Villamos és hibrid kishaszonjárművek hajtás problémái Varga Zoltán PhD, okleveles gépészmérnök, Széchenyi István Egyetem Közúti és Vasúti Járművek Tanszék, vargaz@sze.hu Absztrakt: A kishaszonjáművek átalakítása hibrid illetve villamos hajtásúvá számos hajtáselméleti, hajtóműtechnikai és gyakorlati problémát vet fel. A villamos motorok elhelyezése, és a kerekekhez vezető hajtómű kialakítása megfelelő tömegviszonyok, áttétel és kedvező hatásfok elérése érdekében valósítandó meg. A választott hibrid hajtás hatásfokának javítása érdekében szükséges kerékagy tengelykapcsolók az összkerékhajtások, és automatikusan működtetett hajtóművek szerkezeti egységeiből fejleszthetők. A tengelykapcsolók működtetése a villamos hajtás vezérlőprogram által CAN-BUS rendszeren történhet. 1. BEVEZETŐ Kishaszonjármű pontosan nem definiált fogalom, néhány száz kg és 2-3 t hasznos teher szállítására alkalmas közúti gépjármű, amelynek jelentősége főként a rövidtávú áruszállításban van. Az ilyen járművek villamos hajtása már nagyon korán napirendre került, főként a sűrűn lakott területek közlekedési környezetterhelésének csökkentése érdekében, illetve a korai motorizáció idején az egyik útkereső technikai megoldásként. Hibrid hajtás ebben a járműkategóriában kevésbé terjed, még olyan mértékben sem, mint a személygépkocsik területén, aminek okai kézenfekvőek: nagy saját tömeg, magasabb előállítási költség, bonyolult szerkezet, nagyobb üzemeltetési költségek. Miért, mikor vetődhet fel egyáltalán egy hibrid kishaszonjármű gondolata, hol lehet ezeknek létjogosultsága? Csak akkor, ha már a villamos hajtás valamilyen formája szükségessé illetve lehetővé válik. Ez nem olyan horderejű kérdés, mint a személygépkocsiknál, de főként a sűrűn lakott körzetek ellátásában jelentős környezeti előnyökkel járhat. Üzemgazdaságossága csak akkor jobb, mint a belsőégésű járműveké, ha a villamos energiát külső forrásból kapja. (1. ábra) Ha figyelembe vesszük a hibrid hajtások előállítási költségeit, akkor egyértelműen kijelenthető, hogy gazdaságossági szempontból a jelenlegi nagy teljesítményű hibrideknek nincs tisztán gazdasági szempontú létjogosultsága. A villamos hajtású járművek önálló üzemeltetése lenne kívánatos, azonban a tisztán villamos hajtás korlátai miatt egyelőre a hibrid járművek terjednek inkább. 1. ábra: Hagyományos és hibrid járművek energia költségei (forrás: CNW Marketing Research Inc.)
A belsőégésű motor használatának szükségessége kis tehergépkocsiknál: A jármű használhatóságának a fenntartása érdekében, ha az akkumulátorok kimerültek. Nagyobb sebességű forgalomban, hosszabb távokon. Gyakori emelkedőkkel rendelkező útvonalakon. 2. MILYEN HIBRID HAJTÁS LEHET CÉLSZERŰ EGY KISHASZONJÁRMŰBEN? A személygépkocsiknál használatos sokféle rendszerből elvileg bármelyik megvalósítható, de a kis darabszám és a jellemzően kisebb sebesség, illetve teljesítményigény inkább az egyszerűbb megoldásokat helyezi előtérbe ezeknél a járműveknél. Mind a villamos, mind pedig a hibrid hajtások fejlesztésénél a létező haszonjárművek átalakítása, továbbfejlesztése lehet egyelőre időszerű, teljesen új járművek fejlesztése helyett. A fentiek alapján inkább a párhuzamos hibrid rendszerek alkalmazhatók a kishaszongépjárműveknél, mivel ezeknél a meglévő belsőégésű motoros hajtás változatlanul maradhat és vele párhuzamosan alakítható ki egy olyan villamos hajtás, amely esetleg önállóan is használható. A viszonylag egyszerű soros hibridhajtások közül a mikro elnevezésű, start-stop rendszert megvalósító szerkezetek a korszerű dízel motorok egyszerűbb indítási lehetőségei mellett valósíthatók meg. Az átépítés szempontjából legegyszerűbb megoldás a belsőégésű motoros hajtás változatlan megtartása az egyik tengelyen és villamos hajtás kialakítása a másik tengelyen. Ennek a rendszernek az egyszerűség mellett előnye, hogy a két hajtás egymástól teljesen függetlenül és együtt is használható, amely sok üzemeltetési és forgalmi előnyt jelent a jármű számára. Jó hatásfokkal ez a rendszer akkor használható, ha a hajtások teljes mértékben leválaszthatók a kerekekről, hogy ne kelljen vonszoló üzemben mozgatni az éppen nem működő hajtóművet. Ennél a megoldásnál jelentős hátrány, hogy az akkumulátorokat csak külső energiaforrásból célszerű tölteni, az elvileg rendelkezésre álló vonszoló töltés hatásfoka nagyon rossz. Egyszerűen megvalósítható a hatótávolságot kiterjesztő (range extender) hajtásrendszer, amelynél a belsőégésű motort csak az akkumulátorok töltésére használjuk fel. Ennek a rendszernek az üzemeltetési költsége annál nagyobb, minél inkább a belsőégésű motorra hagyatkozunk az akkumulátorok feltöltésénél. Az utóbbi két változat villamos hajtásrendszere azonos lehet, a belsőégésű motortól teljesen függetlenül építhető a járműbe, annak üzemeltetésével összehangolható, a korábbi vezérlő, működtető elemek megtartásával, korlátozott átalakításával. 3. KISTEHERAUTÓ ÁTALAKÍTÁSA HIBRID ELEKTROMOS JÁRMŰVÉ Az ilyen járművek villamos hajtásának kutatás fejlesztési munkáit célszerű az első megoldással kezdeni és a fejlesztést ennek tapasztalatai után folytatni a hatótávolságot kiterjesztő illetve a tisztán villamos meghajtású járművek irányába. Nevezzük a villamos és belsőégésű hajtást egyszerre nem használó párhuzamos hibrid megoldást vagy hibridnek. Haszonjárműnél érdemes ezt a rendszert használni, ahol vagy csak a belsőégésű motoros vagy csak a villamos rendszer hajtja a járművet, mivel itt talán nincs akkora piaci teljesítményigény, mint a személygépkocsiknál. Hajtásmechanikai szempontból a jármű vagy front, vagy hátsókerék meghajtású. A személygépkocsiknál szóba jöhető együttes, összkerékhajtás ennél a járműkategóriánál nem nagyon aktuális, az átalakításban és üzemeltetésben sok problémát vet fel. Az eredetileg fronthajtású, keresztmotoros jármű merev hátsó tengelyének helyére beépíthető egy hajtott híd. Ez olyan járműveknél egyszerű, amelyeknek hátsókerék meghajtású változatai is vannak. A hibrid jármű kapcsolási vázlata látszik a 3. ábrán. 3.VILLAMOS MEGHAJTÁS VÁLTOZATOK A HÁTSÓ TENGELYEN A hátsó, általában merev híd meghajtása az eredeti járműben kardántengellyel történik, amely egy kúpkerekes haránthajtóművet forgat. Ebben van a kúpkerekes differenciálmű, amely a féltengelyekre elosztja a hajtónyomatékot. A merev tengelyes, laprugós kerékfelfüggesztést megtartva különböző villamos hajtásváltozatok alakíthatók ki. Hosszmotor az alvázban A legkevesebb átalakítással az alvázban hosszanti irányban elhelyezett villanymotor beépítés jár, amelynél a villamos motor az eredeti kardánhajtást felhasználva hajtatja a járművet. Ennek a hajtásnak a hátránya a kúpkerék hajtómű rossz hatásfoka. Ez főként tolóüzemben jelent nagy veszteséget illetve a legnagyobb nehézséget a kúpkerekek hátoldali
terhelését. A tolóüzemi veszteség belsőégésű motoros hajtás üzemmódban a kerékagy tengelykapcsolók használatával kiküszöbölhető. Azonban villamos hajtás használatánál mindenképpen fellép, és villamos fékezés esetén nagymértékben csökkenti az ívelt fogazású kúp és tányérkerék élettartamát. Keresztben elhelyezett villamos motor a tengelyen A hátsóhídban lévő hajtómű átalakításával lehetőség nyílik a villamos motor elhelyezésére a merev tengelyen. Ezt a megoldást több kisebb villamos hajtású járműnél is használják.
Be Mech. fék Indítókapcsoló Üzemmód választó kapcsoló Ki Gáz Fék E.-Kormányszervó Jármű vezérlő Elektromos E.Vákuumszivattyú Belső égésű 4x4 Indító akku E.- Vizszivattyú Hőérzékelő Kerékagy kapcsoló Generátor Belsőégésű Motor Váltó Diff eren ciál mű 12V vezérlő Töltő ~400V 3F Szabv. Csatlakozó Akku Csomag Töltés vezérlő Napelem Motor vezérlő Olaj szivattyú Víz-olaj hőcserélő (fűtés) Hőérzékelő Villamos motor Motor és vezérlő olajhűtő köre 3. ábra: Kishaszonjármű lehetséges hibridhajtásának kapcsolási vázlata (forrás: saját szerkesztés)
4. ábra: Villamos hajtás hátsó tengelyre épített motorral (Forrás:Leier Eco-Line Kft.) Előnyös, hogy itt homlokkerékpárt alkalmazhatunk, amelynek jobb hatásfoka van, és a visszahajtásnál sem keletkezik akkora igénybevétel a fogakon, mint a haránthajtóműben. A differenciálmű változatlanul megmaradhat a féltengely hajtással és a kerékagy kapcsolókkal együtt. Szintén előny, hogy a hajtómű áttétel esetleg nagyobb lehet, amely lehetővé teszi a villamos motor méretének csökkentését. A motor kialakításánál a megfelelő nyomaték elérése a motor hosszának növelésével célszerű, mivel az átmérő helyproblémák és a megfelelő nagyságú áttétel szükségessége miatt nem lehet túl nagy. A használható motor méreteknél azonban 1:2-nél nagyobb áttétel megvalósításához már kétfokozatú hajtómű szükséges, amely növeli a rendszer bonyolultságát és tömegét.. Keresztben két villamos motor a tengelyen Amennyiben a futóművet szimmetrikusan célszerű kialakítani, valamint két kisebb villamos motor alkalmazására nyílik lehetőség. Ennél a megoldásnál a motorok együttes tömege nagyobb, valamint a felfogatás, hűtés és vezetékezés bonyolultabb lesz, mint az előző megoldásnál. Két villamos motor differenciálmű nélkül Ennél a megoldásnál a villamos motorok külön épített véghajtóművekhez kapcsolódnak és nincs bent mechanikus differenciálmű. Ez a hajtómű változat két párhuzamos kerékhajtással rendelkezik. A differenciálás a villamos motorok nyomatékszabályzásával megoldott. A differenciálmű elmarad, ami csekély hatásfok javulást eredményezhet. A híd tömege az előző megoldáshoz képest valamennyire nö, mivel még egy fogaskerékpár, valamint azok csapágyazása szükséges. Ez a felépítés lehetőséget ad a hátsó kerekeknél a hajtó és fékező nyomaték kerekenkénti villamos szabályzására, amely a jármű stabilitás javítására is használható kritikus üzemmódokban. Két villamos motor a kerekeknél, kerékagymotorok Az utóbbi előnyökkel rendelkezik minden kerékagy motoros meghajtású jármű. A kistehergépkocsiknál is megvalósítható kerékagyhajtás, amely azonban nagyon sok alkalmazástechnikai problémát vet fel. Az első a motor helyigényének biztosítása a keréktárcsán belül, a fékek közelében. A továbbiakban gondot okoz merev tengely alkalmazása esetén a hídtest átalakítása. Szintén probléma a kábelezés és a motorok hűtése. Nagy hibalehetőség a kerekek közelében, az úthoz közel lévő állandó mágnesű motorok szennyezés érzékenysége. A motor méret csökkentés érdekében célszerű itt is mechanikus hajtóművet alkalmazni, ami a kerékagy esetében leginkább bolygómű lehetne. Ennek hatásfok, hűtés, hely és zaj problémái szintén nehezítik az alkalmazást. Ennél a megoldásnál is jelentős a kerék tömeg növekedése. Ezek miatt egyelőre nem látszik célszerűnek közvetlen kerékagymotoros hajtás alkalmazása a kishaszonjárművek villamos hajtásánál. Ennek ellenére a megoldást több helyen alkalmazzák. 4. A KERÉKHAJTÁSOK KAPCSOLHATÓSÁGÁNAK A SZÜKSÉGSZERŰSÉGE A jármű belsőégésű motoros meghajtó üzeme esetén a villamos hajtóművet célszerű leválasztani a kerekekről, illetve villamos üzem esetén a kerekeket a mellső differenciálműről. Mindkét üzemmód esetén viszont nagyon fontos a villamos fékezés, részben a fékrendszer kímélése részben pedig a fékezési energia visszanyerése céljából. A rendszer hatásfok
növelése érdekében az ilyen típusú hibridizáció fontos eleme egy vezérelhető kerékagy kapcsoló rendszer, amely a kerekeket képes leválasztani a meghajtó féltengelyekről. A feladat a járműtechnikában nem ismeretlen, egyes összkerékhajtású járművek rendelkeznek olyan leválasztó kapcsolóval, amely kézi vagy távvezérelt működtetéssel a kerékagynál lekapcsolja a kerék hajtását a féltengelyről. A különbség az általában használt megoldásokhoz képest az, hogy a hibrid rendszernél lehetőséget kell biztosítani a menet közbeni, esetleg terhelés alatti kapcsolásra. Lehetséges tengelykapcsolók Az összkerékhajtású járműveknél alkalmazott kézi illetve távvezérelt kapcsolók lehetnek a fejlesztés kiinduló konstrukciói. Ezeknél általában alakzáró kötésű, bordás tengelykapcsolatot használnak, amelyek vákuumos illetve villamos kapcsoló egységgel rendelkeznek. Energetikai szempontból mindenképpen az alakzáró kapcsolók előnyösek, mivel nem igényelnek állandó erőkifejtést sem ki, sem bekapcsolt állapotban. Más alakzáró kötésű oldható tengelykapcsolók is szóba jöhetnek, de mindegyik problémája a nyomatékkal terhelt kapcsolás. Terhelt állapotban az erőzáró kapcsolatok nyithatókzárhatók. Ilyen a lamellás tengelykapcsoló, amely a járműiparban elterjedt. Ennek problémája az üres állapotban fellépő folytonos súrlódó nyomaték valamint a kapcsolási erő fenntartásához szükséges állandó erő, amelyet rendszerint mindig üzemelő hidraulikus rendszer biztosít folytonos energia igénnyel. A belsőégésű motoros hajtást elvileg elegendő lenne álló helyzetben kapcsolni, mert erre a villamos üzemben egyáltalán nincs szükség, tehát itt megfelelő lehet egy akár kézzel működtethető alakzáró, bordás kerékagy tengelykapcsoló. A villamos hajtást viszont belsőégésű motor üzemben fékezésre kellene használni és ennek bekapcsolása gyorsan, nyomatékkal terhelt, forgó üzemben kell, hogy megtörténjen. Itt volna szükség az erőzáró kapcsolóra. A lamellás kapcsolón kívül új megoldásként szóba jöhet egy magnetoreológiai kapcsoló is, amelyet szintén összkerékhajtású járművekhez fejlesztettek ki. A tengelykapcsolók működtetése, vezérlése. 5.ábra magnetoreológiai tengelykapcsoló (Forrás:ATZ On-line.) A hajtásleválasztó tengelykapcsolók be és kikapcsolása nagyon sok járműegység üzemi állapotától függ és vezérlését ezek alapján kell végrehajtani. Ennek érdekében a kapcsolók működtetése mindenképpen független kell legyen a gépkocsivezetőtől és automatizálható kapcsolást kell hozzájuk kifejleszteni. Amikor a belsőégésű motor hajt, az első tengelyen a tengelykapcsolók zárnak a hátsón nyitnak. Ha belsőégésű motoros üzemben fékezünk, a hátsó tengelykapcsolók is zárnak. Villamos hajtásnál a mellső tengelyen a kapcsolók oldott a hátsón mindig zárt állapotban vannak. A jó villamos hajtás hatásfok érdekében a belsőégésű motor hajtás tengelykapcsolót működtető erő nélkül kikapcsolva, a villamos hajtást pedig bekapcsolva kellene tartani. A tengelykapcsolók működtetése tehát szükségszerűen legalább a villamos hajtásnál automatizált kell, hogy legyen. Az automatizáláshoz távolról működtethető kapcsoló berendezés kell, amely villamos, hidraulikus, pneumatikus lehet. Gyakorlati példa mindegyikre található, az optimális berendezés megalkotásához jelentős fejlesztésre van szükség.
A kapcsolóberendezésnek a járművel való kommunikációját a járműhöz tervezett BUS rendszer valósítja meg. 6.ábra. A kommunikációs hálózat csatoló dobozához (Junction box) kapcsolódó tengelykapcsoló vezérlők a jármű CAN BUS hálózatán kapják a vezérlő program utasításait. 6. ábra: Hibrid jármű CAN-BUS rendszer (Forrás:Mesics Imre.) 5. ÖSSZEFOGLALÁS Egy kisméretű tehergépkocsi villamos illetve hibrid erőátvitelének egyes hajtás mechanikai problémáinak lehetséges fejlesztési irányait tárgyalta a fenti gondolatmenet. A belsőégésű motoros járművek hajtóművei magas technikai fejlettséget értek el, a nagyszámú technikai megoldás elegendő választékot nyújt a villamos hajtásrendszerek mechanikus elemeinek a kifejlesztéséhez. Az alkalmazott hajtóművek azonban egyes esetekben más alkalmazási körben kerülnek felhasználásra és ezért módosítást, fejlesztést igényelnek. A kishaszonjárművekre tervezett elektromos hajtás, illetve a hibrid rendszer nagyon jó lehetőséget ad a belsőégésű motoros járművek átalakító fejlesztésére. A fentiekben ennek bemutatására került sor főként a villamos hajtás mechanikus hajtóműveinél illetve a hibrid hajtáshoz szükséges kerékagy tengelykapcsolók területén..