Η μορφή των μετακινήσεων προσώπων και των μεταφορών αγαθών αλλάζει συνεχώς τα τελευταία χρόνια, και γίνονται ολοένα και πιο αξιόπιστες, πιο ασφαλείς, πιο οικονομικές και πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Η εφαρμογή όμως νέων τεχνολογιών, όπως η ψηφιοποίηση, η επικοινωνία μεταξύ αντικειμένων, η αυτόνομη οδήγηση, θα αλλάξει σταδιακά, αλλά ριζικά τους τρόπους μετακίνησης και μεταφοράς, που θα εξακολουθήσουν όμως να διέπονται από τις τέσσερις πιο πάνω αρχές.

Κύριο χαρακτηριστικό της αλλαγής αυτής είναι η ηλεκτροκίνηση των οχημάτων, αρχικά αυτών που κινούνται σε αστικό περιβάλλον. Και αυτό, επειδή η αποθήκευση της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδοσία του κινητήρα απαιτεί χώρο και προσθέτει ιδιαίτερα μεγάλο βάρος, περιορίζοντας τη μεταφορική ικανότητα του οχήματος.

Αν και η ανάπτυξη των επιμέρους συστημάτων ηλεκτροκίνησης έχει ξεκινήσει εδώ και δεκαετίες, δεν υπάρχει ακόμη μία σαφής εικόνα του πλέον κατάλληλου. Ενδεικτικά αναφέρεται, ότι μόνο στον τομέα της φόρτισης υπάρχουν σήμερα εμπορικά διαθέσιμες δεκαέξι (16) !!! διαφορετικές προτάσεις. Είναι επομένως ιδιαίτερα δύσκολο εγχείρημα στην παρούσα φάση η επιλογή του σωστού ηλεκτρικού οχήματος σε βάθος χρόνου.

Αυτό όμως που είναι γενικώς αποδεκτό, είναι ότι το σύστημα ηλεκτροκίνησης για να έχει μεγαλύτερο βαθμό ενεργειακής απόδοσης, πρέπει να είναι υψηλής τάσης. Και σαν υψηλή τάση, σύμφωνα με το ISO 6469-3 ορίζονται:

  • Συνεχές ρεύμα (DC) 60 Volt < V < 1500 Volt

  • Εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) 30 Volt < V < 1000 Volt

Με την υψηλή τάση, για συγκεκριμένη ισχύ, μειώνεται η απαιτούμενη ένταση του ρεύματος, που θα απαιτούσε μεγαλύτερες διατομές καλωδίωσης, άρα βαρύτερες, και θα επέφερε μεγαλύτερες θερμικές απώλειες.

Όπως σε όλες τις επιλογές του κατάλληλου επαγγελματικού οχήματος, το βασικό κριτήριο είναι η ανταπόκριση στις ανάγκες χρήσης του, ώστε να αποδίδει το μέγιστο. Και το μέγιστο αποδίδεται, πέρα από την ασφάλεια, το κόστος και την επιβάρυνση στο περιβάλλον, με τη μεγαλύτερη μεταφορική του ικανότητα.

Το ΜΑΝ Lion’s City E

H MAN παρουσίασε τα τελευταία χρόνια την ηλεκτρική έκδοση του νέου της αστικού λεωφορείου Lion’s City. Η νέα σειρά είναι σχεδιασμένη σε μηδενική βάση, ώστε να ανταποκρίνεται στις νέες τεχνικές απαιτήσεις και τη σύγχρονη αισθητική και έχει λάβει διεθνή βραβεία σχεδιασμού. Το ίδιο λεωφορείο προσφέρεται σαν πετρελαιοκίνητο και σαν λεωφορείο φυσικού αερίου και σε τρία διαφορετικά μήκη, σαν κανονικό (12 μέτρων), αρθρωτό (18 μέτρων) και υπεραρθρωτό (18,75 μέτρων).

Στην ηλεκτρική του έκδοση Lion’s City E έχουν προστεθεί νέα σχεδιαστικά στοιχεία, τόσο στο εξωτερικό, όσο και στο εσωτερικό του, που του προσδίδουν τη δική του αισθητική ταυτότητα. Το περιοδικό ΤΡΟΧΟΙ & TIR έχει παρουσιάσει το συγκεκριμένο μοντέλο με τα χαρακτηριστικά του και τη συμπεριφορά κατά την οδήγηση, το άρθρο αυτό εστιάζει σε συγκεκριμένα θέματα τεχνικής και οικονομικής φύσεως.

Κινητήρας

Για τη κίνηση του λεωφορείου, η ΜΑΝ επέλεξε έναν κεντρικό ηλεκτρικό κινητήρα, που δίνει κίνηση στους πίσω τροχούς, μέσω του γνωστού και αξιόπιστου Portal άξονα της ZF, που χρησιμοποιείται σχεδόν στο σύνολο, των ευρωπαϊκών τουλάχιστον, λεωφορείων χαμηλού δαπέδου (low floor). Η λύση αυτή, πέρα από την ομοιομορφία με τα υπόλοιπα παρεμφερή λεωφορεία, επιφέρει σε σχέση με την τοποθέτηση ηλεκτροκινητήρων στις πλήμνες των τροχών, μικρότερη καταπόνηση στον κινητήρα, διευκολύνει τη συντήρηση και ελαττώνει το συνολικό κόστος ζωής (LCC-Life Cycle Cost) του λεωφορείου.

Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι τύπου μόνιμου μαγνήτη (σύγχρονος) με βαθμό απόδοσης 96%, με μόνιμη ισχύ 160 kW και μέγιστη 240 kW. Η τελευταία είναι διαθέσιμη για χρονικό διάστημα ενός λεπτού, χρόνος που επαρκεί για την επιτάχυνση του λεωφορείου. Η ροπή ανέρχεται σε 2100 Nm, στα ίδια επίπεδα ενός αντίστοιχου πετρελαιοκινητήρα. Τη σωστή λειτουργία διασφαλίζουν ένα κύκλωμα ψύξης και ένα λίπανσης.

Η μονάδα κίνησης εκτός από τον ηλεκτρικό κινητήρα περιλαμβάνει τον μετατροπέα DC/AC (inverter) και μία σταθερή σχέση μετάδοσης. Η κίνηση μεταφέρεται στον κινητήριο άξονα του λεωφορείου, χωρίς την παρεμβολή κιβωτίου ταχυτήτων.

Στο αρθρωτό λεωφορείο τοποθετούνται δύο μονάδες κίνησης, μία στον δεύτερο και μία στον τρίτο άξονα.

Κατά την κίνηση σε κατωφέρεια ή κατά το ρολάρισμα, ο κινητήρας λειτουργεί σαν γεννήτρια και μπορεί να ανακτήσει έως και το 80% της αντίστοιχης ενέργειας που καταναλώθηκε.

Συσσωρευτές

Οι συσσωρευτές αποτελούν το πιο κρίσιμο χαρακτηριστικό του ηλεκτρικού λεωφορείου καθόσον πρέπει να πληρούν ένα πλήθος απαιτήσεων:

  • να είναι λειτουργικά ασφαλείς

  • να έχουν μεγάλη δυνατότητα αποθήκευσης

  • να έχουν μικρό βάρος, ώστε να περιορίζεται η ελάττωση του ωφέλιμου φορτίου

  • να έχουν μικρό όγκο, ώστε να μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν στη δομή του λεωφορείου

  • να έχουν δυνατότητα μεγάλου αριθμού φορτίσεων, ώστε να έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής

  • να είναι οικονομικές

Βάση των χρησιμοποιούμενων συσσωρευτών στο Lion’s City E αποτελεί ένα modul από κυψέλες, τύπου ιόντων-λιθίου (NMC), που προέρχεται από την Volkswagen, μητρική εταιρεία της ΜΑΝ. Μία διάταξη από 30 moduls, με τεχνολογία ΜΑΝ, σχηματίζει ένα πακέτο συσσωρευτών (Battery Pack). Κάθε πακέτο έχει χωρητικότητα 80 kWh, όγκο περίπου 400 λίτρων και βάρος μαζί με τα παρελκόμενα περίπου 575 kg. Για την κίνηση του κανονικού λεωφορείου τοποθετούνται 6 πακέτα στην οροφή με συνολική αποθηκευμένη ενέργεια 480 kWh, ενώ στο αρθρωτό 8 πακέτα με συνολική ενέργεια 640 kWh.

Το πρόσθετο βάρος των συσσωρευτών, περίπου 3450 kg στο κανονικό λεωφορείο, μειώνει αντίστοιχα το ωφέλιμο φορτίο και συνεπώς τον αριθμό των μεταφερομένων επιβατών. Στο σημείο αυτό, όμως, πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι βάσει νομοθεσίας είναι δυνατή η αύξηση του μικτού βάρους του οχήματος. Αλλά σε κάθε περίπτωση, είναι απαραίτητο κάθε σοβαρός κατασκευαστής να επανασχεδιάσει το αμάξωμα του λεωφορείου, ώστε να ελαττώσει το συνολικό απόβαρο. Στη νέα γενιά αστικών λεωφορείων η ΜΑΝ πέτυχε ελάττωση του απόβαρου σε σχέση με το προηγούμενο μοντέλο κατά περίπου 1200 kg.

Από την αποθηκευμένη ενέργεια μόνο ένα περίπου 65% είναι διαθέσιμο σε όλη τη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών. Ένα ποσοστό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί, ενώ ένα άλλο απομειώνεται σταδιακά λόγω γήρανσης. Είναι επομένως σκόπιμο, ο καθορισμός της αυτονομίας του λεωφορείου να γίνεται σε πρότυπο κύκλο οδηγήσεως, όπως ο SORT-2 , για όλη τη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών, και όχι μόνο για την αρχή, που είναι σαφώς μεγαλύτερη.

Η ΜΑΝ δίνει διάρκεια ζωής για τους συσσωρευτές 6 έτη και μπορεί να εγγυηθεί αυτονομία σε κύκλο SORT-2, 270 χιλιόμετρα σε συνήθεις συνθήκες και 200 χιλιόμετρα σε συνθήκες αυξημένων αναγκών, όπως έντονη χρήση κλιματιστικού, και αυτά για όλη την εξαετία.

Ένα σύστημα διαχείρισης των συσσωρευτών (BMS-Battery Management System) ελέγχει την τάση και την ένταση εξόδου, καθώς και τη λειτουργική ασφάλεια του πακέτου. Η ορθή λειτουργία του απαιτεί συγκεκριμένο θερμοκρασιακό εύρος, που διασφαλίζεται με τοπικό κύκλωμα ψύξης-θέρμανσης. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται και στην ανακύκλωση του πακέτου, που ανέρχεται άνω του 90%.

Φόρτιση συσσωρευτών

Στην αγορά προσφέρεται πλήθος τεχνικών φόρτισης των συσσωρευτών, όπως προαναφέρθηκε. Οι περισσότερες αναφέρονται σε άμεση παροχή της ηλεκτρικής ενέργειας στο όχημα. Η επαγωγική φόρτιση που προσφέρεται εναλλακτικά, είναι αρκετά απλούστερη, έχει όμως ενεργειακές απώλειες της τάξης του 10% και διαρκεί περισσότερο.

Η άμεση παροχή μπορεί να γίνει μέσω ειδικών βυσμάτων (αντάπτορες) σε καθορισμένες θέσεις περιφερειακά του οχήματος, και μέσω παντογράφου στην οροφή του λεωφορείου. Η τελευταία προσφέρει ταχύτερη φόρτιση, απαιτεί όμως ευρύτερη υποδομή. Η ΜΑΝ αν και παρουσίασε τη λύση αυτή πριν από περίπου πέντε χρόνια, χρησιμοποιεί την άμεση παροχή με τυποποιημένα βύσματα CCS (Combined Charging System), Τύπου 2, με το πρωτόκολλο επικοινωνίας ISO 15117, ενώ η φόρτιση γίνεται με τον κανονισμό ICC 62196. Η ταχεία φόρτιση γίνεται με φορτιστές 150 kW (750 V dc, 200 A) και διαρκεί στο κανονικό λεωφορείο 1,5 ώρα για 50% φόρτιση SOC (state of charge) έως λιγότερο από 3 ώρες για 100% SOC και στο αρθρωτό 2,5 ώρες και λιγότερο από 4 ώρες αντίστοιχα. Η ισχύς φόρτισης εξαρτάται από το επίπεδο φόρτισης και φθάνει στο μέγιστο (π.χ. 150 kW) σε υψηλά SOCs.

Η φόρτιση μπορεί να γίνει άμεσα (instant charging) ή προγραμματισμένα (timer charging), ιδιαίτερα κατά τη νύχτα στο αμαξοστάσιο. Στην πρώτη, το λεωφορείο φορτίζεται άμεσα στο 100% της δυνατότητας φόρτισης, ώστε να είναι άμεσα διαθέσιμο. Στην προγραμματισμένη φόρτιση, ο ρυθμός φόρτισης προσαρμόζεται στον ιδανικό για τον συσσωρευτή κύκλο φόρτισης, που επιφέρει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Η δυνατότητα προρυθμισμένης θερμοκρασίας, τόσο του εσωτερικού του λεωφορείου όσο και των συσσωρευτών πριν τη δρομολόγηση (pre-conditioning), ελαττώνει την κατανάλωση ενέργειας κατά τη λειτουργία. Σε ιδιαίτερα ψυχρές συνθήκες είναι απαραίτητη η θέρμανση των συσσωρευτών. Στον πίνακα οργάνων του οδηγού απεικονίζονται τα επίπεδα φόρτισης και γίνονται οι σχετικές προειδοποιήσεις.

Στο Lion’s City E η άμεση παροχή γίνεται μέσω δύο υποδοχέων του βύσματος φόρτισης, ενός στο εμπρόσθιο μέρος του λεωφορείου, και ενός στο πίσω μέρος της εμπρόσθιας θύρας και στη συνέχεια διαμοιράζεται στη συστοιχία συσσωρευτών μέσω σχετικής διάταξης στην οροφή με ηλεκτρικές ασφάλειες σύμφωνα με τη προδιαγραφή ISO 17409.

Η φόρτιση μπορεί να γίνει και μέσω φορητού φορτιστή εναλλασσόμενου ρεύματος π.χ. 22 kW / 32 A / 400 V AC, που εξυπηρετεί κυρίως σταθμούς service.

Για μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών συνιστάται για τη φόρτιση, μικρότερη ισχύς και πλήρης κύκλος.

Μηχανικά συστήματα

Τα μηχανικά συστήματα του Lion’s City E είναι τα γνωστά αξιόπιστα που χρησιμοποιεί η ΜΑΝ στα προϊόντα της.

Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αποτελεί η εξελιγμένη εμπρόσθια ανάρτηση με μικρότερες μη αναρτημένες μάζες, που επιτρέπουν μία πιο μαλακή απόσβεση και προσφέρουν μεγαλύτερη άνεση στους επιβάτες. Σε αυτό συντελούν και οι νέοι αποσβεστήρες με ειδική βαλβίδα (Premium Comfort Valve), που προσαρμόζουν καλύτερα τη δύναμη απόσβεσης στην ταχύτητα του οχήματος, ώστε να μην περιορίζονται οι δυνατότητες κίνησης λόγω του υψηλότερου κέντρου βάρους του λεωφορείου.

Το σύστημα πέδησης έχει όλες τις προδιαγραμμένες διατάξεις πέδησης αστικού λεωφορείου και η πέδηση σε όλους τους τροχούς γίνεται με δισκόφρενα.

Ο απαιτούμενος αέρας για τη λειτουργία των πιο πάνω συστημάτων, καθώς και για τις απαιτήσεις του αμαξώματος, παράγεται σε ηλεκτρικό συμπιεστή στο πίσω μέρος του λεωφορείου και στη συνέχεια καθαρίζεται και αφυγραίνεται σε κατάλληλη μονάδα (EAM-Electronic Air Module).

H δυνατότητα ελιγμών είναι σημαντική στην κίνηση σε αστικό περιβάλλον. Αυτή είναι συνάρτηση της γωνίας στροφής των εμπρόσθιων τροχών και της γεωμετρίας του λεωφορείου. Με ιδιαίτερα μεγάλες γωνίες στροφής (56/46 μοίρες), η ακτίνα στροφής ανέρχεται μόλις σε 10,75 μέτρα για το κανονικό και 12,05 για το αρθρωτό. Η υδραυλική αντλία του συστήματος διεύθυνσης έχει αντικατασταθεί με ηλεκτρική 24 V και ο βαθμός ενεργοποίησής της είναι σε συνάρτηση με την ταχύτητα του οχήματος.

Αμάξωμα - Εσωτερικό

Το αμάξωμα του νέου Lion’s City έχει σχεδιασθεί εξ ολοκλήρου σε μηδενική βάση, ώστε να ανταποκρίνεται πλήρως στις ανάγκες ενός ηλεκτρικού λεωφορείου. Αυτές προκύπτουν κυρίως στην τοποθέτηση των συσσωρευτών, οπότε πρέπει να ελαττωθεί το βάρος του αμαξώματος για να εξοικονομηθεί ωφέλιμο φορτίο, δηλ. περισσότεροι επιβάτες. Το αμάξωμα καλύπτει ασφαλώς τις προδιαγραφές παθητικής ασφάλειας, αναφορικά με ανατροπή του οχήματος (κανονισμός ECE R66 roll over) και εμπρόσθιας σύγκρουσης (κανονισμός ΕCE R29a front impact).

Το εσωτερικό του λεωφορείου έχει νέα αισθητική που δίνει νέα δυναμική, με ιδιαίτερο φωτισμό, νέα διαρρύθμιση στο πίσω μέρος και με πλούσιο εξοπλισμό. Η διάταξη καθισμάτων των επιβατών μπορεί να προσαρμοσθεί σε συγκεκριμένες ανάγκες και η μεταφορική ικανότητα μπορεί να ανέλθει σε 88 επιβάτες για το κανονικό και σε 118 για το αρθρωτό λεωφορείο. Για τις συνθήκες της χώρας μας είναι προτιμότερη μία διάταξη 27 καθήμενων και 54 ορθίων επιβατών (σύνολο 81) για το τρίθυρο κανονικό λεωφορείο και 44 καθήμενων και 62 ορθίων (σύνολο 106) για το τετράθυρο αρθρωτό.

Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στον χώρο του οδηγού, για άνεση εργασίας σε σύγχρονο περιβάλλον, σε εργονομία στην χρήση των οργάνων και χειριστηρίων και ευκρινή και άμεση πληροφόρηση για την κατάσταση του οχήματος.

Κλιματισμός

Το σύστημα κλιματισμού (θέρμανση-ψύξη-αερισμός) του λεωφορείου καταναλώνει σημαντικά ποσά ενέργειας. Ως εκ τούτου πρέπει όχι μόνο να προσαρμοσθεί στην περιορισμένη ενέργεια των συσσωρευτών, αλλά να βελτιστοποιηθεί στη λειτουργία του. Η θέρμανση πετυχαίνεται με κύκλωμα ζεστού νερού, που αποτελείται από τρεις ηλεκτρικούς θερμαντήρες υψηλής τάσεως (HV), ισχύος 10 kW ο καθένας και με επιμήκη θερμαντικά σώματα (convectors). Για ιδιαίτερα ψυχρά κλίματα μπορεί να τοποθετηθεί και πρόσθετος θερμαντήρας που λειτουργεί με καύσιμο.

Η ψύξη πετυχαίνεται με σύστημα κλιματισμού στην οροφή, όπως στα συμβατικά λεωφορεία, που είναι όμως αντλία θερμότητας, και μπορεί επομένως να χρησιμοποιηθεί και για θέρμανση. Ο εξερχόμενος αέρας είναι μίγμα φρέσκου και ανακυκλωμένου αέρα και διαχέεται εντός των καναλιών σε όλο το μήκος του λεωφορείου.

Σαν ψυκτικό μέσο χρησιμοποιείται το φιλικό προς το περιβάλλον R134a. Η μέγιστη ισχύς του συστήματος για ψύξη ανέρχεται σε 29 kW και απαιτεί ισχύ 8,6 kW, ενώ η μέγιστη ισχύς για θέρμανση ανέρχεται σε 22 kW και απαιτεί ισχύ 4,8 kW. Επίσης, τοποθετείται και αυτόνομο σύστημα ψύξης για τον οδηγό.

Η εισαγωγή φρέσκου αέρα γίνεται στο εμπρόσθιο πάνω μέρος του λεωφορείου μέσω δημιουργίας υποπίεσης. Στη συνέχεια φιλτράρεται, θερμαίνεται ή ψύχεται μέσω εναλλάκτη θερμότητας, και διαχέεται στο εσωτερικό του λεωφορείου.

Ηλεκτρικά στοιχεία λεωφορείου

Σε ένα ηλεκτρικό όχημα έχουν αντικατασταθεί όλα τα στοιχεία που έπαιρναν ενέργεια από τον θερμικό κινητήρα, με αντίστοιχα ηλεκτρικά. Κύρια στοιχεία που λειτουργούν σε υψηλή τάση, πέρα του ηλεκτροκινητήρα και του inverter είναι:

  • Διανομέας υψηλής τάσης, που προσάγει ενέργεια από τους συσσωρευτές στα ηλεκτρικά στοιχεία

  • Ηλεκτρικός μετατροπέας DC/DC, για τη δημιουργία τάσης 24 V, για τα στοιχεία χαμηλής τάσης

  • Ηλεκτρικός αεροσυμπιεστής

  • Ηλεκτρικός συμπιεστής κλιματιστικού

  • Ηλεκτρικοί θερμαντήρες (για θέρμανση θαλάμου επιβατών, αλλά και για τους συσσωρευτές)

Για την ορθή λειτουργία όλων των στοιχείων υψηλής τάσης απαιτείται ελεγχόμενη ψύξη.

Τα στοιχεία χαμηλής τάσης (24V) λειτουργούν μέσω ξεχωριστού κυκλώματος, που τροφοδοτείται από αντίστοιχους συσσωρευτές (2*225 Ah), όπως στα συνήθη πετρελαιοκίνητα λεωφορεία.

Ψηφιακές υπηρεσίες

Τα τελευταία χρόνια η ΜΑΝ εφοδιάζει όλα της τα οχήματα με τη συσκευή τηλεματικής RIO (RIO Box). Η συσκευή αυτή είναι η κεντρική μονάδα ελέγχου που επικοινωνεί με τη πλατφόρμα RIO στο σύννεφο (cloud), διαβιβάζοντας δεδομένα και λαμβάνοντας αντίστοιχα σήματα και εντολές για το όχημα. Αναλυτικότερα στοιχεία βρίσκονται στο www.rio.cloud

Βασισμένη στην πιο πάνω πλατφόρμα, η ΜΑΝ δημιούργησε για το ηλεκτρικό λεωφορείο Lion’s City E την πρόσθετη εφαρμογή MAN e-Manager. Μέσω αυτής μπορεί ο χρήστης να επιλέξει τον τρόπο φόρτισης των συσσωρευτών, άμεσης (instant) ή προγραμματισμένης (timer) λειτουργίας και να ορίσει τα χαρακτηριστικά της τελευταίας, καθώς επίσης να προβεί σε ρύθμιση της θερμοκρασίας πριν τη δρομολόγηση του λεωφορείου (preconditioning). Με την εφαρμογή MAN e-Manager έχει ο συγκοινωνιακός φορέας τη συνολική πληροφόρηση για κάθε λεωφορείο σε πραγματικό χρόνο, που του επιτρέπει να προβεί σε οποιαδήποτε ρύθμιση για αποδοτικότερη λειτουργία του στόλου.

Με τα παραπάνω στοιχεία είναι ξεκάθαρο, ότι οι αστικές μεταφορές μπαίνουν σε νέα εποχή. Η εφαρμογή των νέων τεχνολογιών αποτελεί μονόδρομο. Αυτές όμως δεν είναι ο στόχος, παρά μόνο το μέσο για την ικανοποίηση των τεσσάρων αρχών μετακίνησης, όπως διατυπώθηκαν στην αρχή του άρθρου.