Raskaan liikenteen sähkökonversiot: Katsaus tekniikkaan, toteutukseen ja mahdollisuuksiin

Abstract

Liikenteen päästövähennystavoitteiden myötä sähkö yleistyy myös raskaan tieliikenteen käyttövoimaksi. Tässä kirjallisuuskatsauksessa käsitellään vaihtoehtoista raskaan liikenteen sähköistämistä. Raskaan liikenteen sähkökonversioilla tarkoitetaan jälkikäteen sähkökäyt-töiseksi muunnettuja raskaan liikenteen ajoneuvoja, työn tapauksessa kuorma-auton perusrakenteen omaavia ajoneuvoja. Konversioprosessissa polttomoottoritekniikka poistetaan ja tilalle asennetaan korkeajänniteakustosta, tehoelektroniikasta ja sähkömoottoreista koostuva voimalinja. Sähkökonvertoinnilla ajoneuvon käyttökustannuksia saadaan pienennettyä ja polttomoottorista aiheutuvat lähipäästöt poistettua kokonaan.

Korkeajänniteakku toimii sähköajoneuvon energianlähteenä. Akun tasajännitettä käytetään sähkömoottorin pyörittämisen lisäksi ajoneuvon muiden järjestelmien energianlähteenä. Tehoelektroniikalla muunnetaan akun tasajännitettä tarpeen mukaan matalammaksi tasajännitteeksi tai invertterin kautta sähkömoottorin tarvitsemaksi vaihtojännitteeksi. Sähkömoottori pyörittää ajoneuvon renkaita ja täten liikuttaa ajoneuvoa.

Konvertoitavaksi valitaan käytetty tarpeita palveleva raskaan liikenteen ajoneuvo, joka tyypillisesti kunnostetaan kokonaisuudessaan muunnosprosessin yhteydessä. Raskaan liikenteen ajoneuvot soveltuvat rakenteeltaan henkilöautoja paremmin sähkökonvertointiin niissä käytettävän tikapuurakenteisen rungon ansiosta. Tikapuurungossa sähköisen voimalinjan komponenteille on hyvin tilaa. Akusto painavimpana kokonaisuutena saadaan sijoitettua alkuperäisten polttoainetankkien paikoille kummallekin puolelle runkoa. Näin uusi voimalinja vaikuttaa ajo-ominaisuuksiin jopa positiivisesti, sillä ajoneuvon painopiste pysyy matalalla ja keskellä akselien välissä.

Kustannusvertailu sähkökonversiokuorma-auton, tehdasvalmisteisen sähkökuorma-auton ja dieselkuorma-auton välillä vaikuttaa olennaisesti käyttäjien tekemiin hankintapäätöksiin. Kaupunkiympäristökäyttöön sijoittuvassa esimerkkivertailussa sähkökonvertoitu jakeluauto alittaa vastaavan dieselajoneuvon kustannukset noin kymmenen vuoden käytön aikana. Tehdasvalmisteinen sähköjakeluauto alittaa samassa tilanteessa dieselvastineen kustannukset vasta noin 35 vuoden käytön aikana.

Sähköautoista saatujen kokemuksien perusteella ohjelmistoviat ovat myös osa sähköisiä raskaan liikenteen ajoneuvoja. Siinä missä tehdasvalmisteisten ajoneuvojen vikoja voidaan korjata etäpäivityksillä ei pienemmän mittakaavan konversiotoiminta välttämättä mahdollista tätä. Osaltaan sähkökonversioiden toimintavarmuus paranee raskaan liikenteen sähköajoneuvojen lisääntyessä ja käyttäjäpalautteen myötä. Toistaiseksi sähkökonversioiden tuotantomäärät ovat todella pieniä dieselverrokkeihin nähden. Toisaalta myös tehdasvalmisteisten sähkökuorma-autojen osuus on vielä pieni verrattuna raskaan kaluston kokonaisvalmistusmääriin maailmassa.

Konvertoitavat ajoneuvot tulee muutoskatsastaa tieliikennekelpoisiksi. Muutoskatsastuksessa tarkastetaan, että konversioajoneuvot täyttävät sähköistä voimalinjaa ja sähköistä energiavarastoa koskevat E100-säännön määräykset, jotka koskevat pääosin sähkö- ja törmäysturvallisuutta. Nykynäkymien perusteella sähkökonversiot tulevat edustamaan marginaalivaihtoehtoa tehdasvalmisteisille raskaan liikenteen sähköajoneuvoille. Konversioiden yleistyminen vaatii raskaan liikenteen laajaa sähköistymistä, jotta vaihtoehtotuotteille syntyy kysyntää.

With the emission reduction targets for transport, electricity is also becoming more common as a power source for heavy road traffic. This literature review discusses alternative electrification of heavy traffic. Electric conversions of heavy traffic refer to heavy-duty vehicles that have been converted to electric operation afterwards, in the case of work, vehicles with the basic structure of a truck. In the conversion process, the internal combustion engine technology is removed and replaced by a powertrain consisting of a high-voltage battery, power electronics and electric motors. With electric conversion, the operating costs of the vehicle can be reduced and the local emissions caused by the internal combustion engine can be eliminated.

The high-voltage battery acts as the energy source for the electric vehicle. In addition to rotating the electric motor, the battery's DC voltage is used as an energy source for other systems in the vehicle. Power electronics convert the battery's DC voltage to a lower DC voltage as needed or, via an inverter, to the AC voltage required by the electric motor. The electric motor rotates the vehicle's tires and thus moves the vehicle.

A used heavy-duty vehicle that meets the needs is selected for conversion, which is typically fully refurbished during the conversion process. Heavy-duty vehicles are better suited to electric conversion than passenger cars due to their ladder-structured frame. There is plenty of space in the ladder frame for the components of the electric powertrain. The battery, as the heaviest unit, can be placed in the original fuel tank locations on both sides of the frame. This way, the new powertrain even has a positive effect on the driving characteristics, as the vehicle's center of gravity remains low and centrally located between the axles.

A cost comparison between an electric conversion truck, a factory-made electric truck and a diesel truck significantly affects the purchasing decisions made by the users. In an example comparison for urban use, an electric-converted delivery truck will cost less than a comparable diesel vehicle over approximately ten years of operation. In the same situation, a factory-made electric delivery truck will only cost less than its diesel equivalent over approximately 35 years of operation.

Based on the experience gained from electric vehicles, software errors are also part of electric heavy-duty vehicles. While defects in factory-made vehicles can be fixed with remote updates, this is not necessarily possible with smaller-scale conversion operations. In part, the reliability of electric conversions will improve with the increase in the number of electric heavy-duty vehicles and user feedback. So far, the production volumes of electric conversions are very small compared to diesel counterparts. On the other hand, the share of factory-made electric trucks is still small compared to the total production volumes of heavy-duty vehicles worldwide.

Vehicles to be converted must pass a modification inspection to be roadworthy. The modification inspection checks that the converted vehicles meet the provisions of the E100 regulation regarding the electric powertrain and electric energy storage, which mainly concern electrical and crash safety.

Based on current prospects, electric conversions will represent a marginal alternative for factory-made electric heavy-duty vehicles. The increasing popularity of conversions requires widespread electrification of heavy transport to create demand for alternative products.