. Φαίνεται ότι όσο πιο βαθειά εκφορτίζεται η μπαταρία, μειώνεται ο χρόνος ζωής της. Το οριζόντια σκιασμένο πλαίσιο (κίτρινο) δείχνει το εύρος του βάθους εκφόρτισης με το οποίο επιβαρύνονται οι μπαταρίες των HEV σήμερα. Βλέπουμε ότι αυτό κυμαίνεται από 1% έως περίπου 24%. Το κάθετα σκιασμένο πλαίσιο (πράσινο) είναι το εύρος των κύκλων που μια μπαταρία ενός PHEV θα πρέπει να αντέξει για μια ζωή οχήματος 1-15 έτη. Το γράφημα 27

28 δείχνει ότι η μπαταρία Ni-MH μπορεί να επιτύχει 4 κύκλους περίπου, σε βάθος εκφόρτισης 7%. Για να επιτευχθεί ο ίδιος αριθμός κύκλων με την Li-ion τεχνολογία, θα έπρεπε να μειώσουμε στο 5% το βάθος εκφόρτισης σε καθημερινή βάση [23]. Από τα διάφορα είδη μπαταριών που διατίθενται προς το παρόν η μπαταρία νικελίουυδριδίου μετάλλου και η μπαταρία ιόντων λιθίου αποτελούν τις επικρατέστερες επιλογές για τα PHEV. Το Prius Plug-in Hybrid είναι εφοδιασμένο με μια μπαταρία ιόντων λιθίου 4,4 kwh η οποία αναπτύχθηκε σε συνεργασία με την Panasonic [24] Hybrid Synergy Drive (HSD) To σύστημα HSD που διαθέτει η Toyota και το εφαρμόζει και στο Prius Plug-in Hybrid αντικαθιστά την συμβατική μετάδοση με κιβώτιο ταχυτήτων, με ένα ηλεκτρομηχανικό σύστημα. Ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης (ICE) είναι πιο αποτελεσματικός σε ένα μικρό εύρος ταχυτήτων, αλλά το όχημα πρέπει να λειτουργεί σε όλη την γκάμα ταχυτήτων του οχήματος. Σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο, το κιβώτιο ταχυτήτων είναι ένας μηχανισμός αποτελούμενος από οδοντωτούς τροχούς, που χρησιμεύει για την προσαρμογή της ροπής και των στροφών του κινητήρα στις ανάγκες της κίνησης (driving demand). Τα γρανάζια κινούν το ένα το άλλο σε διαφορετικούς συνδυασμούς, η κίνηση δηλαδή δεν «περνά» από όλα τα γρανάζια κάθε φορά, αλλά από συγκεκριμένα, ανάλογα με τη σχέση που επιλέγει ο οδηγός. Ο κάθε τέτοιος συνδυασμός εξασφαλίζει διαφορετική σχέση μετάδοσης. Όμως, αυτό το περιορισμένο σετ σχέσεων μετάδοσης κίνησης, αναγκάζει τον κινητήρα να λειτουργεί σε ταχύτητες όπου είναι λιγότερο αποτελεσματικός. Ωστόσο, μια συνεχώς μεταβαλλόμενη σχέση μετάδοσης επιτρέπει στο σύστημα ελέγχου του αυτοκινήτου την επιλογή της αποτελεσματικότερης και βέλτιστης σχέση μετάδοσης που απαιτείται για οποιαδήποτε επιθυμητή ταχύτητα ή ισχύς. Η μετάδοση δεν περιορίζεται από ένα προκαθορισμένο σύνολο σχέσεων μετάδοσης. Αυτή η έλλειψη περιορισμού ελευθερώνει τον κινητήρα να λειτουργεί σε ταχύτητες που είναι περισσότερο αποδοτικός. Συνήθως αυτές είναι περίπου στις 15 έως 2 rpm για τυπική ισχύ που απαιτείται για την ώθηση ενός αυτοκινήτου. Ένα όχημα HSD κατά κανόνα, λειτουργεί τον κινητήρα στις βέλτιστες ταχύτητες απόδοσης του, κάθε φορά που απαιτείται ισχύς είτε για την επιτάχυνση του οχήματος, είτε για φόρτιση της μπαταρίας, και απενεργοποιεί τον κινητήρα εντελώς όταν απαιτείται λιγότερη ενέργεια. Όπως ένα CVT (Continuously Variable Transmission), η μετάδοση HSD προσαρμόζει συνεχώς την αποδοτικότερη σχέση μετάδοσης μεταξύ του κινητήρα και των τροχών για να διατηρήσει τις στροφές του κινητήρα σε ένα σχετικά σταθερό εύρος, ενώ οι τροχοί αυξάνουν ή μειώνουν την ταχύτητα περιστροφής τους κατά τη διάρκεια επιταχύνσεων ή επιβραδύνσεων αντίστοιχα. Αυτός είναι ο λόγος που η Toyota περιγράφει τα εξοπλισμένα οχήματα με HSD, ως e-cvt (ηλεκτρονικά συνεχώς μεταβαλλόμενη σχέση μετάδοσης) όταν υποχρεούται να ταξινομήσει τον τύπο μετάδοσης για τα πρότυπα καταλόγων προδιαγραφών ή για εποπτικούς σκοπούς. Η παρακάτω Εικόνα 2.4 δείχνει το Τoyοta Hybrid Synergy Drive. 28

29 Εικόνα 2.4 Toyota Hybrid Synergy Drive. [25] Πλανητικό σύστημα μετάδοσης Στην καρδιά του Hybrid Synergy Drive (HSD) βρίσκεται μια απλή μικρή συσκευή που ονομάζεται συσκευή διανομής ισχύος, ή PSD (Power Split Device). Το PSD είναι ένα σετ πλανητικών γραναζιών που αγκιστρώνει-συνδέει τον κινητήρα βενζίνης, την γεννήτρια και τον ηλεκτροκινητήρα μαζί. Έτσι επιτυγχάνονται τα εξής: 1) Δυνατότητα λειτουργίας του οχήματος σαν ένα παράλληλο υβριδικό, όπου ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να τροφοδοτήσει το αυτοκίνητο μόνος του, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης επίσης μπορεί να τροφοδοτήσει το αυτοκίνητο μόνο του ή να το τροφοδοτήσουν μαζί. 2) Η συσκευή διαχωρισμού ισχύος επιτρέπει επίσης στο αυτοκίνητο να λειτουργεί ως υβριδικό εν σειρά - ο βενζινοκινητήρας μπορεί να λειτουργήσει ανεξαρτήτως της ταχύτητας του οχήματος, για την φόρτιση της μπαταρίας ή την παροχή ισχύος στους τροχούς ανάλογα με τις ανάγκες. 3) Η συσκευή διαχωρισμού ισχύος επομένως επιτρέπει στην παράλληλη διάταξη και στην εν σειρά διάταξη να συνεργαστούν. 4) Λειτουργεί επίσης ως CVT (συνεχώς μεταβαλλόμενη μετάδοση) εξαλείφοντας την ανάγκη για συμβατικό κιβώτιο ταχυτήτων. Τέλος, επειδή η συσκευή διαχωρισμού ισχύος επιτρέπει στην γεννήτρια να ξεκινήσει τον κινητήρα, το αυτοκίνητο δεν χρειάζεται μίζα. Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι συνδεδεμένος με το δακτυλιοειδές γρανάζι (ring gear) του συστήματος οδοντωτών τροχών. Επίσης, συνδέεται άμεσα με το διαφορικό, το οποίο 29

30 κινεί τους τροχούς. Έτσι, η ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα και του δακτυλιοειδές γραναζιού καθορίζουν την ταχύτητα του αυτοκινήτου. Η γεννήτρια είναι συνδεδεμένη με το γρανάζι «ήλιος» (sun gear) του πλανητικού συστήματος οδοντωτών τροχών, ενώ ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι συνδεδεμένος με το φορέα πλανητών. Η ταχύτητα του δακτυλιοειδούς γραναζιού εξαρτάται από όλα τα τρία στοιχεία. Έτσι, πρέπει να συνεργαστούν όλα τα στοιχεία, προκειμένου ανά πάσα στιγμή να ελέγχεται η ταχύτητα εξόδου [26]. Εικόνα 2.5 Το πλανητικό σύστημα μετάδοσης [26] Σύστημα ελέγχου Η συμπεριφορά της κατανάλωσης καυσίμου εξαρτάται από το χρησιμοποιούμενο σύστημα ελέγχου. Το σύστημα ελέγχου παρέχει τον δυναμικό έλεγχο του οχήματος για να εξασφαλιστεί η καλύτερη αξιοποίηση των ενεργειακών πόρων για δεδομένες συνθήκες λειτουργίας. Συνεπώς το σύστημα ελέγχου εξασφαλίζει την όσο το δυνατόν αποδοτικότερη χρήση της ενέργειάς από όποια πηγή ή συνδυασμό πηγών προέρχεται. Έτσι, στρατηγικής σημασίας είναι να αποφασισθεί πώς και πότε η ενέργεια θα παρέχεται από τις δύο πηγές ενέργειας ενός PHEV. Ένα PHEV μπορεί να λειτουργήσει σε κατάσταση «εκφόρτισης μπαταρίας» (chargedepleting mode) και σε κατάσταση «συντήρηση μπαταρίας» (charge-sustaining mode). Συνδυασμός αυτών των δύο καταστάσεων λέγεται «λειτουργία μικτού τύπου» (mixed-mode) ενώ ανάμιξη των δύο καταστάσεων καλείται «λειτουργία ενδιάμεσου τύπου» (blended mode). Κατάσταση εκφόρτισης μπαταρίας (charge-depleting mode): Επιτρέπει σε ένα πλήρως φορτισμένο PHEV να λειτουργεί αποκλειστικά με ηλεκτρική ενέργεια έως ότου το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας (SOC, State of Charge) φθάσει σε ένα προκαθορισμένο επίπεδο στο 3

31 οποίο ο κινητήρας εσωτερικής καύσης του οχήματος ενεργοποιείται. Είναι η περίοδος ηλεκτρικής αυτονομίας. Αυτή είναι η μοναδική κατάσταση που ένα ηλεκτρικό όχημα μπορεί να λειτουργήσει αποκλειστικά με μπαταρία[27]. Κατάσταση συντήρησης μπαταρίας (charge-sustaining mode): Χρησιμοποιείται από τα HEV σήμερα, και συνδυάζει τη λειτουργία των δύο πηγών ενέργειας του οχήματος με τέτοιο τρόπο ώστε το όχημα να λειτουργεί όσο το δυνατόν αποτελεσματικότερα χωρίς να επιτρέπει στο επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας (SOC) να κινηθεί έξω από ένα προκαθορισμένο στενό εύρος ορίων. Κατά τη διάρκεια ενός ταξιδιού με ένα HEV το επίπεδο φόρτισης μπορεί να κυμαίνεται, αλλά δεν θα έχει ουσιαστικά καμία ξεκάθαρη μεταβολή [28]. Η μπαταρία σε ένα HEV μπορεί έτσι να θεωρηθεί ως συσσωρευτής ενέργειας και όχι ως μια συσκευή αποθήκευσης καυσίμων. Μόλις ένα PHEV εξαντλεί την περίοδο ηλεκτρικής αυτονομίας του, μπορεί να στραφεί σε κατάσταση συντήρησης μπαταρίας αυτόματα. Λειτουργία ενδιάμεσου τύπου (blended mode): είναι ένα είδος κατάστασης εκφόρτισης μπαταρίας. Συνήθως χρησιμοποιείται από οχήματα που δεν έχουν αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να διατηρήσουν υψηλές ταχύτητες χωρίς τη βοήθεια του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Μια ενδιάμεση-μικτή στρατηγική ελέγχου συνήθως αυξάνει την απόσταση που διανύεται από την αποθηκευμένη ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από το δίκτυο σε σύγκριση με την κατάσταση εκφόρτισης μπαταρίας. Οι μετατροπές του μοντέλου Toyota Prius που έγιναν από το 24 και μετά (τοποθετήθηκε μεγαλύτερη μπαταρία) δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε ταχύτητες μεγαλύτερες από περίπου 7 km/h χωρίς τη χρήση του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Εντούτοις, σε μεγαλύτερες ταχύτητες ηλεκτρική ενέργεια μπορεί ακόμη να χρησιμοποιηθεί για να αντικαταστήσει την βενζίνη, βελτιώνοντας έτσι την οικονομία καυσίμου σε λειτουργία ενδιάμεσου τύπου (blended mode) και γενικά διπλασιασμό της απόδοσης των καυσίμων [29]. Εικόνα 2.6 Τυπική συμπεριφορά των PHEV σε κύκλους εκφόρτισης. 31

32 Η Εικόνα 2.6 δείχνει ένα τυπικό κύκλο εκφόρτισης και διαχωρίζονται η κατάσταση εκφόρτισης μπαταρίας (charge-depleting mode) και η κατάσταση συντήρησης μπαταρίας (charge-sustaining mode). Λειτουργία μικτού τύπου (mixed-mode): Περιγράφει ένα ταξίδι στο οποίο χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός των παραπάνω καταστάσεων-λειτουργιών [26].Για παράδειγμα, ένα PHEV-2 Prius (μετατροπή) μπορεί να ξεκινήσει ένα ταξίδι όπου διανύει αρχικά 8 km (5 mi) με χαμηλές ταχύτητες σε κατάσταση εκφόρτισης μπαταρίας (charge-depleting mode), στη συνέχεια, εισέρχεται σε έναν αυτοκινητόδρομο όπου λειτουργεί σε κατάσταση ενδιάμεσου τύπου (blended mode) για 16 km (1 mi). Τέλος, ο οδηγός μπορεί να βγει από τον αυτοκινητόδρομο και το αυτοκίνητο να διανύσει άλλα 8 km (5 mi), χωρίς να ενεργοποιηθεί ο κινητήρας εσωτερικής καύσης, όπου φθάνει τελικώς τα 2 mi (32 km) ηλεκτρικής αυτονομίας. Σε αυτό το σημείο το όχημα επανέρχεται σε κατάσταση συντήρησης μπαταρίας (charge-sustaining mode) για άλλα 1 mi (16 km), μέχρι να επιτευχθεί ο τελικός προορισμός. Ένα τέτοιο ταξίδι θα μπορούσε να χαρακτηρισθεί μικτού τύπου, λόγω των πολλαπλών λειτουργιών που χρησιμοποιούνται στο ταξίδι. Το τμήμα του ταξιδιού που εκτείνεται πέραν της ηλεκτρικής αυτονομίας του PHEV οφείλεται στην λειτουργία συντήρησης μπαταρίας (charge-sustaining mode), η οποία χρησιμοποιείται από ένα HEV. Στην Εικόνα 2.7 παρουσιάζεται το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας συναρτήσει της διανυόμενης απόστασης του οχήματος. Στο αριστερό μέρος του διαγράμματος βλέπουμε τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιείται η χωρητικότητα της μπαταρίας. Στην πράξη, το μέγιστο επίπεδο φόρτισης (max SOC) περιορίζεται σε μικρότερο ποσοστό από το 1 %, και το ελάχιστο επίπεδο φόρτισης (min SOC) είναι μεγαλύτερο από %. Οι λόγοι αφορούν τόσο τη διατήρηση της ζωής της μπαταρίας για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, όσο και τη βελτίωση της ασφάλειας. Επίσης το άνω όριο εισέρχεται για να υπάρχει πάντα η δυνατότητα φόρτισης της μπαταρίας από την πέδηση. Η διαφορά μεταξύ του max SOC και του min SOC αναφέρεται ως το βάθος εκφόρτισης (depth of discharge, DOD), το οποίο ποικίλλει ανάλογα με την μπαταρία που χρησιμοποιείται και το σχεδιασμό των οχημάτων. Εικόνα 2.7 Επίπεδο φόρτισης μπαταρίας συναρτήσει της διανυόμενης απόστασης. 32

33 Ακόμη στην Εικόνα 2.8 παρουσιάζεται η διάρκεια ζωής διαφόρων τύπων μπαταριών ως συνάρτηση του βάθους εκφόρτισης. Είναι εμφανής η μείωση της διάρκειας ζωής όσο αυξάνεται το βάθος εκφόρτισης για τεχνολογίες ΝaS (μπαταρία θειικού νατρίου), PbA (μπαταρία μολύβδου-οξέος), Li-ion αλλά για την VRB (Vanadium redox-flow batteries) έχουμε σταθερή τιμή, χαρακτηριστικό που κάνει αυτή την τεχνολογία αρκετά ενδιαφέρουσα. Εικόνα 2.8 Διάρκεια ζωής διαφόρων τύπων μπαταριών ως συνάρτηση του βάθους εκφόρτισης [3]. Σύστημα ελέγχου λειτουργίας του Prius. Αναλόγως των συνθηκών οδήγησης, μία ή και οι δύο πηγές χρησιμοποιούνται για την κίνηση του οχήματος. Η Εικόνα 2.9 δείχνει πώς το Prius Plug-in hybrid λειτουργεί, σε διάφορες καταστάσεις οδήγησης και παρακάτω αναλύονται βήμα-βήμα. Κατάσταση εκφόρτισης μπαταρίας Συνδεδεμένη σε πρίζα 12 Volt, η μπαταρία του οχήματος μπορεί να φορτιστεί μέσα σε 4 ώρες. Όταν η μπαταρία είναι επαρκώς φορτισμένη, το όχημα θα λειτουργεί από την ισχύ του ηλεκτρικού κινητήρα. 33

34 Εάν το όχημα υπερβεί τα 1 km/h ή επιταχύνει απότομα όταν βρίσκεται σε κατάσταση εκφόρτισης μπαταρίας, ο βενζινοκινητήρας και ο ηλεκτρικός κινητήρας λειτουργούν ταυτοχρόνως για να τροφοδοτήσουν το όχημα. Κατάσταση συντήρησης μπαταρίας Κατά τη διάρκεια μικρών επιταχύνσεων σε χαμηλές ταχύτητες, το όχημα τροφοδοτείται από τον ηλεκτροκινητήρα. Ο βενζινοκινητήρας παραμένει απενεργοποιημένος. Κατά τη διάρκεια της κανονικής οδήγησης, το όχημα τροφοδοτείται κυρίως από το βενζινοκινητήρα. Ο βενζινοκινητήρας τροφοδοτεί τη γεννήτρια για την επαναφόρτιση της μπαταρίας. Σε έντονες επιταχύνσεις ή σε ανηφόρες με μεγάλη κλίση, και ο βενζινοκινητήρας και ο ηλεκτρικός κινητήρας λειτουργούν για να τροφοδοτήσουν το όχημα. Στη διάρκεια της επιβράδυνσης, κατά το φρενάρισμα, το όχημα χρησιμοποιεί την κινητική ενέργεια από τους μπροστινούς τροχούς για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που φορτίζει την μπαταρία. Ενώ το όχημα είναι ακινητοποιημένο, ο βενζινοκινητήρας και ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι απενεργοποιημένοι, αλλά το όχημα παραμένει ενεργοποιημένο και σε λειτουργία. Εικόνα 2.9 Σύστημα ελέγχου λειτουργίας του Prius. [31]. 34

35 2.2. Τεχνολογικές προκλήσεις των PHEV Υπάρχουν ακόμα πολλές τεχνολογικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν, ιδίως για τα PHEV. Σήμερα, οι ερευνητές εστιάζουν στην μείωση του βάρους και στην αύξηση της χωρητικότητας των μπαταριών, στην βελτίωση των ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου και της μετάδοσης. Μερικές από αυτές τις τεχνολογικές προκλήσεις περιγράφονται παρακάτω Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας Η απόδοση των μπαταριών επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων της θερμοκρασίας, των οδηγικών συνηθειών, δηλαδή για παράδειγμα οδήγηση στην πόλη ή σε αυτοκινητόδρομο, το μοτίβο φόρτισης, κλπ. Η διατήρηση της βέλτιστης, ομοιόμορφης θερμοκρασίας ή η ανάπτυξη κάποιας μεθόδου θερμικής διαχείρισης στην περιοχή της μπαταρίας είναι απαραίτητη για την απόκτηση της μέγιστης απόδοσης της μπαταρίας. Κάτω από κρύες συνθήκες θερμοκρασίας, η χωρητικότητα της μπαταρίας μπορεί να μειωθεί αρκετά [32]. Αυτό φαίνεται στην Εικόνα 2.1 όπου για θερμοκρασία περιβάλλοντος -1 C η χωρητικότητα της μπαταρίας πέφτει στο 7% της ονομαστικής χωρητικότητάς της μπαταρίας. Εικόνα 2.1 Χωρητικότητα μπαταρίας συναρτήσει θερμοκρασιών λειτουργίας [33]. Για τα PHEV, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι θέμα υψίστης σημασίας. Η μπαταρία επαναφορτίζεται από χαμηλά επίπεδα φόρτισης (χαμηλό SoC) μετά από μεγάλες εκφορτίσεις πιο συχνά από ότι στα EV. Ως αποτέλεσμα προκύπτει, η απαίτηση για περισσότερους κύκλους ζωής (αριθμός εκφορτίσεων) της μπαταρίας για τα PHEV από ό, τι για τα EV [34]. Οι οδηγοί των PHEV θα ανέμεναν η μπαταρία να διαρκέσει όσο και το όχημα. Όμως οι συχνές εκφορτίσεις και επαναφορτίσεις μειώνουν την διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μπορεί να επεκταθεί με την αύξηση του μεγέθους της για μια δεδομένη εφαρμογή. Μια μεγαλύτερη μπαταρία θα απαιτήσει μικρότερα ποσοστά βάθους εκφορτίσεων από τις εκφορτίσεις μιας μικρότερης μπαταρίας και, κατά συνέπεια, θα οδηγήσουν σε μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Ωστόσο, η χρήση μεγαλύτερων μπαταριών θα μπορούσε φυσικά να αυξήσει το κόστος, τις διαστάσεις και το βάρος. 35

36 Η αντοχή, η ειδική ισχύς και η λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες έχουν βελτιωθεί σημαντικά για την μπαταρία νικελίου-υδριδίου μετάλλου, γεγονός που υποδηλώνει ότι η σκέψη, η μπαταρία να διαρκέσει όσο και το όχημα μπορεί επιτευχθεί. Οι μπαταρίες Li-ion είναι μια πολύ νεότερη τεχνολογία. Προσφέρουν ισχύ και ενεργειακή πυκνότητα υψηλότερη από εκείνη των Ni-MH. Για μία δεδομένη ποσότητα αποθηκευμένης ενέργειας οι Li-ion μπαταρίες μπορεί να χρειαστούν μέχρι και το ένα τέταρτο του μεγέθους των μπαταριών Ni- MH και ζυγίζου περίπου το μισό. Όμως η ανθεκτικότητα, το κόστος, και η ασφάλεια των Liion μπαταριών εξακολουθούν να χρειάζονται βελτίωση [35]. Συνεπώς υπάρχει η ανάγκη να γίνει σημαντική έρευνα για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου ώστε να επιτυγχάνονται καλύτερες επιδόσεις, αυξημένη διάρκεια ζωής, αυξημένη αντοχή σε δυσμενείς θερμοκρασιακές ή άλλες δυσμενείς συνθήκες και μειωμένο κόστος. Κάθε μπαταρία είναι δυνητικά ανασφαλής όταν κακομεταχειρίζεται ή εκτίθεται σε χτυπήματα, σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, ή σε φωτιά. Ακόμα κι αν ένα όχημα είναι ασφαλές υπό κανονικές συνθήκες, μια μεγάλη ασχολία των δοκιμών οφείλει να καθορίζει την ασφάλειά σε μια συντριβή ή πυρκαγιά. Οι νέες τεχνολογίες μπαταριών απαιτούν εκτεταμένες δοκιμές πριν αυτές εγκριθούν για χρήση μέσα στο όχημα. Ακόμη οι ειδικοί ασφάλειας εκτάκτων αναγκών πρέπει επίσης να μάθουν πώς να χειρίζονται τις νέες τεχνολογίες μπαταρίας του οχήματος με ασφάλεια σε περίπτωση σύγκρουσης ή πυρκαγιάς. Η ανάπτυξη μιας ισχυρής βάσης προμηθευτών αποτελεί μια σημαντική πρόκληση. Είναι σημαντικό να αυξηθεί ο ανταγωνισμός και να βοηθηθεί η οικονομία από άποψη κόστους, απόστασης, κλπ Ακόμη μια πρόκληση είναι η δημιουργία ασφαλών και εύχρηστων χαρακτηριστικών φόρτισης. Δηλαδή οι ιδιοκτήτες θα πρέπει να γνωρίζουν ότι η φόρτιση των μπαταριών των οχημάτων είναι εξίσου ασφαλής και εύκολη για παράδειγμα με την φόρτιση των κινητών τηλεφώνων τους. Αυτό είναι εύκολο από τεχνικής απόψεως, αλλά απαιτείται και η ενεργός συμμετοχή από τις ρυθμιστικές αρχές, και την αυτοκινητοβιομηχανία, για να μπορέσει να πεισθεί ο καταναλωτής και να εμπιστευθεί τις μπαταρίες Ηλεκτρικός κινητήρας Η ανάπτυξη μαγνητών χαμηλού κόστους και υψηλών θερμοκρασιών θα οδηγήσει στην ευρεία χρήση των κινητήρων μόνιμου μαγνήτη (PM). Οι PM κινητήρες είναι αποδοτικότεροι και χρειάζονται χαμηλότερο ρεύμα για να επιτευχθεί η ίδια ροπή σε σχέση με άλλους τύπους κινητήρων. Αυτό μειώνει το κόστος που είναι κρίσιμο για τη βιωσιμότητα της αγοράς. Το μέλλον των τεχνολογικών προκλήσεων για τους ηλεκτροκινητήρες θα είναι: μικρότερο βάρος, μεγάλο εύρος λειτουργίας, υψηλότερη απόδοση, υψηλότερη μέγιστη ροπή και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής Άλλες τεχνολογικές προκλήσεις Παράλληλα αντιμετωπίζονται και προκλήσεις που είναι ταυτόσημες για τα συμβατικά οχήματα όπως είναι η μείωση του βάρους του οχήματος και η μείωση της αεροδυναμικής αντίστασης. Το πρώτο μπορεί να αντιμετωπιστεί με την χρήση προηγμένων υλικών που έχουν υψηλή αναλογία αντοχής προς βάρος, όπως σύνθετα υλικά, αλουμίνιο κ.α. με αποτέλεσμα την βελτίωση της ασφάλειας και την μείωση του βάρους εφόσον ακολουθηθεί μια όσο το δυνατόν πιο «έξυπνη» και εργονομική σχεδίαση του οχήματος. Επιπλέον, οι κατασκευαστές δίνουν έμφαση στην αεροδυναμική του οχήματος για να μειώσουν την κατανάλωση καυσίμου, και επίσης να παρέχουν στον οδηγό ακριβέστερο 36

37 έλεγχο και σταθερότητα. Η αντίσταση του αέρα μπορεί να μειωθεί με τον επανασχεδιασμό του σώματος του οχήματος σε ένα πιο αεροδυναμικό σχήμα Συστήματα μετάδοσης κίνησης των PHEV Τρεις ξεχωριστές οικογένειες συστημάτων μετάδοσης κίνησης υπάρχουν για την διαμόρφωση του οχήματος: Εν σειρά Παράλληλα Διαχωρισμός ισχύος Για κάθε επιλογή, αρκετές εκατοντάδες συνδυασμοί είναι δυνατοί, συμπεριλαμβανομένου του αριθμού των ηλεκτρικών μηχανών, τη θέση τους και τον τύπο της μετάδοσης. Εδώ, μία διαμόρφωση από κάθε οικογένεια επιλέχθηκε Διάταξη εν σειρά Στην διάταξη σειράς χρησιμοποιείται ο κινητήρας εσωτερικής καύσης (ICE) για να κινήσει μία γεννήτρια, η οποία με τη σειρά της παρέχει ρεύμα σε έναν ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος περιστρέφει στη συνέχεια τους κινητήριους τροχούς του οχήματος. Μια μπαταρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση της περίσσειας ενέργειας. Παραδείγματα αυτοκινήτων με διάταξη σειράς είναι το Chevrolet Volt, το Fisker Karma, Renault Kangoo κ.α. Με την κατάλληλη ισορροπία των εξαρτημάτων αυτού του τύπου διάταξης, το όχημα μπορεί να λειτουργήσει για μια σημαντική απόσταση, χωρίς την εμπλοκή του κινητήρα εσωτερικής καύσης [36]. Στην Εικόνα 2.11 φαίνεται το Chevrolet Volt το οποίο λειτουργεί με διάταξη σειράς ενώ στην Εικόνα 2.12 φαίνεται η δομή της διάταξης σειράς. Εικόνα 2.11 Το Chevrolet Volt λειτουργεί με διάταξη σειράς [15]. 37

38 Εικόνα 2.12 Δομή της διάταξης σειράς Παράλληλη διάταξη Σε παράλληλη διάταξη μπορεί να μεταδοθεί ταυτόχρονα ισχύς στους κινητήριους τροχούς από δύο διαφορετικές πηγές, για παράδειγμα, τον κινητήρα εσωτερικής καύσης και τον ηλεκτρικό κινητήρα. Με την παράλληλη διάταξη το όχημα μπορεί να προγραμματιστεί να χρησιμοποιεί τον ηλεκτρικό κινητήρα αντί του κινητήρα εσωτερικής καύσης σε χαμηλότερες απαιτήσεις ισχύος, καθώς και να αυξήσει σημαντικά την διαθέσιμη ισχύς σε ένα μικρότερο κινητήρα εσωτερικής καύσης, και τα δύο από τα οποία αυξάνουν σημαντικά την οικονομία καυσίμου σε σύγκριση με ένα συμβατικό όχημα. Η δομή της παράλληλης διάταξης φαίνεται στην Εικόνα Ένα παράδειγμα PHEV με αυτή την διάταξη είναι τα Honda Accord που φαίνεται στην Εικόνα 2.13 [37]. Εικόνα 2.13 Το Honda Accord λειτουργεί σε παράλληλη διάταξη [15]. 38

39 Εικόνα 2.14 Δομή της παράλληλης διάταξης [15] Διάταξη διαχωρισμού ισχύος Η διάταξη διαχωρισμού ισχύος χρησιμοποιεί ένα πλανητικό σύστημα οδοντωτών τροχών για τη μετάδοση ισχύος από τον κινητήρα προς τους άξονες των τροχών, η οποία χρησιμοποιείται στο Toyota Prius [38]. Η διάταξη αυτή είναι η συνηθέστερη χρησιμοποιούμενη σήμερα στα διαθέσιμα PHEV. Με αυτή τη διαμόρφωση επιτρέπεται η αποσύνδεση (σε κάποιο βαθμό) της ταχύτητας του κινητήρα από την ταχύτητα του οχήματος. Αφενός, η ισχύς από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης μπορεί να «πηγαίνει» μηχανικά προς τον άξονα του τροχού μέσω του πλανητικού συστήματος. Αφετέρου, η ισχύς του κινητήρα μπορεί επίσης να ρέει μέσω της γεννήτριας, η οποία παράγει ηλεκτρική ενέργεια που θα τροφοδοτήσει τον ηλεκτρικό κινητήρα ο οποίος με την σειρά του μπορεί να ωθήσει τους τροχούς. Ως εκ τούτου, η διάταξη διαχωρισμού ισχύος επιτρέπει στην «παράλληλη διάταξη» και στην «εν σειρά διάταξη» να συνδυαστούν. Το Τoyota Prius Plug-in Hybrid που φαίνεται στην Εικόνα 2.15 εφαρμόζει την παραπάνω διάταξη η οποία παριστάνεται γραφικά στην Εικόνα Εικόνα 2.15 Το Τoyota Prius Plug-in Hybrid λειτουργεί με διάταξη διαχωρισμού ισχύος [15]. 39

40 Εικόνα 2.16 Δομή της διάταξης διαχωρισμού ισχύος [15]. 3. ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ 3.1. Ρύποι- Επιπτώσεις CO 2 Το CΟ 2 αν και όχι άμεσα τοξικό, αποτελεί ένα εκτεταμένης κλίμακας, απόβλητο με έμμεσες επιδράσεις στην εξέλιξη της ζωής στον πλανήτη και ως εκ τούτου κατατάσσεται στους αέριους ρύπους. Ευθύνεται κατά κύριο λόγο για το φαινομένου του θερμοκηπίου. Το φαινόμενο αυτό συνεπάγεται μια σταδιακή αύξηση της μέσης θερμοκρασία της Γης που θα προκαλέσει ευρείας κλίμακας κλιματολογικές αλλαγές, με πιθανό λιώσιμο των πάγων, πλημμυρίζοντας παράκτιες περιοχές και γενικότερα μεταβάλλοντας την ισορροπία στον πλανήτη [48]. CO Το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) είναι ένα άχρωμο και άοσμο αέριο, άγευστο ελάχιστα διαλυτό στο νερό, ελαφρύτερο του αέρα και αναφλέξιμο. Το μονοξείδιο του άνθρακα ανταγωνίζεται έντονα την δέσμευση του οξυγόνου από την αιμοσφαιρίνη του αίματος, (τον μεταφορέα δηλαδή του οξυγόνου στους ιστούς ενός οργανισμού) δημιουργώντας καρβοξυαιμοσφαιρίνη ή ανθρακυλαιμοσφαιρίνη, (COHb) και μειώνοντας την ικανότητα του αίματος να μεταφέρει οξυγόνο σε βασικούς ιστούς του οργανισμού, επιδρώντας κυρίως στο καρδιοαγγειακό και νευρικό σύστημα. Υψηλές συγκεντρώσεις μονοξειδίου του άνθρακα προκαλούν ζαλάδες, πονοκεφάλους και κόπωση [48]. 4

41 Υδρογονάνθρακες (HC) Η τάξη των ατμοσφαιρικών ρύπων, γνωστή ως υδρογονάνθρακες (HCs), περιλαμβάνει όλες τις ενώσεις που αποτελούνται από υδρογόνο και άνθρακα, εκτός από τα οξείδια του άνθρακα, τα καρβίδια και τα ανθρακικά άλατα. Οι περισσότεροι υδρογονάνθρακες δεν είναι τοξικοί σε χαμηλές συγκεντρώσεις ενώ ορισμένες ενώσεις είναι καρκινογόνες ή ύποπτες ως καρκινογόνες (ιδιαίτερα το βενζόλιο). Η σημασία τους προκύπτει από τη συμμετοχή τους στο σχηματισμό όζοντος, φορμαλδεΰδης, ακρολεΐνης και άλλων φωτοχημικών οξειδωτικών επομένως οι υδρογονάνθρακες συμμετέχουν στη φωτοχημική ρύπανση, και στο σχηματισμό φωτοχημικού νέφους. Στην ίδια κατηγορία περιλαμβάνονται και οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες, όπως το βενζόλιο και το βενζοπυρένιο, που παρουσιάζουν καρκινογόνο δράση [48]. Οξείδια του αζώτου (NO x ) Με τον όρο οξείδια του αζώτου εννοούνται το μονοξείδιο του αζώτου (NO) και το διοξείδιο του αζώτου (NO2) που εμφανίζονται στον αέρα. Το μονοξείδιο του αζώτου είναι αέριο άχρωμο και άοσμο. Αντίθετα το διοξείδιο έχει δριμεία μυρωδιά και κόκκινο κίτρινο - καστανό χρώμα. Μαζί με τα αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα μειώνει τη φωτεινότητα και δημιουργεί τη φωτοχημική αιθαλομίχλη. Έκθεση μικρής διάρκειας (π.χ. για λιγότερο από 3 ώρες) σε τρέχοντα επίπεδα NO 2, πιθανόν να οδηγήσει σε δυσλειτουργίες της αναπνευστικής ανταπόκρισης και αύξηση των ποσοστών εμφάνισης αναπνευστικών νόσων, όπως το παιδικό άσθμα(5-12 ετών). Παρατεταμένη έκθεση προκαλεί ευαισθησία του αναπνευστικού συστήματος και δύναται να οδηγήσει σε σοβαρές, μόνιμες αλλοιώσεις των πνευμόνων. Τα οξείδια του αζώτου συμμετέχουν στην εμφάνιση ποικιλίας αρνητικών επιπτώσεων στο περιβάλλον, όπως οι σημαντικές αλλαγές στη σύσταση ορισμένων ειδών βλάστησης υδροβιοτόπων και χερσαίων εκτάσεων, η εμφάνιση της όξινης βροχής, η οξίνιση και ο ευτροφισμός γλυκών υδάτων, η μειωμένη ορατότητα, η αύξηση επιπέδων τοξινών διαφόρων ειδών ψαριών και άλλων υδρόβιων ζώων, κ.ά. [48]. Σωματιδιακοί ρύποι Στην ατμόσφαιρα υπάρχει μια τεράστια ποικιλία σωματιδίων, τόσο από την άποψη της προέλευσης όσο και από την άποψη των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών, με κυριότερους εκπροσώπους τη σύσταση και το μέγεθος. Ταξινομούνται με βάση το μέγεθός τους κυρίως επειδή έχουν διαφορετική επίδραση στον ανθρώπινο οργανισμό ανάλογα με την διάμετρό τους. Γενικά ποικίλουν σε συγκέντρωση, φύση και στην κατανομή μεγέθους. Τα αιωρούμενα σωματίδια επηρεάζουν την αναπνοή και προκαλούν ασθένειες στο αναπνευστικό σύστημα, στους πνεύμονες και στην καρδιά. Τα παιδιά, τα άτομα που πάσχουν από άσθμα ή έχουν καρδιολογικά προβλήματα και οι ηλικιωμένοι, είναι ομάδες πληθυσμού ιδιαίτερα ευαίσθητες στην έκθεση σε υψηλές συγκεντρώσεις αιωρουμένων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Όσον πιο μικρά είναι τα σωματίδια τόσον πιο επικίνδυνα είναι. Η επικινδυνότητά τους εξαρτάται επίσης από τη χημική τους σύσταση. Η κυριότερη ανησυχία μας για τη σωματιδιακή ύλη που περιπλανάται στην ατμόσφαιρα προέρχεται από το γεγονός ότι σωματίδια κάποιου μεγέθους εισπνέονται και κατακρατούνται από το ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα. Η τοξικολογία των σωματιδίων απαιτεί τη γνώση τόσο του μεγέθους των σωματιδίων όσο και της χημικής σύνθεσης. Σωματίδια έως περίπου.5 μm κατακρατούνται από τη μύτη, ενώ αυτά κάτω των.5 μm συνήθως εναποθέτονται στην τραχεία των πνευμόνων. Μέταλλα, ιδιαίτερα Pb και Νi, υπό τη μορφή σκόνης ή σύνθετων μορίων έχουν τη χειρότερη φήμη από άποψη τοξικότητας [48]. 41

42 3.2. Πειραματική διάταξη Για την διαδικασία των μετρήσεων το καυσαέριο συλλέγεται μέσω αγωγού που συνδέεται απευθείας στην εξάτμιση του οχήματος (Σημείο Α Εικόνα 3.1) και στην συνέχεια οδηγείται στο κανάλι αραίωσης [6]. Το κανάλι είναι επίσης ένας αγωγός, στον οποίο διαμορφώνεται μια σταθερή παροχή μέσω της αντλίας σταθερού όγκου. Δηλαδή, η αντλία περιστρέφεται με σταθερό ρυθμό, άρα αντλεί και σταθερή παροχή. Η παροχή της αντλίας ρυθμίζεται ώστε να είναι περίπου 1πλάσια της μέσης παροχής καυσαερίου. Η συνολική παροχή μέσα στο κανάλι παραμένει ωστόσο σταθερή. Ο αέρας αραίωσης που εισάγεται στο κανάλι είναι αέρας περιβάλλοντος ο οποίος φιλτράρεται ώστε να μειωθεί η συγκέντρωσή του σε σκόνη. Το φίλτρο που χρησιμοποιείται έχει βαθμό απόδοσης τουλάχιστον 99,98%, επομένως ο αέρας που εισάγεται από το περιβάλλον στο κανάλι είναι γενικά καθαρός από σκόνη. Μετά την είσοδο στο κανάλι αραίωσης, ο αέρας και το καυσαέριο αναμιγνύονται εντός του αγωγού αραίωσης, μεταξύ των σημείων B και Γ (Εικόνα 3.1). Η απόσταση μεταξύ των σημείων αυτών είναι ίση τουλάχιστον με 1 διαμέτρους του αγωγού ώστε να επιτευχθεί πλήρης ανάμιξη. Εικόνα 3.1 Διάταξη συλλογής και αραίωσης καυσαερίου για τον προσδιορισμό εκπομπής ρύπων. Στο σημείο Γ συνδέονται αγωγοί απομάστευσης δείγματος του αραιωμένου πλέον καυσαερίου. Η παροχή μέσα από τους αγωγούς είναι σταθερή και καθορίζεται επίσης από ογκομετρικές αντλίες. Ως αποτέλεσμα, η παροχή του δείγματος είναι ανάλογη της παροχής του συνολικού (αραιωμένου) καυσαερίου. Για μια τυπική μέτρηση επιβατηγού οχήματος, η παροχή μέσα στο κανάλι είναι της τάξης των 6 m 3 /h και η παροχή του δείγματος είναι της τάξης του 1 m 3 /h. Η συγκέντρωση των ρύπων είναι η ίδια και στις δύο παροχές. Το δείγμα οδηγείται σε σάκους όπου και συλλέγεται. Οι σάκοι είναι κατασκευασμένοι από υλικό Tedlar και συλλέγουν δείγμα καυσαερίου καθ όλη τη διάρκεια της μέτρησης. Επομένως η συγκέντρωση των ρύπων μέσα στους σάκους είναι ίση με τη μέση τιμή της συγκέντρωσης 42

43 στη διάρκεια της μέτρησης. Οι σάκοι χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των CO, CO2, NO x και HC.(εκτός των HC των diesel οχημάτων όπου η μέτρηση γίνεται απευθείας από τον αναλυτή). Το σύνολο του δείγματος που έχει συλλεχθεί στο σάκο διέρχεται σταδιακά μέσω του αναλυτή όπου και γίνεται ανάλυση της συγκέντρωσης του κάθε ρύπου. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει μια πιο αξιόπιστη μέτρηση της συγκέντρωσης έναντι της απευθείας μέτρησης. Ο λόγος είναι ότι όταν το δείγμα πρώτα συλλέγεται σε σάκο, τότε η συγκέντρωση ρύπων που μετράει ο αναλυτής είναι σταθερή. Αντίθετα, στην απευθείας μέτρηση η συγκέντρωση μεταβάλλεται ανά δευτερόλεπτο και επομένως η μέτρηση υπόκειται σε σφάλματα απόκρισης του αναλυτή σε μεταβατική λειτουργία Δυναμομετρική πέδη Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων, το όχημα τοποθετείται με τους κινητήριους τροχούς σε δυναμομετρική πέδη, όπως εμφανίζεται στην Εικόνα 3.2. Το όχημα στερεώνεται (δένεται με ιμάντες) σε σταθερή βάση στο έδαφος. Οι κινητήριοι τροχοί κυλίονται πάνω σε έναν κύλινδρο, ο οποίος περιστρέφεται με περιφερειακή ταχύτητα ίση με την προσομοιούμενη ταχύτητα κίνησης του οχήματος [6]. Το όχημα τοποθετείται στην πέδη τουλάχιστον οκτώ ώρες πριν τη μέτρηση και αφήνεται να ηρεμήσει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (2-23 C), ώστε όλα τα συστήματά του να φτάσουν αυτή τη θερμοκρασία. Οι μετρήσεις των ρύπων επίσης πραγματοποιούνται στην ίδια θερμοκρασία. Η πέδη προσομοιώνει τις αντιστάσεις κίνησης του οχήματος κατά τη λειτουργία του σε δρόμο. Συγκεκριμένα, η πέδη συνδέεται με ηλεκτρική γεννήτρια η οποία βαθμονομείται ώστε να προσομοιώνει την αντίσταση κύλισης και την αεροδυναμική αντίσταση του οχήματος κατά την κίνησή του σε συγκεκριμένες ταχύτητες. Για την προσομοίωση της αδρανειακής αντίστασης, η πέδη εφοδιάζεται με σφονδύλους διαφορετικού μεγέθους ώστε να μπορούν να προσομοιωθούν οχήματα διαφορετικής μάζας. Η αδράνεια του σφονδύλου αντιστέκεται στην επιτάχυνση του οχήματος. Μεγαλύτερος σφόνδυλος αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο βάρος οχήματος. Με τον τρόπο αυτό, το όχημα κατά τη λειτουργία του στην πέδη εκτίθεται στο σύνολο των αντιστάσεων που αναπτύσσονται κατά την κίνησή του σε επίπεδο δρόμο. Μπροστά από το όχημα τοποθετείται ανεμιστήρας, ο οποίος συνδέεται ηλεκτρικά με την πέδη. Η ταχύτητα του ανεμιστήρα είναι ανάλογη της προσομοιούμενης ταχύτητας κίνησης του οχήματος. Η χρήση του ανεμιστήρα δε γίνεται προφανώς για προσομοίωση της αεροδυναμικής αντίστασης, αυτή προσομοιώνεται από την πέδη. Γίνεται για την ψύξη του κινητήρα και των συστημάτων μετεπεξεργασίας του καυσαερίου με ρεαλιστικό τρόπο, ώστε να μην διαφοροποιούνται οι συνθήκες μεταξύ κίνησης σε οδό και λειτουργίας στο εργαστήριο. Στην παρακάτω Εικόνα 3.3 φαίνεται πόση ισχύς πρέπει να δώσει η δυναμομετρική πέδη για να καλύψει το φορτίο ανάλoγα με την ταχύτητα του οχήματος Prius Plug-in Hybrid. 43

44 Ισχύς [kw] Εικόνα 3.2 Το Prius Plug-in Hybrid στην δυναμομετρική πέδη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του ΑΠΘ. Μπροστά από το όχημα φαίνεται ο ανεμιστήρας ψύξης Ταχύτητα οχήματος [km/h] Εικόνα 3.3 Προσομοίωση των αντιστάσεων κίνησης του Prius από την δυναμομετρική πέδη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. 44

45 3.4. Όργανα-συσκευές μετρήσεων CPC (Condensation Particle Counter Model 31) Το μοντέλο 31 CPC, που δείχνεται στην Εικόνα 3.4, είναι ένα όργανο καταμέτρησης σωματιδίων, που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση σωματιδίων διαμέτρου τουλάχιστον,1 μm [39]. Εικόνα 3.4 Συσκευή μετρήσεως σωματιδίων.tsi Model 31 Condensation Particle Counter. Αρχή λειτουργίας Το μοντέλο 31 CPC μετρά τη συγκέντρωση αριθμού μεμονωμένων σωματιδίων που έχουν διάμετρο,1 μm ή μεγαλύτερη. Τα σωματίδια ανιχνεύονται με τεχνική συμπύκνωσης ατμών αλκοόλης επί των σωματιδίων, προκαλώντας τους να πάρουν μορφή σταγονιδίων. Έχοντας πλέον αυτή την μορφή, είναι εύκολο να καταμετρηθούν με έναν απλό οπτικό ανιχνευτή σωματιδίων (Εικόνα 3.5). Ο μετρητής σωματιδίων συμπύκνωσης λειτουργεί ως οπτικός μετρητής σωματιδίων. Ωστόσο, σε ένα CPC, τα σωματίδια πρώτα μεγεθύνονται με τεχνική συμπύκνωσης ατμών για να σχηματίσουν σταγονίδια τα οποία είναι εύκολα ανιχνεύσιμα. Η επιστήμη του μετρητή επομένως, επικεντρώνεται στο πώς θα συμπυκνωθεί ο ατμός επί των σωματιδίων. Όταν ο ατμός που περιβάλλει τα σωματίδια φθάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο υπερκορεσμού, ο ατμός αρχίζει να συμπυκνώνεται πάνω στα σωματίδια. Αυτό ονομάζεται ετερογενής συμπύκνωση. Αν το επίπεδο υπερκορεσμού γίνει αρκετά υψηλό, η συμπύκνωση μπορεί να λάβει χώρα ακόμη και αν δεν υπάρχουν παρόντα σωματίδια. Αυτό ονομάζεται ομογενής πυρήνωση σύμφωνα με την οποία τα μόρια των ατμών λόγω της φυσικής κίνησης του αερίου και των ελκυστικών δυνάμεων Van der Waals σχηματίζουν θέσεις δημιουργίας πυρήνων. 45

46 Ο βαθμός υπερκορεσμού βρίσκεται από τον λόγο κορεσμού (Ρ/Ps), που ορίζεται ως η πραγματική μερική πίεση ατμών δια την πίεση κορεσμού ατμών για μια δεδομένη θερμοκρασία. Για ένα συγκεκριμένο λόγο κορεσμού, ο ατμός μπορεί να συμπυκνωθεί επάνω σε σωματίδια μόνον αν είναι αρκετά μεγάλα. Το ελάχιστο μέγεθος των σωματιδίων για να μπορούν να ενεργούν ως πυρήνες συμπύκνωσης ονομάζεται διάμετρος Kelvin και μπορεί να υπολογιστεί από την ακόλουθη σχέση και απαιτεί γνώση των παρακάτω μεγεθών: Λόγος Κορεσμού= P/ Ps = exp (4gM r/rtd) Όπου g = η επιφανειακή τάση του ρευστού συμπύκνωσης M = μοριακό βάρος του ρευστού συμπύκνωσης r = πυκνότητα του ρευστού συμπύκνωσης R = παγκόσμια σταθερά των αερίων T = απόλυτη θερμοκρασία d = διάμετρος Kelvin. Όσο υψηλότερη είναι η αναλογία κορεσμού, τόσο μικρότερη είναι η διάμετρος Kelvin. Εικόνα 3.5 Σχηματική ροή του μοντέλου 31 CPC. Η πίεση κορεσμού ατμών Ps ορίζεται για επίπεδη επιφάνεια του υγρού. Για μια σφαιρική επιφάνεια του υγρού, όπως είναι η επιφάνεια ενός σταγονιδίου, η πραγματική πίεση κορεσμού ατμών είναι μεγαλύτερη. Με άλλα λόγια, όσο μικρότερο είναι το σταγονίδιο, τόσο ευκολότερο είναι για τα μόρια του ατμού να ξεφύγουν από την επιφάνεια του υγρού. Η διάμετρος Kelvin ορίζει την κρίσιμη διάμετρο ισορροπίας κατά την οποία ένα σταγονίδιο παραμένει σταθερό δεν υπάρχει ούτε συμπύκνωση ούτε εξάτμιση. Μικρότερα σωματίδια υγρού θα εξατμιστούν ενώ μεγαλύτερα σωματίδια αυξάνονται ακόμη περισσότερο λόγω 46

47 συμπύκνωσης. Το μεγαλύτερο σωματίδιο θα αυξάνεται έως ότου ο ατμός εξαντληθεί, προκαλώντας έτσι τον λόγο κορεσμού να μειωθεί μέχρι να είναι επέλθει ισορροπία με το σωματίδιο-σταγονίδιο. Εάν ο λόγος κορεσμού βρίσκεται κάτω από το κρίσιμο λόγο δεν θα λάβει χώρα η ομογενής πυρήνωση. Ο αισθητήρας αποτελείται από μία δεξαμενή υγρού, ένα θερμαντήρα κορεσμού, τον συμπυκνωτή, και έναν οπτικό ανιχνευτή. Η δεξαμενή έχει αρκετό υγρό (βουτανόλη) για να λειτουργεί τον αισθητήρα συνεχώς για επτά ημέρες. Η ροή εισέρχεται στο τμήμα εμποτισμού όπου παράλληλα θερμαίνεται. Το μπλοκ συνεχώς αντλεί υγρό από τη δεξαμενή. Είναι κατασκευασμένο από ένα ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό για να αποφευχθεί η συσσώρευση που θα μπορούσε να προκαλέσει απώλειες σωματιδίων στα τοιχώματα. Το υγρό εξατμίζεται και διαποτίζει το ρεύμα αέρα με ατμό. Το ρεύμα αέρα εισέρχεται έπειτα στο συμπυκνωτή όπου ψύχεται χρησιμοποιώντας μια θερμοηλεκτρική συσκευή έξω από το συμπυκνωτή. Ο ατμός ψύχεται, καθίσταται υπερκορεσμένος, και αρχίζει να συμπυκνώνεται επί των σωματιδίων του αερολύματος για να σχηματιστούν μεγαλύτερα σταγονίδια. Τα σταγονίδια έπειτα από τον σωλήνα συμπυκνωτή περνούν διαμέσου ενός ακροφυσίου μέσα στον οπτικό ανιχνευτή. Το υγρό που συμπυκνώνεται στα τοιχώματα του σωλήνα συμπύκνωσης ρέει πίσω όπου και επαναχρησιμοποιείται. To οπτικό κομμάτι του αισθητήρα αποτελείται από μια δίοδο laser, όπου με την κατάλληλη γεωμετρία σχηματίζεται μια ταινία φωτός λέιζερ ακριβώς πάνω από το ακροφύσιο εξόδου του αερολύματος. Η συλλογή γίνεται με φακούς που συλλέγουν το φως σε μια φωτοδίοδο χαμηλού θορύβου. Για να αποφευχθεί η συμπύκνωση επί των επιφανειών του φακού, θα πρέπει η θερμοκρασία επιφάνειας του περιβλήματος των οπτικών να διατηρείται, ίση ή μεγαλύτερη από της θερμοκρασία που γίνεται ο εμποτισμός Pegasor Particle Sensor (PPS) Χρησιμοποιήθηκε επίσης ο αισθητήρας Pegasor για την εκτίμηση της συγκέντρωσης του βάρους των σωματιδίων. Εικόνα 3.6 Ο αισθητήρας Pegasor. 47

48 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Η τεχνολογία του αισθητήρα Pegasor βασίζεται στο ηλεκτρικό φορτίο που μεταφέρεται από τα σωματίδια. Είναι μια διαδικασία μέτρησης που δεν χρειάζεται συλλογή των σωματιδίων και έτσι δεν απαιτείται ιδιαίτερη συντήρηση [4]. Ο αισθητήρας Pegasor περιλαμβάνει μια είσοδο, όπου εισέρχεται ρευστό που δεν περιέχει σωματίδια. Τυπικά αυτό το ρευστό είναι φιλτραρισμένος αέρας. Η ροή αυτή παράγει μία υποπίεση στην είσοδο του δείγματος και λόγω της αρνητικής πίεσης, αερόλυμα που περιέχει σωματίδια εισέρχεται στον αισθητήρα. Ο καθαρός από σωματίδια αέρας υγρό κίνητρο ιονίζεται πριν εισέλθει τον αισθητήρα. Αυτός ο ιονισμένος αέρας στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη φόρτιση των σωματιδίων στον αισθητήρα. Η ανάμιξη μεταξύ του ιονισμένου αέρα και της ροής του δείγματος είναι πολύ αποτελεσματική και έτσι όλα τα σωματίδια φορτίζονται αποτελεσματικά. Η φόρτιση που προκύπτει είναι ανάλογη του μεγέθους των σωματιδίων. Τα ιόντα που δεν προσκολλώνται με τα σωματίδια απομακρύνονται από την ροή του αερίου με την βοήθεια μιας παγίδας ιόντων. Δεδομένου ότι η ηλεκτρική κινητικότητα των ιόντων είναι πολύ υψηλότερη από την κινητικότητα των φορτισμένων σωματιδίων, η παγίδα ιόντων αφαιρεί αποτελεσματικά μόνο τα ιόντα. Όταν αφαιρεθούν τα ελεύθερα ιόντα, ο μόνος μηχανισμός που μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα είναι η ροή των φορτισμένων σωματιδίων. Το ηλεκτρικό ρεύμα που διαφεύγει από τον αισθητήρα με τα φορτισμένα σωματίδια μπορεί να μετρηθεί και αυτό δίνει μια άμεση, γρήγορη, και σε πραγματικό χρόνο μέτρηση της συγκέντρωσης των σωματιδίων. Το αποτέλεσμα της μέτρησης μπορεί να εκφραστεί είτε ως συγκέντρωση μάζας σωματιδίων, είτε ως συγκέντρωση αριθμού σωματιδίων αλλά είναι δυνατή και η ταυτόχρονη μέτρηση αυτών. Εικόνα 3.7 Λειτουργικά χαρακτηριστικά του Pegasor. 48

49 Κύρια χαρακτηριστικά του αισθητήρα αποτελούν τα παρακάτω: Συμπαγής σχεδιασμός, που εγκαθίσταται απευθείας στην εξάτμιση του αυτοκινήτου χωρίς πολύπλοκες διαδικασίες. Τα σωματίδια δεν συλλέγονται, απλά προσμετρούνται παρέχοντας έτσι την δυνατότητα περαιτέρω χρησιμοποίησης του αερολύματος. Τα ευαίσθητα μέρη προστατεύονται από την ροή των καυσαερίων κάτι που οδηγεί σε χαμηλή συντήρηση. Υψηλή ανάλυση και μεγάλη ευαισθησία (1 Hz,.3s χρόνο απόκρισης). Συνεπώς ο αισθητήρας είναι σε θέση να αποκαλύψει έγκαιρα και αποτελεσματικά μια μεταβολή της συγκέντρωσης σωματιδίων. Έτσι μπορούμε να κατανοήσουμε εύκολα τους λόγους για τους οποίους υπήρξε η μεταβολή. Πίνακας 3.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά του Pegasor. ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Ελάχιστo ανιχνεύσιμo μέγεθος σωματιδίων Μέγιστο ανιχνεύσιμο μέγεθος σωματιδίων Εύρος συγκέντρωσης σωματιδίων Θερμοκρασία λειτουργίας Θερμοκρασία του δείγματος Συνολικό μήκος Βάρος Μερικά nm, έως και 23 nm* Περίπου 2,5 μm. Από 1 μg έως 25 mg/m3 (Τ = -2 C - 2 C) Από -2 C έως +5 C. Έως 2 C (όριο θερμοκρασίας του δείγματος στο εσωτερικό του αισθητήρα) 4 cm 2.6 kg * εξαρτάται από την επιλεγμένη τάση της παγίδας Αναλυτές καυσαερίων Διαφορετικοί αναλυτές χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του κάθε ρύπου [6]. Για τη μέτρηση CO και CO 2 χρησιμοποιούνται αναλυτές NDIR (non-dispersive infrared). Στον αναλυτή αυτό εκπέμπεται υπέρυθρη ακτινοβολία συγκεκριμένου μήκους κύματος. Η απορρόφηση της ακτινοβολίας από το CO και το CO 2 μειώνει την ένταση του φωτός που καταλήγει σε έναν ευαίσθητο ανιχνευτή. Η μείωση της έντασης ως προς ένα επίπεδο αναφοράς είναι ανάλογη της συγκέντρωσης των αερίων. Η απορρόφηση φωτός από το CO 2 και του H 2 Ο είναι σε αντίστοιχα μήκη κύματος. Αυτό μπορεί να προκαλέσει πρόβλημα στην αξιόπιστη μέτρηση του CO 2. Για να αποφευχθεί επομένως λάθος στη μέτρηση, το καυσαέριο πρώτα ξηραίνεται ώστε να απομακρυνθεί το νερό και στη συνέχεια εισέρχεται στο χώρο ανίχνευσης του αναλυτή. Οι αναλυτές φαίνονται στην Εικόνα

50 Εικόνα 3.8 Αναλυτές μέτρησης CO και CO 2. Για τη μέτρηση οξειδίων του αζώτου χρησιμοποιείται αναλυτής χημειοφωταύγειας CLD (chemiluminscence). Ο αναλυτής (Εικόνα 3.9) καταγράφει την ένταση φωτός που εκπέμπεται όταν μονοξείδιο του αζώτου οξειδωθεί προς διοξείδιο από ένα άτομο όζοντος. Το σχηματιζόμενο μόριο διοξειδίου του αζώτου αρχικά βρίσκεται σε ενεργοποιημένη μορφή, δηλαδή με ηλεκτρόνιο σε στοιβάδα μεγαλύτερης ενεργειακά στάθμης. Πολύ γρήγορα το ηλεκτρόνιο μεταπίπτει στην κανονική του στοιβάδα και το μόριο εκπέμπει ένα φωτόνιο. Μέτρηση των φωτονίων παρέχει τη συνολική συγκέντρωση μονοξειδίου του αζώτου. Για την μέτρηση της συγκέντρωσης NO 2 με αυτή την τεχνική, το NO 2 πρώτα ανάγεται σε NO στην επιφάνεια καταλύτη και στη συνέχεια προσδιορίζεται και αυτό ως NO. Άρα ένας αναλυτής CLD μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης NO είτε για το άθροισμα της συγκέντρωσης NO+NO 2. Ακόμη για τη μέτρηση των υδρογονανθράκων χρησιμοποιείται ανιχνευτής FID (flame ionization detector). Στον ανιχνευτή διατηρείται καύση υδρογόνου και οι υδρογονάνθρακες που εισέρχονται με την παροχή καυσαερίου στην περιοχή της φλόγας καίγονται, δημιουργώντας ίσο αριθμό αρνητικών και θετικών ιόντων. Τα αρνητικά ιόντα συλλέγονται με τη βοήθεια ηλεκτρικού πεδίου και η ένταση του ρεύματος που παράγουν αντιστοιχίζεται στη συγκέντρωση υδρογονανθράκων. Ο ανιχνευτής FID δεν μπορεί να διακρίνει μεταξύ διαφορετικών μορίων υδρογονανθράκων. Πρακτικά, η ένταση του ρεύματος είναι ανάλογη της συγκέντρωσης δεσμών άνθρακα υδρογόνου. Ο ανιχνευτής βαθμονομείται με προπάνιο. Έτσι η ένταση ρεύματος αντιστοιχίζεται σε συγκέντρωση προπανίου. Επομένως η εκπομπή HC από το κάθε όχημα αποδίδεται σε ισοδύναμο συγκέντρωσης προπανίου. 5

51 Εικόνα 3.9 Aναλυτής μέτρησης οξειδίων του αζώτου Τέλος, η μέτρηση σωματιδιακής ύλης (particulate matter - PM) γίνεται με διήθηση του καυσαερίου σε φίλτρο. Το φίλτρο κατακρατά τα σωματίδια που αιωρούνται στο καυσαέριο. Ζύγιση του φίλτρου πριν και μετά τη μέτρηση οδηγεί σε προσδιορισμό της σωματιδιακής μάζας ως τη διαφορά βάρους του φίλτρου. Η μέτρηση της μάζας είναι δύσκολη και ευαίσθητη. Για ένα σύγχρονο όχημα Euro 5, η συνολική μάζα σωματιδίων που συλλέγεται σε ένα τυπικό φίλτρο διαμέτρου 47 mm είναι μόλις 2μg. Η μάζα του φίλτρου είναι περίπου 9 mg. Επομένως η συνολική μάζα σωματιδίων είναι μόλις το ~,2% της συνολικής μάζας του φίλτρου. Η μέτρησης μιας τόσο μικρής ποσότητας μάζας (και σε απόλυτο και σε σχετικό επίπεδο) κάνει τη μέτρηση πολύ επιρρεπή σε σφάλματα. Για παράδειγμα, η μάζα υδρατμών που έχει προσροφηθεί στο φίλτρο μπορεί να είναι εξίσου σημαντική με τη μάζα σωματιδίων. Κακός έλεγχος της υγρασίας επομένως μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική απόκλιση του μετρούμενου μεγέθους. Για την αποφυγή τέτοιων σφαλμάτων, η νομοθεσία ορίζει ένα αυστηρό πρωτόκολλο μέτρησης και ζύγισης Κύκλοι οδήγησης Γενική περιγραφή 51

52 Πλήθος ατμοσφαιρικών ρύπων εκπέμπονται από οχήματα δρόμου ως αποτέλεσμα της καύσης και άλλων διεργασιών των οχημάτων. Οι εκπομπές ρύπων από τα αυτοκίνητα μετρώνται χρησιμοποιώντας τους κύκλους οδήγησης. Ως κύκλος οδήγησης θεωρείται ένα τυποποιημένο προφίλ ταχύτητας του οχήματος καθώς και επιλογής σχέσης μετάδοσης (από το κιβώτιο ταχυτήτων) συναρτήσει του χρόνου. Ο κύκλος οδήγησης ουσιαστικά αντιπροσωπεύει τις οδηγικές συμπεριφορές των οδηγών, τις ιδιαιτερότητες των δρόμων. Σκοπός της ιδέας του κύκλου οδήγησης είναι να αντιπροσωπευτεί ο δρόμος στο εργαστήριο δοκιμών. Τοιουτοτρόπως επιτυγχάνεται μείωση του κόστους, το οποίο θα ήταν πολλαπλάσιο εάν τα πειράματα γινόταν επί του δρόμου. Οι κύκλοι οδήγησης αποτελούν ζωτικής σημασίας εργαλεία στην διαδικασία εκτίμησης των εκπομπών ενός οχήματος. Οι κύκλοι οδήγησης δημιουργούνται από διάφορες χώρες και οργανισμούς με στόχο να αφουγκραστούν όσο το δυνατόν καλύτερα τις οδηγικές συνήθειες, τις ιδιαιτερότητες, μιας περιοχής, μιας χώρας κλπ, κάτι που θα οδηγήσει στην δημιουργία κύκλων, όσο το δυνατόν πιο αντιπροσωπευτικών των πραγματικών συνθηκών οδήγησης. Παραδείγματος χάριν εάν στην Ινδία εφαρμοσθεί ένα Ευρωπαϊκό πρότυπο μετρήσεων, δεν θα έχουμε μια δίκαιη σύγκριση λόγω των διαφορετικών οδηγικών συμπεριφορών που επικρατούν στην περιοχή. Κάποιοι ευρέως διαδεδομένοι κύκλοι οδήγησης είναι οι εξής : ΔΙΕΘΝΗΣ Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLTP) Αφορά ελαφρά οχήματα (π.χ. επιβατικά οχήματα). Βρίσκεται ακόμα υπό ανάπτυξη και προορίζεται για τις μελλοντικές εγκρίσεις πιστοποίησης εκπομπών των οχημάτων σε όλο τον κόσμο. Όταν ολοκληρωθεί, ο WLTP αναμένεται να αντικαταστήσει τον Ευρωπαϊκό NEDC που χρησιμοποιείται για τις εγκρίσεις πιστοποιήσεων για ελαφρούς τύπους οχημάτων. World Harmonized Transient Cycle (WHTC) Αφορά βαρέα οχήματα (π.χ. φορτηγά). Βρίσκεται ακόμα υπό ανάπτυξη και προορίζεται για τις μελλοντικές εγκρίσεις πιστοποίησης εκπομπών των οχημάτων σε όλο τον κόσμο. ISO 8178 Κύκλος που αποτελείται από αρκετά σημεία σταθερής κατάστασης. Χρησιμοποιείται για επιλεγμένες μη οδικές εφαρμογές κινητήρων (όπως για παράδειμα αγροτικές εφαρμογές) στην Ευρώπη, τις ΗΠΑ και την Ιαπωνία. ΗΝΩΜΕΝΕΣ ΠΟΛΙΤΕΙΕΣ ΑΜΕΡΙΚΗΣ FTP 75 (Federal Test Procedure) Χρησιμοποιείται για τον έλεγχο πιστοποίησης των εκπομπών των επιβατικών αυτοκινήτων στις ΗΠΑ για οδήγηση στην πόλη. Δημιουργήθηκε από την Αμερικανική Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος EPA (Environmental Protection Agency). SFTP US6 52

53 Μία συμπληρωματική διαδικασία της FTP για την προσομοίωση μιας πιο επιθετικής οδήγησης σε αυτοκινητόδρομο. New York City Cycle Ο κύκλος προσομοιώνει οδήγηση χαμηλών ταχυτήτων στην πόλη της Νέας Υόρκης. ΕΥΡΩΠΑΙΚΗ ΕΝΩΣΗ NEDC (New European Driving Cycle) Πρόκειται για κύκλο που χρησιμοποιείται για τις μετρήσεις εκπομπών και την πιστοποίηση στην Ευρώπη. Αποτελείται από τέσσερις αστικούς κύκλους οδήγησης ECE (4 ECE είναι ένας UDC-Urban Driving Cycle), οι οποίοι προσομοιώνουν οδήγηση στην πόλη, και έναν υπεραστικό κύκλο οδήγησης EUDC (Extra-Urban Driving Cycle), προσομοιώνοντας συνθήκες οδήγησης υπεραστικών διαδρομών. Η διαδικασία με κρύα εκκίνηση, η οποία εισήχθη το 2, αναφέρεται ως Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλο Οδήγησης (NEDC). Common Artemis Driving Cycles (CADC) Αυτός ο κύκλος βασίστηκε στην στατιστική ανάλυση των ευρωπαϊκών πραγματικών συνθηκών οδήγησης. Υποκατηγοριοποιείται σε τρία πρότυπα οδήγησης, την αστική (Urban), την υπεραστική (Rular) και την οδήγηση σε αυτοκινητοδρόμους (Motorway). ΙΑΠΩΝΙΑ JC8 Cycle O Ιαπωνικός κανονισμός περί εκπομπών του 25 εισήγαγε τον JC8 κύκλο οδήγησης ο οποίος αφορά ελαφρά οχήματα (<35 kg μικτό βάρος). Ο κύκλος αντιπροσωπεύει την οδήγηση στην κυκλοφοριακή συμφόρηση της πόλης, συμπεριλαμβανομένων των περιόδων ρελαντί και των συχνών επιταχύνσεων και επιβραδύνσεων Ανάλυση χαρακτηριστικών των κύκλων οδήγησης Στα πλαίσια του έργου του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής έλαβαν χώρα πειράματα για το Prius Plug-in Hybrid. Οι κύκλοι οδήγησης στους οποίους δοκιμάστηκε το Prius ήταν οι εξής: 1. NEDC 2. ARTEMIS ROAD 3. ARTEMIS URBAN 4. WLTC 5. ERMES Οι κύκλοι οδήγησης μπορούν να είναι είτε τυποποιημένοι, όπως ο NEDC ή ο JC8 με σταθερές επιταχύνσεις και επιβραδύνσεις, είτε να προέρχονται από στατιστική ανάλυση, 53

54 πραγματικών συνθηκών οδήγησης, όπως ο CADC και ο WLTC. Οι εν λόγω κύκλοι είναι περισσότερο δυναμικοί, αντικατοπτρίζοντας μοτίβα πιο βίαιων επιταχύνσεων και επιβραδύνσεων που σημειώθηκαν σε πραγματικές συνθήκες δρόμου. Παρακάτω παρατίθενται κάποια στοιχεία για τους κύκλους αυτούς NEDC Πρόκειται για τον κύκλο οδήγησης που χρησιμοποιείται από τις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης (ΕΕ) για την πιστοποίηση των επιβατικών αυτοκινήτων και ελαφρών φορτηγών. H πιστοποίηση εκδίδεται όταν ικανοποιούνται τα διάφορα όρια εκπομπών ρύπων που καθορίζονται από τη νομοθεσία. Ο κύκλος NEDC αποτελείται από τέσσερα τμήματα οδήγησης αστικού κύκλου (ECE) και έναν υπεραστικό κύκλο οδήγησης (EUDC). Η διαδικασία αυτή ονομάστηκε Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης (NEDC) αφότου μετατράπηκε σε διαδικασία ψυχρής εκκίνησης (δηλαδή η δειγματοληψία των εκπομπών ξεκινά την ίδια στιγμή με τον κινητήρα) [41], ενώ πριν το 2 πρώτα λειτουργούσε ο κινητήρας για 4 δευτερόλεπτα στο ρελαντί, και μετά άρχιζε η δειγματοληψία. Αυτή η αλλαγή επιτεύχθηκε στις αρχές του 2. Ο UDC, εισάγεται για πρώτη φορά το 197, ως μέρος των κανονισμών ECE για τα οχήματα. Η πρόσφατη έκδοση ορίζεται από τους κανονισμούς ECE R83, R84 και R11. Ο κύκλος έχει σχεδιαστεί για να αντιπροσωπεύει τις τυπικές συνθήκες οδήγησης πολυσύχναστων ευρωπαϊκών πόλεων, και χαρακτηρίζεται από τα χαμηλά φορτία του κινητήρα, την χαμηλή θερμοκρασία των καυσαερίων και έχει μέγιστη ταχύτητα 5 km / h. Ο ECE ολοκληρώνεται σε 195 s μετά από μια θεωρητική απόσταση 117 μέτρων. Στον NEDC επαναλαμβάνεται τέσσερις συνεχόμενες φορές ο ECE. Η συνολική διάρκεια είναι 78s όπου διανύεται θεωρητική απόσταση 467 m, με μέση ταχύτητα 18,8 km/h. Πίνακας 3.2 Βασικά χαρακτηριστικά του NEDC [41]. Χαρακτηριστικά Μονάδες ΝEDC Απόσταση m 117 Συνολικός χρόνος s 118 Χρόνος που το όχημα επιταχύνει s 287 Χρόνος που το όχημα επιβραδύνει s 24 Μ εση ταχύτητα (συμπ. οι στάσεις) km/h 33.6 Μ έγιστη ταχύτητα km/h 12.1 Τυπική απόκλιση ταχύτητας km/h 28.9 Μ έση επιτάχυνση m/s 2.5 Τυπική απόκλιση επιτάχυνσης m/s 2.2 Αριθμός επιταχύνσεων - 31 Αριθμός στάσεων - 14 O EUDC (υπεραστικός κύκλος οδήγησης), που θεσπίστηκε το 199 από ECE R11, έχει σχεδιαστεί για να αντιπροσωπεύει μια περισσότερο επιθετική οδήγηση με υψηλότερες ταχύτητες. Η μέγιστη ταχύτητα του EUDC κύκλου είναι 12 km/h. Η συνολική διάρκεια της 54

55 Vehicle speed [km/h] διαδικασίας είναι 4 s (6 λεπτά και 4 δευτερόλεπτα) και η θεωρητική απόσταση είναι 6956 μέτρα, με μια μέση ταχύτητα 62,6 km/h. Παρακάτω στην Εικόνα 3.1 φαίνεται το προφίλ του ΝΕDC ενώ στον Πίνακα 3.2 παρουσιάζονται κάποια από τα βασικά χαρακτηριστικά του NEDC Εικόνα 3.1 Το προφίλ του NEDC. Επαναλαμβάνεται 4 φορές o ECE και διαγράφεται από τα s εώς τα 78 s. O EUDC διαγράφεται από τα 78 s έως 118 s. Σε μια προσπάθεια αποτίμησης του κύκλου οδήγησης NEDC θα πρέπει να αναφερθούν κάποια μειονεκτήματα που φαίνεται να παρουσιάζει. Κυριότερη θεωρείται η αδυναμία του κύκλου να προσομοιώσει το πραγματικό τυπικό και καθημερινό οδηγικό προφίλ. Ο NEDC σχεδιάστηκε σε μία εποχή όπου τα οχήματα ήταν ελαφρύτερα και λιγότερο ισχυρά [42]. Ο κύκλος έχει ένα μοτίβο οδήγησης που αποτελείται από ήπιες επιταχύνσεις, αυξημένο χρόνο οδήγησης σε σταθερές ταχύτητες, και περιλαμβάνει αρκετό χρόνο λειτουργίας σε κατάσταση ρελαντί. Στην πράξη όμως οι επιταχύνσεις είναι πιο απότομες και πιο δυναμικές. Ως πλεονέκτημα του NEDC μπορεί να χαρακτηριστεί η απλότητα του και η ευκολία στη χρήση του ARTEMIS Κατά την δεκαετία του 9, οι ερευνητές ανέλαβαν να συλλέξουν δεδομένα για την πραγματική οδήγηση των ευρωπαϊκών αυτοκινήτων για να μπορέσουν να εξάγουν κύκλους οδήγησης αντιπροσωπευτικούς του τρόπου οδήγησης του πραγματικού κόσμου. Μέσω του Ευρωπαϊκού ερευνητικού έργου ARTEMIS, οι ερευνητές προσπάθησαν να αποκομίσουν μια σειρά από κύκλους οδήγησης αναφοράς. Οι κύριοι στόχοι ήταν οι ακόλουθοι: -Να εξαχθεί ένα κοινό σύνολο κύκλων οδήγησης αναφοράς αντιπροσωπευτικών του πραγματικού κόσμου που θα χρησιμοποιηθεί στο πλαίσιο του έργου ARTEMIS αλλά επίσης 55

56 Vehicle speed [km/h] θα χρησιμοποιηθεί και στο πλαίσιο των εθνικών μετρήσεων εκπομπών ρύπων, για να εξασφαλιστεί η συμβατότητα και ενσωμάτωση όλων των στοιχείων που αφορούν τις εκπομπές, που προκύπτουν από τα ευρωπαϊκά συστήματα καταμέτρησης. -Να εξασφαλίσει και να επικυρώσει την αντιπροσωπευτικότητα της βάσης δεδομένων στους κύκλους οδήγησης συγκρίνοντας και λαμβάνοντας υπόψη όλα τα διαθέσιμα στοιχεία σχετικά με τις συνθήκες οδήγησης. -Να συμπεριληφθεί σε τρεις κύκλους οδήγησης (αστικό, υπεραστικό και αυτοκινητοδρόμου) η ποικιλομορφία των παρατηρούμενων συνθηκών οδήγησης, και ο επιπλέον διαχωρισμός σε υποκύκλους που επιτρέπει τη διάσπαση των εκπομπών σύμφωνα με πιο ειδικές συνθήκες οδήγησης (π.χ. υποκύκλοι με κυκλοφοριακή συμφόρηση ή υποκύκλοι με ελεύθερη ροή οχημάτων στην πόλη). Οι εν λόγω κύκλοι οδήγησης παρουσιάζουν ένα πραγματικό πλεονέκτημα, δεδομένου ότι προέρχονται από μια μεγάλη βάση δεδομένων, χρησιμοποιώντας μια μεθοδολογία που συζητήθηκε ευρέως και εγκρίθηκε [41]. Artemis Urban Ο Artemis Urban καλείται να αντιπροσωπεύσει την αστική οδήγηση ελαφρών οχημάτων. Στην Εικόνα 3.11 παρουσιάζεται το προφίλ ταχύτητας του κύκλου Αrtemis Urban Εικόνα 3.11 Το προφίλ του Αrtemis Urban. 56

57 Vehicle speed [km/h] Πίνακας 3.3 Βασικά χαρακτηριστικά του Artemis Urban. Χαρακτηριστικά Μονάδες Artemis Urban Απόσταση Συνολικός χρόνος Χρόνος που το όχημα επιταχύνει Χρόνος που το όχημα επιβραδύνει Μ εση ταχύτητα (συμπ. οι στάσεις) Μ έση ταχύτητα οδήγησης (δεν συμπ. οι στάσεις) Μ έγιστη ταχύτητα Μ έση επιτάχυνση Αριθμός επιταχύνσεων Αριθμός στάσεων m 4873 s 993 s 357 s 335 km/h 17.7 km/h 22.3 km/h 57.3 m/s Artemis Road Ο Αrtemis Road καλείται να αντιπροσωπεύσει την οδήγηση ελαφρών οχημάτων σε υπεραστικούς δρόμους. Στην Εικόνα 3.12 παρουσιάζεται το προφίλ ταχύτητας του κύκλου Αrtemis Road Εικόνα 3.12 Το προφίλ του Αrtemis Road. 57

58 Στον Πίνακα 3.4 παρουσιάζονται κάποια χαρακτηριστικά του κύκλου οδήγησης Artemis Road. Πίνακας 3.4 Βασικά χαρακτηριστικά του Artemis Road. Χαρακτηριστικά Απόσταση Συνολικός χρόνος Χρόνος που το όχημα επιταχύνει Χρόνος που το όχημα επιβραδύνει Μ εση ταχύτητα (συμπ. οι στάσεις) Μ έση ταχύτητα οδήγησης (δεν συμπ. οι στάσεις) Μ έγιστη ταχύτητα Μ έση επιτάχυνση Αριθμός επιταχύνσεων Αριθμός στάσεων Μονάδες Artemis Road m s 182 s 43 s 42 km/h 57.5 km/h 58.3 km/h 111 m/s WLTP Ο WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures ) ορίζει ένα παγκόσμια εναρμονισμένο πρότυπο, για τον καθορισμό των επιπέδων των ρύπων, την κατανάλωση ενέργειας, και της ηλεκτρικής αυτονομίας ελαφρών οχημάτων (επιβατικά αυτοκίνητα και ελαφρά εμπορικά κλειστά φορτηγά). Υπάρχουν τρεις διαφορετικoί WLTC κύκλοι οδήγησης που εφαρμόζονται, ανάλογα με την κατηγορία του οχήματος που ορίζεται από το PWr (power-weight ratio) που είναι η αναλογία ισχύος-βάρους σε kw/τόνο. Κατηγορία 1 - οχήματα με PWr <= 22 Κατηγορία 2 - οχήματα με 22 <PWr <= 34 Κατηγορία 3 - οχήματα με PWr> 34. Το Prius Plug-in Hybrid στο οποίο έγιναν τα πειράματά μας ανήκει στην τρίτη κατηγορία. Στην Εικόνα 3.13 παρουσιάζεται το προφίλ ταχύτητας του κύκλου WLTC. 58

59 Vehicle speed [km/h] Εικόνα 3.13 Το προφίλ του WLTC. Στον Πίνακα 3.5 παρουσιάζονται κάποια χαρακτηριστικά του κύκλου οδήγησης WLTC. Πίνακας 3.5 Βασικά χαρακτηριστικά του WLTC. Χαρακτηριστικά Απόσταση Συνολικός χρόνος Μ εση ταχύτητα (συμπ. οι στάσεις) Μ έση ταχύτητα οδήγησης (δεν συμπ. οι στάσεις) Μ έγιστη ταχύτητα Μ έση επιτάχυνση Μ έγιστη επιτάχυνση Μονάδες WLTC m s 18 km/h 46.5 km/h 53.8 km/h m/s 2.4 m/s Ermes Ακόμη ένας κύκλος οδήγησης τον οποίο χρησιμοποιήσαμε και βγάλαμε αποτελέσματα. Στην Εικόνα 3.14 παρακάτω παρουσιάζεται το προφίλ της ταχύτητας του και στον Πίνακα 3.6 φαίνονται κάποια χαρακτηριστικά του κύκλου που προέκυψαν από τις πειραματικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν. 59

60 Vehicle speed [km/h] Εικόνα 3.14 Το προφίλ του Ermes. Πίνακας 3.6 Βασικά χαρακτηριστικά του Ermes. Χαρακτηριστικά Μονάδες Ermes Απόσταση Συνολικός χρόνος Χρόνος που το όχημα επιταχύνει Χρόνος που το όχημα επιβραδύνει Μ εση ταχύτητα (συμπ. οι στάσεις) Μ έση ταχύτητα οδήγησης (δεν συμπ. οι στάσεις) Μ έγιστη ταχύτητα Μ έση επιτάχυνση Μ έγιστη επιτάχυνση m s 128 s 467 s 429 km/h 68.2 km/h 69.2 km/h m/s 2.3 m/s Νομοθεσία των μετρήσεων Κανονισμός No. 11 Ο παρών κανονισμός εφαρμόζεται στη μέτρηση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) και της κατανάλωσης καυσίμου, ή/και τη μέτρηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας και της ηλεκτρικής αυτονομίας των οχημάτων της κατηγορίας Μ1 που κινούνται με κινητήρα εσωτερικής καύσης ή με υβριδικό ηλεκτρικό σύστημα κίνησης, καθώς 6

61 και τη μέτρηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας και της ηλεκτρικής αυτονομίας των οχημάτων κατηγοριών Μ1 και Ν1 που κινούνται με ηλεκτρικό σύστημα κίνησης. Κατηγορία οχημάτων Μ1: Οχήματα που έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί για τη μεταφορά επιβατών και δεν περιλαμβάνουν περισσότερες από οκτώ θέσεις πέραν αυτής του οδηγού. Κατηγορία οχημάτων Ν1: Οχήματα που έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί για τη μεταφορά εμπορευμάτων και έχουν μέγιστη μάζα που δεν υπερβαίνει τους 3,5 τόνους Ορισμοί Για τους σκοπούς του παρόντος κανονισμού χρησιμοποιούνται οι παρακάτω όροι: «Έγκριση οχήματος» νοείται η έγκριση ενός τύπου οχήματος όσον αφορά τη μέτρηση της κατανάλωσης ενέργειας (καύσιμο ή/και ηλεκτρική ενέργεια). «Τύπος οχήματος» νοείται μια κατηγορία μηχανοκίνητων οχημάτων τα οποία δεν διαφέρουν σε βασικά σημεία όπως το σώμα του οχήματος, το σύστημα κίνησης, το σύστημα μετάδοσης, τον συσσωρευτή (εάν υπάρχει), τα ελαστικά και την μάζα άνευ φορτίου. «Μάζα κενού οχήματος» νοείται η μάζα του οχήματος σε κατάσταση λειτουργίας χωρίς επιβάτες ή φορτίο, αλλά με τη δεξαμενή καυσίμου γεμάτη (εάν υπάρχει), με ψυκτικό υγρό, με συσσωρευτές συντήρησης και έλξης, λάδια, φορτιστή οχήματος, εργαλεία, εφεδρικός τροχός, και ότι άλλο κρίνεται απαραίτητο από τον κατασκευαστή του οχήματος για την σωστή λειτουργία του οχήματος. «Μάζα αναφοράς» νοείται η μάζα του κενού οχήματος προσαυξημένη κατά ένα σταθερό αριθμό 1 kg. «Μέγιστη μάζα» νοείται η τεχνικώς επιτρεπτή μέγιστη μάζα που δηλώνεται από τον κατασκευαστή. «Μάζα δοκιμής» για τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα, είναι η "μάζα αναφοράς" για τα οχήματα κατηγορίας M1 και η μάζα άνευ φορτίου συν το ήμισυ του πλήρους φορτίου για τα οχήματα της κατηγορίας N1. «Διάταξη εκκίνησης ψυχρού κινητήρα» νοείται η διάταξη που εμπλουτίζει το μείγμα αέρα/καυσίμου του κινητήρα προσωρινά, για υποβοήθηση της εκκίνησης. «Σύστημα ισχύος» νοείται το σύστημα της συσκευής αποθήκευσης ενέργειας, του μετατροπέα (-ων) και της μετάδοσης, που μετατρέπει την αποθηκευμένη ενέργεια σε μηχανική ενέργεια που παρέχεται στους τροχούς για την προώθηση του οχήματος. «Όχημα με κινητήρα εσωτερικής καύσης» νοείται το όχημα που τροφοδοτείται αποκλειστικά από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης. 61

62 «Ηλεκτρικό σύστημα κίνησης» νοείται το σύστημα που αποτελείται από μία ή περισσότερες συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. μια μπαταρία, ή έναν υπερπυκνωτή), μία ή περισσότερες ηλεκτρικές συσκευές ρύθμισης ισχύος (ρυθμίζουν την τάση), και μία ή περισσότερες ηλεκτρικές συσκευές που μετατρέπουν την αποθηκευμένη ενέργεια σε μηχανική ενέργεια που παρέχεται στους τροχούς για την πρόωση του οχήματος. «Υβριδικό σύστημα κίνησης» νοείται το σύστημα κίνησης με τουλάχιστον δύο διαφορετικούς μετατροπείς ενέργειας και δύο διαφορετικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (επί του οχήματος), για την κίνηση του οχήματος. «Υβριδικό ηλεκτρικό σύστημα κίνησης» νοείται το σύστημα κίνησης το οποίο, για τη μηχανική του κίνηση, αντλεί ενέργεια και από τις δύο πηγές αποθηκευμένης ενέργειας που βρίσκονται επί του οχήματος και αναφέρονται παρακάτω: 1) Αναλώσιμο καύσιμο. 2) Ηλεκτρική ενέργεια από την συσκευή αποθήκευσης ( π.χ. : συσσωρευτής, πυκνωτής, σφόνδυλος κινητήρα) «Υβριδικό όχημα (HV)» νοείται το όχημα που τροφοδοτείται από ένα υβριδικό σύστημα κίνησης. «Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα (HEV)» νοείται ένα όχημα που τροφοδοτείται από ένα υβριδικό ηλεκτρικό σύστημα κίνησης «Ηλεκτρική αυτονομία» για οχήματα που κινούνται με ηλεκτρικό σύστημα κίνησης ή με υβριδικό ηλεκτρικό σύστημα κίνησης με φόρτιση εκτός οχήματος, ορίζει την απόσταση που μπορεί να κινείται το όχημα χρησιμοποιώντας αποκλειστικά ηλεκτρική ενέργεια έχοντας μία πλήρως φορτισμένη μπαταρία (ή άλλη ηλεκτρική συσκευή αποθήκευσης ενέργειας) Γενικές οδηγίες για την διαδικασία των μετρήσεων. Η τεχνική υπηρεσία που είναι υπεύθυνη για τις δοκιμές πραγματοποιεί την διαδικασία μέτρησης των εκπομπών CO 2 και της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σύμφωνα με την κατηγορία που ανήκει το όχημα. Στην περίπτωση μας, το Prius Plug-in Hybrid ανήκει την κατηγορία υβριδικών με ηλεκτρικό σύστημα κίνησης. Τα αποτελέσματα της δοκιμής για τις εκπομπές CO2 πρέπει να εκφράζεται σε γραμμάρια ανά χιλιόμετρο (g/km), και στρογγυλοποιείται στον πλησιέστερο ακέραιο αριθμό. Η κατανάλωση καυσίμου πρέπει να εκφράζεται σε λίτρα ανά 1 km (στην περίπτωση βενζίνης, υγραερίου ή πετρελαίου ντίζελ) ή σε m 3 ανά 1 km (στην περίπτωση φυσικού αερίου), και υπολογίζεται σύμφωνα με τη μέθοδο ισοζυγίου του άνθρακα χρησιμοποιώντας τις μετρούμενες εκπομπές CO2 και άλλων αερίων που περιέχουν άνθρακα (CO και HC). Τα αποτελέσματα πρέπει να στρογγυλοποιούνται 62

63 στο πρώτο δεκαδικό ψηφίο. Συγκεκριμένα για βενζινοκίνητα οχήματα χρησιμοποιείται η παρακάτω σχέση: όπου FC = (.1154/D)*[(.866*HC) + (.429*CO) + (.273*CO2)] FC: η κατανάλωση καυσίμου σε λίτρα ανά 1 km (στην περίπτωση βενζίνης, υγραερίου ή πετρελαίου ντίζελ) ή σε m 3 ανά 1 km (στην περίπτωση φυσικού αέριου) HC: οι μετρούμενες εκπομπές υδρογονανθράκων σε g/km CO: οι μετρούμενες εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα σε g/km CO2: οι μετρούμενες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα σε g/km D: η πυκνότητα του καυσίμου δοκιμής. Για τους σκοπούς του υπολογισμού της κατανάλωσης καυσίμου, η πυκνότητα μετριέται στο καύσιμο δοκιμής σύμφωνα με το ISO 3675 ή κάποια ισοδύναμη μέθοδο. Για βενζίνη και πετρέλαιο ντίζελ χρησιμοποιείται η πυκνότητα που μετριέται στους 15 C. Ακόμη για τον λόγος υδρογόνου-άνθρακα χρησιμοποιούνται σταθερές τιμές, οι οποίες είναι οι εξής:1,85 για τη βενζίνη. και 1,86 για το πετρέλαιο. Το αποτέλεσμα της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να εκφράζεται σε Watt-ώρες ανά χιλιόμετρο (Wh/ km), στρογγυλοποιημένο στον πλησιέστερο ακέραιο αριθμό. Η τεχνική υπηρεσία που είναι υπεύθυνη για τις δοκιμές, πραγματοποιεί τη μέτρηση της ηλεκτρικής αυτονομίας του οχήματος, σύμφωνα με τη μέθοδο που περιγράφεται στην παράγραφο Το αποτέλεσμα πρέπει να εκφράζεται σε km, και να στρογγυλοποιείται στον πλησιέστερο ακέραιο αριθμό. Η ηλεκτρική αυτονομία που μετριέται με τη μέθοδο αυτή είναι και η μοναδική που μπορεί να συμπεριληφθεί σε διαφημιστικό υλικό για την προώθηση του οχήματος Ερμηνεία των αποτελεσμάτων Η τιμή CO2 ή η τιμή κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργεια που εκδόθηκε για την έγκριση του οχήματος θα είναι η τιμή που δηλώνεται από τον κατασκευαστή, εφόσον η μετρούμενη τιμή από την τεχνική υπηρεσία δεν υπερβαίνει τη δηλωθείσα τιμή περισσότερο από 4%. Η μετρούμενη τιμή μπορεί να είναι χαμηλότερη χωρίς κανένα περιορισμό. Εάν όμως η μετρούμενη τιμή του CO2 ή της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας υπερβαίνουν τις δηλωθείσες τιμές του κατασκευαστή κατά 4% ή περισσότερο, τότε διενεργείται μία επιπλέον δοκιμή στο ίδιο όχημα και ορίζεται ο μέσος όρος των αποτελεσμάτων. Στην περίπτωση που ο μέσος όρος των δύο αποτελεσμάτων των δοκιμών δεν υπερβαίνει τις δηλωθείσες τιμές του κατασκευαστή περισσότερο από 4%, τότε η τιμή που δηλώνεται από τον κατασκευαστή λαμβάνεται ως τιμή έγκρισης τύπου. Εάν ο μέσος όρος εξακολουθεί να υπερβαίνει τις δηλωθείσες τιμές κατά 4% ή περισσότερο, διενεργείται μια τελική δοκιμή στο ίδιο όχημα. Τελικά ο μέσος όρος των τριών αποτελεσμάτων των δοκιμών λαμβάνεται ως τιμή έγκρισης τύπου. 63

64 3.6.5 Τροποποίηση και επέκταση έγκρισης ενός ήδη εγκεκριμένου τύπου. Κάθε τροποποίηση του εγκεκριμένου τύπου κοινοποιείται στη διοικητική υπηρεσία που ενέκρινε τον τύπο. Η υπηρεσία μπορεί τότε να προβεί στις ακόλουθες ενέργειες: α) Να θεωρήσει ότι οι τροποποιήσεις που έγιναν είναι απίθανο να έχουν σημαντική αρνητική επίδραση στις τιμές του CO2 και της κατανάλωσης καυσίμου ή ηλεκτρικής ενέργειας και ότι, στην περίπτωση αυτή, η αρχική έγκριση ισχύει για τον τροποποιημένο τύπο οχήματος. β) Να απαιτήσει περαιτέρω έκθεση δοκιμών από την τεχνική υπηρεσία που είναι αρμόδια για τη διεξαγωγή των δοκιμών Συμμόρφωση της παραγωγής Οχήματα που έχουν εγκριθεί σύμφωνα με τον παρόντα κανονισμό πρέπει να κατασκευάζονται έτσι όπως ο εγκεκριμένος τύπος του οχήματος. Έτσι για να εξακριβωθεί εάν οι προϋποθέσεις που ορίζονται από το πρότυπο τηρούνται, πρέπει να διεξάγονται κατάλληλοι έλεγχοι της παραγωγής. Ο έλεγχος της συμμόρφωσης της παραγωγής βασίζεται σε αξιολόγηση που γίνεται από την αρμόδια αρχή της διαδικασίας ελέγχου του κατασκευαστή, προκειμένου να εξασφαλιστεί η συμμόρφωση του τύπου οχήματος όσον αφορά τις εκπομπές CO2 και την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Εάν η αρχή δεν είναι ικανοποιημένη με το επίπεδο της διαδικασίας ελέγχου του κατασκευαστή, μπορεί να απαιτήσει τη διεξαγωγή δοκιμών επαλήθευσης σε οχήματα που βρίσκονται στο στάδιο της παραγωγής τους. Σε περίπτωση μη συμμόρφωσης της παραγωγής επιβάλλονται κυρώσεις και η έγκριση που χορηγήθηκε για έναν τύπο οχήματος σύμφωνα με τον παρόντα κανονισμό μπορεί να ανακληθεί Μέθοδος μέτρησης CO2, κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, κατανάλωσης καυσίμου οχημάτων με υβριδικό-ηλεκτρικό σύστημα κίνησης Κατηγορίες υβριδικών-ηλεκτρικών οχημάτων Ανάλογα με τον τρόπο φόρτισης των οχημάτων (εξωτερική φόρτιση ή μη εξωτερική φόρτιση) και την δυνατότητα ή μη να διαθέτουν διακόπτη επιλογής τρόπου λειτουργίας (π.χ ο διακόπτης μπορεί να ορίσει ότι το όχημα θα κινείται αποκλειστικά με τον κινητήρα εσωτερικής καύσης), τα οχήματα χωρίζονται σε τέσσερις υποκατηγορίες. 64

65 Πίνακας 3.7 Κατηγορίες υβριδικών-ηλεκτρικών οχημάτων. Φόρτιση οχήματος Εξωτερική φόρτιση Μ η εξωτερική φόρτιση Διακόπτης επιλογής λειτουργίας Υπάρχει Δεν υπάρχει Υπάρχει Δεν υπάρχει Το Prius Plug-in Hybrid έχει την δυνατότητα εξωτερικής φόρτισης χωρίς όμως να διαθέτει διακόπτη επιλογής λειτουργίας. Για την συγκεκριμένη κατηγορία δύο δοκιμές πρέπει να εκτελούνται υπό τις ακόλουθες καταστάσεις: Κατάσταση Α: η δοκιμή διενεργείται με την μπαταρία να έχει μέγιστο επίπεδο φόρτισης (max SoC) Κατάσταση Β: η δοκιμή διενεργείται με την μπαταρία στο ελάχιστο επίπεδο φόρτισης (min SoC). Κατάσταση Α Για την Κατάσταση Α ακολουθούνται τα βήματα που φαίνονται στην Εικόνα Παρακάτω αναλύονται τα βήματα αυτά. Εικόνα 3.15 Τα προφίλ SOC για OVC-HEVs που δοκιμάζονται στη Κατάσταση Α. Βήμα 1 Στο Βήμα 1 καθορίζεται ποιά είναι η αρχική κατάσταση του επιπέδου φόρτισης της μπαταρίας. 65

66 Βήμα 2 Στο Βήμα 2 φαίνεται ότι η μπαταρία πρέπει να εκφορτιστεί. Για να γίνει αυτό θα πρέπει να ακολουθηθεί η διαδικασία που περιγράφεται παρακάτω. Διαδικασία εκφόρτισης Υπάρχουν 3 τρόποι για να πραγματοποιηθεί η διαδικασία εκφόρτισης. Είτε οδηγώντας το όχημα στην δυναμομετρική εξέδρα με σταθερή ταχύτητα 5 km/h έως ότου ο κινητήρας εσωτερικής καύσης του οχήματος τεθεί σε λειτουργία. Είτε, εάν το όχημα δεν μπορεί να επιτύχει σταθερή ταχύτητα 5 km/h χωρίς να τεθεί ο κινητήρας εσωτερικής καύσης σε λειτουργία, η ταχύτητα μειώνεται έως ότου το όχημα να μπορεί να κινηθεί με μικρότερη σταθερή ταχύτητα χωρίς ο κινητήρας εσωτερικής καύσης να τίθεται σε λειτουργία για ένα καθορισμένο χρόνο/απόσταση (προσδιορίζεται μεταξύ της τεχνικής υπηρεσίας και του κατασκευαστή). Είτε με τις συστάσεις του κατασκευαστή. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης πρέπει να σταματήσει μέσα σε 1 δευτερόλεπτα αφότου ξεκίνησε αυτόματα για όλους τους πιθανούς τρόπους εκφόρτισης. Βήμα 3 Διαδικασία προετοιμασίας του οχήματος Για την προετοιμασία οχημάτων με κινητήρα ανάφλεξης με συμπίεση (diesel), πρέπει να χρησιμοποιείται ο ΕUDC που είναι το μέρος 2 του κύκλου οδήγησης NEDC σε συνδυασμό με.τις ισχύουσες προδιαγραφές αλλαγής ταχυτήτων του κύκλου. Πρέπει να πραγματοποιηθούν τρεις διαδοχικοί κύκλοι EUDC. Οχήματα εφοδιασμένα με βενζινοκινητήρα πρέπει να προετοιμάζονται με ένα πρώτο μέρος (UDC) και δύο δεύτερα μέρη (EUDC) του κύκλου οδήγησης NEDC, σε συνδυασμό με τις ισχύουσες προδιαγραφές αλλαγής ταχυτήτων. Μετά την προετοιμασία, και πριν από τη δοκιμή, το όχημα διατηρείται σε εσωτερικό χώρο στον οποίο η θερμοκρασία παραμένει σχετικά σταθερή μεταξύ 2 C και 3 C, για τουλάχιστον έξι ώρες και παραπάνω έως ότου η θερμοκρασία του λαδιού του κινητήρα και του ψυκτικού υγρού, αν υπάρχει, γίνει ± 2K από τη θερμοκρασία του δωματίου, και η μπαταρία φορτιστεί πλήρως, ως αποτέλεσμα της φόρτισης που προβλέπεται και αναλύεται παρακάτω. Βήμα 4 Φόρτιση της μπαταρίας. Η φόρτιση της μπαταρίας πραγματοποιείται με το φορτιστή του οχήματος, εάν υπάρχει, ή με εξωτερικό φορτιστή που συνιστά ο κατασκευαστής σε θερμοκρασία περιβάλλοντος μεταξύ 2 ºC και 3 ºC. Ο τερματισμός των κριτηρίων φόρτισης αντιστοιχεί σε ένα χρόνο φόρτισης 66

67 12 ωρών, εκτός εάν δίνεται σαφές σήμα στον οδηγό από τα βασικά όργανα ότι η μπαταρία δεν έχει φορτιστεί πλήρως. Βήμα 5 Διαδικασία δοκιμής Το όχημα τίθεται σε λειτουργία με τα μέσα που προβλέπονται όπως στην κανονική χρήση του οχήματος. Ο πρώτος κύκλος αρχίζει με την έναρξη της διαδικασίας εκκίνησης του οχήματος. Η δειγματοληψία αρχίζει πριν ή κατά την έναρξη της εκκίνησης του οχήματος. Τα αποτελέσματα της δοκιμής του κύκλου (CO2 και κατανάλωση καυσίμου) για την κατάσταση Α καταγράφονται (αντίστοιχα k1 [g] και c1 [l]). Βήμα 6 Φόρτιση της μπαταρίας μετά το πέρας της δοκιμής. Εντός 3 λεπτών μετά την ολοκλήρωση του κύκλου, η μπαταρία θα πρέπει να φορτίζεται. Ο εξοπλισμός μέτρησης της ενέργειας, που τοποθετείται μεταξύ της πρίζας δικτύου τροφοδοσίας και του φορτιστή του οχήματος, μετρά την ενέργεια φόρτισης e1 [Wh] που παρέχεται από το δίκτυο. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για την κατάσταση A είναι e1 [Wh]. Κατάσταση Β Για την Κατάσταση Α ακολουθούνται τα βήματα που φαίνονται στην Εικόνα Παρακάτω αναλύονται τα βήματα αυτά. Εικόνα 3.16 Τα προφίλ SOC για OVC-HEVs που δοκιμάζονται στη Κατάσταση Β. 67

68 Βήμα 1 Στο Βήμα 1 καθορίζεται ποιά είναι η αρχική κατάσταση του επιπέδου φόρτισης της μπαταρίας. Βήμα 2 Στο Βήμα 2 υπάρχει προετοιμασία του οχήματος σύμφωνα με την διαδικασία που περιγράφηκε για την Κατάσταση Α. Το βήμα αυτό είναι προαιρετικό. Βήμα 3 Το Βήμα 3 αναφέρεται στην εκφόρτιση της μπαταρίας όπου ακολουθείται ακριβώς η ίδια διαδικασία όπως στην Κατάσταση Α. Βήμα 4 Στο Βήμα 4 φαίνεται ότι το όχημα μετά την προετοιμασία, και πριν από τη δοκιμή, πρέπει να διατηρείται σε εσωτερικό χώρο στον οποίο η θερμοκρασία παραμένει σχετικά σταθερή μεταξύ 2 C και 3 C, για τουλάχιστον έξι ώρες και παραπάνω έως ότου η θερμοκρασία του λαδιού του κινητήρα και του ψυκτικού υγρού, αν υπάρχει, γίνει ± 2K από τη θερμοκρασία του δωματίου. Βήμα 5 Διαδικασία δοκιμής Το όχημα τίθεται σε λειτουργία με τα μέσα που προβλέπονται όπως στην κανονική χρήση του οχήματος. Ο πρώτος κύκλος αρχίζει με την έναρξη της διαδικασίας εκκίνησης του οχήματος. Η δειγματοληψία αρχίζει πριν ή κατά την έναρξη της εκκίνησης του οχήματος. Το όχημα πρέπει να κινείται σύμφωνα με τον εφαρμοζόμενο κύκλο οδήγησης και τις προδιαγραφές αλλαγής ταχύτητας, που ορίζει ο κάθε κύκλος. Τα αποτελέσματα της δοκιμής του κύκλου (CO2 και κατανάλωση καυσίμου) για την Κατάσταση Β καταγράφονται (αντίστοιχα k2 [g] και c2 [l]). Βήμα 6 Εντός 3 λεπτών μετά την ολοκλήρωση του κύκλου, η μπαταρία θα πρέπει να φορτίζεται. Ο εξοπλισμός μέτρησης της ενέργειας, που τοποθετείται μεταξύ της πρίζας δικτύου τροφοδοσίας και του φορτιστή του οχήματος, μετρά την ενέργεια φόρτισης e2 [Wh] που παρέχεται από το δίκτυο. 68

69 Βήμα 7 Το Βήμα 7 περιλαμβάνει την εκφόρτιση της μπαταρίας όπως ακριβώς περιγράφηκε παραπάνω. Βήμα 8 Εντός 3 λεπτών μετά την ολοκλήρωση της εκφόρτισης, η μπαταρία θα πρέπει να φορτίζεται. Ο εξοπλισμός μέτρησης της ενέργειας, που τοποθετείται μεταξύ της πρίζας δικτύου τροφοδοσίας και του φορτιστή του οχήματος, μετρά την ενέργεια φόρτισης e3 [Wh] που παρέχεται από το δίκτυο. Η τελική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας e4 [Wh] για την Κατάσταση Β είναι: e4=e2-e Αποτελέσματα των δοκιμών CO 2 Οι τιμές του CO 2 πρέπει να προκύψουν από την εξής διαδικασία: Ορίζουμε τους λόγους: Κ1 = k1/dtest1 και K2 = k2/dtest2 [g/km] όπου Dtest1 και Dtest2 λαμβάνονται με γνώμονα τις πραγματικές αποστάσεις στις δοκιμές που εκτελέστηκαν υπό τις καταστάσεις A και B, αντίστοιχα, και k1, k2 που ορίσθηκαν παραπάνω. Η σταθμισμένη τιμή του CO 2 υπολογίζεται ως εξής: Όπου: K=(De*K1+Dav*K2)/(De+Dav) K=Μάζα εκπομπών CO 2 σε γραμμάρια ανά χιλιόμετρο [g/km]. K1=Μάζα εκπομπών του CO2 σε γραμμάρια ανά χιλιόμετρο [g/km] με τη συσκευή αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας/ισχύος να είναι πλήρως φορτισμένη. K2=Μάζα εκπομπών του CO2 σε γραμμάρια ανά χιλιόμετρο [g/km] με τη συσκευή αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας/ισχύος να είναι στο ελάχιστο επίπεδο φόρτισης. De= Ηλεκτρική αυτονομία οχήματος, σύμφωνα με τη διαδικασία που περιγράφεται στην παράγραφο Dav= 25km (υποθετική μέση απόσταση μεταξύ δύο επαναφορτίσεων της μπαταρίας, ορίσθηκε έτσι από την νομοθεσία). Κατανάλωση καυσίμου Οι τιμές της κατανάλωσης καυσίμου πρέπει να προκύψουν από την εξής διαδικασία: 69

70 Ορίζουμε τους λόγους: C1=1*c1/Dtest1 και C2 = 1*c2/Dtest2 [l/1 km] όπου Dtest1 και Dtest2 λαμβάνονται με γνώμονα τις πραγματικές αποστάσεις στις δοκιμές που εκτελέστηκαν υπό τις καταστάσεις A και B, αντίστοιχα, και c1, c2 που ορίσθηκαν παραπάνω. Η σταθμισμένη τιμη της κατανάλωσης καυσίμου υπολογίζεται ως εξής: Όπου: C=(De*C1+Dav*C2)/(De+Dav) C = κατανάλωση καυσίμου σε l/1 km. C1= κατανάλωση καυσίμου σε l/1km με την μπαταρία να είναι πλήρως φορτισμένη. C2=κατανάλωση καυσίμου σε l/1 με την μπαταρία να είναι στο ελάχιστο επίπεδο φόρτισης. De= Ηλεκτρική αυτονομία οχήματος σύμφωνα με τη διαδικασία που περιγράφεται στην παράγραφο Dav=25 km (υποθετική μέση απόσταση μεταξύ δύο επαναφορτίσεων της μπαταρίας). Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Οι τιμές της ηλεκτρικής κατανάλωσης ενέργειας πρέπει να προκύψουν από την εξής διαδικασία: Ορίζουμε τους λόγους:e1=e1/dtest1 και Ε4=e4/Dtest2 [Wh/km] όπου Dtest1 και Dtest2 λαμβάνονται με γνώμονα τις πραγματικές αποστάσεις στις δοκιμές που εκτελέστηκαν υπό τις καταστάσεις A και B αντίστοιχα, και e1, e4 που ορίσθηκαν παραπάνω. Η σταθμισμένη τιμή της κατανάλωσης καυσίμου υπολογίζεται ως εξής: Όπου: E=(De*E1+Dav*Ε4)/(De+Dav) E = η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας [Wh/km]. E1 = η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας [Wh/km] με την μπαταρία να είναι πλήρως φορτισμένη. E4 = η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας [Wh/km] με την μπαταρία να είναι στο ελάχιστο επίπεδο φόρτισης. De= Ηλεκτρική αυτονομία οχήματος, σύμφωνα με τη διαδικασία που περιγράφεται στην παράγραφο Dav = 25 km (υποθετική μέση απόσταση μεταξύ δύο επαναφορτίσεων της μπαταρίας). 7

71 Μέθοδος μέτρησης ηλεκτρικής αυτονομίας οχημάτων με ηλεκτρικό σύστημα κίνησης ή με υβριδικό-ηλεκτρικό σύστημα κίνησης Η μέθοδος δοκιμής που περιγράφεται παρακάτω επιτρέπει τη μέτρηση της ηλεκτρικής αυτονομίας, εκφρασμένη σε km, από τα οχήματα που κινούνται με ηλεκτρικό σύστημα κίνησης ή των οχημάτων που κινούνται με υβριδικό ηλεκτρικό σύστημα κίνησης με εξωτερική φόρτιση (OVC-HEV) Συνθήκες δοκιμής Κατάσταση του οχήματος Τα ελαστικά του οχήματος πρέπει να είναι φουσκωμένα στην πίεση που καθορίζεται από τον κατασκευαστή του οχήματος όταν τα ελαστικά βρίσκονται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Το ιξώδες των λαδιών για τα μηχανικά κινούμενα μέρη πρέπει να πληρούν τις προδιαγραφές του κατασκευαστή του οχήματος. Οι διατάξεις φωτισμού και φωτεινής σηματοδότησης και οι βοηθητικές συσκευές πρέπει να είναι σβηστές, εκτός από εκείνες που απαιτούνται για τη δοκιμή και τη συνήθη καθημερινή κίνηση του οχήματος. Όλα τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που προορίζονται για σκοπούς άλλους πέραν της έλξης (ηλεκτρικά, υδραυλικά, κλπ.) πρέπει να είναι φορτισμένα στο μέγιστο, όπως καθορίζεται από τον κατασκευαστή. Εάν οι συσσωρευτές λειτουργούν πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, ο χειριστής πρέπει να ακολουθεί τη διαδικασία που συνιστά ο κατασκευαστής του οχήματος προκειμένου να διατηρεί τη θερμοκρασία του συσσωρευτή στην κανονική περιοχή λειτουργίας. Το όχημα πρέπει να έχει διανύσει τουλάχιστον 3 km κατά τη διάρκεια επτά ημερών πριν από τη δοκιμή με τους συσσωρευτές που είναι εγκατεστημένοι στο όχημα δοκιμής. Κλιματολογικές συνθήκες Για δοκιμή που διενεργείται σε εξωτερικούς χώρους, η θερμοκρασία περιβάλλοντος πρέπει να είναι μεταξύ 5 C και 32 C. Η δοκιμή σε εσωτερικό χώρο πρέπει να εκτελείται σε μία θερμοκρασία μεταξύ 2 C και 3 C Διαδικασία δοκιμής Η μέθοδος δοκιμής περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα: 1) Αρχική φόρτιση της μπαταρίας. 2) Εφαρμογή του κύκλου και μέτρηση της ηλεκτρικής αυτονομίας. 71

72 Ο κατασκευαστής οφείλει να παρέχει τα μέσα για την εκτέλεση της μέτρησης με το όχημα σε αμιγώς ηλεκτρική κατάσταση λειτουργίας. Αρχική φόρτιση της μπαταρίας. Η αρχική φόρτιση της μπαταρίας αποτελείται από τις ακόλουθες διαδικασίες: Η διαδικασία αρχίζει με την εκφόρτιση της μπαταρίας του οχήματος κατά την οδήγηση σε δυναμομετρική εξέδρα όπως ακριβώς περιγράφηκε παραπάνω. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης πρέπει να σταματήσει μέσα σε 1 δευτερόλεπτα αφότου ξεκίνησε αυτόματα. Έπειτα η μπαταρία ξαναφορτίζεται με την διαδικασία που έχει περιγραφεί παραπάνω. Εφαρμογή του κύκλου και μέτρηση της ηλεκτρικής αυτονομίας. Στην συνέχεια εφαρμόζεται ο κύκλος δοκιμής με τις συνοδευτικές προδιαγραφές αλλαγής ταχυτήτων του κύκλου, σε μια δυναμομετρική εξέδρα όπως περιγράφεται παρακάτω, μέχρι το τέλος των κριτηρίων της δοκιμής. Όταν στο όχημα ενεργοποιηθεί ο κινητήρας εσωτερικής καύσης, πρέπει να επιβραδύνει κατά 5 km/h με την απελευθέρωση του πεντάλ του γκαζιού, χωρίς συμμετοχή από το πεντάλ του φρένου και στη συνέχεια σταμάτημα του οχήματος με την πέδηση. Για λόγους σεβασμού των ανθρώπινων αναγκών, επιτρέπονται μέχρι τρεις διακοπές μεταξύ των ακολουθιών δοκιμής, που δεν υπερβαίνουν τα 15 λεπτά συνολικά. Τέλος, η μέτρηση De της διανυθείσας απόστασης σε km είναι η ηλεκτρική αυτονομία του υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος. Θα πρέπει να στρογγυλοποιείται στον πλησιέστερο ακέραιο αριθμό. 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1. Εισαγωγή Παρακάτω αναλύονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την διαδικασία μέτρησης του Prius Plug-in Hybrid για τους κύκλους οδήγησης που εξετάσθηκαν, δηλαδή τους ΝEDC, Artemis Urban, Artemis Road, WLTC, Ermes. Εξήχθησαν αποτελέσματα για το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), τους υδρογονάνθρακες (HC), μονοξείδιο του αζώτου (NO) και του συνόλου των NO x (NO+NO 2 ). Ακόμη μετρήθηκαν ο αριθμός σωματιδίων και η συγκέντρωση μάζας για τους παραπάνω κύκλους. Τέλος, στην παράγραφο 4.8 παριστάνονται τα διαγράμματα που προέκυψαν από τα αποτελέσματα των μετρήσεων Αποτελέσματα για τον NEDC Στον Πίνακα 4.1 φαίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για τους κύκλους NEDC που διεξήχθησαν με την μπαταρία να έχει «μέγιστο» αρχικό SoC (περίπου 75-8% της μέγιστης χωρητικότητας της μπαταρίας). Επίσης στην τελευταία στήλη εξάγεται ο μέσος όρος όλων των αποτελεσμάτων για τις ημέρες με μέγιστο αρχικό SoC που θα χρησιμοποιηθεί για τον τελικό υπολογισμό του κύκλου NEDC. 72

73 Πίνακας 4.1 Αποτελέσματα του NEDC για τις ημέρες με μέγιστο αρχικό SoC. Ημέρα 1 Ημέρα 3 Ημέρα 5 Μέσος 'Ορος Fuel Consumption [L/1 km] Energy Consumption [kwh/km] CO2 [g/km] CO [g/km] HC [g/km] NOx [g/km].... NO [g/km].... Αριθμός σωματιδίων [#/km] 4.78E E E E+11 Συγκέντρωση μάζας σωματιδίων [mg/km] Στον Πίνακα 4.2 φαίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για τους κύκλους NEDC που διεξήχθησαν με την μπαταρία να έχει «ελάχιστο» αρχικό SoC. Όπως παραπάνω, εξάγεται ο μέσος όρος όλων των αποτελεσμάτων για τις ημέρες με ελάχιστο αρχικό SoC που θα χρησιμοποιηθεί για τον τελικό υπολογισμό του κύκλου NEDC. Ακόμη στον Πίνακα 4.3 φαίνονται τα τελικά αποτελέσματα του κύκλου NEDC που υπολογίζονται με τον τρόπο που περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 3. Πίνακας 4.2 Αποτελέσματα του NEDC για τις ημέρες με ελάχιστο αρχικό SoC. Ημέρα 2 Ημέρα 4 Ημέρα 6 Μέσος 'Ορος Fuel Consumption [L/1 km] Energy Consumption [kwh/km] CO2 [g/km] CO [g/km] HC [g/km] NOx [g/km].... NO [g/km].... Αριθμός σωματιδίων [#/km] 7.83E E E E+11 Συγκέντρωση μάζας σωματιδίων [mg/km]

74 Πίνακας 4.3 Τελικά αποτελέσματα του κύκλου NEDC. Fuel Consumption [L/1 km] Energy Consumption [kwh/km] CO2 [g/km] CO [g/km] HC [g/km] NOx [g/km] NO [g/km] Αριθμός σωματιδίων [#/km] Συγκέντρωση μάζας σωματιδίων [mg/km] Τελικό αποτέλεσμα E Αποτελέσματα για τον Artemis Urban Στον Πίνακα 4.4 φαίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για τους κύκλους Artemis Urban που διεξήχθησαν την Ημέρα 1. Έγιναν δύο δοκιμές για τον κύκλο Artemis Urban, ένας με την μπαταρία να έχει μέγιστο αρχικό SoC (78.4 % της μέγιστης χωρητικότητας της μπαταρίας) και έναν με την μπαταρία να έχει ελάχιστο αρχικό SoC (22.7 % της μέγιστης χωρητικότητας της μπαταρίας). Χρησιμοποιώντας την διαδικασία της νομοθεσίας εξήχθησαν τα τελικά αποτελέσματα για τον κύκλο Artemis Urban. Για τον κύκλο Artemis Urban βρέθηκε ότι De=14.41 km Πίνακας 4.4 Αποτελέσματα του κύκλου Artemis Urban. Eλάχιστο SοC Μέγιστο SοC Τελικό αποτέλεσμα Fuel Consumption [L/1 km] Energy Consumption [kwh] CO2 [g/km] CO [g/km].8..5 HC [g/km]... NOx [g/km]... NO [g/km]... Αριθμός σωματιδίων [#/km] 1.77E+9 1.6E E+11 Συγκέντρωση μάζας σωματιδίων [mg/km] Αποτελέσματα για τον Artemis Road Στον Πίνακα 4.5 φαίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για τους κύκλους Artemis Road που διεξήχθησαν την Ημέρα 1. Έγιναν δύο δοκιμές για τον κύκλο Artemis Road, έναν με την μπαταρία να έχει μέγιστο αρχικό SoC (78 % της μέγιστης χωρητικότητας της μπαταρίας) και έναν με την μπαταρία να έχει ελάχιστο αρχικό SoC (25.9 % της μέγιστης 74

75 χωρητικότητας της μπαταρίας). Χρησιμοποιώντας την διαδικασία της νομοθεσίας εξήχθησαν τα τελικά αποτελέσματα για τον κύκλο Artemis Road. Για τον κύκλο Artemis Road βρέθηκε ότι De=17.21 km Πίνακας 4.5 Αποτελέσματα του κύκλου Artemis Road. Eλάχιστο SοC Μέγιστο SοC Τελικό αποτέλεσμα Fuel Consumption [L/1 km] Energy Consumption [kwh] CO2 [g/km] CO [g/km] HC [g/km]..3.1 NOx [g/km]... NO [g/km]... Αριθμός σωματιδίων [#/km] 9.27E E E+11 Συγκέντρωση μάζας σωματιδίων [mg/km] Αποτελέσματα για τον WLTC Στον Πίνακα 4.6 φαίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για τους κύκλους WLTC. Έγιναν δύο δοκιμές για τον κύκλο WLTC, έναν με την μπαταρία να έχει μέγιστο αρχικό SoC (77.6 % της μέγιστης χωρητικότητας της μπαταρίας) και έναν με την μπαταρία να έχει ελάχιστο αρχικό SoC (25.9 % της μέγιστης χωρητικότητας της μπαταρίας). Χρησιμοποιώντας την διαδικασία της νομοθεσίας εξήχθησαν τα τελικά αποτελέσματα για τον κύκλο WLTC. Για τον κύκλο WLTC βρέθηκε ότι De=23.21 km Πίνακας 4.6 Τελικά αποτελέσματα του κύκλου WLTC. Eλάχιστο SοC Μέγιστο SοC Τελικό αποτέλεσμα Fuel Consumption [L/1 km] Energy Consumption [kwh] CO2 [g/km] CO [g/km] HC [g/km]..1.1 NOx [g/km].1.. NO [g/km]... Αριθμός σωματιδίων [#/km] 6.4E E E+11 Συγκέντρωση μάζας σωματιδίων [mg/km]

76 Fuel Consumption [L/1km] 4.6. Αποτελέσματα για τον Ermes Στον Πίνακα 4.7 φαίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για τους κύκλους Ermes. Έγιναν δύο δοκιμές για τον κύκλο Ermes, έναν με την μπαταρία να έχει μέγιστο αρχικό SoC (78 % της μέγιστης χωρητικότητας της μπαταρίας) και έναν με την μπαταρία να έχει ελάχιστο αρχικό SoC (23.5 % της μέγιστης χωρητικότητας της μπαταρίας Χρησιμοποιώντας την διαδικασία της νομοθεσίας εξήχθησαν τα τελικά αποτελέσματα για τον κύκλο Ermes. Για τον κύκλο Ermes βρέθηκε ότι De=24.26 km Πίνακας 4.7 Τελικά αποτελέσματα του κύκλου Ermes Αποτελέσματα σε διαγράμματα Κατανάλωση καυσίμου Eλάχιστο SοC Μέγιστο SοC Τελικό αποτέλεσμα Fuel Consumption [L/1 km] Energy Consumption [kwh] CO2 [g/km] CO [g/km] HC [g/km]..3.1 NOx [g/km]..1.1 NO [g/km]..1. Αριθμός σωματιδίων [#/km] 5.11E E E+12 Συγκέντρωση μάζας σωματιδίων [mg/km] min SOC max SOC Τελικό Αποτέλεσμα NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.3 Κατανάλωση καυσίμου ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. 76

77 CO 2 [g/km] Energy Consumption [kwh/km] Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας min SOC max SOC Τελικό Αποτέλεσμα NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.2 Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής Διοξείδιο του άνθρακα CO min SOC max SOC Τελικό Αποτέλεσμα NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.4 Εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. 77

78 HC [g/km] CO [g/km] Μονοξείδιο του άνθρακα CO min SOC max SOC Τελικό Αποτέλεσμα NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.4 Εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα (CO) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής Υδρογονάνθρακες HC..3 min SOC max SOC.25 Τελικό Αποτέλεσμα NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.5 Εκπομπές υδρογονανθράκων (HC) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. 78

79 NO [g/km] NOx [g/km] Οξείδια του αζώτου NO x. 1.4E-2 1.2E-2 1.E-2 min SOC max SOC Τελικό Αποτέλεσμα 8.E-3 6.E-3 4.E-3 2.E-3.E+ NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.6 Εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής Μονοξείδιο του αζώτου NO. 9.E-3 8.E-3 7.E-3 min SOC max SOC Τελικό Αποτέλεσμα 6.E-3 5.E-3 4.E-3 3.E-3 2.E-3 1.E-3.E+ NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.7 Εκπομπές μονοξειδίου του αζώτου (NO) ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. 79

80 Μάζα σωματιδίων [mg/km] Αριθμός σωματιδίων [#/km] Αριθμός σωματιδίων. 2.E E E+12 min SOC max SOC Τελικό Αποτέλεσμα 1.4E E+12 1.E+12 8.E+11 6.E+11 4.E+11 2.E+11.E+ NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.8 Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής Συγκέντρωση μάζας σωματιδίων..6.5 min SOC max SOC Τελικό Αποτέλεσμα NEDC Art. Urban Art. Road WLTC Ermes Εικόνα 4.9 Μάζα εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για το σύνολο των κύκλων δοκιμής. 8

81 4.8. Υπολογισμός Dav Η νομοθεσία ορίζει το Dav ως την υποθετική μέση απόσταση μεταξύ δύο επαναφορτίσεων της μπαταρίας και το εκτιμά ίσο με 25 km. Επειδή αυτή η τιμή παίζει μεγάλο ρόλο, όπως φάνηκε στο Κεφάλαιο 3 για την εξαγωγή αποτελεσμάτων, επιχειρήθηκε να αναζητηθεί μία τιμή του Dav μέσα από τις μετρήσεις του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Από τις διάφορες εκφορτίσεις στις οποίες υποβλήθηκε το Prius Plug-in Hybrid εξήχθηκε η απόσταση μεταξύ δύο επαναφορτίσεων της μπαταρίας για κάθε εκφόρτιση. Ο μέσος όρος όλων αυτών των αποστάσεων (Πίνακας 4.1) επιλέχθηκε να είναι η τιμή της Dav. Δηλαδή Dav = 22 km. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν χρησιμοποιώντας Dav = 22 km δείχνουν μια μείωση στα τελικά αποτελέσματα, στην πλειονότητα των κύκλων έως και 5%. Αυτό δείχνει ότι ίσως θα έπρεπε να επανεξεταστεί η τιμή που χρησιμοποιείται από την νομοθεσία. Πίνακας 4.8 Υπολογισμός του Dav μέσα από την διαδικασία εκφορτίσεων. Εκφορτίσεις Dav [km] Εκφόρτιση με 4km/h (σταθερή) 3.3 Εκφόρτιση με 6km/h (σταθερή) 25.5 Εκφόρτιση με 7km/h (σταθερή) 22.1 Εκφόρτιση με 8km/h (σταθερή) 2.6 Εκφόρτιση με 8km/h (σταθερή) (2) 21.1 Εκφόρτιση με 9km/h (σταθερή) 18.3 Εκφόρτιση με 7 & 5 km/h (σταθερές) 23.8 Εκφόρτιση με 5 km/h (σταθερή) & NEDC & EUDC & 6 km/h (σταθερή) 24.4 Εκφόρτιση με NEDC 22. Εκφόριση με Artemis Urban 15.6 Εκφόρτιση με Artemis Road 22.1 Εκφόριση με WLT C 26.3 Εκφόριση με ERMES 14.1 Μέσος Ό ρος

82 5. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ PRIUS PLUG-IN HYBRID ΣΤΟ CRUISE 5.1. Εισαγωγή στο Cruise Το CRUISE είναι ένα λογισμικό, που χρησιμοποιείται για να προσομοιώσει τις οδηγικές επιδόσεις, την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων διαφόρων οχημάτων. Οι πολλαπλές επιλογές που προσφέρει, επιτρέπουν την ελεύθερη μοντελοποίηση όλων των πιθανών διαμορφώσεων του οχήματος, ενώ οι μέθοδοι επίλυσης που χρησιμοποιεί εγγυώνται σύντομο χρόνο υπολογισμού. Ο χρήστης καλείται να διαλέξει τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται το όχημα που θέλει να προσομοιώσει (πχ τους τροχούς, τον βενζινοκινητήρα, το κιβώτιο ταχυτήτων κλπ) και τα εισάγει στην πλατφόρμα μοντελοποίησης του Cruise. Έτσι ο χρήστης αρχίζει σταδιακά να χτίζει το μοντέλο που θα χρησιμοποιήσει για την προσομοίωση. Τα στοιχεία- συστατικά του μοντέλου χωρίζονται στις παρακάτω βασικές ενότητες: Όχημα και τρέιλερ Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης Ο συμπλέκτης Η μετάδοση (π.χ. κιβώτιο ταχυτήτων, CVT, διαφορικό) Στοιχεία ελέγχου (π.χ. έλεγχος απενεργοποίησης του κινητήρα) Τροχοί Ηλεκτρικά εξαρτήματα (γεννήτρια, μπαταρία, ηλεκτρικός κινητήρας) Πέδηση Βοηθητικά εξαρτήματα (πχ αντλία λαδιού) Σύστημα εξάτμισης Αλγόριθμοι ελέγχου της γενικής λειτουργίας του οχήματος Παρακάτω στην Εικόνα 5.1 φαίνεται η πλατφόρμα εργασίας του Cruise. Αφού ολοκληρωθεί η παραπάνω διαδικασία, σειρά έχει η διαδικασία υπολογισμού του Cruise. Για την διαδικασία υπολογισμού ο χρήστης θα πρέπει να εισάγει στο πρόγραμμα τις βασικές παραμέτρους που επιθυμεί όπως για παράδειγμα τον κύκλο οδήγησης που πρέπει να ακολουθήσει το πρόγραμμα, την στρατηγική αλλαγής ταχυτήτων που θα ακολουθηθεί κ.α. (Εικόνα 5.2) 82

83 Εικόνα 5.1 Η πλατφόρμα εργασίας του Cruise. Εικόνα 5.2 Εισαγωγή προφίλ ταχύτητας στο Cruise. 83

84 Τέλος αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία υπολογισμού από το Cruise, ο χρήστης έχει πλέον τα αποτελέσματα του μοντέλου του (ενδεικτικά στην Εικόνα 5.3), και στην συνέχεια κρίνει αυτά τα αποτελέσματα και καταστρώνει την πορεία που θα πρέπει να κινηθεί για να τα διαφοροποιήσει-βελτιώσει. Εικόνα 5.3 Αποτελέσματα του προσομοιωμένου μοντέλου Διαδικασία μοντελοποίησης Στόχος είναι η ανάπτυξη-δημιουργία ενός μοντέλου του οχήματος Toyota Prius Plugin Hybrid στο πρόγραμμα Cruise, που να ανταποκρίνεται όσο το δυνατόν καλύτερα στην συμπεριφορά που είχε το ίδιο όχημα στις εργαστηριακές μετρήσεις. Η προσέγγιση για την επίτευξη του στόχου είναι η εξής: Εκτέλεση των εργαστηριακών δοκιμών Ανάπτυξη του μοντέλου χρησιμοποιώντας όποιες τεχνικές προδιαγραφές του οχήματος είχαμε διαθέσιμες (Για δεδομένα που δεν είχαμε, έγιναν υποθέσεις με βάση την εμπειρία, παλαιότερα μοντέλα κ.α.) Βαθμονόμηση του μοντέλου σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα. Στην Εικόνα 5.4 φαίνεται το πως πρέπει να εξελιχθεί η διαδικασία προσομοίωσης. Αρχικά γίνεται η συλλογή των τεχνικών χαρακτηριστικών του οχήματος και βάσει αυτών ξεκινά το χτίσιμο του μοντέλου στο Cruise. Στην συνέχεια γίνονται κάποιες αρχικές προσομοιώσεις (κατά προτίμηση σε «απλούς» κύκλους) για να φανoύν κάποια πρώτα αποτελέσματα, που θα δείξουν σε τι επίπεδο βρίσκεται το μοντέλο και ίσως δώσουν ενδείξεις για βασικές αλλαγές που πιθανώς χρειάζεται να γίνουν. 84

85 Εικόνα 5.4 Η διαδικασία προσομοίωσης. Ακολουθούν οι τροποποιήσεις του μοντέλου και γίνονται οι αναθεωρημένες προσομοιώσεις έτσι ώστε να βελτιωθεί η απόκριση του. Τέλος συγκρίνονται τα αποτελέσματα με τα αντίστοιχα πειραματικά και είτε η διαδικασία επιστρέφει στο βήμα των τροποποιήσεων, είτε έχουν προκύψει πλέον ικανοποιητικά αποτελέσματα Διαθέσιμα τεχνικά χαρακτηριστικά Όπως εξηγήθηκε παραπάνω, θεμελιώδη εργασία για να ξεκινήσει η προσομοίωση αποτελεί η συλλογή δεδομένων-πληροφοριών που θα βοηθήσουν στο χτίσιμο του μοντέλου. Στον Πίνακα 5.1 φαίνονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά που συλλέχθηκαν και αποτέλεσαν βάση για την δημιουργία του μοντέλου. Φαίνεται ότι υπάρχουν κάποιες βασικές πληροφορίες για το μοντέλο και τα μέρη που το αποτελούν αλλά σίγουρα υπάρχει μεγάλη έλλειψη δεδομένων για πάρα πολλά μέρη του οχήματος. Αυτό δυσκολεύει την προσπάθεια της προσομοίωσης καθότι για τα δεδομένα για τα οποία δεν υπάρχει γνώση, έγιναν υποθέσεις βασισμένες στην εμπειρία και σε αντίστοιχες επιλογές για παλαιότερα μοντέλα (διαφορετικού τύπου από τα PHEV). Όταν γίνεται κάτι τέτοιο είναι πολύ εύκολο μια λάθος επιλογή να «εκτροχιάσει» την μοντελοποίηση. 85

86 Πίνακας 5.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά του Prius Plug-in Hybrid [43]. Βενζινοκινητήρας Κυβισμός (l) 1.8 Σχέση συμπίεσης 13:1 Αριθμός κυλίνδρων 4,εν σειρά Μ έγιστη ισχύς (kw/rpm) 73/52 M έγιστη ροπή (Nm/rpm) 142/4 Ηλεκτρικός Κινητήρας Τύπος κινητήρα Σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη (3JM) Μ έγιστη τάση (V) 65 Μ έγιστη ισχύς (hp) 8 M έγιστη ροπή (Nm) 27 Όχημα Χωρητικότητα ρεζερβουάρ (l) 45 Συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης.25 Καθαρό βάρος (kg) 144 Μπαταρία Τύπος μπαταρίας Ιόντων λιθίου Xωρητικότητα μπαταρίας (kwh) Χτίσιμο του μοντέλου Κυρίαρχο ρόλο στην επιτυχία του μοντέλου, παίζει η διαδικασία δόμησης του μοντέλου. Πρώτο βήμα είναι η εισαγωγή των βασικών μερών-συστατικών του μοντέλου στην πλατφόρμα εργασία του Cruise και η σωστή διαδικασία επικοινωνίας-σύνδεσης τους. Παρακάτω στην Εικόνα 5.5 φαίνονται τα στοιχεία που επιλέχθηκαν για την δόμηση του Prius Plug-in Hybrid. Διακρίνεται ο βενζινοκινητήρας, ο ηλεκτρικός κινητήρας, η γεννήτρια, οι τροχοί, τα φρένα κλπ. Οι γραμμές σύνδεσης είναι μπλε για μηχανική σύνδεση και κόκκινες για ηλεκτρική σύνδεση. Στην συνέχεια ο χρήστης καλείται να συμπληρώσει κάποια απαραίτητα στοιχεία για το κάθε «συστατικό» του μοντέλου. Για τον βενζινοκινητήρα απαιτούνται από το πρόγραμμα κάποια γενικά του στοιχεία που φαίνονται στo Παράρτημα στην Εικόνα Π.1, όπως τον αριθμό των κυλίνδρων και τον κυβισμό του. Στην Εικόνα Π.2 πρέπει να ορισθεί η χαρακτηριστική καμπύλη πλήρους φόρτισης του βενζινοκινητήρα, ενώ στην Εικόνα Π.3 φαίνεται ότι πρέπει να εισαχθεί από τον χρήστη ο χάρτης κατανάλωσης καυσίμου του κινητήρα. Για τον ηλεκτρικό κινητήρα ο χρήστης πρέπει να εισάγει την χαρακτηριστική του ηλεκτροκινητήρα (Εικόνα Π.4) και τον χάρτη απόδοσης του (Εικόνα Π.5). Όσον αφορά την γεννήτρια πρέπει να καθορισθούν επίσης η χαρακτηριστική της καμπύλη (Εικόνα Π.6) και ο χάρτης απόδοσης της (Εικόνα Π.7). Ακόμη, για την μπαταρία ζητούνται κάποια βασικά χαρακτηριστικά της όπως η χωρητικότητα και το αρχικό επίπεδο φόρτισης (Εικόνα Π.8). Το ίδιο συμβαίνει με το σύνολο των συστατικών-μερών που επιλέχθηκαν για να δημιουργηθεί το μοντέλο. Ο χρήστης εισάγει όλα τα δεδομένα που είναι απαραίτητα και συνεχίζει με τον υπολογισμό που γίνεται από το Cruise. 86

87 Εικόνα 5.5 Η πλατφόρμα εργασίας του μοντέλου Prius Plug-in Hybrid Αποτελέσματα Από την διαδικασία μοντελοποίησης του οχήματος Prius στο πρόγραμμα ΑVL Cruise πήραμε αποτελέσματα για την συμπεριφορά όλων των συστατικών του οχήματος, σε όλους τους κύκλους οδήγησης για τους οποίους υπάρχουν πειραματικά αποτελέσματα. Παρακάτω γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων, η οποία επικεντρώνεται σε κάποια κεφαλαιώδους σημασίας χαρακτηριστικά που έχει το προσομοιωμένο μοντέλο ενώ παράλληλα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα αναλύονται αποτελέσματα που αφορούν το SoC της μπαταρίας, τις στροφές του κινητήρα εσωτερικής καύσης, την κατανάλωση καυσίμου για τους κύκλους NEDC, Artemis Urban, Artemis Road, WLTC, Ermes. Κάποια γενικά συμπεράσματα είναι ότι επιτεύχθηκε στο σύνολο των κύκλων καλή απόκριση του μοντέλου στο SoC της μπαταρίας. Αυτό οφείλεται στο ότι «καλιμπράρισμα» του μοντέλου βασίστηκε σε αυτή την παράμετρο, οπότε φυσιολογικά δίνει καλύτερα αποτελέσματα από τις υπόλοιπες παραμέτρους. Επίσης παρατηρείται πάρα πολύ καλή απόκριση του μοντέλου στον κύκλο NEDC x5 στην αθροιστική κατανάλωση καυσίμου, ενώ στους άλλος κύκλους υπάρχει μια διαφορά τις τάξης του 1 % (σε όσους κύκλους δεν «χάνονται» ενεργοποιήσεις του βενζινοκινητήρα που επηρεάζουν σημαντικά την αθροιστική κατανάλωση καυσίμου). Ο λόγος είναι ότι ο χάρτης 87

88 SoC [%], Speed [km/h] κατανάλωσης καυσίμου που χρησιμοποιήθηκε είναι ένας γενικός χάρτης όπου έχει φτιαχτεί για άλλο μοντέλο αυτοκινήτου, αλλά έχει τροποποιηθεί κατάλληλα ώστε πρώτα να επιτυγχάνεται πολύ καλή απόκριση στον κύκλο NEDC x5 αλλά και στο σύνολο των κύκλων. Ακόμη σε μια προσπάθεια σύγκρισής των κύκλων γίνεται εμφανές από τα αποτελέσματα ότι ο NEDC είναι ο πιο απλός κύκλος και ότι ο Artemis Urban είναι αρκετά δύσκολος όσον αφορά την προσομοίωση του μοντέλου NEDC Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης για τους κύκλους NEDC που μετρήθηκαν στο εργαστήριο. Αρχή γίνεται με τους 5 συνεχόμενους κύκλους NEDC. Από την Εικόνα 5.6 εώς την Εικόνα 5.9 παρουσιάζονται κατά αντιστοιχία το SoC της μπαταρίας, οι στροφές του βενζινοκινητήρα στιγμιαία και η αθροιστική κατανάλωση καυσίμου vehicle Speed measured SoC simulated SoC Εικόνα 5.6 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο, για τον κύκλο NEDC x5. 88

89 FC [kg/h] Engine Speed [rpm] measured Eng Speed 4 simulated Eng Speed Εικόνα 5.7 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες, για τον κύκλο NEDC x5. measured FC 12 simulated FC Εικόνα 5.8 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη, για τον κύκλο NEDC x5. 89

90 Cumulative FC [g] Speed [km/h] measured Cumul FC simulated Cumul FC vehicle Speed Εικόνα 5.9 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη, για τον κύκλο NEDC x5. Φαίνεται πολύ καλή απόκριση του μοντέλου καθ όλη την διάρκεια διεξαγωγής της δοκιμής σε όλες τις κύριες παραμέτρους. Δηλαδή έχουμε πολύ καλή συσχέτιση και για το πότε και πως καταναλώνεται ενέργεια από την μπαταρία, αλλά και πότε λειτουργεί ο κινητήρας εσωτερικής καύσης και πόσο καύσιμο καταναλώνεται συνολικά. Ακολουθούν τα αποτελέσματα για τα πειράματα στους κύκλους NEDC που διεξήχθησαν με μέγιστο αρχικό SoC (Εικόνες ). Εκεί παρατηρείται ότι όσον αφορά το SoC της μπαταρίας υπάρχει συσχέτιση μεταξύ του πειραματικού και προσομοιωμένου αποτελέσματος. Για τις στροφές του κινητήρα υπάρχει ταύτιση στην χρονική στιγμή που ανοίγει ο κινητήρας στον NEDC 1 (στα 95 km/h εφόσον η μπαταρία δεν έχει εξαντλήσει τα όρια λειτουργίας «Κατάσταση εκφόρτισης»). Στους NEDC 2και 3 φαίνεται να υπάρχει πρόβλημα στις πειραματικές μετρήσεις (το συμπέρασμα αυτό προκύπτει από μετρήσεις της Toyota), πράγμα που δυσκολεύει και την παρακολούθηση της κατανάλωσης καυσίμου (ανά δευτερόλεπτο και αθροιστική). Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τα πειράματα στους κύκλους NEDC που διεξήχθησαν με ελάχιστο αρχικό SoC (Διαγράμματα ). Εκεί φαίνεται ότι οι στροφές του βενζινοκινητήρα και το SoC της μπαταρίας ανταποκρίνονται αρκετά καλά από το μοντέλο. Υπάρχει μια απόκλιση της τάξης του 1% στην τελική τιμή της αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου. 9

91 Engine Speed [rpm] Vehicle Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] 14 measured SoC simulated SoC 12 Vehicle Speed Εικόνα 5.1 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 1 με αρχικό max SoC) measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.11 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 1 με αρχικό max SoC). 91

92 Cumulative FC [g], Speed [km/h] FC [kg/h] Vehicle Speed [km/h] 12 1 measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.12 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 1 με αρχικό max SoC) measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.13 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 1 με αρχικό max SoC). 92

93 Engine Speed [rpm] Vehicle Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.14 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 2 με αρχικό max SoC) measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed km/h Εικόνα 5.15 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 2 με αρχικό max SoC). 93

94 Cumulative FC [g], Spped [km/h] FC [kg/h] Vehicle Speed [km/h] 12 1 measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.16 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 2 με αρχικό max SoC) measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.17 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 2 με αρχικό max SoC). 94

95 Engine Speed [rpm] Vehicle Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.18 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 3 με αρχικό max SoC). measured Eng Speed simulated Eng Speed 4 measured Speed km/h Εικόνα 5.19 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 3 με αρχικό max SoC). 95

96 Cumulative FC [g], Speed [km/h] FC [kg/h] Speed [km/h] 12 1 measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.2 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 3 με αρχικό max SoC) measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.21 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 3 με αρχικό max SoC). 96

97 Engine Speed [rpm] Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.22 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 1 με αρχικό min SoC) measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.23 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 1 με αρχικό min SoC). 97

98 Cumulative FC [g] Speed [km/h] FC [kg/h] Speed [km/h] 12 1 measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.24 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 1 με αρχικό min SoC) measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.25 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 1 με αρχικό min SoC). 98

99 Engine Speed [rpm] Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.26 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 2 με αρχικό min SoC) measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.27 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 2 με αρχικό min SoC). 99

100 Cumulative FC [g] Speed [km/h] FC (kg/h) Speed [km/h] 12 1 measured FC simulated FC Vehicle Speed Time (s) Εικόνα 5.28 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 2 με αρχικό min SoC) measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.29 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 2 με αρχικό min SoC). 1

101 Engine Speed [rpm] Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.3 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος NEDC 3 με αρχικό min SoC) measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.31 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος NEDC 3 με αρχικό min SoC). 11

102 Cumulative FC [g] Speed [km/h] FC [kg/h] Speed [km/h] 12 1 measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.32 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 3 με αρχικό min SoC) measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.33 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος NEDC 3 με αρχικό min SoC). 12

103 SoC [%], Speed [km/h] WLTC Στις Εικόνες 5.34 έως 5.37 φαίνονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν για το τεστ εκφόρτισης των 2 συνεχόμενων WLTC κύκλων. Παρατηρείται ότι υπάρχει αρκετά καλή απόκριση του μοντέλου όσον αφορά το SoC της μπαταρίας. Ακόμη στην περιοχή των 2 δευτερολέπτων φαίνεται ότι η προσομοίωση δίνει κάποιες επιπλέον στροφές του κινητήρα από τα πειράματα. Τέλος το μοντέλο δίνει μια αυξημένη κατανάλωση καυσίμου κατά περίπου 1%. Όσον αφορά τον κύκλο WLTC που διεξήχθη με μέγιστο αρχικό SoC, προκύπτουν ικανοποιητικά αποτελέσματα για όλες τις βασικές παραμέτρους λειτουργίας του οχήματος (Εικόνες 5.38 έως 5.41). Για την μέτρηση με ελάχιστο αρχικό SoC το μοντέλο προσομοιώνει αρκετά καλά για το μεγαλύτερο μέρος του κύκλου την συμπεριφορά του οχήματος. Ακόμη δίνει μια αυξημένη αθροιστική κατανάλωση καυσίμου περίπου 1% (Εικόνες 5.42 έως 5.45) measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.34 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο, για τον κύκλο WLTC x2. 13

104 FC [kg/h] Engine Speed [rpm] measured Eng Speed simulated Eng Speed Εικόνα 5.35 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες για τον κύκλο WLTC x2. 12 measured FC simulated FC Εικόνα 5.36 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο WLTCx2. 14

105 SoC [%], Speed [km/h] Cumulative FC [g] Speed [km/h] measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.37 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο WLTCx measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.38 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος WLTC με αρχικό max SoC). 15

106 FC [kg/h] Speed [km/h] Engine Speed [rpm] Speed [km/h] measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.39 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος WLTC με αρχικό max SoC) measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.4 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος WLTC με αρχικό max SoC). 16

107 SoC [%], Speed [km/h] Cumulative FC [g] Speed [km/h] 35 3 measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.41 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος WLTC με αρχικό max SoC) measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.42 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος WLTC με αρχικό min SoC). 17

108 FC [kg/h] Speed [km/h] Engine Speed [rpm] Speed [km/h] measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.43 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος WLTC με αρχικό min SoC) measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.44 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος WLTC με αρχικό min SoC). 18

109 Cumulative FC [g] Speed [km/h] measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.45 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος WLTC με αρχικό min SoC) Artemis Road Στις Εικόνες 5.46 έως 5.49 παρατίθενται τα αποτελέσματα για τον κύκλο εκφόρτισης όπου διεξάγονται 3 συνεχόμενοι κύκλοι. Artemis Road Υπάρχει πάρα πολύ καλή συμπεριφορά του μοντέλου στο SoC της μπαταρίας ενώ στις στροφές του κινητήρα και στην κατανάλωση ανά δευτερόλεπτο φαίνεται να ακολουθείται η τάση του πειράματος. Στην αρχή του πειράματος «χάνονται» κάποιες κορυφές, γεγονός το οποίο πιθανότατα οφείλεται στο ότι ο κινητήρας εσωτερικής καύσης κατά την διαδικασία του πειράματος, δεν είχε πιάσει την επιθυμητή θερμοκρασία λειτουργίας οπότε ανοίγει και σε στιγμές που δεν αναμένεται αυτό να συμβεί.. Δηλαδή δεν πρόκειται για σημεία όπου υπάρχουν υψηλές ταχύτητες ή απότομες επιταχύνσεις και η μπαταρία δεν έχει εκφορτιστεί. Τα αποτελέσματα από το τεστ με Artemis Road έχοντας την μπαταρία με μέγιστο αρχικό SoC παρουσιάζονται στις Εικόνες 5.5 έως 5.53 όπου φαίνεται να εμφανίζεται το πρόβλημα ενεργοποίησης του κινητήρα που αναφέρθηκε και παραπάνω, το οποίο επηρεάζει αρνητικά τα αποτελέσματα. Στις Εικόνες 5.54 έως 5.57 είναι τα αποτελέσματα για την δοκιμή του κύκλου Artemis Road με αρχικά ελάχιστο SoC. Παρατηρείται μια αρκετά καλή προσέγγιση των πειραματικών μετρήσεων. 19

110 Engine Speed [rpm] SoC [%], Speed [km/h] 12 1 measured SoC simulated SoC Vehicle speed Εικόνα 5.46 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο για τον κύκλο Artemis Road x3. 45 measured Eng Speed simulated Eng Speed Εικόνα 5.47 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες για τον κύκλο Artemis Road x3. 11

111 Cumulative FC [g] Speed [km/h] FC [kg/h] measured FC 12 simulated FC Εικόνα 5.48 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο Artemis Road x measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle speed Time (s) Εικόνα 5.49 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη για τον κύκλο Artemis Road x3. 111

112 Engine Speed [rpm] Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] 12 1 measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.5 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Art. Road με αρχικό max SoC) measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.51 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Art. Road με αρχικό max SoC). 112

113 Cumulative FC [g] FC [kg/h] Speed [km/h] 12 1 measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.52 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Road με αρχικό max SoC). 12 measured Cumul FC simulated Cumul FC 1 Vehicle Speed Εικόνα 5.53 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Road με αρχικό max SoC). 113

114 Engine Speed [rpm] Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] 12 1 measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.54 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Art. Road με αρχικό min SoC) measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.55 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Art. Road με αρχικό min SoC). 114

115 Cumulative FC [g] Speed [km/h] FC [kg/h] Speed [km/h] 12 1 measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.56 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Road με αρχικό min SoC). 7 6 measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.57 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Road με αρχικό min SoC). 115

116 SoC [%], Speed [km/h] Artemis Urban Χρησιμοποιώντας τον κύκλο Artemis Urban διεξήχθησαν τρεις πειραματικές μετρήσεις. Μία πραγματοποιώντας 6 συνεχόμενους κύκλους Artemis Urban, μία με μέγιστο αρχικό SoC της μπαταρίας και μία με ελάχιστο αρχικό SoC της μπαταρίας. Τα αποτελέσματα που φαίνονται στις Εικόνες 5.58 έως 5.61 για τον κύκλο εκφόρτισης Artemis Urban δείχνουν ότι παρότι υπάρχει πολύ καλή προσέγγιση του SoC της μπαταρίας, στην λειτουργία του βενζινοκινητήρα δεν υπάρχει επαρκής συσχέτιση με τις πειραματικές μετρήσεις. Αυτό οδηγεί και σε μεγάλη διαφορά στην τελική κατανάλωση καυσίμου. Στην Εικόνα 5.62 παρουσιάζεται η εξέλιξη του SoC της μπαταρίας για την δοκιμή του Artemis Urban με μέγιστο αρχικό SoC όπου φαίνεται να υπάρχει έντονη συσχέτιση μεταξύ μέτρησης-προσομοίωσης. Λόγω της μη ενεργοποίησης του κινητήρα εσωτερικής καύσης δεν υπάρχουν τα διαγράμματα των στροφών του κινητήρα και της κατανάλωσης καυσίμου. Στην δοκιμή με ελάχιστο αρχικό SoC το προσομοιωμένο μοντέλο κρατάει ενεργοποιημένο τον βενζινοκινητήρα για περισσότερη ώρα στην αρχή του κύκλου. Στην συνέχεια φαίνεται να βελτιώνει την συμπεριφορά του (Εικόνες 5.63 έως 5.66). 9 8 measured SoC simulated SoC Vehicle speed Time(s) Εικόνα 5.58 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο, για τον κύκλο Artemis Urban x6. 116

117 FC [kg/h] Engine speed [rpm] measured Eng Speed simulated Eng Speed Εικόνα 5.59 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες, για τον κύκλο Artemis Urban x6. 7 measured FC simulated FC Εικόνα 5.6 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη. για τον κύκλο Artemis Urban x6. 117

118 SoC [%] Speed [km/h] Speed [km/h] Cumulative FC [g] Vehicle speed measured Cumul FC simulated Cumul FC Εικόνα 5.61 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη, για τον κύκλο Artemis Urban x measured SoC simulated SoC Vexicle Speed Εικόνα 5.62 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Art. Urban με αρχικό max SoC). 118

119 Engine Speed (rpm) Speed [km/h] SoC [%], Speed [km/h] 5 45 measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.63 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Art. Urban με αρχικό min SoC) measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.64 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Art. Urban με αρχικό min SoC). 119

120 Cumulative FC [g] Speed [km/h] FC [kg/h] Speed [km/h] 7 6 measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.65 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Urban με αρχικό min SoC) measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.66 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Art. Urban με αρχικό min SoC). 12

121 SoC [%], Speed [km/h] Ermes Για τον κύκλο Ermes διεξήχθησαν δύο δοκιμές, μια με αρχικά μέγιστο SoC και μια με αρχικά ελάχιστο SoC. Στις Εικόνες 5.67 έως 5.7 φαίνονται τα αποτελέσματα για την δοκιμή με μέγιστο αρχικό SoC, ενώ στις Εικόνες 5.71 έως 5.74 εικονίζονται τα αποτελέσματα για την δοκιμή με ελάχιστο αρχικό SoC. Φαίνεται ικανοποιητική απόκριση του μοντέλου, χωρίς όμως να αποφεύγονται και εδώ κάποια «λάθη» τα οποία πρέπει να διορθωθούν measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.67 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Ermes με αρχικό max SoC). 121

122 FC [kg/h] Speed [km/h] Engine Speed [rpm] Speed [km/h] measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.68 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Ermes με αρχικό max SoC) measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.69 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Ermes με αρχικό max SoC). 122

123 SoC [%], Speed [km/h] Cumulative FC [g] Speed [km/h] measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.7 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Ermes με αρχικό max SoC) measured SoC simulated SoC Vehicle Speed Εικόνα 5.71 Σύγκριση πειραματικού SoC με το προσομοιωμένο (κύκλος Ermes με αρχικό min SoC). 123

124 FC [kg/h] Speed [km/h] Engine Speed [rpm] Speed [km/h] measured Eng Speed simulated Eng Speed Vehicle Speed Εικόνα 5.72 Σύγκριση πειραματικών στροφών κινητήρα με τις προσομοιωμένες (κύκλος Ermes με αρχικό min SoC) measured FC simulated FC Vehicle Speed Εικόνα 5.73 Σύγκριση πειραματικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Ermes με αρχικό min SoC). 124

125 Cumulative FC [g] Speed [km/h] measured Cumul FC simulated Cumul FC Vehicle Speed Εικόνα 5.74 Σύγκριση πειραματικής αθροιστικής κατανάλωσης καυσίμου με την προσομοιωμένη (κύκλος Ermes με αρχικό min SoC). Παρακάτω στον Πίνακα 5.2 παρουσιάζεται η συσχέτιση (το R 2 ) που έχουν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με αυτά των πειραματικών μετρήσεων για τρεις παραμέτρους σε όλους τους κύκλους που υπήρξε δοκιμή του οχήματος. Αυτοί οι παράμετροι είναι το SoC της μπαταρίας, οι στροφές του βενζινοκινητήρα και η στιγμιαία κατανάλωση καυσίμου. Στην τελευταία στήλη του πίνακα υπάρχει η διαφορά που προέκυψε μεταξύ της πειραματικής και της προσομοιωμένης συνολικής κατανάλωσης καυσίμου κάθε κύκλου. Φαίνεται ότι στην πλειονότητα των κύκλων το SoC της μπαταρίας του μοντέλου έχει αρκετά καλή συσχέτιση με το πειραματικό SoC της μπαταρίας. Δυστυχώς το κριτήριο του R 2 δεν είναι ικανοποιητικό για τις στροφές του βενζινοκινητήρα και για την στιγμιαία κατανάλωση καυσίμου στην πλειονότητα των κύκλων. Για την συνολική κατανάλωση καυσίμου κάθε κύκλου, φαίνεται ότι ο χάρτης κατανάλωσης καυσίμου που χρησιμοποιήθηκε, τροποποιήθηκε κατάλληλα έτσι ώστε να επιτευχθεί η πειραματική συνολική κατανάλωση καυσίμου του κύκλου NEDC x5 (τελική διαφορά.1 %) και παράλληλα να μην υπάρχουν μεγάλες διαφορές στην πλειονότητα των υπόλοιπων κύκλων (τουλάχιστον αυτών που δεν παρουσίαζαν έντονα προβλήματα από την αρχή τους). Επομένως φαίνεται ότι το μοντέλο χρειάζεται περαιτέρω βελτίωση όσον αφορά το πότε λειτουργεί ο βενζινοκινητήρας. Εάν συμβεί αυτό θα βελτιωθούν και τα αποτελέσματα της στιγμιαίας κατανάλωσης καυσίμου και της συνολικής κατανάλωσης. 125

126 Πίνακας 5.2 Κριτήριο συσχέτισης και διαφορά στην συνολική κατανάλωση μεταξύ προσομοίωσηςπειράματος. 14/3 15/3 19/3 2/3 21/3 SoC RPM FC inst. Total FC diff. (%) NEDC max soc Art Urban max soc Art Urban min soc NEDC min soc Art Road max soc NEDC max soc WLT C max soc WLT C min soc NEDC min soc Art Road min soc NEDC max soc Ermes max soc Ermes min soc /3 NEDC min soc NEDC x WLT C Artemis Road Artemis Urban Συμπεράσματα και αποτίμηση του προσομοιωμένου μοντέλου Παρακάτω γίνεται μια προσπάθεια αποτίμησης του μοντέλου που δημιουργήθηκε με σκοπό την προσομοίωση του Prius PHEV. Αναλύονται τα σημεία στα οποία το μοντέλο ακολουθεί αρκετά τις πειραματικές μετρήσεις, αλλά και τα σημεία στα οποία υστερεί και ακόμη επεξηγούνται οι δυσκολίες που αντιμετωπίστηκαν κατά την διαδικασία προσομοίωσης. Στην πενταπλή επανάληψη του NEDC το μοντέλο ακολουθεί εξαιρετικά την πειραματική μέτρηση σε όλες τις παραμέτρους για τους οποίους εξετάσθηκε. Υπάρχει εξαιρετική συσχέτιση στο SoC της μπαταρίας (99.4 %) και διαφορά στην συνολική κατανάλωση σχεδόν μηδενική. Γενικώς το μοντέλο ανταποκρίθηκε αρκετά καλά στο SoC της μπαταρίας στην πλειονότητα των κύκλων. Αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στο ότι το «καλιμπράρισμα» του μοντέλου επικεντρώθηκε σε αυτήν την παράμετρο. Έτσι στην πλειονότητα των κύκλων η συσχέτιση ξεπερνάει το 9 %. Παρότι τα αποτελέσματα της συσχέτισης για τις στροφές του κινητήρα και της κατανάλωσης καυσίμου ανά δευτερόλεπτο δεν είναι ικανοποιητικά (R 2 μικρότερο του 5% για την πλειονότητα των κύκλων), φαίνεται ότι το μοντέλο, εάν εξαιρεθούν κάποιες έντονες αδυναμίες του, ακολουθεί την τάση των πειραματικών μετρήσεων. Ακόμη η συνολική κατανάλωση καυσίμου φαίνεται ότι στους περισσότερους κύκλους δεν διαφέρει παραπάνω από ένα όριο εύρους 1%. Κάποιες ακραίες διαφορές οφείλονται είτε σε απρόσμενη συμπεριφορά των μετρήσεων (όπως εξηγείται παρακάτω) είτε σε απρόσμενη συμπεριφορά του μοντέλου. 126

127 Ο κύκλος στον οποίο φαίνεται να υπάρχει έντονο πρόβλημα στην λειτουργία του βενζινοκινητήρα είναι ο κύκλος εκφόρτισης Artemis Urban x6 και εκεί το μοντέλο χρειάζεται βελτίωση. Μια δυσκολία που κάνει αδύνατο να επιτευχθούν τα επιθυμητά αποτελέσματα είναι ότι οι πειραματικές μετρήσεις έδειξαν ότι υπάρχουν ενεργοποιήσεις του κινητήρα σε απρόσμενες στιγμές (μη εκφορτισμένη μπαταρία και όχι υψηλές ταχύτητες) κάτι που οφείλεται πιθανότατα στο ότι ο κινητήρας δεν έχει «πιάσει» την απαιτούμενη θερμοκρασία. Επιπλέον μια ακόμη δυσκολία που αντιμετωπίστηκε ήταν η ελλιπής γνώση που υπάρχει για τον «hybrid controller» που χρησιμοποιεί το Cruise, όπου δυσκολεύει πολύ την διαδικασία μοντελοποίησης. Ο hybrid controller είναι το επίκεντρο του μοντέλου καθώς ρυθμίζει την λειτουργία του οχήματος γενικά. Δηλαδή «αποφασίζει» πότε, πως και πόσο θα συνεισφέρουν τα επιμέρους συστατικά του οχήματος όπως ο βενζινοκινητήρας ο ηλεκτρικός κινητήρας κλπ αναλόγως με τις απαιτήσεις που χρειάζεται να καλυφθούν για την οδήγηση του οχήματος. Δυστυχώς δεν δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη να επέμβει στο hybrid controller αλλά ούτε και να «διαβάσει» τον ήδη υπάρχον. Η επίγνωση έστω κάποιων βασικών εξισώσεων του θα αποτελούσε σημαντική βοήθεια. Ακόμη πρέπει να τονισθεί ότι έγινε υπόθεση για πάρα πολλά, και μεγάλης σημασίας χαρακτηριστικά των μερών-συστατικών του οχήματος με βάση την εμπειρία προσομοιώσεων παλαιότερων οχημάτων και λαμβάνοντας υπ όψιν αυτήν την έλλειψη πάρα πολλών πληροφοριών αλλά και το ότι πρόκειται για ένα μη συμβατικό όχημα το οποίο είναι δυσκολότερο να προσομοιωθεί, φαίνεται ότι έγινε μια αξιοπρεπής προσπάθεια προσομοίωσης του οχήματος που απέδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα. 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα PHEV είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που φιλοδοξεί να εισέλθει δυναμικά στην παγκόσμια αγορά. Παρακάτω γίνεται μια προσπάθεια να εξαχθούν τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και να τονισθούν τα περιθώρια βελτίωσης για την τεχνολογία των PHEV. Από τις μετρήσεις του Prius φάνηκε ότι επιτυγχάνεται εξαιρετική οικονομία καυσίμου. Συγκεκριμένα η κατανάλωση καυσίμου για τον κύκλο NEDC ανέρχεται στα 3,3 L/1 km. Επίσης η μέση κατανάλωση καυσίμου που προκύπτει από όλους τους κύκλους ανέρχεται στα 3,55 L/1 km, ενώ η μικρότερη τιμή της κατανάλωσης είναι 2,99 L/1 km για τον κύκλο Artemis Road και η μεγαλύτερη τιμή είναι 4,35 L/1 km και προέρχεται από τον κύκλο Artemis Urban (όπως είναι λογικό αφού είναι ο κύκλος που αντιπροσωπεύει την οδήγηση εντός πόλης). Σε μια προσπάθεια σύγκρισης το μοντέλο Hyundai i3 που διαθέτει κινητήρα 1,8 L (ίδιος κυβισμός με του Prius Plug-in Hybrid) έχει κατανάλωση καυσίμου που φθάνει τα 6,5 L/1 km [45]. Φαίνεται μια μείωση της τάξης του 45 %. Άμεσο επακόλουθο του παραπάνω είναι και ο αξιοσημείωτος περιορισμός των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα. Για τον κύκλο NEDC είναι 72 g/km. Όπως είναι λογικό οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα ακολουθούν την κατανάλωση καυσίμου έτσι έχουμε την μικρότερη τιμή για τον Artemis Road (71 g/km) και την μεγαλύτερη για τον Artemis Urban (14 g/km). Η μέση τιμή όλων των κύκλων είναι 84 g/km. Εάν συγκριθεί με το μοντέλο Avensis της Toyota το οποίο έχει 152 g/km φαίνεται μια αξιοσημείωτη διαφορά αφού πρόκειται για περίπου διπλάσια τιμή [46]. 127

128 Όσον αφορά τα σωματίδια προέκυψε ότι ο μέσος όρος του αριθμού σωματιδίων ανά χιλιόμετρο είναι 7,85 E+11 #/km με την μικρότερη τιμή να την κατέχει ο NEDC με 5,29 Ε+11 #/km και την μεγαλύτερη ο Εrmes με 1,17 Ε+12 #/km. Η συγκέντρωση μάζας (mg/km) σωματιδίων είχε μικρότερη τιμή στον NEDC (.9 mg/km) και μεγαλύτερη τιμή στον Ermes (,3 mg/km). Τέλος και στα NO x στον NEDC κύκλο εκπέμπονται,8 g/km ενώ το Auris εκπέμπει,6 g/km [47]. Τα PHEV έχουν εκτός των χαμηλών εκπομπών τους συγκριτικά με συμβατικά οχήματα έχουν και άλλα προτερήματα. Εξαιτίας της αυξημένης χωρητικότητας της μπαταρίας η κατανάλωση καυσίμου και συνεπώς και οι άμεσες εκπομπές μπορούν να εξαλειφθούν πλήρως, για διαδρομές που είναι μικρότερες από την μέγιστη απόσταση που μπορεί να διανύσει το όχημα με τον ηλεκτροκινητήρα. Όσον αφορά τις έμμεσες εκπομπές από τη φόρτιση του αυτοκινήτου έχουν δύο κύρια χαρακτηριστικά: 1) κατά κανόνα εκπέμπονται μακριά από τα κέντρα που συγκεντρώνεται ο πληθυσμός, 2) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ενεργειακό μίγμα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, από τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο να έχει την δυνατότητα να μειώσει πάρα πολύ τις εκπομπές, σε σύγκριση με το εάν αυτές προερχόταν από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης του οχήματος (π.χ. ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιεί φυσικό αέριο ή πυρηνική ενέργεια). Ακόμη ο ηλεκτρισμός είναι μια πολύ φθηνότερη πηγή ενέργειας από την βενζίνη. Συνεπώς μειώνεται σημαντικά το κόστος λειτουργίας του οχήματος. Τα οχήματα αυτού του τύπου έχουν την ικανότητα φόρτισης από μια οποιαδήποτε πρίζα, κάτι που προσφέρει άνεση στον ανεφοδιασμό της μπαταρίας. Παρόλα αυτά αναγκαία είναι η δημιουργία δικτύου σταθμών όπου θα προσφέρεται η δυνατότητα φόρτισης. Βέβαια το κόστος των PHEV είναι ακόμη αρκετά μεγάλο, κάτι που αποτελεί τροχοπέδη στην βελτίωση της ανταγωνιστικότητας τους. Το αυξημένο κόστος των PHEV οφείλεται κατά κύριο λόγο στο κόστος της μπαταρίας. Είναι αλήθεια ότι η τεχνολογία των μπαταριών έχει ακόμη μεγάλα περιθώρια βελτίωσης που εάν επιτευχθεί θα κάνει τα PHEV ακόμη ελκυστικότερα. Για το μοντέλο που αναπτύχθηκε στο Cruise η μέση κατανάλωση καυσίμου που προκύπτει από όλους τους κύκλους ανέρχεται στα 4,1 L/1 km και η μέση τιμή εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα είναι 97 g/km. Στον κύκλο NEDC η κατανάλωση καυσίμου ανέρχεται στα 2,91 L/1 km που είναι ταυτόχρονα και η μικρότερη τιμή από όλους τους κύκλους, ενώ η μεγαλύτερη τιμή είναι 7,57 L/1 km που αντιστοιχεί στο Artemis Urban. Είναι αρκετά μεγαλύτερη από την πειραματική μέτρηση, κάτι που δείχνει ότι το μοντέλο στον συγκεκριμένο κύκλο χρειάζεται βελτίωση. Η μέση τιμή των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από όλους τους κύκλους είναι 97 g/km. Για τον κύκλο NEDC η τιμή εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα είναι 69 g/km και αποτελεί την μικρότερη τιμή από το σύνολο των κύκλων ενώ την μεγαλύτερη τιμή έχει ο Artemis Urban και είναι 18 g/km. Μελλοντική βελτίωση του Prius Plug-inHybrid Σαν μελλοντική βελτίωση του Prius Plug-in Hybrid συζητιέται η περαιτέρω αύξηση της ηλεκτρικής αυτονομίας καθώς η προοπτική ασύρματης φόρτισης των οχημάτων [44]. Οι σταθμοί ηλεκτρικής φόρτισης χρησιμοποιούν καλώδια ρεύματος, τα οποία είναι μια πολύ φθηνή, αξιόπιστη και αποτελεσματική λύση. Ωστόσο, η ασύρματη φόρτιση θα πάει την άνεση σε ένα τελείως νέο επίπεδο, και θα κάνει τους σταθμούς δημόσιας φόρτισης πιο 128

129 ελκυστικούς. Για να γίνει περισσότερο κατανοητή η προσπάθεια αυτή καλό θα ήταν να υπολογιστούν τα οφέλη εάν το βενζινοκίνητο συμβατικό αυτοκίνητό θα μπορούσε να εφοδιαστεί αυτόματα κάθε φορά που έχει γίνει στάθμευση στο σπίτι, σε ένα κατάστημα, ή σε ένα εστιατόριο. Έπειτα από αυτό δεν χρειάζεται να γίνει ανεφοδιασμός σε ένα δύσοσμο βενζινάδικο. H Toyota αναπτύσσει ένα νέο ασύρματο σύστημα φόρτισης για την επαναφόρτιση της μπαταρίας, για να παρακάμψει τη φασαρία των καλωδίων. Υπάρχουν προβλήματα που πρέπει να ξεπεραστούν, όπως η ανησυχία για την ασφάλεια σχετικά με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται από τα συστήματα ασύρματης φόρτισης. Ωστόσο, ευελπιστούν ότι θα ξεπεραστούν. Μελλοντική έρευνα Όσον αφορά το μοντέλο υπάρχουν μεγάλα περιθώρια βελτίωσης λόγω των πάρα πολλών υποθέσεων που έγιναν, ειδικά για τη λειτουργία του hybrid controller.. Επιπλέον θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν έχει γίνει μοντέλο ψυχρής εκκίνησης στο Cruise, οπότε στα επόμενα βήματα και για να γίνει σύγκριση με τις αντίστοιχες μετρήσεις θα πρέπει να δημιουργηθεί. Έτσι, λόγω των πολλών υποθέσεων που έγιναν κατά την διάρκεια κατάστρωσης του μοντέλου προέκυψαν τιμές για το κριτήριο του R 2 που δεν είναι ικανοποιητικές για να περιγράψουν τα μετρητικά μας δεδομένα. Παρόλα αυτά, το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σενάρια πρόβλεψης κατανάλωσης. Εκτός από την παράμετρο του SoC της μπαταρίας όπου γενικώς σε όλους τους κύκλους το μοντέλο ανταποκρίνεται καλά αφού στους περισσότερους κύκλους έχουμε R 2 μεγαλύτερο του,9,το κριτήριο του R 2 στις στροφές του βενζινοκινητήρα και στην στιγμιαία κατανάλωση καυσίμου σχεδόν σε όλους τους κύκλους οδήγησης είναι πάρα πολύ μικρό (μικρότερο του,5) ή και σε πολλές περιπτώσεις μηδενικό. Τέλος όσον αφορά την συνολική κατανάλωση καυσίμου, φαίνεται ότι το μοντέλο παρουσιάζει στους περισσότερους κύκλους μια διαφορά με τις πειραματικές μετρήσεις που δεν ξεπερνά ένα όριο εύρους του 1%. Συνεπώς παρότι το μοντέλο που δημιουργήθηκε φαίνεται να ακολουθεί την τάση των πειραματικών μετρήσεων, χρειάζεται βελτίωση των κριτηρίων για να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι πρόκειται για ένα μοντέλο το οποίο μπορεί να περιγράψει απόλυτα τις μετρήσιμες τιμές. 129

130 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] History of plug-in hybrids, 214, accessed January 214, < [2] The California Cars Initiative CalCars, 25, How We Green-Tuned an '4 Prius into a PRIUS+ Plug-In Hybrid, accessed 213, < [3] T Ken, Toyota charging ahead with plans for plug-in hybrid. Chicago Sun- Times/Associated Press. 26. [4] Lithium Ion Likely to Power Hybrids of the Future, Hybrid Synergy View Newsletter, Toyota, 27. [5] Toyota Motor Corporation, Japan Certifies Toyota Plug-in Hybrid for Public-road Tests JCN Newswire 27, accessed 213, < [6] Λ.Ντζιαχρήστος, Πηγές Ρύπανσης-Μεταφορές, Πανεπιστημιακές παραδόσεις, Θεσσαλονίκη, 211. [7] R. Rudramoorthy, S. Amjad, S. Neelakrishnan, Review of design considerations and technological challenges for successful development and deployment of plug-in hybrid electric vehicles, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, issue 3, 21, pp [8] BP Statistical Review of World Energy updated with EIA data. (Energy Information Administration), accessed 213, < [9] JB Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company, [1] Μέση τιμή καυσίμων στην Ελλάδα 214, accessed 213, < Copyright 211, < [11] Οικιακό τιμολόγιο ΔΕΗ, accessed 213, < [12] Toyota Corolla Price & Specs, accessed 214, < [13] S Siler, 212 Toyota Prius Plug-In Hybrid - First Drive Review, accessed 214, < [14] 212 Toyota Auris 1.8 hsd 4dr auto overview, accessed 214 < [15] PHEV sales and main markets, accessed 213, < [16] A Emadi & M Ehsani & SE Gay & Y Gao, Modern electric, hybrid electric and fuel cell vehicles: fundamentals, theory and design, CRS Press, 24. [17] B Shaffer & BL D Souza & C Larson & IV HE Raw Lins & JC Machura & M Shuck, et al., Texas Tech University develops fuel cell powered hybrid electric vehicle for future car challenge, 1998, SAE paper No

131 [18] CP Cho & R Johnston & W Wylam, The integrated starter alternator damper: the first step towards hybrid electric vehicles SAE Paper No [19] I Hussain & MS Islam, Design, modeling and simulation of an electric vehicle System, SAE Paper No [2] JF Gierass & M Wing, Permanent magnet motor technology design and applications, Marcel Dekker Inc., New York, 22. [21] Y Ishikawa, A motor-drive system design that takes into account EV characteristics, SAE Paper No [22] JM Tarascon & M Armand, Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries, Nature, 21 (November), pp [23] C Rosenkranz, Deep cycle batteries for plug-in hybrid application, EVS-2 plug-in hybrid workshop, 23. [24] Sebastian Blanco, Toyota Plug-in Prius priced at $32, and Prius V from $26,4, AutoblogGreen, 211. [25] Toyota Settles with Paice on Patent-Infringement Lawsuit, accessed 214, < [26] J Layton &. N Karim, How Hybrid Cars Work, accessed 214, < [27] J Gonder & T Markel, Energy Management Strategies for Plug-In Hybrid Electric Vehicles, technical report NREL/CP presented at SAE World Congress, April 16 19, 27, Detroit, Michigan. [28] Tony Markel/NREL, Plug-in HEV Vehicle Design Options and Expectations 27. [29] Santini, et al., Energy and Petroleum Consumption Attributes of Plug-in Hybrids, 27. [3] J Bernard & R Blonbou1 & S Monjoly1, Dynamic Energy Storage Management for Dependable Renewable Electricity Generation, accessed 213, < [31] Prius Plug-in Hybrid Dismantling Manual [32] M Sway-Tin & S Dhameja, Traction batteries their effects on electric vehicle Performance, SAE Paper No [33] Deka 8G8D Solar Batteries, accessed 213, < 8g8d-solar-batteries-18> [34] AF Burke, Batteries and ultracapacitors for electric, hybrid and fuel cell vehicles, In: Proceedings of the IEEE, 27. [35] B Asaei & P Fajri, Plug-in hybrid conversion of a series hybrid electric vehicle and simulation comparison, In: International conference on optimization of electrical 131

132 and electronic equipment, 28. [36] J Layton &. N Karim, How Hybrid Cars Work, accessed 214, [37] Hybrid Basics, BC Climate Exchange Hybrid Experience Report., 27. [38] L Hall, Toyota Prius Plug-in Hybrid Review HybridCars.com. 212, [39] Model 31 Condensation Particle Counter, Instruction Manual, P/N 19331, Revision F, August 22 [4] Pegasor M-Sensor configuration, accessed 214, < [41] IS McCrae & PG Boulter & S Latham & TJ Barlow, A reference book of driving cycles for use in measurement of road vehicle emissions, TRL, 29. [42] A Bandivadekar & I Riemersma & J German & P Mock, Discrepancies between type approval and "real-world" fuel consumption and CO2 values. International Council on Clean Transportation [43] Prius Plug-in Hybrid Specifications, accessed 213, < > [44] E Loveday 213, Next-Gen Toyota Prius Plug-In Hybrid to Get More Electric Range, 55 MPG Combined and Wireless Charging Capability, accessed 213, < mpg-combined-and-wireless-charging-capability/> [45] T Pomroy 212, Hyundai i3 First Drive, accessed 214, < [46] Toyota Avensis Emissions and Fuel Economy Data, accessed 214, < [47] Toyota Auris Emissions and Fuel Economy Data, accessed 214, < [48] Ε Βούλγαρη & Χ Ορφανίδου, Περιβαλλοντική Εκπαίδευση, Μεταπτυχιακή εργασία, Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Βιολογίας, Εθνικό Πανεπιστήμιο Αθηνών,

133 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Εικόνα Π.1 Γενικά χαρακτηριστικά βενζινοκινητήρα. 133

134 Εικόνα Π.2 Χαρακτηριστική καμπύλη πλήρους φόρτισης του βενζινοκινητήρα. 134

135 Εικόνα Π.3 Χάρτης κατανάλωσης καυσίμου του βενζινοκινητήρα. 135

136 Εικόνα Π.4 Χαρακτηριστική καμπύλη του ηλεκτροκινητήρα. 136

137 Εικόνα Π.5 Χάρτης απόδοσης του ηλεκτρικού κινητήρα. 137

138 Εικόνα Π.6 Χαρακτηριστική καμπύλη της γεννήτριας. 138

139 Εικόνα Π.7 Χάρτης απόδοσης της γεννήτριας. 139

140 Εικόνα Π.8 Χαρακτηριστικά της μπαταρίας. 14