KURZUS: Járművillamosság és elektronika 1.

MODUL: I. modul

6. lecke: Hibrid (HEV) és villamos (EV) hajtású járművek

| A lecke tanulásának a célja: Napjainkban jelentős változások figyelhetők meg a járműiparban. A belső égésű motorok kizárólagosságát a villamos hajtású járművek megjelenése, terjedése megkérdőjelezi. Ebben a leckében ezeket az új hajtásláncú, nem csak közúton használt járműveket ismerhetjük meg.
Szükségesen elsajátítandó: Meg kell ismerni a hibrid és villamos hajtáslánc elemeit, részegységeit. Milyen tulajdonságokkal bírnak az akkumulátorok, milyen villanymotor típusokat érdemes járművekbe szerelni? Milyen üzemállapota van egy villamos gépnek?
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. 90perc szükséges.
Hibrid (HEV) és villamos (EV) hajtású járművek:
Egyre emelkedik az újonnan eladott elektromos és hibrid járművek száma. De nem csak a közutakon találkozhatunk ilyen hajtásláncú járművekkel, hanem a földön kötött pályán- vízen - és levegőben is. Nézzünk egy-két különlegesebb villamos hajtású járművet!
Kötött pályán leggyorsabb a TGV POS vasúti jármű, legnagyobb sebessége 574 km/h volt 2007.04.03-án. Átlagsebessége 320 km/h, szerelvény hossza 200 m, szélessége 2,90 m, tömege 383 t, motor teljesítménye 9600 kW, 377 ülőhely.
TGV vasúti szerelvénye és a francia gyorsvasút hálózat térképe
1. ábra
Az 1. ábra mutatja a TGV vasúti szerelvényét és a francia gyorsvasút hálózat térképét.
Vízen közlekedő, töltést nem igénylő MS Turanor Planet Solar nevű hajó
Legnagyobb napelemes hajó, 29124 db cella felülete 512 m2, melyet 809 modulba kötöttek villamosan. 480 kWh energia betöltésére képes naponta. Az Atlanti óceánt 22 nap alatt szeli át 14 csomós (26 km/h) sebességgel. 35m hosszú és 23m széles. A katamarán tömege 100 t, feltöltött akkumulátorai 3 napig biztosítják az energia ellátást felhős idő esetén.
A 2. ábra szemlélteti a legnagyobb tengeri napelemes töltésű hajót.
MS Turanor Planet Solar nevű hajó
2. ábra
A levegőben közlekedő járművek legkülönlegesebbike a Solar Ipmpulse II repülőgép. Utazósebessége 70 km/h, súlya 1600 kg. 4 darab 17,4 LE-s villanymotor hajtja. Hossza 22,4 m, Fesztávolsága 71,9 m. Magassága 6,37 m, szárnyfelülete 269,5 m2.
A 3. ábra mutatja a Solar Impulse II repülőgépet.
Solar Ipmpulse II repülőgép
3. ábra
Kis történelem:
A korai autós történelemben az elektromos járművek könnyedén felvették a versenyt a belső égésű járművekkel az 1920-as évekig.
La Jamais Contente az első szárazföldi jármű, amely elérte a 100 km/h-s sebességet, villanymotor hajtotta 1899. április 29-én.
Thomas Edison és elektromos autója 1913-ban.
La Jamais Contente és Thomas Edison
4. ábra
A 4. ábra mutatja XIX. század végi villanymotor hajtotta járművet, La Jamais Contente-t és Edison több mint 1000 mérföldet megtett autóját.
EV TAMA 1947-ből:
Az 5. ábra a II. világháború utáni években Japánban gyártott TAMA elektromos járművet mutatja.
Műszaki adatok: Max. sebesség: 35 km/h (22 mph) Hatótávolság: 65 km (40 mérföld) Motor teljesítménye: 3,3 kW (4,5 lóerő) Motor adatok: egyenáramú, 36 V-os, tekercselt H 3200 mm x Sz 1270 mm x M 1650 mm (H 126 in x Sz 50 in x M 65 in) A jármű tömege: 1050 kg Ülőhelyek száma: 4 Termelési darabszám: 1100
EV TAMA 1947-ből
5. ábra
Milyen fajta veszteségei vannak a gépjárműveknek?
Motor veszteség Hőveszteség Mechanikai veszteség kényelmi berendezések (légkondicionálás, szervokormány)
Mekkora a belsőégésű motor hatásfoka?
Benzines: -25 - 30 - 40 % Dízel: -30 - 35 - 40 %
Hogyan lehetne a hatásfokot növelni?
Veszteségek csökkentése Az alak optimalizálása Topológia megváltoztatása
Belsőégésű motor hatásfoka:
Belsőégésű motor hatásfoka
6. ábra
A 6. ábra egy dízel motor hatásfok mezőjét mutatja a sebesség és nyomaték függvényében.
Miért érdemes villamos gépet használnunk járművek hajtására?
Villamos gépek hatásfoka akár 95 % is lehet adott munkapontokon. A 7. ábra mutatja egy állandó mágneses szinkron motor hatásfok mezőjét fordulatszám és nyomaték paraméterezésével.
Állandó mágneses szinkron motor hatásfok mezője
7. ábra
Nyomaték-sebességkarakterisztikája a villamos gépnek:
Alacsony sebességen nagy nyomaték Állandó nyomaték tartomány Nagy maximális sebesség (villamos gép típustól függően)
Nyomaték-sebesség karakterisztikája egy villamos gépnek
8. ábra
A 8. ábra mutatja be egy villamos gép nyomatékát. Az ábrából látható, hogy hasonló nyomatékot belsőégésű géppel csak sebességváltó alkalmazásával lehet megvalósítani.
Magas hatásfok széles működési tartományban Nyomaték-sebesség karakterisztika Gyors és pontos szabályozás Motoros és generátoros üzem egyben - visszatápláló fékezés Hajtáslánc konfigurációja - mindegyik motor másik lehetőség Kihívások: Ár → gyártás Méret, hűtés stb. Feszültségforrás, energiatárolás
Miért inkább elektromos jármű?
A járműveket túlnyomórészt a képek alapján és az érzelmekre hatva értékesítik! Elektromos hajtáslánc jobb?! (egyesek megkérdőjelezik, a villamos energia előállításától is függ az értéke) Hatékonysága jobb?! (előző pont zárójeles megjegyzése ide is vonatkozik) Nyomaték-sebesség görbével szabályozható Belső égésű motor alacsony fordulatszámon nem ad le nyomatékot szükség van tengelykapcsolóra, indító motorra Tartósság- üzemeltetési költségei remélhetőleg alacsonyabbak a belső égésű gépekhez viszonyítva Az akkumulátor, mint energiaforrás a legnagyobb kihívás jelenleg a villamos hajtásláncban. A villamos energiatárolók fejlesztésében még nagy lehetőségek vannak, energia sűrűségük folyamatosan emelkedik. "A hibridizáció az akkumulátortechnológia kockázatelemzése."
Villamos gépek - négynegyedes működés:
Motoros és generátoros üzemmód
A 9. ábra a villamos gépek működési lehetőségeit ábrázolja. A motor forgásiránya és nyomatéka alapján 4 üzemállapotról beszélhetünk. Ha a nyomaték és a forgásirány azonos irányba mutat, akkor motoros üzemről, ha különböző irányba, akkor generátoros (villamos fékezés) üzemről beszélünk.
Villamos gépek - négynegyedes működés
9. ábra
Villamos gép előnyei a hibrid hajtásláncban:
Belsőégésű motor + villamos gép = lehetővé teszi:
Kisebb belsőégésű motor → kevesebb szennyezőanyag "Blue motion" → az üresjárat csökkentése lassításnál és megállásnál Visszatápláló fékezés, amíg a belsőégésű motor tölti az energiatárolót A hajtó villamos motor használható generátorként, és a megtermelt energia tárolható akkumulátorokban Gyorsítás közbeni rásegítés
KERS:
Kinetikus energia-visszanyerő rendszert (Kinetic Energy Recovery System ), 2009-ben vezették be a Forma 1-ben, egy KERS-es autó látható a 10. ábrán.
A Forma 1-ben 2009-től vezették be a KERS-t
10. ábra
Milyen villamos gépet használjunk?
Egyenáramú gépek
Aszinkron gépek
Állandó mágneses gépek
Kapcsolt reluktancia gépek
Villamos gépek forgó- és állórészei
11. ábra
A 11. ábra villamos gépek forgó- és állórészeit mutatja be, a 12. ábra pedig a váltóáramú motorok csoportosítását mutatja. Az egyik leggyakrabban alkalmazott a váltakozó áramú indukciós (aszinkron) motor. A járművekben gyakran használt még a szinkron gépek közül az állandó mágneses vagy a kapcsolt reluktancia motorok.
Az elektromos autókban használt motorok típusai
12. ábra
Indukciós gép:
A leggyakrabban alkalmazott váltakozó áramú indukciós gépet mutat be a 13. ábra:
Vontatásban kalickás forgórészű motort használnak (pl. Alstom metropolis) Egyszerű és robusztus
Indukciós gép kalickás forgórésszel
13. ábra
A 14. ábra pedig az indukciós gépek nyomaték, teljesítmény és csúszás értékeit mutatja. A 15. ábra ilyen aszinkron motor példát mutat a Teslától.
Előnyök:
Megbízható és robusztus Kis karbantartás, alacsony költségek és alkalmas extrém körülmények között működni Inverternek kell fedeznie a mágnesezőáramot is Váltakozóáramú gépek legrégebbi technológiája
Indukciós gép nyomaték, teljesítmény és csúszás értékei
14. ábra
Hátrányok:
Nagy veszteség => viszonylag alacsony hatásfok Kis teljesítménytényező Kis inverter használati tényező (túlméretezett inverter) Forgórészveszteségek (hűtési problémák a járműveknél)
Aszinkron motor járműben: Tesla Roadster
Aszinkron motor járműben: Tesla Roadster
15. ábra
Állandó mágneses gépek:
Állandó mágneses motorok fizikai jellemzői a fordulatszám függvényében
16. ábra
Állandó mágneses gépek tulajdonságai:
A 16. ábra az állandó mágneses forgórészű motor karakterisztikáit mutatja.
Előnyök:
Magasabb hatásfok mint az indukciós gépnél Kisebb inverter teljesítmény igény
Hátrányok:
Drágább mint az indukciós vagy a kapcsolt reluktancia motor Mágneses anyagok beszerzése és gyártási technológiák olykor problémát okozhatnak
PM szinkron motor járműben:
Állandó mágneses szinkron motort találunk a 17. ábra Honda Insight és Toyota Prius motorjaiban. Ezek teljesítménye jelentősen eltérnek egymástól.
Kapcsolt reluktancia motort mutat a 18. ábra. Számos előnyös, de néhány hátrányos tulajdonságuk is van.
10kW - Honda Insight és 50kW - Toyota Prius
17. ábra
Kapcsolt reluktancia gép:
Széles működési tartomány (maximális sebesség = névleges sebesség 6-8-szorosa)
Egyszerű és robusztus Vasmagban és levegőben veszteség keletkezik
Kapcsolt reluktancia gép
18. ábra
Előnyök:
Egyszerű és masszív felépítés Hibatűrő működés Egyszerű szabályozás Nagyon jó nyomaték- sebesség karakterisztika
Hátrányok:
Nagyon zajos Nyomaték és áram lüktetés Speciális konverter topológia Elektromágneses interferencia
A 19. ábrán kapcsolt reluktancia gép látható lendkerékkel és kuplunggal egybeépítve.
Kapcsolt reluktancia gép lendkerékkel és kuplunggal egybeépítve
19. ábra
A következő bekezdésekben különböző szempontok szerint választjuk ki az annak megfelelő villamos gépet. Mint látható lesz, nincs egyszerű helyzetben az, aki minden felmerült igényét maximális szinten szeretné elérni.
Villamos gépek előnyös tulajdonságai:
Robosztus és egyszerű: Indukciós gép Kapcsolt reluktancia gép Olcsó: Indukciós gép Kapcsolt reluktancia gép (talán a közeljövőben) Hatékony: Állandó mágneses gép
Villamos gépek összehasonlítása:
Nagyon jó nyomaték-sebesség jelleggörbe Kapcsolt reluktancia gép Súly, méret → Teljesítménysűrűség Állandó mágneses gép Szabályozhatóság → alkalmazhatóság a járműben Egyenáramú gép Indukciós gép Állandó mágneses gép
Villamos gépek gyengeségei a hasznosíthatóság szempontjából:
Az állandó mágneses gépeknek rövid a működési tartománya sebességváltó használata szükséges, ha nagy sebességű járművekben használjuk Kapcsolt reluktancia motor korlátozottan áll rendelkezésre Ár: kis piac → kis termelés → magas ár
HEV-vel szemben támasztott követelmények:
Nagy pillanatnyi teljesítmény és nagy energiasűrűség. Nagy nyomaték alacsony kezdősebességnél és emelkedőnél, valamint nagy teljesítmény a nagy utazósebességhez. Nagyon széles fordulatszám tartományban, beleértve az állandó nyomatékú és állandó teljesítményű tartományt. Gyors nyomatékválasz. Nagy hatásfok széles fordulatszám és nyomaték tartományban. Nagy hatásfok a regeneratív fékezésnél. Nagy megbízhatóság és robusztusság különböző működési feltételek mellett. Elfogadható ár.
A következő ábrákon különböző típusú villamos járművet mutatok meg a 20-22-ik ábráig, a bennük használt motor megadásával.
Villamos gépek járművekben - aszinkron motor:
DaimlerChrysler Durango (német/USA) és Renault Kangoo Z.E. (francia)
20. ábra
Chevrolet Silverado (USA)
21. ábra
Villamos gépek járművekben - PMSM:
Nissan Tino (japan), Toyota Prius (japan), Honda Insight (japan)
22. ábra
Villamos hajtású járművek töltési lehetősége:
1. Vezeték nélküli; 2. Vezetékes
23. ábra
Villamos járművek töltési lehetőségét két módon tehetjük meg, amelyet a 23. ábra is szemléltet. Vezetékes vagy vezeték nélküli változat lehetséges.
A 24. ábrán látható a vezetékes töltési mód csatlakozói, a jármű illetve töltőkábel felőli csatlakozóval. Elnevezését az alábbi bekezdésben részletezem.
CHAdeMO - rövidítésként "CHArge de MOve", vagy "charge for moving", és egy japán szójáték "O cha demo ikaga desuka" aminek a jelentése "Igyunk egy teát, töltés közben", utalva a rövid töltési időre, ami kevesebb, mint fél óra is lehet.
CHAdeMO
24. ábra
Töltési idő
25. ábra
A 25. ábrán a töltési időket láthatjuk felsorolva a töltőfeszültség és töltőáram nagysága szerint.
Energia átvitelre egyből eszünkbe juthatnak a mágneses terek. Itt viszont még ezen belül szóba jöhet az álló helyzetben, illetve menet közbeni töltés is. Nyilvánvalóan utóbbi megvalósítása a legnehezebb és legköltségesebb. A 26. ábrán látható mágneses mező létrehozásával lehet energiát közvetíteni, megfelelő vevőkörrel pedig hasznosítani.
Mágneses mező, mint mindennapos vezeték nélküli energiaátviteli eszköz. A 27. ábra szemlélteti a vezeték nélküli energiaátvitel egyszerű megvalósítását.
Vezeték nélküli töltés
26. ábra
A primer oldali tekercs (transmitter - adó) mágneses mezőt hoz létre. A mágneses mező egy bizonyos százaléka (20-80% - ez függ a tekercs távolságától és helyzetétől) kapcsolódik a szekunder tekerccsel (receiver - vevő), melyben feszültséget indukál.
Vezeték nélküli energiaátvitel
27. ábra
A primer és szekunder tekercsek pozíciója változhat. Ha a két tekercs rezonanciafrekvenciája azonos, növelhető az energiaátvitel távolsága.
Hatékonyság és veszteség:
Hatékonyság és veszteség
28. ábra
A különböző hajtásláncú járművek hatásfoka jelentősen eltérhet egymástól. A 28. ábra azt mutatja meg, hogy az egyes típusú járműfajták mekkora távolságot tudnának megtenni azonos nagyságú energia mennyiségből, ha az energia hasznosulását az előállítási helyétől a kerekekre kifejtett mozgási energiáig számoljuk (well to wheel- kúttól a kerékig). Megállapítható, hogy a tisztán villamos hajtású járművek több mint kétszer akkora távolságot tudnak megtenni, mint bármely másik hajtásláncú jármű. A második helyen a hibrid hajtásláncú jármű található.
A 29. ábra egy táblázat, amelyben különböző villamos hajtású jármű adatai találhatóak meg (hatótávolság, sebesség, teljesítmény, ...).
29. ábra
Szerencsére egyre inkább emelkedik világszerte az eladott villamos és hibrid hajtású járművek aránya. Ezek közül a 30. ábrán látható Nissan leaf villamos hajtású verziójának a felépítésével és a hibrid járművekkel való összehasonlításával zárulna a lecke a 31-33. ábrák szerint.
Nissan elektromos járműből 2018-ban világszerte 5.200.000 darabot adtak el.
Nissan leaf elektromos jármű
30. ábra
Nissan elektromos jármű
31. ábra
Az elektromos és hibrid járművek közötti különbség
32. ábra
A hibrid járművek felépítése
33. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Melyik a leggyorsabb nagysebességű vasút 2010-ig?
| Sinkanszen 955
| JR-Maglev ML500
| TGV V150
| Transrapid 08
2. Mikor működik egy villamos gép generátoros üzemben?
| forgásiránya egyezik a nyomatékával
| ha a mágneses mező állandó nagyságú
| ha nagyobb a motor forgórészének sebessége, mint a mágneses mezőé
| forgásiránya ellentétes a nyomatékával
3. Mikor működik egy villamos gép motoros üzemben?
| ha a mágneses mező állandó nagyságú
| ha nagyobb a motor forgórészének sebessége, mint a mágneses mezőé
| forgásiránya ellentétes a nyomatékával
| forgásiránya egyezik a nyomatékával
4. Mennyi nap alatt szeli át az Atlanti óceánt az MS Turanor Planet Solar?
| 10
| 5
| 50
| 22
5. Mekkora hatótávolsága (km) volt a XX. század közepén egy elektromos Tamának?
| 65
| 50
| 32
| 107
6. Mekkora (%) jelenleg a legújabb fejlesztésű dízel gépjármű hatásfoka?
| kb. 40
| kb. 30
| kb. 55
| 28
7. Mekkora (%) lehet jelenleg optimális munkapontban egy PMSM motorral hajtott gépjármű hatásfoka?
| 70
| 95
| 50
| 99
| 45
8. Miért jobb használni egy EV szgk-t, mint egy belső égésű motort használót?
| visszatáplál fékezéskor
| nagyobb nyomatékú
| könnyebben szabályozható
| motoros és generátoros üzeme is van
| minden előző válasz igaz
9. Milyen motor található a Tesla roadsterekben?
| PMSM
| Aszinkron motor
| Egyenáramú soros motor
| Reluktancia motor
10. Milyen villanymotort építenek be gyakran gépjárművekbe?
| aszinkron motort
| reluktancia motort
| PMSM-et
| minden előző válasz igaz