SwissTrolley + Forschung (F&E)

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/501321

Description succincte (Allemand)

Im Projekt „SwissTrolley+“ entwickelt die HESS AG in Zusammenarbeit mit den VBZ, sowie den For-schungspartnern ETH Zürich und BFH einen neuen Trolleybus, welcher anstatt des konventionellen Notstrom-Dieselaggregats mit einer Traktionsbatterie ausgestattet ist. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile: i) bis zu 15% geringerer Energiebedarf durch regeneratives Bremsen, ii) die Möglichkeit des Fahrens ohne Oberleitung, z.B. in Stadtzentren, iii) der Ausgleich von Spitzenlasten im Oberleitungs-netz.
Bei der Neuentwicklung des SwissTrolley+ ist die HESS AG auf Kollaborationen mit Verkehrsbetreiber und Hochschulen angewiesen. Die VBZ bieten optimale Bedingungen für die Erprobung des Fahr-zeugs im Linienbetrieb. Ausserdem können Anforderungen, Wünsche und Ideen von Seiten des Be-treibers von Anfang an in der Entwicklung berücksichtigt werden. In den Bereichen Optimierung und Steuerungstechnik, sowie bei der Batterietechnologie ist die HESS AG auf die Forschungsarbeiten und das Know-How der Hochschulen ETH Zürich und BFH angewiesen. Das von den Hochschulen transferierte Wissen soll der Industrie nicht nur im aktuellen Projekt, sondern auch in Zukunft helfen, innovative und nachhaltige Produkte zu Entwickeln.

Rapport final (Allemand)

Dieser Bericht stellt die Ergebnisse der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Rahmen des Projekts "SwissTrolley plus" vor. Während das Hauptziel dieses Projekts darin besteht, die Technologie eines batteriegestützten Trolleybusses zu entwerfen und seinen Betrieb im öffentlichen Verkehrssystem Zürichs zu demonstrieren, befasst sich dieser Bericht mit der Entwicklung einer geeigneten Energiemanagementstrategie für den Hybridantrieb und einem Modell für die Batterielebensdauer, das die Alterung der Batterie quantitativ erfassen kann.

Der Einsatz von Batterien als Energiespeicher in Trolleybussen ermöglicht einerseits eine hohe Flexibilität bei der Nutzung der Fahrzeuge und andererseits eine deutlich bessere Energieeffizienz. In diesem Projekt wurde gezeigt, dass der Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Trolleybussen ohne Traktionsbatterien um bis zu 15% auf ca. 2 kWh/km reduziert werden kann. Darüber hinaus basieren die entwickelten Regelstrategien auf der Theorie der optimalen Regelung und sind in der Lage, die sich wiederholenden Fahrmuster selbstständig zu erlernen und entsprechend zu nutzen. Dieser Ansatz ermöglicht es, Streckentrenner der Oberleitung zu erkennen und vorherzusagen und so Lichtbogenblitze zu vermeiden. Schliesslich zeigen „Software-in-the-Loop“-Simulationen, dass die Verwendung einer solchen vorausschauenden Regelstrategie es ermöglicht, sowohl die Batteriekapazität als auch die Anteil an Strecken mit Oberleitungen zu halbieren, ohne zusätzliche Energieeffizienzen im Vergleich zur bestmöglichen Strategie zu in Kauf nehmen zu müssen.

Um die Belastung der Batterie zu charakterisieren, beschreibt der Bericht die experimentell gemessene Abhängigkeit des Zustands der Batterie von verschiedenen Betriebsbedingungen. Insbesondere wurde bei den durchgeführten Experimenten beobachtet, dass C-Raten im Allgemeinen einen höheren Einfluss auf die Alterung haben als die Betriebstemperatur. Darüber hat das Zyklieren der Zellen mit geringer Entladetiefe und bei Spannungswerten weit weg der Grenzen nahezu keinen Einfluss. Diese Daten dienen der Erstellung eines Modells für den Gesundheitszustand der Batterie, das in der Lage ist, die Lebensdauer der Antriebsbatterie zu schätzen und dem Energiemanagement einen Hinweis auf den Bereich zu geben, in welchem die Batterie betrieben werden sollte um ihre Lebensdauer zu verlängern.

Schlussbericht P+D-Projekt:
https://www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=36721&Sprache=de-CH

Documents annexés

• SwissTrolley plus A battery-assisted trolley bus - Schlussbericht (auf Englisch) [PDF] 21'941 kB

Rapport final (Anglais)

This report presents the results of the research and development activities within the project «SwissTrolley plus». While the overall goal of this project is to design the technology of a batteryassisted trolley bus and demonstrate its operation in Zurich’s public transportation system, this report addresses the development of a suitable energy management strategy for the hybrid propulsion system and a battery system lifetime model which allows to quantity the aging of the battery.

Using batteries as energy storage devices in trolley buses enable great flexibility in the use of the vehicles on the one hand and a significantly better energy efficiency on the other. In this project it was shown that the energy consumption can be reduced by up to 15% to approx. 2 kWh/km compared to conventional trolley buses without traction batteries. Moreover, the developed control strategies are based on optimal control theory and are able learn and exploit the repetitive driving patterns autonomously. This approach allows to detect and predict wire switches of the overhead wires and thereby prevent arc flashes. Finally, software-in-the-loop simulations show that using such a predictive control strategy allows to halve both the battery capacity and the coverage of overhead lines without scarifying additional energy efficiencies compared to the best possible strategy.

In order to characterize the stress on the battery, the report illustrates the experimentally measured dependency of the battery state of health on various operating conditions. In particular, it has been observed during the conducted experiments that C-rates have in general a higher impact on the degradation than the operating temperature. Additionally, cycling the cells with low depth of discharge values and at voltage levels away from the limits results in almost no degradation. This data serves to create a state of health model which is able to estimate the lifetime of the trolley bus battery and giving indication to the energy management on the range in which the battery should be operated to extend its lifetime.

Final report of the P+D project:
https://www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=36721&Sprache=en-US

Documents annexés

• SwissTrolley plus A battery-assisted trolley bus - Final report [PDF] 21'941 kB

Rapport final (Français)

Ce rapport présente les résultats des travaux de recherche et développement du projet «SwissTrolley plus». L'objectif global de ce projet est de concevoir la technologie d'un trolleybus assisté par batterie et de démontrer son fonctionnement dans le système de transport public de Zurich. Ce rapport traite du développement d'une stratégie de gestion de l'énergie appropriée pour le système de propulsion hybride et d'un modèle de durée de vie du système de batterie qui permet d’évaluer le vieillissement de la batterie.

L'utilisation de batteries comme accumulateurs d'énergie dans les trolleybus permet une grande flexibilité dans l'utilisation des véhicules d'une part et une efficacité énergétique nettement supérieure d'autre part. Dans ce projet, il a été démontré que la consommation d'énergie peut être réduite jusqu'à 15% à environ 2 kWh/km par rapport aux trolleybus conventionnels sans batteries de traction. De plus, les stratégies de contrôle développées sont basées sur la théorie du contrôle optimal et sont capables d'apprendre ainsi que d'exploiter les modèles de conduite répétitive de manière autonome. Cette approche permet de détecter et de prédire les commutateurs de fils aériens et d'éviter ainsi les arcs électriques. Enfin, les simulations « software-in-the-loop (SIL) » montrent que l'utilisation d'une telle stratégie de contrôle prédictif permet de réduire de moitié à la fois la capacité de la batterie et la couverture des lignes aériennes sans scarifier les économies d'énergie supplémentaires par rapport à la meilleure stratégie possible.

Afin de caractériser les contraintes exercées sur la batterie, le rapport illustre la dépendance expérimentalement mesurée de l'état de santé de la batterie (State of health, SOH) par rapport à diverses conditions de fonctionnement. En particulier, il a été observé au cours des expériences menées que les taux de charge et de décharge « C-rates » ont en général un impact plus élevé sur la dégradation que la température de fonctionnement. De plus, un cycle de charge-décharge des cellules avec de faibles valeurs de profondeur de décharge et à des niveaux de tension éloignés des limites n'entraîne pratiquement aucune dégradation. Ces données servent à créer un modèle de l'état de santé capable d'estimer la durée de vie de la batterie du trolleybus et de donner une indication à la gestion de l'énergie sur la plage dans laquelle la batterie doit être utilisée pour prolonger sa durée de vie.

Rapport final du projet P+D:
https://www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=36721&Sprache=fr-CH

Documents annexés

• SwissTrolley plus A battery-assisted trolley bus - Rapport final (en anglais) [PDF] 21'941 kB