Peugeot 3008 HYbrid4 Dízel-elektromos hibrid
A HYbrid4 technikájú Peugeot 3008 világszerte az első sorozatban gyártott, kereskedelmi forgalomba kerülő, dízel-elektromos hibrid személyautó. A HYbrid4, a hajtásláncra utal, amelyben dízelmotor (2.0 literes HDi FAP 120 kW) működik együtt villanymotorral (max. 27 kW) és a Peugeot legújabb generációs Stop & Start technikájával. A 3008 HYbrid4 Franciaországban, a Peugeot Sochaux és Mulhouse városokban lévő üzemeiben készül. A svájci határ melletti Sochaux-ban található a Peugeot Museum of Adventure is, a Peugeot-innovációk múzeuma. A hibridkonstrukciók – a hibridelrendezések vagy hibridtopológia ma már igen gazdag tárházában az axle-split Hybrid (tengelyenként megosztott) hajtás mutatkozik konstrukciós, gyártási és funkcionális szempontokból igen kedvezőnek. A belső égésű motor elöl foglal helyet és fronthajtást ad, valamint generátora tölti az akkumulátorokat és szolgáltat áramot a villanymotornak. A villanymotor a hátsó kerekeket hajtja, a hátsó tengely, a hátsó híd környezetében képez önálló egységet. Célszerűen ide helyezik az akkumulátoregységet és a szükséges teljesítményelektronikákat. Ezzel a megoldással a hajtásautonómia és -kombináció minden módja teljesíthető, például szükség szerint a gépjármű összkerékhajtású is lehet.
34
autótechnika 2012 I 4
A PSA Csoport Peugeot 3008 HYbrid4 típusa gyorsításkor egyszerre használja fel a HDi dízel és a villanymotor teljesítményét, és ez késlekedés nélkül áll rendelkezésre („rásegítő” funkció). A maximális összteljesítmény 147 kW (200 LE) – a 2.0 literes HDi FAP dízelé 120 kW (163 LE), a villanymotor pedig 27 kW, illetve 37 LE átmeneti csúcsteljesítményre képes. A nyomatékmaximum 500 Nm, amelyből 300 Nm jut a HDi dízelre és 200 a villanymotorra. A végeredmény egy 4,36 méteres crossover, összkerékhajtással és 200 LE maximális teljesítménnyel, amely mindössze 3.8 litert fogyaszt, és emissziója csupán 99 g/km! Más specifikációjú változatok kombinált ciklus szerinti emis�sziója elérheti a 104 vagy 108 g/km-t.
Az elektromos komponenst illetően a villanyautókkal összegyűjtött tudására építhetett a Peugeot. Mindeddig az 1995 és 2003 között kapható 106 Electric volt a világ legnagyobb darabszámban értékesített zéró emissziójú járműve (a PSA Csoport összesen csaknem tízezer darabot állított elő mint a szakterület úttörője). 2010 végén jött a PSA folytatás, Mitsubishi együttműködésben a tisztán villanyautó, a Peugeot i0n és a Citroën C-Zero. A PSA Peugeot Citroën Csoport a HYbrid4 technika (Peugeot 3008 és Citroën DS5) létrehozásakor az egyes szakterületek legjobb beszállítóival működött együtt. A Peugeot specifikációjának megfelelően a Bosch gyártja a villanymotort, a teljesítményelektronikát, a reverzibilis nagyfeszültségű generátort (BASM),
Hibridtechnika illetve az ezen összetevők párbeszédét, a fékezést és a vezetőtámogatást (ABS, ESP) biztosító rendszereket. A SANYO a nagyfeszültségű Ni-MH akkumulátort állítja elő. A rendszer blokkdiagramját az 1. ábra mutatja.
Hajtási módok A vezetőnek a középkonzolon elhelyezett gomb (2. ábra) ad választási lehetőséget négyféle hajtásmód között: – „Auto” mód: elektronika felügyeli önműködően az egész rendszert, beleértve az átváltást a HDi dízel és a villanymotor között. Ez adja a csekély fogyasztás és a dinamikus viselkedés lehető legjobb kombinációját: dízeles fronthajtás, összkerékhajtás vagy elektromos hajtás. Városban az időtartam akár kétharmadára leállítva maradhat a dízelmotor, a hatékonyság tehát kétszerese az e-HDi technikával (legújabb generációs Stop & Start) elérhetőnek. – „ZEV” mód (Zero Emission Vehicle): kizárólag villamos hajtás, a dízelmotor csak erőteljes gyorsítás igénye esetén indul be. Feltétele, hogy 50 százalékig fel legyen töltve
a nagyfeszültségű akkumulátor. Elektromos hajtással kb. 70 km/h sebesség érhető el, a hatótáv 4 kilométerig terjed, az út domborzatától és a vezetési stílustól (agresszív vagy finom gázadások) is függően. Ezt gyorsan ki lehet ismerni. Ha pedig lemerülőben van az akku, beindul a motor, és az üzemmód magától átvált Auto állásba. – Összkerékhajtású mód (4WD): a két hajtómű a lehető legnagyobb mértékben együttműködik, a hátsó kerekeket a villanymotor hajtja (3. ábra), az elsőket pedig a dízel. Kisebb sebességgel ugyanúgy lehet terepezni, mint egy szabadidő-autóval, ilyenkor a nyomaték mintegy 40 százaléka jut hátra. Az összkerékhajtás éppúgy nem állandó, mint a legtöbb modern SUV esetében, hanem elektronika szabályozza. Menetteljesítményeit tekintve a 3008 HYbrid4 hozza egy SUV képességeit. Még lemerült akkuval is működőképes az összkerékhajtás, mert ha kell, folyamatosan szolgáltat 7,5 kW-ot a generátorindító. Ennyi elegendő a kritikus helyzetek megoldásához: elinduláshoz és lassú haladáshoz.
ESP
ESP
A/C
Belső égésű motor 120 kW, 2.0l HDi
BASM Bosch 8.5 kW HV – nagyfeszültség LV – 12 V
Indítómotor
DC/DC
AC/DC inverterek
ESP
6 fokozatú automatikus vagy kézi váltó
LV akku
HV akku NiMH 30 kW
EDTM Bosch 27 kW
BASM: nagyfeszültségű generátor és indítómotor EDTM: trakciós villanymotor
1. ábra
LV hálózat
ESP
2. ábra
– „Sport” mód: nagyobb fordulatszámnál történnek a sebességváltások, így fokozottan érvényesül a „kontrollált erő”, hiszen a dízel- és a villanymotor egyesített teljesítménye optimálisan oszlik el a négy kerék között. Melyik módban megy leggazdaságosabban az autó? 100 százalékig elektromosan (ZEV)? A gyáriak válasza: „Nem, az „Auto” üzemmód adja a legcsekélyebb fogyasztást, mert kiegyensúlyozottan alkalmazza a dízel- és a villanymotort. Bizonyos helyzetekben a dízel a hatékonyabb. ZEV módban intenzíven használjuk az akkut, és ezt aztán a fékezési energiával vagy a dízelmotorral kell újratölteni. A sebességváltási stratégia az „eco” típusú autózásra van beállítva. Az „Auto” üzemmód mindezen paramétereket figyelembe veszi, végül tehát a villanymotor gyakori, de céltudatos használata csökkenti legjobban a fogyasztást, változatos használat mellett. A dízel-hibrid kedvező fogyasztása a tisztán dízelmotoros hajtáshoz képest várhatóan csak erősen gátolt városi forgalomban mutatkozik. A hibrid hajtás két összetevője felváltva vagy egyszerre is működhet, így pontosan a kívánt célnak megfelelő teljesítmény hívható le tőlük (villanymotor max. teljesítmény 27 kW). – a villanymotor akkor lép be, mikor kicsi a teljesítményigény, különösen kis sebességű haladáskor, illetve lassításkor (energia-visszanyerés). Ilyen helyzet főképp városban fordul elő. A HDi dízelmotor és a villanymotor között automatikus az át-
autótechnika 2012 I 4
35
Hibridtechnika váltás, köszönhetően a STOP & START rendszernek, amely készenléti állapotba hozza a dízelt, majd ismét beindítja, ha szükség van rá (a gázpedál-megnyomáskor, az akkumulátor lemerülésekor stb.), – bizonyos helyzetekben egymást segíti a két összetevő („rásegítő” funkció erős gyorsításkor, például előzéskor). A HYbrid4 dinamikája olyan, mintha egy sokkal nagyobb dízelmotor hajtaná, ugyanakkor jelentős mértékben csökkent a fogyasztás és a CO2-emisszió (kombinált ciklusban, azonos teljesítményre vetítve, körülbelül 35 százalékos javulás), – beindulhat a villanymotor a vezetési élmény fokozásáért is. Egyrészt elsimítja az erőfolyam megszakadását a sebességváltások közben, másrészt segíti a gyors elindulást. Az elektromos farmotor könnyed rajtot tesz lehetővé, a dízelmotor lefulladásának vagy a kuplung túlzott csúsztatásának veszélye nélkül. Különösen nagy előny ez emelkedőn elinduláskor. Összességében csökken a fogyasztás, javul az autó vezethetősége és simábban megy az autó a villanymotor jóvoltából. – az energia-visszanyerő rendszer (amikor generátorként működik a villanymotor) lassításkor (gázelvétel vagy fékezés) a Ni-MH akkumulátort töltő árammá alakítja át az autó mozgási energiáját.
Dízelmotor és sebességváltó A 1997 cm³ lökettérfogatú HDi FAP dízelmotor teljesítménye 120 kW/3750 min -1, nyomatéka 300 Nm/1580 min -1.
3. ábra
36
autótechnika 2012 I 4
Szerkesztőségi gondolatok A hibrid járművek kapcsán, nem is szólva a tisztán villamos hajtásúakról, már évek óta elemezzük a szakma jövőjét. Ki fogja ezeket a gépjárműveket javítani? A villamosságba beletanuló gépészeknek – tisztelet a kivételnek – ez már sok. (Emlékeznek, hogy az ECU-hoz, digitális hálózatokhoz hozzányúlni merők a villamosmérnökök, híradástechnikusok, rádió- és tévészerelők soraiból kerültek ki.) Az autóelektronikai műszerész szakma hivatott lenne erre, ha a képzők korukat (s önmagukat) megelőzve (de hol van az új, fiatal tanárgeneráció?), felkészül(né)nek. A márkaszervizek kompetenciája – egyelőre úgy néz ki – itt is felülmúlhatatlan. Habár, hogy magam állítását gyengítsem, a tárgyi hibrid jelentős részben Bosch-fejlesztés, így hamarabb kikerülhet az információ például a Bosch Car Service-ekbe (ha a PSA szerződés ezt megengedi). És máris felötlik egy újabb gondolat: lehet, hogy a Bosch – a dízelszervizek mintájára – hibrid-villamos specialista hálózatot is létre fog hozni? Nem eretnek gondolat! De térjünk vissza a képzéshez. Ezek a műhelyek (akik kezdik a hibrideket is javítani), majd a villamos szakmákból kapnak embereket, nekik a beletanulás egyszerűbb, mint egy autósnak. Az autós BSc, MSc és a szakmunkásképzés ezekről ma még legfeljebb csak címszavakban szól. Védekezés is van: ezeket a villamos rendszereket csak diagnosztizálni van módunk, azt is (szamár)vezetéses közvetlen gyári kapcsolattal lehet végezni. Ha diagnosztizált a hiba, a teendő főegységcsere (és térdre imára, hogy a megrendelt milliós egység volt valóban a hibás). Ez a megközelítés már első hallásra is elborzasztó! Értő és eredményes javítás csak elmélyült ismeretekkel lehetséges, és ez csak keveseknek adatik meg. Azoknak, akik ma a fejükbe is befektetnek. Lesznek ezek az autók öreg autók, melyek nem mehetnek egy kis hibával a roncstelepre, mert a márkaszerviz kijelenti: gazdasági totálkáros. (Azt tapasztalom, hogy ma már nem is mindegyik mondja ki, hanem keresi a „b” terv szerinti megoldást!) Vannak ma Magyarországon nem nagysorozatú autótípusok, amelyeket egy-egy specialista műhely „darabra” ismer. Amelyik egyed esetleg még nem járt ott, ez csak idő kérdése, meg fog jelenni. A hibrid és villamos gépjárművek a karosszériásokat talán még nehezebb helyzetbe hozzák, mint a szerelőket. A törött autó visszabontása, majd helyreállítása – elsősorban a villamos hálózat, villamos főegységek és az akkumulátor ára miatt, a bonyolultságot nem is említve – nagy gazdasági kockázattal jár. Előnyben van itt is az a márkaszerviz, mely egy fedél alatt karosszériázik is. A független karosszériajavítóknak pedig szövetkezniük kell a hozzáértőkkel, vagy műszerezni és tanulni. (NszI) Jellemzői a legújabb generációs ECCS (Extreme Conventional Combustion System) égéstér, a változó geometriájú, kis tehetetlenségű turbó, a 2000 bar csúcsnyomású common rail befecskendezés és a nyolcfuratos porlasztók. Részecskeszűrő (FAP). A HDi dízelmotorhoz elektronikus felügyeletű hatfokozatú robotizált váltó (BMP6)csatlakozik: – elektronikájának köszönhetően automatikus módban jelentősen csökkenti a fogyasztást – nemcsak a hagyományos automatához, hanem a manuális sebességváltóhoz képest is, – kellemesen vezethető, mert bármikor lehetőséget ad átkapcsolásra manuális és automatikus mód között, és sebességet váltani a kormánykeréknél lehet. Ehhez járul, hogy a villanymotor sebességváltás közben is működik, így simábban, maximális komforttal halad az autó.
Hibridtechnika Legújabb generációs STOP & START rendszer A rendszer leállítja a HDi dízelt, ha a gépjármű áll (piros lámpánál, forgalmi dugóban stb.), illetve ha elektromos módban közlekedik a jármű. Ezáltal városi viszonyok között jelentősen mérséklődik a fogyasztás és az emisszió. A nagyfeszültségű, 8 kW teljesítményű, STOP & START rendszer generátora szükség esetén a villanymotor működtetéséhez (összkerékhajtás) áramot is képes fejleszteni. Hasonló, mint az e-HDi rendszer generátor-önindító technikája.
Elektromos hajtás
4. ábra
A villanymotor, segédberendezéseivel együtt a jármű hátuljába került, mely a gyártást is gazdaságossá teszi. Azáltal, hogy hátul helyezkedik el a hajtómű elektromos része, nem kellett áttervezni a motorházat, és javul a tömegelosztás. Megmarad a hely esetleges nagyobb lö-
Hátsóhíd-hajtómű A trakciós villanymotor (EDTM – Electrical Drive Traction Machine) jellemzők: állandó mágnesű forgórész, szeparált tekercselésű állórész, reszolver (szöghelyzetmérés), feszültségtartomány: 150 V… 270 V, maximális fordulatszám 7500 min -1, csúcsteljesítmény 27 kW, tartós teljesítmény 11 kW, maximális nyomaték 200 Nm, folyadékhűtésű (üzemi hőfoktartomány -30 oC… 80 oC), tömeg: 30 kg. Az EDTM hajtóműhöz (redukciós fogaskerék-át-
38
autótechnika 2012 I 4
tétel, differenciálmű és körmös tengelykapcsoló) kapcsolódik. A redukciós hajtómű homlokfogaskerekes, 7,46:1 áttételű, a hajtás differenciálművön és elektromechanikus működtetésű körmös kapcsolón keresztül jut el a féltengelyekhez. A körmöskapcsoló zárt/nyitott helyzetéről jeladó ad jelet. A villamos hajtás 120 km/h sebesség felett lekapcsolódik. A hajtómű-kenőanyag: FE 75W, alkatrészszám: 9979 A7, élettartam feltöltésű.
Hibridtechnika
3 fázisú, szíjhajtású indítógenerátor Nagyfeszültségű, 3 fázisú generátor/indítómotor (BASM – Belt Alternator Starter Machine). A villanymotor nyomatéka 52 Nm, maximális teljesítménye 8,5 kW csúcs, tartós 7,5 kW, feszültségtartomány: 150 V... 270 V, tömeg 11 kg, maximális fordulatszám: 15 080 min -1, külső hőmérséklet-tartomány: -40 oC … 130 oC, vízhűtés, max. hőfok: 85 oC, a generátor hőmérsékletéről tekercsébe helyezett hőmérő ad jelet a HPCU-nak. A 12 V névleges feszültségű hálózatot is ez a generátor táplálja energiaellátása DC/DC konverteren keresztül, valamint a trakciós villanymotor energiaellátását is a generátor adja a 4WD üzemmódban.
5. ábra
kettérfogatú motor beépítésére. A villanymotor, a segédberendezéseivel és a hátsó futóművel együtt, kompakt egységet képez. A költségeket csökkenti, hogy a HYbrid4 technika, különböző jellegű autókban, többféle karosszériában használható, függetlenül attól, hogy milyen a belső égésű motor. A jövőben és azokon a piacokon, ahol kevésbé népszerű a dízel, benzinmotor is használható a HYbrid4 típusú járművekben. Az elrendezés összkerékhajtásra is lehetőséget ad: a motorháztető alatt elhelyezett HDi dízelmotor az első kerekeket hajtja, a farban beépített villanymotor pedig a hátsókat. Mivel az egésznek elektronikus a felügyelete, mechanikus kapcsolat nélkül az első és a hátsó rész között, ez a megoldás komoly előnyöket kínál a hagyományos, kardántengelyes megoldással szemben. Nincs szerkezeti kötöttség vagy az utastérbe benyúló kardánalagút, meg-
autótechnika 2012 I 4
39
Hibridtechnika marad a belső tér, a tágas csomagtartó (377 dm3; DA-210 standard szerint 420 literes). Az állandó mágneses szinkronmotor tartós teljesítménye 20 kW (27 LE), csúcsteljesítménye 27 kW (37 LE), tartós nyomatéka 100 Nm, csúcsnyomatéka 200 Nm. Hajtómű-vezérlés PTMU (Power Train Management Unit) a HPCU része. A villanymotor és a HDi dízel üzemmódjait önműködően vezérli a PTMU elektronika. A HPCU (Hybrid Power Control Unit), a hibrid hajtás irányítóegysége (4. ábra). Jellemzői: feszültségtartomány: 150 V–270 V, csúcsáram (IRMS): 340 A / 60 A, folyamatosan kivehető áram (IRMS): 150 S/60 A,
DC/DC konverterteljesítmény: 2,5 kW, hűtővíz-hőmérséklet 75 ºC, CAN kommunikáció, integrált EMC és hibrid kontroll kapcsoló. Az elektromosáram-nemek és feszültségszintek közötti váltást inverter (AC/DC átalakító) és DC/DC átalakító végzi: az előbbi a nagyfeszültségű akkumulátortelepből érkező árammal módosítja a villanymotor nyomatékát, feszültségtartománya 150–270 volt. Az utóbbi pedig az akku 200 voltos feszültségét csökkenti 12 voltra az autó fedélzeti hálózata részére. Itt említjük meg, hogy a belső égésű motornak van 12 voltos indítómotorja is.
Ember-gép interfész Hétcolos, színes képernyő (5. ábra) vagy más felszereltségi szint esetén, multifunkciós kijelző (6. ábra) tájékoztatja időben a vezetőt a hibrid hajtáslánc üzemállapotáról. Az akkumulátor feltöltöttségét nyolchasábos grafika mutatja. A műszerfal bal oldali műszeréről gyorsításkor és lassításkor lehet leolvasni a felhasznált, illetve visszanyert energia mennyiségét. Az akku állapotáról háromféle jelzés tájékoztat: – töltés (energia-visszanyerés), – Eco (optimális üzemállapot), – Power (az elektromos energia használata %-osan).
Nagyfeszültségű akkumulátor A merev tokozásba rejtett nagyfeszültségű Ni-MH (nikkel-fémhidrid) akkumulátortelep a hátsó tengely előtt, a villanymotor közelében, a csomagtartó alatt helyezkedik el, az ütközéstől legjobban védett részen. Az akkumulátor száraz akkuként kezelendő tárolásnál, szállításnál, külön óvórendszabályok nem vonatkoznak rá. Természetesen az elektrolit az emberi szervezetre veszélyes. Az akkut ne árasszuk el vízzel (slaugos bőséges locsolás) és láng hatásának ne tegyük ki. Az akkumulátor léghűtésű, melyről vezérelt üzemű (tehát nem állandó üzemű) hűtőventilátor gondoskodik; a levegőt az utastérből szívja, és a környezetbe nyomja ki. Az akkucsomag névleges kapacitása 5,5 Ah. Az akkumulátor 168 cellából áll, egy cella névleges feszültsége 1,2 V, tehát a feltöltött akkumulátor névleges kapocsfeszültsége 202 V. Veszélyes túlfeszültség 1,6 V, kisülési határ 0,9 V. Az akkumulátorcsomag lemerült állapotában a kapcson még 151 V mérhető. A lemerült akkumulátort a jármű töltőrendszere névleges feszültségre kb. 10 perc alatt tölti fel. Az akkumulátoregységben 4 db, hőmérő, 11 db feszültségmérő és árammérő, valamint biztosíték található. Középtávon a Ni-MH akkumulátortípus a legkedvezőbb a költségek és a nagysorozatú gyártás szempontjából. Van egy standard 12 voltos akku is a motorházban, a megszokott feladatok ellátására. A nagyfeszült-
40
autótechnika 2012 I 4
ségű akkumulátortelep nem kíván karbantartást, élettartama pedig azonos a járműével (kb. 10 év). Akárcsak az egész hibrid hajtóműé, ötéves a garanciája. A 3008 HYbrid4 szervizperiódusa azonos a 3008 2.0 l HDi 163 LE modellével, azaz normál használat esetén 30 000 km.
Hibridtechnika
6. ábra
7. ábra
8. ábra
42
autótechnika 2012 I 4
A hibrid rendszer az autó hagyományos szerkezeteit is alaposan átalakítja, így például a hűtés a villanymotorok hűtése miatt bővül új hűtőkörökkeléskiegészülazakkumulátorléghűtésével. A gépjármű fenéklemezén gázolajhűtőt, a villanymotorhoz menő hűtőcsöveket (7. ábra) és a nagyfeszültségű generátortól a HPCU-hoz menő nagyfeszültségű (narancssárga) vezetéket (8. ábra) is megfigyelhetjük. Alulnézetből a FAP tüzelőanyagadalék-tartályát, adagolóegységét is hamar azonosítani tudjuk. A 3008 Hybrid4 bemutató sajtótájékoztatóján elhangzott, hogy ha a hibridek közé soroljuk az önálló elektromos hajtásra képtelen mild hibrideket is, akkor is csak 350 hibridet adtak el – mindenki, aki ilyet kínál – Magyarországon 2011-ben. A Peugeot célja 2012-ben 20, azaz 20 Hybrid4-et értékesíteni hazánkban. A Peugeot mindösszesen 15 ezer gyártását tervezi. A Peugeot a közelmúltban már bemutatta, újságíróknak tesztelésre rendelkezésre is bocsátotta az 508 RXH modellt, melynek technikája, dízel-hibridje szinte teljesen azonos a 3008 Hybrid4 műszaki megoldásaival. Dr. Nagyszokolyai Iván
