Elektromos hajtásrendszerű autóbuszok Készííttetttte:: Dr.. Nagy Viince Ph..D..,, kandiidáttus,, egyettemii docens,, ttanszékvezettő Dr.. Lakattos Isttván Ph..D..,, egyettemii docens Lekttorálltta:: Dr.. Horvátth Ballázs Ph..D..,, egyettemii docens,, ttanszékvezettő Győr,, 2012..
Tartalom 1. BEVEZETÉS... 5 2. Autóbuszok elektromos hajtásrendszer megoldási lehetőségei... 5 2.1 Az egyes hajtásrendszerek világszerte látható előfordulásainak áttekintése... 6 2.1.1 Dízelmotoros hibrid autóbuszok... 6 2.1.2 Hibrid rendszerek struktúrái:... 17 2.1.3 A párhuzamos hibrid rendszerű autóbuszok üzemi tapasztalatai (Kanadai források alapján) 19 2.1.4 Daimler-Benz hibrid busz a tengerentúlon... 37 2.1.5 A BAE-System +New-flyer, USA: DE40LFA transit bus:... 40 2.1.6 VOLVO 7700 hibrid busz... 43 2.1.7 Allison hibrid hajtású autóbuszok... 46 2.2 Európai hibrid autóbusz-gyártmányok... 51 2.2.1 A ZF AG. hibrid hajtásrendszere... 51 2.2.2 A SCANIA hibrid busz... 52 2.3 Üzemanyagcellás hibrid busz: Kalifornia... 55 2.4 Trolibuszok... 57 2.4.1 Hajtáselektronika: Cegelec Ag.... 57 2.4.2 A SKODA villamos hajtású járművei: trolibuszok... 59 2.5 Összehasonlítás a dízel-hajtású- és a trolibuszok károsanyag-kibocsátására... 59 2.6 ÖSSZEGZÉSEK... 62 2.6.1 A hibridhajtások használati értékeléséről összefoglalóan:... 64 2.6.2 A hibridhajtások összehasonlítása a trolibuszokkal:... 64 3. Városi üzemeltetésű villamos hajtásrendszerű autóbusz menetdinamikai viselkedése... 66 3.1 A szimulációs vizsgálatok... 66 2
3.2 Jelleggörbék... 70 3.3 Az energetikai célú futtatások vizsgálatai... 73 3.4 Energiafogyasztás függvények előállítása... 74 3.4.1 Energiafogyasztás-emelkedő függvény... 75 3.4.2 Az energiafogyasztás-sebesség függvény... 75 3.4.3 Az energiafogyasztás-járműtömeg függvény... 76 3.4.4 Az energiafogyasztás-megállótávolság függvény... 76 2.4..Paraméter-érzékenység vizsgálatok... 77 3.4.5 Érzékenység az emelkedő változásaira:... 78 3.4.6 Érzékenység a sebesség változásaira:... 78 3.4.7 Érzékenység a járműtömeg változásaira:... 78 3.4.8 Érzékenység a megállótávolság változásaira:... 78 3.5 További vizsgálatok a segédüzem és a klíma energiafelvételének hatásaira... 79 3.5.1 Két megállótávon (500m) vizsgált vontatási adatok: sebesség max 35.5 km/h,... 80 3.6 A szükséges energiatároló képesség számítása:... 88 3.7 Töltés a felsővezetékről... 89 4. Városi üzemeltetésű autóbusz elektromos hajtásrendszerének kifejlesztéséhez rendszerterv megalkotása (Esettanulmány)... 90 4.1 Javasolható villamos hajtású autóbuszok hajtástechnikai jellege vidéki nagyváros városi közlekedésére... 90 4.2 A hajtásrendszer kiválasztásának szempontjai... 90 4.3 További megoldásváltozatok... 92 4.4 A javasolt villamos hajtású autóbusz elve és fő rendszertechnikai adottságai... 94 4.4.1 Felsővezetékes közlekedés... 95 4.4.2 Akkumulátoros közlekedés... 97 4.4.3 Vontatási akkumulátorok töltése... 98 4.4.4 Segédüzemi rendszer működése... 98 3
5. A jármű főegységek optimális elrendezésének meghatározása... 100 5.1 A jármű főegységek optimális elrendezésével kapcsolatos megfontolások... 100 5.2 A jármű főbb paraméterei... 103 6. A főáramköri komponensek paraméterrendszere... 106 6.1 Védelmi- és kapcsolókészülékek... 106 6.2 Vontatási akkumulátortöltőt tartalmazó segédüzemi átalakító... 108 6.3 Vontatási akkumulátor cellák... 111 6.4 Optimális eszközkészlet kiválasztása... 113 7. A jármű elektromos rendszerének hálózat kialakítás... 115 8. Mérési rendszer a városi üzemeltetésű elektromos hajtásrendszerű autóbusz menetdinamikai viselkedésének feltárásához... 117 8.1 A menetdinamikai paraméterrendszer felállítása... 117 8.2 A mérési elv... 118 8.3 A mérési rendszer... 118 9. Összefoglalás... 120 10. IRODALOMJEGYZÉK... 121 4
1. BEVEZETÉS Az ún. zéró emissziós járművek fejlesztése egyre fontosabb terület. Ezt a környezetvédelmi szempontok és az EU előírásai egyaránt alátámasztják. A tananyagban ennek a tématerületnek a műszaki szempontjait foglaljuk össze. 2. Autóbuszok elektromos hajtásrendszer megoldási lehetőségei Az autóbuszok eltérő koncepcióval kifejlesztett villamos hajtástechnikai megoldásai, hajtásrendszerei a járműbe épített energiaforrás szerinti csoportosíthatóak. Hibrid hajtásrendszerű buszok: dízelmotoros hibrid hajtásrendszer, üzemanyagcellás hibrid rendszer, kisteljesítményű dízelmotorral ellátott akkumulátoros buszok. Tiszta villamos hajtású buszok: trolibusz, akkumulátoros busz. A továbbiakban irodalmi források elemzése és összefoglaló értékelése alapján elemző áttekintést adunk - az egyes hajtásrendszerek világszerte látható előfordulásairól, - a leggyakoribb megoldást jelentő dízelmotoros- és a már megjelent, de még nem elterjedt üzemanyagcellás hibrid hajtású autóbuszok konstrukciós jellegzetességeiről, közlekedési értékeikről, hatásukról a környezetükre, - a trolibuszok néhány fontosabb sajátosságáról. 5
2.1 Az egyes hajtásrendszerek világszerte látható előfordulásainak áttekintése 2.1.1 Dízelmotoros hibrid autóbuszok A villamos erőátvitelű, hibrid hajtású városi autóbuszok legnagyobb számban adatforrásaink alapján- az Egyesült Államokban, Kanadában és az Egyesült Királyságban üzemelnek. Ismertségük és közkedveltségük gyorsan növekedett, és bár gazdasági hatékonyságuk mérsékelt a magas beruházási költség és a hosszú megtérülési idő miatt, gázolaj felhasználásuk 25-30 %-al kisebb a normál dízel buszokénál, környezetbarát jellegük vonzó. Alacsonyabb károsanyag-kibocsátásuk, kisebb zajszintjük, egyenletesebb vonóerő- és fékerőkifejtésük kellemesebb utazást tesz lehetővé, és egyúttal segíti a környezettudatos gondolkodás terjedését az utasok és a városvezetők között. A továbbiakban néhány külföldi megvalósítási példát mutatunk be: 2.1.1.1 Hibrid buszok arányának növekedése a NewYork City Transport városi autóbusz-üzemeltető közlekedési vállalat területén Az alábbi elemzés a NewYork City Transport cégnél készült: 2.1. ábra 1997-2010 között a hibrid busz állomány 27%-ra nőtt, a gázüzemű 1-ről 11 %-ra 6
Főbb célkitűzéseik a hibrid járművek bevezetésénél: - a Dízel-buszok emissziója elérhesse a legjobb gázüzeműekét, - elkerülni az infrastruktúra költségnövekedését, amely a gázüzem sajátja volt, - gazdaságos üzem elérése, növelt üzemanyag hatékonyság, - üzemi teljesítőképesség javítása, a gyorsulások növelése, - észrevehető zajszint csökkentés. 2.2. ábra A hibrid-busz program részletei 1996-tól 2006-ig A buszflottában alkalmazott járművek a BAE Co. gyártmányai. 7
2.3. ábra A BAE Orion 7. rendszerének felépítése A konstrukció rendszertechnikai jellegzetessége az önálló egységben telepített dízelmotorgenerátor csoport, és a külön felfüggesztett vontatómotor. Az Allison és a ZF elektromos hibrid kompakt automata sebességváltói később jelentek meg. Az energiatároló szerepét még ólomakkumulátor tölti be. 8
2.1. táblázat A NewYork City Transportnál elért üzemanyag-hatékonyság értékei A hibrid busz (alsó sor) csak 68 %-át fogyasztja a az EGR-rel szerelt, és 68/88=0.772, azaz 77.2%-át a nem EGR-rel felszerelt buszokénak, gyakorlatilag ugyanazon feltételek között. 2.4. ábraa NewYork City hibrid üzemanyag gazdaságossága 9
A nemrégi gyártású hibrid buszok fogyasztási átlaga 74 liter/100km/re adódik, az átlagosnak mondható 95 liter/100km érték helyett ez 78 % -ra csökkent átlagfogyasztást, 22 % csökkenést mutat. 2.5. ábra Az energiatároló akkutelep fejlődéséről egy vizsgálat alapján kapunk képet A vizsgálat alapján kapott kép: - a vizsgálati időszakban alapvetően savas ólom akkukat használtak, - ezek kiterjesztett élettartama 3-4 év, rendszeres karbantartással, - kívánatos megszüntetni a fél-életkori hibákat, és hosszabbítani az élettartamot, - a Li-Ion technológia bevezetésétől min. 6 év élettartamot várnak, és egyúttal mintegy 1400 kg tömegcsökkenést buszonként, - a 2 Li-Ion akkuval szerelt busz 10% további üzemanyag megtakarítást eredményezett, a jobb oldali, magasabb oszlopok szerint. 10
A hibrid jármű dinamikai tulajdonságai (elsősorban gyorsító képességük) jelentősen javultak, gyorsulásuk az előző konstrukcióhoz tartozó 1,2 m/s 2 értékről bár csak rövidebb időre- 1,8-2 m/s 2 értékre növekedett. 2.6. ábra Az autóbusz gyorsulási diagramja A járművek bonyolultsága növekedett, de a magas színvonalú gyártásnak is köszönhetően a két meghibásodás közti idő 12 havi mozgó átlagra számítva 5000-5500 mérföld között van. 11
2.7. ábra A karbantartási költségek alakulása Az életciklus költségek alakulásáról hibrid-elektromos járművek esetén: - az átalakítási-beruházási költségek 125-200 ezer dollárra tehetők buszonként, - NYCT nél a soros jellegű hibrid a város nagyforgalom-sűrűségi ciklusaiban több, mint 30% gázolajfelhasználás-csökkenést eredményezett a szokásos dízelmotorosokkal összevetve, - ez évi mintegy 190 ezer litert eredményez buszonként, - a mai gázolajárakon ez az eredmény már kiegyenlítheti a magasabb kezdeti költségeket, sűrű ciklusban üzemelve. A potenciális megtakarítási lehetőségekről az alábbi diagram tájékoztat. 12
12 éves élettartamra számítva, az ábra 3 forgalomsűrűségi szintre mutatja az elérhetőnek látszó üzemanyag-megtakarítást, elővárosi, NYCT átlagos, és csúcsforgalmi-nagysűrűségű belvárosi üzemre. Láthatóan a két szélső forgalmi esetben lehetséges különbség évi 100 ezer-240 ezer liter gázolaj, buszonként. 2.8. ábra Potenciális megtakarítási lehetőségek A tapasztalt előnyök: - a járművezetők és az utasok kedvelik a hibrideket, - csendes, sima üzem, - kiváló gyorsulás, sima-egyenletes fékezés, - standard buszként kívánják, - keveset, vagy egyáltalán nem igényel átképzést, - képes közlekedni valamennyi régebbi vonalon, 13
- a busz nem gurul hátra az emelkedőkben. A jövőre vonatkozó észrevételek és fejlesztési irányok: - fejlettebb zavar/hiba-elhárítási eljárásokra és eszközökre van szükség, - több rész-rendszer csatlakozási kapcsolatra, - több csatlakozási pontra és vezetékezésre, - a vízbehatolás elleni védettség szintje emelendő, - a hosszú élettartamú, megbízható és hatékony enegiatárolás még nem megoldott, ali-i akkuk és ultrakondenzátorok csak opcionálisak, - további alternatív hibridbusz technológiák fejlesztése szükséges. Ez hibridbuszok fejlesztése terén az alábbi fontos szempontokat figyelembe kell venni: - akkus busz, kis dízelmotorral vagy turbinával tölti az akkutelepet, alacsonyabb zajszintet eredményezve, - hidrogén üzemanyagcellás busz, zérus szennyezőanyag-kibocsátású és alacsony zajszintű. 14
2.9. ábra Alternatív technológiájú hibrid buszok jellemzői További fejlesztési irányzatok: - tovább fejlesztés a zérus kibocsátású járművek felé (plug-in hibridek, illetve hidrogén tüzelőanyag-cellával), - nagyobb kapacitású beépített energiatároló és elérhető, hatékony akkutöltési infrastruktúra, - a hidrogénes változathoz nagyobb teljesítményű tüzelőanyag-cella és ellátási infrastruktúra, - fejlettebb járműmonitoring-rendszer, jobb külső kapcsolattal, adatátvitellel. 15
Torontói hibrid busz Allison hajtásrendszerrel és soros-rendszerű hibrid hajtóművel: 2.10. ábra 2010-től soros hibrid autóbuszok Allison -technológiával 16
2.1.2 Hibrid rendszerek struktúrái: Soros hibrid A dízelmotor nem ad át közvetlenül nyomatékot a járműkerék felé, csak a kinematikai láncban sorban következő generátor útján. A kihajtó nyomaték mértékét a villamos vontatómotor szabja meg. Hagyományos villamos gépekkel is építhető. Párhuzamos (parallel) hibrid A dízelmotor mechanikai kapcsolat révén közvetlenül is adhat át nyomatékot, amelyhez járul a vontatómotor nyomatéka. A szükséges mechanikai kapcsolatok könnyebben realizálhatók egy kompakt kialakítású sebességváltó házban. A villamos gépek kisebb tömegűek lehetnek, mert van lehetőség fordulatszámuk megnövelésére. Ugyanakkor a kisebb vontatómotor nyomaték, amely általában nem haladja meg a dízelmotorét, többfokozatú, de automatikusan kapcsolt sebességváltó nagyobb számértékű áttételeit igényli a jármű kis sebességi tartományaiban. Kompaktsága, bonyolult gépészeti kialakítása és igényes vezérléstechnikája miatt ezeknek a sebességváltóknak a kifejlesztése a nagy felkészültségű hajtóműgyártókra várt, akik a váltóba beépítendő szinkronmotorok és invertereik előállításáról, és a teljes jármű hajtásrendszerébe történő integrálásáról is gondoskodni tudtak. A következő ábrán a soros és a párhuzamos hibrid hajtáselrendezése látható. 17
2.11. ábra A soros és a párhuzamos hibrid hajtáselrendezése 2.2. táblázat Kezdeti hibrid típus arányok az Egyesült Államokban és Kanadában üzemelő járművekben 18
2.1.3 A párhuzamos hibrid rendszerű autóbuszok üzemi tapasztalatai (Kanadai források alapján) Két kanadai városban 8 hibrid és 6 normál, illetve 2 hibrid és 7 normál, nem-csuklós dízelmotoros autóbuszt szereztek be újonnan. A gyártók a 14, illetve a 9 járműre csoportonként ugyanazok voltak, csak a hajtómű beszállítók különböztek. A (parallel) hibridek hajtóműve Allison EP40 volt, a normál járművek automata váltói ZF gyártmányok (lásd a táblázatot). 2.3. táblázat jellegzetes hibrid, és kontroll buszokon használt STM és STO rendszerek Üzemeltetési tapasztalatok: - A hibridekkel elért átlagos gázolajfelhasználás-csökkenés 30 % volt. - Az átlagos utazási sebesség 18 km/h, az átlagos megállószám 3,8 megálló/km volt. - Az átlagos környezeti hőmérséklet 6,6 o C volt, 29 és 33 o C szélső értékekkel. - Az átlagos károsanyag-kibocsátás az üvegház-hatású komponensekre- 30 tonnával volt kevesebb hibrid-buszonként, az évi 70 ezer km futásteljesítményükre. Ez 36%-alkevesebb CO 2 -t jelentett. Ugyanakkor a hibridek 5 %-al több NO x t bocsátottak ki, mint a normál hajtású buszok. 19
A javasolt felhasználási terület hangsúlyozottan a kis átlagsebességű, és sűrű megálló számú városi közlekedés, így Montreal belvárosában futottak a vizsgálatba bevont hibrid- és normál buszok. A vizsgálatokat sokcsatornás mérőrendszerrel és adattárolóval végezték. 2.12. ábra Néhány kép a két városi normál erőátvitelű és a hibrid buszokról 20
2.4. táblázat A jármű főbb műszaki adatai 2.13. ábra A Nova hibrid busz az Allison hajtóművel 21
2.14. ábra A menetciklus egy sebesség-idő függvényének mért értékei A fenti diagramhoz megjegyzendő, hogy a kis megállótávok miatt az elért sebesség 30-45 km/h közti értékű. 22
2.15. ábra A hibrid- és a normál buszok fogyasztási és villamos paraméter-görbéi, zölddel a hibrid buszé A klíma általi többlet-gázolajfogyasztás mérési kiosztási terve a vizsgálati időszakra az -STO közlekedési vállalatnál- az alábbi volt: 2.5. táblázat Az Envioroment Canada által végzett tesztek listája 23
A mérés elrendezését, valamint egyes terhelési esetekre a 20, 40, 60 utasszámnak megfelelő műterhelést mutatják az alábbi képek. 2.16. ábra Műterheléssel végzett mérések A méréseket szervező két közlekedési vállalat (STM és STO) területén kapott eredményeket a következő diagramokban mutatjuk be. 24
Üzemanyagfogyasztás 2.17. ábra Az STM buszok üzemanyagfogyasztása 2.18. ábra Az STO buszok üzemanyagfogyasztása 25
A mérés során számos érdekes, illetőleg további elemzéseket igénylő megfigyelés született, ezek a eredeti jelentésből mellékelve tanulmányozhatóak. Az alábbi ábra az üzemanyagfogyasztást szemlélteti a megálló-sűrűség és az utasterhelés függvényében, hibrid buszokon. 2.19. ábra Szabályozott vizsgálatok a pályán Megfigyelhető, hogy a jelleggörbe-felület emelkedése, mely a gázolajfogyasztás növekedését jelzi, sokkal erőteljesebb a megállótávolságok függvényében, mint az utasszám következtében. Az is látható, hogy a megállóhely-gyakoriság 3,5-4-5-6 értékeinél hibrid hajtással nem növekszik a gázolajfogyasztás, azaz a kényelmes tömegközlekedést a hibrid busz érdemi többletfogyasztás nélkül elősegítheti. 26
Az alábbi ábra a vizsgált járművekben vegyesen található 250HP és 280HP teljesítményű dízelmotorok fogyasztási görbéit ismerteti a kontrollbuszokban, az átlagos sebesség függvényében, egyenletes sebességgel közlekedve. 2.20. ábra Az STM kontroll buszok üzemanyagfogyasztása 250 és 280 LE-s típusok esetén 27
2.21. ábra Buszok üzemanyagfogyasztása átlagsebesség függvényében Az előző méréseket a hibridekre is kiterjesztve láthatók a mérések eredményei (a fűtés/hűtés nem volt egyik méréstípusnál sem bekapcsolva). A megállósűrűség függvényében az egyes megállások energiafogyasztása a hibrideknél jelentős csökkenést mutat. 28
2.22. ábra Üzemanyagfogyasztás a megállók számának függvényében A méréseket kibővítették a külső hőmérsékletnek megfelelően üzemeltetett klímaberendezés fogyasztás-többletének vizsgálatával, itt az állandó sebességű haladásnál: 29
2.23. ábra Üzemanyagfogyasztás az átlagsebesség és a külső hőmérséklet függvényében 2.24. ábra Villamos teljesítmény az átlagsebesség és a külső hőmérséklet függvényében 3 dimenziós ábrázolásban a 2008-as Nova típusú hibrid buszok esetén 30
A hibrid erőátviteli rendszer által továbbított villamos vontatási energia mennyisége az átlagsebesség és a külső hőmérséklet függvényében Megfigyelhető, hogy a külső hőmérséklet változásának alig van kihatása a járműhajtásra átvitt villamos energia mennyiségére. A gázolajfogyasztás változását az átlagsebesség függvényében mutatja az alábbi két ábra. A felső a hibrid-, az alsó a normál hajtású buszé. A függvények közül a felső az élénk-, a középső az átlagos-, az alsó a kisebb, kényelmes gyorsításokkal induló buszok fogyasztás-függvénye, klíma nélküli üzemben. A berajzolt 18 km/h sebességvonalnál a fogyasztások a tipikusnak mondható átlagsebességet teljesítő buszokra jellemzőek. A hibrid busz energiatárolójába az előző megálláshoz tartozó lassítás folyamán bekerült energia a következő gyorsításkor a hatásfoknak megfelelően kivehető, és ennek köszönhetően a fogyasztás az indítási gyorsítás élénkítése, növelése ellenére csak kevéssé nő, ellentétben a normál járműével, amely a fékezési energiát elveszíti. 2.25. ábra Hibrid busz fogyasztása a gyorsítás alatt 31
2.26. ábra Kontroll busz fogyasztása a gyorsítás alatt Az alábbi diagram szerint az üvegházhatású gázok csökkenése jelentős a hibrid buszoknál kivéve a nitrogénoxidokat: 2.27. ábra Az üvegházhatást okozó gázok hibrid és hagyományos buszok üzeme esetén Az alacsony hőmérsékletű üzemben a hibrid buszban nagyobb arányban szükséges kiegészítő fűtést alkalmazni, ennek mértéke 14-15 %-ot is elérheti -10-15fok között. 32
2.28. ábra Fűtés használata a külső hőmérséklet függvényében, 2008-as Nova buszoknál Az alábbi, egy felmérést feldolgozó táblázat szerint az utazóközönség, hasonlóan a buszvezetők véleménye is nagy többségben pozitív a hibridekkel kapcsolatban: 2.6. táblázat A felmérés eredményei az STM utasai között 33
A gázolajfogyasztás a normál rendszerű buszokban jelentősen növekedni kezd az átlagsebesség csökkenésekor, míg a hibridek a kis sebességű tartományban kevéssé csökkenő hatásfokú üzemben dolgoznak, továbbá az eltárolt energiát vissza tudják adni (piros, középső görbe). Nagyobb sebességeknél ez csökken, majd megszűnik: 2.29. ábra Üzemanyagfogyasztás alakulása az átlagsebesség függvényében, 5 km/h-tól 30 km/hig,, Nova 2008-as buszok esetén Az 1 km-re eső megállószám növekedése, de hasonló átlagsebesség a két erőátviteli rendszer közti közel állandó fogyasztás-különbséget hozza létre. 34
2.30. ábra Üzemanyagfogyasztás az egy kilométerre vetített megállók függvényében, 0-tól 10-ig,, Nova 2008-as buszok esetén kikapcsolt légkondícionáló mellett Ezek a görbealakok matematikailag is előállíthatók görbeillesztési módszerrel, illetve zártalakú összefüggés is képezhető. Az alábbi képlet segítségével kiszámíthatjuk a hibrid buszok tüzelőanyag-megtakarítását az átlagsebesség függvényében 6,6 C hőmérsékleten. Kis sebességeken (5-30 km/h között) a dízel-motorok a jobb hatásfokú, kisebb sebességű munkapontban jobban melegszenek, amelynek megakadályozása vagy e tartomány nem 35
használásával, vagy külön ventilátorral lehetséges. Ez hibrid járműben is fellép. Ennek szabályozatlansága indokolatlan teljesítményfelvételt jelent, amelyet e célra készült programmal (Topodyn) mérsékelni lehet. Az ábrán a ventilátoros üzemű, kis fordulatú, jobb hatásfokú üzem görbéi vannak. A hibrid jármű fogyasztáscsökkenésében a kis sebességeken az energiatároló fontos szerepet játszik: 36
2.1.4 Daimler-Benz hibrid busz a tengerentúlon 2.31. ábra A Daimler-Benz hibrid busz A közös sebességváltó házba szerelt generátor és a vontatómotor látható, a hátsóhídat hajtó kardánkimenettel. A tetőn helyezték el az energiatárolót és inverterét. 37
2.7. táblázat Rendszer adatok és funkciók Főbb jellemzői: - energiatároló: Li-Ion, nanofoszfát alapú akku, csúcsteljesítménye hajtásrafékezésre egyaránt 200 kw teljesítőképesség, 364 kg tömeggel. - tárolóképesség 64 Ah, C3 értékű igénybevétellel. 38
- feszültségszint 580V. - inverter 200 kw állandó teljesítmény, 85 kg tömeg, - vontatómotor 160 kw állandó-, 200 kw csúcs teljesítmény, 350 kg, igen alacsony tömeg, nagy hegymászó-, illetve gyorsító képességgel, feltehetően PM szinkron gép, - generátor és indítómotor: 200 kw állandó teljesítmény, 143 kg, igen kis tömeg, ami gyakorlatilag csak PM szinkron géppel érhető el, - DM 280 LE, 2300/p, 6,7 liter, tömegadat nélkül - Segédüzem 208v 3f váltakozóáramú. 39
2.1.5 A BAE-System +New-flyer, USA: DE40LFA transit bus: 2.32. ábra BAE-System +New-flyer, USA: DE40LFA transit bus A BAE-System +New-flyer, USA: DE40LFA transit bus, a BAE hibrid rendszerét használja, NewYork, San Francisco, Huston, toronto, Ottawa és London utcáin. Tíz év alatt 2000 jármű 100 millió utasmérföldet tett meg, megtakarítottak 30 %-nyi, 5 millió gallon gázolajat, és mintegy 50 ezer tonna széndioxidot nem emittáltak. 40
2.33. ábra BAE-System+Alexander Ltd, Enviro-400 emeletes busz BAE-System+Alexander Ltd ( utóbbi a legrégibb brit buszgyártó válalat): - Enviro-400 emeletes busz, NewYork, Toronto, San Francisco utcáin. - 1300 egység, 10 év tapasztalat. - Megtakarítottak 5 millió gallon gázolajat, és mintegy 45ezer tonna széndioxidot. - Több, mint egymilliárd utast szállítottak. Fő tapasztalatok: környezetbarát, kisebb költségek, továbbá csendes a járművezetők, az utasok, és a közelben tartózkodók szerint is. 41
2.34. ábra A rendszer konfigurációja Fő paraméterei: - energiatároló, itt is 200kW csúcsteljesítménnyel, Li-Ion nanofoszfát akku, szintésn 340 kg tömeggel, - áramirányító inverter: 320kW állandó teljesítmény 75 kg tömeggel, - vontatómotor: 120 kw állandó és 175 kw csúcsteljesítménnyel, 650 Nm állandó-, és 900 Nm max nyomatékkal, ezt 4 percen át képes leadni. - Tömege 280 kg, olajhűtésű, feltehetően PM szinkron motor. - generátor: 145 kw állandó teljesítménnyel, PM szinkron gép, 135 kg. - DM 185LE, 4.5 liter lökettérfogattal. Az alábbi táblázat a BAE-System gyártmányokat foglalja össze, alacsonypadlós hibrid-, és két gyártótól vásárolt magaspadlós dízelbuszokra vonatkozóan: 42
2.8. táblázat Hibrid buszok összehasonlító táblázata A legalsó sorban szereplő beszerzési ár-arányok érzékeltetik az összetettebb hajtásrendszerű hibrid buszok értéktöbbletét. 2.1.6 VOLVO 7700 hibrid busz A jármű főbb jellemzői: - 12 m-es, 18,5 t tömegű, 25-27 cm padlómagasságú, 99 férőhellyel. - Különleges parallel hibrid rendszer, csak egy villamos géppel, és 12 fokozatú automata sebességváltó jelleggel, a kapcsolásokat az I-Shift-System végzi. 43
- Egy 3-as funkciójú szinkron villamos gép van benne, ez aktuális feladat szerint motoros/generátoros üzemű, illetve a DM indítására is szolgál. A főbb méret- és tömegadatok: 2.9. táblázat Specifikáció 44
2.35. ábra A hibrid hajtáslánc felépítése 45
2.36. ábra A hajtástechnikai elrendezés 2.1.7 Allison hibrid hajtású autóbuszok Több, mint 3800 egység fut belőlük 2001 óta, 166 városban, 161 millió km-t teljesítettek súlyos akku-meghibásodás nélkül. 57 millió liter gázolajat takarítottak meg, ezzel 151 ezer tonna széndioxidot nem emittáltak. 46
2.37. ábra Allison hibrid nyomatékváltó Az alábbi képen az Allison H40 EP és H 50 EP típusú hibrid sebességváltó modulja látható. Speciális nyomatékszabályozó szubrutint fejlesztettek ki az irányító egység részeként jegescsúszós úton közlekedésre, az esetlegesen megszűnt tapadás visszanyerésére. 47
2.38. ábra Allison H40 EP és H 50 EP típusú hibrid sebességváltó modul 2.39. ábra Allison H40 EP és H 50 EP típusú hibrid invertere 48
2.40. ábra Az energiatároló: NI-MH akkumulátor, min. 6 év életteartammal Az alábbi ábra az energiafolyam feszültségszintjeit mutatja a segédüzemi berendezések ellátásához. 2.41. ábra Az energiafolyam feszültségszintjei 49
2.10. táblázat A hajtóművek néhány fő jellemzője 2.11. táblázat Az energiatároló és vezérlőjének fő adatai 2.12. táblázat Az alkalmazható DM választék 50
2.2 Európai hibrid autóbusz-gyártmányok 2.2.1 A ZF AG. hibrid hajtásrendszere Az AVE 130 típusú, különleges kialakítású hátsó híd, alacsonypadlós buszokhoz készült. A két oldali, egy-egy kereket forgató villamos hajtás folyadékhűtésű, 11 ezer /p maximális fordulatszámú aszinkron motorokkal történik. Feszültségük 350-420V, névleges áram 135A, max. áram 350 A. 2.42. ábra A hátsóhíd és a villamos hajtás fő elemei 2.13. táblázat A hátsóhíd és a villamos hajtás fő adatai 51
2.2.2 A SCANIA hibrid busz 2.43. ábra Részlet a hátsóhíd szerkezeti rajzából 2.44. ábra A Scania hibrid busz típusa 52
2.45. ábra A Scania illusztrációja az alkalmazott soros hibrid rendszerhez Akkutelep helyett kondenzátoros energiatárolót választottak. 2.46. ábra Gyári rajz a főegységek elhelyezéséről A DM munkapontját úgy állítják be, hogy az átlagos motorhatásfok 40-45 % között van. A generátor hatásfoka 90 % -os átlagérték, legjobb pontja. Az erőátvitel gépeinek főbb jellemzői: - DM : 198 kw 1900/p-nél, 1200 Nm 1200-1400/percnél, - - Generátor: axial-fluxusú, speciális felépítésű, vízhűtésű. Állandó nyomaték 1250 Nm, állandó teljesítmény 220 kw, 53
- Vontató motor: axial-fluxusú, speciális felépítésű, vízhűtésű. Állandó nyomaték 1800 Nm, állandó teljesítmény 150 kw, max. sebesség 2400/p. - Energiatároló 4x125 V-os superkondenzátor telep, > 400 Wh kapacitással ( gyakorlatilag 1-2 megállásra fékezés energiáját képes tárolni és visszaadni indításkor. 2.14. táblázat A rendszer műszaki ismertetője 54
2.3 Üzemanyagcellás hibrid busz: Kalifornia 2.47. ábra Kaliforniába fejlesztett üzemanyagcellás, és plug-in kapcsolattal is kiegészített akkubusz A jármű főbb jellemzői az alábbiakban foglalható össze. Kis-busz kategória, 22 utassal, 7.5 tonna üres, 10 t teljes terheléssel. Hegymászóképessége 18 fokos emelkedő. Padlómagassága 30 cm. Az üzemanyagcella teljesítménye 19,3 kw, amellyel folytonosan tölti akkumulátorait. Üzemanyagcellája: hidrogén Ballard PEM Mark 9SSL típusú, névleges teljesítménye adott. Élettartama 5000 órára becsült. Esetleges üzemzavar bekövetkezésekor gyorsan kicserélhető konstrukciójú. 55
Energiatárolója SAFT NI-Cd akku, folyadékhűtéssel, 300V feszültségű, 60 kwh tárolóképességgel, 2000 ciklus élettartammal, amely mintegy 7 év üzemnek felel meg. 2.15. táblázat A rendszer specifikációja 56
2.4 Trolibuszok A következőkben két trolibusz-alkalmazású villamos berendezés gyártó korszerű gyártmányairól adunk áttekintést. 2.4.1 Hajtáselektronika: Cegelec Ag. Vektoros áramirányítású aszinkron motoros villamos hajtású hibrid- és trolibuszokhoz szállítja a teljes villamos berendezést, fékellenállással is. Szekrényes/dobozos kialakítású, főként alsó elhelyezéssel. 2.16. táblázat A rendszer alapvető paraméterei 57
2.48. ábra A főegységek elhelyezése A képen látható áramirányító a Solaris Trollino 12 AC és 15 AC jelű trolibuszok aszinkron motorjainak hajtására szolgál. 2.49. ábra Solaris Trollino 12 AC és 15 AC áramirányító 58
2.4.2 A SKODA villamos hajtású járművei: trolibuszok 2.17. táblázat Főbb adatok 2.5 Összehasonlítás a dízel-hajtású- és a trolibuszok károsanyag-kibocsátására Az alábbi táblázat a dízel-hajtású- és a trolibuszok károsanyag-kibocsátását az erőművektől számítva hasonlítja össze, Arnhemben: 2.18. táblázat A troli buszrendszerek károsanyag kibocsátása a dízel buszokhoz képest, Pl. Arnhem Összehasonlító diagramok láthatóak a következő ábrán Edmonton városban közlekedő Dízelbuszok és trolibuszok károsanyag-kibocsátására g/km-ben, a troli által fogyasztott energiának az erőmű általi szennyezőanyag-kibocsátása megadásával ( a troli az utcán nem szennyezi a levegőt): 59
2.50. ábra Károsanyag kibocsátás Edmonton városban Összehasonlító diagramok Edmonton városban közlekedő Dízel-buszok, az ún. tiszta Dízelbuszok és a trolibuszok károsanyag-kibocsátására millió km-enként, tonnában, a troli által fogyasztott energiának az erőmű általi szennyezőanyag-kibocsátása megadásával: 60
2.51. ábra Az összes károsanyag kibocsátás alakulása Összehasonlító diagramok láthatók a következő ábrán Edmonton városban közlekedő Dízelbuszok és trolibuszok károsanyag-kibocsátása miatt elköltött egészségügyi kiadásokra, a troli által fogyasztott energiának az erőmű általi szennyezőanyag-kibocsátása következményeinek megadásával (a trolik energiaforrása széntüzelésű-, gáz- és szélerőmű lehet). Sárgával az átlag Dízel és átlag forrású troli adatai láthatóak: 2.52. ábra A károsanyag kibocsátás okozta egészségügyi kiadások 61
2.53. ábra Összehasonlító diagram az egyes járművek zajszintjére (Dízel-, gáz-, üzemanyagcellás-, trolibuszok) 2.6 ÖSSZEGZÉSEK A hibrid buszgyártás néhány főbb gyakorisági adata: BAE parallel hibrid : BAE emeletes p. hibrid : VOLVO parallel hibrid: SCANIA soros hibrid: 2000 egység, 1300 egység, nincs adat nincs adat, Hajtóművek: Allison parallel hibrid : 3800 egység, ZF parallel hibrid nincs adat, feltételezhetően több ezer egység 62
Üzemanyagcellás hibrid busz: EBUSZ-Inc, hidrogénnel, nincs adat Trolibuszok Számos gyártó által, több százezer egység épült közel 60 éven át. 63
2.6.1 A hibridhajtások használati értékeléséről összefoglalóan: Gazdaságosság: a hibridekkel elért gázolajfogyasztás-csökkenés mértéke 25-30 % közötti. Üvegházhatású gázok kibocsátása: 35-40%-al csökken a normál dízelbuszokkal összehasonlítva, de mintegy 5 %-al nő a NOx gázkibocsátás mértéke. Zajszint: néhány decibel csökkenés az induláskor, a mikor a villamos motor nagy nyomatékhányadot vesz át. Elfogadottság, kedveltség utasok és járművezetők által: pozitív, és növekvő tendenciájú. Rendszertechnikai tulajdonságok: magas színvonalú tervezést, -gyártást, -fenntartást igényel. Soros hibrid rendszer: klasszikus gépekkel is építhető, egyszerűbb, még analóg rendszerben is készülhet, de nagyobb hely- és tömegigényű, és kisebb hatásfokú, mint a parallel. Parallel hibrid rendszer: összetett, gépészetileg is, és elektrotechnikailag is bonyolult berendezés, több egysége önmaga is számítógépes, illetve mikroprocesszoros irányítást igényel, saját diagnosztikai rendszerrel. A jármű hajtásirányításának is számítógépvezéreltnek kell lennie. 2.6.2 A hibridhajtások összehasonlítása a trolibuszokkal: A trolibusz a mai parallel hibrideknél gépészetileg egyszerűbb berendezés, de aszinkron motoros hajtásnál már számítógépirányítást igényel ( mezőorientált szabályozásra van szükség, mezőgyengítéssel, hogy a motor és a feszültség szintek emelése, illetve túlméretezése elkerülhető legyen). Diagnosztizálható. Kiforrott, bevált rendszer, de felsővezeték igénye és kötöttpályás jellege esztétikailag és mint üzemzavarforrás csak megtűrt közlekedési eszközzé degradálja. Akkumulátoros hibrid troli: az 50 -es években Svájcban üzemelt, ólomakku-teleppel, külön kocsiban. A mai Li akku adottságok újragondolhatóvá teszik ezt a fajta városi járművet. Energetikai gazdaságosság: a dízelbuszokkal összevetve minden erőműtípusnál fennáll. 64
Üvegházhatású gázok kibocsátása: a széndioxid 25-al csökken a normál dízelbuszokkal összevetve, a fosszilis erőműtől számítva, a többi összetevő még nagyobb mértékben kisebb, a kéndioxidot a mai erőművek megkötik. Gáz-, víz- és szélerőműveknél további jelentős csökkenés áll fenn, illetve megszűnik. Zajszint: 83-ról 60 decibelre csökken, amely a mai utcák átlag zajszintje. 65
3. Városi üzemeltetésű villamos hajtásrendszerű autóbusz menetdinamikai viselkedése Az alábbi menetdinamikai jellemzők matematikai modellezéssel is vizsgálhatók: Paraméterérzékenység vizsgálatok előkészítése, az elvárt jellemzők rögzítése A menetdinamikai paraméterek kiválasztása A menetdiagramok főbb jellemzői Paraméterérzékenység vizsgálatok számítógépi szimulációkkal az elvárt jellemzők figyelembevételével A számítógépi szimulációk eredményeiből törvényszerűségek feltárása Optimális rendszerjellemzők előállítása: vonóerő és fékerő sebesség jelleggörbék megalkotása Az alábbiakban erre mutatunk be egy elvégzett számítási példát. 3.1 A szimulációs vizsgálatok A szimulációkat alapvetően energetikai célú megfigyelések érdekében végezhetünk, ezzel kívánunk hozzájárulni a szükséges energiatároló-kapacitás megfelelő értékének megállapításához. A trolibusz hajtásához a MATLAB modellben külsőgerjesztésű DC motort használunk, mezőgyengítéssel, amelynek karakterisztikája a nyomaték-sebesség tartományban közelállónak tekinthető a frekvenciaszabályozott aszinkron motoréhoz. Energetikailag a két motor között érdemi különbség nem fogalmazható meg ezen a teljesítményszinten, dinamikailag a hajtások tulajdonságait elsősorban a hajtásszabályozóba írt program állítja be. A motor-, és a modellben a DC motorhoz szükséges chopper (a frekvenciaváltó helyett) kétirányú veszteségeit 11, az akkumulátorét 4 %-ra becsültük. 66
Az általunk beállított mezőgyengítési stratégia különbözhet a hajtást kivitelező által alkalmazottétól, ezzel a vonóerő-sebesség jelleggörbe is eltérést mutathat, de ennek érdemi energetikai következményei tehát 1-2 %-osnál nagyobb eltérések - nem várhatók. Nem ismervén pontosan a szóbajöhető valós akkumulátor-fajták energetikai jelleggörbéit, a modellben kapacitív energiatárolót szerepeltettünk ez az akkufeszültség változásait ugyan nagyobbra adja, de a szükséges tárolókapacitás kwh-ban mért értékét pontosan adja meg, s ebből az értékből a bármely jellegű kívánt akkutelep a saját gyári adataiból konfigurálható. A menetellenállás-függvényeket két forrásból vettük figyelembe, az egyiknél a w= [N] polinomot, illetve a w= 10(9.81 m )/1000+((0,4 A 9,81 )/10000)((v+10)/10)ˇ2 [kn] polinomot alkalmaztuk, a vizsgált sebességtartományban a kettő közti1% alatti eltéréssel. Az m járműtömeget 18 tonnára, az A homlokfelületet 7.5 m2-re vettük, a v sebességet a számítás beírja. A modellben szereplő vonóerő- [N], fékerő- [N] és menetellenállás- [N] görbék a sebesség [km/h] függvényében: 67
3.1. ábra A modellben szereplő vonóerő- [N], fékerő- [N] és menetellenállás- [N] görbék a sebesség [km/h] függvényében A segédüzemre kapott adat 7 kw-ot, a klíma maximális teljesítményfelvételére adott érték 25 kw-ot jelöl meg. 68
Az elérendő gyorsulást 1,1-1,2 m/s2 értékre állíttattuk elő a motorparaméterek változtatásával, betartva az áttétel 9,82 és a kerékátmérő,95 m megadott értékeit, továbbá a kapott 250 m megállótávolság befutásához szükséges 35 s menetidőt, amelyet 15 s várakozási idő követ. A futtatások ábrasorai kétféle alakban jelennek meg: - sebesség, út, motoráram és motorteljesítmény értékek időfüggvény-ábráiként, illetve - motor általi energiafogyasztás, az energiatároló energiaszintjének változása és ez utóbbinak feszültségváltozásai időfüggvényekként. A futtatások általában a 250m-es úthosszat, a 18 tonna tömeget, a 35km/h sebességet és a 0 % emelkedő értékek közül hármat tartottak paraméterként, egyet változóként. Tipikusan két megállótávot és várakozási időt futtattunk egy ábrában, ezekből a fontos értékeket 4 értékes jegyre kiírtuk, ezek alkották a függvényrajzolás adatait. Áttekintési célból egy-két rövidebb úthossznyi beállítást is végeztünk, ezekből egy 10-10 méteres, de a megadott gyorsítású részlet ábráit bemutatjuk. Előbb az alapadatoknak is nevezhető paraméter-beállítások következnek, majd az egyes kis (10 %) eltérések hatásait kimutató vizsgálatok. 69
3.2 Jelleggörbék 3.2. ábra Normál megállótáv és paraméterek: 250m, 18 t, 35 km/h, 0 % emelkedő. fentről lefelé: - sebesség, km/h - út, m, - motoráram, A - motorteljesítmény, kw - a jobb oldalon: - a motor energia felvétele kwh, - a tároló energialeadása, itt 1, később 2 és 2,5 kwh kezdeti állapotból indulva, végül - a kapacitív tároló feszültsége, V: 70
3.3. ábra Megállótáv: itt 10 %-kal rövidebb, 225m: 3.4. ábramegállótáv 250m, de az emelkedő e=4%: a gyorsulás elhúzódik, és megnő a felvett energia, a tároló 1 kwh energiája a 250 m-nyi emelkedőn mozgással szinte kiürül: 71
3.5. ábraaz emelkedő e=4%, de csak 10 m az úthossz, kétszeri előírásával 72
3.6. ábra Az úthossz 100 és 250m, a többi alap-paraméter volt 3.3 Az energetikai célú futtatások vizsgálatai Az alábbi paraméterek változtatásával történtek az energetikai célú futtatások vizsgálatai: emelkedő, sebesség, tömeg, megállótáv. A változtatások mértéke az alaptulajdonságokat megjelenítő értékekhez viszonyított +-10 % volt egy egy paraméter esetén, kétszer értelmezve felfelé és lefelé, míg az ötödik a nem változatott érték volt, a többiek változatlanul hagyása mellett. Az alaptulajdonságokat megjelenítő paraméterek: megállótáv 250m, 73
sebesség 35 km/h, tömeg 18 tonna, emelkedő 0 %. 3.4 Energiafogyasztás függvények előállítása Az egyes paraméter-változtatási sorozatokra elvégzett szimulációk vizsgált eltérő energiaértékeit MATLAB - függvényekben ábrázolva, majd másodfokú polinomokkal a görbeillesztéseket elvégezve az alábbi energia felhasználási/fogyasztási görbéket kaptuk: 74
energiafogyasztás, kwh energiafogyasztás, kwh 3.4.1 Energiafogyasztás-emelkedő függvény 1.6 eneriafogyasztás-emelkedõ 1.4 1.2 1 y = 0.001477*x 2 + 0.1402*x + 0.211 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 emelkedõ, % 3.7. ábra Energiafogyasztás-emelkedő függvény 3.4.2 Az energiafogyasztás-sebesség függvény energiafogyasztás-sebesség 0.35 0.3 y = 1.92e-005*x 2 + 0.004706*x + 0.01823 0.25 0.2 0.15 0.1 20 25 30 35 40 45 50 sebesség km/h 3.8. ábra Az energiafogyasztás-sebesség függvény 75
energiafogyasztas kwh energiafogyasztás, kwh 3.4.3 Az energiafogyasztás-járműtömeg függvény 0.35 energiafogyasztás-tömeg 0.3 y = - 0.0001124*x 2 + 0.01489*x - 0.01992 0.25 0.2 0.15 0.1 10 15 20 25 tömeg, t 3.9. ábra Az energiafogyasztás-járműtömeg függvény 3.4.4 Az energiafogyasztás-megállótávolság függvény 0.32 0.3 0.28 energiafogyasztas-megallotav y = - 1.943e-007*x 2 + 0.0008217*x + 0.01702 0.26 0.24 0.22 0.2 0.18 0.16 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 megállótáv, m 3.10. ábra Az energiafogyasztás-megállótávolság függvény 76
Megfigyelhető, hogy az egyes görbealakok alig térnek el a lineáristól ennek az ad különös jelentőséget, hogy a sebesség, függvényében mért energiafogyasztás, mely a nagyobb sebességeken határozottan másodfokú jellegű általában, itt két tényező miatt maradt közel lineáris: a légellenállás értéke 35 km/h sebességen viszonylag alacsony értékű a gumikerekes jármű gördülő ellenállását tekintve, a mozgási energia mintegy 85 %-os visszatáplálhatósága az energiaveszteséget alacsony értékre szorítja. (a hatásfok áram-és sebességfüggő). Nagyon kedvezőnek kell tartani, hogy a megállótávolság függvényében az energiafogyasztás lineárishoz közelálló, és nem növekszik a megállótáv csökkenésével - összhangban a szakirodalmi kutatások adataival. Visszatáplálási lehetőség nélkül a megállótáv csökkenésével a fogyasztás jelentősen emelkedne. Visszatáplálva a mozgási energiát, a fogyasztás gyakorlatilag csak a megtett többlet-úthossz energiaigényének fedezetére szolgál, útarányos jelleggel. A járműtömeg változására mérsékelten reagál a fogyasztás. Az emelkedőnek a potenciális energia változtató hatása igen erőteljesen megnyilvánul, de szerencsés esetben a jármű akkumulátora ezeket a befektetett energia-többlet értékeket a leereszkedéskor jó hatásfokkal visszakapja. A futtatások nem tartalmaztak olyan vizsgálatot, amely ezt igazolná, lévén Vidéki nagyváros síkvidéki fekvésű. 2.4..Paraméter-érzékenység vizsgálatok Az egyes függvények elsőrendű parciális deriváltjainak képzése helyett itt az egyes paramétereket a hozzájuk tartozó függvények esetében 10 % eltéréssel független változóként értelmezve, és a nulladik deriváltakat eredményező konstansokat az egyes polinomokból elhagyva, megkapjuk az egyes fő paraméterekhez tartozó kis változások értékeit, amelyek egymással összehasonlíthatókká válnak: 77
3.4.5 Érzékenység az emelkedő változásaira: A függvényérték 10%-os változása: ye=0.0001477x2+0.01402x 3.4.6 Érzékenység a sebesség változásaira: A függvényérték 10%-os változása: yv=1.92e-006x2+0.0004706 3.4.7 Érzékenység a járműtömeg változásaira: A függvényérték 10%-os változása: ym=-0.00001124x2+0.001489x 3.4.8 Érzékenység a megállótávolság változásaira: A függvényérték 10%-os változása: ytáv=-0.1943e-007x2+0.00008317x Tekintve, hogy alapvetően az elsőfokú tagok a dominánsak, látható, hogy az emelkedő (hasonló értékű lejtmenettel össze nem kapcsolt) változásának a 0.01402x értéke két, illetve 4 nagyságrenddel nagyobb, mint a többi paraméteré, így megerősítést nyer, amit az előbb energetikai megközelítéssel fogalmaztunk meg. Megfogalmazható, hogy energetikai szempontból az emelkedő változásaira a legérzékenyebb egy villamos hajtású, regeneratív üzemű jármű is, amennyiben az emelkedővel elért potenciális energiaszint növekedés energiabevitele nem társul egy hasonló értékű lejtmenet energiavisszadásával.. A visszatáplálhatóságnak köszönhetően a megállótávolságtól nem függ érdemben az energiafogyasztás, ami azt is jelenti, hogy a városi közlekedés rendeltetésénél fogva adott 78
célkitűzéseit nem kell alávetni energetikai szempontoknak, a megállók a szükséges helyre telepíthetők, s ennek nincsenek többlet-energiafogyasztási következményei. 3.5 További vizsgálatok a segédüzem és a klíma energiafelvételének hatásaira A segédüzem és a klímaberendezés járulékos energiafogyasztók, és akkumulátoros üzemben akár jelentősen csökkenthetik az újratöltésig megtehető hatótávolságot. A segédüzemi teljesítményigény maximális értéke 7 kw, a klímáé 25 lehet. Ezeket is a szimulációba építve, megkaphatók azon energiafogyasztási értékek, melyek alapján a kívánt hatótávolsághoz tartozó energiatároló kwh-ban mért kapacitása, illetve egy adott tárolóval elérhető hatótáv megállótávolsági számértéke, és ezt 250 m-el figyelembe véve, km értéke kiadódnak. Ezeknél a futtatásoknál 250m-es megállótávot, 18 tonna tömeget és 35,5 km/h elérendő sebességet állítottunk be, így az első után a továbbiakban csak az energetikai ábrákat mutatjuk. 79
3.5.1 Két megállótávon (500m) vizsgált vontatási adatok: sebesség max 35.5 km/h, I=320A,, Pmax=147,3kW, t=35 s, tv=15 s. 3.11. ábraklíma nélkül, de 7 kw segédüzemi teljesítménynél a tároló kezdő és végértékeinek különbsége (2-1,3802)=0,6198 kwh/ 2megállótáv. (ebből a vontatási energia 0.4203kWh) 80
3.12. ábra Klímával: (2-0.683)=1.317kWh/ 2megállótáv (ebből a vontatási energia:0.4203kwh) 81
3.13. ábra Klíma+1% emelkedő: (2-0,405)=1,595kWh/ 2megállótáv A sebességábrát a sebesség-és gyorsulásértékek mődosulásai miatt mutatjuk. 82
3.14. ábra Klíma+2%emelkedő: (2-0,1122)=1,8878kWh/ 2megállótáv 83
3.15. ábra Klíma+3%emelk (2.5-0,3129)=2,1871 kwh/ 2megállótáv 3.16. ábra Klíma+4%emelkedő: (2,5-0,011)=2,489 kwh/ 2megállótáv 84
3.17. ábra Klíma és -1% lejtő: (2,5-1,465)=1,035 kwh. (A motoré: 0,1417 Kwh) 85
3.18. ábra Klíma és -4%lejtő: (2,5-2,2691)=0,2309 kwh /2megállótáv, és a motor energiafogyasztása -0,6626kWh 86
3.19. ábra Klíma és -4%lejtő szimulációs eredményei Megfigyelhető, hogy a működtetett klímaberendezés energiafogyasztása jelentősen növeli az energiatárolóból kivett energia értékét: klíma nélkül klímával: klíma+1% emelkedő: klíma+2%emelkedő: klíma+3%emelk klíma+4%emelkedő: klíma és -1% lejtő: (2-1,3802)=0,6198 kwh/ 2megállótáv, (2-0.683)=1.317kWh/ 2megállótáv, (2-0,405)=1,595kWh/ 2megállótáv, (2-0,1122)=1,8878kWh/ 2megállótáv (2.5-0,3129)=2,1871 kwh/ 2megállótáv (2,5-0,011)=2,489 kwh/ 2megállótáv, (2,5-1,465)=1,035 kwh., a motoré csak 0,1417 Kwh) klíma és -4%lejtő: (2,5-2,2691)=0,2309 kwh /2megállótáv, és a motor energiafogyasztása -0,6626kWh, azaz ekkora értékű energiát visszatölt. 87
Kiszámítva a különbségeket a klíma nélküli üzemben felvett 0.6198 kwh/ 2 megállótáv energiafogyasztásra és a bekapcsolt klímához szükségesre, látható, hogy az anélküli üzemhez viszonyított fogyasztás Emelkedő nélkül 1% emelkedőn 2% emelkedőn 3% emelkedőn 4% emelkedőn 2,1248-szor, 2,5734-szer, 3,041-szer, 3.5287-szer, 4,016-szor, továbbá -1% lejtőn -4% lejtőn 1,67-szer, 0,3725 ször nagyobb (kivéve a nagyobb lejtőket), mint a klíma nélküli üzemben felvetté. 3.6 A szükséges energiatároló képesség számítása: Klíma nélküli üzemben a két megállótávonkénti energiaigény 0,6198 kwh, ez kilométerenként ennek kétszerese: 1.2396 kwh/km Klímás üzemben emelkedő nélkül 2,634 kwh/km 1 % emelkedővel 3,19 kwh/km. Az 1% emelkedő többlet-igényét még síkvidéki városban is célszerű lehet figyelembe venni. Az akkutelep kapacitását annak élettartama növelése érdekében célszerű csak 60-70 %-ban kihasználni, így az előző értékeket legalább mintegy 1, 66-tal szorozni a kívánt hatótávolságú akkumulátoros üzemet lehetővé tévő akku-kapacitás megállapításánál. 88
3.7 Töltés a felsővezetékről Az erre a feladatra bővített szimulációs vizsgálattal kimutattuk, hogy emelkedő nélküli üzemben a felsővezetékről történő töltés és egyidejű vontatás együttes teljesítményigénye 95kW, ha a járműben a klíma is bekapcsolt állapotú. Ilyenkor az önálló üzemben elfogyasztott klíma+0% emelkedő üzem energiafogyasztását éppen pótolja. Látható az energiatároló energiaszintjének a 2,5 kwh kezdeti értékről történő emelkedése, illetve a kapacitív tároló feszültségszintjének növekedése. 3.20. ábra Az energiatároló energiaszintjei 89
4. Városi üzemeltetésű autóbusz elektromos hajtásrendszerének kifejlesztéséhez rendszerterv megalkotása (Esettanulmány) 4.1 Javasolható villamos hajtású autóbuszok hajtástechnikai jellege vidéki nagyváros városi közlekedésére A közlekedési környezet rövid jellemzése Az esettanulmányhoz választott város síkvidéki fekvésű, néhány százalékos emelkedő a hidakon található. 4.2 A hajtásrendszer kiválasztásának szempontjai Az eddigi hibrid-jármú elemzésekből is látható, hogy a másutt már jelentős számban alkalmazott hibrid hajtású autóbuszok közkedveltségét alacsonyabb károsanyag-emissziója, kisebb zajszintje, élénk és folytonosabb-simább gyorsulása alapozza meg, továbbá a fokozatosan terjedő felismerés a környezet megőrzése iránt, ami vállalandó anyagi többletkiadásokkal is járhat. A dízel-hibrideknél említett hosszú megtérülési idő a szokásos pénzügyi normák szerint alig fogadható el, de a közel 30 %-al kisebb gázolajfogyasztás és ennek levegő-kímélő következménye városfenntartási és lakóhely-egészségi szempontból elsődlegesekké váltak. A trolibuszok ilyen tulajdonságai a hibridekénél is kedvezőbbek, ráadásul az erőmű lehet távol is, lehet nem-fosszilis energiatermelő is, amely még kedvezőbb, tehát a troli a dízelmotoros járműveknél sokkal kedvezőbb károsanyag-kibocsátással járó adottságú, és valóban tisztán, szennyezésmentesen működtethető jármű. A felsővezeték közlekedési üzemzavar-fokozó tapasztalati értékelése, esztétikai problémái, energiaellátási beruházási többletköltségei nehezítik a troli terjedését, ellenkezőleg, lebontását gyakrabban kezdeményezik a rendszer vitathatatlan előnyei ellenére. Javaslatunk olyan kompromisszumos megoldás keresése, amely a ma lehetőségeinek figyelembevételével a legtisztább üzeműnek mondható teljesen villamos hajtású jármű megvalósítását tűzi ki célul, a felsővezeték hátrányos tulajdonságainak részbeni mellőzésével. 90
A mai akkumulátorokkal építhető energiatárolók már 4-6 utas-férőhely csökkenése árán lehetőséget kínálnak arra, hogy az autóbuszok mintegy egy órányi időszakra teljesen önálló, villamos energiaforrástól független városi forgalmat teljesíthessenek. Ennek a megoldásnak szükséges feltétele a megfelelő teljesítőképességű villamos hálózattal való csatlakoztathatóság, és ennek olyan időtartama, amely az akkumulátorok élettartamának rövidítése nélkül teszi lehetővé a feltöltést. Az irodalom említ próbálkozásokat különféle elvű és rendszerű gyorstöltési csatlakozásra valamilyen villamos hálózathoz, de ezek is kiépítendőek lennének, és a csatlakozás műszaki tartalma sem megoldott. Azokban a városokban, ahol részlegesen kiépült és üzemelő trolibusz-hálózat létezik a maga teljes energiaellátó rendszerével, kínálkozik egy sajátos energetikai hibrid villamos jármű megvalósítása és használata, - amely akkuteleppel, és a - felsővezetéki feszültségről táplált akkutöltővel ellátott, és - akkumulátorait a felsővezetékes forgalmi üzeme alatt tölti fel a szükséges ideig ott közlekedve, majd - mintegy egy-másfél órányi aktív távolléti forgalomra alkalmas. A városi közlekedésben az autóbusz átlagos eljutási sebessége 15-18 km/h, amelyet elfogadottan 250 m közepes értékű megállótávolság-gyakorisággal teljesítenek, amelybe beleértik a rövidebb távolságú szakaszokat, így a jelzőlámpák előtti kényszerű megállásokat is. Ezekkel számolva, egy óra alatt 45 másodperces ütemezéssel elméletileg 60-80 megállótáv volna teljesíthető. - A felsővezeték alatti töltési idő 1-1,5 órát igényel. - Az akkutelep élettartama 8 év felettire tehető. 91
A mai trolibuszok áramszedőinek kezelése már nem igényli a járművezető manuális tevékenységét, a vezetőfülke elhagyását, és ez a szempont már nem nehezítené meg egy ilyen váltott üzemmódú közlekedés bevezetését. A hibrid troli további fő berendezései a trolibuszokon eddig is alkalmazottak - ez a szempont a fejlesztést meggyorsíthatja. Mindenképpen szükséges egy új számítógépes irányító rendszer kifejlesztése, amely ellátja az energiamenedzsment feladatait, továbbá az akkutelep felügyeletét is kontrollálja (batterymanagement). Ilyenek működnek a hibrid személygépkocsikban is, azonban a felsővezetékről való töltés akkumulátor típustól függő feszültség/pillanatnyi energiaszint/töltőáram változók szerinti együttes irányítása más jellegű, és számítógépes optimalizálási feladatot is jelent. 4.3 További megoldásváltozatok Akkumulátor helyett ultrakondenzátoros energiatárolóval ellátott troli alapú hibrid busz: a fajlagos tárolóképesség csak mintegy 1/10-e a korszerű akkumulátorokénak, emiatt tömege, és különösen beruházási költsége 3-4-szerese volna. Ezt enyhíteni látszana hosszabb élettartama, de a térfogat- és tömegtöbblet miatti férőhelyszám csökkenést nem kompenzálná. Kisebb teljesítményű dízelmotorral kiegészített, troli alapú hibrid busz, amelynek energiatárolója ultrakondenzátor lenne, és csak 1-2 megállás alatti fékezési energia felvételét szolgálná. Nagyobb önállóságot adna, de Vidéki nagyváros városi közlekedésére nem javasolhatjuk. Normál dízelmotor teljesítményű hibrid busz a jelen tanulmány 1. fejezetében ismertetettek szerint nem javasolhatjuk károsanyag-emissziója miatt, és mert lehetséges hatékonyabb megoldás. Ezen elvi lehetőségeknek megfelelő hibrid jellegű, villamos hajtású járművek összefoglaló ábrái az alábbak. 92
4.1. ábra Az elvi lehetőségeknek megfelelő hibrid jellegű, villamos hajtású járművek összefoglaló ábrája (a) 4.2. ábraaz elvi lehetőségeknek megfelelő hibrid jellegű, villamos hajtású járművek összefoglaló ábrája (b) 93
Elemzéseinket összefoglalva, és figyelembe véve - a leendő közlekedési helyszínt, - a meglévő infrastrukturális adottságokat, - a járműfejlesztés költségvonzatait, 4.4 A javasolt villamos hajtású autóbusz elve és fő rendszertechnikai adottságai A trolibusz rendszerű alapberendezésű, és kiegészítésként egy megfelelő tárolóképességű akkumulátoros energiatárolós járműfejlesztést kap 1-1 ½ órai önálló forgalmi képességgel, a hozzá szükséges akkutöltő berendezéssel, amelyeket rendszertechnikailag együtt egy erre a célra kifejlesztendő számítógép-irányítású energiamenedzsment kezel. Az akkutelep töltése a jármű felsővezeték alatti üzemében, a trolibusz végállomásokon, végül a kocsiszínben lehetséges. A rendszer szokatlan jellegét a forgalomszervezési teendők jelentik, amelyek a jármű üzemét úgy osztják el a felsővezeték alatti és az önálló szakaszokra, hogy az fennakadások nélkül realizálható legyen. Akkumulátoros önjárású üzemmódban, a hajtásrendszer kapocsfeszültségét, a járműbe telepíthető akkumulátor cellák méretei korlátozzák. A jármű hátsó részében rendelkezésre álló tér mérete, illetve a hátsó tengelyterhelhetősége, jelen esetben csak 120 db. 90Ah-ás akkumulátor cella beépítését teszi lehetővé. Ebből adódóan a trolibusz akkumulátoros önjárású üzemmódban csak csökkentett vontatási teljesítmény leadását teszi lehetővé. A jármű közlekedéséhez szükséges a vontatás ill. fékezés alapjeleket a központi vezérlő berendezés a lábkontrollerek alapjel adójáról kapja. A trolibusz villamos és légfékrendszerének együttműködését a féküzemi lábkontroller biztosítja. 94
4.4.1 Felsővezetékes közlekedés A T1,2 jelű pneumatikus működtetésű rúdáramszedők biztosítják a trolibusz hálózati feszültségre való csatlakoztatását. A zárlat védelmet a BH1, BH2 jelű olvadó biztosítók, a túlfeszültségvédelmet pedig a TL jelű fémoxid túlfeszültség levezető látja el. A villamos berendezés hálózati feszültségre való kapcsolását a vezérlő berendezés által működtetett KH jelű kontaktor végzi, miközben a vontatási akkumulátorok KVA jelű kontaktora nyitva van. A vontatási inverter kondenzátorának (C) feltöltődése után a KT jelű kontaktor rövidre zárja a töltőellenállást (RT). A rádiófrekvenciás zavarszűrő egység (RIF) biztosítja, hogy az inverter egység kapcsoló elemei által keltett nagyfrekvenciás zavarjelek a telekommunikációs műsorok vételében zavart ne okozzanak. Az hálózati fojtó (LH) és az inverter egységben lévő kondenzátor telep (C) egy aluláteresztő szűrőt képez, mely megakadályozza az inverter egység által keltett felharmonikusok hálózatba jutását, illetve megakadályozza azt is, hogy a hálózati túlfeszültségek az inverterre jussanak. Az inverter egység funkcionálisan az alábbi részekre osztható: A bemeneti polaritásvédő híd biztosítja a hálózat egyenes és fordított polaritása esetén a kondenzátor telep helyes feltöltését és így a vontatási üzemet. Visszatápláló fékezést csak egyenes polarítás mellett engedélyez. A polaritásvédő híd visszatápláláskor alkalmas a zárlati, vagy túláramok ultragyors megszüntetésére is. Fékszaggató egység féküzemben az energiát a fékellenállásba irányítja, ha a hálózat nem felvevőképes. A fékszaggató impulzusszélessség moduláció (PWM) alkalmazásával a fékellenállások olyan látszólagos terhelését alakítja ki, hogy a kondenzátor telep feszültsége ne haladja meg a beállított, de maximálisan 800 V értéket. Szintén a fékszaggató bekapcsolásával biztosítja a vezérlő berendezés a váltóállításhoz szükséges kiegészítő hálózati áramot is. A hálózati feszültség megszűnésekor a vezérlő berendezés a fékszaggató bekapcsolásával, biztonsági működésként kisüti a kondenzátor telepet. 95
Kondenzátor telep (C), mely a hálózati fojtóval egy aluláteresztő szűrőt képez. A kondenzátor telepre kapcsolt ellenállások biztosítják, hogy a kondenzátor telep 1 perc alatt 50 V feszültségnél kisebb értékre kisüljön. Háromfázisú hídkapcsolású feszültséginverter, mely vontatási ill. fékezési üzemben biztosítja a vontatómotor változó váltakozó feszültségét és frekvenciáját. Az inverter PWM vezérlését a saját jelprocesszoros (DSP) vezérlő berendezés végzi 1-2,7 khz frekvenciával. Az egység tartalmaz két áramváltót, amelyek a motor két fázisának áramait mérik. Menetüzem Az IGBT elemeket tartalmazó inverter háromfázisú feszültséget állít elő a vontatómotor táplálására. Az inverter impulzus szélesség modulációs (PWM) működtetését a vezérlő berendezés végzi. A hajtásvezérlő berendezés az inverter egységbe beépített mérőváltók és a vontatómotor tengelyvégére szerelt fordulatszámadók jelei alapján a vontatómotor úgynevezett mezőorientált szabályozású működtetését vezérli. Menetüzemben az energiaáramlás iránya: - felsővezeték hálózati polaritásvédő híd kondenzátor telep feszültséginverter vontatómotor. A trolibusz gyorsítása kezdetben állandó nyomatékkal, majd állandó hálózati teljesítménnyel történik. Villamos féküzem A háromfázisú inverter működése megegyezik a menetüzemnél leírtakkal viszont villamos féküzemben az energiaáramlás iránya: vontatómotor feszültséginverter kondenzátor telep vontatási akkumulátor telep és részben a fékellenállás. Villamos féküzemben a kondenzátor feszültsége nem haladhatja meg a hálózatra megadott maximális feszültséget. Ennek szabályozását a fékszaggató végzi, amely a fékellenállás bekapcsolásával tarja a szintet. A keletkező villamos energia így részben vagy egészben a hálózatba jut vissza, vagy a fékellenállásokon disszipálódik. Féküzemben a nagy sebességek tartományában a vezérlő berendezés a hajtómű által meghatározott teljesítménnyel, majd állandó nyomatékkal fékezi a járművet. 96
A dinamikus fékezés független a hálózati feszültségtől. A dinamikus fékezés prioritást élvez a mechanikus-pneumatikus fékezéssel szemben. A beállított fékezési jellemzők szerint a két fékrendszer olyan módon működik együtt, hogy a biztonsági előírások teljesüljenek, és egyúttal a lehető legnagyobb energiamennyiséget nyerjék vissza. 4.4.2 Akkumulátoros közlekedés Akkumulátoros üzemben a pneumatikus működtetésű áramszedők le vannak engedve, a vontatáshoz szükséges energiát a fedélzeti vontatási akkumulátorokból (VA) nyeri a jármű. A KH jelű hálózati kontaktor kikapcsolt állapota mellett KVA jelű kontaktor az akkumulátor feszültségét a vontatási inverterre kapcsolja. Menetüzem A háromfázisú inverter működése megegyezik a felsővezetékes menetüzemnél leírtakkal az energiaáramlás iránya: vontatási akkumulátor telep hálózati polaritásvédő híd kondenzátor telep feszültséginverter vontatómotor. Az inverter ebben az üzemmódban az akkumulátorok 360 V-os névleges feszültségéből állítja elő a vontatómotor tápfeszültségét. Az akkumulátorok kisütési követelményeinek megfelelően a motor által felvett teljesítmény a felsővezetékes üzemihez képest csökkentett értékű. A trolibusz gyorsítása kezdetben állandó nyomatékkal, majd állandó felvett teljesítménnyel történik. Villamos féküzem A háromfázisú inverter működése megegyezik a menetüzemnél leírtakkal viszont villamos féküzemben az energiaáramlás iránya: vontatómotor feszültséginverter kondenzátor telep vontatási akkumulátor telep és részben a fékellenállás. Villamos féküzemben a kondenzátor feszültsége nem haladhatja meg az akkumulátorokra megadott maximális töltőfeszültséget. Ennek szabályozását a fékszaggató végzi, amely a fékellenállások bekapcsolásával tarja a szintet. A keletkező villamos energia így részben az akkumulátort tölti, részben a fékellenállásokon disszipálódik. 97
Féküzemben a nagy sebességek tartományában a vezérlő berendezés a hajtómű által meghatározott teljesítménnyel, majd állandó nyomatékkal fékezi a járművet. 4.4.3 Vontatási akkumulátorok töltése A VA jelű vontatási akkumulátor töltése kétféleképpen valósul meg. Tölthető a vontatási akkumulátortöltő berendezés (SÜ2) segítségével, amely táplálása lehet a felsővezeték felől és lehet a telephelyen a közüzemi, 3x400 V, 50 Hz-es hálózatból. A felsővezetékről a normál felsővezetékes üzem során a 600 V-os felsővezetékrőlkap táplálást a töltőberendezés. Ebben az esetben a bemeneti háromfázisú hídnak csak két ágát használja a rendszer. Az egység rendelkezik saját fojtóval, töltőellenállással és bemeneti kondenzátorral. A járműben elhelyezett 120 cellás sorba kapcsolt akkumulátor telep töltését a töltőberendezés U-I karakterisztika szerint végzi. A névleges töltőáram kb. 0,5C, azaz 45-50 A. A maximális feszültség eléréséig, amikor a SOC kb. 90%, a készülék állandó árammal tölt, majd állandó feszültségű karakterisztikára tér át. A telephelyen a közüzemi hálózatról történő töltés esetén a saját polaritásvédő hídjától kapja a táplálást a töltőberendezés. Ebben az esetben a híd mindhárom fázisa működik és a 400 V- os vonali feszültségből 540 V egyenfeszültséget állít elő. A töltés módszere a továbbiakban megegyezik a vonali töltésnél ismertetett módszerrel. A vezérlő berendezés a beépített mérőváltók jelei alapján számolja a vonatási akkumulátor által felvett és leadott energiát. 4.4.4 Segédüzemi rendszer működése A segédüzem és fűtés berendezései a tápfeszültségük szerint az alábbi csoportokra bonthatók: 600 V-os segédüzemi berendezések (vezetőfülke és utastér fűtés, segédüzemi átalakítók (SÜ1 és SÜ2), vontatási akkumulátor töltő); 3 x 400 V-os segédüzemi egységek (vontatómotor szellőző, kompresszor hajtómotor); 98
24 V-os segédüzem (járművillamossági akkumulátor, vezérlési tápellátás, fűtőkészülékek szellőzése, légkondícionáló berendezések szellőzői, világítás, utastájékoztató egységek, segéd kormányszivattyú stb.). A 600 V-os segédüzemi berendezések kontaktorokkal olvadó biztosítókon keresztül csatlakoznak az őket tápláló hálózatra. A berendezések kontaktorait a vezérlő berendezés működteti. Felsővezetékes üzemben a segédüzemi átalakító (SÜ1) a 600 V-os hálózati feszültségből a segédüzemi polaritásvédő hídon keresztül biztosítja a 3x400 V, 50 Hz-es és a 24 V-os fogyasztók tápellátását és tölti a jármű 24 V-os akkumulátorát. Az egyes részegységei különkülön vezérelhetők. A segédüzemi átalakító az aszinkronmotorok indítását feszültség - frekvencia felfuttatással végzi. Önálló menetüzemben a segédüzemi átalakító a vontatási akkumulátor feszültségére kapcsolódik és biztosítja a háromfázisú fogyasztók (inverter- és vontatómotor szellőző, kompresszor hajtómotor) tápellátását és tölti az akkumulátort. A trolibusz villamos fűtőberendezései felsővezetékes üzemben kontaktorokon és olvadóbiztosítókon keresztül kapcsolódik a 600 V-os hálózatra. Akkumulátoros üzemben csak a vezetőfülke páramentesítője működtethető a vontatási akkumulátorról. A vezetőfülke fűtése és az utastér fűtése több okozatban kapcsolható. A vezérlő berendezés a beépített mérőváltók jelei alapján képzi a segédüzem és fűtés felvett energiáját. 99
5. A jármű főegységek optimális elrendezésének meghatározása 5.1 A jármű főegységek optimális elrendezésével kapcsolatos megfontolások A főegységek elrendezésénél az alábbi szempontok együttes figyelembevétele szükséges: konstrukciós kapcsolatok, utastér méret-csökkentő hatások, alacsonypadlós változatnál átjárhatóság, tömegeloszlás-változás, súlypont-eltolódás, járműszekrény szilárdsági kérdések, többlet-merevítések szükségessége, esetleges borulás, járműtetőn csúszás következményei ( pl. tetőre helyezett akkumulátorok sérülése, villamos szigetelés sérülése, áramütésveszély növekedése, zárlatba kerülés, kigyulladás, a baleset sérültjei számának további növelése), nagyfeszültségű rendszer kábelhosszainak lehető csökkentése, tűzveszélyes Li-Ion akkufajták esetén azok külső sérülések elleni fokozottabb védelme, utastér felőli oldalon nagy hőállóságú hőszigetelés alkalmazása, amely a járműből menekülést elősegíti, szerelhetőség-szervizelhetőség, megközelíthetőség-hozzáférhetőség esetleges további szempontok. A hajtás elrendezésénél a mai korszerű trolibuszok aszinkron vontatómotoros változatára célszerű alapozni, itt a vontatómotor a hátsóhíd előtti térbe van befüggesztve, a padlószint alá. Alacsonypadlós változatnál ez az elrendezés nem használható, a hátsóhídat a ZF megoldásához elvben hasonlatosan kellene kialakítani de mindenképpen a jármű hossztengely egy vagy két oldalán elhelyezett 1 vagy 2 vontatómotorral kell megoldani. Ennek fejlesztési volumene meglehetősen nagy, az egyik kompromisszumos lehetőség az 100
alacsonypadlós szakasz rövidítése. (Meglévő buszkonstrukciónál ezek a kérdések nem vetődnek fel.) Az áramirányítók (DC-DC töltő konverter, motor inverter, segédüzemi inverter) közül csak az akkutöltés feladatát ellátó DC-DC konverter elhelyezése új feladat. Az akkumulátor elhelyezése NI-MH típus esetében, amely nem tűzveszélyes, a tetőre szerelt akkuszekrény gyakori megoldás, hasonlóan a kondenzátortelepéhez, ilyen energiatároló esetén. Nagyobb biztonságú (kisebb tűzveszélyességű) akkumulátor fajták esetén a konkrét fajtához tartozó gyári előírások, tűzeseteket feldolgozó tapasztalatok figyelembe vételét tartjuk szükségesnek. Az egyik legnagyobb energiasűrűségű LI-Polimer akkumulátort különösen tűzveszélyesnek tartjuk, a másutt előfordult tűzesetek alapján. Itt a rendkívüli eseményekkor bekövetkező külső sérülések egyes típusai előidézhetik a kigyulladást, függetlenül attól, hogy normális üzemben az akkufelügyelet a nem megengedhető melegedéseket, mint a kigyulladás egyik gyakori okát, meg tudja akadályozni. Erre tekintettel a Li-Polimer, és esetlegesen más, de hasonlóan tűzveszélyes akkufajtákat nem javasolhatunk beépítésre. A villamos hajtású gumikerekes tömegközlekedési eszközöket a gyártók többnyire sorozatgyártású járművek (autóbuszok) fődarabjainak és kocsitestjének felhasználásával alakítják ki. Tekintettel arra, hogy ma már alapvető elvárás a járművek üzemeltetőitől az, hogy a kocsiszekrények 100%-ban alacsonypadlós kivitelűek legyenek ez feltétlen szükségessé teszi a járműszerkezet konstrukciójának módosítását, megerősítését. Az általában igen jelentős tömegű villamos berendezések elhelyezésére csak a busztest motorterében, illetve a tetőn nyílik lehetőség. Az egyes komponensek elhelyezésekor az amúgy is korlátozott elhelyezési élehetőségek mellet - ügyelni kell a tengelynyomások hatóságilag szabályozott értékeinek betartására is. 101
A megvalósítandó trolibusz tetején elhelyezkedő komponensek: a klímaberendezések, a pneumatikus áramszedő, a hajtáskonténer és a segédüzemi átalakítók. Az átszellőztetett fiókokba szervezett akkumulátorok a kocsiszekrény hátsó részében, a motortérben kaptak helyett. Az utastéri klímaberendezés kompresszorra szintén a motortérbe lesz beépítve, a vontatási akkumulátorfiókok közös légbeömlő nyílása mögé. A levegős rendszer háromfázisú motorral táplált rotációs kompresszora pedig a vontatómotor mögött kerül elhelyezésre. 5.1. ábra Az átszellőztetett fiókokba szervezett akkumulátorok a kocsiszekrény hátsó részében 102