Έρευνα ΑΠΘ: Οι παράγοντες που επηρεάζουν την κατανάλωση ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου

Το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ) του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης υπέβαλε για λογαριασμό των 4Τροχών ένα Nissan Leaf στις απαραίτητες μετρήσεις. Τα ενδιαφέροντα αποτελέσματα ανατρέπουν σε ορισμένες περιπτώσεις παγιωμένες πεποιθήσεις.

Το άγχος της αυτονομίας που συνοδεύει την κατοχή ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου απαιτεί από τη μεριά του χρήστη τη βέλτιστη δυνατή αξιοποίηση των δυνατοτήτων του οχήματος και την ανάλογη προσαρμογή του στυλ της οδήγησης στις εκάστοτε συνθήκες του δρόμου. Πόσο παραπάνω θα «κάψει» μια αύξηση της ταχύτητας κατά 30 χλμ./ώρα;

Πόσο επηρεάζουν την κατανάλωση τα διαφορετικά προγράμματα οδήγησης; Πόσο επιβαρύνει το σύστημα κλιματισμού; Περιορίζει ή αυξάνει την κατανάλωση το cruise control; Είναι καλύτερα να οδηγώ με το «one pedal»; Τα παραπάνω είναι μερικά από τα εύλογα ερωτήματα για τα οποία κάθε χρήστης ηλεκτρικού, αλλά και συμβατικού αυτοκινήτου, θα έχει αναρωτηθεί.

Οι συνεργάτες μας στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ) του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης έρχονται να δώσουν τις απόλυτες απαντήσεις, υποβάλλοντας το ηλεκτρικό Nissan Leaf στις κατάλληλες εργαστηριακές μετρήσεις, οι οποίες προσομοιώνουν πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Με αυτό τον τρόπο ήταν δυνατές η αξιολόγηση των επιδόσεων του οχήματος και η μέτρηση της κατανάλωσης ενέργειας σε πραγματικές, αλλά πάντα ίδιες και επαναλαμβανόμενες συνθήκες, βοηθώντας έτσι τη σύγκριση και αξιολόγηση της επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων.

Με βάση τα στοιχεία από την ACEA (European Automobile Manufacturers’ Association), ραγδαία είναι η αύξηση των πωλήσεων των νέων επιβατηγών οχημάτων με εξηλεκτρισμένα συστήματα ισχύος. Για το 2022 τα εξηλεκτρισμένα αυτοκίνητα αποτέλεσαν το 44,1% των συνολικών πωλήσεων, συμβάλλοντας έτσι στον περιορισμό των άμεσων εκπομπών από τις επιβατικές οδικές μεταφορές.

Στόχος της μελέτης

Βασικός στόχος της παρούσας μελέτης είναι η μέτρηση και αξιολόγηση της κατανάλωσης ενέργειας ενός αμιγώς ηλεκτρικού οχήματος. Επιπλέον, στόχος είναι η διερεύνηση της επίδρασης των συνθηκών οδήγησης και της οδηγικής συμπεριφοράς του οδηγού στη διαμόρφωση της τελικής κατανάλωσης ενέργειας. Συγκεκριμένα, οι δραστηριότητες που έγιναν στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης στοχεύουν στη διερεύνηση διαφορετικών σεναρίων οδήγησης, με έμφαση στην κίνηση του οχήματος σε συνθήκες αυτοκινητοδρόμου.

Για το σκοπό αυτόν επιλέχθηκε ένα αμιγώς ηλεκτρικό αυτοκίνητο, για τη διεξαγωγή μετρήσεων σε διαφορετικά σενάρια που προσομοιώνουν πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Αρχικά το όχημα οδηγήθηκε σε διαφορετικά επίπεδα ταχύτητας, 100 χλμ./ώρα, 120 χλμ./ώρα και 130 χλμ./ώρα, με διαφορετικά προγράμματα του οχήματος (eco mode, cruise control). Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων υπήρχε μεταβλητή κλίση του δρόμου, προσομοιώνοντας ανωφέρεια και κατωφέρεια.

Επιπλέον μελετήθηκε το σενάριο όπου σε διαδρομή σε αυτοκινητόδρομο με ανωφέρεια και κατωφέρεια ο οδηγός προσαρμόζει την ταχύτητα του οχήματος, σε σύγκριση με την περίπτωση όπου στην ίδια διαδρομή το όχημα διατηρεί σταθερή ταχύτητα με τη χρήση του cruise control. Τέλος, η επίδραση των διαφορετικών προγραμμάτων του οχήματος μελετήθηκε σε κύκλους οδήγησης που προσομοιώνουν πραγματικές συνθήκες οδήγησης.

Κατά τη διάρκεια των δοκιμών πραγματοποιήθηκε συνεχής καταγραφή της κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και άλλων πληροφοριών λειτουργίας του κάθε οχήματος μέσω της θύρας OBD, χρησιμοποιώντας τις φορητές συσκευές καταγραφής (OBD loggers) που διαθέτει το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Οι φορητές αυτές συσκευές επικοινωνούν με τη μονάδα ελέγχου του οχήματος μέσω του δικτύου CAN και μπορούν να αντλήσουν όλη τη διαθέσιμη πληροφορία. Οι συσκευές έχουν μόνο τη δυνατότητα καταγραφής, και όχι παρέμβασης στη λειτουργία του αυτοκινήτου.

Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν αποκλειστικά στο εργαστήριο σε πέδη οχημάτων δύο αξόνων, υπό σταθερές και ίδιες συνθήκες. Η πέδη ήταν υπεύθυνη να επιβάλλει την αντίσταση που ασκείται στο όχημα κατά την κίνησή του, ενώ προσομοίωνε και την κλίση του δρόμου. Με αυτό τον τρόπο ήταν δυνατή η αναπαραγωγή στην πέδη των πραγματικών συνθηκών οδήγησης, εφαρμόζοντας ρεαλιστικές αντιστάσεις στο όχημα. Τα προφίλ οδήγησης που ακολούθησε ο οδηγός αφορούσαν τα παρακάτω σενάρια:

• Οδήγηση στον αυτοκινητόδρομο με ανωφέρεια και κατωφέρεια και εφαρμογή διαφορετικών προγραμμάτων οδήγησης
• Οδήγηση σε αντιπροσωπευτικό (πραγματικών συνθηκών) προφίλ οδήγησης

Εικόνα 2

Οδήγηση στον αυτοκινητόδρομο με ανωφέρεια και κατωφέρεια

Το πρώτο σενάριο που εξετάστηκε κατά τη διάρκεια των εργαστηριακών μετρήσεων αφορούσε την κίνηση σε αυτοκινητόδρομο με διαφορετικά επίπεδα ταχύτητας και μεταβολή της κλίσης του δρόμου. Στην Εικόνα 2 παρουσιάζεται το προφίλ οδήγησης που είχε ως στόχο και ακολουθούσε ο οδηγός κατά τη διάρκεια της μέτρησης για το πρώτο σενάριο. Όπως φαίνεται, το όχημα οδηγούνταν σε σταθερή ταχύτητα με 100 χλμ./ώρα, 120 χλμ./ώρα και 130 χλμ./ώρα. Σε κάθε επίπεδο ταχύτητας προσομοιώνονταν τρία διαφορετικά επίπεδα κλίσης δρόμου, 0%, 5% ανωφέρεια και -5% κατωφέρεια.

Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης μέχρι να σταθεροποιηθεί η ταχύτητα, η κλίση του δρόμου ήταν μηδενική, ενώ έπειτα μεταβαλλόταν σε 5% και -5%. Η μέτρηση, ακολουθώντας το προφίλ της Εικόνας 2, επαναλήφθηκε τρεις φορές, μία για κάθε ένα διαφορετικό πρόγραμμα οδήγησης (βασικό πρόγραμμα, cruise control & eco mode). Έτσι η πρώτη επανάληψη πραγματοποιήθηκε με το βασικό πρόγραμμα οδήγησης. Η μέτρηση αυτή αποτελεί και τη βάση με την οποία συγκρίνονται τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις που έγιναν ενεργοποιώντας το eco mode και το cruise control.

Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων καταγραφόταν η κατανάλωση ενέργειας του οχήματος, όμως για τη σύγκριση των διαφορετικών περιπτώσεων η κατανάλωση ενέργειας υπολογίζεται ξεχωριστά για κάθε συνδυασμό επιπέδου ταχύτητας (στο διάστημα που αυτή έχει σταθεροποιηθεί) και κλίσης.

Εικόνα 3

Στην Εικόνα 3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αναφορικά με την κατανάλωση ενέργειας για τα 100 χλμ./ώρα και τα τρία διαφορετικά επίπεδα κλίσης, με μπλε χρώμα παρουσιάζεται η κατανάλωση που προέκυψε όταν ήταν επιλεγμένο το βασικό πρόγραμμα, με πορτοκαλί όταν γινόταν χρήση του cruise control, ενώ με πράσινο όταν ήταν ενεργοποιημένο το eco mode. Ομοίως στις άλλες δύο εικόνες, Εικόνα 4 και Εικόνα 5, παρουσιάζεται η κατανάλωση ενέργειας για 120 χλμ./ώρα και 130 χλμ./ώρα με κλίση 0% και ±5%, για τα διαφορετικά προγράμματα οδήγησης.

Εικόνα 4

Από τα αποτελέσματα που φαίνονται στις εικόνες γίνεται άμεσα εμφανής η επίδραση της κλίσης στην κατανάλωση ενέργειας, η οποία για 5% ανωφέρεια διπλασιάζεται για όλα τα επίπεδα ταχύτητας. Όπως ήταν αναμενόμενο, κατά την κίνηση σε κατωφέρεια η κατανάλωση είναι αρνητική και μπορεί να φτάσει τις -6 kWh/100 χλμ. (για την περίπτωση των 100 χλμ./ώρα). Αρνητική κατανάλωση σημαίνει ότι η μπαταρία δε μετέφερε ενέργεια στους τροχούς, αλλά λάμβανε ενέργεια, με αποτέλεσμα να φορτίζει (το πρόσημο προκύπτει από τη σύμβαση που έγινε κατά τη διάρκεια των μετρήσεων). Επιπλέον, είναι ενδεικτική του ρυθμού ανάκτησης ενέργειας και φόρτισης της μπαταρίας μέσω της αναγεννητικής πέδησης.

Εικόνα 5

Τέλος, από τα αποτελέσματα αξίζει να σημειωθεί η σημαντική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας για την κίνηση με 120 χλμ./ώρα ή 130 χλμ./ώρα σε σύγκριση με τα 100 χλμ./ώρα. Έτσι, η κατανάλωση ενέργειας αυξάνει κατά 24% για τα 120 χλμ./ώρα και κατά 37% για τα 130 χλμ./ώρα. H αύξηση αυτή είναι ενδεικτική της ταχύτητας κίνησης του οχήματος και της απαίτησης σε ισχύ, και είναι ανεξάρτητη από την πηγή ενέργειας (καύσιμο ή ηλεκτρισμός) με το οποίο κινείται το όχημα.

Η θετική κατανάλωση για την κίνηση σε κατωφέρεια με 130 χλμ./ώρα σημαίνει ότι ο ηλεκτροκινητήρας πρέπει να συμβάλλει (καταναλώνοντας ενέργεια) έστω και λίγο στην κίνηση του οχήματος, ώστε να διατηρείται σταθερή η ταχύτητα. Αντίθετα, για την κίνηση στα 100 χλμ./ώρα και τα 120 χλμ./ώρα το όχημα κινείται με την επίδραση της δύναμης της βαρύτητας, ενώ για να διατηρείται σταθερή ταχύτητα απαιτείται από τον οδηγό να πατάει και φρένο, με αποτέλεσμα να ενεργοποιείται η αναγεννητική πέδηση.

Εικόνα 6

Με ή χωρίς cruise control;

Το δεύτερο σενάριο που εξετάστηκε αφορούσε ξανά την κίνηση στον αυτοκινητόδρομο με μεταβολή της κλίσης. Σε αυτήν τη δοκιμή το όχημα στο πρώτο κομμάτι της μέτρησης κινούνταν με σταθερή ταχύτητα στα 100 χλμ./ώρα και ενεργό το cruise control, ενώ η κλίση μεταβαλλόταν από 5% ανωφέρεια σε -5% κατωφέρεια. Στο δεύτερο κομμάτι της μέτρησης το όχημα κινούνταν με προσαρμοζόμενη οδήγηση και επιλεγμένο το βασικό πρόγραμμα οδήγησης (δίχως cruise control) με 80 χλμ./ώρα για όσο διαρκούσε η ανωφέρεια, ενώ στην κατωφέρεια η ταχύτητα του οχήματος ήταν στα 120 χλμ./ώρα.

Στην Εικόνα 6 παρουσιάζεται το προφίλ ταχύτητας και κλίσης δρόμου που ακολουθήθηκε κατά τη μέτρηση (στην εικόνα φαίνονται και τα μεταβατικά σημεία κατά τα οποία η κλίση ήταν σταθερή). Αυτή η συνθήκη προσπαθούσε να προσομοιώσει την κατάσταση όπου ο οδηγός εφαρμόζει μια προσαρμοζόμενη οδήγηση, πηγαίνοντας πιο αργά στα ανηφορικά κομμάτια και πιο γρήγορα στα κατηφορικά. Αξίζει να σημειωθεί ότι και στα δύο κομμάτια της μέτρησης η μέση ταχύτητα ήταν ίδια (100 χλμ./ώρα), ενώ επίσης ίδια ήταν η συνολική απόσταση που διανύθηκε στις δύο περιπτώσεις.

Εικόνα 7α

Τα αποτελέσματα φαίνονται στην Εικόνα 7, όπου με κόκκινο παρουσιάζεται η κατανάλωση ενέργειας για κίνηση με 100 χλμ./ώρα και ενεργοποιημένο το cruise control, ενώ με κίτρινο η κατανάλωση ενέργειας με την προσαρμοζόμενη οδήγηση. Κατά περίπτωση η κατανάλωση μετρήθηκε 7% μεγαλύτερη και 2,3% μικρότερη, διαφορά που αποδίδεται για τις συγκεκριμένες μετρήσεις στη σειρά ανωφέρειας και κατωφέρειας.

Εικόνα 7β

Κατανάλωση ενέργειας και προφίλ οδήγησης

Οι παραπάνω μετρήσεις και τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν αφορούσαν τη σύγκριση της κατανάλωσης ενέργειας για πολύ συγκεκριμένα σενάρια και αποκλειστικά την οδήγηση σε αυτοκινητόδρομο. Έτσι, συμπληρωματικά με τις μετρήσεις αυτές, πραγματοποιήθηκαν και δοκιμές με την εφαρμογή ενός ρεαλιστικού προφίλ οδήγησης.

Το προφίλ αυτό, που φαίνεται στην Εικόνα 8, μπορεί να θεωρηθεί αντιπροσωπευτικό της οδήγησης σε πραγματικές συνθήκες, καθώς έχει προκύψει από αντίστοιχη μέτρηση που έγινε στο δρόμο. Η διαδρομή αυτή έχει συνολική απόσταση 76 χλμ., ενώ περιλαμβάνει 27 χλμ. (36%) οδήγησης σε αστικό περιβάλλον, 28 χλμ. (37%) σε περιαστικό και 21 χλμ. (27%) οδήγησης σε αυτοκινητόδρομο.

Χρησιμοποιώντας το ρεαλιστικό προφίλ οδήγησης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με τα διαφορετικά προγράμματα οδήγησης του οχήματος. Έτσι, η πρώτη επανάληψη της μέτρησης έγινε με το βασικό πρόγραμμα, ενώ η μετρημένη κατανάλωση ενέργειας σε αυτήν αποτέλεσε τη βάση με την οποία συγκρίθηκαν οι επόμενες. Στη δεύτερη επανάληψη επιλέχθηκε η λειτουργία e–pedal, κατά την οποία ο οδηγός μπορεί να οδηγεί το όχημα χρησιμοποιώντας σχεδόν αποκλειστικά το πεντάλ του «γκαζιού».

Με ενεργοποιημένο το e–pedal, το όχημα επιβραδύνει όταν ο οδηγός αφήνει το πεντάλ του «γκαζιού», επιβράδυνση που ισοδυναμεί με αυτήν που θα επιτυγχανόταν εάν πατούσε το φρένο. Όσο πιο απότομα αφήνει το γκάζι, τόσο πιο επιθετικό είναι το φρενάρισμα. Η τρίτη επανάληψη της μέτρησης πραγματοποιήθηκε με ενεργοποιημένο το eco–mode (δίχως το e–pedal). Τέλος, η τέταρτη επανάληψη της μέτρησης με το αντιπροσωπευτικό προφίλ οδήγησης έγινε με το βασικό πρόγραμμα οδήγησης και ενεργοποιημένα όσο το δυνατόν περισσότερα βοηθητικά συστήματα, όπως είναι ο κλιματισμός και το ραδιόφωνο.

Εικόνα 8

Τα αποτελέσματα από τις παραπάνω μετρήσεις παρουσιάζονται στην Εικόνα 9, όπου με μπλε χρώμα παριστάνεται η κατανάλωση για την περίπτωση της μέτρησης με το βασικό πρόγραμμα, με μοβ χρώμα στην περίπτωση που το e–pedal ήταν ενεργοποιημένο, ενώ με πράσινο χρώμα παρουσιάζεται η κατανάλωση στην περίπτωση όπου ήταν επιλεγμένο το eco mode. Τέλος, η γκρι μπάρα παρουσιάζει την κατανάλωση ενέργειας με επιλεγμένο το βασικό πρόγραμμα και ενεργοποιημένα βοηθητικά/περιφερειακά συστήματα.

Όπως διαπιστώθηκε, η κατανάλωση ενέργειας μετρήθηκε 5% μεγαλύτερη, στην περίπτωση που το e–pedal ήταν ενεργοποιημένο. Αξίζει να σημειωθεί ότι η χρήση του e-pedal απαιτεί από τον οδηγό να το συνηθίσει, για αυτό ίσως κατά τις μετρήσεις εμφανίστηκε αυξημένη η κατανάλωση, καθώς ο οδηγός αναγκαζόταν σε συχνές μεταβολές της ταχύτητας. Αντίθετα, από τη μέτρηση με ενεργοποιημένο το eco mode, φάνηκε ότι η κατανάλωση ενέργειας μειώθηκε κατά 2%. Τέλος, η χρήση του A/C και των βοηθητικών συστημάτων οδήγησε σε αύξηση της κατανάλωσης κατά 10%.

Συμπεράσματα 

Η παρούσα αξιολόγηση αφορούσε αποκλειστικά ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο για το οποίο μετρήθηκε η κατανάλωση ενέργειας σε διαφορετικές συνθήκες οδήγησης, με έμφαση στην εφαρμογή διαφορετικών προγραμμάτων οδήγησης. Όπως φάνηκε από τα αποτελέσματα των μετρήσεων, η αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας είναι σημαντική κατά την αύξηση της ταχύτητας. Ενδεικτικά, για 30% αύξηση της ταχύτητας, δηλαδή από 100 χλμ./ώρα στα 130 χλμ./ώρα, η κατανάλωση ενέργειας αυξάνει κατά 37%.

Κάτι τέτοιο υποδεικνύει ότι η μείωση της κατανάλωσης και του εκπεμπόμενου CO2 από τα αυτοκίνητα, εκτός από την εφαρμογή νέων τεχνολογιών, μπορεί να επιτευχθεί και με τη μείωση της ταχύτητας. Ακόμη, από τα αποτελέσματα της Εικόνας 3 φαίνεται ότι όταν το αυτοκίνητο κινείται με 100 χλμ./ώρα, το eco-mode μπορεί να οδηγήσει σε μια μείωση της κατανάλωσης ενέργειας κατά 3%. 

Εικόνα 9

Επιπλέον, από τη μέτρηση με σταθερή ταχύτητα σε ανωφέρεια και κατωφέρεια μπορεί να υπολογιστεί η ενέργεια που δαπανάται κατά την ανηφόρα, και αντίστοιχα η ενέργεια που ανακτάται κατά την κατηφόρα. Έτσι, για την οδήγηση με 100 χλμ./ώρα, στο τμήμα της ανηφόρας καταναλώθηκαν 1,3 kWh ενέργειας, ενώ κατά την κατηφόρα ανακτήθηκαν 0,2 kWh ενέργειας. Γίνεται συνεπώς αντιληπτό ότι κατά την κατηφόρα δεν είναι δυνατό να ανακτηθεί όλη η ενέργεια που δαπανάται κατά την ανηφόρα. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι το ποσοστό ανάκτησης ενέργειας εξαρτάται από την κατάσταση της μπαταρίας (επίπεδο φόρτισης και θερμοκρασία) αλλά και τη στρατηγική αναγεννητικής πέδησης που εφαρμόζει κάθε όχημα.

Τέλος, σημαντική είναι η επίδραση των περιφερειακών συστημάτων στη συνολική κατανάλωση. Η αύξηση αυτή ισοδυναμεί με αντίστοιχη μείωση της συνολικής εμβέλειας των ηλεκτρικών οχημάτων, ιδιαίτερα σε συνθήκες όπου απαιτείται ρύθμιση της θερμοκρασίας του εσωτερικού της καμπίνας.

NISSAN LEAF

Κατηγορία εκπομπών ρύπων Euro AX

Καύσιμο Ηλεκτρικό

Μέγιστη ισχύς ηλεκτροκινητήρα (PS) 217

Μέγιστη τάση 400 V

Ονομαστική τάση 350 V

Χωρητικότητα μπαταρίας 62 kWh

Μετάδοση κίνησης Εμπρός

Βάρος 1.756 κιλά

Διαστάσεις ελαστικών 215/50 R17

ΚΕΙΜΕΝΟ: Στυλιανός Δουλγέρης, Διδάκτωρ Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ, Αρσένιος Κεραμιδάς, Διπλωματούχος Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ, Αθανάσιος Δημάρατος, Διδάκτωρ Μηχανολόγος Μηχανικός ΕΜΠ, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ, Λεωνίδας Ντζιαχρήστος, Καθηγητής, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ, Διευθυντής ΕΕΘ

ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ: Δημήτριος Κατσαούνης, Διδάκτωρ Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΠΘ, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ