1. Bevezetés (az elektromos és hibrid meghajtású járművek története, jelene) Az elektromos meghajtású járművek... 6

Átírás

1

2 Tartalom 1. Bevezetés (az elektromos és hibrid meghajtású járművek története, jelene) Az elektromos meghajtású járművek Az elektromos meghajtás szerkezeti elemei: Az elektromos rendszerek működési alapelvei: Az elektromos autók hajtómotorjai: Működésük: Teljesítményük: Szabályozásuk: Gyakorlati megvalósítások: Értékelés: A hibrid meghajtású járművek A hibridrendszerek szerkezeti elemei: Hibridrendszerek működési alapelvei: Párhuzamos hibridhajtások: Soros hibridhajtások: Vegyes hibridhajtások: A hibridrendszerek hajtómotorjai: A belsőégésű motor és a villanymotor teljesítményének aránya: A belsőégésű motor: A villamos gép: Gyakorlati megvalósítások Hibridhajtások értékelése Felhasznált irodalom:

3 1. Bevezetés (az elektromos és hibrid meghajtású járművek története, jelene) Az elektromos áramot, mint üzemanyagot, már a kezdetektől fogva alkalmazták a járműiparban. A XX. század derekán még jelentős szerepet játszott a járműhajtások között, köszönhetően az akkori hagyományos, belsőégésű motorokkal szembeni számtalan előnyének. Ilyen például a viszonylagos egyszerűség, csendesség, megbízhatóság, tisztaság. A 100 km/h álomhatárt is villamos meghajtású járművel lépték át 1899-ben. Ebben a korban fogalmazódott meg azon gondolat is, mely a belsőégésű motor és a villamos hajtás előnyeinek ötvözésére törekedett, hogy kiküszöböljék a különböző hajtásmódok hátrányait. 1A világ első, elektromos meghajtású járművét, a német Ferdinand Porsche építette meg 1898-ban. Az autó mozgatásáról az első tengely kerékagyaiban elhelyezett két villanymotor gondoskodott. Hatótávolsága elérte az 50 km-t, csúcssebessége pedig az 50 km/h-t. Ezen korai, elektromos meghajtású járműveknél hatalmas problémát okozott az akkumlátorok nagy tömege, illetve az igen csekély hatótávolság. A megoldást, az 1900-ban megépült, a világ első hibridhajtású autója jelentette, mely ötvözte a belsőégésű motorok és a villanymotorok előnyeit. Az autó mozgatásáról 2 darab, 2 kw teljesítményű benzinmotor gondoskodott, melyek egy-egy dinamót hajtottak, így állítva elő elektromos áramot, melyek vagy a villanymotorokon keresztül az autó meghajtásáról gondoskodtak, vagy a már csökkentett kapacitású, ezáltal könnyebb akkumlátorokat töltötték. (1. ábra) A század elején mind az USA-ban, mind Európában megindult az elektromos és hibrid gépjárművek gyártása, az USA-ban a General Electric, Németországban a Siemens, Franciaországban pedig a Paris Electric Car Company volt a legnagyobb gyártó. A termék paletta nem csak a személygépjárművekre korlátozódott, hanem kiterjedt a haszongépjárművekre is, például az áruszállítókra, taxikra és a 1. ábra: A világ első hibride 1 buszokra is. 1 Forrás: 3

4 2A személyszállítást először Bécsben próbálták hibrid meghajtású járművekkel lebonyolítani. Itt debütáltak az első Mercedes Mixte hibrid taxik (2. ábra), melyek 1906-tól léptek az utazóközönség szolgálatba. Meghajtásukról 20 kw leadására képes benzinmotor gondoskodott. A benzinmotor által hajtott generátor állította elő a szükséges elektromos áramot, mely táplálta, az első kerekekben lévő, 4,7 kw maximális teljesítményű agymotorokat. A hibridrendszer alapjai a Porsche szabadalmára épültek. A hibridek megjelentek a tömegközlekedésben is, hibrid buszok formájában, melyek Bécsben és Londonban szolgáltak. A hibridrendszerek, valamint az elektromos meghajtások fejlődését, a belsőégésű motorok robbanásszerű térhódítása törte meg, mely elsősorban az új fejlesztéseknek volt köszönhető. Nem csak a korábbi hátrányaikat sikerült kiküszöbölni, hanem jelentősen sikerült javítani mind a teljesítményüket, mind a tüzelőanyag 2. ábra: Mercedes Mixte 2 fogyasztásukat. Kezelésük egyszerűsödött, megbízhatóságuk nagymértékben megnőtt. Mindez ahhoz vezetett, hogy 1920 és 1965 között a villamos- és hibridhajtású gépjárművek termelése szinte teljesen megszűnt, kizárólag kis műhelyekben, autóépítő manufaktúrákban voltak fellelhetőek. 3A világ figyelme először 1966-ban terelődött újra az elektromos és hibrid járművek irányába, amikor az Egyesült 3. ábra: GM Államok Kongresszusa villamos autók használatát kezdte szorgalmazni, ezzel akarván gátat szabni az egyre növekvő légszennyezésnek. Számos program indult, melyek a hibrid és elektromos gépjárművek fejlesztését tűzték ki célul. Egy ilyen program keretében született meg 1969-ben a GM 2 Forrás: 3 Forrás: 4

5 512-es hibridautója (3. ábra), mely 16 km/h-s sebességig tisztán elektromosan képes volt üzemelni. A fejlődést az 1970-es években kezdődő kőolajválság, valamint az ebből adódó, függetlenedési kényszer az olajtermelő országoktól is nagymértékben elősegítette. A végső lökést az 1973-as arab olajembargó jelentette, melynek következtében az üzemanyagárak soha nem látott magaslatokba ugrottak. Ennek következtében újra előtérbe helyeződtek az elektromos és hibrid meghajtású járművek, amelyek segítségével a tüzelőanyag fogyasztást szerették volna minél nagyobb mértékben csökkenteni. Ennek köszönhetően az USA kormánya nagyszabású beruházásokba kezdett. Az Egyesült Államok Energetikai Hivatala számos fejlesztési programot folytatott különböző gyártókkal, köztük a Volkswagennel ban újabb lökést adtak a hibrid és villamos meghajtású járművek fejlesztésének, amikor is az Egyesült Államok Kutatási és Fejlesztési Hivatala állami támogatású programba kezdett, melynek célja az elektromos és hibrid technológia továbbfejlesztése volt, azon belül is az akkumlátorok, motorok és az elektronikus vezérlések teljesítményének, hatásfokának javítása. A General Motors, mint egy 20 millió dollárt ölt a fejlesztésekbe a 80-as évek derekán ben az Egyesült Államok Akkumlátorfejlesztő Konzorcium (USABC) Energiaprogram Részlege csak nem 90 millió dollárt invesztál a nikkel-fémhibrid (NIMH) akkumlátorok továbbfejlesztésébe. Ennek köszönhetően az akkumlátorok háromszor annyi töltési ciklust bírnak ki, valamint 0 o C alatt is jobban működnek, mint elődjük, az ólomakkumlátor. A kőolajválság megszűnését követően, az 1980-as évek közepén ismét előtérbe került a légszennyezés, valamint az egészségre káros gázok kibocsájtásának csökkentése. Így a fejlesztések már nem csak a tüzelőanyag fogyasztás csökkentésének irányába, hanem a szén-dioxid kibocsájtás mértékének visszaszorításának irányába is elmozdult. Ehhez hozzájárultak az USA új, igen szigorú 4. ábra: Toyota Prius környezetvédelmi törvényei is, melyek évről évre egyre nagyobb hányadban követelték meg a károsanyag-kibocsátás mentes (ZEV), valamint a kis és rendkívül kis károsanyag-kibocsátású (LEV és ULEV) járművek forgalomba helyezését a gyártóktól. 5

6 4Ezt követően, a nagy autógyártók sorban jelentek meg a piacon hibrid modelljeikkel, felismerve a piac igényeit, az új piaci rést ben megszületett a világ legnépszerűbb és legismertebb hibrid autója, a Toyota Prius (4. ábra), mely képes tisztán elektromos üzemre is. Az első évben csak nem darab talált gazdára. Azonban a forgalmazása csak 2000-ben indult meg az USA-ban ben a Honda piacra dobja az egyik legalacsonyabb fogyasztású autót, az Insightot, mely meghódítja az USA piacát, számos elismerést begyűjtve. Fogyasztása mindössze 3,82 l/100 km városi forgalomban. A hibridautók piaca folyamatosan nő, egyes elemzők szerint 2015-re az USA járműparkjának mintegy 18%-a környezetkímélő üzemű lesz. Számos kísérlet folyik továbbra is a tisztán elektromos üzemű járművekkel, azonban a konstrukciójuk igen sok problémával küzd. A problémák középpontjában továbbra is az akkumulátorok állnak, melyeknek sem kapacitásuk, sem súlyuk, sem töltési idejük nem megfelelő ahhoz, hogy nagyobb szériában építsék őket be a gépjárművekbe. Problémát jelent még a súly kérdése is, mivel a járműnek kellőképpen könnyűnek kell lennie, hogy az akkumlátorok megfelelő hatótávolságot biztosítsanak. Ez nem könnyű, tekintve, hogy maradéktalanul meg kell felelniük a kor biztonsági és kényelmi elvárásainak. A világ egyre inkább a környezettudatos közlekedés fele mozdul el, melynek megfelelő alternatívája lehet a hibridrendszerek alkalmazása. A hibrid járművek piaca folyamatosan bővül, sorba jelennek meg újabb és újabb modellek. Kérdés, vajon sikerül-e a fosszilis energiahordozóval üzemelő belsőégésű motort, környezetbarátabb, valamint nagy mennyiségben rendelkezésre álló, előállítható üzemanyaggal működő motorral kiváltani? 2. Az elektromos meghajtású járművek 2.1 Az elektromos meghajtás szerkezeti elemei: Az elektromos meghajtású gépjárművek nagyban különböznek a hagyományos, belsőégésű motorral hajtott gépjárművektől. A belsőégésű motor helyét egy elektromotor veszi át, a hozzá tartozó vezérlő elektronikával. Ezen motorok sokfélék lehetnek, számuk is változhat. Lehetnek egymotorosak, többmotorosak, illetve kerékagymotorosak. Ezen motor/motorok fix áttétellel csatlakoznak a kerekekhez, sebességváltó nem kerül beépítésre. A kerékagymotoros gépjárműveknél differenciálmű sem kerül alkalmazásra. 4 Forrás: 6

7 Az elektromotorok táplálására különböző energiatárolókat alkalmaznak. Amennyiben az energiatárolók akkumulátorok, abban az esetben újratölthetőek, ehhez egy invertert és egy töltőt is beépítenek a gépjárműbe. A gépjárművek általában már a jóval drágább, hatékonyabb, lítium-ion típusú akkumlátorokkal vannak felszerelve, mivel ezek energiasűrűsége jóval nagyobb. Korábban az ólom-savas, majd a nikkel-fém hibrid akkuk terjedtek el. Előfordul még a különböző megoldások ötvözése is, hogy menet közben is tölthessék az energiatárolókat (például napelemek alkalmazása). A leggyakoribb energiabiztosítók: Tüzelőanyag-cellás táplálást (FCEV) 5. ábra: I-MIEV rendszer felépítése (Mitsubishi) 5 Akkumlátoros táplálást (BEV) Ultrakapacitásos táplálást (UCAP-EV) Napelemes táplálást (SEV) Soros hibrid táplálást (SHEV), ahol a belsőégésű motor aggregátként funkcionál. Az elektromos meghajtású gépjárművek felépítése sokféle lehet (5. ábra), a motorok, az akkumlátorok, az inverter, a töltő illetve az ezekhez tartozó elektromos rendszer 5elhelyezése szinte tetszőleges, kizárólag az esetleges differenciálműre kell figyelni, mivel az közvetlen mechanikai kapcsolatban van a kerekekkel, míg az elektromos rendszer többi eleme, kizárólag villamos kapcsolat útján kapcsolódik. A hagyományos gépjárművekből kialakított elektromos autóknál általánosan elmondható, hogy igyekeznek a felszabadult motorteret minél jobban kihasználni, hogy az utas, illetve csomagtérből minél kevesebb helyet kelljen feláldozni. 5 Forrás: 7

8 2.2 Az elektromos rendszerek működési alapelvei: 6Az elektromos autók működési alapelve nagyban hasonlít a hibridrendszerek működési alapelvéhez, mivel a cél azonos, az akkumlátorok töltöttségi szintjének minél magasabb szinten való tartása. Az akkuk által szolgáltatott energiát a villamos motorok mechanikai energiává alakítják, amit a kerekek felé továbbítanak. Regeneratív fékezés (6. ábra) során az elv megfordul, a mechanikai energiát a villamos motor visszaalakítja elektromos árammá és azt az akkumlátorok töltésére fordítja. Jobb hatásfokkal dolgoznak az úgynevezett kerékagymotoros megoldások, mivel itt kisebb mechanikai veszteségek lépnek fel a differenciálmű hiánya miatt. Ezen megoldások kevesebb helyet foglalnak és súlyuk is sokkal kedvezőbb. 6. ábra: Elektromos autó működési alapelve Az elektromos autók hajtómotorjai: A villamos járműhajtásokban alkalmazott hajtások igen sokfélék lehetnek, ezekből a leggyakoriabbak: Egyenáramú gépes hajtás. Mezőorientált szabályozású aszinkrongépes hajtás, mezőgyengítéses üzemi tartománnyal. Kommutátor nélküli, egyenáramú hajtás, négyszögmezős indukció-eloszlású állandómágneses forgórésszel. Szinusz mezős indukció-eloszlású állandó mágneses forgórészű szinkrongépes hajtás, áramvektor szabályozással, normál és mezőgyengítéses üzemi tartománnyal. Kapcsolt reluktancia-motoros hajtás. Az elektromos autókban megtalálható, villamos motoroknak meg kell felelniük több szempontnak is: Megfelelő vonóerő biztosítása indításkor 6 Forrás: 8

9 7Megfelelő teljesítmény-tartó szakasz, a motor jó kihasználása nagy sebességnél. Ezen feltételek akkor teljesülnek, amennyiben a motor megfelel az F-v vontatási jelleggörbének (7. ábra) Működésük: 7. ábra: M-W jelleggörbe 7 Az egyenáramú motorok működési elve a 8. ábrán látható. A motorban állandó mágnesek találhatóak, melyek között egy tekercs található. Ahhoz, hogy a vezetékek által alkotott hurok, forgásba jöjjön, egyenáramot kell a két végére kapcsolni, úgy hogy a vezeték saját tengelye körül elfordulhasson. Ehhez kommutátorra van szükségünk, melyekhez keféket kapcsolunk, melyek biztosítják az állandó kapcsolatot a hurok és az áramforrás között. Fontos tudnunk, hogy a nyomaték fordítottan arányos a motortengely sebességével. 8. ábra: Egyenáramú motor működési alapelve 8 A nagyobb teljesítmény eléréséhez már külső gerjesztésű villanymotorokat használnak, melyek lényege, hogy már nem állandó mágneseket alkalmaznak, hanem az állórész mágneses mezejét is tekercsekkel hozzák létre. 7 Forrás: Vincze Gyuláné: Hibrid és villamos járművek, autók villamos hajtásai. 8 Forrás: 9

10 9 Háromféle kapcsolás létezik, ezek a mellékáramkörű, főáramkörű és vegyes áramkörű. A kapcsolások közötti különbség abból adódik, hogy a terhelés hatására hogyan változik a motortengely fordulatszáma. A mellékáramkörű motoroknál ez állandó, a főáramkörűeknél a fordulatszám terhelés hatására csökken, míg a vegyes kapcsolásúnál pedig változhat, attól függően, milyen kombinációban működik. A váltakozó áramú motoroknak három fő változata van, ezek a szinkron és aszinkron gépek, illetve a szinkron motorok. A szinkron motorok mindig állandó fordulatszámon üzemelnek, míg az aszinkron motorok a szinkron fordulatszámtól kisebb fordulatszámmal üzemelnek. A szinkron motorok (9. ábra) generátorként és motorként egyaránt alkalmazhatóak. Kizárólag n0=60 fp szinkronfordulatszámon működhet, melyet a frekvencia és a pólusszám határoz meg. Ettől csak nagyon rövid ideig tartó átmeneti állapotban térhet el, amennyiben az eltérés tartós, üzemzavar lépet fel. 9. ábra: Szinkron motor felépítése 9 A szinkron gépeknél igen sokféle szerkezeti megoldással találkozhatunk. Legnagyobb eltérés a forgórészükben fedezhető fel, mely tömör acélból készül a nagy mechanikai igénybevételek miatt. A gerjesztő tekercsek hornyai különböző módon lehetnek elhelyezve, lehetnek radiálisan, párhuzamosan elhelyezve, illetve létezik kereszttekercses típusú is. Az aszinkron gépek a leggyakrabban alkalmazott villamos forgógép. Egyszerű, olcsó, üzembiztos. Két fő változata van, ez a rövidre zárt forgórészű, illetve tekercselt forgórészű. Motorként és generátorként egyaránt használható. Az indukciós gép elnevezés abból adódik, mert a forgórészben 9 Forrás: 10

11 feszültség indukálódik, ami áramot létesít. Általánosan elmondható, hogy szinkron fordulatszámon forog. A lemezelt állórészek hornyaiban többfázisú, általában háromfázisú tekercselés van, melyet, ha háromfázisú hálózatra kapcsolunk, forgó mozgás jön létre, fordulatszáma: n 0 =60 f/p Teljesítményük: - Egyenáramú motorok: - Váltakozó áramú motorok: Szinkron motorok: Teljesítményük néhány kva-tól több száz MVA-ig terjed. Indítónyomatékuk a nagy áramfelvétel ellenére zérus. Nyomatékkifejtésre kizárólag 0 és 90 fok közötti terhelési szögben képes. Meddő teljesítményt a túlgerjesztett szinkronmotor segítségével érhetünk el, ekkor képes fedezni a különböző fogyasztók által igényelt meddőteljesítményt. Szinkron gépek: Teljesítményük néhány tíz MVA-től több száz MVA-ig terjed. Névleges feszültségük általában 10500V, de lehet akár 15,75 vagy 18 kv. Aszinkron gépek: Teljesítményük igen tág határok között változik Szabályozásuk: Az egyenáramú, illetve váltóáramú villamos motorok szabályozása egy vezérlőelektronika feladata, mely a következő funkciókat képes ellátni: PWM feszültségszabályozás: A motor fordulatszámának szabályozása Rövidzárlat védelem: Korlátozza az áramfelvételt, ez megvédi a motort és a vezérlő teljesítmény fokozatát a túl nagy áramoktól. Visszatápláló üzemmód: A villamosmotor generátor funkciójának betöltését biztosítja. Hő kapcsoló: Ha a villanymotor, vagy a vezérlő teljesítmény fokozatának hőmérséklete túllép egy bizonyos határt, a hő kapcsoló leszabályoz, egy megadott értékre. Túlfeszültség védelem: Ha az akkuk feszültsége meghalad egy felső határt, akkor leszabályozásra kerül sor. Mélykisülés védelem: Az akkumlátorok alacsony feszültsége esetén leválasztásra kerül a vezérlő motor. Ellentétes polaritás védelem: Ellentétes polaritású összekötés esetén, a vezérlő nem kapcsol be. 11

12 Bekötés védelem: Csatlakozók, dugaszaljak eltérő formájúak. Számítógépes csatlakozás: Számítógép segítségével változtatható paraméterek. 10. ábra: Mitsubishi i MiEV ábra: Mitsubishi i MiEV Gyakorlati megvalósítások: 1011Nagyon kevés tisztán elektromos autó van a világon, köszönhetően az igen szegényes töltőhálózatnak, illetve az igen magas költségeknek. Az egyik szériagyártású autó a Mitsubishi i MiEV (2.4.1, ábra), mely egy négy méter hosszú, négy fő befogadására képes kisautó. Hatótávolsága 160 km, melyet 330 V feszültségen működő lítium-ion akkumlátorainak köszönhet, melyek 22 modulból, azon belül 4 cellából állnak. Töltésük gyorstöltőn 20 percet vesz csak igénybe, azonban ehhez háromfázisú 200 V-os hálózat szükséges. A hagyományos 100 vagy 200 V-os hálózatról 11 vagy 5 óra alatt 80%-os töltöttségi szintre hozhatóak. Az akkuk egy 47 kw teljesítményű 180 Nm forgatónyomatékú állandó mágneses szinkronmotort táplálnak, melyek segítségével a kisautó csaknem 130 km/h sebességgel haladhat. Kialakítása igen célszerű, az akkuk a padló alatt kaptak helyet, így a tömegközéppont igen mélyen van, mely kiemelt stabilitást biztosít. 2.4 Értékelés: Az elektromos meghajtású gépjárművek számos problémával küzdenek a súly, hatótáv, gazdaságosság, gyárthatóság, elérhetőség terén. Ezen problémák kiküszöbölése sajnos még kezdetleges stádiumban van. A kiépített töltőhálózat hiánya szinte ellehetetleníti a járművek használatát, mivel azokat így, csak otthon tudjuk feltölteni. A ma kapható elektromos meghajtású 10 Forrás: 11 Forrás: 12

13 járművek ára igen borsos, használhatóságuk igen korlátozott, kiszolgáló hátterük (szervizek, töltőállomások) szinte egyáltalán nem biztosított. Az akkuk gyártása rettentő drága, bonyolult, bár élettartamuk, javításuk megoldott. Hatalmas probléma még az elektromos áram előállítása, mivel így az elektromos járművek nem nulla emissziósak, pusztán máshol szennyezik a környezetet. Valószínűleg nem ez a meghajtási mód lesz a megfelelő azon járművekbe, melyek kiváltják majd a hagyományos gépjárműveket. 3. A hibrid meghajtású járművek 3.1 A hibridrendszerek szerkezeti elemei: A hibrid meghajtású járműveknek nem csak a szerkezeti felépítésük, hanem a működési mechanizmusuk is különbözik, a hagyományos, pusztán belsőégésű motorral szerelt járművekhez képest. A jármű hajtásáról nem csak egy belsőégésű motor gondoskodik, hanem egy villanymotor is, mely egy akkumulátorból nyeri a hajtáshoz szükséges energiát. A kettős meghajtással elérhető, hogy a motor a legrosszabb hatásfokú üzemállapotokban (részterhelés) ne üzemeljen, ekkor a villanymotor gondoskodjon a gépjármű mozgatásáról. A hibridrendszerek legfontosabb részei a belsőégésű motor és az ehhez kapcsolódó villamos gép, ezekkel a 3.3-as fejezetben fogok részletesen foglalkozni. A sebességváltó ugyancsak fontos részét képezi a hibrideknek, takarékosságuk nagyban függ fajtájuktól, működésüktől. Kivétel ez alól a soros elrendezésű hibrid, mely nem rendelkezik sebességváltóval. Általánosan kijelenthetjük, hogy a hibridekben egyeduralkodók az automata, illetve a félautomata sebességváltók, de egyre több hibridben találkozhatunk automatizált fokozatváltású, ám hagyományos, fogaskerekes váltókkal. A félautomata váltóval szerelt hibridekben a tengelykapcsoló automatizált, mely szabadonfutók segítségével elvégzi az üzemmód átkapcsolásokat a belsőégésű motor és a villanymotor között. Ugyancsak kedvelt megoldás az úgynevezett CVT, azaz fokozatmentes váltók is, melyek ékszíjjal hajtottak. Ez a váltótípus lehetővé teszi, hogy a belsőégésű motor mindig megfelelő fordulatszámon üzemeljen (kis fordulat, nagy terhelés). A hibridek megnövekedett energiaszükséglete egyre nagyobb terhet jelent a villamos hálózat számára, köszönhetően annak, hogy az eddigi, motor által hajtott segédberendezéseket, már mind a villamos motor hajtja, az egyéb kényelmi berendezésekről nem is beszélve. Azonban maga a belsőégésű motor is jelentős energiaszükségletet teremt, mivel a korszerű motorok magas hatásfoka 13

14 miatt a veszteséghő annyira kevés, hogy az, az utastér fűtésére, sőt az ablakok párátlanítására sem elegendő. A probléma megoldása az, ha egyre nagyobb feszültségű villamos hálózat kerül beépítésre. A villamos hálózatokat teljesítményük alapján csoportosítjuk: 14 V és 42 V közötti feszültség: mikrohibridek 42 V, vagy azt meghaladó feszültség: mildhibrid Mildhibrideknél 14 és 42 V-os kettős feszültségű rendszert alkalmaznak. 144 V alatti feszültség: médium hibrid 200 V feletti feszültség: fullhibrid A fullhibrideknél kettős feszültségű rendszereket alkalmaznak: 14 V és nagyfeszültség, vagy 42 V és nagyfeszültség, vagy két nagyfeszültség: 200 és 500 V A villamos hálózat fontos részei még az inverterek, azaz átalakítók. Megkülönböztetünk AC/DC, illetve DC/DC átalakítókat. Az AC/DC átalakítók a váltakozó áramú villamos gép, illetve az egyenáramú energiatárolók közötti ellentmondásokat hidalja át. A DC/DC átalakítók kétfeszültségű rendszerekben találhatóak, melyek példának okáért 42 V-os egyenfeszültségből 14 V-os egyenfeszültséget hoznak létre. A hibridrendszerek talán legfontosabb része a jelentős szerepet betöltő energiatároló, mivel a hibridrendszer ennek segítségével tudja raktározni azt az összegyűjtött energiát, melynek segítségével képes hathatósan segíteni a belsőégésű motor működését. Felépítésének kompaktnak kell lennie, hogy beépítése egyszerű és könnyű legyen, valamint el kell viselnie a változó töltési és kisülési folyamatokat. Az akkumlátorok fajtáját különböző szempontok határozzák meg, a legelterjedtebb akkumlátorok adatait a ábra tartalmazza. Ahogy a lenti táblázat is mutatja, az akkumlátorok két fontos mutatója a teljesítmény, illetve energiasűrűség. A teljesítménysűrűség a jármű teljesítményét, az energiasűrűség pedig a hatótávolságát befolyásolja. Az utóbbi évek nagy találmánya az úgynevezett szuperkondenzátor, mely egy villanymotorral felpörgetett lendkerékből áll. Kapacitása rendkívül nagy, feltöltése gyors, a fékenergia rövid idejű tárolására is alkalmas. Kiegészítésként használják a kis és közepes teljesítménysűrűségű akkumlátorok mellé, ahol feladata a csúcsteljesítmény biztosítása, míg a hagyományos akkumlátor a tartós teljesítmény biztosításáért felel. 14

15 Akkumlátor Energiasűrűség Teljesítménysűrűség Élettartam Ár ciklus W*h/kg W*h/l W/kg W/l év EUR/(kW*h) szám ólom > lítium-ion kb nikkelkadmium nikkel-fém hibrid nátriumnikkelklorid lítiumpolimer kb < <225 célértékek ábra: Különböző akkumlátorok főbb adatai 12 Sok vásárló fél a hibrid autóktól, mondván, azok akkumlátorai nem elég hosszú életűek, illetve meghibásodásuk esetén azok javítatása, vagy esetleges cseréje, rettentő sokba kerül. Ettől nem kell tartani, ugyanis az akkumlátorokat számítógépek vezérlik, melyek megakadályozzák az esetleg túltöltést, vagy a teljes lemerítést, ezzel is biztosítva az akkumlátorok hosszú élettartamát. A gyártók, az értékesítés helyétől függően km garanciát vállalnak akkumlátoraikra. A tényleges meghibásodás bekövetkeztekor is elég általában az akkumlátor néhány celláját kicserélni a több száz darab közül. 4. Hibridrendszerek működési alapelvei: Már az 1900-as évek környékén rájöttek arra, hogy a leghatékonyabb hajtásmód az, ha az elektromos motort és a belsőégésű motort együtt alkalmazzák. A kombinálásnak köszönhetően mindkét hajtásmód előnyei érvényesülnek, mivel a rossz hatásfokú, részterheléses üzeme a belsőégésű motornak szinte teljesen megszűnik, köszönhetően a villanymotornak, mely ilyenkor kiváltja a belsőégésű motort. A villanymotor működéséhez szükséges energiát nagy részben a belsőégésű motor biztosítja. A két rendszer kifogástalan együttműködését a megfelelő arányok és kombináció biztosítja, mivel ennek hiányában eredményei nem feltétlenül lennének jobbak egy 12 Forrás: Dr. Emőd István Tölgyesi Zoltán Zöldy Máté: Alternatív járműhajtások, Budapest

16 élvonalba tartozó belsőégésű motorhoz képest. A kombinációk, arányok jellegét nagyban befolyásolja a felhasználási terület is, ehhez alkalmazkodva alakultak ki különböző felépítésű hibridrendszerek. Két fő csoportot különböztetünk meg, ezek a párhuzamos, illetve soros rendszerek. Ezeket, az alapváltozatok különböző kompozíciójával hangolja össze a vegyes hibridrendszer. Megkülönböztetünk tehát: 1, Párhuzamos hibridek: - Fordulatösszegző - Vonóerő összegző - Nyomatékösszegző: ~ Egytengelyű ~ Kéttengelyű 2, Soros hibridek 3, Vegyes hibridek: - Kombinált - Teljesítmény elágazásos 4.1 Párhuzamos hibridhajtások: A párhuzamos hibridhajtás fő alkotóeleme az állandó mechanikus kapcsolat a kerekekkel, mind a villanymotor, mind a belsőégésű motor részéről. A két rendszer külön-külön és együtt is képes a jármű meghajtására, a teljesítmények ebből adódóan összegződnek, így elég egy kis teljesítményű villany és belsőégésű motor is. Egy jól megtervezett párhuzamos hibridrendszer általában két stratégiát követhet: Az egyik arra törekszik, hogy a lehető legkevesebbszer történjen motorváltás, a másik pedig arra, hogy a belsőégésű motor állandóan üzemeljen egy optimális terheléssel. Így, ha a kedvező üzemhez a jármű teljesítményszükségleténél nagyobb motorteljesítmény párosul, akkor a villanymotor generátorként funkcionál és tölti az akkumlátorokat. Ha a teljesítményszükséglet nagyobb, mint a motorteljesítmény, akkor a villamos gép szolgáltatja a többletet. A teljesítményösszegzés elve szerint megkülönböztetünk: Nyomatékösszegző: 16

17 Fordulatösszegző: 12. ábra: Nyomatékösszegző párhuzamos hibridhajtás ábra: Fordulatösszegző párhuzamos hibridhajtás 14 Vonóerő összegző: A villamos és belsőégésű motor külön tengelyt hajt meg. 14. ábra: Vonóerő összegző párhuzamos hibridhajtás 15 A másik csoportosítási mód a nyomatékösszegző hibridhajtásoknál a szerint történik, hogy a nyomatékváltót egy tengelyen hajtja-e a belsőégésű motor és a villanymotor, vagy külön-külön, az egyik a bemenő, a másik a kimenő tengelyt hajtja-e. Előbbi esetben egytengelyes, utóbbi esetben kéttengelyes hibridekről beszélhetünk. 13,13 Forrás: 15 Forrás: 17

18 4.1.1 Soros hibridhajtások: A soros hibridhajtás legfontosabb ismérve, hogy nincs mechanikai kapcsolat a kerekek és a belsőégésű motor között, így a motor mindig a legoptimálisabb üzemállapotban üzemelhet, a legalacsonyabb tüzelőanyag-fogyasztás, illetve a legkisebb károsanyag-kibocsátás mellett. A gépészeti elrendezés tetszőleges, mivel nincs mechanikai kapcsolat. A villanymotor méretezésénél figyelembe kell venni, hogy a jármű teljesítményszükségletét minden helyzetben biztosítani tudja. A megfelelő üzemállapot kiválasztásakor, sok paramétert kell figyelemmel kísérnünk, ilyen a jármű teljesítményigénye, sebessége, vagy az akkumulátorok töltöttségi állapota. A belsőégésű motor szempontjából a legfontosabb paraméterek a különböző időállandók (például a motor minimális járási ideje), illetve az üzemi hőmérsékletek (például katalizátor). A működési elv szerint a belsőégésű motor egy generátort hajt meg, mely árammal látja el a villamos motort, illetve az akkumulátorokat. A villamos motor meghajtja a kerekeket, általában egy sebességváltón keresztül. Szükség esetén az akkumulátor is besegít, amennyiben nagy terhelést kell leküzdenie a járműnek. 15. ábra: Soros hibridhajtás Vegyes hibridhajtások: A vegyes hibridhajtások az előzőleg tárgyalt soros és párhuzamos rendszerű hibridek keveréke. Két alfaját különböztetjük meg: A kombinált és a teljesítmény elágazásos hibrideket. A kombinált rendszerű hibridek a soros hibridek új generációját képviselik. A fejlesztéséknek köszönhetően a belsőégésű motor is tudja hajtani a kerekeket, egy közbeiktatott tengelykapcsoló segítségével. Ennek előnye nagysebességű haladáskor jelenik meg, mivel ilyenkor a hatásfok jelentősen javul. 18

19 15 Forrás: 16. ábra: Kombinált rendszerű hibridhajtás 15 A vegyes hibridek másik alfaja a teljesítmény elágazásos hibridek. Ezek lényege, hogy a gépjárműben nem található sebességváltó, mivel annak feladatát egy bolygómű, illetve a villanymotor végzi el A hibridrendszerek hajtómotorjai: 17. ábra: Teljesítmény elágazásos hibridrendszer A belsőégésű motor és a villanymotor teljesítményének aránya: Hibridrendszereink hatékonyságát, célszerűségét nagyban befolyásolják a beépített villamos rendszerek, illetve ezek programozása. A gépkocsi villamos rendszerének legmeghatározóbb része a beépített villanymotor, melyek különböző teljesítménye eltérő mértékben képes a hajtómotort segíteni (18. ábra). 16, Forrás: 19

20 18. ábra: Elérhető előnyök a villamos teljesítmény függvényében Forrás: 20

21 A fenti ábra szerint megkülönböztetünk Micro-, mild-, médium- (Strong-), valamint fullhibrideket. Tulajdonságaikat az alábbi táblázat részletezi * : Micro hibrid Mildhibrid Médium hibrid Fullhibrid Szerkezeti jellemzők Üzemmódok CO 2 ill. fogyasztás csökkenés Károsanyagkibocsájtás csökkenés Menettulajdonságok Másodlagos előnyök Ékszíjjal hajtott villamos gép váltja ki az önindítót és a generátort. Főtengellyel közvetlen kapcsolatban álló villamos gép Szerkezetileg azonos a mildhibriddel, nagyobb teljesítményű villanymotor, akku. Párhuzamos vagy soros kialakítás, alkalmazható szuperkondenzátor, lehetséges a tisztán villamos hajtás Nagyobb Optimálás Start- Stop üzem indítónyomaték, Optimálás fékenergia fékenergia gyorsindítással, fékenergia visszatáplálás, erős visszatáplálás a fékenergia visszatáplálás, a gyorsítás-segély, erős belsőégésű motor visszatáplálás, villamos gép, tartóteljesítmény lekapcsolásával, klimatizálás álló csavaró lengéseket kiegészítés. tartósteljesítmény motornál. is csillapít. kiegészítés 5-10 % % % % Rövidebb indítási folyamat, álló járműnél a Belsőégésű motor igénybevétele jelentősen katalizátor kevésbé hűl ki, mivel nincs csökken. (Fullhibridnél esetleg motor nélküli gázáramlás. üzem) Jó Változatlan, álló Kiváló, az erős Jobb gyorsulás, manőverezhetőség, a helyzetben a jármű villanymotornak csendesebb üzem. villamos üzemnek hangtalan. köszönhetően. hála. Nagyobb generátorteljesítmény. Ékszíj nélküli Nagyobb Alkalmas hálózati motor. generátorteljesítmény töltésre. Feszültség 14( 42) V 42 V 144 V > 200 V * Megjegyzés: Az egyes hibridek tulajdonságai, képességei mindig az előző rendszerére épülnek! Amennyiben megfelelő mértékben kombináljuk a részegységeket (belsőégésű motort, villamos gépet, akkumulátort), akkor azok előnyei nem csak összeadódnak, hanem eredőjük is nő. Ezt nevezzük szinergia-hatásnak. Ennek köszönhetően a bonyolult felépítésből adódó hátrányok ellensúlyozhatók. 21

22 4.2.1 A belsőégésű motor: A hibridrendszerű és a hagyományos felépítésű járművek legmeghatározóbb közös pontja a belsőégésű motor, azonban annak mérete, felépítése, teljesítménye több ponton is eltérhet. A hibridrendszerek célja az, hogy a belsőégésű motor mindig optimális működési tartományban üzemeljen, mivel ez garantálja az alacsony károsanyag-kibocsájtást, illetve tüzelőanyag fogyasztást. Ezeket az optimális tartományokat mutatja meg a 19-es ábra. 19. ábra: A belsőégésű motor optimális működési tartományai A hibridmeghajtású gépjárművek motorjainak nem szükséges a legkorszerűbb konstrukcióknak lenniük, mivel működésük nagymértékben szabályozott, nagy részben az optimális tartományokban üzemelnek. Az autógyártók azonban igyekeznek a leghatékonyabb megoldást választani, így általában egy nagy sorozatban gyártott motorjukat alkalmazzák a hibridekben. Ezeken a nagyszériában készülő motorokon azonban számos átalakítást kell elvégezni azért, hogy alkalmasak legyenek hibrid gépjárművek meghajtására. Az egyik legfőbb átalakítás, a segédberendezések meghajtását érinti. A segédberendezéseknek három fő csoportját 20. ábra: A Honda IMA rendszere: Belsőégésű motor és az utána kapcsolt villanymotor Forrás: Dr. Emőd István Tölgyesi Zoltán Zöldy Máté: Alternatív járműhajtások, Budapest

23 különböztetjük meg, ezek a biztonságtechnikai, kényelmi, valamint a belsőégésű motort szolgáló villamos hajtások. A hagyományos felépítésű gépjárművekben alkalmazott, belsőégésű motor által hajtott segédberendezéseket nem alkalmazhatjuk a hibridrendszerekkel felszerelt járművekben, köszönhetően annak, hogy a gyártók, a minimális tüzelőanyag fogyasztás és káros anyag kibocsátás érdekében úgy alkották meg konstrukcióikat, hogy azok belsőégésű motorja ne üzemeljen állandó jelleggel, annak feladatait képes legyen segíteni, vagy ideális helyzetben, teljesen átvenni a villanymotor. 19Ennek eredményeként a segédberendezéseket nem képes állandó jelleggel a belsőégésű motor hajtani, azok hajtásáról maga a villanymotor gondoskodik, így a szíjhajtások feleslegessé válnak. Az ékszíjhajtások mellőzésével megváltoznak a főtengely lengéstani körülményei, valamint csökkennek igénybevételei is, ugyanakkor a generátor teljesítményszükséglete megnövekszik, köszönhetően annak, hogy a segédberendezések hajtását el kell látnia. A felsorolt változások eredményeként ellenőrző számításokat kell végezni a motor forgattyús mechanizmusának, illetve szelepvezérlésének változatlan üzemeléséhez. A motor, megváltozott feladatának köszönhetően nagyobb terheléssel üzemel, mint a hagyományos gépjárművekben, ezért szükséges, hogy annak méretezését felülvizsgálják, elviseli-e az tartósan a nagyobb igénybevételt, anélkül, hogy élettartama csorbulna. Egyedi megoldásként lehetséges az úgynevezett hengerlekapcsolás, amely lényege, hogy részterheléskor, vagy olyan üzemnél, melyek nem igénylik a teljes motorteljesítményt, bizonyos hengerek lekapcsolnak. Ez a megoldás azért alkalmazható a hibridekben, mert a villamos motor kiegyenlíti az egyenlőtlen járást. Mivel a motor részterhelésen szinte nem üzemel (ekkor feladatát a villanymotor segíti, vagy veszi át), ezért a drága konstrukciós megoldások sem szükségesek, ilyen például a változtatható szelepvezérlés, a változtatható szívócsőhossz, vagy a közvetlen befecskendezés. Másik igen jelentős probléma a katalizátorok működése. A motor nem állandó üzemeléséből adódik a katalizátorok mérsékelt hatásfoka is, mivel azok csak bizonyos hőmérséklet tartományban képesek hatékonyan üzemelni. Ezt a hőmérséklet tartományt villamos katalizátorfűtéssel érik el A villamos gép: A hibridrendszerek másik fő része maga a villamos gép. A villamos gépek legfontosabb előnyeként említhetjük a nagy nyomatékleadás képességét, melyet már alacsony fordulatszámon is biztosítani tudnak. Feladataik között nem csak a gépjármű meghajtása szerepel, hanem az indítómotor, a generátor és a fékenergia-visszatáplálás feladatának ellátása is. Beépítésének módozata sokféle lehet: 21 Forrás: 23

24 Csatlakozhat ékszíjjal a belsőégésű motor főtengelyére, lehet egybeépítve a tengelykapcsolóval, csatlakozhat a sebességváltóhoz (peremesen), vagy lehet abba integrálva, lehet a hátsó híd előtt felszerelve (differenciálmű osztja szét a nyomatékát), a lendkerékkel egybeépítve, vagy agymotorként alkalmazva. Ebben az esetben ellátja a blokkolásgátló (ABS), a kipörgésgátló (ASR) és a menetstabilizátor (ESP) feladatát. Megvalósítható az öszkerékhajtás, hajtómű és differenciálmű mellőzése mellett is. A hibridrendszer fajtája nem csak a jármű szerkezeti felépítést, hanem a villamos gép típusát is meghatározza. A villamos gépek több kategóriába sorolhatóak. Ezen kategóriák a következők: Villamos gépek: Egyenáramú gépek (EG) Váltakozó áramú gépek: Aszinkron gépek (AG) Szinkron gépek: Külső gerjesztésű (KGG) Állandó gerjesztésű (ÁMG) Különleges gépek: Keresztmezős gépek (KG) Reluktancia gépek (RG) 24

25 20 A legfontosabb szempont, a minél jobb hatásfok, melynek köszönhetően, a legelterjedtebbek a háromfázisú gépek, melyeknek lehetnek szinkron vagy aszinkron változatai. A villamos gépek főbb tulajdonságait az alábbi táblázat tartalmazza: EG AG KGG ÁMG RG KG Hatásfok Max. fordulatszám Helyigény Tömeg Hűtés Gyártási ráfordítások Ár : Rossz; +: Jó; ++: Nagyon jó A villamos gépek teljesítménye összemérhető a belsőégésű motor teljesítményével. A belsőégésű motor fordulatszám tartományához képest, a villamos motoroknak és villamos gépeknek sokkal szélesebb tartományt kell lefedniük. A legegyszerűbb hibrid-villamos járműhajtás az úgynevezett ISG (IMA), mely egy indítómotorból és egy töltőgenerátorból áll. Aszinkron (21. ábra) vagy szinkron (22. ábra) gép hajtja, mely a főtengelyre épül és inverteres táplálású. Az ISG legfőbb előnyei, hátrányai: Előnyei: Belsőégésű motor szabályozottan indítható, szabályozott az akkutöltés, képes nyomatékrásegítést biztosítani, a nyomatéklüktetést csökkenti, start-stop funkció, villamos fékezés lehetséges, a sebességváltás finomítható. Hátránya: Megmarad a tengelykapcsoló és a sebességváltó. 21. ábra: Aszinkronmotor ábra: Szinkronmotor 23 22, 23 Forrás: Vincze Gyuláné: Hibrid és villamos járművek, autók villamos hajtásai. 25

26 Alkalmazhatnak azonban kettős forgórészű motorokat is, melyek három fő részből állnak: A tekercselt forgórészből, az állandó mágneses forgórészből valamint az állórészből. Megvalósítási lehetőségei lehetnek radiál-radiál fluxus, axiál-axiál fluxus, valamint axiál-radiál fluxus. 4.3 Gyakorlati megvalósítások 21Az autógyártók számos konstrukciós megoldással álltak elő, számos hibridrendszert fejlesztettek ki, így hibridautó és hibridautó között is óriási különbségek lehetnek. A számos gyártó, számos modellje közül szeretném az egyik leghíresebb hibridautót górcső alá venni, ez pedig nem más, mint a Toyota Prius. Az első széria (XW10) 1997-ben debütált, 4 ajtós karosszériával, először csak Japánban. Európában és Amerikában csak a Prius kissé módosított változata ismert, melyet 2000-ben dobtak piacra, 1.5 literes benzinmotorral (70 lóerő, 110 Nm), illetve egy 44 lóerős, 350 Nm maximális nyomatékú állandó mágneses elektromotorral, nikkel-metál hibrid akkumlátorokkal ben már a második generációs Prius (XW20) hódít, immáron ötajtós karosszériával, teljes értékű hibridként. A korábbi motor VVT-i szelepvezérlést kapott, így teljesítménye 76 lóerőre és 115 Nm-re nőtt. Az elektromos motor is jóval erősebb lett, már 67 lóerőt és 400 Nm-t teljesít. A hajtáslánc összesen 110 lóerős, amelyre összesen 8 év garanciát vállalnak. 23. ábra: Toyota Prius XW ábra: Toyota Prius XW ábra: Toyota Prius XW Forrás: 25 Forrás: 26

27 24 Forrás: ábra: Toyota HSD rendszer: Motor, generátor, villamos gép ben végül megjelent a jelenleg is futó modell, a Prius XW30-as kódszámú változata, a Prius III. Motorja már 1.8 literes, 98 lóerős, a hajtáslánc teljesítménye összesen 134 lóerőre nőtt. Mivel a vízpumpa is villamos hajtást kapott, így a Prius az első autó a világon mely nem igényel semmilyen szíjjal hajtott segédberendezést. 24 A Toyota Prius úgynevezett Hybrid Synergy Drive (HSD) technológiát alkalmaz, amely egy párhuzamos hibridrendszer, mely lehetővé teszi a tisztán elektromos árammal való haladást is. A HSD rendszer a korábbi Toyota Hybrid System (THS) továbbfejlesztett változata, mely ig került a Toyota hibrid modelljeibe. A HSD rendszer öt fő alkotóelemből áll, ezek a belsőégésű motor, a generátor, CVT váltó, villanymotor, valamint az akkumlátor. A belsőégésű motor kezdetben 1.5 literes, később 1.8 literes, előbbi 70 (110 Nm), illetve VVt-i vezérléssel 76 (115 Nm), utóbbi pedig 98 lóerős. A generátor (MG1) feladata az elektromos áram előállítása, mely energiával látja el az akkukat és a villamos motort. A villamos motor (MG2) feladata a belsőégésű motor segítése, vagy maga a jármű mozgatása, miközben az elektromos áramot átalakítja mozgási energiává. Nagy nyomatékot biztosít alacsony fordulatszám mellett. Fékezés során 26 Forrás:

28 visszaalakítja a mozgási energiát elektromos árammá, melyet az akkumulátorok tárolnak el. A generátor és a villamos motor összteljesítménye eléri a 60 lóerőt, vezérlésüket központi számítógép felügyeli. A mechanikai teljesítmény változtatását egy állandóan változó áttételű CVT váltó biztosítja, mely lehetővé teszi, hogy fordulatszám összegzés, nyomatékösszegzés, vagy vonóerő összegzés jöjjön létre. A Prius energiájának eltárolásáról egy 38 modulból álló Nikkel metál-hibrid (NiMH) akkumlátor csomag gondoskodik (273,6 V; 6,5 A), mely 53,3 kg-ot nyom. Az akkumulátor szállítója a Panasonic EV Energy Co.. 5. Hibridhajtások értékelése A hibridhajtások korunk leginkább elterjedt környezetkímélő hajtásformái, mivel ez a hajtásfajta ötvözi a legjobban a takarékosságot, a gyárthatóságot és az elérhetőséget. A hibridjárművek előtt nagy jövő van, amit egyre növekvő számuk és az egyre szigorodó környezetvédelmi előírások is alátámasztanak. Amennyiben sikerül a belsőégésű motort kiváltani, akkor teljes értékű utódai lehetnek a hagyományos gépjárműveknek. 6. Felhasznált irodalom: Liska József: Villamos gépek (egynáramú gépek I-II) Danka Miklós: Gumikerekes járművek villamos hajtása Dr. Emőd István-Tölgyesi Zoltán-Zöldy Máté: Alternatív járműhajtások Építsd magad: Elektromos autó Autotechnika magazin 2009/10 Kamion truck magazin 2009/12 28

29 29