Hibriddiagnosztika/1

Átírás

1 1 Gépjárművek üzeme I. laboratóriumi gyakorlat Hibriddiagnosztika/1 Dr. Emőd István Szerkesztette és lektorálta Dr. Varga Ferenc és Dr. Emőd István

2 2 Hibridhajtás Ez a tananyagot az Emőd-Tölgyesi-Zöldy: Alternatív járműhajtások c. könyv alapján állítottam össze, a Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó szíves hozzájárulásával. Budapesten, október 15-én Dr. Emőd István Tartalom 1. Bevezetés 2. A hibridhajtás definíciója 3. A hibridhajtások csoportosítása elrendezés szerint 31. Párhuzamos hibridrendszer 32. Soros hibridrendszer 33. Vegyes hibridrendszer 4. Csoportosítás a villamos hajtás teljesítőképességétől függően 5. A hibridhajtás villamos rendszere 51. A villamos hálózat 52. Villamos gépek 53. Átalakítók (Inverterek) 54. Energiatároló 6. Hibridstratégiák 7. A hibridhajtás értékelése 8. Néhány hibridhajtású jármű ismertetése

3 3 1. Bevezetés A hibridhajtás múltja egyidős a gépkocsiéval. Az USA-ban a századforduló éveiben még több villamos hajtású autót gyártottak, mint belsőégésű motorosat. A 100 km/h-s sebességet 1899-ben először villamos hajtású kocsi érte el. Ezidőtájt az egyszerűen kezelhető villanymotornak az akkor még nehézkes, nehezen indítható, megbízhatatlan, zajos és büdös dugattyús motorral szemben jelentős előnyei voltak ban az akkor 23 éves Ferdinand Porsche a bécsi Lohner cég részére megépítette a világ első villanymotoros elsőkerékhajtású autóját. A villanymotor a kerékagyban volt, a kocsi egy töltéssel kb. 50 km utat volt képes megtenni, csúcssebessége elérte az 50 km/h-t ban ez a jármű a párizsi világkiállítás egyik szenzációja volt. Még ugyanebben az évben elkészült ugyancsak elsőként a világon a négykerékhajtású Lohner-Porsche. Hátránya a rövid hatósugár és az 1800 kg tömegű akkumulátor volt. Már ebből a korból származik az a felismerés, hogy a villamos hajtás előnyeit kombinálni lehet a belsőégésű motoros hajtás előnyeivel. Ezért épített a kocsiba Porsche 2 darab, kb. 2 kw teljesítményű benzinmotort, melyek 1-1 dinamót hajtottak. A termelt villamos energia vagy közvetlen a villanymotorokat hajtotta, vagy az akkumulátorokat töltötte. Ez volt az első hibridhajtású jármű. A Lohner-Porsche postakocsi 1898-ból Az 1970-es években kezdődő kőolajválság, majd ezt követően az a törekvés, hogy a fejlett autóiparú országok a hagyományos olajtermelő országoktól (Közel-kelet, Szovjetunió stb.) függetlenebbé válhassanak, újabb lökést adott a hibridhajtás fejlesztésének. A fő szempont ekkor a motorhajtóanyaggal való takarékosság volt. Az 1973-as arab olajembargó idején az elszálló benzinárak és az egyre erősebb környezettudatosság még fokozottabban a hibrid járművekre irányították a figyelmet.

4 4 A távolabbi jövőben minden bizonnyal a hidrogénhajtású tüzelőanyag-cellás villamos hajtás oldja meg a kőolaj-tartalékok kimerülésével és a környezetszennyezéssel kapcsolatos problémákat. Jelenleg még azonban komoly akadályokat jelent a tüzelőanyag-cella drágasága (többszörösébe kerül, mint a dugattyús motor) és a hajtóanyag (hidrogén) előállítása és elosztása és a kocsiban való tárolása. Az alternatív motorhajtó-anyagok (biohajtóanyagok, szintetikus benzin és gázolaj stb.) mellett átmeneti megoldást jelent a hibridhajtás is. 2. A hibridhajtás definíciója A hibridhajtás két eltérő hajtásrendszer kombinációja. tehát két motor és két energiatároló Ez a gyakorlatban belsőégésű motoros és villanymotoros hajtást, tüzelőanyagtartályt és akkumulátort jelent, A hibridhajtások elrendezés, villamos teljesítmény és stratégia szempontjából különböznek egymástól A hibrid járművek csoportosítása

5 5 3. A hibridhajtások csoportosítása elrendezés szerint. Két alapváltozata a soros és a párhuzamos rendszer. Mindkettőnek vannak előnyei és hátrányai, ezeket hangolja össze a vegyes rendszer az alapváltozatok kombinációjával. Csoportosítás elrendezés szerint Párhuzamos és soros hibridrendszer

6 6 31. Párhuzamos hibridrendszer A párhuzamos hibridrendszer lényege, hogy mind a belsőégésű motor, mind a villanymotor mechanikus kapcsolatban van a hajtott kerekekkel. Ezek a rendszerek a két motoron és a két enegiatárolón (tüzelőanyag-tartály és akkumulátor) kívül egy vagy több nyomatékváltóból (bolygóműből), tengelykapcsolóból vagy szabadonfutóból állnak. A járművet mindkét rendszer külön-külön is és együttesen is hajthatja. Mivel teljesítményük összeadódik, a két motor viszonylag kis teljesítményű lehet anélkül, hogy a jármű gyorsulása vagy hegymászóképessége kívánnivalót hagyna maga után. A villamos hajtás általában a városi forgalomnak megfelelően van kialakítva (kisebb távolságok, emissziómentes üzem), míg a belsőégésű motort a távolsági közlekedésben, autópályán használják. A két motor teljesítménye közvetlenül (nyomatékösszegző hibrid), bolygómű vagy fogaskerekes nyomatékváltó közvetítésével (fordulatösszegző hibrid), vagy az útra kifejtve (vonóerő-összegző hibrid) adódhat össze. Ez utóbbi az a speciális megoldás, ahol pl. a belsőégésű motor az első kerekeket, míg a villanymotor a hátsó kerekeket forgatja. Párhuzamos hibridrendszerek változatai

7 7 32. Soros hibridrendszer A soros hibridrendszer lényege, hogy a belsőégésű motor nincs közvetlen mechanikus kapcsolatban a hajtott kerekekkel. A belsőégésű motor generátort hajt, melynek árama egyrészt a villanymotort hajtja, másrészt energiatárolót (akkumulátort) tölt. Egyes megoldások egy villanymotorral és differenciálművel, mások két villanymotorral vagy kerékagymotorral hajtják a kerekeket. A generátor és az akkumulátor méretezése olyan, hogy megfelelő hálózati függetlenség, hatósugár és menetteljesítmény álljon rendelkezésre. A két villamos gép (generátor és villanymotor) többletköltségét kompenzálhatja a sebességváltó elmaradása. A mechanikus kapcsolat hiánya miatt a gépegységek elrendezése tetszőleges lehet. A villamos hajtás méretezésénél azt kell szem előtt tartani, hogy teljesítménye és nyomatéka a jármű teljes gyorsításához és/vagy hegymászóképességéhez is elegendő legyen. Ez volt az oka annak, hogy a 70-es és 80-as években főként párhuzamos elrendezésekkel próbálkoztak, hiszen megfelelő nagyteljesítményű és jó hatásfokú villamos gépek még nem álltak rendelkezésre. A belsőégésű motor és a hajtott kerekek függetlensége lehetővé teszi, hogy a belsőégésű motor állandó fordulaton forogjon és az átlagos teljesítményszükségletet elégítse ki, vagy pl. fogyasztás szempontjából optimális jelleggörbe mentén dolgozzon. Az erőltetett motorüzem és a dinamikus folyamatok elmaradása károsanyag-kibocsátás szempontjából kedvező. A villanymotor fokozatmentes erőátvitele a vezetési kényelemérzetet növeli, ugyanakkor azonban a belsőégésű motor járműsebességtől független állandó fordulatszámának zajszintje szokatlan és zavaró lehet. Hátrányos a soros hibridhajtásnál a kettős energiaátalakítás (mechanikai villamos mechanikai energia) rontja a hatásfokot. Az akkumulátor teljesítményhiánya szükségesé teheti a változó fordulatszámú motorüzemet is, hogy a motor a gyorsuláskor vagy hegymenetben a nagyobb teljesítményigényt is kielégítse. Ez csökkentheti az emissziós és fogyasztási előnyöket, és lehetetlenné teheti az egyszerű motorvezérlést, az állandó fordulatszámot. 33. Vegyes hibridrendszer A párhuzamos és soros hibridhajtás keveréke a vegyes hibrid két alfaja: a kombinált és a teljesítményelágazásos hibrid hajtásrendszer A kombinált rendszer a soros hibridre hasonlít, azzal a különbséggel, hogy a belsőégésű motor nyomatéka egy tengelykapcsoló zárásával közvetlenül is eljuttatható a jármű kerekeihez. Ez bizonyos üzemállapotokban (pl. autópályán, nagysebességű haladáskor) jobb összhatásfokot eredményez. Emellett, bekapcsolt tengelykapcsolóval mindkét villamos gép villanymotorként működhet hasonlóan, mint a párhuzamos hibridnél és rövid időre a csúcsteljesítményt megnövelheti. A jobb hatásfok és a nagyobb csúcsteljesítmény van a mérleg egyik tányérjában, a tengelykapcsoló többletköltsége és a bonyolultabb üzemeltetési stratégia a másikban.

8 8 Emellett még hátrány lehet, hogy a belsőégésű motor és a generátor elhelyezésének szabadságáról is le kell mondanunk. A teljesítményelágazásos hibridek bonyolultabbak, mint a korábban említettek. Ezeknél a belsőégésű motor teljesítménye egy bolygóműben kétfelé ágazik. Az egyik rész mechanikus úton hajtja a járműkerekeket, másik rész viszont két villamos gép (egyikük generátorként, másikuk villanymotorként üzemel) közvetítésével jut el a kerekekhez, vagy tölti az akkumulátort. A bolygómű és a villamos gépek fokozatmentes sebességváltóként működnek, egyéb sebességváltó nincs a kocsiban. A kombinált és a teljesítményelágazásos vegyes hibrid elrendezés

9 9 4. Csoportosítás a villamos hajtás teljesítőképességétől függően. Lehetséges üzemmódok a villamos gép teljesítményétől függően A legkisebb villamos teljesítményű (kis villanymotor, kis kapacitású akkumulátor) párhuzamos hibridhajtásokat mikrohibridnek (indítómotor/generátor hibridnek) nevezik. A villanymotor jellegzetes teljesítménye 3 7 kw/t. Ezeknél általában a villamos gép amely az indítómotor és a generátor szerepét egyaránt betölti még hagyományos módon közvetve, tehát ékszíjjal kapcsolódik a belsőégésű motorral. Az elérhető fogyasztásmegtakarítás a hagyományos hajtáshoz képest 5 10%. Valamivel nagyobb villamos teljesítőképességű kb. 14 kw/t fajlagos villanymotor-teljesítményig a mildhibrid (gyenge hibrid). Ezeknél és a további megoldásoknál a villanymotor már közvetlenül csatlakozik az erőátviteli lánchoz. Az elérhető fogyasztásmegtakarítás a hagyományos hajtáshoz képest 10 15%. Még nagyobb villamos teljesítményűek a medium (közepes) hibridek, 15 20% megtakarítási lehetőséggel. 20 kw/t fajlagos villanymotor-teljesítmény felett vannak a fullhibrid (teljes hibrid) rendszerek, amelyek már hosszabb-rövidebb utakat is képesek belsőégésű motor nélkül, tisztán villamos hajtással megtenni. Ezekkel már 30% megtakarítás is elérhető.

10 10 A különböző hibridváltozatokkal elérhető szén-dioxid és fogyasztáscsökkenés a többletköltségek függvényében 5. A hibridhajtás villamos rendszere A hibridhajtások villamos rendszere villamos hálózatból, a villamos gép(ek)ből (motor, generátor), energiatárolókból és a vezérlő egységből tevődik össze. 51. A villamos hálózat A gépjármű villamos rendszere energiatermelők és -fogyasztók összetett hálózata. A motorhajtóanyag energiáját nem csak a jármű mozgási energiájává, hanem villamos energiára is át kell alakítani. Egyre több villamos energiára van szükség, hiszen a tendencia az, hogy az eddig a motorról mechanikusan (pl. ékszíjjal) hajtott segédberendezéseket egyre többször villanymotor működteti. Ez a folyamat a tápszivattyú és a hűtőventillátor hajtásával kapcsolatosan már évtizedekkel ezelőtt lejátszódott, ma már a kormányszervo szivattyúját is egyre gyakrabban villanymotor hajtja. És egyre többet hallani a hűtőfolyadék-szivattyú, az olajszivattyú stb. villamos hajtásáról, sőt a motor szelepeinek elektromágneses mozgatásáról is. A villamos hajtás célja elsősorban energiamegtakarítás (a villamos hajtással könnyen megoldható, hogy a szerkezet csak akkor és annyira működjön, amikor szükséges), de az sem elhanyagolható, hogy az üzembiztonság szempontjából leggyengébb láncszemnek számító ékszíjhajtások lekerüljenek a motorról. Tovább növeli a villamosenergia-igényt a belsőégésű motorok egyre kisebb fogyasztása. A korszerű turbodízelmotorok veszteséghője már annyira kevés, hogy az már az utastér fűtésére, a szélvédő párátlanítására sem elegendő. Ezt is villamos energiának kell végeznie. Így azután gyorsan eléri a jármű fogyasztása azt a 10 kw-os határértéket, amely felett már a 42 voltos hálózat is gazdaságtalan a nagy vezeték-keresztmetszetek és nehéz motorok miatt.

11 11 A 14 V-os hálózat legfeljebb a mikrohibrid rendszerekben használható. A mildhibrideknél már a 14 és 42 V-os kettős feszültségű rendszerre vagy teljesen 42 V-os rendszerre van szükség. A még nagyobb villamos teljesítményű fullhibridek hajtómotorjai már 500 V, sőt 650 V-os feszültséggel is működnek, ehhez ismét kettős feszültségű rendszereket (14 volt és nagyfeszültség, 42 volt és nagyfeszültség, vagy két nagyfeszültség (200 és 500 V) rendszereket használnak 14 és 42 voltos kétfeszültségű rendszer Nagyfeszültségű kettős rendszer 52. Villamos gépek (motor, generátor) A villamos gépek általános előnye, hogy nyomatékuk kis fordulaton nagy. A villamos gépek különbözőek lehetnek. Leggyakrabban háromfázisú gépeket használnak, mind szinkron, mind aszinkron változatban, mert ezek hatásfoka jobb. Különösen jó hatásfokú az állandó gerjesztésű gép, ezek állandó mágnesei azonban meglehetősen drágák. A villamos gép amely a belsőégésű motor indítására (indítómotor), áramtermelésre (generátor) és járműhajtásra (villanymotor),

12 12 fékenergia-visszatáplálásra és a motorüzem egyenletességének szabályozására egyaránt szolgálhat a hajtóműlánc legkülönbözőbb részein helyezkedhet el. Csatlakozhat hagyományos módon ékszíjjal a belsőégésű motor főtengelyéhez (a mikrohibrideknél), lehet egybeépítve a tengelykapcsolóval, Tengelykapcsolóval egybeépített villamos gép csatlakozhat peremesen a sebességváltóhoz, van sebességváltóval integrált megoldás, Sebességváltóba épített villamos gép lehet a hátsóhíd előtt a jármű hossztengelyében (ekkor differenciálmű osztja szét a nyomatékát a két féltengelyre), de hajthatja a féltengelyeket különkülön is.

13 13 Egy kereket hajtó villamos motor, bolygóműves lassító áttétellel Különleges kivitelű a kerékagymotor (a kerékagyba épített villamos gép). A külön-külön kerékhajtás előnye, hogy nincs a rendszerben hajtómű és differenciálmű, egyszerűen megoldható az összkerékhajtás, sőt, a villamos gép maga képes ellátni blokkolásgátló (ABS), kipörgésgátló (ASR) és menetstabilitásnövelő (ESP) beavatkozásokat. Kerékagymotor 53. Átalakítók (inverterek) A hibrid járművek jellegzetesen váltakozó áramú villamos gépei (motor, generátor) és az egyenáramú energiatárolók (akkumulátorok) ellentmondásai átalakítókkal (inverterekkel) hidalhatók át. Az AC/DC átalakító a generátor által termelt váltakozó feszültséget az akkumulátor töltésére alkalmas egyenfeszültséggé alakítja -- és fordítva: az akkumulátor által tárolt egyenáramból a váltakozó árammal működő hajtómotor részére váltakozó feszültséget állít elő. A DC/DC átalakító a kétfeszültségű rendszerekben pl. a 42 V-os egyenfeszültséget 14 V-os egyenfeszültséggé alakítja (és vissza).

14 Energiatároló A megfelelő tároló kiválasztásához fontos szempont - a teljesítménysűrűség -- kw/l vagy kw/kg, - az energiasűrűség (kw h)/l vagy (kw h)/kg, - a kisütési/feltöltési ciklusok száma - az élettartam, - a hatásfok %, - az önkisülés mértéke %/nap, - a környezetbarátság (gyártás, üzemeltetés, újrafeldolgozás), - a beszerzési ár és - az előfordulás (rendelkezésre állás). A teljesítménysűrűségtől függ a jármű dinamizmusa. Az energiasűrűség szabja meg, hogy mekkora utat képes a jármű tisztán villamos hajtással tehát emissziómentesen megtenni. akkumulátor energiasűrűség W h/kg W h/l W/kg W/l teljesítménysűrűség ciklusszám élettartam év ár EUR/ (kw h) ólomakkumulátor > * nikkelkadmium nikkelfémhidrid nátriumnikkelklorid * 5-10* 225* * * lítium-ion kb * 275* lítium-polimer kb < <225* cink-levegő kb * célértékek Teljesítménysűrűség és energiasűrűség szempontjából egyaránt kedvező a nikkelalapú, pl. a nikkel-kadmium vagy nikkel-fémhidrid akkumulátor. Az ólomakkumulátor olcsósága és rendelkezésre állása miatt lehet versenyben.

15 15 A magas üzemi hőmérsékletű rendszerek, mint pl., a nátrium-nikkelklorid akkumulátor, C ha egyáltalán soros hibrideknél jöhetnek szóba. Kettősfalú termoszedénnyel a hőveszteség korlátozható, üzemi hőmérséklete fenntartásához fűtésre és hőmérsékletszabályozásra van szükség. 6. Hibridstratégiák A hibridautók működhetnek tisztán villamos, csak belsőégésű motoros, valamint villamos és belsőégésű motoros (azaz hibrid-) hajtással. A hibridstratégia ezeknek az üzemmódoknak a logikus időbeli sorrendjét szabja meg, vagyis azt, hogy mikor, milyen üzemmódban működjék a hibridjármű. Az egymástól lényegesen különböző soros és párhuzamos hibridrendszerek stratégiája is eltér egymástól. A soros hibrideknél a csak villamos és a hibrid üzemmód lehetséges. Legegyszerűbb esetekben a gépkocsivezető a műszerfalon lévő üzemmódkapcsolóval választ. A párhuzamos hibrideknél választani lehet a csak villamos, a csak belsőégésű motoros, és a hibrid üzemmód között. A hibridstratégia célja az, hogy a jármű mindig optimális (tehát a legkisebb tüzelőanyag-fogyasztású, legkisebb károsanyag-kibocsátású stb.) hajtáskombinációval üzemeljen. Számos további stratégiacél is van: a jármű zajcsökkentése, jobb gyorsulása. Külön figyelembe kell venni az akkumulátor töltöttségi szintjét is. Számtalan hibridstratégia létezik. Ezek közül példaképpen hármat szemléltetünk. Soros hibridhajtás stratégia

16 16 Párhuzamos hibridhajtás stratégiája Vegyes hibridhajtás stratégiája

17 17 7. A hibridhajtás értékelése Az elmúlt években csak a Toyotának és a Hondának sikerült jelentősebb darabszámban hibridautót értékesíteni. A közelmúltban további gyártók (Ford, Daimler-Chrysler, General Motors stb.) is megjelentek a piacon, mások a sorozatgyártás közeli beindítását ígérik. A hibridautók tehát feljövőben vannak. Egyes becslések szerint 2009 és 2012 között világszerte 1 6% lesz a hibridautók részaránya, 2015-re részarányuk elérheti a 10 15%-ot is. Japánban és az USA-ban, ahol kevés dízelmotoros személygépkocsi fut, és a hibridautók jelentős állami támogatásban vagy adókedvezményben részesülnek, a hibridautók aránya viszonylag nagy, míg Európában egyelőre kevés hibridautót adtak el. A személygépkocsi hibridautók menetdinamikája jó, mert a villanymotor nagy nyomatéka gyorsításkor jelentős segítséget jelent. A hibridautó beszerzési ára nagyobb, üzemeltelési költségei kisebbek, mint a hagyományos járművé. A hibridautó fogyasztása és károsanyag-kibocsátása az üzemeltetés körülményeitől függ. Legnagyobb előnyök a városi közlekedésben adódnak, pl. városi buszoknál, áruelosztó tehergépkocsiknál, és taxiknál. Az átlagsebesség növekedésével távolsági forgalomban a hibridhajtás előnyei egyre kisebbek. Mérések szerint a hibridhajtású személygépkocsi 60 km/óra alatt jelentősen kevesebbet fogyaszt, mint a hasonló menetteljesítményű hagyományos gépkocsi, e felett már csak alig kedvezőbb, és 150 km/óra felett már többet fogyaszt, mint a hagyományos hajtású jármű.

18 8. Néhány hibridhajtású jármű 18

19 19

20 20

21 21