Tartalom 1.
Bevezetés (az energiatárolás szerepe, jelentősége) ................................................................. 4
2.
Energiatárolókkal szemben támasztott követelmények .......................................................... 5
3.
Akkumulátorok felépítése, működése, diagnosztikája ............................................................ 7 3.1
Ólom – kénsavas akkumulátor ................................................................................................ 9
3.2
Nickel-Kadmium (Ni-Cd) akkumulátor ................................................................................ 10
3.3
NiMH (nickel-metall hybrid) akkumulátor ........................................................................... 11
3.4
NaS (nátrium-kén) akkumulátor............................................................................................ 11
3.5
Lítium ion - technológia ........................................................................................................ 12
4.
Akkumulátor menedzsment rendszer (Battery Management System – BMS) ..................... 14
5.
Akkumulátorok töltése .......................................................................................................... 15
6.
A villanymotor használata generátorként .............................................................................. 18
7.
Akkumulátor alkalmazása elektromos autóban..................................................................... 18
8.
Kondenzátor felépítése, működése, diagnosztikája............................................................... 20
9.
A hibrid járművekben alkalmazott egyéb energiaforrások és tárolók................................... 23 9.1
Tüzelőanyag cella .................................................................................................................. 23
9.2
Lendkerék .............................................................................................................................. 27
10.
Korszerű akkumulátorokkal kapcsolatos fogalmak, jellemzők és diagnosztikájuk .............. 30
10.1 Alapfogalmak ........................................................................................................................ 31 10.1.1
Galvánelem ............................................................................................................. 31
10.1.2
Villamos töltés ........................................................................................................ 32
10.1.3
Villamos munka ...................................................................................................... 32
10.1.4
Villamos teljesítmény ............................................................................................. 32
10.1.5
Akkumulátor teljesítménye..................................................................................... 32
10.1.6
Akkumulátor önkisülése ......................................................................................... 33
10.1.7
Ciklus ...................................................................................................................... 33
10.1.8
CCA, CA, AH (indító akkumulátoroknál) ............................................................. 33
2
10.2 3. Akkumulátorok felosztása (főbb típusok) ......................................................................... 35 10.3 Akkumulátorok alkalmazási területei.................................................................................... 37 10.4 Főbb akkumulátortípusok összefoglaló ismertetése .............................................................. 39 10.4.1
ÓLOM-SAVAS AKKUMULÁTOROK ................................................................ 39
10.5 Akkumulátor felügyelő elektronikák .................................................................................... 44 10.5.1
Cellakiegyenlítő - Balancer .................................................................................... 44
10.5.2
2 Battery manager system....................................................................................... 45
10.6 Akkumulátorok diagnosztikája ............................................................................................. 45 10.6.1
Az akkumulátorok üzemmódjai.............................................................................. 45
10.6.2
Kapacitásvizsgálat .................................................................................................. 46
10.6.3
Cellafeszültség ........................................................................................................ 49
10.6.4
Akkumulátor savszint ellenőrzése ......................................................................... 51
10.6.5
Belső ellenállás és terhelő áramerősség.................................................................. 52
10.6.6
Hatásfok mérése ..................................................................................................... 53
10.7 Akkumulátorok viselkedése különböző hőmérsékleteken .................................................... 53 10.8 Akkumulátorok töltése .......................................................................................................... 54 11.
Felhasznált irodalom ............................................................................................................. 57
3
1. Bevezetés (az energiatárolás szerepe, jelentősége) Az elektromos autók elterjedésének egyik fő akadálya, az energiatárolás műszaki megvalósításának kérdése. Az elektromos autók meghajtását villanymotor biztosítja, amelynek működéséhez elektromos áramra van szükség. Az elektromos hajtás iránti igényt az utóbbi években a levegőszennyezés, zajszennyezés, az üzemanyagok drágulása indukálta. A jelenleg használt üzemanyagok szűkösen állnak rendelkezésre, előállításuk a kedvezőtlen földrajzi adottságok miatt egyre költségesebbé válik, ugyanakkor a mobilitás és a motorizáció iránti igény rohamosan növekszik. Rupert Stadler, az Audi AG igazgatóságának elnöke szerint 2020-ra minden Audi modellnek lesz egy e-tron változata is.1 Minden autógyártó cég számára létfontosságú kérdés lehet, hogy megállják a helyüket az elektromos autók tervezésének versenyében, és akár versenyelőnyre, akár vezető pozícióra tegyenek szert. Az elektromos hajtás már régóta használt technológia a kötött pályás közlekedésben, ahol az áramot leggyakrabban felső vezeték biztosítja. Személyautókban ez a megoldás nem használható, hiszen nem lehetne minden közutat vezetékekkel ellátni, a vezetéket táplálni, illetve az ezért járó díjat az autósoktól beszedni. Az energiatárolást azonban nem csak a gépjárművekben kell megoldani, a világ minden áramszolgáltatójának foglalkoznia kell az energiatárolás kérdésével, mert a fogyasztói igények ingadozásának kiegyenlítése csak energiatárolás útján valósítható meg, ezen kívül a megújuló energiaforrások (mint például a szélerőmű) változó teljesítményeit is ki kell egyenlíteni. Az energiatárolás problémájának leküzdése nagy előnyt jelentene az elektromos autóknak a belső égésű motorokkal szemben, és elképzelhető lenne, hogy a fényképezőgépekhez hasonlóan, az elektromos autók teljesen kiszorítanák az utakról a más meghajtású járműveket, mint a digitális fényképezőgép az analóg elődjét. Jelenleg az elektromos és a benzines hajtás kombinációjaként adódó úgynevezett hibrid autókkal találkozhatunk az utakon, és a közel jövőben ezeknek a típusoknak a térhódítása várható. Mind az elektromos, mind a hibrid autók előnye, hogy a közlekedés során keletkezett többlet energia (például a fékezés során keletkezett energia) egy generátoron keresztül visszatáplálódik az energiatároló egységbe, így nem vész el. Az energiaátalakítás hatásfoka egy elektromos járműnél négyszer jobb, mint egy belső égésű motorral felszerelt járműnél, így azonos menetteljesítményhez csak negyedannyi energia 1
Győr Plusz közéleti hetilap, II. évfolyam 10. Szám, 2012. Március 9. péntek
4
szükséges. Ezen kívül ezek az autók általában start-stop funkcióval is el vannak látva, ami azt jelenti, hogy amikor az autó áll, a motor kikapcsol, és nem használ energiát. Ekkor a jármű villamos rendszerével szemben támasztott követelmény a motor gyors újraindítása, és amíg a motor áll, a többi villamos gép működésének zavartalan biztosítása (pl. rádió). Az tisztán elektromos autók energiatárolóinak külső hálózatról való feltöltése szükséges (kivéve például
a
napkollektoros
megoldásokat),
ezért
elterjedésükben
a
töltőállomások
infrastruktúrájának kiépítése is nagyban hozzájárul. A hibrid autókban az akkumulátor feltöltését a benzinmotor végzi, amikor az autó állandó sebességgel halad. Az elektromos illetve hibrid autók terjedését sok helyen a regisztrációs adó mérséklésével, ingyenes parkolási lehetőséggel, behajtási engedélyekkel támogatják. A legtöbb elektromos autóval Kaliforniában találkozhatunk, ahol nagy figyelmet szentelnek a környezetvédelemnek, és a sztárok presztízskérdésnek látják az elektromos autók használatát. A mérnököket nagy kihívás elé állítja, hogy lehet az elektromos áramot az autóban tárolni. A problémát az energiatároló berendezések nagy tömege és helyigénye, a gépjárművel megtehető távolság egy töltéssel, a végsebesség és a töltési idő hosszúsága jelentik. A leggyakoribb megoldás az akkumulátor, ezen kívül a kétrétegű kondenzátor, a tüzelőanyag cella és a lendkerék fordul elő. A továbbiakban ezeknek a berendezéseknek a felépítéséről, működéséről, előnyeiről, hátrányairól, diagnosztikájáról lesz szó. Az energiatárolási megoldások dönthetik el, hogy mikor tér át egy vásárló az elektromos autóra, vagy a piacon kínált modellek közül melyiket fogja választani, hiszen az energiatárolás határozza meg a hatótávolságot, töltési időt és a hatékonyságot. Sajnos minden problémára nem jelent megoldást az elektromos energia alkalmazása az autókban, gondoljuk például a sok bonyolult elektronika környezetkárosító hatására, egyszer ugyanis ezek az autók is elhasználódnak, vagy az autók megnövekedett tömegére, ami az utakat károsítja.
2. Energiatárolókkal szemben támasztott követelmények Az energiatároló berendezésekkel szemben támasztott általános követelmények: Magas tárolási kapacitás, Magas teljesítmény leadására képes, Ciklikusan feltölthető és kisüthető legyen,
5
Hosszú ön kisülési idő, Nagy hatásfok, Hosszú élettartam, Környezetbarát anyagok felhasználása, újrahasznosítás lehetősége, Alacsony beszerzési szerelési és fenntartási költségek, Gyors visszatölthetőség, Alacsony hőmérsékletfüggőség, Kis kapacitás/tömeg arány, Kis méretek. Az energiatároló megválasztásakor figyelembe veendő szempontok: Teljesítménysűrűség (kw/l vagy kw/kg): ettől függ a jármű dinamizmusa, Energiasűrűség (kw*h/l vagy kw*h/kg): ettől függ mekkora utat képes a jármű az elektromos hajtással megtenni, A kisütési/feltöltési ciklusok száma (élettartam), A hatásfok (%), Önkisülés mértéke (%/nap), Környezeti hatások (gyártás, üzemeltetés, újrahasznosítás), Beszerzési ár, Rendelkezésre állás (rendelhetőség)2. Az energiatároló eszközök teljesítményének összehasonlítására az úgynevezett Ragone diagramok alkalmasak. A diagram tengelyein az energiasűrűség, és a teljesítménysűrűség vannak feltüntetve, mindkettő logaritmikus. A függőleges tengely azt mutatja, hogy mennyi energia áll rendelkezésre, a vízszintes tengely pedig, hogy milyen gyorsan lehet az energiához hozzáférni.
Az energiasűrűség: A teljesítménysűrűség: 2
(ahol V – feszültség, I – áramerősség, t – idő, m-tömeg) (ahol V – feszültség, I – áramerősség, m-tömeg)
Sebestyén Szabolcs – Hibrid hajtású gépkocsik, szakdolgozat (30.-40. Oldal)
6
1. ábra – Energiatárolók összehasonlítása a teljesítmény és energia alapján3
3. Akkumulátorok felépítése, működése, diagnosztikája Az akkumulátor elektrokémiai energiatároló eszköz, amely töltéskor a betáplált villamos energiát vegyi energiává alakítja át, vegyi energia formájában huzamosabb ideig tárolni képes, majd kisütéskor villamos energiává alakítja vissza. Az akkumulátor közvetlenül csak egyenfeszültség tárolására, szolgáltatására alkalmas. Az akkumulátorok az elmúlt években nagy fejlődésen mentek keresztül, ezek közül is kiemelkedő fontosságú a lítium ionos cellák megjelenése és elterjedése. Elterjedésüknek köszönhetően az áruk is csökken. 4
3
Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté – Alternatív járműhajtások (129. Oldal)
4
http://www.elektro-net.hu/rendszerintegrator/2247-energiatarolo-hibrid-meghajtasu-gepjarmuvek-szamara
7
Elektromos járművek akkumulátor rendszerei a következő fő elemekből épülnek fel: Akkumulátor egység, Akkumulátorvezérlő rendszer, Hűtőrendszer, Szellőztető rendszer, Csatlakozó és biztosító egység. Az akkumulátor házának feladata megvédeni a cellákat a mechanikai hatások ellen, továbbá villamos védettséget is biztosít. Az akkumulátorokat villamos, illetve hibrid autók esetében gyakran az utastérben, illetve az utasok közvetlen közelébe helyezik el, ezért nagy gondot fordítanak az esetlegesen túlmelegedés következtében kiszabaduló mérgező, maró, vagy gyúlékony anyagok elvezetésére, szellőztetésére. További biztonsági kérdés, hogy baleset esetén az akkumulátort le lehessen kapcsolni az autó villamos berendezéseiről, így elkerülhetőek az áramütés okozta sérülések. Amikor a vezető leállítja a járművet, az akkumulátor lekapcsolásra kerül a villamos berendezésekről, nehogy egy bekapcsolva felejtett fogyasztó lemerítse.
2. ábra – Akkumulátor elhelyezése a Toyota Prius típusú autójában5
5
http://www.play-auto.net/2010/01/are-you-having-problems-with-your-toyota-prius-battery/
8
Előnyei: Alacsony előállítási költség, Újrahasznosítható a 95%-a, Nagy hatásfok (NiMH akkumulátor esetében 47%-os, a lítiumion-akkumulátornál ez az érték akár a 70%-ot is elérheti), Megbízhatóság, biztonságos üzemeltetés, Karbantartást nem igényel. Hátrányai: Rövid élettartam, Korlátozott a feltöltési ciklusok száma (1 teljes feltöltés + 1 teljes kisütés), Kisülési mélység befolyásolja az élettartamot, Energiasűrűségük kicsi, ezért nagy a tömegük, Fenntartási költsége magas, Sósav rendkívül környezetkárosító anyag. 3.1 Ólom – kénsavas akkumulátor Ólom – kénsavas akkumulátorral például az iparban, azon belül is a logisztikában a targoncákban találkozhatunk. Jellemző műszaki adatai: Ciklusszám: 750-1000 Energia hasznosítása: 65-80% Közepes cellafeszültség: 2 V Elméleti energiasűrűség: 167 Wh/Kg Gyakorlati energiasűrűség: 35 Wh/kg Az eltérés okai: -
kénsavat hígítani kell (kb. 40%),
-
az aktív tömeg kihasználtsága csak 50-60%,
-
ohmikus veszteségek
-
a konstrukciós elemek tömege. 9
Teljesítménysűrűség: 20 W/kg (tartós), 40-80 W/Kg (csúcs) Előnyei: -
megközelítőleg 100 éve gyártják (Lítium - ion akkumulátornál látni fogjuk, hogy az árát jelentősen befolyásolja)
-
bevált technológia
-
nagy tapasztalat
Hátrányuk: -
nagy súly/térfogat
-
vízfogyasztás
-
önkisülés
-
alacsony gázosodási feszültség
A töltésük szabályozott töltőárammal kell, hogy történjen, mert helytelen, vagy túl gyors töltés esetén az akkumulátor tönkre mehet. Túl nagy áramerősség esetén az alacsony töltési idő mellett alacsony cellafeszültség érhető el.
3.2 Nickel-Kadmium (Ni-Cd) akkumulátor A nickel-kadmium akkumulátor nagyteljesítményű akkumulátor, ára a Pb akkumlátorok körülbelül háromszorosa. A hadiiparban és a repülőgépekben terjedt el. A kadmium rendkívül mérgező, ezért manapság helyette inkább NiMH (nickel-metall hybrid) akkumulátort alkalmaznak. Hátránya a „Memory Effekt”, ami azt jelenti, hogy az akkumulátort mindig ki kell sütni, majd állandó Qn=0,1 1/h értékkel kell tölteni, hogy a kapacitását megőrizze. Jellemző műszaki adatok: Ciklusszám: kb.
4000
Közepes cellafeszültség:
1,3 V
Elméleti energiasűrűség:
245 Wh/Kg
Gyakorlati energiasűrűség: 50 Wh/kg Teljesítménysűrűség:
100-800 W/kg
10
3.3 NiMH (nickel-metall hybrid) akkumulátor Ezt az akkumulátortípust nagy terhelhetőségű puffer akkumulátorként alkalmazzák hibrid autókban, a regeneratív fékezésből nyert villamos energia tárolására. Az ólom-savas technológiától eltérően itt nem vesz részt az alkáli elektrolit (vizes kálium oldat) az elektróda reakcióiban. Aktív elektródaanyagként, valamint hidrogéntároló anyagként (alkotófém) nickel-oxid hidroxidot használnak. Az alkotófém magas lantán, cerium és neodymium összetételű ötvözet. Az akkumulátort működése során nem szabad túltölteni, és a megfelelő szellőzésről gondoskodni kell. Előnye: -
nagy teljesítménysűrűség
-
jó hatásfok
Hátránya: -
nagy önkisülés
-
nagymértékű hőmérsékletfüggőség
-
kedvezőtlen terheletlen feszültség
1. Nagy energiacellás Energiasűrűség: 80 Wh/Kg, 220 Wh/dm3 Teljesítménysűrűség: 200 W/Kg, 600W/dm3 Töltési idő: 3 óra 2. Nagy teljesítmény cellás Energiasűrűség: 55 Wh/Kg, 165 Wh/dm3 Teljesítménysűrűség: 600 W/Kg, 1800W/dm3 Töltési idő: 1 óra
3.4 NaS (nátrium-kén) akkumulátor Formája hengeres, és a közepében van a nagy reakcióképességű nátrium, amelyet a folyékony kéntől kerámiamembrán választ el. A membrán átengedi a nátriumionokat, míg az elektronok egy külső körön jutnak a másik elektródához - így termel az akku áramot.
11
Előnye: -
megbízhatóság,
-
hosszú élettartam (15 év),
-
alacsony alapanyagköltség,
-
nagy energiasűrűség (124 Wh/l).
Hátrányai: -
a kicsi teljesítménysűrűség,
-
a kerámia gyártási nehézségei,
-
magas működési hőmérséklet (330°C),
-
nem alkalmas gyorstöltésre.
-
a magas működési hőmérsékletből adódóan nem csökkenhet egy bizonyos szint alá a telepek hőmérséklete (hőmérsékletszabályozás, fűtés)6
Az NiCd vagy ólomakkumlátorral felszerelt járművek egy feltöltéssel körülbelül 150 killóméter megtételére alkalmasak, ami a karosszéria kialakításától is függ. Néhány példa a Mitsubishi i-MIEV a gyártó szerint 160 killóméter megtételére képes, a Volkswagen E-Up! Modelljével megközelítőleg 130 kilométer távolságot tehetünk meg. 3.5 Lítium ion - technológia A nevét onnan kapta, hogy a töltés tárolásáról lítiumionok gondoskodnak, amelyek töltéskor a negatív, szénalapú elektródához, kisütéskor pedig a pozitív fém-oxidelektródához vándorolnak. Az elektróda anyagai például LiMn2O2, vagy LiFePO4. Az anódot (grafit) és a katódot (Ni, Mn, Co) elválasztó elektrolit a LiPF6, vagy újabban a kevésbé korrodáló LiBF4, általában folyékony, szerves oldat formájában. A felhasznált anyagok említése azért fontos ennél a típusnál, mivel a többi akkumulátorhoz képest sokkal kisebb méreteket tesznek lehetővé. Először mobil telefonokban és hordozható számítógépekben alkalmazták.
6
Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté – Alternatív járműhajtások (127.-130. Oldal)
12
Jellemző műszaki adatok: Cellafeszültség: 4,2 V Elméleti energiasűrűség: 400 Wh/Kg Gyakorlati energiasűrűség: 100 Wh/Kg Tartós teljesítménysűrűség: 100 W/Kg Impulzusszerű teljesítménysűrűség: 500 W/Kg (30 sec.) Előnye: -
nagy hatásfok (90-95%),
-
hosszú élettartam (3000 ciklus)
-
nem igényel karbantartást
-
magas feszültségszint
-
jó visszatölthetőségi képesség
Hátránya: -
fejletlen tömeggyártás
-
az elektrolit rossz vezető
-
a komplex felügyeleti rendszer szükségessége
-
a magas költség
-
kis biztonság (melegedés): Túltöltés vagy a névlegesnél magasabb feszültséggel való töltés esetén ugyanis hő fejlődik, ami az akkumulátor felrobbanásához is vezethet.7
Mivel a lítium alapú akkumulátorok energiasűrűsége lényegesen nagyobb, miközben súlyuk kisebb, lényegesen nagyobb távolságok megtételére teszik alkalmassá a gépjárművet egy feltöltés után. Így a Tesla jelenlegi Roadster modellje egyetlen feltöltéssel akár közel 500 kilométert is megtehet.
7
Energy storage devices for future hybrid electric vehicles (www.sciencedirect.com,)
13
4. Akkumulátor menedzsment rendszer (Battery Management System – BMS) Az akkumulátor menedzsment rendszer célja általánosan megfogalmazva az akkumulátor működésének és élettartamának optimalizálása, a biztonságos és megbízható működés biztosítása.
Feladatai: -
Az akkumulátorból kivehető energia mennyiségének mérése
-
Akkumulátorcellák töltöttségi állapotának (SOC) mérése: ez azért fontos, mert a legkevésbé töltött cella határozza meg a teljes akkumulátor csomag kiüríthetőségi határát, és a legjobban feltöltött cella határozza meg a teljes akkumulátor csomag feltölthetőségi határát
-
Akkumulátor egészségi állapotának (SOH) értékelése
-
Áramerősség, feszültség, hőmérséklet mérése különböző üzemállapotokban
-
Akkumulátor hőmérsékletének szabályozása (Az akkumulátor élettartama nagy mértékben függ a hőmérséklettől.) Az akkumulátor hűtése légkondícionáló berendezéssel, az utastér levegőjének beáramoltatásáva, vagy folyadékkal történhet.
-
Az akkumulátor celláinak feszültségkiegyenlítésének szabályozása
Általában tudás alapú modelleket alkalmaz a következő területeken: Diagnosztika Vezető számára információ biztosítása Optimalizált energia menedzsment Optimalizált töltés/kisütés idő: Az akkumulátor tönkremenetelét minden esetben a ciklikus töltés és kisütés okozza. Minél magasabb a töltés, és minél mélyebb a kisütés annál gyorsabban elhasználódik.8 Abban az esetben, ha az akkumulátor túltöltődne, vagy túlhevülne, a BMS lekapcsolja az akkumulátort a rendszerről, így megóvja a tönkremeneteltől. Az akkumulátor menedzsment 8
Maria Klingebiel – Hibrid hajtások, tüzelőanyag cellák, alternatív tüzelőanyagok (49.-52. Oldal)
14
rendszer felelős hibrid autókban azért is, hogy a gyakori megállás-elindulás (start-stop funkció alkalmazása) esetén, ha az akkumulátor már nem tudja biztosítani a motor indításakor szükséges nagy mennyiségű energiát, akkor nem állítja le a motort. Mivel ebben az esetben nehéz biztosítani a motor számára szükséges energiát, és közben a többi berendezés zavartalan működését (fényszóró, rádió stb.), ezért alkalmaznak egy kisegítő akkumulátort is, amely indításkor lép működésbe egy leválasztó kapcsolónak köszönhetően, és ellátja a többi fogyasztót, amíg a motor indítása folyik. Természetesen normál üzem idején ez az akkumulátor is töltődik. Alkalmaznak továbbá egy harmadik kisegítő akkumulátort is, ami az elektrohidraulikus fékrendszer működtetéséhez szükséges, ennek biztonsági okai vannak.
5. Akkumulátorok töltése Minden elektromos jármű rendelkezik saját AC töltő berendezéssel, mely segítségével otthon a garázsban, egy konnektorról feltölthető. Ebben az esetben a töltés vezérlése az autóba épített fedélzeti töltővel történik. A másik lehetséges mód az autó töltésére egy DC gyorstöltő állomás felkeresése, ahol sokkal gyorsabban tölthetjük fel az autó akkumulátorát, akár 15-20 perc alatt 80%-os töltöttségre, ami a hagyományos AC töltés 8 órás töltési idejénél lényegesen gyorsabb.
3.
9
ábra – Elektromos autók töltési lehetősége9
www.eszk.org/content/arch/.../beszamolo/20120223_entar_besz.pdf
15
Gyorstöltő állomások létrehozásához természetesen infrastruktúrális beruházásokra is szükség van, ami egyelőre még várat magára. Magyarországon a MOL Istenhegyi úti töltőállomása az első kezdeményezés ezen a téren. A töltőállomás kialakításánál minden szempontból törekedtek a környezetbarát megoldásokra (napelem, zöldtető, hőszigetelés, fűtés, LED világítás stb.).
4.
ábra – Környezetbarát töltőállomás Magyarországon10
Az azonban még nem tisztázott a gyorstöltő állomásokkal kapcsolatban, hogy ez a gyorstöltés mennyire viseli meg a forgalomban fellelhető akkumulátorokat. Az ilyen jellegű gyors feltöltés ugyanis jelentősen csökkenti az akkumulátor várható élettartamát – ezért is csak a legmodernebb lítium akkumulátorok esetén alkalmazható. A jelenlegi gyakorlatban a járművek töltése több órát is igénybe vesz a töltő állomásokon, ami minden bizonnyal az egyik fő oka az elektromos járművek elterjedésének lassú ütemének.
10
http://www.mol.hu/hu/a_molrol/sd/kornyezetunk_vedelme/eghajlatvaltozas/a_jovo_toltoallomasa/
16
A jelenleg ismert leggyorsabb megoldást a JFE Engineering cég mutatta be, amely egy gyorstöltő állomás, ami képes az akkumulátort három perc leforgása alatt félig feltölteni, amely egy 80 kilométeres útszakasz megtételét teszi lehetővé. A CHAdeMO egyesületet 2010 márciusában hozták létre (alapító tagjai: Nissan, Toyota, Mitsubishi, TEPCO, Fuji Heavy Industries), melynek célja az elektromos hajtású autók üzemeltetéséhez nélkülözhetetlen gyorstöltők fejlesztése, a töltőállomások tervezése, létrehozása, valamint ezen rendszerek szabványosítása. Az állomásokon a fizetés többféleképpen történhet: mobiltelefonnal (sms-ben, okostelefonnal, előfizetéssel), RFID kártyával és direkt kapcsolattal.11 Egy másik egészen érdekes fejlesztés a Siemens és a BMW közös fejlesztése, ami egy automata töltőállomás, amit bárhol fel lehet állítani. A föld alá helyezett induktív energiaátvitel elvén működő megoldás primer tekercsét a hálózatra kapcsolják, míg a szekunder tekercs az elektromos autó része. A sofőr a töltőállomás fölé hajtva egy gombnyomásra indíthatja el a töltést, ami a tekercsek közötti 8-15 cm távolságon belüli mágneses térben zajlik, de a mágneses tér csak a tekercsek által behatárolt területre korlátozódik, elkerülve az egyéb káros hatásokat. Előnyei ezen kívül még, hogy jó a hatásfoka (90%), és biztonságos is, hiszen a föld alá van beépítve.12
5. ábra – Föld alá helyezett töltő berendezés
11 12
http://zold.blog.hu/2010/07/02/akkutoltes_tankolasnyi_ido_alatt http://www.energiacentrum.com/news/indukcios_tolto_elektromos_autokhoz.html
17
6. A villanymotor használata generátorként A tisztán belső égésű motorral szerelt gépjárművekkel szemben nagy előnyt jelent az elektromos illetve hibrid autóknak az a lehetősége, hogy a fékezéskor felszabaduló energiát a villanymotor generátorként üzemelve az akkumulátorba visszatöltse. A generátor egy gerjesztett – ritkán állandó mágneses – forgórészből és egy többfázisú tekercsrendszerrel ellátott állórészből tevődik össze. Az állórész csapágypajzsai és az abban elhelyezett csapágyak tartják középpontban a forgórészt, és biztosítják annak a sima futását. A gerjesztett forgórészt mechanikai energiával, a generátor tengelyére csatlakozó turbinával forgatják.
Ennek
a
hatására
a
forgórész
indukcióvonalai
metszik
az
állórész
tekercsrendszerét, és abban feszültséget indukálnak. Az állórész általában háromfázisú tekercseléssel készül. A forgórészben szinkron gépek esetén külső forrásból, csúszógyűrűs, szénkefés szerkezeten keresztül bevezetett egyenáram, vagy állandó mágnes; aszinkron gépeknél pedig a rövidre zárt forgórészben indukált örvényáram gerjeszti a működéshez szükséges mágneses teret. A generátor előnye a dinamóval szemben az, hogy az indukált feszültséget keferendszer nélkül közvetlenül az állórészről veszik le, így nagy áramok esetén sem kell a mozgó alkatrészek (szénkefék) sérülésétől tartani. A további előnye, hogy az előállított váltakozó feszültség transzformátor segítségével átalakítható, és minimális veszteséggel szállítható. Ez a technológia csökkentheti gyorshajtások számát azáltal, hogy a vezető nem érzi pazarlásnak a fékezést, így az autó sebességét mindig a megfelelő értékre mérsékli, ezáltal a balesetek kockázatát is redukálja.13
7. Akkumulátor alkalmazása elektromos autóban Akkumulátor alkalmazására elektromos autóban példa az Opel autógyár Ampera típusú elektromosa autója, amelybe lítium akkumulátor került beépítésre. Az autóban két villanymotor és egy benzinmotor gondoskodik a meghajtásról. Ezt az autót ténylegesen elektromos autónak hívhatjuk, ugyanis akkumulátorról üzemelve körülbelül 60 kilométer megtételére képes. Statisztikák szerint egy európai embernek naponta nincs is szüksége átlagosan ennél nagyobb távolság megtételére. Az akkumulátor otthon 230 V-os feszültségről 4 óra alatt feltölthető. A jármű káros anyag kibocsátása gyakorlatilag ezen üzemmódban 13
http://hu.wikipedia.org/wiki/Gener%C3%A1tor
18
zérusnak tekinthető. Abban az esetben, ha hosszabb útra szeretnénk menni a járművel, akkor a benzinmotor gondoskodik az akkumulátor töltéséről, és így egy tele tankkal körülbelül 500 kilométert tehetünk meg, és nem kell az akkumulátor lemerülésétől rettegnünk. Ez az autó egy átlagember számára minden igényt kielégít, anélkül, hogy az életmódján, vagy az autózási szokásán nagyobb változtatást kellene eszközölni, elterjedésének már csak az ára szabhat gátat, ami meghaladja a 12.000.000 Ft-ot. 14
6. ábra – Opel Ampera felépítése
14
www.opel-ampera.com
19
8. Kondenzátor felépítése, működése, diagnosztikája A hagyományos akkumulátorok a regeneratív fékezés során keletkező villamos energiát nem lennének képesek felvenni, ezért erre a célra szuperkapacitású kondenzátorokat alkalmaznak. Az elektromos töltés tárolására készített technikai eszközöket kondenzátornak (régies nevén „sűrítő”-nek) nevezzük, a kondenzátor elektromos energiatároló eszköz. Homogén szigetelő közegben (anyagban), egymás környezetében elhelyezkedő két vezető anyagú test kapacitása az egységnyi feszültség hatására a vezető testeken szétváló villamos mennyiségét adja meg, vagyis azt, hogy adott feszültség mellet, mennyi töltést tud tárolni.15 Minden kondenzátor legalább két párhuzamos vezető anyagból (fegyverzet), és a közöttük lévő szigetelő anyagból (dielektrikum) áll. A szuperkondenzátor olyan elektrokémiai kondenzátor, amiben a tárolható energiasűrűség más kapacitások több mint ezerszerese. Az elektromos autókban ez az úgynevezett kétrétegű, más néven szuperkondenzátor használata jöhet számításba. Ezek energiatárolóként az akkumulátorokat lényegében minden jellemzőjükben magasan túlszárnyalják - ez alól csupán az energiasűrűség képez kivételt. Itt a kétrétegű kondenzátorok az 5 Wh/kg-os teljesítményükkel körülbelül tízszer gyengébbek az akkumulátoroknál. Legnagyobb erősségük, hogy rövid idő alatt képesek energiát nagy teljesítménnyel tárolni vagy leadni, vagyis amikor az autó gyorsul, az elektromotor energiaigénye rövid időre erős mértékben megnő, fékezéskor ezzel szemben hirtelen sok energia szabadul fel, így ezeket a teljesítménycsúcsokat a kondenzátorok a legrövidebb idő alatt képesek felvenni és leadni. A kétrétegű kondenzátorok hengeres kialakításúak, elektronokat vezető szilárd elektródból, és ionokat vezető folyékony elektrolitból álló olyan kettősrétegből áll, amelyben az elektrolit oldat nemcsak töltéshordozó, hanem a szilárd elektród felületét bevonó dielektrikum is egyben. Villamos töltéseket az elektród potenciál abszolút értékének az alapértékhez viszonyított töltéseltolódása adja. A kettősrétegű kondenzátorok elektródjai nagy szilárdságú, szénszál erősítésű, vagy strukturált polimer anyagból készülnek. Az elektródokat egymástól ionáteresztő membrán választja el. Elektrolitjuk rendszerint nemesfém, például ruthénium-oxid, melynek tároló képessége
15
Dr Hodossy László – Elektrotechnika (177. Oldal)
20
200mF/cm2. A feszültséget és a kapacitást az egyes cellák soros, illetve párhuzamos kapcsolásának megváltoztatásával tudjuk módosítani. Tulajdonságai: -
Porozitásuk nagy (2000 m2/g)
-
Kiterjedésük kicsi
-
Villamos tárolóképességük nagy (500 F/g fajlagos kapacitású)
-
Üzemi feszültség: 2,5 V
-
Kapacitás: 5000 F
-
Fajlagos energiatároló képesség: 2000 W/Kg
Előnyei: Hosszú élettartam (élettartamuk akár a 10 évet is elérhet) Nagy teljesítmény (200 Wh/Kg) 100%-os hatásfokkal büszkélkedhetnek nem rendelkeznek a memória-hatás hátrányaival minden töltöttségi állapot mellett tölthetők vagy kisüthetők Eközben csaknem teljesen korlátozatlan gyakorisággal lehet őket feltölteni Hátrányai: Kis energiatárolási kapacitás Gyors önkisülés16 Hatékony megoldásnak ígérkezik az akkumulátorok és a kondenzátorok együttes használata, ami a két berendezés előnyeit egyesíti, és olyan elektromos hibrid autók megépítését teszik lehetővé, amelyek 0-ról 100 km/h-ra 6 másodperc alatt gyorsulnak, és nagyobb teljes hatékonyságot tudhatnak magukénak. Ezenfelül az akkumulátorok feltöltési
16
Sebestyén Szabolcs – Hibrid hajtású gépkocsik, szakdolgozat (30.-40. Oldal)
21
ciklusai rövidebbek lesznek , illetve sokkal kevesebb áramcsúccsal rendelkeznek, ami növeli élettartamukat.17
7.
ábra – A Maxwell cég BOOSTCAP típusú kondenzátora18
Kondenzátor gépjárműben való alkalmazására példa a Mazda i-ELOOP típusú járműve, amelynek energia visszatápláló fékrendszere kondenzátort használ. Működése: Az i-ELOOP egy új 12-25V váltóáramú generátorból, egy kis ellenállású, elektromos duplarétegű kondenzátorból és egy DC/DC átalakítóból áll. Az i-ELOOP abban a pillanatban elkezdi átalakítani és visszatáplálni a mozgási energiát, amint a vezető felengedi a gázpedált, és a jármű lassítani kezd. A váltóáramú generátor a maximális teljesítmény elérése érdekében 25V-ig terjedő villamos áramot termel mielőtt ezt az úgynevezett elektromos duplarétegű kondenzátorba (Electric Double Layer Capacitor – EDLC) tárolásra eljuttatja. Ez a kondenzátor
kifejezetten
gépjárműben
történő
felhasználásra
lett
kifejlesztve,
és
másodpercek alatt feltöltődik.19
17
Denis Bittigkoffer – Energiatároló a hibrid meghajtású gépjárművek számára (2011. December 02.-i cikk) www.maxwell.com 19 http://www.tisztajovo.hu/oko-drive/mazda-i-eloop-kondenzator-alapu-energiavisszataplalo-fekrendszer/2011/11/29 18
22
8.
ábra - a Mazda i-ELOOP típusú járműve20
9. A hibrid járművekben alkalmazott egyéb energiaforrások és tárolók 9.1 Tüzelőanyag cella
Az üzemanyagcella (más néven tüzelőanyag-cella vagy tüzelőanyag-elem) egy eszköz, ami a belé töltött üzemanyagból vegyi reakció során, közvetlenül elektromos energiát állít elő.
Régóta
használt
technológia
tengeralattjárókban
és
az
űrkutatásban.
Az
üzemanyagcellákban leggyakrabban felhasznált üzemanyag a hidrogén, de használhatóak bennük a különböző szénhidrogén származékok (pl. földgáz, metanol, gázolaj) is. Tüzelőanyag-cellák felhasználásával az energiát hidrogénként vagy kismolekulájú alkohol, mint pl. metanol vagy etanol formájában kell hordoznunk. Az üzemanyag cellák károsanyagkibocsátása jóval alacsonyabb, mint a hagyományos, szénhidrogén meghajtású hőerőgépeké, így hosszabb távon tiszta, környezetbarát energiaforrást jelenthetnek. Az üzemanyagcellában az elektrolízissel éppen ellentétes folyamat zajlik le: kémiai energiából elektromos energia keletkezik. A hatásfok szempontjából kedvező, hogy a hidrogénből közvetlenül elektromos 20
http://www.engadget.com/2011/11/26/mazdas-i-eloop-does-regenerative-braking-with-capacitors-instea/
23
energia nyerhető. A cella legtöbbször két elektródából, az anódból és a katódból áll, a köztük lévő anyag az elektrolit. Az elektrolit kizárólag az ionok számára átjárható, az elektródák egy külső áramkörön keresztül vannak egymással összekötve. Az üzemanyag az anódon oxidálódik, míg az oxigén a katódon redukálódik. Járművekben az úgynevezett protonáteresztő elektrolitmembrános tüzelőanyagcellát (PEM-FC) használják.21
9. ábra – Tüzelőanyag cella működése
A hidrogén az anódhoz áramlik, ahol megtörténik az ionizációja, vagyis hidrogén ionok (protonok) és elektronok keletkeznek. 2H2 → 4H+ + 4eA katódhoz vezetett oxigén a fogyasztó felől visszaáramló elektronok segítségével redukálódik. O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
21
Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté – Alternatív járműhajtások (161. Oldal)
24
Elméleti feszültsége 1,23 V, 25 0C hőmérsékleten, terhelés alatt körülbelül 0,5-1 V. Ezekből a cellákból 300-450 darabra van szükség, hogy elérjük a közúti hajtáshoz szükséges 60-100 kW teljesítményt, ami 1500-2000 W/l teljesítménysűrűséget eredményez. A tüzelőanyag cellát a következő rendszerek szabályozzák: Hidrogén/levegő szabályozás (HAM – hidrogen air management): A szükséges oxigént a levegőből nyerik, aminek nyomását légsűrítővel 2 bárra növelik, majd légszűrőn keresztül juttatják a tüzelőanyag cella katód felőli oldalához. Az oxigén nyomását és páratartalmát szabályozó szelepek biztosítják. Hőmérséklet szabályozás (THM - thermal management): mivel a tüzelőanyag cella működési hőmérséklete (85 0C) alacsonyabb, mint a benzinmotorok esetében, ezért itt folyadék hűtés szükséges, ami ráadásul villamos szempontból szigetelő. Villamos energia szabályozás (EEM – electrical energy management): feladata a cellából nyert maximális áram szabályozása. Előnyei: Megújuló energiaforrás Alacsony önkisülés Alacsony zajszint Alacsony káros anyag kibocsátás Nem tartalmaz mozgó alkatrészeket Hátrányai: Drága Alacsony hatásfok (<40%), Ha beszámítjuk a hidrogén előállítását is, a tüzelőanyagcellák összhatásfoka normál üzemmódban 28%-os. Rövid élettartam Magas fokú érzékenység Alacsony hőmérsékleten üzemképtelen is lehet Az után tankolás néhány perc alatt lebonyolítható lenne - feltéve, hogy a hozzáférhetőség adott. Ezt azonban a szükséges széles körű biztonsági óvintézkedések nehezítik. Ezek és a hidrogéntartály jelenik a tüzelőanyag-cellák áttörésének útjában. A hidrogén tárolására egy 700 bár nagynyomású tartály szolgál. A hidrogént 1 bar nyomáson, -253 0C – on folyékony 25
állapotban tárolják. A hidrogént nyomáscsökkentő segítségével 10 bár körüli értékre expandálják, majd hidrogén befecskendezőn keresztül juttatják az anódhoz. A hidrogén tárolásával szemben támasztott követelmények: -
A tároló falán való átszivárgáskor fellépő H2 veszteségek korlátozása.
-
Nagy gravimetrikus és volumetrikus fajlagos tárolókapacitás.
-
Több mint 500 Km megtétele két töltés között.22
Tüzelőanyag cella hibrid autóban történő alkalmazására példa a Honda FCX Clarity, egy új generációs, zéró emissziójú, hidrogénnel hajtott autó, amely a Honda teljesen új üzemanyagcellás padlólemezére épül, hajtásáról pedig nagyon kompakt, hatékony és erős, a Honda által fejlesztett függőleges áramlású üzemanyagcella egység gondoskodik. A hatótávolság, a teljesítmény, a tömeg és a hatékonyság terén nagy ugrást jelentő, illetve az eddigi üzemanyagcellás autókat meghazudtolóan alacsony építésű, dinamikus és kifinomult megjelenésű FCX Clarity fontos előrelépés a Hondának az üzemanyagcellás autók fejlesztése és az autó hétköznapi használhatósága terén tett erőfeszítéseiben. Az FCX Clarity modellben a Honda V Flow (vertikális áramlású) üzemanyagcella egységét, valamint az új, kompakt és hatékony lítium-ion akkumulátort és egyetlen, a hidrogén tárolására szolgáló tartályt alkalmaztak. Az üzemanyagcella a jármű fő energiaforrása. A regeneratív fékezés során keletkező energiát a lítium-ion akkumulátor tárolja. Ezt a rendszer akkor használja fel, ha szükség van az üzemanyagcella teljesítménye mellett további hajtóerőre. A jármű egyetlen emissziója víz. 23
22 23
Maria Klingebiel – Hibrid hajtások, tüzelőanyag cellák, alternatív tüzelőanyagok (55.-71. Oldal) http://honda-auto.hu/honda-fcx-clarity-.html
26
10. ábra – Honda V Flow üzemanyagcella egység
9.2 Lendkerék A lendkerekes energiatárolás évezredek óta alkalmazott megoldása az egyenetlen energiaközlés és kivétel problémájának, legyen szó akár egy fazekaskorongról, egy villamos autóbuszról vagy egy naperőműről. Az ilyen elven működő energiatároló rendszerek az elérhető energia- és különösen a teljesítménysűrűség értékeik miatt fontos szerephez jutnak a szünetmentes tápellátás területén. A lendkerék vagy lendítőkerék egy mechanikus energiatároló eszköz, egy forgó tárcsa, melyet kinetikus energia tárolására használnak.24 Az egyre népszerűbb hibridautók hátránya, hogy bonyolultak és drágák, akkumulátoraik pedig nagyon nehezek. Nem véletlen, hogy az autósportban inkább a mechanikus energiát átalakítás nélkül, mechanikus energia formájában tároló rendszerek terjedtek el – ez a Forma 1-ben híressé vált KERS. Nem más ez, mint egy lendkerék, amit a fékezés energiája pörget meg. Ilyen megoldást alkalmaz a Porsche 918 RSR a sikeres Porsche hibrid tanulmányutók szintézisét képviselő csúcstechnológiájú, a legmagasabb szintű igényeket is kielégítő modell: középméretű kupé, amely kinetikus energiatároló rendszerrel rendelkezik. A 918 RSR-ben a lendkerekes energiatároló egység az utasoldalon kapott helyet, és gyakorlatilag egy elektromos szerkezet, amelynek a rotorja akár 36000 percenkénti fordulatszámot is elérhet az 24
http://hu.wikipedia.org/wiki/Lendker%C3%A9k
27
energia megőrzése érdekében. Amikor a kinetikus tárolóegység feltöltődik, a vezető egy gomb megnyomásával aktiválhatja a rendszert, és felhasználhatja az eltárolt energiát gyorsításra vagy előzésre.25
11. ábra – A Porsche 918 RSR modelljének lendkereke26
Egy másik megoldást találunk a Volvo autógyár tervei között, ahol a Forma 1-ben alkalmazott KERS technológiát oly módon építik az autóba, hogy az a hátsó tengellyel legyen összekapcsolva, míg a benzinmotor az első tengelyt hajtja, így az autó gyorsításkor összkerék hajtásúvá válik. Fékezéskor a fedélzeti számítógép lekapcsolja a motort, így az energia nem nyelődik el a motorban, vagy válik hőenergiává a fékbetéteken keresztül, hanem a lendkerékben tárolódik, amit aztán gyorsításkor újra fel tud használni az autó. A körülbelül 20 centiméter átmérőjű lendkerék fordulatszáma ez esetben elérheti a 60.000 –es percenkénti fordulatszámot. Előnye, hogy a lendkerék épp akkor segít be a benzinmotornak, amikor a legnagyobb szüksége van rá, vagyis az autó indulásakor (például piros lámpánál való induláskor). A hagyományos autók fogyasztása ilyenkor a legnagyobb, lendkerék 25 26
http://www.jovo_technikaja.abbcenter.com http://www.thecoolist.com/porsche-918-rsr/
28
alkalmazásával viszont 20% -os fogyasztáscsökkenést érhetünk el. Hátránya, hogy a lendkerékben tárolt energia egy idő után elvész, ezért leginkább városban lehet kihasználni az előnyeit, amikor gyakran fékezünk és gyorsítunk, ennek ellenére nagy előrelépésnek számít ez a megoldás, hiszen minden autós tudja, hogy városban fogyaszt az autó a legtöbbet.27
12. ábra: A lendkerék kialakítása
Előnyei: Hosszú élettartam Nagy hatásfok Hátrányai: Drága Gyors ön kisülés Elektromos vezérlés szükséges28
27 28
http://gigamad.hu/magazin/lendkereket_az_autokba http://www.vet.bme.hu/okt/korny/nt/mernal/tananyag/energiatarolas.pdf
29
10. Korszerű
akkumulátorokkal
kapcsolatos
fogalmak,
jellemzők
és
diagnosztikájuk Az akkumulátor energiatároló eszközök, melynek lényege, hogy töltéskor a bevezetett villamos energiát vegyi energia formájában huzamosabb ideig képes tárolni, majd kisülésekor villamos energiává alakítja vissza. Az akkumulátor csak egyenfeszültség tárolására képes. Az akkumulátorra fogyasztót kapcsolva az akkumulátor úgy működik, mint egy galvánelem. A töltésszétválasztó folyamat közben elektródáinak anyaga átalakul. Amikor ez a folyamat teljesen végbement, az akkumulátor kisütött állapotba kerül, a kezdeti feszültségértéke lecsökken. A töltés során a kapcsaira adott feszültség hatására töltőáram alakul ki ilyenkor az akkumulátor, mint fogyasztó, energiát vesz fel, melynek hatására a vegyi folyamat fordított irányban megy végbe, és az elektródák anyaga eredeti állapotba kerül vissza. A folyamat végén az akkumulátor feltöltődött, és ismét képes energiát szolgáltatni. Az akkumulátor kapocsfeszültsége a kisütés során folyamatosan csökken, a töltés során folyamatosan nő. Ha kisütés közben a kapocsfeszültsége egy bizonyos érték alá esik, az akkumulátor kisült, a kisütést be kell fejezni, mert a további terhelés az akkumulátor károsodását okozhatja. A töltést szintén be kell fejezni, amikor a kapocsfeszültség a töltésre megadott értéket eléri. A túltöltés ugyanúgy tönkreteheti az akkumulátort, mint a megengedettnél nagyobb kisütés.
30
12.ábra: Ólom-savas akkumulátor szerkezeti felépítése látható
10.1 Alapfogalmak 10.1.1 Galvánelem
Ha hígított kénsavban réz- és horganylemezt helyezünk el, a vegyi hatás következtében a rézlemezből elektronok lépnek ki a kénsavba, így a réz pozitív töltésűvé válik. A horganylemez viszont elektronokat vesz fel a kénsavból, így negatív töltést kap. A galvánelem e töltéseket szétválasztó hatása az elektromotoros erő. A szétvált különnemű töltések vonzzák egymást, de a galvánelemen belül – az elektromotoros erő szétválasztó hatása miatt – nem tudnak kiegyenlítődni. Ha azonban a galvánelem kapcsait egy vezetővel összekötjük, a vezetőben lévő elektronokra, ill. ionokra a kapcsok töltésének megfelelően vonzó- ill. taszítóerő hat,
31
így a vezetőben villamos áram alakul ki. Az áramló villamos töltések munka végzésére alkalmasak, azaz a galvánelem a benne felhalmozott vegyi energiából villamos energiát állít elő. 10.1.2 Villamos töltés
A villamos áram a töltések áramlása. A töltés jele: Q. Az áram (I) a vezeték keresztmetszetén időegység (t) alatt áthaladó töltésmennyiség (Q). A töltés meghatározása: Q=I*t
10.1.3 Villamos munka
Az áramló villamos töltések energiája a fogyasztón hő- fény- mechanikai, vagy vegyi energiává alakul át, munkát képes végezni. Kimutatható, hogy ha egy fogyasztón U feszültség hatására t ideig I áram folyik, akkor a végzett villamos munka: W = U *I* t
10.1.4 Villamos teljesítmény
A teljesítmény az időegység alatt végzett munka. Meghatározása: P=W/t, ami nem más, mint P=U*I
10.1.5 Akkumulátor teljesítménye
Az akkumulátor teljesítménye meghatározza annak alkalmazhatóságát, s ezzel együtt egy adott idő alatt előállított energiamennyiséget. Az akkumulátor teljesítményét a kapcsain lévő feszültség és a terhelésen átfolyó áram szorzata adja meg: P = I*U. Az így kapott teljesítmény mértékegysége a watt. Az akkumulátor lehetséges teljesítménye annál nagyobb, minél kisebb a belső ellenállása. Ennek a belső ellenállásnak mindig olyan alacsonynak kell maradnia, mint azon elektromos 32
fogyasztóké, melyeket árammal lát el. Ellenkező esetben az akkumulátor teljesítménye drasztikusan lecsökken és a műszerek üzemeltetése lehetetlenné válik. 10.1.6 Akkumulátor önkisülése
Rendszerint a pozitív elektródaanyagok elektrolittal történő oldhatóságával vagy a termodinamikai instabilitásával (pl. külső befolyástól mentes felbomlás) van kapcsolatban. Az egyszer tölthető „akkumulátorokhoz” (elemek) viszonyítva az újratölthető akkumulátorok önkisülése rendkívül magas.
10.1.7 Ciklus
Ciklusnak nevezzük a töltési és lemerülési folyamatot, de ciklusnak számít az is, ha az akkumulátor nem teljesen kisütött állapotban kerül feltöltésre. Az akkumulátor élettartama és kapacitása erősen összefügg a töltési ciklusok számával. Töltési ciklusokról értelem szerűen csak a ciklikus akkumulátoroknál beszélünk.
10.1.8 CCA, CA, AH (indító akkumulátoroknál)
Hidegindító áram (Cold cranking amps vagy CCA) az az áramerősség érték, amelyet az akkumulátor problémamentesen le tud adni 30 másodpercen keresztül -18C hőmérsékleten úgy, hogy a feszültsége nem esik 7.2V alá. Indítóáram (cranking amp vagy CA) az az érték, amelyet hasonló körülmények között mérnek 0C hőmérsékleten. Amperóra (AH) az akkumulátor kapacitását (energia befogadó-képességét) jelenti. 1 Amperóra egyenlő 1A áramerősség 1 órán keresztüli leadásával. SOH (State-of-Healt) - az ólomakkumulátorok egyik állapotjellemző paramétere. Az SOH-érték jelöli a még rendelkezésre álló teljesítményt, illetve azzal összefüggésben álló áramot, amit az akkumulátor még le tud adni.
33
SOC (State-of-Charge) - az akkumulátor töltöttségi állapotára jellemző érték. Az SOC-érték jelöli egy akkumulátornak a még rendelkezésre álló kapacitását a névleges kapacitáshoz viszonyítva. DOD (Depth of Discharge) – kisütési mélység, egy akkumulátor vagy cella maximális elektrokémiai kapacitásának csökkenését jellemző érték, mely a csökkenés mértékét és nem a maradék töltést adja meg százalékban. Töltéshiány (savas akkumulátoroknál) Ha egy akkumulátor töltése nem éri el az előírt 13,8-14,4V-ot, akkor töltéshiányról beszélhetünk. Hosszan tartó elégtelen töltés szulfátosodáshoz vezet. Túltöltés Túltöltésről beszélünk, ha egy akkumulátort a megengedett maximális szintnél jobban feltöltjük. Savas akkumulátorok a túltöltést elviselik, de a Li-ion és hasonló akkumulátorokban azonnali, visszafordíthatatlan károsodásokat okoz. Túlmerítés Minden akkumulátornál meg van határozva egy szint, aminél jobban nem ajánlott lemeríteni. Ha ez a szint alá merül, túlmerülésről beszélünk. Savas akkumulátoroknál erősen csökkenti az élettartamot, míg az ionos és polimeres akkumulátorokat kevésbé befolyásolja. Hatásfok Az akkumulátor veszteséggel dolgozik, azaz nagyobb töltést és energiát vesz fel, mint amekkorát kisütéskor lead. A veszteségek jellemzésére két hatásfokot szokás megadni:
34
az amperóra-hatásfok a visszaadott és a felvett amperórák hányadosa a wattóra-hatásfok a visszaadott és felvett energia hányadosa. Például egy Ni-Cd akkumulátorcellás amperóra-hatásfoka kb. 70%. Gondozásmentesség A mai modern akkumulátorok a régiekkel szemben már gondozásmentesnek tekinthetőek. Régi technológiával készült akkuknál időnként desztillált vízzel kellett felönteni a cellákat, hogy ezzel pótolják a párolgást. A modern technológiával készült akkumulátorok fedelét éppen ez okból már úgy alakítják ki, hogy azokat ne kelljen, sőt ne is lehessen kinyitni, a párolgás ugyanis olyan kis mértékű, hogy az akkumulátor valójában nem igényel gondozást. A gondozásmentesség továbbá azt is magába foglalja, hogy egy akkumulátor töltését mennyire körültekintően kell elvégezni. Például egy Ni-Cd akkumulátor használatakor nem ajánlott a rátöltés, míg egy Li-ion akkunál ez semmilyen problémát nem okoz. Ilyen szempontból az Li-ion akku gondozásmentes. Elem és akkumulátor közötti különbség Az
elemeket
hívhatnánk
akár
eldobható,
vagy
egyszer
használható
akkumulátoroknak is, mivel lemerülésük esetén nincs lehetőség újratöltésükre és újbóli felhasználásukra. Az újratölthető akkumulátorok legfontosabb tulajdonsága, hogy szemben az elemekkel - a használati körülményektől függően - akár 1000-szer is feltölthetőek, és újból felhasználhatóak.
10.2 3. Akkumulátorok felosztása (főbb típusok)
nem újratölthető akkumulátorok - elemek o alkáli o alumínium
35
o krómsav cella o galván o lítium o lítium levegő o szerves o papír o ezüst-oxid o cink-levegő o cink-szén o cink-klorid újratölthető akkumulátorok o ólom-savas VRLA AGM zselés o lítium levegő o lítium-ion o lítium-ion polimer o lítium vas-foszfát o lítium-kén o lítium-titánt o nikkel-kadmium o nikkel-vas o nikkel-fém hibrid o nikkel-cink o szerves o polimer alapú o poliszulfid bromid
36
o nátrium-ion o nátrium-kén 10.3 Akkumulátorok alkalmazási területei
Nem újratölthető akkumulátorok A
nem
újratölthető
akkumulátorok,
köznyelven elemek (telepek), számtalan helyen kerültek
alkalmazásra,
ceruzaelemekre
vagy
elég,
ha
a
csak
a
gombelemekre
gondolunk. Ezeknek az általában alkáli fémekből készült elemeknek a legnagyobb előnye, hogy a bennük tárolt energiát nagyon sokáig- évekig- képesek tárolni, nem úgy, mint az újratölthető akkumulátorok. Alacsony áruk, sokfajta kapacitásuk és méretük miatt széles körben elterjedtek, viszont az egyre olcsóbb és hatékonyabb újratölthető akkumulátorok már kezdik átvenni a szerepüket. Újratölthető akkumulátorok Széles körben elterjedtek, jelenleg is nagy hangsúlyt fektetnek a fejlesztéseikre. Környezetünkben szinte mindenhol
megtalálhatóak.
Egyik
legelterjedtebb
alkalmazási területe a járműipar. Előnyeik a nem újratölthető akkumulátorokkal szemben: nagyobb a fajlagos
energiatároló
élettartamúak,
üzembe
képességük, helyezésük
hosszabb egyszerűbb,
mechanikai szilárdságuk nagyobb. Az
alternatív
energia
alkalmazására
törekvő
fejlesztések
nagymértékben
befolyásolják az akkumulátorok fejlesztését is. Az akkumulátorok fejlesztésénél cél a minél nagyobb kapacitás mellett minél kisebb méret és tömeg. A felhasználási szempontok alapján lehetnek:
37
- indítóakkumulátor: Az indító akkumulátort arra tervezték, hogy rövid idejű, de nagy áram leadására legyen képes (pl. önindító). Az ilyen akkumulátorok ólomlemezei vékonyabbak és az anyagi összetételük is eltérő a ciklikus akkumulátorokétól. - ciklikus akkumulátorok: A ciklikus akkumulátor kevésbé képes rövididejű nagy áramok leadására, viszont sokkal jobban bírja a huzamosabb kisütést/feltöltést. A ciklikus akkumulátorok lemezei vastagabbak és az akku képes túlélni többszöri akku mélykisütést is. Felosztásuk: 1. vontatási vagy járműhajtó akkumulátor 2. helyhez kötött vagy ipari felhasználású akkumulátor 3. vezeték nélküli készülékek akkumulátorai
38
10.4 Főbb akkumulátortípusok összefoglaló ismertetése 10.4.1 ÓLOM-SAVAS AKKUMULÁTOROK 10.4.1.1 SAVAS:
Az
ólomakkumulátor
lemezekből,
ólomból, ólom-oxidból, továbbá 35%-os kénsav és 65%-os desztillált víz oldatból áll (ill. több egyéb elemből, amelyek pl. a savsűrűséget befolyásolják). Ezt az oldatot elektrolitnak nevezzük, ez indítja be a kémia reakciót, amely elektronokat hoz létre. Amikor az akkumulátort savsűrűségmérővel tesztelik, gyakorlatilag az elektrolitban jelen lévő kénsav mennyiségét mérik. Amikor a mért érték túl alacsony, az azt jelenti, hogy a kémiai folyamat, amely elektronokat
állít
elő,
alacsony
intenzitású.
Két
féle
akkumulátor
típust
különböztethetünk meg, az indítót és a ciklikust.
10.4.1.2 Felitatott üvegszálas - AGM
AGM
(Absorbed
Glass
Matt)
felitatott üvegszálas konstrukció az akkumulátorlemezek között egy bórszilikát párnát jelent, amely egyéb hasznos
tulajdonsága
mellett
megakadályozza a lemezek közötti vagy alatti cellazárlatot is. Az AGM konstrukciók további előnye, hogy akkor sem szivárog ki belőlük elektrolit, ha az akkumulátor háza megsérül, széttörik. A legtöbb AGM akkumulátor rendelkezik, az un. gáz rekombinációs képességgel, amely azt jelenti, hogy a töltési/kisütési folyamat 39
alatti elektrolízissel járó folyadékveszteség minimalizálódik. Felhasználása a nagyteljesítményű indító akkumulátoroknál, ciklikus alkalmazásoknál és napelemes rendszereknél jelentős. A jó minőségű AGM akkumulátorok akkor fogják élettartamuk maximumát nyújtani, ha azokat újratöltik, mielőtt a töltöttségi szintjük 50% alá esik. Ha ezeket az akkumulátorokat 100%-osan kisütjük, akkor az élettartamuk nem lesz több mint 300 ciklus. Az AGM akkumulátoroknak alacsony az önkisülése (havi 13%), ezért jobban bírják a töltés nélküli tárolást, mint a hagyományos társaik.
10.4.1.3 ZSELÉS AKKUMULÁTOROK:
A zselés akkumulátor belsőleg annyiban hasonlít az AGM akkumulátorokhoz, hogy az elektrolit itt is meg van kötve. Az AGM akkuban az elektrolit továbbra is folyékony kénsav, csak fel van itatva, míg a zselés akkuban szilika-gél segítségével az elektrolitot elzselésítik. A zselés akkumulátorok töltőfeszültsége alacsonyabb, mint a hagyományos savas vagy AGM akkumulátorok esetében. A zselés akkumulátor cella a legérzékenyebb valamennyi típus közül a túltöltésre, amely korai akkumulátor tönkremenetelhez vezet. További hátrány, hogy a zselés akkumulátor teljes feltöltési ideje hosszabb, mint egy hasonló kapacitású hagyományos akkumulátornak, mivel a túlzott mértékű töltés folyamán keletkező gázbuborékok a zselében csökkentik az akku kapacitását, megrövidítvén így annak élettartamát. Zselés akkumulátorok igazi felhasználási területe, ahol az akkumulátor kisütése a 100%-os mértéket is eléri. Nem megfelelő akkumulátortöltő használata esetén az akkumulátor korai halála szinte elkerülhetetlen.
40
10.4.1.4 Nikkel-kadmium akkumulátor (NiCd)
Ezeknél nikkelből
az
akkunál
és
az
elektródák
kadmium
vegyületből
készülnek. A Ni Cd-akku kicsi és könnyű. Mivel
mérgező
nehézfém
vegyületeket
tartalmaz, ellenőrzött újrahasznosításra van szükség. Ez az akkutípus viszonylag régi fejlesztésű, kiforrott technológia, amelynek viszont több elfogadhatatlan hátránya is van. Ezek
között
az
első,
hogy
ezek
az
akkumulátorok mérgező fémeket tartalmaznak, amelyek nagyon károsak az egészségre. Hosszú életciklusuk és jó töltés-ürítési arányuk miatt voltak sikeresek, emellett jól bírják a nagy hőmérsékletingadozást is. Az új akkumulátorokat először un. formázni, azaz teljesen feltölteni majd lemeríteni kell, hogy az akkun belül a kémiai folyamatok kialakuljanak. Ezeknek az energiatárolóknak van egy érdekes jelenségük, mégpedig a „memória effektus”. Ez akkor jelentkezik, ha az akkut túl sokáig tároló töltéssel töltjük, vagy ha hosszú ideig úgy használjuk, hogy nem sütjük ki teljesen és a félig kisült akkura rátöltünk (legjobb példa a mobil telefonok). Ilyenkor az akku elfelejti, hogy fel van töltve és „emlékszik” a legutóbbi kisütési pontra és csak addig hajlandó teljes kapacitással működni. Sorsukat a 2006. szeptember 26-án elfogadott, új Európai Uniós rendelet pecsételi meg, ahol előírják az akkukban használt káros anyagok szigorú korlátozását, így ezek az energiatárolók alkalmazása már csak ott lehetséges, ahol helyettesítésük nem megoldható.
41
10.4.1.5 Lítium-ion akkumulátor (Li-ion)
A manapság használatos akkumulátorok közül a legtöbb előnyös tulajdonsággal a lítium-ion és a lítium-polimer típusok rendelkeznek.
Speciális
töltőáramkört
igényelnek, de teljesen gondozásmentesek, bármikor rátölthetünk, nem szükséges teljesen lemeríteni őket, mint egy Ni-Cd áramforrást. Kis méretűek, könnyűek és alacsony
az
önkisülésük.
Az
akkumulátorban a pozitív elektróda (katód) lítiumból készül, míg a negatív elektróda (anód) szén alapú. Töltés során a lítium elektróda ionokat (elektromos töltéssel rendelkező atomokat) bocsát ki, melyeket a szén elektróda eltárol. A töltésről lekapcsolva, ezek az ionok áramlanak vissza a lítium oldalra, ez az áram működteti elektromos berendezéseinket. Mind a töltésük, mind a kisütésük kémiai reakción alapul, és ezek a folyamatok bizonyos veszteségekkel járnak, ezért élettartamuk folyamatosan csökken. A Li-ion akkumulátorok eleinte veszélyesek voltak, sok kigyulladt, vagy felrobbant. Ennek ellenére több gyártó is tovább foglalkozott a problémával, és kifejlesztettek olyan elektronikákat (töltéskiegyenlítő - BMS, töltésvezérlő), amik segítségével mára már biztonságosan alkalmazhatóak. A következő diagramokon egy 4V-os 40Ah-s Li-ion akkumulátor diagramjai láthatóak. Jól megfigyelhetőek, hogy az akkumulátor önkisülése hogyan változik, illetve hogyan csökken a kapacitása a lemerülési/töltési ciklusok alapján.
42
43
10.4.1.6 Lítium – polimer akkumulátorok
A
vegyi
felépítése
hasonló
a
Li-Io
akkumulátoréhoz, de az elektródákat egy porózus, vékony, elektrolittal átitatott polimer fólia választja el egymástól. Mivel ez rugalmas, az akkut változatos formájúra lehet készíteni. A legjellemzőbb a lapos, rugalmas műanyag tokba csomagolt, téglalap alakú forma.
Töltési
végfeszültsége
4,2
V,
névleges
feszültsége 3,7 V, melyet jól tart nagy áramoknál is. Rövidzárlat elleni védelemként, a korszerű Li-Po akkukat ellátják egy beépített kiolvadó biztosítékként működő elvékonyított vezető szakasszal. Ez megszakítja az áramot, ha az nagyon nagy értéket ér el. A Li-Po akkumulátorok várhatóan a jövő akkumulátorai lesznek, de egyes becslések szerint az élettartamuk és a kapacitásuk csökkenni fog, egyfajta eldobható alkatrészként szolgál majd.
10.5 Akkumulátor felügyelő elektronikák
Mivel a mai korszerű akkumulátorok nagyon érzékenyek bizonyos paraméterekre, mint pl. a túltöltésre vagy az eltérő cellafeszültségre, így a gyártók kénytelenek voltak kifejleszteni különböző elektronikákat, melyek felügyelik az akkumulátorokat.
10.5.1 Cellakiegyenlítő - Balancer
Főként Li-Ion és Li-Po akkumulátoroknál használják. Ahhoz, hogy az említett akkumulátorokból nagyobb kapacitású energiatárolókat tudjunk létrehozni, az egyes akkumulátor cellákat össze kell kapcsolni. Mivel szinte lehetetlen, hogy két cella
44
azonos paraméterekkel rendelkezzen és ugyan olyan feszültségre legyenek feltöltve, így az összekapcsolásuk pillanatában a cellák megpróbálnak kiegyenlítődni. A balancer, azaz a cellakiegyenlítő elektronika feladata ezeknek a folyamatoknak a felügyelése és vezérlése. Ilyen elektronika nélkül a cellák összekapcsolása károsodást okozhat.
10.5.2 2 Battery manager system
A „battery manager system” egy olyan rendszer, ami teljes mértékben felügyeli, ellenőrzi, védi rendszer
az akkumulátort. A
általában
paramétereket
a
figyeli:
következő feszültség,
hőmérséklet, töltöttségi szint, hűtési rendszer (ha van), aktuális állapot. Ennek az elektronikának a segítségével elkerülhető az akku mélykisütése, túltöltése, és egyéb az élettartamát csökkentő hatás megakadályozása.
10.6 Akkumulátorok diagnosztikája
10.6.1 Az akkumulátorok üzemmódjai
Az akkumulátor egy feszültségforrás és egy ellenállás sorba kötésével modellezhető. A két kivezetése közötti potenciálkülönbség nem más, mint a kapocsfeszültség. A kapcsokra kötött terhelés alapján három fajta üzemállapotot különböztetünk meg:
45
Üresjárási: Ebben az esetben az akkumulátor kapcsaira nincs terhelés kapcsolva, így a kapocsfeszültség megegyezik a telepfeszültséggel. Az akkumulátor jósági
tényezőjét
megállapítani
nem
terhelés
lehet nélküli
méréssel.
Rövidzárási: Ilyenkor az akkumulátor kapcsait rövidre zárjuk, tehát a terhelő ellenállás
0.
A
kapcsok
közt
végtelen nagy áram indul meg, ami erősen károsíthatja az akkumulátort. Terhelt, üzemi állapot: Normál üzemi állapot, ilyenkor az akku kapcsain terhelés van, amit értelmezhetünk terhelő ellenállásként is. Ekkor az áramkörben I = Ut / (Rt + Rb) mértékű áram folyik.
10.6.2 Kapacitásvizsgálat
Az akkumulátorok munkavégző képességét alapvetően tényleges feszültségük és kapacitásuk határozza meg. Egy újonnan beépített akkumulátornál a gyártók
46
garantáljak a névleges jellemzőket és megadják a várható élettartamot, amely idő alatt, az alkalmankénti kisütések és állandó 20 °C-os környezeti hőmérséklet mellett, az amperórás kapacitás a névleges érték 80%-ára csökken. Az üzemelés során azonban számos tényező befolyásolja az akkumulátor kapacitását, mint például a hőmérséklet, karbantartás,
idő.
Kapacitásvizsgálattal,
amely
valójában
az
akkumulátorok
meghatározott körülmények között adott ideig történő kisütése, megállapíthatjuk, hogy az akkumulátorok az üzemeltetési körülményeket is figyelembe véve milyen mértékben felelnek meg a gyártók által megadott, illetve elvárható állapotoknak. A gyakorlatban alapvetően kétféle vizsgálati módszer terjedt el, amelyekből megbízható következtetést vonhatunk le az akkumulátorok állapotára vonatkozóan.
10.6.2.1 Állandó leadott teljesítményes vizsgálat
Az eljárás során állandó leadott teljesítménynek megfelelő árammal sütjük ki az akkumulátorokat. Ez azt jelenti, hogy a vizsgálati ciklus alatt a csökkenő feszültség függvényében folyamatosan növeljük a kisütő áramot. Például ezt a terhelési állapotot valósítják
meg
az
áramellátó
rendszerekben
alkalmazott
állandó
kimenő
teljesítménnyel üzemelő inverterek és különféle DC/DC átalakítók.
47
10.6.2.2 Állandó leadott áramos vizsgálat Ezen eljárás szerint a vizsgálat alatt állandó árammal sütjük ki az akkumulátorokat.
A gyakorlatban a rendelkezésre álló kapacitás meghatározására ez utóbbi módszer az elterjedtebb. Az akkumulátorgyártó cégek katalógusaikban általában mind az állandó teljesítménnyel, mind az állandó árammal történő kisütési görbéket megadják, ezért a legtöbb akkumulátor diagnosztikai egység mindkét kapacitásvizsgálati eljárásra alkalmas.
Az ábrán egy átlagos akkumulátor kapacitásvizsgáló egység látható. Felépítése 3 fő modulból áll: - elektronikus terhelés, - mérési adatgyűjtő egység, - működtető, adatfeldolgozó és naplózó szoftver. Akkumulátorok a járművekben
48
Az akkumulátor kapacitását az indítómotor áram felvétele alapján választjuk meg. A gyakorlatban sűrűn előfordul az eredetinél nagyobb kapacitású akkumulátor alkalmazása, ha az a járműben méreténél fogva elhelyezhető. Mivel a nagyobb akkumulátort nagyobb árammal kell tölteni, ezért a generátor túlterhelődhet. Ha a generátor nem tudja a szükséges nagyobb töltőáramot biztosítani, akkor esetleg nem is tudja a nagyobb akkumulátort teljesen feltölteni. A nagyobb kapacitású akkumulátor is lemerülhet, mert a nagyobb akkumulátorból több energiát vesz el a motor indítása és azért is, mert gyakran többet és hosszabb ideig önindítózunk vele. Ha viszont az eredetinél kisebb kapacitásúra cserélik ki az akkumulátort, akkor a generátor túltöltheti azt és emiatt idő előtt károsodhat az akkumulátor. A hálózat feszültsége is magasabb szintű lesz, így a fogyasztók nagyobb villamos teljesítményt vesznek fel és jobban terhelik a generátort. A végkivezetők polaritásának ismerete mind az akkumulátornak a járműbe való beszerelésekor, mind a töltő készülékhez kapcsolásakor igen fontos. A helytelen polaritás alkalmazásakor károk keletkezhetnek a gépkocsi villamos- és elektronikus berendezéseiben, valamint az akkumulátor töltőben és magában az akkumulátorban is. A végkivezetők leggyakoribb kialakításánál a pozitív kivezetés a vastagabb, tehát alakilag is felismerhető kivezetések polaritása.
10.6.3 Cellafeszültség
Az akkumulátorokból a galvánelemekhez hasonlóan telep alakítható ki. Az akkumulátor telep egy
egységét
cellának
nevezzük. Gyakori a soros kapcsolás, amelynél a telep feszültsége az összekapcsolt cellák feszültségének összege. Az ólom akkumulátor egy cellájának feszültsége 2V. A cella, és ennek 49
következtében a telep feszültsége is függ az igénybevétel módjától, valamint a kisütés mértékétől. A frissen töltött akkumulátor cella feszültsége terheléskor kis mértékben, de gyorsan csökken, majd a galvánelemekkel ellentétben a teljes kisülésig közel állandó marad. Az ólom akkumulátornál pl. 2,1V-ról 2V-ra csökken, és kisütöttnek kell
tekinteni,
ha
a
kapocsfeszültsége
eléri
az
1,8V-ot.
A töltéshez kicsivel nagyobb feszültség szükséges, és a feltöltött állapothoz közeledve a töltőáram csökken. Ha az áramot ugyanakkora értéken tartjuk, a töltőfeszültséget megnöveljük, az elektrolitban található víz elbontódik, és heves pezsgés közben gáz fejlődik. A feltöltött akkumulátort ezért a töltőről le kell kapcsolni,
különben
mechanikai
deformáció,
a
légmentesen
zárt
gombakkumulátoroknál pedig robbanás következhet be. A bontáskor keletkezett hidrogén és oxigén keveréke durranógázt alkot. Nagyobb akkumulátorok töltésekor ebből olyan nagy mennyiség keletkezhet, hogy a töltő helyiségben a legkisebb tűz vagy elektromos szikra is súlyos robbanást okozhat.
50
10.6.4 Akkumulátor savszint ellenőrzése
A savas akkumulátorokban az elektrolit üzemkész állapotban 1,28 kg/dm3-es (33%-os töménységű) kénsav, valamint desztillált víz elegye. A kisülés folyamán a savat alkotó ionok kiülnek a lemezekre és a sav töménysége felhígul, továbbá az elegyet alkotó desztillált víz párolgásnak indul. Hogy az eredeti koncentrációt ismét vissza lehessen állítani, az akkuba a beöntő fedélen keresztül, általában desztillált vizet, esetleg akkumulátorsav elegyet kell utántölteni. A savszint megállapításának a legegyszerűbb módja az un. savszintmérő eszköz alkalmazása. Ez nem más, mint a különböző folyadékok sűrűségét kihasználó mérőszál. A sav szintjének mérése, ha az akkumulátor edény nem átlátszó, egyszerűen elvégezhető egy 6-8 mm átmérőjű kb. 150-200 mm hosszúságú üvegcső segítségével. Ekkor más előírás hiányában rendszerint 10-15 mm magas sav szintet kell beállítani a lemezek felett. Ha jelentős mennyiségű cellánként 50 – 100 cm3 víz pótlására került sor, akkor elektromos töltő készülékre kell kapcsolni az akkumulátort és elektronokkal is fel kell tölteni. A teljesen feltöltött, szobahőmérsékletű akkumulátorból vett minta segítségével a sav pontos koncentrációja megállapítható. Az akkumulátor töltési foka legegyszerűbben a sav sűrűségének mérésével határozható meg. A lemerült akkumulátorban az elektrolit hamarabb megfagyhat, amely az akkumulátor tönkremenetelét okozza.
51
A teljesen zárt gondozásmentes ólomakkumulátort gyakorlatilag nem kell gondozni, nem kell a sav szintjét és sűrűségét havonta ellenőrizni, mert működése közben az elpárolgó víz visszajuttatásáról az akkumulátor kiképzése gondoskodik.
10.6.5 Belső ellenállás és terhelő áramerősség
Egy akkumulátor belső ellenállása a vele megegyező méretű galvánelem belső ellenállásához viszonyítva sokkal kisebb, ennek következtében az akkumulátor nagyobb árammal terhelhető és veszteségei is kisebbek. A belső ellenállás értéke mérettől függően 1 és 0,0001 ohm között vannak. A maximális terhelő áram emiatt több száz, esetleg ezer amper is lehet, azonban a károsodások elkerülése érdekében a tartós túláramot el kell kerülniük. Az
akkumulátor
belső
ellenállásából
lehet
következtetni
az
állapotára,
elhasználtságára. A mérést egy un. ESR mérő műszerrel kell végrehajtani, ami az elektrolit belső ellenállását méri. Például egy új NiCd/ NiMH akkumulátor belső ellenállása 0,02-0,03 ohm, míg egy elhasznált értéke 0,05ohm. A mérés segítségével megállapítható, ha egy cellában szakadás, vagy rövidzárlat van, így ez nagyban felgyorsítja a hiba forrásának felderítését.
52
10.6.6 Hatásfok mérése
Az akkumulátor nagyobb töltést és energiát vesz fel, mint amekkorát lead, ezért veszteséggel dolgozik, aminek a mértékét a következők alapján lehet meghatározni: - amperóra hatásfok: a visszaadott és felvett amperórák hányadosa - wattóra hatásfok: visszaadott és felvett energia hányadosa
10.7 Akkumulátorok viselkedése különböző hőmérsékleteken
Az akkumulátorok szobahőmérsékleten adják le a legjobb teljesítményt. Akkumulátor típustól függ, hogyan reagálnak az ettől eltérő hőmérsékletre, de általában igaz, hogy a magas hőmérséklet elsősorban az akkumulátor élettartamát csökkenti, gyorsítja az öregedését. A NiMH akkumulátorok önmagukhoz képest 30 Celsiuson már csak 80%-ot, 40 Celsiuson már csak 60%-ot képesek leadni. 45 Celsiusnál az élettartamuk is a felére csökken. A nagyon alacsony hőmérséklet sem hat kedvezően a működésre, a NiMH, az ólom
53
és a li-ion akkumulátorok -20 Celsiusig működnek, egyedül a NiCd képes -40 Celsiust elviselni. A NiCd akkumulátor ezen a hőmérsékleten már csak teljesítménye 20%-át képes leadni. Újabb li-ion akkumulátorok szintén képesek -40 Celsiuson működni, de ezek átlagos felhasználó számára még nem kaphatóak. Az akkumulátort alacsony hőmérsékleten tilos tölteni, ugyanis ilyenkor a töltőáram töredékével szabadna csak tölteni, mint normális hőmérsékleten.
10.8 Akkumulátorok töltése
Az akkumulátor feltöltésével tesszük lehetővé, hogy az villamos energiát tudjon tárolni. Szinte minden típusú akkumulátor különböző típusú töltést és ezáltal töltő berendezést igényel. A töltő áramot szokás C*x-el is jelölni, ahol a C az akkumulátor kapacitását jelöli, az x pedig egy konstans szorzó. Például ha egy 40Ah-s akkumulátort 1C-vel töltünk, akkor valójában 40A a töltőáram. Az átlagos, ólomsavas akkumulátorok töltése a legegyszerűbb. Ilyenkor a töltőberendezés az akku kapcsaira állandó nagyságú áramot kapcsol, és addig tölti, amíg a kapocsfeszültség el nem éri a kívánt szintet. Az ilyen típusú akkumulátorok töltőárama általában 0,1C, tehát a teljes kapacitás 10%-ka. Az újabb technológiával készült akkumulátorokat, mint pl. a Li-ion vagy a Li-Po, jelentősen nagyobb árammal lehet tölteni, ám hosszútávon ez az élettartam és a kapacitás csökkenését jelenti. Az alábbi ábrán egy Li-Po akkumulátor töltési diagramja látható. Megfigyelhető, hogy töltőáram növekedésével hogyan csökken a töltöttségi szint. A megengedett maximális töltőáram 5C, amit a kapacitás ötszörösét jelenti. Ez nagyságrendekkel eltér a savas akkumulátorok töltőáramától.
54
Modern töltőberendezések az akku élettartamának megőrzését figyelembe véve különböző programokkal, eljárásokkal töltik fel az energiatárolókat. Általában kétféle üzemmódban működnek: áram- és feszültséggenerátoros. Az áramgenerátoros üzemmód lényege az, hogy az akku kapcsaira konstans áramot vezet, és figyeli a feszültséget. Amint a feszültség a kívánt szintet elérte, a töltést megszakítja és az akku feltöltöttnek tekinthető. Ilyen elven töltik a savas akkumulátorokat. Feszültséggenerátoros üzemmódba a töltőberendezés akkor kapcsol át, amikor az akku kapocsfeszültsége a kívánt értéket eléri. Ilyenkor a feszültséget állandó szinten tartva a töltőáramot folyamatosan csökkentve folytatódik a töltés. Az akkumulátor feltöltöttnek tekinthető, ha a töltőáram 0-ra csökken. Az alábbi ábrán az előbb említett töltőberendezés diagramja látható. Jól megfigyelhető,
hogy
mikor
vált
át
az
áramgenerátoros
üzemmódból
a
feszültséggenerátorosba, majd amikor a töltőáram kellően kis mértékre lecsökkent, a töltést befejezi. 55
Az akkumulátor élettartam növelésének céljából alkalmazhatóak speciális töltőberendezések. Ezek a rendszerek az akku pontos diagnosztikájával kezdik meg a töltést, majd a látható módon, különböző négyszögjelekkel és üzemmódokkal végzik el a töltési folyamatot. Az ilyen berendezések nagy mértékben képesek az akku élettartamát megnövelni, hiszen töltés közben gondoskodnak a szulfátlerakódás minimalizálásáról, és egyéb kezelési folyamatokat is végrehajtanak.
56
11. Felhasznált irodalom Elektrotechnika - Gergely István - General Press Kiadó, 2005 Járműelektronika - Lajber Zoltán, Dr Varga Miklós – 2000 Huszti Tibor - A gépjármű villamos hálózata és az akkumulátor – 1996 Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté – Alternatív járműhajtások Maria Klingebiel – Hibridhajtások, Tüzelőanyagcellák, alternatív tüzelőanyagok Igbal Husain – Electric and hybrid vehicles Mehrdad Ehsani – Modern electric, hybrid electric and fuel cell vehicles Karl-Joachim Euler – Batterien und Brennstoffzellen Veres Anett – Út a környezetbarát autóhoz (szakdolgozat) Sebestyén Szabolcs – Hibrid hajtású gépkocsik (szakdolgozat)
57
Internetes források - Wikipédia - http://www.varta.hu/ - http://www.omikk.bme.hu - http://www.powerquattro.hu - http://www.autotechnika.hu
58
59
