Kisegítõ villamos hajtás

jövõkép

Kisegítõ villamos hajtás A BMW, figyelmet érdemlõ, hibridhajtást fejlesztett ki, amely a gépkocsi meglévõ benzinmotorját a sebességváltó elé épített villanymotorral egészíti ki. A jármûvet villanymotor indítja, és gyorsítja, majd a felgyorsított jármûvet benzinmotor hajtja tovább. A jármû fékekkel felemésztett lendülete villamos energiaként hasznosul, amely az akkumulátort és az indító-gyorsító kondenzátorokat tölti. A kiegészítõ hajtás, az indítás és a jármû kívánt sebességre való felgyorsításának, kis fordulatszámon nagy indítónyomatékú hajtásigényét is kielégíti.

A BMW hibridhajtású kísérleti jármûve innoválja az Otto-motoros gépkocsihajtást

A gépkocsik villamosítása

motoros gépkocsi benzinfogyasztását, átalakító konvertálja villamos energiákárosanyag-kibocsátását és vá, amely tölti az akkumulátort és az gyorsítóképességét”. A program vezetõ- indítókondenzátorokat. Hosszú utántöltési idõigényük, rövid inek, a bécsi motorszimpóziumon Az említett eszközök mûködését hatótávolságuk és infrastrukturális elhangzott elõadása szerint, megoldáintelligens elektronika vezérli, amelyik a korlátaik miatt a tisztán villamos hajtású suk egyaránt kedvezõ társadalmi jármûhajtás akadályoztatott (stop and gépkocsik még jó ideig csak a holnapfogadtatásra után autói lehetnek. A BMW mégis a számíthat a törvénybelsõégésû motorral hajtott gépkocsik hozók, a környezetvillamosítására buzdít, hajtáskiegészítõ védõk és a jármûvevillanymotorjával. zetõk körében. Hogy miért kell a belsõégésû motorok Az elõrelépés adventjén a velük mûködtetett gépkoannak köszönhetõ, csik hajtását villamosítani? Azért, mert hogy a BMW villamos úton a jármû a belsõégésû munkatársai olyan motorhajtásénál dinamikusabban hibridhajtást indítható és gyorsítható. fejlesztettek ki, Ez utóbbit tûzte célul a cég Effiziente amellyel az indítás Dynamik, azaz „Hatékony dinamika” és a jármû kívánt elnevezésû fejlesztési programja, tempójú felgyorsítáamely „számottevõen javítja az Ottosának kis A kondenzátoros indítássegély megnégyszerezi az indítónyomatékot fordulatszámon, nagy indítónyomatékkal go) forgalomban végzett indítási és jellemezhetõ nyomatékigénye is gyorsítási igényét a belsõégésû motor kielégíthetõ. A program a meglékárosanyag-kibocsátásával együtt võ benzinmotort a sebességváltó optimalizálja. elé épített villanymotorral kiegészítve teszi hibridhajtásúvá. A Duális energiaellátás hibridjármûvet villamos hajtás A hajtáslánc két okból támogatható indítja és gyorsítja, majd a felgyorsított jármûvet a benzinmo- villamos energia betáplálásával: A BMW hibridhajtás felépítése. A Otto-motor. B tor, a sebességváltóval módosított méretcsökkentés, illetõleg a belsõégéÁramátalakító egység. C A tengelykapcsoló és a sû motor munkapontjának optimalizálányomatékkal hajtja tovább. sebességváltó közé épített villanymotor. D sa céljából. A jármû fékezéskor felFékezéskor a fékekkel felemészSebességváltó. E Elektronikus vezérlõegység. F emésztett mozgási energiája mindkét tett mozgási energiát regeneratív Indítássegítõ kondenzátoregység

16

autótechnika 2004/5

jövõkép

A Siemens impulzusfeltöltõ rendszere hengerenként egy-egy villamos mûködtetésû szelepet foglal magába

esetben hasznosítható, ha a 10 kW nagyságrendben visszanyert villamos energia közbülsõ tárolásáról akkumulátor, és/vagy kondenzátor használatával gondoskodunk. A kísérleti X5-ös fejlesztõi, indítógenerátoros energiaátalakító használatával, kettõs rétegzésû kondenzátor és savas akkumulátor formájában, start-stop, gyorsító-, fékezõ- és generátorüzemben hasznosítják a duális energiaellátó rendszer lehetõségeit. Az indító üzemmódot az S2-es kapcsoló bekapcsolása hozza létre, amikor is a belsõégésû motort a duális energiaellátó rendszer indítja. A generátor üzemmód az S1-es kapcsoló bekapcsolásával jön létre, ilyenkor az ólomakkumulátor aktív.

A gyorsító üzemmód az S2-es kapcsoló be-, és az S1-es kapcsoló kikapcsolásával áll elõ. A rekuperáló üzemmódban az S2-es kapcsoló be-, és az S1-es kapcsoló kikapcsolása ismét aktivizálja a duális energiaellátó rendszert. A kapcsolók és az üzemmódok 100 ms-ig tartó átkapcsolása a jármû vezetése közben nem észlelhetõ. Annál inkább az aszinkronmotorú hajtás gyorsítóenergiája, amely rövid ideig a 70 kW-ot is elérheti. A BMW-fejlesztõk azért a hibridüzemû villamoshajtást preferálják, mert magas költségei és hiányzó infrastruktúrája miatt a tisztán villamos hajtás még jó ideig nem lesz piacképes. A nem szokványos elgondolás elõnyét nyomatékfordulatszám-diagramunk szemlélteti. Amint a diagramból kitûnik, az indítógenerátor 600-as motorfordulatszámon indítja, és 1000/min elérésekor máris 650 Nm-rel növeli, a belsõégésû motor hajtónyomatékát. Az e

Az integrált indítógenerátor UltraCap kondenzátoros indítóegysége

nélkül 500 Nm kifejtésére képes motor beindulása után, a fordulatszám növekedésével, 4500/min-ig hiperboli-

A ZF elektromechanikus sebességváltója (a), valamint elsõ és hátsó tengely hajtásának, kiegyenlítõmûre épített villanymotoros kapcsolómûve

autótechnika 2004/5

Az integrált indítógenerátor, lendkerékházra szerelt állórésze hûtõfolyadék-hûtésû

kusan csökken. Ebben a nyomatéki tartományban eddig legfeljebb autóbuszok vagy tehergépkocsik mûködtek. A szélsõségesen nagy indítónyomaték kerékkipörgés-mentes hajtónyomatékká alakításáról a jármû hajtásszabályozó elektronikája gondoskodik. A vázolt hajtásmód párhuzamos hibridhajtás, mivel mindkét erõforrás aktív. Ezt követõen az indítógenerátor nem növeli a motor nyomatékát. Az X5-ös 1000 és 4500/min között kifejtett gyorsítónyomatéka különösen jelentõs mértékben növeli a jármû elõzésének biztonságát. A villanymotor az akkumulátor, illetõleg az UltraCap kondenzátor villamos energiájával növeli a belsõégésû motor hajtónyomatékát úgy, hogy a jármû mechanikus fékezésekor a mûködésvezérlõ egység lekapcsolja a belsõégésû motor hajtását. Ezt követõen a villanymotor 0,1–0,2 másodpercen belül generátorüzemre vált, és a mozgási energia egy részével tölti az akkumulátort. Mivel eközben a fékezés mozgási energiája 80% körüli hatásfokon hasznosul, minden fékezés csökkenti az üzemanyag-kiadásokat. Gázadásra az indítógenerátor 0,2 másodpercen belül (a hagyományos indítómotorénál tízszer gyorsabban) újraindítja a belsõégésû motort. A gyorsabb indíthatóság önmagában 10%-os üzemanyag-megtakarítás forrása, ami az indítógenerátornak a jármûhöz végzett pontosabb illesztésével további 5%-kal növelhetõ. A kifinomult hajtónyomaték-szabályozás

17

jövõkép

számolnak. Versenytársaikkal tekercskoszorúként helyezhetõ el. Ez a fajta elrendezés alig néhány centiméellentétben ugyanis nem terrel növeli meg a lendkerékház tüzelõanyag-cellával, hanem hosszanti irányú méretét. Ennélfogva az hidrogén üzemanyagú Ottoindítógenerátor egyenirányítókat és motorral hajtják késõbbi indítókondenzátorokat is magába gépkocsijaikat. Azokat, foglaló elektronikus vezérlõegysége az, amelyekkel az 50%-os összhatásfok elérése is valós ami tömegnövekedéssel jár, és önálló helyet igényel a jármû motorterében. lehetõség. A BMW X5-ös ISG indítógenerátorának Az alternatív erõforrások területén nemcsak a nagyobb látványos jellemzõje, a 15 (a belsõégésû motor alapjáratán is 5) kW körüli hatásfokú hajtásmód, hanem kiegészítõ teljesítményszolgáltatás. Az a nyersanyag- és környezetutóbbi hõvé alakítható, és a jármû kímélõ üzemanyag megvábeltéri hõmérsékletének növelésére lasztása is ügydöntõ lehet a Az integrált indítógenerátor beépítése és részegységei fordítható, ami nélkülözhetõvé teszi a jövõ tüzelõanyag-cellás jármû állófûtését, illetõleg a belsõégésû energiaforrásainak piacán. motor, utastérfûtés célú járatását. Ne szaladjunk azonban ennyire elõre. legalább ilyen arányú emisszióÉs ami a legfontosabb: az indítógeneráInkább lássuk, hogyan növelheti a csökkenést tesz lehetõvé. tor, különálló generátorokénál minimálivillamos hajtás az Otto-motorok hajtóMindezek a jellemzõk az indítógenerányomatékát. tort különösen kedvezõ eszközzé teszik Mindenekelõtt úgy, ha ennek mind az Európai Automobilgyártók feladatát a belsõégésû motor Szövetsége (ACEA) 2008-ig tervezett, legkisebb átalakítását igénylõ 140 g/km-es önkorlátozó CO2-kibocsávillanymotor látja el. Ilyen erõforrástásának, mind a szigorú amerikai ként a lendkerékházra épített üzemanyag-fogyasztási elõírások állórészû villamosgép használható, teljesítéséhez. amely integrált indítógenerátorként, Sorozatgyártás esetén az elõbbieket ISG, IMA, ISAD vagy DynaStart végrehajtó aktív sebességváltó a nevû változatok formájában vár villanymotort és a hajtásszabályozó sorozatgyártásra. elektronikát is magába foglaló szerkezeti egységként állítható elõ, ami a kompakt kivitelen túl a jármûtömeg Indítógenerátor csökkentésére is lehetõséget ad. A jármû belsõégésû és villanymotorjának A korszerû indítógenerátor a A tervek szerint az indításban és a nyomatékai, a fordulatszám függvényében következõ szolgáltatásai miatt több gyorsításban közremûködõ UltraCap san kétszer nagyobb energiaszolgáltaaz indítómotor és a generátor egyesítékondenzátorok a sorozatgyártású tása, ami a gépkocsik folyamatosan sénél. Az újfajta villamos eszköz jármûveken nem a csomagtartóban (mint növekvõ villamosenergia-szükségletéugyanis a regeneratív fékezés, az képünk szemlélteti), hanem a jármû nek kielégítésében ad segítséget. elektromos hajtástámogatás, a belsõküszöbprofiljaiba kerülnek beépítésre. Ennek rohamosan növekvõ mértékét égésû motor torziós lengéseinek A belsõégésû motorokkal a BMW illetõen elegendõ arra utalnunk, hogy a csillapításfunkcióit úgy foglalja magáfejlesztõi hosszú távú terveikben is 2005-ös elõrejelzések 2,5 kW körüli ban, hogy eközben villamosenergia-igényt prognosztizálnagyobb villamos nak, amely igény indítógenerátorral és mechanikai biztonságosan kielégíthetõ. teljesítményt fejt ki A jármûgyártók 2006-tól számolnak a elõdeinél, és az 42 V-os fedélzeti energiaellátó rendszeakkumulátor rek terjedésére. Olyan ütemben, hogy élettartamát is 2015-tõl, a forgalomba kerülõ gépkonöveli. csik felén ilyen hálózat mûködteti majd Az indítógenerátor, a villamos fogyasztókat, megfelelõ a motor lendkeretáphálózatot kínálva a ma még korlátokére mágneszott körben használt x-by-wire rendszekoszorúként rû fedélzeti eszközök elterjedésének. felerõsíthetõ, A fedélzeti energiaellátás biztonsága állandó mágneseknemcsak a ma ismert és elterjedt villamos kel gerjeszthetõ. eszközök használatára ad lehetõséget, Keskeny villamos Az indítógenerátor integrált áramellátásának elvi vázlata (K: hanem olyan fogyasztók energiaellátását tekercselése pedig kettõs rétegû UltraCap kondenzátor) a lendkerékházban, is lehetõvé teszi, amelyek alkalmazásáról

18

autótechnika 2004/5

jövõkép

részeként, a hengerek szívócsövébe kerül beépítésre. Mûködése röviden a következõ. A szívóütem kezdetén a hengerben az alsó holtpont felé mozgó dugattyú az égéstérben depressziót hoz létre. A mágnesszelep zárt állapotban van. A dugattyú alsó holtponti helyzetében impulzusszerû gyorsasággal kinyílik, aminek hatására a levegõ lökésszerûen kitágul, Impulzusfeltöltõ és a hengerben nyomásesés jön létre. Ez impulzusszerû Az Effiziente Dynamik esetében látszólökéshullámmal jár, amely lag olyan kísérletrõl van szó, amely a A hibridhajtás vezérlése hangsebességgel halad az mindenkit maga mögé utasító példátlan égéstér felé. A túlnyomás gyorsítóképesség egyetlen erõfitogtató csökkenése elõtt a mágnesszelep zár, motor esetében a vezérlõegységével elõnyét nyújtja a jármû potenciális ami lökésszerû hengertöltet-növekedésegyütt 150 W-ot tesz ki. vásárlóinak. Valójában azonban az ezt sel jár. A vázolt feltöltõhatás a munkaAz impulzusfeltöltõ újonnan fejlesztett megvalósító eszközök számos további ütemben késedelem nélkül hasznosul. részegység, amit a Siemens VDO elõnyös lehetõség forrásai egyben. standján, a tavalyi IAÁ-n ismerhetett Szélsõséges dinamikáját, a kísérleti X5-ös A sorozatgyártású impulzusfeltöltõ minél gyorsabb szelepnyitását és meg a szakmai nyilvánosság. zárását külön mágnestekercsek végzik. Ennek köszönhetõen a Hajtásszabályozás nyitás és a zárás idõtartama ezredmásodperc nagyságrendû. A hajtásszabályozó áramkör egyeniráAz impulzusfeltöltõ szívómotorokon nyítóból, közbülsõ egyenáramú körök30%, turbótöltött motorokon 50% bõl, pulzusmodulált (PWM) inverterbõl körüli nyomatéknövelést tesz és vezérlõáramkörbõl épül fel. A PWM lehetõvé úgy, hogy a turbótöltéstõl inverterek feladata a motor (szinkron, eltérõen az impulzusfeltöltés aszinkron) hajtásához szükséges, spontán, gyakorlatilag késedelem megfelelõ frekvenciájú kimenõ feszültnélküli megszólalású, ami növeli az ség elõállítása, IGBT (szigetelt elõzés biztonságát. vezérlõbemenetû bipoláris) tranzisztoAz impulzusfeltöltõs motorok további rok vezérlésével. kedvezõ üzemi jellemzõje, hogy a hengerben, az égésfolyamat végén PWM inverter kialakuló nyomásnövekedés az impulzusfeltöltõ nélküli motorokénál A kimeneten elvárt szinuszos jelalak intenzívebben öblíti a maradék eléréséhez az egyenfeszültség két gázokat, csökkenti az égéstér A hibridhajtású jármûvön kifejtett teljesítmények hõmérsékletét és a motor értelmezése kopogási hajlamát. Az impulzusfeltöltõ mágnesszelepeit fõtengely- és BMW néhány, eddig nem használt vezértengely-jeladók jeleinek fogyasztáscsökkentõ eszköz együttes használatának köszönheti. Olyannak, mint felhasználásával a jármû CANhálózatához kapcsolódó elektroniamilyen a Siemens VDO, Meta céggel kus vezérlõegység mûködteti. Az közös, elektromos impulzusfeltöltõje, impulzusfeltöltõt a gyártó szívó- és amely a belsõégésû motor kis és közepes keverékképzõt magába foglaló, fordulatszámon, hirtelen gázadáskor integrált szívócsõrendszer elemefellépõ, léghiány okozta teljesítménycsökként kínálja a motort elõállító cégek kenésének kiküszöbölését szolgálja. számára. Az impulzusfeltöltõ áramlástanilag A tekercsek teljesítményfelvétele a optimált, kis kapcsolási késedelmû A hibridhajtású jármûvel kifejtendõ vonóerõ, a fordulatszámtól függõen hengerenmágnesszeleppár, amely az Otto-motor haladási sebesség függvényében ként 10–25 W, ami négyhengeres szívócsonkjához illeszkedõ egység a gyártóknak, épp a különálló generátorok eddigi szûkös áramtermelése miatt kellett lemondaniuk. Ilyenek: a belsõégésû motorok olaj- és vízszivattyúi, és a villamos mûködtethetõség energetikai korlátai miatt pneumatikus és/vagy hidraulikus mûködtetésû beavatkozószervei. Említést érdemel, hogy 2003 õsze óta az ISAD nevû indítógenerátor, a GMC Sierrák és a Chevrolet Silveradók sorozatgyártású részegysége.

autótechnika 2004/5

19

jövõkép

különbözõ pólusát kell megfelelõ idõpontokban, megfelelõ ideig, a PWM szabályai szerint, felváltva a kimeneti pontokra kapcsolni. A kapcsolgatás frekvenciája legalább tízszerese, esetenként ezerszerese a kimeneti áram szinuszos frekvenciájának. Nagyobb frekvenciával szabályosabb lefolyású szinuszjelek állíthatók elõ. Az inverter kapcsolófrekvenciája kompromisszum eredménye. Kisebb frekvenciák esetén a motor áramának szabálytalan jelalakja miatt a villanymotor, nagyobb frekvenciák esetén, az inverter kapcsolóelemeinek vesztesége nõ. Ez utóbbi gyorsabb mûködésû félvezetõk használatával csökkenthetõ. A kapcsolóelempárok egyik tagja minden idõpillanatban nyitva, a másik tagja pedig zárva van. Az átkapcsolási idõk megválasztásával olyan üzemállapot is elérhetõ, amikor folyamatosan ismétlõdve, a kimenetre hosszabb ideig pozitív, majd egészen rövid ideig negatív pólus kapcsolódik; ami hosszabb idõk átlagában pozitív pólushoz közeli feszültséget eredményez. A ki-bekapcsolási idõarányok eltolásával természetesen negatív pólusközeli átlagfeszültség is létrehozható. A PWM során a rendszer az elvárt kimeneti szinuszjelnek megfelelõen, a kapcsolgatás frekvenciájához képest lassan, fokozatosan megy át pozitívközeli állapotból negatívközeli állapotba. Összegezve: a gyors kapcsolgatás eredményeként, az inverter kimeneti feszültségfüggvényét, változó kitöltési tényezõjû négyszögjelek jellemzik. A közel szinuszos áramok kialakulását, mivel azok nem változhatnak ugrássze-

rûen, a motortekercsek induktivitásának integráló hatása teszi lehetõvé.

Vezérlõáramkör

A vezérlõáramkör feladata, a motor megfelelõ fordulatszámának és nyomatékának biztosítása, ami a motor forgásának folyamatos mérésével és az elvárt fordulatszámok eléréséhez szükséges gyors A kettõs rétegû UltraCap kondenzátor villamos vezérlõbeavatkozásokkal érhetõ jellemzõi el. Az ehhez szükséges számítáálló olyan kettõsréteg alkotja, amelysokat és transzformációkat mikroproben az elektrolitoldat nemcsak töltéscesszor végzi. hordozó, hanem a szilárd elektród A motor pillanatnyi fordulatszámát a felületét bevonó, „dielektrikum” is vezérlõáramkör encodere érzékeli. Az egyben. Villamos töltését az elektródigényelt és a mért fordulatszám összepotenciál abszolút értékének az hasonlításának eredményeképpen a alapértékhez viszonyított töltéseltolóprogram kiszámolja a különbség dása adja. korrigálásához szükséges nyomatékot. A kettõs rétegû kondenzátorok elektA program a továbbiakban kiszámítja a ródjai nagy szilárdságú, kapcsolóelemek kitöltési tényezõn szénszálerõsítésû vagy strukturált alapuló gyújtási függvényét. Az inverter polimer anyagokból készülnek. ennek alapján hozza létre a kimeneten 2 Porozitásuk nagy. Eléri a 2000 m /g elvárt áramot, nyomatékot és fordulatkörüli értéket. Kiterjedésük kicsi. számot. Villamos tárolóképességük, ennek ellenére nagy, 500 F/g körüli fajlagos Generátoros üzemmód kapacitású. Az elektródokat egymástól, Ha fékezéskor a motor tengelyén a ionáteresztõ membrán választja el. forgással ellentétes irányú nyomaték Elektolitjuk rendszerint nemesfém, ébred, a motor generátoros üzemre vált, például ruthéniumoxid. Ez utóbbi és az általa elõállított energia a közben- használatával 200 mF/cm2 körüli sõ áramkör kondenzátoraiba áramlik tárolóképesség is létrehozható. vissza. Az inverter ekkor egyenirányítóA kettõs rétegû kondenzátorok az ként mûködik, és a kimeneti kapcsolóX5-ös fedélzetén is hengeres felépítéelemeivel párhuzamosan kötött diódásûek. A legkedvezõbb adottságú kon át, a motor áramával UltraCap fantázianevû kettõs rétegû tölti a kondenzátorokat. kondenzátor fajlagos teljesítménye A kondenzátorokban 200 Wh/kg, fajlagos energiatároló felhalmozódó energia képessége 2000 W/kg értékekkel hálózatba való jellemezhetõ. visszatáplását az Az Effiziente Dynamik fejlesztési egyenirányító egységprogram érdeme, hogy különleges gel párhuzamosan, anyagok és különleges eljárások ellentétes irányú használatával új lehetõséget mutatott inverter teszi lehetõvé. be a párhuzamos villamos hajtás, az impulzusfeltöltõs bootster a kondenzátoros energiatárolás és fékezéskor a Kettõs rétegû jármû mozgási energiájának kondenzátorok rekuperatív hasznosítására. Ezzel rámutatott, hogy a hibrid hajtásmód Az indítógenerátort 42 voltos hálózati feszültség, több A kettõs rétegû kondennemcsak kis, hanem nagy teljesítmétöltõáram, nagyobb hajtónyomaték, kedvezõbb hatásfok és zátor elektronokat kisebb zajkibocsátás jellemzi. 1 Indítógenerátor. 2 A nyû jármûveken is energiatakarékos vezetõ szilárd elektródfedélzeti energiaellátás, integrált egyenfeszültség átalakítókiegészítõ eszköze lehet a gépkocsik, ból és ionokat vezetõ ját is magába foglaló vezérlõegysége. 3 Két akkumulátoros, belsõégésû motoros hajtásának. fedélzeti energiatároló rendszer folyékony elektolitból Petrók János

20

autótechnika 2004/5