KURZUS: Járművillamosság és elektronika 1.

MODUL: I. modul

2. lecke: Gépjárművek villamos rendszere, energia ellátása

| A lecke tanulásának a célja: Gépjárművek villamos rendszerének, energia ellátásának a megismerése. Milyen fajtái vannak az akkumulátoroknak, melyiket hol alkalmazhatjuk. A tulajdonságaikat éppúgy tárgyaljuk, mint a legújabb fejlesztéseiket.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke elsajátítása után a hallgatóknak ismerniük kell a járművek villamos hálózatát. A villamos energia ellátó elemének paramétereit, határait. Tudnia kell a jelenlegi trendek újfajta akkumulátorainak tulajdonságait.
Oktatási segédlet: Endrődy-Nagy: Gépjármű villamos berendezések Tk. Bp. 1987. J 19-610 Schmidt-Rajki-Vincze: Járművillamosság Tk. Bp. 2002 Tom Denton: Automobile electrical and elect-ronic systems, British Library 2012 4th edition Bosch műszaki útmutató füzetek, Maróti kiadó
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Villamos hálózat
Energiaforrásokat és fogyasztókat köti össze. 6, 12, 24, 42 V-os névleges feszültségű rendszerekről beszélhetünk. Miért 12 V a legelterjedtebb személygépjárművek esetében? P=UI=U2/R=I2R, ma már akár több kW-os villamos fogyasztás előfordul, ami pl. több száz Amperes áram fogyasztást feltételez, még ha rövid időre is. Nagyobb akkumulátor feszültség, kisebb áram fogyasztást eredményezne. Mi korlátozza a feszültség növelését? Izzólámpák esetében azonos teljesítményhez, ha a feszültséget duplázom, négyszeres ellenállású izzót kell gyártani. R=ρ l/A , ahol ρ és l adott, A-t kell csökkenteni negyedére. Emiatt rázásállósága csökken, plusz túlhevülési gond is lehet. Így a lámpák miatt marad a 12 V, plusz tervezik mellé pl. a 42 V-os hálózatot.
Villamos hálózat jellemzői:
Egy vezetékes rendszer "hőskorban" (acél váz pl. Trabantnál). Elsődleges villamos berendezések (motorvezérlő) kettő v. több vezetékes hálózat. Egységes jelölések (vezeték szín jelölése pl. testvezeték barna, csatlakozási pontok azonos számjelölésekkel) - nem minden esetben valósul meg a gyártóknál, előírásoknál. Környezetállóság (rázás, sósköd) mindig fontos kritérium volt.
A gépjármű villamos hálózatának blokkvázlata
1. ábra
Az 1. ábra a gépjármű villamos hálózatának blokkvázlatát mutatja.
Az egyes vezetékek jelöléseinek számozása a következő:
30: + 31: - 15: gyújtás kapcsoló 1. állása 50: gyújtás kapcsoló 2. állása
Ahogy látható egy alapkapcsolás a 2. ábrán. Az "x" relé feladata a villamos fogyasztók lekapcsolása indítás esetén, amikor az indító motor nagy áramot vehet fel.
Egy korszerű jármű alapcsatlakozásai
2. ábra
Vezetékek feladata:
mechanikus igénybevétel elviselése, túlmelegedés elkerülése, kicsi villamos veszteség, kicsi feszültség esés, keresztmetszete személygépkocsik esetében: 0.75 mm2-től indul; terhelhetőség:15 A, tehergépkocsik esetében: 1.5 mm2-től indul; terhelhetőség: 24 A, áramterhelhetőség névlegesen 5 A/mm2.
Biztosítékok feladata:
vezetékeken fellépő túláram elkerülése, védi a fogyasztókat, Tűz is lehetséges lenne nélküle!!! kivitel: lemez, rúd vagy késes, 5, 8, 10, 16, 20, 25, 40, 80 A-es nagyságban, nincs védve: akkumulátor, generátor, indító motor, itt túl nagy áramok előfordulhatnak.
A 3. ábra a biztosítékok elhelyezését és fajtáit mutatja.
Biztosítékok és relétábla, valamint a leggyakrabban alkalmazott olvadóbiztosítók
3. ábra
Fogyasztók csoportosítása:
Folyamatos üzeműek (gyújtás (28 W), üzemanyag szivattyú (60 W), műszerek (10 W), befecskendezés (80 W)) Szakaszosan üzemelnek (lámpák (100 W), rádió (20 W), ablaktörlő (60 W), hűtés-fűtés (80 W)) Rövid ideig üzemelnek (indítómotor (1800 W), kürt (40 W), ablakmosó (20 W), szivargyújtó (100 W), hátramenet lámpa (10 W), belső világítás (10 W))
Jármű villamos energia igénye:
A generátor átlagteljesítményének az akkumulátor tároló képességének és a fogyasztók átlagteljesítmény szükségletének kell összhangban lennie.
Az akkumulátor kapacitást az indítómotor jellemzői határozzák meg.
Míg a generátorteljesítmény a hálózat energiafogyasztásából számolható ki.
Gépjárművek villamos rendszerének forrása:
Energia ellátás (álló motor): Akkumulátor Energia ellátás (járó motor): Generátor
Fogyasztók: indítómotor gyújtóberendezés világítás ellenőrző műszerek, kijelzők biztonságért felelős eszközök kényelmi berendezések
Akkumulátor: Kémiai áramforrás lehet:
Primer (szárazelemek): nem tölthető fel kisütés után, "eldobandó" megfelelő gyűjtőhelyekre. Szekunder elem: terhelő (kisütő) áramával ellentétes irányú (töltő) áram hatására elektrolitikusan visszaalakítják a reakciótermékből az eredeti elektróda anyagot, azaz energia kivétel után energia bevitellel újra feltölthetők.
Szekunder elemek fajtái:
1. Savas (ólom akkumulátorok): legtöbb jármű ilyet használ (nagy indítóáram és olcsó ár szempontok miatt)
2. Lúgos (Ni-Cd, Ni-MH): elektromos iparban elterjedt
3. Olvadék és szerves elektrolitú (Li alapú):
olvadék elektrolitú akkumulátorok még megbízhatóbbak, kisebb karbantartási igényű, nagyobb fajlagos energiasűrűségű, elektrolit helyett sóolvadék (Li-B akkumulátorok).
4. Szekunder galvánelem: egyéb szekunder elemek, villamos járműhajtáshoz (Na-S elemek)
Lúgos akkumulátorok jellemzői (Ni-Cd, Ni-MH):
Előnyei a savas akkumulátorokhoz képest: nagy mechanikai szilárdság, egyszerű kezelés, túltöltésre és mélykisütésre nem érzékeny, Hosszú élettartam, Kicsi önkisülés (sokáig tárolható), alacsony fenntartási költség, kisütés során a feszültsége közel állandó, széles hőmérsékleti határ (-20 °C-tól +40 °C-ig), nincs káros savgőze, nem kell állandóan felügyelni, vészüzemre lámpákban.
Jármű akkumulátorokkal szembeni igények, követelmények:
1. Tölthetőnek kell lenni (szekunder elem) 50-2000 alkalom
2. Nagy terhelhetőségű legyen 1-10 kW, akár 1000 A terhelő áram, kicsi belső ellenállás 0,1-0,001 Ohm
3. Szélsőséges környezeti hatásokat elviselje (rázás 30 m/s2, 30 Hz, tömítettség, hideg és sósköd állóság)
4. Nagy fajlagos energiatároló képesség Ws/kg, kis tömeg és térfogat
5. Hosszú élettartam (járművel azonos 3-7 év)
6. Kis karbantartási igény, minimális gondozás
7. Sokáig őrizze az eltárolt energiát- kis önkisülésű legyen (régen napi 1%, ma akár 200 napig raktározható)
8. Mélykisülést elviselje (elektolit felhígul, masszahullás)
9. Ne legyen környezetszennyező, újrafelhasználható legyen (100 % lenne jó)!!!
10. Egyszerű üzembe helyezés
11. Versenyképes ár (jármű árának kb. 1%-a, ólom olcsó, ezért terjedt így el)
Akkumulátor működése:
Uc=2 V, Pb+2H2SO4+PbO2 töltés, PbSO4+2H2O+PbSO4 kisütés, kisütéskor elektrolit hígul, töltéskor sűrűbb lesz.
A 4. ábra mutatja a savas akkumulátor töltési és kisütési folyamatát.
Ólomakkumulátor működése
4. ábra
Elektrolit: 1,12 kg/dm3 < ρ ρ <1,28 kg/dm3
Az 5. ábra mutatja a savas akkumulátor elektrolitjának fajlagos ellenállását a töltöttség függvényében (bal oldali ábra) és az elektrolit fagyáspontját (jobb oldali ábra). Látható, hogy teljesen feltöltött elektrolit még a -60 °C-ot is elviseli fagyás nélkül.
Az elektrolit jellemzőinek változása sűrűségének függvényében
5. ábra
Akkumulátor felépítése: Savas ólom akkumulátor
Hagyományos szerkezetű indítóakkumulátor felépítése
6. ábra
A 6. ábra a savas ólom akkumulátor részegységeit jeleníti meg.
Cella anyagai:
Pozitív rács: ólomdioxid Negatív rács: fémszürke ólom Ólom massza: huta ólmot porrá őrlik, majd víz, kénsav és adalék (antimon, arzén, kalcium) hozzáadásával készül, villamos töltéssel formázzák (porózus PbO2 és fémólom-szivacsólom) Szeparátor: mikroporózusos PVC, cellulóz, üvegszál, s újabban a polietilén tasak
Cella összekötések:
UüA=Uü1n1, C=C1n2, RbA=RbCn1/n2
Cella összekötések
7. ábra
A 7. ábra a cella összekötéseket mutatja az akkumulátoron belül. Például az egyes cellák (6 db) 2 V-os névleges feszültsége összeadódik, s lesz 12 V az akkumulátor főpólusain mérhető feszültség névlegesen.
Indítóakkumulátorok jellemzői:
Un=2n1 (12 V): névleges feszültség, Uü=Uny: nyugalmi, üresjárási feszültség, Uüz=Uk: üzemi vagy kapocsfeszültség, Uh=1,75 V (10,5 V):kisütési határfesz, Rb: belső ellenállás, I20: névleges áram 20 órai kisütés mellett, I20=C20/20 (Ah/h) (In).
IKP: hideg indítóáram (gyorskisütési áram):
Hidegindító áramok
8. ábra
A 8. ábra mutatja be a savas akkumulátorok hidegindító áramának különböző szabványok szerinti vizsgálatát.
A 9. ábra az akkumulátorok kapacitásának a változását mutatja a kisütőáramok függvényében.
Tároló képesség:
C20: névleges tároló képesség: az a töltésmennyiség Ah-ban, melyet névleges árammal terhelve lead anélkül, hogy feszültsége a kisütési határ alá csökkenne.
Az effektív tárolóképesség változása a kisütőáram függvényében
9. ábra
A 10. ábra a tároló képesség hőmérséklet függését mutatja. Alacsony hőmérsékleten kisebb, magasabb hőmérsékleten nagyobb az akkumulátorok kapacitása. Az oka pedig az elektrolit diffúziójának lassulása.
A telep hőmérsékletének a tényleges tárolóképességre gyakorolt hatása
10. ábra
Hatásfokok:
Amperóra (töltési) hatásfok: η A h = I K t k / I T t T kisütéskor leadott és töltéskor felvett töltésmennyiség hányadosa Wattóra (energia) hatásfok: η w h = U K ö K I K t k / U K ö T I T t T
Önkisülés:
Napi 0,2-1% töltést veszíthet önkisülés miatt Megfelel az akkumulátor, ha 21 vagy 49 napi állás utáni hidegindító vizsgálaton átmegy (30 sec. kisütés után U>7.2 V)
Élettartam:
32- szeri kisütés, töltés majd 3 nap pihenő
Még kétszer ugyanez, s a végén kisütés vizsgálat
Élettartamot csökkentik:
mély kisütés, túltöltés, meleg (50 °C felett), fokozott rázó igénybevétel, szulfátosodás.
Akkumulátor töltése:
Gázfejlődés (pezsgés): egyenáram bontja a vizet - vízfogyasztás (elektrolit)
Vizsgálata: 40 °C-kon 14,4 V-tal tölteni 500 órát - tömegveszteség nem lehet több 6 g-nál (ekkor gondozásmentes)
A 11. ábra a gondozásmentes akkumulátorok meghatározásait mutatja meg.
A 12. ábra egy gondozásmentes akkumulátorok egy cellájának feszültség változását mutatja normál áramú töltés esetén.
A 13. ábra egy akkumulátorcella üzemi és nyugalmi feszültségének változását mutatja normál áramú kisütés esetén.
Akkumulátor megengedett vízfogyasztása (elektrolit)
11. ábra
Túltöltés:
Nagy gázfejlődéskor a belső buborékok nem tudnak kilépni, lerobban a rácsról - masszahullás - túl nagy töltőáramoknál illetve 14,4 V feszültség után - tiltott terület töltésnél.
Különböző töltési módok:
Egy cella üzemi és nyugalmi feszültségének változása normál áramú töltés esetén
12. ábra
Egy akkumulátorcella üzemi és nyugalmi feszültségének változása normál áramú kisütés esetén
13. ábra
Az elektrolit fagyáspontjának változása a telep töltöttségi állapotának függvényében
14. ábra
A 14. ábra. az elektrolit fagyáspontjának változását a telep töltöttségi állapotának függvényében mutatja. 100%-os töltöttség (kapacitás) esetén hidegebbet is elvisel, mint -60 °C fok. Ezzel szemben egy lemerült akkumulátor már -10 °C fok környékén szétfagyhat.
A 15. ábrán az elektrolit sűrűségének változása látható normál áramú töltés és kisütés esetén. Értéke 1,12 és 1,28 g/cm3 (vagy kg/dm3) között változik.
A 16., 17., és 18. ábrán feszültség, áram és teljesítmény jellegű töltéseket mutatnak az ábrák.
Az elektrolit sűrűségének változása normál áramú töltés és kisütés esetén
15. ábra
U jellegű töltés
16. ábra
I jellegű töltés
17. ábra
W jellegű töltés
18. ábra
Töltési módok:
Gyors (nagy induló áramú) Normál (hosszú idejű) Formázó (javító, többszöri töltés-kisütés) Csepp (szinten tartó)
Akkumulátor aktivátor:
A 19. ábra egy akkumulátor aktivátort mutat az áram grafikonjával együtt. Rövid ideig (kevesebb, mint fél másodperc) egy 30 A-es töltés tüskét kapcsol rá az akkumulátor pólusaira, majd 45 másodpercig terheli egy minimális 1-2 mA-es árammal. Jelentősen hosszabbítja az élettartamát az akkumulátornak.
Elektronikus akkumulátor
19. ábra
Gondozásmentes akkumulátorok:
Állapotjelző - varázsszem Golyó sűrűsége: ρ =1,2 kg/dm3
A 20. ábrán a "varázsszem" működését láthatjuk. Ha zöldet látunk, akkor az elektrolit szintje jó, úszik benne a zöld golyó a kisebb sűrűsége miatt. A fény a lencsén áthatol és visszaverődik a golyóról, ezért látunk zöldet. Ha feketét látunk, akkor lemerült az akkumulátor, mert a golyó lemerült az elektrolitban és a varázsszem aljáról (fekete-sötét) verődik vissza a beeső fény. Ha fehéret látunk az ablakban, akkor nem tudjuk a töltöttségét az akkumulátornak, de az elektrolit szintje túl alacsony. Ilyenkor nem úszhat a golyó, viszont a fény nem lépi át a lencsét, mert most a lencse és levegő a közeg, ahol más a törési szög és nem lép át a lencsén a beeső fény, hanem visszaverődik (ezért fehér).
Akkumulátor varázsszem működése
20. ábra
Egyéb akkumulátorok, villamos energia tárolók
Csavart lemezes akkumulátor:
Az OPTIMA 850 savas akkumulátor felépítése
21. ábra
A 21. ábrán egy igen jó tulajdonságokkal rendelkező savas akkumulátor felépítése látható.
Optima 850 előnyei:
tároló képessége átlagos: 56 Ah, hidegindító árama: 850 A, kimagasló, háromszor rázásállóbb, élettartamuk kb. 3-szoros, önkisülés, raktározás: akár 1 évnél tovább, Beszerelni tetszőleges helyzetben lehet, ára: 40000 Ft!!!
Ultrakapacitás:
Energia tárolás: Maxwell ultrakapacitás 48 V, 80 F Nanotechnológiaval gyártott, nagy felülettel Grafén; 85,6 Wh/kg energiasűrűségű már
Maxwell ultrakapacitás
22. ábra
A 22. ábrán látható egy Maxwell típusú ultrakapacitás.
Energia tárolók teljesítmény és energia sűrűségei
23. ábra
Energia sűrűség:
Akkumulátor típusok teljesítmény és energia sűrűség grafikonja
24. ábra
A 23. és 24. ábrán különböző energia tárolók és akkumulátorok fajlagos teljesítmény értékei és energia sűrűségük lett ábrázolva. Megállapítható, hogy legjobb tulajdonsággal a lítium akkumulátorok és ultrakapacitások rendelkeznek.
A 25. ábra pedig egy összehasonlító táblázata a különböző akkumulátor típusoknak. Sok ezek közül még kísérleti stádiumú, nem jelent még róluk az összes vizsgált paraméter.
Összehasonlító táblázat:
Összehasonlító táblázat
25. ábra
Líthium akkumulátorok:
A 26. és 27. ábrán líthium akkumulátorok láthatóak. Kialakításuk, alakjuk miatt nagyon jól beépíthetőek.
Líthium akkumulátorok
26. ábra
Gaia típusú Líthium akkumulátorok
27. ábra
Jellemzői:
legkönnyebb fém, jó elektromos töltés tároló, nincs memória effektus, pozitív elektróda: Li-Fe-PO4, Li-Co, Li-MnO, negatív elektróda: grafit, szigetelő: műanyag membrán, tetszőleges formára kialakítható, nagyon drága, töltés-kisütés: BMS (battery managment system - áram, feszültség, hőmérséklet és cella kiegyenlítés felügyelője), névleges feszültség: 3,2-3,7 V, Umax: 4,2 V, Umin: 2,7 V, 1000-2000-szer is tölthető (kisebb töltő és kisütő áramnál tartósabb).
BMS - Battery Management System:
SOA - Safety Operating Area: Igen szűk Li-ion akkumulátoroknál
Biztonságos működéshez a cellák paramétereit mérni, ill. számítani kell. → BMS
Feladatuk:
Akku paraméterek feltérképezése - Teljes és cellánkénti áram és feszültség, hőmérséklet, zárlatfigyelés, füstérzékelés stb. Számított értékek mért paraméterekből: SOC - State Of Charge - Töltöttségi állapot SOH - State Of Health - Élettartam százalékos értéke Diagnózis Töltésszabályozás Temperature management Kommunikáció
BMS - Battery Management System fontossága
28. ábra
A BMS egység fontosságát nem kell hangsúlyozni. Túl töltés, túl terhelés esetén előfordulhat végzetes probléma a líthium akkumulátorral. BMS nélkül akár a 28. ábrán látható tűzeset is történhet. A 29. ábra mutatja a BMS egység összekötését a jármű vezérlő egységével.
BMS és járművezérlő közötti kommunikáció
29. ábra
Li-Ni-Co-O
UHP (ultra high power) akkumulátorok 0.13 l térfogat 7.5 Ah kapacitás; 3.6 V; 27 Wh 320 g tömeg 84 Wh/kg; 207 Wh/l 2340 W/kg; 5730 W/l
Lithium air akkumulátorok:
Li-Air (aqueous/aprotic/solid state/ mixed) Li- negatív (anód) Karbon pozitív (katód) Polimer elektrolit membrán gél Oxigén a levegőből (3840 mAh/g)
Energia és teljesítmény grafikon:
Energia és teljesítmény grafikon
30. ábra
A 30. ábrán újabb akkumulátor típusok teljesítmény és energia sűrűség grafikonjai láthatóak.
A 31. és 32. ábrán Líthium cellák kisütését illetve töltését láthatjuk különböző áramok esetén. A kis áramú töltés a névlegesnek felel meg, szemben a nagy áramú villámtöltéssel.
Kisütés görbék:
Kisütési görbék
31. ábra
Töltés görbék:
Töltési görbék
32. ábra
IBS - Intelligent Battery sensor (Intelligens akkumulátor szenzor)
Méri az akkumulátor jellemző paramétereit (SOC, SOH, SOF), amelyet továbbít a jármű vezérlőjének. A vezérlő ki is kapcsolhatja a generátort, fogyasztás és károsanyag kibocsájtás csökkentése céljából segítségével. Ilyen szenzort mutat a 33. ábra.
Intelligens akkumulátor szenzor (IBS)
33. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Milyen számmal jelöljük az akkumulátor pozitív saruját?
| 1
| 31
| 30
| egyik előző sem
2. Milyen számmal jelöljük az akkumulátor negatív saruját?
| 1
| 30
| 31
| 50
3. Mekkora árammal (A) terhelhető névlegesen az 1 mm2 keresztmetszetű réz vezeték folyamatosan?
| 15
| 25
| 50
| 5
4. Melyik fogyasztó nincs védve biztosítékkal?
| ablakfűtés
| szivargyújtó
| kürt
| generátor
5. Melyik nem folyamatos működésű villamos fogyasztó?
| rádió
| üzemanyag szivattyú
| befecskendezés
| gyújtás
6. Az akkumulátor kapacitását milyen alkatrész tulajdonsága alapján határozzák meg?
| indítómotor áramfelvételéből
| összesített villamos fogyasztók kapacitása
| gyújtás
| üzemanyag szivattyú
7. A generátor teljesítményét milyen alkatrész tulajdonsága alapján határozzák meg?
| indítómotor
| összesített villamos hálózat teljesítmény igényéből
| EPS rendszer teljesítménye
| akkumulátor kapacitása
8. Primer elemek energia kivétel után energia bevitellel újra feltölthetők?
| igen
| töltőáramtól függ
| nem
| egyik előző sem
9. Mennyi a Li-po akkumulátor névleges feszültsége (V)?
| 3,2
| 3,7
| 4,2
| 2,0
| 1,2
10. Hogyan változik melegebb hőmérsékleten az akkumulátor kapacitása?
| nő
| csökken
| nem változik
| egyik előző válasz sem
11. Mi a SOH magyar megfelelője?
| élettartam állapota
| töltöttségi kapacitás százalékban
| hibrid jármű állapota
| nagyfeszültségű akkumulátor állapota
12. Mi a feladata az IBS szenzornak?
| akkumulátor paramétereit méri
| indító motor élettartamát növeli
| hibrid jármű állapotát optimálja
| nagyfeszültségű akkumulátor feszültségét méri