Analysis of a hybrid, plug-in electric and full electric bus line in Spain, Sweden and The Netherlands

Abstract

El objetivo de este proyecto es contribuir a un futuro sistema de transportes que no dañe el medio ambiente mediante el estudio de tres líneas de autobús en diferentes países europeos. Estas tres líneas funcionan en la actualidad con gasolina o diésel, y se pretende estudiar la posibilidad de sustituirlas por vehículos híbridos, enchufables o completamente eléctricos y analizar las diferentes opciones de recarga y tamaños de baterías para cada caso. El estudio se realizará mediante simulaciones con Matlab y Simulink, se recogerán los datos y se realizará una comparativa obteniendo una opinión final sobre cuál es la opción más viable y efectiva para introducir estos vehículos en la red de transporte pública. En primer lugar, es necesario un análisis del estado del arte de la cuestión. Es un tema en auge, por lo tanto hay abundante información, proyectos, etc sobre la electrificación del transporte. Uno de los proyectos con los que se ha identificado el presente estudio es el proyecto MERGE, que busca preparar la red para el impacto de la inclusión a gran escala de los vehículos eléctricos en Europa. Por otro lado, es necesario también un análisis previo del estado actual de los vehículos híbridos y eléctricos. Los componentes, en especial las baterías han sido analizados para cada tipo de vehículo estudiado. A continuación, se procede a modelar el autobús en Matlab. Para ello, hay que establecer primero una serie de parámetros físicos (área frontal, coeficiente de rozamiento, etc). Estos parámetros serán datos de entrada en el Simulink, que tras recorrer el ciclo correspondiente devuelve parámetros como el consumo de combustible o el estado de carga de la batería. Tres ciclos distintos han sido creados, uno para cada país de estudio (Suecia, España y Holanda). Estos ciclos se crean mediante la inclusión de datos sobre tiempo, velocidad, distancia recorrida y disponibilidad de recarga externa en una matriz en Matlab, que también será dato de entrada en el Simulink. Hay que tener en cuenta también las distintas opciones de recarga de la batería, que influirán de manera definitiva en el coste de la instalación. Una vez que han sido establecidos todos los parámetros, se procede a simular distintos casos para cada tipo de vehículo estudiado. En cada caso se varían parámetros como la capacidad de la batería, la profundidad de descarga permitida o el estado inicial de carga, con el fin de encontrar una batería que no sea más grande de lo necesario pero que permita un cierto nivel de autonomía con una vida útil razonable. Los resultados de cada simulación se recogen, junto con el consumo de combustible en cada caso, en forma de tablas. Para el caso de vehículo híbrido se eligen baterías de capacidad alrededor de los 15 kWh. Para el caso de híbrido enchufable se eligen baterías con 30 kWh y para el caso de vehículo completamente eléctrico las baterías necesarias rondan los 90 kWh. El objetivo de este proyecto es contribuir a un futuro sistema de transportes que no dañe el medio ambiente mediante el estudio de tres líneas de autobús en diferentes países europeos. Estas tres líneas funcionan en la actualidad con gasolina o diésel, y se pretende estudiar la posibilidad de sustituirlas por vehículos híbridos, enchufables o completamente eléctricos y analizar las diferentes opciones de recarga y tamaños de baterías para cada caso. El estudio se realizará mediante simulaciones con Matlab y Simulink, se recogerán los datos y se realizará una comparativa obteniendo una opinión final sobre cuál es la opción más viable y efectiva para introducir estos vehículos en la red de transporte pública. En primer lugar, es necesario un análisis del estado del arte de la cuestión. Es un tema en auge, por lo tanto hay abundante información, proyectos, etc sobre la electrificación del transporte. Uno de los proyectos con los que se ha identificado el presente estudio es el proyecto MERGE, que busca preparar la red para el impacto de la inclusión a gran escala de los vehículos eléctricos en Europa. Por otro lado, es necesario también un análisis previo del estado actual de los vehículos híbridos y eléctricos. Los componentes, en especial las baterías han sido analizados para cada tipo de vehículo estudiado. A continuación, se procede a modelar el autobús en Matlab. Para ello, hay que establecer primero una serie de parámetros físicos (área frontal, coeficiente de rozamiento, etc). Estos parámetros serán datos de entrada en el Simulink, que tras recorrer el ciclo correspondiente devuelve parámetros como el consumo de combustible o el estado de carga de la batería. Tres ciclos distintos han sido creados, uno para cada país de estudio (Suecia, España y Holanda). Estos ciclos se crean mediante la inclusión de datos sobre tiempo, velocidad, distancia recorrida y disponibilidad de recarga externa en una matriz en Matlab, que también será dato de entrada en el Simulink. Hay que tener en cuenta también las distintas opciones de recarga de la batería, que influirán de manera definitiva en el coste de la instalación. Una vez que han sido establecidos todos los parámetros, se procede a simular distintos casos para cada tipo de vehículo estudiado. En cada caso se varían parámetros como la capacidad de la batería, la profundidad de descarga permitida o el estado inicial de carga, con el fin de encontrar una batería que no sea más grande de lo necesario pero que permita un cierto nivel de autonomía con una vida útil razonable. Los resultados de cada simulación se recogen, junto con el consumo de combustible en cada caso, en forma de tablas. Para el caso de vehículo híbrido se eligen baterías de capacidad alrededor de los 15 kWh. Para el caso de híbrido enchufable se eligen baterías con 30 kWh y para el caso de vehículo completamente eléctrico las baterías necesarias rondan los 90 kWh. A continuación se analiza el contenido de las simulaciones y se elige un tipo de vehículo, una batería y una opción de recarga para cada país. La mejor opción parece ser la de un vehículo completamente eléctrico que obtiene energía de dos estaciones externas de recarga situadas en puntos estratégicos a los largo de la ruta. Se puede comprobar que para los tres países el resultado es bastante similar, con lo cual se podría interpretar que únicamente un modelo podría ser suficiente para toda europa. Una vez que se ha tomado la decisión sobre el tamaño de la batería, se procede al análisis financiero con datos actuales de los tres países de estudio sobre precios medios en electricidad y combustible. Por último concluimos que la electrificación del transporte puede ser prevista en términos de costes mediante nuestro programa. Se han realizado simulaciones únicamente para tres líneas reales de autobús de Europa pero el programa es flexible y admite cualquier tipo de ciclo y vehículo. La continuación de este proyecto sería, por lo tanto, un estudio a gran escala de los costes y viabilidad de la electrificación por completo del sistema público de transportes en las grandes ciudades de Europa con el objetivo de reducir las emisiones contaminantes.

The objective of this project is to contribute to a sustainable future transportation network by studying three bus lines in different European countries. These three lines are powered today by gasoline or diesel, and the purpose is to study the possibility of replacing them with hybrid, plug-in or full electric vehicles and analyse different recharging options, and sizes of batteries for every case. The study will be conducted through simulations with Matlab and Simulink, data will be collected and a comparison will be made to give a final opinion on what is the most viable and effective way to introduce these vehicles into the public transport system of the big cities studied. First, an analysis of the state of the art in the matter is necessary. We face an issue on the rise, so there is plenty of information, projects, etc. regarding the electrification of transport. One of the projects that have been identified as relevant to this study is the MERGE project, which aims to prepare the network for the impact of large-scale inclusion of electric vehicles in Europe. A prior analysis of the current state of hybrid and electric vehicles is also necessary. The components, especially the batteries have been analysed for each type of vehicle studied. After this analysis, we proceed to model the bus in Matlab. In order to do this, we first establish a series of physical parameters (frontal area, coefficient of friction, etc). These parameters are given as an input to the Simulink model, which after running the cycle returns parameters such as fuel consumption or the state of charge of the battery (SoC). Three different cycles have been created, one for each country of study (Sweden, Spain and the Netherlands). These cycles are created by including data on time, speed, distance and availability of external recharging in a matrix in Matlab, which will also be input to the Simulink. We also need to consider the various options for recharging the battery, which will influence definitively the cost of the installation. Once all the parameters have been set, we simulate different scenarios for each type of vehicle studied. In every case, parameters such as the battery capacity, depth of discharge allowed (DoD) or SoC are varied, in order to find a battery that is not larger than necessary but allows a certain level of autonomy with a reasonable lifetime. Each simulation results are shown, together with the fuel consumption, in tables. Batteries of around 15 kWh are chosen for the hybrid case. Batteries of around 30 kWh are more suitable for the Plug-In hybrid case, and bigger batteries or 90 kWh are chosen for the full electric bus. The contents of the simulations are then analysed and a type of vehicle, a battery and a recharging option for each country is chosen. The most viable option seems to be a full electric vehicle with two recharging stations strategically situated along the route. For the three countries the result is quite similar, which could be interpreted that only one model might be enough for all Europe. Once the decision on the size of the battery has been made, we proceed to the financial analysis with current data from the three countries of study in electricity and fuel prices. Finally, we conclude that the electrification of transport can be predicted in terms of costs through our program. Simulations have been performed only three real bus lines in Europe but the program is flexible and supports any type of cycle and vehicle. The continuation of this project would be, therefore, a large-scale analysis of the costs and feasibility of electrifying the public transport network in major cities in Europe with the aim of reducing pollutant emissions to the atmosphere.