Un sistem de transport public urban modern, electric, dar cu adevărat revoluționar, în care energia nu este stocată în acumulatori clasici, ci în supercondensatoare capabile să se încarce complet în mai puțin de un minut, este una dintre cele mai recente și spectaculoase propuneri ale cercetătorilor de la Universitatea Politehnica Timișoara. Proiectul aparține colectivului din cadrul Centrului de Cercetare pentru Conversia Energiei și Controlul Stocării (CICSE) și a fost recent validat la cel mai înalt nivel academic prin acordarea Premiului „Constantin Budeanu” al Academiei Române, la Secțiunea de Științe Tehnice.
Distincția a revenit șefului de lucrări dr. ing. Adrian-Daniel Martin și dr. ing. Liviu-Dănuț Vitan, cadru didactic asociat, membri ai Departamentului de Inginerie Electrică al Facultății de Inginerie Electrică și Energetică, pentru grupul de lucrări intitulat „Contribuții la modelarea și testarea acționărilor motoarelor și generatoarelor electrice în vederea îmbunătățirii performanței”. Premiul reprezintă o recunoaștere nu doar a valorii unei cercetări punctuale, ci și a nivelului de maturitate, coerență și relevanță internațională pe care cercetarea din UPT îl atinge astăzi.
Articolul care a stat la baza acordării premiului a fost publicat în prestigioasa revistă IEEE Transactions on Industry Applications, una dintre cele mai importante publicații științifice din lume în domeniul ingineriei electrice și al aplicațiilor industriale. El reflectă o activitate de cercetare desfășurată pe parcursul mai multor ani, susținută de numeroase alte lucrări indexate în baza de date IEEE Xplore, care îmbină riguros analiza teoretică, simularea numerică și validarea experimentală.
Un autobuz electric fără baterii: energia stocată în supercondensatoare
Ideea centrală a cercetării este propunerea unei noi configurații de propulsie electrică pentru un microbuz destinat transportului public urban, în care energia electrică nu este stocată în baterii litiu-ion, ci în supercondensatoare. Acestea au avantajul unei densități de putere foarte mari, ceea ce permite încărcări extrem de rapide – sub un minut –, exact în intervalul de staționare în stații.
Configurația a fost analizată riguros, la scară 1:1 prin simulări numerice complexe și la scară 1:20 prin experimente de laborator realizate pe un stand de testare construit special pentru acest scop.
Pentru a asigura realismul maxim al rezultatelor, cercetarea a inclus un studiu de caz desfășurat în Timișoara, pe traseul real al liniei de troleibuz 16. Au fost utilizate profile reale de viteză și accelerație, obținute în diferite condiții de trafic, încărcare cu pasageri și condiții meteorologice. De asemenea, s-au folosit datele constructive ale unui microbuz real, Mercedes Sprinter City 75, special proiectat pentru transport public.
Rezultatul este o demonstrație solidă a fezabilității acestui concept: energia stocată în supercondensatoare a fost suficientă pentru parcurgerea întregului traseu fără reîncărcare intermediară, ceea ce face posibilă încărcarea doar la capetele de linie, folosind stațiile de curent continuu de 50 kW deja existente pentru vehiculele electrice.
O soluție nu doar inovatoare, ci și economic viabilă
Cercetarea nu s-a limitat la performanța tehnică, ci a inclus și o analiză economico-financiară comparativă între soluția bazată pe supercondensatoare și varianta clasică bazată pe baterii litiu-ion, pe întreaga durată de exploatare a vehiculului.
Concluzia este remarcabilă: soluția propusă de cercetătorii UPT conduce la costuri finale cu aproximativ 35% mai reduse, chiar și după aplicarea unor coeficienți de risc și luând în considerare prețurile actuale de pe piață. Singurul compromis este o ușoară reducere a capacității de transport, de la 27 la 24 de pasageri, cauzată de masa mai mare a supercondensatoarelor – un compromis considerat acceptabil în raport cu avantajele energetice și economice obținute.
Inovație în motorizare și electronică de putere
Pentru tracțiunea electrică, cercetarea propune un motor sincron inovator, cu magneți permanenți interiori de tip bonded NdFeB și bariere de flux, care oferă costuri mai reduse de fabricație, pierderi mai mici prin curenți turbionari, un factor de putere crescut, un domeniu extins de funcționare la putere constantă, posibilitatea cuplării directe la transmisia microbuzului, fără cutie de viteze intermediară.
Motorul a fost realizat în România, la ICPE București, iar convertorul bidirecțional de mare raport de conversie, esențial pentru transferul de energie între supercondensatoare și invertor, a fost proiectat și fabricat direct în laboratorul UPT.
Pentru controlul sistemului s-au implementat strategii avansate: control îmbunătățit al invertorului pentru reducerea riplurilor de curent, recuperarea energiei la frânare fără componente suplimentare, posibilitatea descărcării supercondensatoarelor până la 25% din capacitate, fără supradimensionarea inutilă a convertoarelor.
Validarea experimentală a fost realizată pe un stand complex, care a integrat echipamente industriale (motoare, invertoare, PLC-uri, traductoare) cu componente dezvoltate special pentru proiect. Întregul sistem a fost testat atât în regim stabilizat, cât și în regim tranzitoriu, demonstrând robustețea soluției.
De la articol științific la aplicație reală: proiectul ECON-BUS
Lucrarea premiată reprezintă materializarea științifică a proiectului experimental demonstrativ ECON-BUS – „Sistem de conversie a energiei pentru un autobuz/microbuz electric pentru transport urban, cu stocare în supercondensatoare şi acţionare electrică cu densitate foarte mare de putere”.
Proiectul a fost finanțat de la bugetul de stat cu suma de 599.900 lei și s-a derulat pe o perioadă de 18 luni, având ca obiectiv dezvoltarea unui model experimental de laborator pentru un sistem de transport urban revoluționar.
Conceptul ECON-BUS aduce laolaltă motorizare electrică de înaltă densitate de putere, electronică de putere avansată, bazată pe tehnologii SiC și GaN, convertoare hibride pentru managementul inteligent al energiei, posibilitatea unei încărcări ultra-rapide, perfect adaptate dinamicii transportului urban.
Direcții de viitor: spre o mobilitate sustentabilă și digitalizată
Privind spre viitor, echipa de cercetare din cadrul CICSE și UPT își propune să extindă frontierele cunoașterii în următoarele direcții strategice:
- Sisteme de Tracțiune Ultra-Eficiente – dezvoltarea de noi topologii de mașini electrice cu densități de putere și mai ridicate, optimizate pentru noua generație de vehicule autonome și urbane;
- Integrarea Electronicii de Putere de Tip “Wide Bandgap” – extinderea utilizării componentelor pe bază de SiC și GaN pentru a crea convertoare statice ultra-compacte, capabile să funcționeze la frecvențe înalte cu pierderi minime;
- Management Energetic Hibrid Inteligent – perfecționarea algoritmilor de control pentru sisteme de stocare hibride (baterii + supercondensatoare), asigurând o durată de viață mai lungă a unităților de stocare și o încărcare ultra-rapidă;
- Digitalizarea și Mentenanța Predictivă – implementarea unor soluții de monitorizare avansată și diagnostic digital pentru marile acționări electrice industriale, contribuind astfel la eficiența energetică globală și la reducerea amprentei de carbon.