Bevezetés. Személygépjárművek. Fedélzeti elektromos rendszer. Hagyományos 12V-os rendszerek

Átírás

1 Bevezetés Napjainkban az egyik legfontosabb iparág a járműipar, mely biztos alapot teremt a mobilitás, az emberek és tárgyak egyszerű mozgatása, szállítása számára. A járműipart több részre oszthatjuk (1. ábra). A vízi járművek gyártásával a hajóipar, a légiekével pedig a repülő- és űripar foglalkozik. A szárazföldi járművek között megkülönböztetünk kötöttpályás (vasút), munkagép (off-highway), és közúti járműveket. Utóbbiak között vannak személygépjárművek, tehergépjárművek, buszok, motorkerékpárok, illetve emberi erővel hajtott járművek (kerékpárok). 1. ábra a járműipar szerkezete Jelen tárgy keretében mi elsősorban a személygépjárművek elektronikai rendszerével foglalkozunk, de a többi közúti gépjármű rendszerei is hasonlóak. Személygépjárművek Szabályozási szempontból fontos különbséget tenni a különböző járműtípusok között. Általában autó alatt maximum 9 fő szállítására alkalmas, legfeljebb 3,5t megengedett össztömegű, közúti közlekedésre alkalmas gépjárművet értünk. Ezen járművek fejlesztésére, gyártására, és engedélyeztetésére több specifikus nemzetközi szabvány vonatkozik, melyek közül néhányat megismerünk e tárgy keretében. Fedélzeti elektromos rendszer A személygépjárművek fedélzeti elektromos rendszere tradicionálisan helyi energia termelésre és tárolásra épül. Az energia termelést egy, a jármű hajtómotorja által forgatott generátor végzi, az energiatárolást pedig egy (vagy több) akkumulátor biztosítja. A fedélzeti feszültség általában 12V, illetve bizonyos típusokban 24V (főleg nagyobb autókban, illetve tehergépjárművek esetén). Hagyományos 12V-os rendszerek A fedélzeti fogyasztók az akkumulátorról kapják a tápfeszültséget, általában megfelelően méretezett biztosítókon keresztül. Egy tipikus 12V-os elrendezést szemléltet a 2. Ábra. A G a generátort, az S az önindítót (starter) jelöli. Az önindító azért kap kiemelt figyelmet, mert általában egy nagy teljesítményű villamos gép, melynek elektromos és mechanikai bekötése, felépítése is kritikus. Szerepe a jármű fő (belső égésű) motorjának indítása.

2 2. ábra 12V-os fedélzeti rendszer 48V-os rendszerek A 12V-os elektromos rendszerek hosszú ideje megfelelőek voltak a gépjárművek számára, de napjainkban az újabb és újabb fedélzeti rendszerek miatt folyamatosan növekszik a teljesítményigény, melyet ezek a rendszerek már nem tudnak kiszolgálni. Az 3. Ábrán látható, hogyan változik a rendszerben a maximális áramerősség különböző felvett teljesítmény esetén. Látható, hogy 12V esetén 3,5kW összteljesítményű fogyasztókkal már 300A közelébe kerül az áramerősség, aminek kezelése (vezetékezés, biztosítók, akkumulátor) már nem oldható meg gazdaságosan Áramerősség (A) V 24V 48V Teljesítmény (kw) 3. ábra Áramerősség és felvett teljesítmény összefüggése

3 Az egyik lehetséges megoldás a nagyobb teljesítmény kezelésére a feszültség növelése. A grafikonon látható, hogy 24V esetén 7kW-ig 300A alatt marad az áramerősség, de a mostani trendek alapján a felső kategóriás járművekben 8-10kWnyi fogyasztót is elképzelhetőnek látnak. Ennek megfelelően a feszültség további növelése szükséges (48V-ra) ben több autógyártó (köztük a BMW és a Daimler) kidolgozott egy specifikációt [1] 48V-os autófedélzeti rendszerek számára. A cél a nagyobb teljesítmény kiszolgálása, és az energia termelés és tárolás optimalizálása volt. Az ajánlott rendszer sémáját az 4. Ábra szemlélteti. 4. ábra 48V-os fedélzeti rendszer [2] Az ajánlott elrendezés két feszültségszintet támogat: 12V és 48V. Mindkét feszültségű buszon található egy-egy akkumulátor (egy hagyományos 12V-os ólomakkumulátor és egy 48V Li polimer akkumulátor). A generátort és az önindítót kombinálták egyetlen villamos gépbe (M), és ez a 48V-os feszültségszinten működik. A két elektromos rész között egy (kétirányű) DC/DC konverter teremt kapcsolatot. Általános esetben ez a konverter a 48V-os részen termelt energiával látja el a 12V-os fogyasztókat (és/vagy tölti az akkumulátort), de ha a 48V-os akkumulátor lemerült, akkor fordított irányban is működik (külső energiaforrással való indítás bikázás során például). Az ábrán az L1 és L2 fogyasztók 12V-os egységeket jelképeznek, míg az L3 48V-os fogyasztót. A kevert 12/48V-os elrendezés azért jöhetett létre, mert a kis teljesítményű fogyasztókat (például belső égésű motor vezérlése, műszerfal, stb.) továbbra is 12Vos feszültséggel kívánják működtetni a meglevő megoldások változtatás nélküli használata miatt. A 48V-os rendszerre kezdetben csak a legnagyobb fogyasztókat csatlakoztatják (klíma kompresszor, ablakfűtés, elektromos fűtés, stb.).

4 Üzemelési ciklus és üzemmódok A fogyasztók különösen a nagyteljesítményűek általában fixen az akkumulátorra vannak csatlakoztatva. Ugyanakkor az akkumulátor kapacitása nem alkalmas ezek hosszú ideig történő ellátására, a rendszer csak működő generátor (azaz általában működő hajtómotor) esetén képes hosszú távon biztosítani az energiát. Ezért fontos az egyes fogyasztók áramfelvételének korlátozása bizonyos üzemállapotokban. A gépjárművek üzemelési ciklusát általában az elektromos gyújtási ciklus határozza meg. A gyújtási ciklus a gyújtás ráadásától annak elvételéig tart, és általában a járművezető vezérli. A gyújtás ráadását (ignition on) általában az indítózás (cranking) követi, amikor az indítómotor megforgatja a hajtómotort. Miután a belsőégésű motor már önállóan jár, belépünk a motor jár (engine running) állapotba. Ezen állapotok fontosak minden elektronikus vezérlőegység számára, mivel általában ehhez kell szinkronizálni a belső üzemmódot (és ezáltal az áramfelvételt) is. Általános feltétel az, hogy a gyújtás levétele után a vezérlőegységeknek gondoskodniuk kell az általuk vezérelt funkció kikapcsolásáról, hogy a jármű üzemen kívüli állapotában lehetőleg ne legyen áramfelvétel. Néhány esetben természetesen ilyenkor is szükséges a funkciót üzemben tartani (például riasztó, központi zár), de a fogyasztást a lehető legkisebb értéken kell tartani. Az indítózás fázisa azért kiemelt szerepű, mert ezt jelentős feszültség ingadozás kíséri, ami megnehezíti (vagy meghiúsíthatja) bizonyos funkciók működését. Ilyen esetekben az érintett vezérlőegységek felfüggesztik a működésüket az indítózás alatt. A motor jár állapotban általában minden funkció működhet, a tápfeszültség stabilizálódik. Fontos megemlíteni, hogy az újabb fejlesztésű járművekben megjelentek bizonyos funkciók, melyek ezt a viszonylag egyszerű üzemi ciklust tovább bővítik. A legfontosabb példa a fogyasztás (és emisszió) csökkentési szempontok alapján bevezetett start-stop automatika. Ez álló helyzetben (például közlekedési lámpánál) leállítja a motort, majd gázadásra újraindítja. Ez gyakorlatilag egy automatikus, a jármű által kiváltott részleges gyújtás elvétel gyújtás adás indítózás ciklusnak felel meg. Erre természetesen a legtöbb vezérlőegységnek megfelelően kell reagálni (nagy fogyasztók kikapcsolása stop alatt, stb.) Az aktuális üzemi állapot információt a vezérlőegységek között továbbítni is kell a viselkedés koordinálására. Tradicionálisan a gyújtás jel egy külön vezetéken futott körbe (12V gyújtás, 0V gyújtás elvéve). Annak érdekében, hogy ennél összetettebb információt is át lehessen vinni, napjainkban a fedélzeti kommunikációs hálózatokat is felhasználják. Fedélzeti funkciók A gépjárművek néhány évtizede minimális elektromos rendszerrel rendelkeztek, mely az önindítót, generátort, világítást, ablaktörlőt, és még néhány kiegészítő funkciót foglalt magában. Az elmúlt évtizedekben ez a lista jelentősen kibővült újabb és újabb biztonsági és kényelmi funkciókkal, melyek között egyre több szoftver intenzív elem is megtalálható. A funkciók szokásos felosztását (és néhány példát) láthatjuk az 5. Ábrán.

5 5. fedélzeti funkciók csoportosítása Általános trend, hogy az egyes funkciókat elektronikus vezérlőegységekkel (Electrical Control Unit ECU) valósítják meg, melyek programozható elemeket tartalmaznak, ezáltal komplex vezérlő, szabályozó algoritmusokat valósíthatnak meg. Ezen ECU-k egyenként is komplex beágyazott rendszerek, melyek közvetlen kapcsolatban állnak a működtetett elektro-mechanikus elemekkel, illetve kommunikációs hálózatokon keresztül a többi vezérlőegységgel is. Fejlesztési célok Az autóipari fejlesztések néhány jól körülhatárolható cél felé mutatnak: Költségcsökkentés. Minden nyereségorientált vállalkozás természetes célja a költségek csökkentése. Mivel a gépjárművek jellemzően több milliós darabszámban készülnek, a fő cél itt a gyártási költségek minimalizálása, többször akár a fejlesztési költségek növelése árán is (hardver elemek kiváltása szoftverrel, stb.) Káros anyag kibocsátás csökkentése: A káros anyag kibocsátással kapcsolatos egyre szigorúbb normák miatt kiemelt jelentőségű a hatékonyság növelése, a káros anyagok kiszűrése. Üzemanyag fogyasztás csökkentése: A kőolaj árának folyamatos emelkedése miatt fontos a fogyasztás csökkentése, ezáltal az üzemeltetési költségek redukálása Biztonság: A különböző aktív és passzív biztonsági rendszerek, illetve vezető asszisztens rendszerek segítségével lehetőség nyílik a közlekedés biztonságának növelésére, a balesetek elkerülésére Kényelem és szórakoztatás: Különböző szórakoztató rendszerek segítségével az utasok számára könnyebben elviselhetővé válik a hosszú utazás, a beépített egyéb kényelmi funkciók (klímaberendezés, stb.) pedig a közérzetet és az utazási komfortot javítják. A felsorolt célok között találhatunk globális, minden funkciót érintő pontokat (például költségcsökkentés, energia felhasználás redukálása), de vannak elemek melyek csak bizonyos funkciókat érintenek. Általában elmondható, hogy az utóbbi évtizedben bevezetett illetve továbbfejlesztett funkciók a hozzáadott értéket komplex szoftverek segítségével biztosítják, ezáltal egyre nagyobb teljesítményű mikroprocesszorral szerelt ECU-kat alkalmaznak