Gépjárművek villamos rendszereinek osztályozása és fejlődése

A gépjárművek technológiai fejlődésével a villamos rendszerek szerepe egyre hangsúlyosabbá válik. A növekvő kényelmi és a biztonsági igények kielégítése a gépkocsik villamosenergia-szükségletének növekedésével jár. A mai korszerű gépkocsik részegységeinek villamosteljesítmény-igénye a kielégíthetőség határára érkezett. A további igények kielégítése a fogyasztók méretcsökkentését igényli. Erre a működtetési feszültségszint növelése ad módot. Az új feszültségszint mértéke gyártói megállapodás tárgya.

A gépjárművek villamosigényének növekedése és a 48 voltos rendszerek

A villamosigény-növekedést számos tényező illusztrálja:

Amíg az 1998-as Golf legdrágább változatán 17, a 2010-es opcióján 49 az elektronikus vezérlőegységek (ECU-k) maximális száma, addig a legdrágább high-end gépkocsimodelleken ez a szám 90 is lehet. Az utóbbi vezérlőegységmennyiség teljesítményfelvétele önmagában túllépi a 10 kW-ot.
A biztonságosan működő start-stop rendszerek villamosteljesítmény-igénye meghaladja a 3, a rekuperációé az 5 kW-ot. A műszaki-gazdasági elemzések azt mutatják, hogy erre ma, a 48 voltos feszültségszintű hálózat bevezetése a legmegfelelőbb eszköz. 48 voltos start-stop rendszerrel felszerelt motorok feleannyi idő alatt indíthatók újra, mint a 12 voltosak. 48 volton, a 12 voltosnál gyorsabb és megbízhatóbb üzemük miatt, takarékosabb start-stop rendszerek, biztonságosabban és hatékonyabban működő légkondicionáló, kormány- és fékberendezések készíthetők.
A mai EU-limitet 3 grammal meghaladó CO2-kibocsátásért járművenként 45 euró büntetést kell a gyártóknak fizetniük. Ez 200 W áramfelvételű villamos részegység használatával kevesebb mint a felére csökkenthető. Így érthető, hogy a gyártók inkább a villamosteljesítmény-igény növelését, mint a büntetést vállalják. Az ehhez hasonló „sok kicsi” azonban 12 voltos hálózaton tovább már nem növelhető.

Ezért egyre nagyobb szerepet kap a nagyobb hálózati feszültség. Adott nagyságú villamos teljesítményhez nagyobb feszültségen kisebb áram tartozik. Kisebb áramvezetéshez kisebb vezetékkeresztmetszet is elegendő, mert kisebbek a benne keletkező veszteségek. Ugyanez igaz a fogyasztók méreteit illetően is. Nagyabb feszültségen, azonos teljesítmény kifejtéséhez kisebb térfogatú és tömegű fogyasztó és vezérlőegység használata is elegendő. A nagyobb hálózati feszültséggel járó biztonságosabb áramellátás miatt lehetővé válik a buszrendszer részleges működtetése, ami a becslések szerint mintegy 10 amperrel kisebb áramfelvételt és 100 kilométerenként egy deciliter üzemanyag-megtakarítást tesz lehetővé.

A gépkocsik villamosításának várható fejlődése

A gépkocsik villamosításának várható fejlődése további innovációkat hoz. Olyan eszközök, mint az eTurboCharge nevű villamos turbótöltő, a további funkciókkal kiegészített start-stop rendszer, a villamos járművek klímakompresszor-hajtása, a villamos szelepvezérlés, vagy a szélvédő villamos fűtése is megjelennek. Hogy a villamos hajtású gépkocsik villamos hajtásgyorsítóját, és az autonóm járművek villamos részegységeit ne is említsük. Úgy véljük, hogy az eddig vázoltak megerősítik a német gyártók többségét, hogy új járműmodelljeiken, januártól elkezdjék 48 voltos kiegészítő hálózatú rendszerének bevezetésében. Hogy mihamarabb, világszerte követőkre találjanak.

Hibrid elektromos járművek (HEV) rendszerei

A gépkocsi történelmében mindig is jelen voltak a hibridjárművek. A XX. század derekán már jelentős szerepet töltött be a villamos hajtás. Ebben az időben több villamos hajtású járművet gyártottak, mint belsőégésű motorral ellátottat. A hagyományos belső égésű motorral (ICE) szerelt járművek jó teljesítményt és hosszú hatótávolságot biztosítanak, az üzemanyagaik nagy energiasűrűségének kihasználásával. Ugyanakkor, ezeknek a járművek a hátránya, hogy nem üzemanyag takarékosak, valamint környezetszennyezők is. Az akkumulátorokkal hajtott elektromos járművek (EV) azonban olyan előnyökkel bírnak a hagyományos belső égésű motoros járművekkel szemben, mint a jobb energia-hatékonyság és az üzem közbeni nagyon alacsony károsanyag-kibocsátás. Mindazonáltal a teljesítménymutatóik, főleg a töltésenkénti hatótávolság, jelentősen elmaradnak a belső égésű motoros járművekétől, az akkumulátorok üzemanyagokhoz képest kisebb energisűrűsége miatt.

Kárbejelentés Aegon biztosítónál

A Toyota hibrid rendszerének működése

A hibrid elektromos járművek (HEV), melyek két erőforrást használnak egy elsődleges és egy másodlagos erőforrást - elvileg ötvözik a belső égésű és az elektromos hajtás jó tulajdonságait, és kiküszöbölik a hátrányaikat. Lényegében egy járműnek lehet egynél több energiaforrása és energia-átalakítója úgy, mint benzin vagy dízelüzemű motor, hidrogén-üzemanyagcella motor, akkumulátoros elektromos motor stb. Azt a járművet mely kettő vagy több energiaforrással és energia-átalakítóval rendelkezik, hibrid járműnek nevezzük. Egy hibrid jármű hajtáslánca általában két erőforrással rendelkezik. Ennél több alkalmazása túlságosan bonyolítaná a rendszert. A fékezésnél keletkező energia visszanyerésének érdekében, mely a hagyományos belső égésű motoroknál hő formájában elvész, a hibrid hajtásláncoknál általában egy kétirányú energiaforrást és energia-átalakítót alkalmaznak. A másik lehet egy vagy kétirányú is.

Hibrid járművek üzemmódjai

Az üzemmódtól és a nyomatékigénytől függően különbözőképpen járul hozzá a belsőégésű motor és a villamos gép a jármű hajtásához.

Ez a funkció a fullhibrid járműveknél lehetséges. Ilyenkor csak a villamos gép hajtja meg a járművet, a belsőégésű motor leválasztásra kerül. A fullhibrid tisztán villamos hajtásra is képes és ezekkel hosszabb távolságok megtételére is képes. Ilyenkor csak a villamos gép hajt, a belsőégésű motor nem működik.
A hibrid üzemmódba tartozik a belsőégés motor és a villamos gép közösen szolgáltatja a szükséges forgatónyomatékot a jármű hajtására.
Villamos rásegítéskor a belsőégésű motor és a villamos gép forgatónyomatékot szolgáltat a jármű megfelelő hajtásához. Ha hirtelen megnő a nyomatékigény a hibridvezérlő utasítást ad a villamos gépnek, hogy támogassa a belsőégésű motort pozitív nyomatékkal. Gyorsításkor a belsőégésű motor alacsonyabb fordulatszámánál kevesebb nyomatékot szolgáltat, ilyenkor a villamos gép szolgáltatja a nagyobb nyomatékot.
Az energiatároló egység töltése a következőképpen történhet. A belsőégésű motor a kerekek hajtása mellet, a villamos gépet is meghajtja, így generátor üzembe helyeződik. Másik lehetőség a fékezés során villamos visszatöltés a kerekek felől. A visszatöltés során a belsőégésű motor több forgatónyomatékot szolgáltat, mint amennyi szükséges a jármű hajtásához. A többlet teljesítményt a villamos gép felhasználja az akkumulátorok töltésére. A fékenergia visszatöltésnél nem vagy csak részben fékeződig az üzemi fékek hatására, ilyenkor a villamos gép fékezőnyomatéka lassítja a járművet. A villamos gép generátor üzembe kapcsol és a jármű mozgási energiáját villamos energiává alakítja, amivel tölti az akkumulátorokat.
A hibrid járművekben alkalmazzák főként a Start/stop funkciót, de csak belsőégésű motorral ellátott járművek is rendelkezhetnek ilyen rendszerrel. Feladata, hogy álló járműnél a belsőégésű motort automatikusan leállítsa.
Plug-in, azaz a tölthető fullhibrid. Az akkumulátor pakk nem csak visszatáplálás révén belső hálózatról tölthető, hanem külső forrásból (például: hálózati csatlakozóból) is.

A villamos gép és a belsőégésű motor forgatónyomatéka összeadódik. Maximálisan 20kW kimenő teljesítményt tud biztosítani a villamos gép. A változtatható üzemelési módok miatt a hibrid járművek nagyobb rugalmasságot tesznek lehetővé, mint az egy erőforrással rendelkező járművek. Pontos beállítással és irányítással, és minden üzemi szituációra a megfelelő mód alkalmazásával optimalizálható a teljesítmény, a hatékonyság és a károsanyag-kibocsátás. Mindkét erőforrás optimális hatékonysággal való üzemeltetése elengedhetetlen a jármű hatékonyságának maximalizálásához. A belső égésű motor a legnagyobb hatékonysággal teljesen nyitott fojtószelepállásnál működik. Más beállítás esetén sokat romlik a hatékonysága.

A jármű vonóereje üzem közben változik a gyorsulástól, lassulástól, kapaszkodástól vagy ereszkedéstől függően. A vonóerő két komponensből áll: az egyik változatlan (átlagos) erő, melynek állandó értéke van, és a másik a dinamikus erő, melynek átlaga nulla. A hibrid járműveknél az átlagos erőt egy olyan erőforrással lehet biztosítani, mely előnyben részesíti a folyamatos működést, mint a belső égésű motorok. Ezzel párhuzamosan más erőforrások, mint az elektromos motorok jól használhatóak a dinamikus erőszükségletek kielégítésére. Összességében a dinamikus energiaforrásnak az energia-kibocsátása nulla lesz egy ciklusban. Ez azt jelenti, hogy a dinamikus erőátvitel energiaforrása nem veszít energiakapacitásából a ciklus végére. Egy hibrid járműben a változatlan teljesítményt biztosíthatja egy belső égésű motor, Stirling motor, üzemanyagcella stb. A belső égésű motor vagy az üzemanyagcella sokkal kisebb méretű lehet, mint egy-egy motorral szerelt jármű esetében, mert a dinamikus erőket a dinamikus erőforrás szolgáltatja, így folyamatosan üzemelhet a leghatékonyabb tartományban.

A hibrid hajtásláncok osztályozása

Egy hibrid jármű felépítése nagy vonalakban meghatározza a kapcsolat az energia áramlásának irányait meghatározó komponensek és az irányító portok között. Hagyományosan a „HEV”-ek két fő típusra bonthatóak: soros és párhuzamos. Érdekes lehet megjegyezni, hogy 2000-ben néhány újonnan bemutatott HEV egyik csoportba sem volt sorolható. Ezért a hibrid elektromos járműveket manapság négy csoportba sorolhatjuk:

A DEKRA kárbejelentő nyomtatványa

soros hibrid
párhuzamos hibrid
soros-párhuzamos hibrid
komplex hibrid

Az üzemanyagtartály, belsőégésű motor, valamint az akkumulátor-elektromos motor párok adottak, mint példák az elsődleges (állandó) erőforrásra és a másodlagos (dinamikus) erőforrásra. Természetesen a belső égésű motor kicserélhető más típusú erőforrásra is, mint például üzemanyagcellára.

Soros hibrid hajtáslánc

A soros hibrid hajtáslánc egy olyan hajtáslánc melynél a két erőforrás egy hajtóművet táplálnak (villamos gép) mely a járművet hajtja. Az egyirányú energiaforrás az üzemanyagtartály, az energia-átalakító pedig egy belsőégésű motor, egy elektromos generátorhoz csatlakoztatva. A generátor kimenete egy elektromos-átalakítón átmenő buszhoz csatlakozik (egyenirányító). A kétirányú energiaforrás egy akkumulátor, mely egy elektronikus átalakítón (DC/DC konverter) keresztülcsatlakozik a buszhoz. A busz ezen kívül csatlakozik még az elektromos motorvezérlő elektronika egységéhez is. A villamos gép használható erőforrásként vagy generátorként is, kétirányú nyomatékkal.

Üzemmódjai a következők:

Tiszta motorikus mód: A vonóerő kizárólag a belsőégésű motorból és a generátorból érkezik, míg az akkumulátorok nem biztosítanak számára, és nem is vesznek fel energiát a hajtáslánc felől.
„Visszatápláló” fékezési mód: A belsőégésű motor és a generátor le van állítva, és a vontatómotor generátorként üzemel.

A belsőégésű motor a jármű hajtásigényétől függetlenül működik. Ezáltal a fordulatszám-nyomaték karakterisztikájának bármely tartományában üzemeltethető, és akár kizárólag a legnagyobb hatásfok közelében tartható. A motor hatásfoka és emissziója tovább javítható optimális tervezéssel és irányítással ebben a szűk tartományban. Ezen kívül a motor a hajtott kerekektől való elválasztása révén nagy fordulatszámú motorok használatát teszi lehetővé. Mivel az elektromos motorok jármű hajtás szempontjából kedvező fordulatszám nyomaték karakterisztikával rendelkeznek, ezért nincs szükség több fokozatú sebességváltókra. Emiatt felépítésük egyszerűbb és olcsóbbak. Ezen kívül ahelyett, hogy egy motort és egy differenciálművet használnánk, két motort használhatunk úgy, hogy mindkettő egy kereket hajt. Ez sebességszétválasztást jelent a két kerék között, mint egy differenciálműnél, de korlátozott csúszású differenciálműként is működik, a kerekek kipörgésének megakadályozására. Fontos megemlíteni, hogy a motorból érkező energia kétszer is átalakításra kerül (mechanikusról elektromosra a generátorban és villamosból mechanikusra a vontatómotorban).

Párhuzamos hibrid hajtáslánc

A párhuzamos hibrid elektromos hajtáslánc olyan hajtáslánc, amely a motor nyomatékot mechanikus módon juttatja el a kerekekhez úgy, mint egy hagyományos belső égésű motoros járműnél. Egy elektromos motor segíti, mely mechanikusan kapcsolódik a váltóműhöz. A belsőégésű motor és az villamos gép nyomatékát egy mechanikus csatolás egyesíti. A mechanikus csatolás lehet nyomaték vagy sebesség-összegzéses.

A Járműmérnöki Képzés részletei

Nyomaték-összegzéses párhuzamos hibrid

A nyomaték-összegzés a motor és az elektromos motor nyomatékát összeadja, vagy a motor nyomatékát két részre bontja: meghajtás és akkumulátortöltés. Többféle változata van a nyomaték-összegzéses hibrid hajtásláncoknak. Két csoportra bonthatók, egy, illetve kéttengelyes típusokra. Mindkét kategóriában a váltómű különböző helyekre tehető, és más áttételekkel tervezhető, mely eltérő vonókarakterisztikát eredményez. Egy kéttengelyes változat esetén két váltóművet használunk: az egyik a belsőégésű motor és a nyomaték-összegző között helyezkedik el, a másik pedig a nyomatékösszegző és az villamos gép között kap helyet. Mindkét váltómű egy vagy többfokozatú. Egyértelmű, hogy a két váltó sok vonóerő profilt hoz létre. A hajtáslánc kihajtó nyomatéka sok féle és a hatékonysága kiemelkedő lehet, mert a két többsebességű váltó több lehetőséget teremt mind a motor mind az elektromos vontatórendszer (villamos gép és akkumulátor) számára, hogy az optimális tartományukban üzemeljenek. Ez a tervezés nagyobb rugalmasságot is biztosít a motor és az elektromos motor karakterisztikájának tervezésekor. Hajtóműként használható egy vagy több sebességes váltómű. A sebességváltóként üzemelő hajtómű a belsőégésű motort illeszti a jármű hajtáshoz.

A párhuzamos hibrid hajtásláncok egy másik fajtájánál a váltómű a nyomatékösszegző és a kardántengely között helyezkedik el. A váltó így a belsőégésű motor és az elektromos motor nyomatékát egyszerre viszi át. A nyomatékösszegzőbe tervezett áttétel biztosítja az elektromos motor számára, hogy más fordulatszámtartományban üzemeljen, mint a belső égésű motor; így egy nagy fordulatszámú motor használható.

A nyomaték-összegzős párhuzamos hibrid egyszerű és kicsi verziója az egy tengelyes konfiguráció, ahol az elektromos motor rotorja működik nyomaték-összegzőként. A váltó lehet az villamos gép után, mely így egy tengelykapcsolón keresztül csatlakozik a belsőégésű motorhoz, vagy lehet a belsőégésű motor és a villamos gép között. Az első az úgynevezett „pretransmission” (a motor a váltó előtt van), utóbbi pedig ún. „posttransmission” (a belsőégésű motor a váltó után van).

„Pretransmission” konfigurációban: A váltó mind a motor nyomatékát mind pedig az elektromos motor nyomatékát átalakítja. A két erőforrásnak azonos fordulatszám tartományban van.
„Posttransmission” konfiguráció esetén: A váltómű csak a belsőégésű motor nyomatékát tudja átalakítani, míg az elektromos motor nyomatéka egyből a hajtott kerekekhez megy. Ez a hajtáslánc akkor használatos, ha egy nagy elektromos motor sokáig egy tartományban üzemel. A váltó feladata csak az, hogy változtassa a motor használatát, ezzel növelve a jármű teljesítményét és hatékonyságát.

Az elválasztott tengelyes felépítés magában hordozza a hagyományos járművek néhány előnyét. A motort és a váltót változatlanul hagyja, és a másik tengelyre helyez egy elektromos rendszert. Hátránya, hogy az elektromos berendezések és az esetleges differenciálmű nagy helyet foglalnak, és így csökkentik az utasok és csomagok számára fenntartott helyet. Ez a probléma megoldható, ha a váltó egysebességes, és az elektromos motor helyét két kisebb elektromos motor veszi át, melyek két kerékhez külön helyezhetőek el.

Sebesség-összegzéses párhuzamos hibrid

Két erőforrás ereje a sebességük összevonásával is egyesíthető. Két jellegzetes sebesség-összegző berendezés a bolygómű és az elektromos motor egy állórésszel, melyet ez a könyv csak „transmotor”-nak nevez. A bolygómű egy három részes egység, mely egy napkerékből, egy külső gyűrűből és egy kengyelből áll. Az elemek közötti nyomaték és sebességrelációk jelzik, hogy ez egy sebesség-összegző berendezés, melyben a sebesség, a napkerék és a külső gyűrű adódnak össze és a kengyelen át adják le az energiát. A motor sebessége, a rotornak az állórészhez viszonyított sebessége.

Ugyan úgy, mint a nyomaték-összegzéses berendezésekkel, a sebesség-összegző berendezésekkel is többféle hajtáslánc hozható létre. A motor nyomatékát a napkerékig egy tengelykapcsoló és egy sebességváltó közvetíti. A váltó átalakítja a belsőégésű motor sebesség-nyomaték karakterisztikáját a kívánalmaknak megfelelően. Az elektromos motor nyomatékát egy fogaskerék adja át a bolygómű-külsőgyűrűéhez. Különböző üzemi módok eléréséhez az 1-es és a 2-es fékkel ( zárral ) rögzíthető a napkerék és a külső gyűrű a jármű fix keretéhez.

tags: #gepjarmu #villamos #rendszerei #csoportositasa