Alternatív hajtású járművek fejlesztésének irányai a Debreceni Egyetem Műszaki Karán Dr. Husi Géza tanszékvezető egyetemi docens, dékánhelyettes Bevezetés Az üzemanyagárak emelkedése és a készletek végességének felismerése az utóbbi 10 évben jelentősen beindította az alternatív hajtású járművek fejlesztését az egész világon. Ezek a hajtások különböző energiaforrás (elektromos áram, levegő, vegyi folyamat során keletkezett energia stb.) felhasználásával különböző energia-átalakítók alkalmazásával kerültek kifejlesztésre és néhány esetben már a nagyobb autógyárak a sorozatgyártást is elkezdték. Az autóipar 1999-es évkönyve a gazdasági válság ellenére nagyarányú növekedést jósolt a forgalomban résztvevő járművek számát tekintve (1. ábra). 1. ábra Forgalomban lévő járművek számának várható alakulása 2020-ra 1,2 milliárd darab (forrás: [1]) Az európai integráció alapja az emberek szabad áramlása, ugyanakkor a közlekedéssel kapcsolatos szabályozások a tagállamok hatáskörében vannak. A közös közlekedéspolitika eredményeként az elmúlt 30 évben kétszeresére nőt az áru és a személyforgalom. Nőtt a hatékonyság is, de ennek ellenére a tagállamok összességében felhasznált energia 30%-át a közlekedés fogyasztja el. [2] Miközben a nemzeteken átnyúló közlekedés az egységes Európa egyik sikere az üvegházhatású gázok kibocsájtásának 25%-ért szintén a közlekedés a felelős. Az importból származó energiaigény, illetve üvegházhatású gázok kibocsájtásának csökkentésére az EU meghirdette a 202-as hosszú távú energiastratégiáját, amely több területen így a közlekedésben is összekapcsolja az éghajlatváltozás és az energiafelhasználást. A 20-20- 20 as célokként is ismert energiastratégiának van egy 10-es összetevője is, hiszen amellett, hogy az üvegházhatást okozó gázok kibocsátását 20%-kal kell csökkenteni, az energiahatékonyságot 20%-al kell növelni és a megújuló energiaforrások arányát 20%-ra kell emelni 10%-ot kell elérnie a megújuló forrásból származó üzemanyagoknak is. Az Európai Parlament és a Tanács 2009/33/EK számú irányelve, támogatja és ösztönzi a tiszta és energiahatékony járművek piacának fejlesztését, és arra kötelezi a hatóságokat és bizonyos egyéb szereplőket, hogy a gépjárművekre vonatkozó közbeszerzési szerződések odaítélésekor
vegyék figyelembe a járművek üzemeltetése során az azok teljes élettartamára vonatkozó energiafogyasztást, a szén-dioxid és az egyéb szennyező anyagok kibocsátását. [3] Az irányelv olyan ma még nehezen elképzelhető ajánlásokat is tartalmaz mi szerint 2030-ra A hagyományos üzemanyaggal működő autók arányát 50%-kal kell csökkenteni, illetve 2050-re pedig ki kell azokat vonni a városi forgalomból. Más felmérésekből [4] is látszik, hogy a személyjárműveknek nagy részét egy időben 1-2 utas viszonylag rövid távolságon belül használja (2. ábra), nagyrészt nem több mint 65 km távolságra. 2. ábra 100 személygépjármű futásteljesítményének megoszlása Ezt a napi 65-70 km-es távot alternatív hajtású járművekkel is könnyedén meg lehetne tenni. Amennyiben a személygépjármű a család második járműve a megtett távolság a járművek 95%- nál nem több mint 70 km [4]. A Debreceni Egyetem Műszaki Kar 6 éve foglalkozik alternatív hajtású járművek fejlesztésével a fenti adatokra és irányelvekre támaszkodva. A fejlesztés két irányú, egyrészt foglalkozunk sűrített levegővel hajtott, másrészt elektromos járművek fejlesztésével. A kutatásra e cikk szerzőjének vezetésével létrejött egy nemzetközi kutatócsoportot, amely az elektromos hajtású járművek hajtásának új megközelítésén alapuló fejlesztését tűzte ki célul. Elektromos hajtású járművek fejlesztésének előzményei Az elektromos járművek fejlesztései a hibrid járművek irányába fordultak az utóbbi években. A fejlesztések célja célja, hogy a jármű fékezésekor keletkezett és hagyományosan súrlódási energiává, majd hővé alakított energiát valamilyen módon tárolni lehessen és azt adott esetben gyorsításkor lehessen felhasználni. További fejlesztési cél még, hogy elektromos energiával a járművet lassú üzemben önállóan mozgatni lehessen, illetve parkoláskor az autó elektromos
energiát is tudjon felvenni. A 3. ábra ezen járművek elvi megvalósítását, a köztük lévő különbségeket és azonosságokat mutatja. 3. ábra A jellegzetes fejlesztési irányok: Elektromos hajtású jármú (EV), Plug-in hybrid jármű (PHV), Hybrid jármű (HV), Üzemanyagcellás hibrid (FCEV) Mint a 3. ábrán látható a hibrid hajtások mindegyike (és természetesen az elektromos autó is) tartalmaz elektromos hajtást. Ez indokolta, hogy fejlesztésünk magára az elektromos hajtásra irányuljon, hiszen ezek megtalálhatóak a hibrid járművekben is. 4. ábra Hajtás első verziója 2010. októberében Célunk az volt, hogy nagyteljesítményű, városi forgalomban használható, hagyományos járművek menetdinamikai tulajdonságaival rendelkező hajtást fejlesszünk és ezt a hajtást valós közlekedésben, valamint forszírozott üzemi körülmények között (versenyek) is teszteljük. Az
akkori feltételezésünk szerint üzemeltethető olyan hibridjármű, amely csak a városi forgalmon kívül használ hagyományos erőforrást, üzemanyagot. Ennek a koncepciónak a gyakorlati méréseken alapuló megvalósítására, illetve a mérések elvégzéséhez a Debreceni Egyetem Műszaki Kar Villamosmérnöki és Mechatronikai tanszék 2009-ben saját gyártású elektromos tanulmányautót készített. A tanulmányautó Bartha István mestertanár tervezői ötletének a felhasználásával készült, amelynek alapötlete az, hogy elektromos autó hajtását frekvenciaváltóval szabályozott váltóáramú motorral is meg lehet valósítani és ez életképesen üzemeltethető a közlekedési körülmények között is, kiiktatva a hagyományos autók sebességváltóját, és ezzel könnyebbé téve magát az autót. A kutatási és oktatási célt szolgáló tanulmányautó első verziója 2010. októberére készült el és a Kar szakmai napján az egyetem főépületében mutattuk meg az érdeklődőknek. További fejlesztés eredményeként csapatunk 2011. tavaszán a MagyarRegula 2011. kiállításon bemutatta a hajtást a járműbe szerelve (5. ábra), ami később alapja lett annak az elektromos versenyautónak amivel jelentkeztünk a VI. Széchenyi futamra. Ekkor már nem csak maga a hajtás, hanem a jármű és az akkumulátorok töltésének megoldása is kihívást jelentett. 5. ábra Gerundium versenyautó a fejlesztés fő támogatója a Schneider Electric standján. Az elektromos járművek fejlesztésének egyik alapkérdése, hogy hogyan lehet elektromos motor fordulatszámát hatékony módszerekkel szabályozni, illetve a hatótávolság és az akkumulátorok tömege milyen arányban állnak egymással. A megtervezet és megépített járművünk villamos
hajtása egy erősáramú hajtástechnika, mikroszámítógépes frekvenciaváltóval szabályozott váltóáramú hajtás. Ezzel a hajtással megépített 250 kg össztömegű jármű normál közúti forgalomban 120 km hatótávolságú, 115 km/óra maximális sebességű volt. A megépített autóban a két egyedi 6 pólusú tekercseléssel szerelt M112 aszinkronmotor a két hátsó kereket hajtja, motorjainak teljesítménye: 2*2,4 kw. (230/400 aszinkron motor). A jármű akkumulátorai 12kWh kapacitással 320 V DC feszültséggel üzemeltek. Kezdetben 432 db 7,5 Ah 3,7 V névleges feszültségű LI-PO9050140 jelű akkumulátort alkalmaztunk, de később ezeket az akkumulátorokat a használhatóság miatt elvetettük. A járműben aszinkron motorokat használtunk (de az utolsó verzióban már szinkron motorok is kipróbálásra kerültek, a motorok szabályozására Schneider Electric gyártmányú Altivar 71 típusú, enkoderrel és control inside kártyával kibővített frekvenciaváltó szolgált. A váltóáramú aszinkron motor, frekvenciaváltóval támogatva, sokkal kedvezőbb nyomatékjelleggörbét ad, mint az egyenáramú motorok. A 6. ábrán látható tipikus nyomaték-jelleggörbe az igénybe vehető folyamatos nyomatékot és tranziens túlnyomatékot mutatja be kényszerhűtésű, vagy természetes hűtésű motorok esetén. Az egyedüli különbség a kényszerhűtésű motor azon tulajdonsága, hogy a névleges fordulatszáma fele alatt is képes folyamatosan nagy nyomatékot szolgáltatni. A 6. ábra jelölései: 1. Természetes hűtésű motor: folyamatosan igénybe vehető nyomaték 2. Kényszerhûtésû motor: folyamatosan igénybe vehető nyomaték 3. Túlnyomaték maximum 60 s-ig 4. Tranziens túlnyomaték maximum 2 s-ig 5. túlnyomatok túlpörgésen, állandó teljesítmény mellett 6. ábra Nyomaték-jelleggörbék (tipikus görbék) zárt hurkú alkalmazás esetén [5] A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy nagy indítónyomaték mellett, a frekvenciaváltóval módosított jelleggörbe által mutatott nyomaték a billenő-nyomatékhoz tartozó fordulatszámig
konstans, tehát a maximális nyomaték nagyobb fordulatszámokon és sebességeken is rendelkezésre áll, ellentétben az egyenáramú motorokkal. A találmány újdonságértéke az egyedi módon programozott és illesztet teljesítményelektronikai berendezés, amely a váltóáramú motor gerjesztési frekvenciáját szabályozza úgy, hogy bármilyen hagyományos (kalickás) aszinkronmotor, valamint szinkronmotort képes működtetni. Ezzel a megoldással az egyenáramú motorokkal ellentétben a feszültség növelés nem fordulatszám növekedést hanem nyomaték növekedést eredményez. A speciális programozásnak köszönhetően frekvenciaváltóval szabályozott váltóáramú hajtás menetdinamikai paraméterek kedvezően változnak, a motor nyomatéka a teljes fordulatszám tartományban szabályozhatóvá válik [6]. A jármű sebessége, független az akkumulátorok töltöttségi szintjétől, vagyis a motor fordulatszáma mindaddig nem csökken, míg a telepek feszültsége egy beállított szint alá nem csökkennek. Ha a feszültség egy szint alá csökken, akkor az akkumulátorok védelme érdekében, jelzésként tevőlegesen tartalékra kell kapcsolni és egy szoftveres átállítással a jármű tovább képes közlekedni a töltés helyéig, maximum a teljes hatótávolság 15% ig. A hajtás természetesen féküzemben akkumulátor töltés funkcióval van ellátva. Az egyetem 2013-ben nyújtotta be Kapcsolási elrendezés és eljárás elektromos jármű váltakozó áramú hajtásának vezérlésére címmel a szabadalmi bejelentést, amely WO13729432.8-1804 számon bejegyzésre került [7]. A fejlesztés jelenleg több szálon fut. Teherautó hajtások fejlesztése A tanulmányautóban kipróbált és kimért jellemzők alapján a tanszék partnereivel a TAPPE Hulladékgazdálkodási és Köztisztasági Kft vel (Békéscsaba) és az ENERGOTEST Kft.-vel (Dunaharaszti) kommunális hulladék gyűjtésére alkalmas elektromos hajtású tehergépjármű fejlesztésébe kezdett. A projekt eredményeként egy P rendszámmal ellátott közúti próbákra alkalmas prototípus jármű készült el 2014. szeptemberére. (6.7. ábra) 7. ábra A hajtás elvi vázlata [8] A jármű 14000 kg tömegű, a hajtás 1 db 55kW (230/400V) asszinkron motort tartalmaz. Az akkumulátor kapacitása 113kWh, feszültsége 620 V DC. A jármű 78 km/óra maximális sebességgel képes egy szemétgyűjtési kört elvégezni és önerejéből felmenni a szemétdomb tetejére, a lerakóhelyre. A teherautó PV cellákkal is rendelkezik, amelyek biztosítják a segédüzemekhez (szervo, féklevegó rendszer stb.) a szükséges energiát egy önálló akkumulátort folyamatosan töltve.
8. ábra P rendszámmal ellátott közúti próbákra alkalmas prototípus jármű A járműhöz kifejlesztésre kerül továbbá egy konténerbe telepített Magyarországon egyedülálló elektromos járművek fejlesztéséhez és teszteléséhez használható teljesítménymérő pad, valamint egy a fejlesztést támogató telemetriai rendszer. A teljesítménymérő padon szimulálhatók az egyes begyűjtési szakaszokhoz tartozó átlagos dinamikai ciklusok és ezt megfelelő szoftver segítségével tesztelési célból a motor hajtott tengelyére szimulációként elő lehet állítani [9].
9. ábra A Debreceni Egyetem telemetria rendszerének vázlata A fejlesztés mellékágaként kialakításra került egy kisebb teherautó is. A 2900 kg tömegű kisteherautó 1 db 7,5 kw-os (230/400 aszinkron) motorral 90 km/óra sebességre képes. Akkumulátora 320 V DC feszültségűek és 24 kwh kapacitású. Mindkét jármű folyamatos közúti tesztelésen vesz részt és alapját képezi a prototípusokból előállítandó sorozatgyártásra alkalmas tipizált és technologizált újabb járműveinknek. A tanulmányautók kifejlesztését a Schneider Electric támogatta. A cikkben leírt elveket CIRCUIT ARRANGEMENT AND A METHOD FOR CONTROLLING AN AC DRIVE SYSTEM OF AN ELECTRIC VEHICLE című (Lajstromszám/Azonosító adatok: HU1200240 (A2) 2013-10-28, Ügyszám: P1200240, Benyújtás éve: 2013.) szabadalom védi. A kukásautó fejlesztését a Kommunális hulladék gyűjtésére alkalmas elektromos hajtású tehergépjármű fejlesztése című, GOP-1.1.1-11-2012-0617 kóddal jelölt pályázat támogatta. A Debreceni Egyetem részére elnyert támogatás: 211 281 596 Ft. Hivatkozások [1] Handbook of automotive industry, Japán: Society of Automotive Engineers of Japan, 1999. [2] Eurostat, http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/statistics/search_database, 2013. [3] EU jogszabály, Uniós jogszabályok összefoglaló, 23 04 2009. [Online]. Available: http://europa.eu/legislation_summaries/environment/air_pollution/en0011_hu.htm. [Accessed 15 11 2014].
[4] T. Hashimoto, Mitsubishi Motors, Prague: Hybrid & Electric Vehicles Forum, 2012. [5] S. Electric, Altivar 71 fordulatszám-szabályzók 0,37-500kW, Budapest: Schneider Electric, 2005. [6] A. V. G. H. ISTVÁN BARTHA, STANDARD INDUSTRIAL INVERTER CONTROLLED DRIVE CHAIN FOR VARIOUS TYPE OF EV, Recent Innovations in Mechatronics (RIiM), %1. kötet1, %1. szám1-2, 2014. [7] H. Géza, I. Bartha, I. Liker, A. Vitéz és J. Tóth, CIRCUIT ARRANGEMENT AND A METHOD FOR CONTROLLING AN AC DRIVE SYSTEM OF AN ELECTRIC VEHICLE. Magyarország-Európa Szabadalom száma: HU1200240 (A2), 28 10 2013. [8] J. K. G. H. Z. B. ZSOLT TIBA, REPLACING THE ICE BY ELECTRIC MOTOR OF THE IVECO 150E EUROCARGO HARD-PRESS GARBAGE TRUCK, Recent Innovations in Mechatronics (RIiM), %1. kötet1, %1. szám1-2, 2014. [9] G. Husi és I. Bartha, Szerzők, Hulladékgazdálkodásban használt járművek és kisteherautók elektromos hajtásra való átállítása. [Performance]. Jedlik Ányos Klaszter, 2014.