A járműhajtásláncok fejlődési irányai

A járműhajtásláncok fejlődési irányai Varga Zoltán Széchenyi István Egyetem

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN

Járműipari Kutatóközpont

Miskolc, 2016. június 1-3.

1

A mobilitás kihívásai… …a globális kihívásokba vannak beágyazva

Energia-Nyersanyag-Környezet-Népesedés



2

Kulcsproblémák • Mobilitás mindenkinek • Kevés anyagot használjunk fel • A felhasznált anyagok rendelkezésre álljanak • A felhasznált anyagok végtelen ciklusban újra hasznosíthatók legyenek • Kevés energiát használjunk fel, jó hatásfok a teljes körfolyamatra (dust-to-dust) • A teljes termékfolyamat kibocsátása=0 • Az átlag üzemidő 11%



3

MERRE HALAD A HAJTÁSLÁNC FEJLŐDÉS?

?

CEV/ALT HEV

PHEV

CEV

BEV FCEV


• CEV/ALT: Belső égésű motor/alternatív üzemanyagú autó • HEV: Hibrid elektromos autó • PHEV: Konnektoros hibrid autó • BEV: Akkumulátoros elektromos autó • FCEV: Üzemanyagcellás autó


4

Európai E mobilitás koncepció Directive 2014/094 Energiahordozók

Electromobility Policy in the EU International conference "Breakthrough for Electric vehicles" June 11th, 2015 OSLO, NORWAY [email protected] ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


5

Mi várható a mobilitásban?

Energiahordozók Európa Személygépkocsi

Source: International Energy Agency https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/transport

LDV=light duty vehicle= szgk, kis haszonjármű együtt ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


6

E-mobilitás a jövő (?)

EGY TESLA S MODEL-NEK KEVESEBB, MINT 150 MOZGÓ ALKATRÉSZE VAN, EGY BELSŐÉGÉSŰ MOTOROS JÁRMŰNEK TÖBB, MINT 10,000. GEORGE EVERITT, ECSTATIC OWNER OF A BLUE MODEL S P85140 ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


7

Járművek • Hibrid

• Autó • Busz

• Elektromos • Autó

• Alternatív autó

• Busz

• • • •

Kerékpár Motorkerékpár-robogó… Repülőgép Hajó



8

Autós E-mobilitás stratégiák Nagy a különbség a hosszú és rövid távú utazásra szolgáló e járművek között

Rövid távú (kisebb napi 40 km-nél) közlekedésre

Hosszú távú (nagyobb napi 40 km-nél) közlekedésre

• Könnyű, kétszemélyes FEV • Minimális kapacitású, kivehető akkucsomag • Töltés kis teljesítménnyel otthon, munkahelyen, iskolánál, üzletnél, mozinál…stb. • Autonóm jármű • Vezető nélküli jármű

• Hagyományos FEV Nem kivehető nagy vagy közepes akkucsomag • Tüzelőanyagcella



9

Alternatív e-járművek a városokban és az elővárosi közlekedésben



10

E-mobilitás energiakör a hosszú távú utazások számára



11

Mi a hajtáslánc? • Motor-hajtómű • Energiatárolás, ellátás • Irányítás • Kezelés, kijelzés http://www.megaev.com/powertrain/

http://techno-fandom.org/~hobbit/cars/training/800/atkinson.gif



12

BELSŐÉGÉSŰ VS. VILLAMOS MOTOR BMW 116i 2.0 3-Türer E81 ECE L N 03/2009

SZELECTRA 15 KW ÁLLANDÓMÁGNESES SZINKRONMOTOR

493 DB ALKATRÉSZ (EBBŐL 451 DB VASMAGLEMEZ, 16 DB MÁGNES)

1564 DB ALKATRÉSZ (

N NINCS BENNE A SEBVÁLTÓ ÉS A TENGELYKAPCSOLÓ ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


13

Villamos hajtáslánc

• Kerék • Hajtómű • Villamos gép • Elektronika • Energiatároló • Kommunikációs kezelő és kijelzőrendszer



14

Lehetséges villamos hajtáslánc változatok • Hibrid hajtások • Belsőégésű és villamos motor • Konnektoros és mild hibrid • Soros, párhuzamos és több módozatú hibrid

• Ember és villamos motor

• Tisztán villamos hajtások • Központi motor-hajtómű-differenciálmű-kerékhajtás • Kerékagymotorok • Két kerék és összkerékhajtás



15

48 V-os hibrid rendszer Olcsó, kiegészítő hibrid lehetőség

http://www.karoto.gr/static/media/2014/02/Schaeffler-Hybrid-48V13.jpg



16

Villamos gépek • Vasmag-lemezelés (amorf vas) • Tekercselés-réz, (Al huzal) • Tartók, ház-Al • Mágnes-neodymium, ragasztóanyag • Hagyományos gépészet: tengely, csapágyak, ház stb. • Csatlakoztatás • Jeladók-hőmérséklet, fordulatszám ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


17

Elektronikus rendszerek • Ház • Nyák • Félvezetők, processzorok • Elektronikus alkatrészek: ellenállás, kondenzátor, transzformátor, teljesítmény diódák és tranzisztorok • Belső vezetők, kapcsolatok, csatlakozók • Forraszanyagok



18

Energiatároló rendszer • Akkumulátor – cellák: ólom-sav, metálhibrid, lítium • Akkumulátor csomag – Al ház, hőszigetelés, fűtéshűtés • Elektronikák • Csatlakozók, bekötések



19

A legnagyobb aktuális kihívás a vezető nélküli autó Autonóm jármű A jármű minden biztonságkritikus feladatot képes elvégezni a tervezett felhasználásra anélkül, hogy bármikor is vezető irányítaná a járművet. Minden irányítási funkciót a járműnek kell ellátnia az indulástól a megállásig, beleértve a parkolást, akár egy üres autó esetén.

Redundáns rendszerek egyre több érzékelővel

Intelligens, öntanuló rendszer egy-két érzékelővel és szükséges redundanciával (mint pl. az ember)

U.S. Department of Transportation Releases Policy on Automated Vehicle Development NHTSA 14-13 Thursday, May 30, 2013



20

Köszönöm a figyelmet! Varga Zoltán Széchenyi István Egyetem Járműipari Kutatóközpont [email protected] ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


21

2016. 06.jármű Korszerű 22 1-3. szerkezeti anyagok vizsgálati igényei

Köszönöm szíves figyelmüket! A kutatást a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alap támogatásával megvalósuló

VKSZ_12-1-2013-0038: "Stratégiai ipari ágazatok jövőbemutató gyártási technológiáihoz és termékeihez kapcsolódó térségi kutatási kompetenciáik megerősítése széleskörű együttműködésben megvalósított kutatás-fejlesztési programmal" c. projekt támogatta.



22

A járműhajtásláncok fejlődési irányai Varga Zoltán Széchenyi István Egyetem

Járműipari Kutatóközpont

Melléklet ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


23

ALTERNATÍV ÜZEMANYAGOK Csak a teljes mértékben kibocsátás nélküli energiahordozók jöhetnek szóba hosszú távon – nap és szélenergia - hidrogén • Alternatívák: • Földgáz (CNG, LPG) • Hidrogén belsőégésű motorban elégetve • Hidrogén - hidrogén vegyületek tüzelőanyag cellában felhasználva • Mesterséges benzin (szénből, földgázból)



24

E-mobilitás energia • Amíg a villamos energiát nem megújuló energiaforrások segítségével állítjuk elő, addig az Emobilitás nem csökkenti a környezeti terhelést! • A jövő a zöld energia forrásoké: olcsók lesznek és a Tiszta tárolás problémáinak megoldásával Európát energiafüggetlenné teszik • A Fraunhofer Intézet 2015 februári jelentése szerint a Független napelemes energiatermelés nem csak a legelterjedtebb, de a legolcsóbb is lesz az Megújuló előrejelzések szerint az évszázad közepére a világ nagyobb részén. • A szükségletekhez nem igazodó villamos energia felhasználása lehetne feladata az e-mobilitásnak. Az emobilitás tárolókapacitása alkalmas puffere lehet a hálózatnak. Az otthoni akkumulátorral kiegészítve optimalizálhat egy zöld energia smart grid rendszert. ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


25

Az e-mobilitás mérnöki kihívásai • A tudományos eredmények gyors technikai felhasználása • Beágyazott rendszerek terjedése • A villamossági ismeretek terjedése, terjesztése • Az irányítástechnika felértékelődése • Matematikai módszerek egyre kiterjedtebb alkalmazása • Infokommunikációs módszerek egyre kiterjedtebb alkalmazása • Új anyagok, technológiák felhasználása ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


26

Autós E-mobilitás stratégiák Nagy a különbség a hosszú és rövid távú utazásra szolgáló e járművek között

Rövid távú (kisebb napi 40 km-nél) közlekedésre

Hosszú távú (nagyobb napi 40 km-nél) közlekedésre

• Könnyű, kétszemélyes FEV • Minimális kapacitású, kivehető akkucsomag • Töltés kis teljesítménnyel otthon, munkahelyen, iskolánál, üzletnél, mozinál…stb. • Autonóm jármű • Vezető nélküli jármű

• Hagyományos FEV Nem kivehető nagy vagy közepes akkucsomag • Tüzelőanyagcella



27

A jövő közúti e-járművei rövid távolságokra

Alternatív e mobilitás a városokban és az elővárosi közlekedésben  Alacsony ár, olcsó üzemeltetés, sokak számára elérhető Magyarországon 2012-ben 2,7 milliárd egynapos utazás volt. Ezek  Kismértékű környezetszennyezés 46%-ában személygépkocsit  Alacsony fogyasztás ás kis anyagfelhasználás használtak fő közlekedési eszközként. Az utazások átlagos  Kis helyszükséglet távolsága 13 kilométer, időtartama  Kis tömeg 22 perc volt. KSH  Könnyű kezelés  Jó irányíthatóság és kezelés, lehetőség az autonóm járműre  Nem igényel külön töltési infrastruktúrát, az otthontöltést kell csak megoldani  kisebb komfort-rövid ideig kell csak kibírni  nem univerzális – nyaralni az autóval kell menni ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN

A leggyorsabb fejlődés a kis járművek fejlesztésével volna lehetséges


28

Full hibrid: Hybrid Synergy Drive



29

Toyota

Hibrid kiegészítés a tengelykapcsolónál 1.

2. 3.

4. 5. 6.

12kW http://bioage.typepad.com/.a/6a00d8341c4fbe53ef01bb086f6b cf970d-popup

7. 8. 9.

Belsőégésű motoros hajtás: mindkét tengelykapcsoló zárva, a villamos gép üresjáratban van. Csak villamos hajtás Belsőégésű motoros és villamos motoros hajtás együtt. Akkumulátor töltés belsőégésű motoros hajtás közben. Lassító fékezés a villamos géppel. Lassító fékezés a belsőégésű motorral és a villamos géppel együtt. Lassító fékezés csak belsőégésű motorral. Akkumulátor töltés álló járműnél a belsőégésű motorral. start-stop funkció

Hibrid kiegészítő hajtás szerkezete és modellje



30

Jármű akkumulátorok •

Lítium bázisú akkumulátorok • •

•

Nikkel metal hibrid akkuk • •

•

Nagy élettartam és biztonság Kisebb teljesítménysűrűség

E mobiltiy cél

Ólomakkumulátorok • •

•

Elterjedt több fajta A jövőben is ez a legígéretesebb

Nagy tapasztalat, kiforrott technológiák Kis teljesítménysűrűség

Szuperkapacitás • • •

Kevés tapasztalat Nagy élettartam és biztonság Kis teljesítménysűrűség

30 kWh energia tároláshoz Dr.-Ing. Horst Muenzel

7000 db Nikkel Cobalt Mangán/Al Cella 233 Wh/kg



31 Tesla S

Akkumulátor csomag Az ideális akkupakk • Skálázható: különböző feszültség és kapacitás • Univerzális: minden járműben felhasználható • Cserélhető: könnyen kivehető és külön is tölthető A legtöbb automotive akkucsomag a fentieket nem teljesíti

A fenti követelmények szerint fejlesztett JKK akkupakkok Tgk: 50 V 40 Ah, szgk: 50 V 12 Ah

Nissan ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


32

Tesla S

A hidrogén szerepe a mobilitásban „A hidrogén nem elsődleges energiahordozó,

hanem az energia tárolásának és szállításának az eszköze.” A hidrogén alkalmazástechnikai tulajdonságai • Nagy mennyiségben előfordul • Tisztán oxidálható-redukálható • Nagy nyomás kell a tároláshoz • Gyúlékony • Ipari mennyiségben előállítható • Elektromos energiával vízbontással előállítható

http://batteryuniversity.com/learn/article/will_the_f uel_cell_have_a_second_life



33

Tüzelőanyag cella, mint jármű energiaforrás Fuel cell name

Electrolyte

Qualifiedpo wer(W)

Working temperature (°C)

Efficiency (cell)

Efficiency (system)

Status

Proton exchange membrane fuel cell

Polymer membrane (ionomer)

1 W – 500 kW

50–200

50–70%

30–50%

Commercial / Research

Direct methanol fuel cell

Polymer membrane (ionomer)

100 mW – 1 kW

90–120

20–30%

10–25%[

Commercial / Research

https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell



34

Cost (USD/W) 50–100

125

Tüzelőanyag cella, mint jármű energiaforrás Green Car Congress: Five Hyundai ix35 Fuel Cell vehicles joining London hydrogen project 21 July 2013

A FC jármű 100 kg-mal nagyobb tömegű, mint a hagyományos és a hidrogéntartály rendszer nagyobb, mint a benzintank, ezért a csomagtér kisebb Hyundai ix35 Teljesítmény: 100 kW Motor nyomaték 300 Nm Üzemi sebesség: 62 mph Max sebesség: 100 mph Gyorsulás: 12,5s Hatótáv: 600 km Hidrogén: 5,6kg ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


35

Tüzelőanyag cella, mint jármű energiaforrás FC üzem: a jármű a cella által előállított villamos energiával halad Vegyes üzem: az akkumulátor nagy teljesítmény igény esetén rásegít a hajtásra Töltés: a FC tölti az akkumulátort miközben a járművet is kiszolgálja Green Car Congress: Five Hyundai ix35 Fuel Cell vehicles joining London hydrogen project 21 July 2013

A tüzelőanyag cellával hajtott Jármű felépítése



36

Tüzelőanyag cella, mint jármű energiaforrás

Green Car Congress: Five Hyundai ix35 Fuel Cell vehicles joining London hydrogen project 21 July 2013 ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


37

Tüzelőanyag cella, mint jármű energiaforrás TOYOTA MIRAI = JÖVŐ

Powertrain Electric motor

Fuel cell-powered 113 kW (152 hp) 335 N·m [2] (247 lbf·ft)

Transmission

1-speed Prundletronic

Battery

1.6 kWh Nickel-metal [3][4] hydride

Range

502 km (312 mi) (EPA)


[5]


38

Tüzelőanyag cella, mint jármű energiaforrás • Leginkább PEM cellát használnak járműhajtásra.

• Compact építés, nagy energiasűrűség, gyors beindítás, közepes hőmérséklet (80fokC), 50% hatásfok.

• Drága gyártás, pontos víz szabályzás (túl sok víz elárasztja, túl kevés kiszárad). • Egy 150 V-os 50 kW-os járműhajtáshoz 250 db cella kell. • Szélsőséges időjárási viszonyok problémát okoznak. Ha megfagy a víz, akkor a stack tönkremegy, hidegben a beindulás lassú, és kicsi a kezdeti teljesítmény. • A rendszer fenntartásához szükséges berendezések (szivattyúk, kompresszor, egyéb hajtások) a fejlesztett energia mintegy 30%-t veszik fel. • Még ezekkel a hátrányokkal is jobb a tüzelőanyagcella, mint az akku. • Közepes teljesítményű autóban a FC 85 kW-os, az akkumulátor 18kWh kapacitású és áthidalja a tranziens problémákat. Az akku szerepe hasonló a hibrid járművekben használtakéhoz, külső töltést viszont nem igényel (bár megoldható az is) • A járműves FC hajtás még sok fejlesztenivalót kíván. Egyik az élettartam ami mostanra megduplázódva 2000 óra, a cél 5000 óra vagy teljes jármű élettartam (240 000 km). • Költségek, amelyek csökkentése csak a tömeggyártás beindításával lehetséges. • A belsőégésű motorhoz képest most csak a hatásfok különbséggel jobb. De nézzünk bele egy motorba és látjuk, hogy melyik fog a végén nyerni. ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


39

A tüzelőanyag cella kihívásai • Energiahordozó • • • •

Előállítás Tárolás Fajták Felhasználás

• • • • •

Cella technológiák, anyagok Cella időbeni folyamatok: irányítás, reakcióidők Tömeg, térfogat: energiasűrűség Hő fejlődés kezelése, hűtés Üzemeltetés: nedvesítés, hőmérséklet szabályzás, levegőellátás stb. • Élettartam növelés • Szélsőséges időjárás hatásai • Újrahasznosítás ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


40

E-mobilitás infrastruktúra • Töltés - Smart grid

• Gyorstöltés hosszútávú e-közlekedés számára • Smart-grid töltés a rövid távú e-mobiltás számára

• Szabványok • Töltésrendszerek • Csatlakozók

Budapest

Hidrogén infrastruktúra ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN


41

Győr

A járműhajtásláncok fejlődési irányai

Recommend Documents