Analysis of the energy storage systems in series plug-in hybrid electric vehicles
Zijn hybride energie-opslagsystemen de toekomst voor de transportsector?
Door de stijgende prijs van fossiele brandstoffen en hun negatieve impact op het milieu is er in de transportsector een grote vraag naar alternatieve en efficiëntere aandrijvingen. Dit heeft geleid tot de invoering van elektrische, hybride en plug-in hybride wagens. Het grote probleem van deze technologieën is echter dat de huidige batterijen niet voldoen om lange afstanden te rijden en een te korte levensduur hebben. In deze thesis werd onderzocht of het combineren van verschillende energie-opslagsystemen in een hybride configuratie deze problemen kan verhelpen.
De huidige wagens worden bijna allemaal voortgedreven door fossiele brandstoffen die vermogen opwekken in de verbrandingsmotor. Dit proces is inefficiënt en wordt door de stijgende brandstofprijzen steeds duurder. In elektrische wagens vervangt een batterij de fossiele brandstof, wat resulteert in een vermindering van uitlaatgassen tijdens het rijden en een hogere efficiëntie van de aandrijving. De batterijen in elektrische wagens veroorzaken echter het probleem van een gelimiteerde range. Hybride wagens bieden hier een antwoord op door een batterij en elektrische motor simultaan met de fossiele brandstof en de verbrandingsmotor te gebruiken zodat de efficiëntie van de aandrijving verbetert. Een plug-in hybride wagen is de recentste technologie, die toelaat om een bepaalde afstand (typisch 20-80 km) puur elektrisch te rijden maar ook een verbrandingsmotor en brandstoftank bevat zodat de afgelegde afstand niet gelimiteerd wordt.
Plug-in hybride wagens vragen echter performantere batterijen: zij moeten zowel een grote energiedichtheid bevatten om een zekere afstand elektrische te rijden en een grote vermogensdichtheid om sneller te kunnen versnellen. Geen enkele batterij kan momenteel aan deze vereisten voldoen. Daarom is in deze thesis onderzoek gedaan naar de prestaties van een hybride energie-opslagsysteem dat bestaat uit een energie-geoptimaliseerde lithium-ion batterij en een supercondensator. Een supercondensator of ultracapaciteit is een recente technologie die gekarakteriseerd wordt door een kleine energiedichtheid, maar een zeer grote vermogensdichtheid. Deze eigenschappen maken de supercondensator uiterst geschikt om de pieken in het gevraagde vermogen op te vangen.
In het gevoerde onderzoek werd een gespecialiseerd simulatiemodel van een plug-in hybride wagen voorgesteld. Aan de hand van dit model werden de prestaties van een alleenstaand batterijsysteem vergeleken met deze van het hybride energie-opslagsysteem. In het laatste geval verdeelt de controlestrategie het gevraagde vermogen tijdens het rijden onder de verschillende opslagsystemen. Dit komt erop neer dat het gevraagde vermogen letterlijk gefilterd wordt, zodat de traag veranderende component door het batterijsysteem kan geleverd worden. Het verschil tussen het gevraagde vermogen en het vermogen geleverd door de batterij zal dan van de supercondensator komen.
De vergelijkende studie toont duidelijk de verbetering van vermogensprestaties wanneer het hybride opslagsysteem gebruikt wordt. De supercondensator, met zijn grote vermogensdichtheid, staat toe om sneller te versnellen en om meer remenergie op te vangen in het energie-opslagsysteem. Het filteren van de pieken heeft ook een positief effect op de levensduur van de batterij door ervoor te zorgen dat de maximale stroom door de batterij verlaagt en dat de variaties in gevraagd vermogen van de batterij afnemen. Een theoretische analyse hiervan toonde aan dat het de levensduur van de batterij in de hybride configuratie tot 10,9% verlengd wordt. Daarnaast is de efficiëntie van het hybride energie-opslagsysteem ook groter dan deze van een alleenstaand batterijsysteem. Dit komt omdat de supercondensator zelf gekenmerkt wordt door een zeer hoge efficiëntie (boven 95%). Doordat al de remenergie naar de supercondensator gestuurd wordt, verhoogt dus ook de energie die tijdens het remmen opgeslagen kan worden in het opslagsysteem. Daarnaast zorgt het filteren van de pieken ervoor dat de verliezen in de batterij, die afhankelijk zijn van de stroom door de batterij, significant dalen. De verbetering in efficiëntie uit zich nadrukkelijk in een verlenging van de elektrische range van de wagen met 5,5%.
Hybride systemen hebben echter altijd het nadeel dat er verschillende componenten geïnstalleerd moeten worden. Het toevoegen van de supercondensator verhoogt significant de prijs, massa en volume van het energie-opslagsysteem. De verhoogde investeringskost is problematisch in passagiersvoertuigen, zeker omdat een plug-in hybride wagen met een alleenstaand batterijsysteem al niet competitief is in vergelijking met de conventionele voertuigen. Daarnaast nemen supercondensatoren een zeer groot volume in en zijn ze moeilijk in te passen in een passagiersvoertuigen. Dit zorgt ervoor dat supercondensatoren eerder in bussen, trams en metro’s gebruikt worden, waar er genoeg plaats voorzien kan worden door ze onder of boven de passagiers te plaatsen.
De combinatie van een energie-geoptimaliseerde lithium ion batterij met een vermogen-geoptimaliseerde lithium ion batterij komt gedeeltelijk tegemoet aan de kwestie van het volume. Vermogensbatterijen zijn veel kleiner dan supercondensatoren en hebben een grotere energie-inhoud. Dit laat toe meer pieken te filteren, zodat het positief effect op de levensduur vergroot wordt. Daarnaast kan de elektrische range verder verlengd worden door de vermogensbatterij ook gedeeltelijk als energiebron te gebruiken. De efficiëntie van dit hybride systeem daalt wel in vergelijking met het eerder besproken energieopslagsysteem, maar is nog steeds groter dan in het geval van de alleenstaande batterij. Deze interessante eigenschappen van de hybride energiebatterij – vermogenbatterij configuratie vormen momenteel het onderwerp van het Europese SuperLIB FP7 project.
Op basis van deze experimentele bevindingen blijkt duidelijk dat de batterijen voor de elektrische, hybride en plug-in hybride wagens nog niet voldoen om een ware revolutie naar milieuvriendelijke auto’s toe te laten. Het verbeteren van de batterijen is een zeer belangrijke tak in het onderzoek naar de wagens van morgen. Alternatieve en hybride energie-opslagsystemen zullen echter ook een belangrijke rol spelen, al is het mogelijks voor specifieke, gespecialiseerde toepassingen zoals de supercondensator in de metro. Beide besproken hybride energie-opslagsystemen vertonen verbeterde performantie in termen van vermogensprestaties, levensduur van de batterij en elektrische range, maar staan nog voor uitdagingen wat betreft prijs en volume van het systeem.
