Raziskovanje in razvoj električnih pogonov za vozila z nizko porabo, njihovo načrtovanje, vodenje proizvodnje in proizvajanje, sistemsko obratovanje Naložba v vašo prihodnost Operacijo delno financira Evropska unija Evropski sklad za regionalni razvoj Befektetés a jövőbe A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósul meg 1Uvod V Evropski uniji je promet tisti dejavnik, ki je odgovoren za 21 % izločanja toplogrednih plinov; 93 % od teh izvira iz cestnega prometa. Težava je v vsakem mestu podobna: nimamo več dovolj prostora zaradi osebnih avtomobilov, naša parkirišča in mesta so polna, prav zaradi tega moramo uvesti spremembe v osebni prometni strategiji. Kolo s poimenovanjem pedelec in delovanje le-tega v sistemu služi kot dober primer inovativne rešitve omenjenega problema, ki je zaradi okoljskih kriterijev lahko zelo zgledna. 2 Cilji projekta V regiji z različnimi stopnjami razvoja je možna razširitev proizvodnje prevoznih sredstev z električnim pogonskim sistemom, ki so porabniki le majhnega deleža zunanje energije. Priprava in vodenje proizvodnje razvitega sistema. Uresničitve osnovnega cilja s sestavo uporabnega proizvoda. Zagotoviti uporaben cilj heterogenim skupinam poslovnežev. 2.1 Razvoj proizvoda in tehnologija 2.2Proizvod Neposredni cilj je razviti – po predpisih, ki so določeni za vozila pedelec – elektromotorje, električne regulatorje, obenem pa omogočiti tudi pregled ob izdelavi, tehnologizacijo in organizacijo proizvodnih procesov. Proizvod mora biti primeren za različne tipe koles s pomožnim električnim pogonom. Vozila so kolesa različne velikosti in za različne namene, so iz koles razvita prevozna sredstva in so sestavljena po smernicah pedelec. 2.3 Električni pogonski sistem Stalni magnetni sinhroni motor z minimalno maso gonila ali brez gonila ima moč največ 350 kW. 2.3.1 Glavne faze razvijanja električnega pogonskega sistema: Pregled ciljnega vozila: z vidika uporabe pogonskega sistema je vključen pregled vozil in parametrizacija, simulacija vožnje z upoštevanjem različnih reliefnih, prometnih, vremenskih razmer v danem okolju – za olajšanje izbire vozila glede na okolje uporabnika (upoštevanje regionalnih vidikov). Pregled konstrukcije motorja in optimizacija: možnosti konstrukcije električnega motorja (zunanji ali notranji rotor (vrtljivi del), ki je lahko vgrajen ali lepljen magnetni, izgrajene platirane površine, določitev oblike rotorja, določitev magnetne oblike). Simuliran pregled konstrukcije različnih motorjev (na podlagi tega določitev delovanja in proizvodnje), iz katerih je razvidna optimizacija stroškov in mase ter stopnja učinkovitosti. Analiziranje motorne konstrukcije z gonilom ali brez gonila in izbira pravilnih kombinacij gonil, ki so primerni za povrnitev energije, ter simulacijska analiza le-teh. 2 Pregled konstrukcije gonil in optimizacija. Analiza učinkovitosti in dinamičnega pogona gonilnih konstrukcij za povrnitev energije, obenem tudi analiza planetarnega sistema v menjalnikih koles, kombinacija optimizirane mase struktur planetarnih reduktorjev in pomožnih koles, razvijanje uporabne tehnike, analiza povezovalnih pogojev, njihovo izoblikovanje in zagotovitev varnosti preklopa. Načrtovanje motorja. Določanje velikosti s simulacijo motorja ter z uporabo optimiziranih parametrov dinamičnega pogona poteka s primernimi programskimi opremami. Z uporabo značilnosti generalnega motorja se pripravi CAD dokumentacija. Glavni načrtovani sestavni deli: magnet, rotor, pritrditev rotorja, os, ležaj, načrt za izrez lamele statorja, dolžina statorja (širina motorja), navijalne značilnosti, okovje motorja, možnosti namestitve oddajnikov signala, določitev mesta namestitve kablov. Simulacija hlajenja motorja in načrtovanje le-tega. Načrtovanje gonila. Po osnovi simulacije poteka določanje velikosti glede optimiziranega prenosa osrednjega planetarnega gonila, določanje parametrov ozobja v sistemu zobatega kolesa, načrtovanje mazanja, določanje velikosti ležajev. Določanje velikosti izbranim tipom priključkov v prostem teku, združenje le-teh z gonilom, načrtovanje priključnega mehanizma in priključnega sistema. Priprava CAD dokumentacije gonila. Izdelava prototipa. Prototip preizkusne naprave z vsemi značilnimi merami, ki ostanejo relevantne tudi med uporabo. Nekateri parametri prototipa preizkusne naprave so lahko spremenljivi ob ohranitvi osnovnih značilnosti. Po pričakovanjih bo postopek simulacija (določanje) mer (izdelava) prototipa (test) cikličen in bo potrebna izdelava več prototipov. Dokončni testirani prototip preizkusne naprave bo služil kot v vozilo vgrajena osnova prototipa gonila. Test. Testiranje preizkusne naprave služi za merjenje velikosti simulacijskih parametrov oziroma za merjenje funkcionalnosti, učinkovitosti, varnosti načrtovanih in proizvedenih gonilnih sistemov. Testiranje poteka po izbranih delovnih točkah in cikličnih predpisih v ročnem ali avtomatičnem načinu. Testiranje v vozilu: testiranje skupine strojev poteka v izbranih tipih vozil na preizkusni napravi med zunanjimi prometnimi okoliščinami. Generalizacija proizvodnega tipa: načrtovan gonilni sistem je podvržen proizvodnemu pregledu. Proizvodna operacija in analiza (čas in energija, osebno v živo in strojno delo). Ciljno vozilo: kolo pedelec navadno dvokolesno kolo iz običajnih delov, trikolesno kolo za osebe z omejeno mobilnostjo (kot terensko vozilo), zložljivo kolo, ki je primerno za transport na javnih vozilih, različne različice tandem koles, kolesa, primerna za prevoz tovora, v odprti in pokriti različici. Programska oprema, ki je uporabljena v ciljnem vozilu, je lahko identična (lahko jo proizvajajo v večjih količinah in z večjo učinkovitostjo) ali pa je lahko optimizirana na ciljno vozilo (na ravnini ni potrebe po povrnitvi energije, na goratih predelih je to potrebno, zato mora imeti motor zložljivega kolesa minimalno maso, tovorno vozilo potrebuje manjše hitrostno gonilo itd.). Sestave motorja: zunanja in notranja vrtljivost, s centralno in zunanjo umestitvijo. Pogoni so v ciljnem vozilu lahko različni. Pri do sedaj razširjenih centralnih pomožnih sistemih je načeloma neizvedljivo uresničiti generatorski obrat, torej ni možno rešiti problema povrni3 tve energije. V primeru, da je zahtevana uporabnost tudi na goratih in hribovitih pokrajinah (v regiji so okrožja, kjer je ta pojav možen), je priporočljiva izbira tipa kolesa z motornim pestom. Dokončna odločitev je možna le po ocenitvi ciljnega območja. Gonilne naprave: obodno gonilo, polžno gonilo, gonilo na prosti tek, klinasti jermen, planetna gonilna naprava, verižna. Gonilne naprave so odvisne od smeri, ki so bile upoštevane pri razvijanju motorja. Pomembna in rešljiva naloga je izbira optimalne gonilne kombinacije, ki je izvedljiva šele po ocenitvi in analizi geografskega, družbenega, tržnega in kulturnega vidika. Tehnični parametri razvojnih pogonov Glavne parametre pogona je potrebno določiti že pri predhodnih analizah. Na podlagi tega lahko poteka načrtovanje motorjev, ki mora biti tako obsežen proces, da bo zajel vse značilne določitve: delovno območje različnih vrtljajev, pogonski navor, učinkovitost, električna napetost, maksimalni električni tok, formalna storilnost, masa, premer, dolžina, prestava gonila, učinkovitost gonila, masa gonila, mere gonila. 2.3.2 Tehnologija Po dokončanju izdelave gonilne konstrukcije je potrebno izvesti tehnologizacijo (proizvodnja, realizacija). Načrtovanju proizvodnega procesa sledi načrtovanje realizacije infrastrukture. Proizvodnja poteka v CAD-CAM sistemu, ki je prilagojen lastnostim proizvoda. Postopek: priprava proizvodne dokumentacije: 3D načrtovanje, priprava proizvodnih skic. načrtovanje proizvodne operacije s pomočjo računalnika, programiranje proizvodne operacije. 4 2.3.3 Organiziranje tehnologije, določitev proizvodnje Tehnologijo je potrebno zaupati podjetjem, ki imajo primerne sposobnosti, ter so obenem udeleženci natečaja. Organiziranje proizvodnje je izdelano v posebnem delu natečaja. Glede na različne operacije se proizvodne dejavnosti električnega motorja delijo v več skupin: proizvod statorja, izrez plošče, pečenje v zaželeno obliko, proizvod rotorja, navijanje, rezanje kovinskih sestavnih delov, sestavljanje, ožičenje, prevzem, testiranje, spremljanje proizvodnje in zagotovitev kakovosti. Glede na različne operacije se proizvodne dejavnosti pri gonilu delijo v več skupin: operacije obdelave kovin: vlivanje ohišja, rezanje osi, izdelava zobčastih koles, njihovo rezanje in toplotna obdelava, montiranje gonila, testiranje in prevzem, spremljanje proizvodnje in zagotovitev kakovosti. Med proizvodnjo je treba poskrbeti za primerno kvaliteto s primerno uvedbo sistema kakovosti ter s konstrukcijo. Zaradi različnih uporabniških izkušenj je potrebno nenehno osvežiti tehnologijo. 2.3.4 Elektronski sistem Elektronski sistem zagotavlja nadzor pogona motorja, upravljanje vozila in delovanje armaturne plošče. Pogonski deli motorja elektronskega sistema so lahko združeni z motorjem oziroma je lahko celoten elektronski sistem integriran. Deli: elektronsko poganjanje motorja, akumulatorski upravljalnik in nadzornik, elektronika vozila (upravljanje vozila), armaturna plošča, periferije, signalizacije. Elektronika zahteva drugačen razvojni in proizvodni sistem kot električne strojne enote. Zajetje le-teh v sistem je pomembno zaradi zagotavljanja organiziranega poteka projekta. 2.3.5 Glavne faze razvijanja elektronskega sistema: Izbira, sestava razvojnih upravljalnih sestavin elektronskega gonila motorja. V tej fazi je pomembna izbira PIC-a, ki pripomore k razvijanju. Le-ta v veliki meri vpliva na nadaljnjo serijsko proizvodnjo elektronskih izgraditev. Izbirno strategijo je potrebno umestiti med prve na5 6 loge javnega razpisa. Načrtovanje tokovnega kroga in proizvodnja le-tega poteka s pomočjo uporabniškega programa (načrtovanje tiskanih vezij). Programiranje in testiranje elektronskega gonila motorja. Programiranje poteka po prejšnjih razvojnih osnovah in po dosedanjih izkušnjah. Vodenje pogona poteka s sinusnim krmiljenjem. V dani kategoriji vozil (zaradi nizkega števila obratov) ni potrebno uporabiti regulacijskega električnega vektorja. Regulacija motorja je omejeno odvisna od uporabnosti izbranih kategorij vozil in nekatera vozila potrebujejo podobno regulacijo motorja. Uskladitev optimizacije motorja in elektronskega regulatorja. Uskladitev motorja in regulatorja poteka med programiranjem gonila z uporabo preizkusnih meritev. Postopek zahteva veliko vloženega dela, ki je lahko že v naprej načrtovano. Testiranje motorja in regulatorja na preizkusni napravi in v vozilu. Testiranje regulatorja na preizkusni napravi (zaključna delovna operacija je obrazložena v prejšnji točki) služi temu, da določimo dokončne karakteristike motorja. Testiranje v vozilu je zadnja faza pred prevzemom, kateri lahko sledijo dodatna razvojna dela. Razvijanje serijskih upravljalnih sestavin. Enota regulacije motorja serijske proizvodnje je razvita iz različice, ki jo uporabljajo v vozilih. V tej fazi je potrebno izpeljati nekaj EMC analiz zaradi uporabnosti. Poleg tega je potrebno poskrbeti za ustrezno toploto in nepremočljivost ter zagotoviti zaščito proti stresljajem, vdoru in uničevanju. Izbira in sestava elementov razvojnega panela za elektronski nadzor vozil. Prva stopnica pri razvijanju je določitev algoritma za nadzor vozila, ki se uporabi pri različnih tipih vozil, določenih po točnih zahtevah. Izbrana vozila se že po osnovi izgrajujejo glede predpisov za pedelec, zato je njihov vodilni sistem v veliki meri podoben. PIC je tisti, ki je temelj pri izbiri elementov vezja. Zaradi hitrejšega poteka programiranja je priporočljivo upoštevati pripadajočo podporo proizvajalca. Programiranje in testiranje. Programiranje poteka na podlagi algoritma v programskem jeziku, ki ga določa procesor. Uskladitev motornega regulatorja, BMS-a in usmerjanje vozila. BMS je najbolj smotrno nabaviti kot trgovsko blago in ga uporabljati kot del enote akumulatorja. BMS podatke je potrebno uporabiti tudi pri vodenju in usmerjanju motorja. Vsi trije elektronski sistemi morajo delovati skupno. Med izpeljevanjem projektnih nalog je treba poskrbeti za udejanjenje četrtega informacijskega elementa, ki ga lahko požene eden izmed komunikacijskih sistemov. Rezultat tega zbliževanja je uporabna informacijska skupina, ki zna vsak del delovnega položaja pravilno upravljati. Razvijanje serijskega panela. Panel, ki je v razvoju, je že primeren za usmerjanje vozil, vendar v večjih serijah njegova proizvodnja ni možna ter ne odgovarja mnogim obratnim zahtevam. Sprva je potrebno urediti njeno ustreznost s proizvodnimi zahtevami: EMC pregled, prenašanje temperature, zagotovitev odpornosti na vodo, tresljaje, uničevanje. Pomembna zahteva je tudi miniaturizacija sistema, vključitev v boks. V primeru uporabe integrirane enote je potrebno, da se realizira pravilna zgraditev elektronskih enot, ločena meritev, priključevanje, vzpostavitev diagnoze. Testiranje upravljanja vozila in programiranje na preizkusni napravi in v vozilu. Skupen proces testiranja in programiranja poteka po že prej zapisanih korakih. Sestava celotnega elektronskega sistema, večstopenjsko umeščanje, testiranje. Zadnja stopnja razvojne ponovitve. Za tem postopkom izdajo izdelek. 3 Razširitev in sistemsko stopnjevanje obratovanja kolesa na električni pogon v regiji zahodnega Prekodonavja 3.1 Določitev cilja Osnovanje, priprava in organizacija promocije vozil z električnim pogonom minimalne energetske intenzivnosti. Izgraditev omrežja električnih koles in vozil z električnim pogonom z vključitvijo posameznih uporabnikov, podjetnikov, družbenih organizacij. Elementi omrežja: vozila (kolesa pedelec, kolesa s pomožnim motorjem z zaprto konstrukcijo in motorna kolesa z električnim pogonom za osebni prevoz in prevoz blaga na krajše razdalje), infrastruktura (kontrola cestnega omrežja, polnitev akumulatorja, varovanje, shranjevanje). Električna vozila z električnim pogonom minimalne energetske intenzivnosti je potrebno razširiti na območjih z gosto poseljenostjo, na zaprtih ali na pol zaprtih območjih, v okrožju z nizko poseljenostjo, tam, kjer ni možno urediti učinkovitega prevoza z javnimi sredstvi. 3.2 Konkretni cilj Delovni načrt želi spodbujati razširitev koles pedelec z omrežnim načrtom, ki se lahko vključuje v različne prometne sisteme. Z e-mobilnostjo se širijo in uveljavljajo vozila na električni pogon, ki ustrezajo vsem smernicam Evropske unije. To področje Evropska unija močno podpira. Dvojna razvojna stopnja v regiji zahodnega Prekodonavja je popolno področje za projektni načrt, ki vključuje napredno tehnologijo in kulturo v prometu. Naš cilj je, da prikažemo in izgradimo samostojen vzorec z novim razmišljanjem, je okolju prijazen, obenem pa pripomore k za zdravje bolj prijaznemu podsistemu v prometu. Projekt ima kratkoročno močan vpliv marketinga, srednjeročno potrebuje občutno podporo domačega (turističnega) izvajalca storitev, dolgoročno pa zagotavlja pomemben tehnični razvojni potencial, obenem pa potrebuje tudi resno proizvajalčevo kapaciteto. 3.3 Opis omrežja, ki ga je potrebno razviti Glavni elementi omrežja so vozila na električni pogon ter potrebna infrastruktura, ki shranjuje energijo in z njo tudi oskrbuje. Nadaljnji pomožni elementi obratovanja so: kartični navigator, ki je dopolnjen z informacijskim podsistemom, servis in nadzorni podsistem. Uporabniki sistema so osebe, ki uporabljajo osebni prevoz, vendar obenem dajejo prednost ekonomičnemu prometu, in uporabniki javnega prevoza, ki potujejo po alternativnih prometnih žilah ali času oziroma z raznovrstnimi prevoznimi sredstvi. Poleg tega pomemben krog uporabnikov predstavljajo priložnostni, plačila zmožni uporabniki, ki se zaradi turističnih ciljev odločijo za uporabo vozila pedelec. Potencialni uporabniki so lahko tudi ustanove in podjetja zaprtega območja, ki podpirajo okolju prijazen promet: podjetja z velikimi lokacijami, tovarne z občutnim notranjim prometom, parki ter druge turistične, zdravstvene in rekreacijske ustanove. Pomembno je specialno področje, ki ga lahko za prevoze z vozili z nizko porabo energije izkoriščajo starejše osebe. 7 Elementi sistema (v nadaljnje tudi podrobnejši opis): vozilo na električni pogon, polnilna in skladiščna enota, podporni informacijski sistem. 3.4 Obratovanje razvojne mreže 3.4.1 Pedelec v osebni lasti in pedelec z možnostjo najema Sistem lahko deluje v obeh primerih. Sedanje tržno zanimanje nakazuje, da je cena pedeleca veliko višja kot vsota, ki bi jo prebivalci lahko namenili nakupu. To pomeni, da bo najemni sistem prej uresničljiv kot osebni nakupi. Kritični element najemnega sistema je varnost: proti uničevanju, prilastitvi itd. Pri oblikovanju predplačniškega sistema lahko vzamemo za osnovo že obstoječe primere (npr. BuBi sistem v Budimpešti). K najemnemu sistemu se lahko priključi tudi podpora, ki jo lahko uporabljajo obče in družbene organizacije oziroma povezane družbe. 3.4.2 Servis in nadzor – obratovanje Ključnega pomena pri razširitvi električnega kolesa je zagotovitev zanesljivega obrata. Imamo zelo malo izkušenj z vozili v trgovinski prodaji. Uporaba in vzdrževanje vozil dajeta njihovim bodočim uporabnikom občutek negotovosti. Dvome lahko odženemo z zagotovitvijo pravih informacij ter z vzpostavitvijo ustreznega prodajnega sistema. Za obratovanje storitev z osebnim in najetim pedelecom je nujno potreben dobro organiziran in zanesljiv servis ter nadzorna storitev. K opravljanju nalog v veliki meri pripomore informacijski sistem GPS. Za takojšnjo nadomestitev pokvarjenih koles in po določenih časovnih intervalih pravilno izvedeno operacijo vzdrževanja je potrebno strokovno znanje humane skupine. K varnemu obratovanju pripomoreta v nadzorni sistem vgrajen avtomatični opozorilni signal in različne alarmne funkcije. Registracija upravičencev za uporabo omrežja in napolnitev plačniškega okvirja izdanih kart je v osnovi naloga lokalne skupnosti (turistična pisarna, urad župana) in/ali on-line storitve. Nadaljnja možnost je izoblikovanje pedelec točk, kjer bi potekalo poslovanje s kartami, unovčitev koles pedelec in servisne storitve. 3.4.3 Ciljna skupina – uporabniki Ciljno skupino sestavlja več slojev. Eden izmed teh so uporabniki javnega prevoza, ki se zavzemajo za zdrav način življenja in so podporniki okolju prijaznega prometa, zaradi česar se odločijo za kolo pedelec, ki je bolj udobno od navadnega kolesa in se lahko poganja z manjšo vloženo energijo. Naslednji so dijaki, študentje, ki se vračajo iz šole oziroma fakultete v svoja bivališča, želijo prispeti v zabaviščne centre, na avtobusne oziroma železniške postaje. Poleg vsakodnevnih uporabnikov vozila so tudi občasni uporabniki, ki kolo pedelec uporabljajo, ker nimajo lastnega prevoznega sredstva, s pomočjo katerega lahko s turističnih ciljev osebno prispejo kamor koli v mestu ali na katero koli pozidano območje. 8 3.4.4 Angažma Področja angažmaja: središče mesta, zaprti sistemi, stanovanjska naselja, zaščitena območja, notranja območja podjetij, različne lokacije podjetij. Cilji uporabe osebnih angažmajev: v službo, šolo, po nakupih, za urejanje zadev, turizem. Prvi korak za izgraditev pedelec sistema v dani regiji je, da se na določeni prometni žili, delu mesta, manjšem naselju ali prostoru omogoči postavitev pilotnega sistema. Za razvoj regije je lahko prevladujočega pomena pedelec sistem, obenem pa se vrednost lahko povišuje z individualno funkcionalnostjo. 3.5 Primer za uresničitev S podporo Evropske unije in s finančno podporo programa Intelligent Energy Europe pomeni sistem in omrežje GO Pedelec RENT-A-PEDELEC osnovni primer za uresničitev vzorčnega projekta. Uresničitev GO Pedelec se je zgodila v Wachauu v Avstriji. Projektni partner je bil Vagyonkezelő d. d. iz Miskolca. Kratek opis sistema lahko najdemo na strani www.gopedelec.hu: »Od maja 2010 je dana možnost, da obiskovalci Walchaua najamejo pedelec in tako si na okolju prijazen način in v objemu narave ogledajo okolico in vse spektakle. Ta pobuda je rezultat širšega sodelovanja med vlado pokrajine, lokalnim električnim ponudnikom ENV, Raiffeisen-Leasingom in turističnim podjetjem. Do sedaj si je možno izposoditi približno 100 vozil na električni pogon, ki so v precejšnjem številu kolesa tipa pedelec, znotraj katerih so mestni in gorski tipi koles. Tako imenovana kolesa pedelec mestnega tipa so na izposojo za pol dneva po ceni 12 €, za en dan po 18 €, medtem ko se za izposojo kolesa pedelec gorskega tipa za pol dneva plača 18 €, za en dan 25 €. V primeru, da se kdo med potjo ponesreči, lahko pokliče telefonsko številko 120, reševalno službo ÖAMTC, ki brezplačno pomaga vsem osebam, ki se znajdejo v težavah. Za polnjenje izpraznjenih akumulatorjev je v območju na razpolago 5 javnih polnilnih postaj. V prihodnosti se bodo k temu priključili tako imenovani partnerji za mobilnost (hoteli, restavracije itd.). Na javnih postajah je potreben adapter in RFID kartica, vendar le-ta ne bo potrebna pri partnerjih za mobilnost. Zanimivost sistema je v tem, da električni tok za polnjenje v celoti pridobivajo iz obnovljivih energijskih virov.« 9