Jak kierowca autobusu elektrycznego może oszczędzać energię?

Rosnące zanieczyszczenie powietrza w europejskich miastach staje się coraz większym zagrożeniem dla zdrowia i życia mieszkańców. Ponad 74% ludności w Europie zamieszkuje miasta. Wskaźnik ten stale rośnie a wraz ze wzrostem liczby ludności zwiększa się zapotrzebowanie na transport, który odpowiada za znaczą część emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Konieczność redukcji emisji gazów cieplarnianych wymusza zmianę sposobu napędzania pojazdów z tradycyjnych silników spalinowych na napędy zeroemisyjne, w tym elektryczne.

Napęd elektryczny charakteryzuje się doskonałymi parametrami pracy, jest cichy, bardzo wydajny i umożliwia odzyskiwanie energii w trakcie hamowania. Jednym z zagadnień, które wymaga rozwiązania przed upowszechnieniem wykorzystania autobusów elektrycznych w transporcie publicznym, jest ich ograniczony zasięg. Obecne rozwiązania umożliwiają przejechanie ok. 250 km na jednym ładowaniu, co w wielu przypadkach nie jest wystarczające. Istnieją dwa rozwiązania, które rozwijane są równolegle – zwiększenie pojemności baterii trakcyjnych lub szybkie ładowanie przy wykorzystaniu pantografu. Oba rozwiązania mają ogromny potencjał i w niedalekiej przyszłości upowszechnią się w całej Europie.

Niezależnie od sposobu ładowania pojazdu, wolnego w nocy czy szybkiego za pomocą pantografu, kluczowe dla zasięgu autobusu elektrycznego jest zużycie energii elektrycznej wyrażone w kWh/100 km, co odpowiada zużyciu paliwa przez silnik spalinowy w l/100 km. Pierwsze wdrożenia autobusów elektrycznych wykazały, że zużycie energii waha się w szerokim zakresie, przykładowo dla 12-metrowego autobusu obserwowane zużycie energii może wynosić od 80 do 140 kWh/100 km. W autobusach elektrycznych zużycie energii warunkuje zasięg pojazdu i jest to kluczowe zagadnienie. Koszty eksploatacji są oczywiście również ważne, ale w drugiej kolejności. Przykładowo autobus o zestawie baterii trakcyjnych 240 kWh może mieć zasięg od 170 do 300 km. Pierwsze analizy wykazały, że zużycie energii zależy od wielu czynników, tj. natężenia ruchu, temperatury, pory dnia ale również od tego, który kierowca prowadził autobus. Przystąpiono do bardziej wnikliwej analizy.

Zespół analityków z firmy INSOH rozpoczął pogłębione badania w tym temacie. Do badań nad ekonomicznym sposobem jazdy autobusami elektrycznymi wykorzystane zostały dane historyczne. Pochodziły one z autobusów jeżdżących na terenie różnych krajów Europy (m.in. Polski, Niemiec, Włoch) o odmiennych parametrach w celu zdywersyfikowania próby badawczej. Łącznie do analiz posłużyły dane z ponad 1,000,000 km. Tej wielkości wolumen umożliwił odfiltrowanie zakłóceń, a następnie utworzenie zbioru możliwych do oceny przejazdów, które zostały poddane szczegółowej analizie.

Każdy z fragmentów podróży autobusem został potraktowany autonomicznie. W efekcie tego podejścia wyłoniła się możliwość zbadania wpływu elementarnych zachowań kierowcy na zużycie przez niego energii. W trakcie analiz duży nacisk został położony na detekcję takich zjawisk w ruchu autobusu, na które kierowca ma największy wpływ. Z tego podejścia wyłoniła się finalna koncepcja algorytmów składających się na ocenę jazdy kierowcy. Łącznie możemy wyróżnić aż trzy samodzielne moduły biorące udział w przetwarzaniu, analizie i scalaniu danych. Do ich stworzenia posłużono się metodą rozbicia trasy autobusu na mikrotripy. W pierwszym kroku niezbędne było wyselekcjonowanie trzech etapów ruchu pojazdu: przyspieszania, jazdy ze stałą prędkością i hamowania. Są to elementy, które są dla kierowcy intuicyjne i tym samym możliwe do poprawy, a które mają istotny wpływ na zużycie energii przez pojazd.

Zestawienie wszystkich krzywych przyspieszeń pojazdów umożliwiło wyliczenie optymalnego tempa przyspieszania. Bierze ono pod uwagę komfort pasażerów pozwalając jednocześnie kierowcy zminimalizować wpływ tego manewru na ogólne zużycie energii elektrycznej. Różnica w zużyciu energii w trakcie niewłaściwego wykonania tego manewru w stosunku do optymalnego może wynieść nawet 33%.

Podczas hamowania kierowca ma możliwość rekuperacji, czyli odzyskania energii zużytej do rozpędzenia pojazdu. W badaniu zjawiska rekuperacji posłużono się jej wydajnością w zależności od siły z jaką kierowca wytraca prędkość. Korelacja tego zjawiska z przyrostem energii w bateriach w stosunku do wytraconej energii kinetycznej pojazdu służy wyznaczeniu współczynnika efektywności hamowania. W efekcie wskazano optymalną siłę i sposób hamowania, pozwalające na powrót energii do baterii. Badanie to jednocześnie dało istotne informacje na temat tego jakiego rodzaju hamowanie w ogóle nie zwiększa energii zmagazynowanej w bateriach.

Fragmenty pomiędzy etapem rozpędzania i hamowania pojazdu wypełnia jazda ze stałą prędkością. Dla zbadania ekonomiczności tego zachowania posłużono się zmiennością energii kinetycznej pojazdu i jej wpływem na zużycie energii. Jednoznacznie można stwierdzić, iż zgodnie z oczekiwaniami mała zmienność prędkości pozwala ograniczyć zużycie energii w tej fazie nawet o 60%. Skutkuje to tym, iż w dłuższych tripach stabilna jazda ze stałą prędkością pozwala silnie redukować zużywaną energię. Zachowania kierowców, którzy często rozpędzają się, a następnie znów przyhamowują zostały w tej analizie ocenione jednoznacznie negatywnie.

Zestawiając te trzy etapy kierowania pojazdem z możliwymi zachowaniami kierowcy możemy wyznaczyć idealnie przejechaną drogę autobusu.

Dzięki analizom statystycznym i technologii prowadzenia badań Big Data stało się możliwym bardzo dokładne określenie zachowań kierowcy, które zmniejszają ogólne zużycie energii elektrycznej przez pojazd. Znalazło się to u podstaw stworzenia systemu, który dobre zachowania premiuje, a o złych komunikuje kierowcy. System taki umożliwia kierowcy naukę i utrwalanie dobrych praktyk w trakcie jazdy.

Rozwiązaniem problemu kontroli zachowań w trakcie jazdy stał się system monitorujący jazdę kierowców – Economizer. To narzędzie korzystające z technologii Big Data umożliwia śledzenie w czasie rzeczywistym wyników kierowców, podgląd wyników historycznych i ich analizę w celu poprawy na przyszłość.

Jeśli skorzystamy z aplikacji webowej otrzymamy szczegółowy podgląd sesji jazdy, analizy i wykresy oceniające kompleksowo wyniki oraz podgląd każdego mikrotripa na mapie wraz z ocenami. Aplikacja webowa daje również dostęp do funkcjonalności rozszerzonej kierowanej dla menedżera. Dzięki niej ma możliwości generowania raportów, list kierowców i podglądu konkretnych sesji, oraz ogólnego zarządzania systemem optymalizacji jazdy. Economizer poprzez algorytmy stojące u jego podstaw bazuje na zużyciu energii przez kierowcę, tym samym niwelując wpływ natężenia ruchu, infrastruktury miejskiej czy obciążenia pojazdu. Możemy dzięki temu w pełni oceniać to w jak wysokim stopniu kierowca wypełnia ekonomiczne zalecenia i zbliża się do optymalnej wartości zużycia na danej trasie. Tego typu informacja ma wiele zalet. Umożliwia niewątpliwie nadzór nad pracą kierowcy i autobusu. Menedżer może podjąć decyzję, czy dana osoba w pełni sprawnie korzysta z pojazdu elektrycznego. Pomogą nam w tym wyliczone współczynniki, wykresy i dane historyczne. Zaletą jest możliwości nauki i utrwalania dobrych praktyk przez kierowcę w trakcie prowadzenia pojazdu.

Ponadto Economizer oferuje również możliwość dołączenia przez kierowcę do Grywalizacji. Ta dodatkowa funkcja umożliwia tworzenie sesji, w których kierowcy rywalizują ze sobą na podstawie zdobywanych ocen za ekonomiczność jazdy. Zdobywane punkty sumują się w listę rankingową pozwalającą wyłonić najlepszego kierowcę. Oprócz samych ocen kierowcy mogą też zdobywać punkty bonusowe za szczególnie osiągnięcia. One też wliczają się do wyniku końcowego. Funkcja ta nie tylko stanowi urozmaicenie samej aplikacji, ale również pozwala na interakcję jej użytkowników z system i pozytywne nagradzanie najlepszych kierowców.