Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar Gépjárművek Tanszék
Gépjármű elektronika laborgyakorlat Elektromos autó
Tartalomjegyzék Elektromos autó
Elmélet EJJT kisautó bemutatása • • •
Fölépítés Hajtás Energiatárolás
Kondenzátor típusok • • • •
Elméleti alapok Síkkondenzátor Elektrolit kondenzátor Ultrakapacitású kondenzátorok
A kisautóban elsőként fölhasznált EPCOS kondenzátor bemutatása A kisautóban jelenleg fölhasznált Maxwell kondenzátor bemutatása
Gyakorlat Mérési feladatok 1. Kondenzátorok töltése 2. Kondenzátorok kisütése • •
Önkisülés Menet közben
3. Ellenőrző kérdések
Irodalomjegyzék
2
EJJT kisautó: A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Jármű és Járműirányítási Tudásközpontja az első alkalommal meghirdetett Széchenyi-futam „Alternatív hajtású járművek versenyére” egy teljesen egyedi járművet tervezett és épített. A versenykiírásban foglaltaknak igyekeztek az építők a lehető legnagyobb mértékben megfelelni. E törekvés, és a versenyen bemutatott szereplés eredményeként a Műegyetem csapata elnyerte az I. Széchenyi-futam „Alternatív hajtású járművek versenyének” I. díját, valamint a Közép-magyarországi Innovációs Központ „Legígéretesebb ötlet” díját. Általános műszaki leírás: Könnyű vázszerkezete csőből épült. Elől két kormányzott, hátul egy hajtott kerék (3x1.20”). A kerekek és fékek BMX alkatrészekből épültek össze (két külön fékkar a jobb első és bal első kerék fékezéséhez). Kerékdőlés: 8o Kormány áttétele: 1:2 Tömege ≈ 60 kg Végsebesség: 50 km/h A meghajtást kerékpár lánckerekeken és dupla láncon keresztül elektromos villanymotor végzi. Az energiaellátást 12 darab sorba kapcsolt ultrakapacitású kondenzátor biztosítja. Motor: Többpólusú, állandó mágneses forgórészű, 3 fázisú, egyenáramú, elektronikus kommutációs motor. A megfelelő fázistekercsek ki és bekapcsolását a forgórész mágneses terét érzékelő hall szenzorok vezérlik. Ha a tápfeszültség 15 V alá esik, az elektronika kikapcsolja a motort. Névleges feszültség: 24 V AC Imax: 230 A Teljesítmény: 3.9 kW. Kondenzátorok: 12 darab sorba kötött MAXWELL ultrakapacitású kondenzátor, egyenként 2.7 V, 3000 F Sorbakapcsolt rendszer: 32,4V, 250F Max töltőáram: 750A Max terhelhetőség: 500A
3
Síkkondenzátorok, elektrolit-kondenzátorok, ultrakapacitású kondenzátorok Elméleti alapok Elektromos mező Az elektromos állapotban lévő testek erőt fejtenek ki egymásra anélkül, hogy egymáshoz érnének, azaz a test maga körül úgynevezett elektromos mezőt kelt, amely a benne levő elektromosan töltött testekre erőt fejt ki. Ily módon a mező mintegy „közvetíti” az erőhatást töltés és töltés között. A töltésnek tehát kettős szerepe van: egyrészt mezőt gerjeszt, másrészt az elektromos mezőből impulzust (lendületet) vesz fel: más töltés mezeje erőt fejt ki rá A próbatestre kifejtet erő: F= Q×E Ahol Q a próbatestre vonatkozik, és a test töltését fejezi ki, Az E vektormennyiség a hely függvénye, és a mezőt pontonként jellemzi erőkifejtő (lendítő) képesség szempontjából. Neve: térerősség Elektromos térerősség A térerősség a mezőbe helyezett pontszerű testre ható elektromos erőnek és a test töltésének hányadosa: E=F/Q Ha egy mező minden pontjában azonos nagyságú és irányú a térerősség, homogén elektromos mezőnek nevezzük. Erővonalak A mező minden pontjához tartozik egy jellemző irány, amely az ottani térerősség-vektorok iránya. Ezek az irányok nem rendszertelenül helyezkednek el a térben, hanem a mező egyik pontjából áttérve annak egy közli másik pontjára, a térerősség-vektor iránya és nagysága csak kicsit változik meg. A tapasztalat azt mutatja, hogy a mezőben olyan folytonos görbék húzhatók, amelyek érintői éppen az érintési ponthoz tartozó elektromos térerősség vektorának tartó egyenesei. Ezeket a görbéket nevezzük elektromos erővonalaknak. Az erővonalaknak irányítása is van, mely a térerőség irányát mutatja. Továbbá megállapodás szerint – noha a tér minden pontján át húzható erővonal – csak véges számút rajzolunk meg (gondolunk el), mégpedig annyit, hogy az erővonal sűrűsége (a rájuk merőleges felület egységnyi területén áthaladó erővonalak száma) megegyezzék az ottani térerősség nagyságával: E =
ψ
, ahol Ψ az erővonalakra merőleges A területen áthaladó erővonalak A száma. A Ψ=E×A mennyiséget az A területen áthaladó elektromos fluxszusnak nevezzük. Mértékegysége: [N×m2/C]
Elektromos dipólus Két ellentétes előjelű, egyenlő abszolút értékű töltéssel ellátott pontszerű testet szigetelőrúddal összekötünk, elektromos dipólust kapunk. A homogén elektromos mező csak forgatónyomatékot fejt ki rá, mert erőpár hat rá. Feszültség Az elektromos mező F=Q×E erőt fejt ki a benne tartózkodó töltésre, ezért ha a töltés elmozdul, azon a mező munkát végez. Ha a mező homogén és a töltés erővonal mentén mozog, a térerősség irányába a végzett munka: W = Q×E×d Az A pontnak B ponthoz viszonyított feszültségén az elektromos mező A-ból B-be mozgó testen végzett munkájának és a test töltésének hányadosát értjük. W Homogén mezőben, erővonal mentén elhelyezkedő A és B pont esetén: U AB = AB = E ∗ d Q
4
Vezetők az elektrosztatikus mezőben Ha fémes vezető kerül elektromos mezőbe, abba a mező behatol. Ezért a semleges vezető belsejében lévő pozitív és negatív töltésekre ellentétes irányú erő hat. Így a vezető könnyen elmozduló töltései nem maradnak nyugalomban, hanem a felület felé áramlanak, és ezért a fém átellenes felületelemein pozitív és negatív töltés halmozódik fel. A töltésmozgás addig tat, míg a fém belsejében az elektromos mező meg nem szűnik. A tapasztalat szerint ugyanis a felületre kihajtott töltések rövid idő alatt olyan saját mezőt hoznak létre, mely az eredeti mezőre szuperponálódva a fém körüli mezőt módosítja, míg a fémbe behatoló mezőt kioltja. Ily módon új egyensúlyi állapot jön létre
A semleges vezető töltéseinek külső mező hatására való szétválasztását elektromos megosztásnak nevezzük. Az eredetileg semleges fémtest össztöltése természetesen zérus marad. A külső mező erővonalai a fém felületén lévő töltésekbe futnak, ill. onnan indulnak ki, mindenütt merőlegesen a fém felületére, mert a fémfelület egyensúlyban ekvipotenciális felület. Ugyanis elektrosztatikus állapotban a fém belsejében a térerősség 0, tehát a potenciál a fém egész térfogatában (és így a határfelületén is) állandó ( U1-U2=Ed=0, U1=U2=áll) Ha fémes vezetőt feltöltünk, a többlettöltés kizárólag a külső felületen helyezkedik el! Egyensúlyban, a fém belsejében ugyanis nem lehet többlettöltés, mert azt az általa keltett mező szétoszlatná, a vezető külső felületére hajtva a töltéseket. Kapacitás A fémre vitt pozitív többlettöltés növeli a fém potenciálját: minél több töltést adunk a környezettől elszigetelt vezetőnek, annál nagyobb lesz a felhalmozott töltés energiája és így a vezető potenciálja is. Bizonyítható, hogy ha a fémre kétszer, háromszor stb. több töltést viszünk, a fém potenciája is kétszeresére, háromszorosára stb. nő, tehát a fémre vitt töltéssel egyenesen arányos, azaz: Q = állandó U Ezt a fémtestre jellemző, alakja és mérete által meghatározott állandót kapacitásnak nevezzük, és C-vel jelöljük. Így tehát a kapacitás a fémre vitt töltés és a létrejövő potenciál hányadosa: Q C= U Számértékileg a kapacitás megadja, hogy a vezető mekkora töltést képes befogadni (felületére fölvinni) egységnyi potenciálemelkedés kíséretében. A kapacitás egysége: coulomb/volt. Neve farad, jele F
5
Síkkondenzátorok A kondenzátorok arra szolgálnak, hogy minél több töltést tároljanak, minél kisebb feszültségen, vagyis minél nagyobb legyen a kapacitásuk. Ha egy feltöltött fémtestet közel viszünk a földhöz, annak potenciálja lecsökken. Ugyanez történik akkor is, ha egy feltöltött sík fémlemezhez közel viszünk egy vele párhuzamos, leföldelt fémlemezt. Ezt az elrendezést nevezzük síkkondenzátornak.
A földeletlen lemez Q töltése a másik lemezen megosztással –Q töltést hoz létre (amely a földől áramlik a lemezre) A földelt lemez töltése tehát –Q, és a lemez 0 potenciálon van, vagyis a feltöltött kondenzátor feszültsége U=Q/C A nagy kiterjedésű, ellentétes töltésű, egymáshoz igen közel levő párhuzamos síklemezek között a szuperpozíció törvényének megfelelően homogén mező alakul ki, míg a lemezeken kívül a szórt mező elhanyagolható.
Ebben a mezőben a térerősség az E=U/d összefüggéssel adható meg, ahol d a lemezek közti távolság. Az E térerősség viszont az erővonal-sűrűséggel egyenlő, vagyis E=Ψ/A, ahol A a szembenálló felültek területe. Mivel minden erővonal a földelt lemezbe fut be, Ψ egyben az összes erővonalszámot is jelenti, amely Gauss tételének értelmében Q/ε0-val egyenlő, tehát a térerősség:
Q ε0 A ε0 a vákuum dielektromos állandója E=
A lemezek között tehát
1
∗
Q ∗d ε0 A feszültség lép fel. A síkkondenzátor kapacitása a C=Q/U értelmezés alapján: U = E ∗d =
C=
1
∗
ε0 ∗ A
d Vagyis a síkkondenzátor kapacitása egyenesen arányos a szembenálló lemezek területével, és fordítottan arányos a köztük lévő távolsággal. Ha növelem a felületet, növekszik a felvihető töltések száma, ha csökkentem a távolságot, csökken a fegyverzetek között a feszültség.
Ha a kondenzátorlemezek közti teret szigetelőanyag tölti ki, annak kapacitása megnő. A szigetelőanyag molekulái ugyanis a mező erővonalainak irányában rendezett dipólusokká válnak, s így a szigetelőlemez átellenes felületein, ellentétes többlettöltés jelenik meg. Ezt a jelenséget dielekrtomos polarizációnak nevezzük. Az eredeti és polarizált töltések mezeje szuperponálódik, és így a szigetelőben a térerősség lecsökken. Ezzel a lemezek közti feszültség is lecsökken, vagyis a kondenzátor kapacitása megnő. 6
Azt a számot, amely megadja, hogy hányszorosára nő egy kondenzátor kapacitása, ha a lemezek közé vákuum helyett szigetelőt teszünk, az illető szigetelőanyag relatív permittivitásának (relatív dielektromos állandójának) nevezzük, és εr-rel jelöljük:
εr=C/C0 ahol C0 a kapacitás szigetelő nélkül, εr dimenziótlan szám. Így a szigetelővel kitöltött síkkondenzátor kapacitása: C=
ε0 ∗εr ∗ A d
Az ε=εrε0 szorzatot a szigetelőanyag abszolút permittivitásának (abszolút dielektromos állandójának) nevezzük További vizsgálatokból következően egy kondenzátor által tárolt energia: 1 E = ∗ C ∗U 2 2 Kondenzátor töltési ideje állandó töltőáramot feltételezve:
I=
C ∗U K Q Q ;C= ⇒ t= t I U
Elektrolit-kondenzátorok Az eddig megismertek alapján láthatjuk, hogy a kondenzátorok kapacitását úgy tudjuk növelni, hogy: • növelem a lemezek felületét, azaz növelem a felvihető töltések számát • csökkentem a lemezek közti távolságot, azaz csökkentem a feszültséget • szigetelőt (dipólust) teszek a fegyverzetek közé, mely polarizálódva elektromos teret hoz létre, amely a szuperpozíció következtében lecsökkenti az eredeti térerősséget, így a feszültséget is. Elektrolit kondenzátor felépítésekor úgy csökkentjük a távolságot, hogy szigetelő rétegnek igen vékony, kb. 10-4 mm vastagságú alumínium – oxid – réteget használunk, melyet a pozitív fegyverzeten helyezünk el. A fegyverzetek közti távolság ilyen mértékű lecsökkentése nagy kapacitást eredményez, azonban a réteg elektromos igénybevehetősége kicsi. Bekötésnél ügyelni kell a megfelelő polaritásra, mert különben tönkremegy a kondenzátor!
7
Ultrakapacitású kondenzátorok Működésük az elektrokémiai kettős réteg elvén működik. Felépítésük a jobb oldali ábrákon látható. A fegyverzetek fém fóliára felvitt aktív szénréteg képezi, ezzel az elosztás igen finomszemcsés 1000 m2/g sűrűségű. A fegyverzetek között egy szeparáló réteg és folyékony halmazállapotú elektrolit található, ami igen kis ion méretű: 12 nm. A szeparáló réteg villamos szempontból szigetelő, de az ionok számára könnyen átjárható réteg. A töltés folyamata alatt, a „+” és „-” ionok a negatív és pozitív töltöttségű lemezekhez vándorolnak, és így jön létre, az un. elektrokémiai kettős réteg. Föltöltött állapotban két síkkondenzátorból és egy ohmikus ellenállásból összeállított rendszernek felel meg a feltekercselhető kettős fólia. A helyettesítő kapcsolásban látható ESR ellenállás az ionok áramlási ellenállásával egyenértékű ohmikus ellenállás. A kapacitás nagysága a fólia felületével állítható be. Az ultrakapacitású kondenzátorok kapacitás értéke már jelenleg is 1000-5000 F közötti. A kondenzátorok sorba-kapcsolásakor figyelembe kell venni, hogy a belső ellenállások különbözőek lehetnek, ami egyenlőtlen feltöltődéshez, túltöltődéséhez vezethet. Túltöltött kondenzátorok könnyen tönkremehetnek, akár fel is robbanhatnak, ezért kiegyenlítésre van szükség. Ezek a kiegyenlítők láthatok a kondenzátorok között.
Töltéstárolás elve a kettős rétegben és a hozzátartozó potenciál átmenet egy ultrakapacitású kondenzátorban a helyettesítő kapcsolási rajzzal
Egy ultrakapacitás felépítése
[1] Különböző típusú kondenzátorok fölépítése
Montena cég tekercselt ultrakapacitása
Az ultrakapacitású kondenzátorok élettartama egy nagyságrenddel meghaladja az akkumulátor élettartamát. A hibrid hajtású járműveknél jelenleg alkalmazott kondenzátorok energiaűrűsége 10 Wh/kg körül változik, a gyártók ezekhez 10-20 éves élettartamot ígérnek. Ultrakapacitású kondenzátorok élettartama a hőmérséklet és feszültség függvényében
8
Energiatárolás – elektromos hajtás Ha megnézzük a diagrammot és a táblázatot, akkor látható, hogy az ultrakapacitású kondenzátorok rövid ideig de nagy teljesítményt tudnak leadni rövid töltési idő mellett. Ha megvizsgálunk egy elektromos hajtású járművet, a nagy áram fellépése a féküzemben, a nagy teljesítmény szükséglet a gyorsításnál jelentkeznek, de ezek mind rövid idejűek. Tartós de nem olyan nagy teljesítmény a haladó mozgásnál szükséges. Ha csak akkumulátorokkal akarjuk megoldani a hajtást, akkor megfelelő számút kell párhuzamosan kapcsolni, hogy a szükséges teljesítményt le tudják adni, a nagy töltőáramot fel tudják venni amellett, hogy ne menjenek hamar tönkre. Ugyanis ha azt szeretnénk, hogy egy akkumulátornak hosszú legyen az élettartama, akkor az a jó, ha a töltő és kisütő áram erőssége nem haladja meg a kapacitásának kb. 10 százalékával megegyező értéket. Ez nagy helyet és plusz súlyt jelentene. Ha viszont ultrakapacitású kondenzátorokat akkumulátorokkal együtt működtetünk, ki tudjuk használni mind a kettő előnyét megfelelő élettartam, súly, térfogat mellett.
Paraméter
Hagyományos Ultrakapacitás Akkumulátorok kondenzátorok -4
-3
1 - 30 [s]
0,3 - 3 [h]
10 - 10 [s]
-4
-3
1 - 30 [s]
1 - 5 [h]
Fajlagos energia [Wh/kg]
<0,1
1 - 10
10 - 100
Fajlagos teljesítmény [W/kg]
>100 000
10 000
50 - 200
Töltés/kisütés hatásfoka
~1
0,9 - 0,98
0,7 - 0,85
100 000 - 500 000
500 - 2000
Kisütési idő
10 - 10 [s]
Töltési idő
Ciklusszám
>10
-10
A kisautóban elsőként felhasznált EPCOS kondenzátor [2]:
9
A kisautóban jelenleg felhasznált Maxwell kondenzátor [7] :
10
Elvégzendő mérések: Kondenzátorok töltése Feladat: ⎞ ⎛E 1. Fölrajzolandó az U-t, I-t, E-t, Töltöttség-t ⎜⎜ PILLANATNYI ⎟⎟ diagrammok a töltés ⎠ ⎝ E MAX folyamata alatt! 2. A korábbi összefüggések alapján számítsa ki a töltőáramot, majd hasonlítsa össze a mért értékekkel! Ha van eltérés, azt mi okozhatja? 3. Mennyi időre lenne szükség, ha a maximális (750 A) árammal töltenénk?
Kondenzátorok kisütése Önkisülés: Idő Feszültség [%] Feszültség [%] Feszültség [%] Feszültség [%] [nap] °C=-35 °C=-5 °C=25 °C=65 0 100 100 100 100 1 98 98 94,5 85 2 97,8 97 92 79 3 97,5 96 90 76 6 97,4 95 88,5 70 10 97,4 94,5 87,5 64 20 97 93,5 86,3 56,5 21 97 93 86 55,8
Önkisülés a hőmérsékletek függvényében 100 90
Uo
80 70 60
-35 °C -5 °C +25 °C +65 °C
50 40 30 0
5
10
15
20
25
Idő [nap]
11
Menet közbeni mérés: Mindenki egy előre meghatározott sebességgel megy végig a pályán. 1 kör kb. 240m. A km-óra rögzíti a köridőt, és megtett utat. Sebesség [km/h] : Köridő [s] : Úthossz [m] :
Feladat: ⎞ ⎛E 1. Fölrajzolandó az U-t, I-t, P-t, E-t, Töltöttség-t ⎜⎜ PILLANATNYI ⎟⎟ diagrammokat a ⎠ ⎝ E MAX kisütés folyamata alatt. 2. Adja meg az adott sebességhez tartozó egy kör alatti energiacsökkenést (Ahol a feszültség egy darabig állandó ott fejeződött be egy kör) 3. Becsülje meg, hogy hány métert tudna megtenni adott sebességgel egy 70 kg-os ember.
Ellenőrző kérdések: 1 Mit jelent az elektromos térerősség? Mit jelent az elektromos dipólus? 2 Mit jelent „A” pontnak „B” ponthoz viszonyított feszültsége? Mit jelent a kondenzátorok kapacitása? 3 Milyen módokon növelhető a kondenzátor kapacitása, és miért? 4 Miért van szükség a kondenzátorok közti kiegyenlítőkre? Rajzolja le az ultrakapacitású kondenzátorok helyettesítő kapcsolását! Mi az az ESR? 5 Rajzolja le az ultrakapacitású kondenzátor felépítését, megnevezve az egyes részeket! Fogalmazza meg pár szóban a működési elvüket! 6 Hasonlítsa össze az ultrakapacitású kondenzátorokat az akkumulátorokkal!
12
Felhasznált irodalom: [1]
http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor#column-one
[2]
http://www.epcos.com/inf/20/35/ds/B49410B2366Q000.pdf
[3]
http://world.honda.com/FuelCell/FCX/ultracapacitor/
[4]
http://www.cap-xx.com/resources/reviews/strge_cmprsn.htm
[5]
http://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-c03-elchem-cap.htm
[6]
Holics László Fizika 1 Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1992
[7]
http://www.maxwell.com/ultracapacitors/products/large-cell/bcap3000.asp
13
