Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar Gépjárművek Tanszék

Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar Gépjárművek Tanszék Gépjármű elektronika laborgyakorlat Elektromos autó

Tartalomjegyzék Elektromos autó Elmélet EJJT kisautó bemutatása Fölépítés Hajtás Energiatárolás Kondenzátor típusok Elméleti alapok Síkkondenzátor Elektrolit kondenzátor Ultrakapacitású kondenzátorok A kisautóban elsőként fölhasznált EPCOS kondenzátor bemutatása A kisautóban jelenleg fölhasznált Maxwell kondenzátor bemutatása Gyakorlat Mérési feladatok 1. Kondenzátorok töltése 2. Kondenzátorok kisütése Önkisülés Menet közben 3. Ellenőrző kérdések Irodalomjegyzék 2

EJJT kisautó: A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Jármű és Járműirányítási Tudásközpontja az első alkalommal meghirdetett Széchenyi-futam Alternatív hajtású járművek versenyére egy teljesen egyedi járművet tervezett és épített. A versenykiírásban foglaltaknak igyekeztek az építők a lehető legnagyobb mértékben megfelelni. E törekvés, és a versenyen bemutatott szereplés eredményeként a Műegyetem csapata elnyerte az I. Széchenyi-futam Alternatív hajtású járművek versenyének I. díját, valamint a Közép-magyarországi Innovációs Központ Legígéretesebb ötlet díját. Általános műszaki leírás: Motor: Könnyű vázszerkezete csőből épült. Elől két kormányzott, hátul egy hajtott kerék (3x1.20 ). A kerekek és fékek BMX alkatrészekből épültek össze (két külön fékkar a jobb első és bal első kerék fékezéséhez). Kerékdőlés: 8 o Kormány áttétele: 1:2 Tömege 60 kg Végsebesség: 50 km/h A meghajtást kerékpár lánckerekeken és dupla láncon keresztül elektromos villanymotor végzi. Az energiaellátást 12 darab sorba kapcsolt ultrakapacitású kondenzátor biztosítja. Többpólusú, állandó mágneses forgórészű, 3 fázisú, egyenáramú, elektronikus kommutációs motor. A megfelelő fázistekercsek ki és bekapcsolását a forgórész mágneses terét érzékelő hall szenzorok vezérlik. Ha a tápfeszültség 15 V alá esik, az elektronika kikapcsolja a motort. Névleges feszültség: 24 V AC I max : 230 A Teljesítmény: 3.9 kw. Kondenzátorok: 12 darab sorba kötött MAXWELL ultrakapacitású kondenzátor, egyenként 2.7 V, 3000 F Sorbakapcsolt rendszer: 32,4V, 250F Max töltőáram: 750A Max terhelhetőség: 500A 3

Síkkondenzátorok, elektrolit-kondenzátorok, ultrakapacitású kondenzátorok Elméleti alapok Elektromos mező Az elektromos állapotban lévő testek erőt fejtenek ki egymásra anélkül, hogy egymáshoz érnének, azaz a test maga körül úgynevezett elektromos mezőt kelt, amely a benne levő elektromosan töltött testekre erőt fejt ki. Ily módon a mező mintegy közvetíti az erőhatást töltés és töltés között. A töltésnek tehát kettős szerepe van: egyrészt mezőt gerjeszt, másrészt az elektromos mezőből impulzust (lendületet) vesz fel: más töltés mezeje erőt fejt ki rá A próbatestre kifejtet erő: F= Q E Ahol Q a próbatestre vonatkozik, és a test töltését fejezi ki, Az E vektormennyiség a hely függvénye, és a mezőt pontonként jellemzi erőkifejtő (lendítő) képesség szempontjából. Neve: térerősség Elektromos térerősség A térerősség a mezőbe helyezett pontszerű testre ható elektromos erőnek és a test töltésének hányadosa: E=F/Q Ha egy mező minden pontjában azonos nagyságú és irányú a térerősség, homogén elektromos mezőnek nevezzük. Erővonalak A mező minden pontjához tartozik egy jellemző irány, amely az ottani térerősség-vektorok iránya. Ezek az irányok nem rendszertelenül helyezkednek el a térben, hanem a mező egyik pontjából áttérve annak egy közli másik pontjára, a térerősség-vektor iránya és nagysága csak kicsit változik meg. A tapasztalat azt mutatja, hogy a mezőben olyan folytonos görbék húzhatók, amelyek érintői éppen az érintési ponthoz tartozó elektromos térerősség vektorának tartó egyenesei. Ezeket a görbéket nevezzük elektromos erővonalaknak. Az erővonalaknak irányítása is van, mely a térerőség irányát mutatja. Továbbá megállapodás szerint noha a tér minden pontján át húzható erővonal csak véges számút rajzolunk meg (gondolunk el), mégpedig annyit, hogy az erővonal sűrűsége (a rájuk merőleges felület egységnyi területén áthaladó erővonalak száma) megegyezzék az ottani térerősség nagyságával: E = ψ, ahol Ψ az erővonalakra merőleges A területen áthaladó erővonalak A száma. A Ψ=E A mennyiséget az A területen áthaladó elektromos fluxszusnak nevezzük. Mértékegysége: [N m 2 /C] Elektromos dipólus Két ellentétes előjelű, egyenlő abszolút értékű töltéssel ellátott pontszerű testet szigetelőrúddal összekötünk, elektromos dipólust kapunk. A homogén elektromos mező csak forgatónyomatékot fejt ki rá, mert erőpár hat rá. Feszültség Az elektromos mező F=Q E erőt fejt ki a benne tartózkodó töltésre, ezért ha a töltés elmozdul, azon a mező munkát végez. Ha a mező homogén és a töltés erővonal mentén mozog, a térerősség irányába a végzett munka: W = Q E d Az A pontnak B ponthoz viszonyított feszültségén az elektromos mező A-ból B-be mozgó testen végzett munkájának és a test töltésének hányadosát értjük. WAB Homogén mezőben, erővonal mentén elhelyezkedő A és B pont esetén: U AB = = E d Q 4

Vezetők az elektrosztatikus mezőben Ha fémes vezető kerül elektromos mezőbe, abba a mező behatol. Ezért a semleges vezető belsejében lévő pozitív és negatív töltésekre ellentétes irányú erő hat. Így a vezető könnyen elmozduló töltései nem maradnak nyugalomban, hanem a felület felé áramlanak, és ezért a fém átellenes felületelemein pozitív és negatív töltés halmozódik fel. A töltésmozgás addig tat, míg a fém belsejében az elektromos mező meg nem szűnik. A tapasztalat szerint ugyanis a felületre kihajtott töltések rövid idő alatt olyan saját mezőt hoznak létre, mely az eredeti mezőre szuperponálódva a fém körüli mezőt módosítja, míg a fémbe behatoló mezőt kioltja. Ily módon új egyensúlyi állapot jön létre A semleges vezető töltéseinek külső mező hatására való szétválasztását elektromos megosztásnak nevezzük. Az eredetileg semleges fémtest össztöltése természetesen zérus marad. A külső mező erővonalai a fém felületén lévő töltésekbe futnak, ill. onnan indulnak ki, mindenütt merőlegesen a fém felületére, mert a fémfelület egyensúlyban ekvipotenciális felület. Ugyanis elektrosztatikus állapotban a fém belsejében a térerősség 0, tehát a potenciál a fém egész térfogatában (és így a határfelületén is) állandó ( U1-U 2 =Ed=0, U1=U 2 =áll) Ha fémes vezetőt feltöltünk, a többlettöltés kizárólag a külső felületen helyezkedik el! Egyensúlyban, a fém belsejében ugyanis nem lehet többlettöltés, mert azt az általa keltett mező szétoszlatná, a vezető külső felületére hajtva a töltéseket. Kapacitás A fémre vitt pozitív többlettöltés növeli a fém potenciálját: minél több töltést adunk a környezettől elszigetelt vezetőnek, annál nagyobb lesz a felhalmozott töltés energiája és így a vezető potenciálja is. Bizonyítható, hogy ha a fémre kétszer, háromszor stb. több töltést viszünk, a fém potenciája is kétszeresére, háromszorosára stb. nő, tehát a fémre vitt töltéssel egyenesen arányos, azaz: Q = állandó U Ezt a fémtestre jellemző, alakja és mérete által meghatározott állandót kapacitásnak nevezzük, és C-vel jelöljük. Így tehát a kapacitás a fémre vitt töltés és a létrejövő potenciál hányadosa: Q C = U Számértékileg a kapacitás megadja, hogy a vezető mekkora töltést képes befogadni (felületére fölvinni) egységnyi potenciálemelkedés kíséretében. A kapacitás egysége: coulomb/volt. Neve farad, jele F 5

Síkkondenzátorok A kondenzátorok arra szolgálnak, hogy minél több töltést tároljanak, minél kisebb feszültségen, vagyis minél nagyobb legyen a kapacitásuk. Ha egy feltöltött fémtestet közel viszünk a földhöz, annak potenciálja lecsökken. Ugyanez történik akkor is, ha egy feltöltött sík fémlemezhez közel viszünk egy vele párhuzamos, leföldelt fémlemezt. Ezt az elrendezést nevezzük síkkondenzátornak. A földeletlen lemez Q töltése a másik lemezen megosztással Q töltést hoz létre (amely a földől áramlik a lemezre) A földelt lemez töltése tehát Q, és a lemez 0 potenciálon van, vagyis a feltöltött kondenzátor feszültsége U=Q/C A nagy kiterjedésű, ellentétes töltésű, egymáshoz igen közel levő párhuzamos síklemezek között a szuperpozíció törvényének megfelelően homogén mező alakul ki, míg a lemezeken kívül a szórt mező elhanyagolható. Ebben a mezőben a térerősség az E=U/d összefüggéssel adható meg, ahol d a lemezek közti távolság. Az E térerősség viszont az erővonal-sűrűséggel egyenlő, vagyis E=Ψ/A, ahol A a szembenálló felültek területe. Mivel minden erővonal a földelt lemezbe fut be, Ψ egyben az összes erővonalszámot is jelenti, amely Gauss tételének értelmében Q/ε 0 -val egyenlő, tehát a térerősség: 1 Q E = ε 0 A ε 0 a vákuum dielektromos állandója A lemezek között tehát 1 Q U = E d = d ε 0 A feszültség lép fel. A síkkondenzátor kapacitása a C=Q/U értelmezés alapján: ε A C = 0 d Vagyis a síkkondenzátor kapacitása egyenesen arányos a szembenálló lemezek területével, és fordítottan arányos a köztük lévő távolsággal. Ha növelem a felületet, növekszik a felvihető töltések száma, ha csökkentem a távolságot, csökken a fegyverzetek között a feszültség. Ha a kondenzátorlemezek közti teret szigetelőanyag tölti ki, annak kapacitása megnő. A szigetelőanyag molekulái ugyanis a mező erővonalainak irányában rendezett dipólusokká válnak, s így a szigetelőlemez átellenes felületein, ellentétes többlettöltés jelenik meg. Ezt a jelenséget dielekrtomos polarizációnak nevezzük. Az eredeti és polarizált töltések mezeje szuperponálódik, és így a szigetelőben a térerősség lecsökken. Ezzel a lemezek közti feszültség is lecsökken, vagyis a kondenzátor kapacitása megnő. 6

Azt a számot, amely megadja, hogy hányszorosára nő egy kondenzátor kapacitása, ha a lemezek közé vákuum helyett szigetelőt teszünk, az illető szigetelőanyag relatív permittivitásának (relatív dielektromos állandójának) nevezzük, és ε r -rel jelöljük: ε r= C/C 0 ahol C 0 a kapacitás szigetelő nélkül, ε r dimenziótlan szám. Így a szigetelővel kitöltött síkkondenzátor kapacitása: C = Az ε=ε r ε 0 szorzatot a szigetelőanyag abszolút permittivitásának (abszolút dielektromos állandójának) nevezzük További vizsgálatokból következően egy kondenzátor által tárolt energia: 1 2 E = C U 2 ε 0 ε d Kondenzátor töltési ideje állandó töltőáramot feltételezve: r A Q Q I = ; C = t U C U t = I K Elektrolit-kondenzátorok Az eddig megismertek alapján láthatjuk, hogy a kondenzátorok kapacitását úgy tudjuk növelni, hogy: növelem a lemezek felületét, azaz növelem a felvihető töltések számát csökkentem a lemezek közti távolságot, azaz csökkentem a feszültséget szigetelőt (dipólust) teszek a fegyverzetek közé, mely polarizálódva elektromos teret hoz létre, amely a szuperpozíció következtében lecsökkenti az eredeti térerősséget, így a feszültséget is. Elektrolit kondenzátor felépítésekor úgy csökkentjük a távolságot, hogy szigetelő rétegnek igen vékony, kb. 10-4 mm vastagságú alumínium oxid réteget használunk, melyet a pozitív fegyverzeten helyezünk el. A fegyverzetek közti távolság ilyen mértékű lecsökkentése nagy kapacitást eredményez, azonban a réteg elektromos igénybevehetősége kicsi. Bekötésnél ügyelni kell a megfelelő polaritásra, mert különben tönkremegy a kondenzátor! 7

Ultrakapacitású kondenzátorok Működésük az elektrokémiai kettős réteg elvén működik. Felépítésük a jobb oldali ábrákon látható. A fegyverzetek fém fóliára felvitt aktív szénréteg képezi, ezzel az elosztás igen finomszemcsés 1000 m 2 /g sűrűségű. A fegyverzetek között egy szeparáló réteg és folyékony halmazállapotú elektrolit található, ami igen kis ion méretű: 1-2 nm. A szeparáló réteg villamos szempontból szigetelő, de az ionok számára könnyen átjárható réteg. A töltés folyamata alatt, a + és - ionok a negatív és pozitív töltöttségű lemezekhez vándorolnak, és így jön létre, az un. elektrokémiai kettős réteg. Föltöltött állapotban két síkkondenzátorból és egy ohmikus ellenállásból összeállított rendszernek felel meg a feltekercselhető kettős fólia. A helyettesítő kapcsolásban látható ESR ellenállás az ionok áramlási ellenállásával egyenértékű ohmikus ellenállás. A kapacitás nagysága a fólia felületével állítható be. Az ultrakapacitású kondenzátorok kapacitás értéke már jelenleg is 1000-5000 F közötti. A kondenzátorok sorba-kapcsolásakor figyelembe kell venni, hogy a belső ellenállások különbözőek lehetnek, ami egyenlőtlen feltöltődéshez, túltöltődéséhez vezethet. Túltöltött kondenzátorok könnyen tönkremehetnek, akár fel is robbanhatnak, ezért kiegyenlítésre van szükség. Ezek a kiegyenlítők láthatok a kondenzátorok között. Töltéstárolás elve a kettős rétegben és a hozzátartozó potenciál átmenet egy ultrakapacitású kondenzátorban a helyettesítő kapcsolási rajzzal Egy ultrakapacitás felépítése [1] Különböző típusú kondenzátorok fölépítése Montena cég tekercselt ultrakapacitása Az ultrakapacitású kondenzátorok élettartama egy nagyságrenddel meghaladja az akkumulátor élettartamát. A hibrid hajtású járműveknél jelenleg alkalmazott kondenzátorok energiaűrűsége 10 Wh/kg körül változik, a gyártók ezekhez 10-20 éves élettartamot ígérnek. Ultrakapacitású kondenzátorok élettartama a hőmérséklet és feszültség függvényében 8

Energiatárolás elektromos hajtás Ha megnézzük a diagrammot és a táblázatot, akkor látható, hogy az ultrakapacitású kondenzátorok rövid ideig de nagy teljesítményt tudnak leadni rövid töltési idő mellett. Ha megvizsgálunk egy elektromos hajtású járművet, a nagy áram fellépése a féküzemben, a nagy teljesítmény szükséglet a gyorsításnál jelentkeznek, de ezek mind rövid idejűek. Tartós de nem olyan nagy teljesítmény a haladó mozgásnál szükséges. Ha csak akkumulátorokkal akarjuk megoldani a hajtást, akkor megfelelő számút kell párhuzamosan kapcsolni, hogy a szükséges teljesítményt le tudják adni, a nagy töltőáramot fel tudják venni amellett, hogy ne menjenek hamar tönkre. Ugyanis ha azt szeretnénk, hogy egy akkumulátornak hosszú legyen az élettartama, akkor az a jó, ha a töltő és kisütő áram erőssége nem haladja meg a kapacitásának kb. 10 százalékával megegyező értéket. Ez nagy helyet és plusz súlyt jelentene. Ha viszont ultrakapacitású kondenzátorokat akkumulátorokkal együtt működtetünk, ki tudjuk használni mind a kettő előnyét megfelelő élettartam, súly, térfogat mellett. Paraméter Hagyományos kondenzátorok Ultrakapacitás Akkumulátorok Kisütési idő 10-4 - 10-3 [s] 1-30 [s] 0,3-3 [h] Töltési idő 10-4 - 10-3 [s] 1-30 [s] 1-5 [h] Fajlagos energia [Wh/kg] Fajlagos teljesítmény [W/kg] <0,1 1-10 10-100 >100 000 10 000 50-200 Töltés/kisütés hatásfoka ~1 0,9-0,98 0,7-0,85 Ciklusszám >10-10 100 000-500 000 500-2000 A kisautóban elsőként felhasznált EPCOS kondenzátor [2]: 9

A kisautóban jelenleg felhasznált Maxwell kondenzátor [7] : 10

Elvégzendő mérések: Kondenzátorok töltése Feladat: EPILLANATNYI 1. Fölrajzolandó az U-t, I-t, E-t, Töltöttség-t diagrammok a töltés EMAX folyamata alatt! 2. A korábbi összefüggések alapján számítsa ki a töltőáramot, majd hasonlítsa össze a mért értékekkel! Ha van eltérés, azt mi okozhatja? 3. Mennyi időre lenne szükség, ha a maximális (750 A) árammal töltenénk? Kondenzátorok kisütése Önkisülés: Idő [nap] Feszültség [%] C=-35 Feszültség [%] C=-5 Feszültség [%] C=25 Feszültség [%] C=65 0 100 100 100 100 1 98 98 94,5 85 2 97,8 97 92 79 3 97,5 96 90 76 6 97,4 95 88,5 70 10 97,4 94,5 87,5 64 20 97 93,5 86,3 56,5 21 97 93 86 55,8 Önkisülés a hőmérsékletek függvényében 100 90 80 Uo 70 60 50 40 30-35 C -5 C +25 C +65 C 0 5 10 15 20 25 Idő [nap] 11

Menet közbeni mérés: Mindenki egy előre meghatározott sebességgel megy végig a pályán. 1 kör kb. 240m. A km-óra rögzíti a köridőt, és megtett utat. Sebesség [km/h] : Köridő [s] : Úthossz [m] : Feladat: EPILLANATNYI 1. Fölrajzolandó az U-t, I-t, P-t, E-t, Töltöttség-t diagrammokat a EMAX kisütés folyamata alatt. 2. Adja meg az adott sebességhez tartozó egy kör alatti energiacsökkenést (Ahol a feszültség egy darabig állandó ott fejeződött be egy kör) 3. Becsülje meg, hogy hány métert tudna megtenni adott sebességgel egy 70 kg-os ember. Ellenőrző kérdések: 1 Mit jelent az elektromos térerősség? Mit jelent az elektromos dipólus? 2 Mit jelent A pontnak B ponthoz viszonyított feszültsége? Mit jelent a kondenzátorok kapacitása? 3 Milyen módokon növelhető a kondenzátor kapacitása, és miért? 4 Miért van szükség a kondenzátorok közti kiegyenlítőkre? Rajzolja le az ultrakapacitású kondenzátorok helyettesítő kapcsolását! Mi az az ESR? 5 Rajzolja le az ultrakapacitású kondenzátor felépítését, megnevezve az egyes részeket! Fogalmazza meg pár szóban a működési elvüket! 6 Hasonlítsa össze az ultrakapacitású kondenzátorokat az akkumulátorokkal! 12

Felhasznált irodalom: [1] http://en.wikipedia.org/wiki/supercapacitor#column-one [2] http://www.epcos.com/inf/20/35/ds/b49410b2366q000.pdf [3] http://world.honda.com/fuelcell/fcx/ultracapacitor/ [4] http://www.cap-xx.com/resources/reviews/strge_cmprsn.htm [5] http://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-c03-elchem-cap.htm [6] Holics László Fizika 1 Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1992 [7] http://www.maxwell.com/ultracapacitors/products/large-cell/bcap3000.asp 13