6. fejezet - Hibrid-, hibrid-elektromos járművek, hajtásrendszerek architektúrája, szabályozása, menedzsmentje és energiaforrások

Ez a funkció a fullhibrid járműveknél lehetséges. Ilyenkor csak a villamos gép hajtja meg a járművet, a belsőégésű motor leválasztásra kerül. A jármű csöndben, szinte hangtalanul és lokális emisszió nélkül közlekedik

6.1. ábra - Tisztán villamos hajtás

A hibrid üzemmódba tartozik a belsőégés motor és a villamos gép közösen szolgáltatja a szükséges forgatónyomatékot a jármű hajtására (6.2. ábra). A nyomatékelosztáson kívül a vezérlőegység figyeli a káros anyag kibocsátást, az akkumulátor töltöttségi szintjét és az üzemanyag-fogyasztást is.

Villamos rásegítéskor a belsőégésű motor és a villamos gép forgatónyomatékot szolgáltat a jármű megfelelő hajtásához. Ha hirtelen megnő a nyomatékigény a hibridvezérlő utasítást ad a villamos gépnek, hogy támogassa a belsőégésű motort pozitív nyomatékkal. Gyorsításkor a belsőégésű motor alacsonyabb fordulatszámánál kevesebb nyomatékot szolgáltat, ilyenkor a villamos gép szolgáltatja a nagyobb nyomatékot (6.2. ábra).

6.2. ábra - Villamos rásegítés

Az energiatároló egység töltése a következőképpen történhet. A belsőégésű motor a kerekek hajtása mellet, a villamos gépet is meghajtja, így generátor üzembe helyeződik. Másik lehetőség a fékezés során villamos visszatöltés a kerekek felől. A visszatöltés során a belsőégésű motor több forgatónyomatékot szolgáltat, mint amennyi szükséges a jármű hajtásához. A többlet teljesítményt a villamos gép felhasználja az akkumulátorok töltésére (6.3. ábra).

6.3. ábra - Járműhajtás és töltés üzemmód

A fékenergia visszatöltésnél nem vagy csak részben fékeződig az üzemi fékek hatására, ilyenkor a villamos gép fékezőnyomatéka lassítja a járművet. A villamos gép generátor üzembe kapcsol és a jármű mozgási energiáját villamos energiává alakítja, amivel tölti az akkumulátorokat (6.4. ábra). A visszatápláló fékezést rekuperáló fékezésnek is nevezik.

6.4. ábra - Rekuperáló fékezés

A hibrid járművekben alkalmazzák főként a Start/stop funkciót, de csak belsőégésű motorral ellátott járművek is rendelkezhetnek ilyen rendszerrel. Feladata, hogy álló járműnél a belsőégésű motort automatikusan leállítsa. A leállítás létrejön, ha:

Amint a járművezető a tengelykapcsolót benyomja, a megerősített indítómotor megforgatja a belsőégésű motor főtengelyét.

A mildhibridek az alábbi funkciókkal rendelkeznek:

A villamos gép és a belsőégésű motor forgatónyomatéka összeadódik. Maximálisan 20kW kimenő teljesítményt tud biztosítani a villamos gép. Ezt a járműindulásnál és gyorsításnál használja.

A belsőégésű motor és a villamos gép együtt forognak mivel nem kapcsolható szét a két egység.

A fullhibrid tisztán villamos hajtásra is képes és ezekkel hosszabb távolságok megtételére is képes. Ilyenkor csak a villamos gép hajt, a belsőégésű motor nem működik. A villamos hajtás rendszer 200-350V-os feszültségen működik.

Plug-in, azaz a tölthető fullhibrid. Az akkumulátor pakk nem csak visszatáplálás révén belső hálózatról tölthető, hanem külső forrásból (például: hálózati csatlakozóból) is. A külső töltés speciális csatlakozón keresztül történik.

Egy hibrid jármű felépítése nagy vonalakban meghatározza a kapcsolat az energia áramlásának irányait meghatározó komponensek és az irányító portok között. Hagyományosan a „HEV”-ek két fő típusra bonthatóak: soros és párhuzamos. Érdekes lehet megjegyezni, hogy 2000-ben néhány újonnan bemutatott HEV egyik csoportba sem volt sorolható. Ezért a hibrid elektromos járműveket manapság négy csoportba sorolhatjuk: soros hibrid, párhuzamos hibrid, soros-párhuzamos hibrid illetve komplex hibrid (a következő ábrák mutatják be ezeket). Az ábrákon az üzemanyagtartály, belsőégésű motor, valamint az akkumulátor-elektromos motor párok adottak, mint példák az elsődleges (állandó) erőforrásra és a másodlagos (dinamikus) erőforrásra. Természetesen a belső égésű motor kicserélhető más típusú erőforrásra is, mint például üzemanyagcellára. Ugyanígy az akkumulátorok is kicserélhetőek ultrakapacitásokra, vagy lendkerekekre, esetleg ezek kombinációjára, melyeket részletesen tárgyalunk a következő fejezetekben.

6.7. ábra - Soros hibrid

6.8. ábra - Párhuzamos hibrid

6.9. ábra - Soros - párhuzamos hibrid

6.10. ábra - Komplex hibrid

A soros hibrid hajtáslánc egy olyan hajtáslánc melynél a két erőforrás egy hajtóművet táplálnak (villamos gép) mely a járművet hajtja. A legelterjedtebb soros hibrid hajtáslánc a 6.11. ábra látható. Az egyirányú energiaforrás az üzemanyagtartály, az energia-átalakító pedig egy belsőégésű motor, egy elektromos generátorhoz csatlakoztatva. A generátor kimenete egy elektromos-átalakítón átmenő buszhoz csatlakozik (egyenirányító). A kétirányú energiaforrás egy akkumulátor, mely egy elektronikus átalakítón (DC/DC konverter) keresztülcsatlakozik a buszhoz. A busz ezen kívül csatlakozik még az elektromos motorvezérlő elektronika egységéhez is. A villamos gép használható erőforrásként vagy generátorként is, kétirányú nyomatékkal. Ehhez a hajtáslánchoz kellhet egy akkumulátortöltő is, mely az elektromos hálózatról tölti az akkumulátorokat, tehát Plug-in üzeme is van.

6.11. ábra - Soros hibrid-elektromos hajtáslánc

A soros hibrid elektromos hajtásláncnak a következő üzemi módjai lehetségesek:

A soros hibrid hajtáslánc előnyei:

A soros hibrid hajtásláncoknak vannak hátrányai is:

6.4.2.1. Párhuzamos hibrid-elektromos hajtásrendszer

6.12. ábra - Párhuzamos hibrid-elektromos hajtáslánc

A párhuzamos hibrid elektromos hajtáslánc olyan hajtáslánc, amely a motor nyomatékot mechanikus módon juttatja el a kerekekhez úgy, mint egy hagyományos belső égésű motoros járműnél. Egy elektromos motor segíti, mely mechanikusan kapcsolódik a váltóműhöz. A belsőégésű motor és az villamos gép nyomatékát egy mechanikus csatolás egyesíti (6.12. ábra). A belsőégésű motor és a villamos gép mechanikai csatolása sok különböző beállításnak ad teret, melyeket később részletesebben tárgyalunk.

6.4.2.1.1. Nyomatékösszegző hibrid-elektromos hajtásrendszer

6.12. ábra látható mechanikus csatolás lehet nyomaték vagy sebesség-összegzéses. A nyomaték-összegzés a motor és az elektromos motor nyomatékát összeadja, vagy a motor nyomatékát két részre bontja: meghajtás és akkumulátortöltés. A 6.13. ábra elméletben mutatja be a nyomaték-összegzést, melynek két bemenete van. Egyik a motorból a másik pedig az elektromos motorból. A mechanikus nyomaték-összegző kimenete a mechanikus váltóműbe megy.

Ha elhanyagoljuk a veszteséget, a kimeneti nyomaték és szögsebesség leírható:

$T_{out}=k_1\cdot T_{in1}+k_2\cdot T_{in2}$

és

${\omega }_{out}=\frac{{\omega }_{in1}}{k_1}=\frac{{\omega }_{in2}}{k_2}$

ahol k ₁ és k ₂ konstansok, a nyomaték-összegzés paraméterei által meghatározva. A (6.14. ábra) ábrán a leginkább használatos mechanikus nyomaték-összegzők listája látható.

Többféle változata van a nyomaték-összegzéses hibrid hajtásláncoknak. Két csoportra bonthatók, egy, illetve kéttengelyes típusokra. Mindkét kategóriában a váltómű különböző helyekre tehető, és más áttételekkel tervezhető, mely eltérő vonókarakterisztikát eredményez. Az optimális tervezés nagyrészt az elvárásoktól függ, például a motor mérete és karakterisztikája, vagy az villamos gép mérete és karakterisztikája stb.

6.13. ábra - Nyomatékösszegzés az elméletben

6.14. ábra - Mechanikus nyomaték-összegzők

A 6.15. ábra a két-tengelyes változatot mutatja be, ahol két váltóművet használunk: az egyik a belsőégésű motor és a nyomaték-összegző között helyezkedik el, a másik pedig a nyomatékösszegző és az villamos gép között kap helyet. Mindkét váltómű egy vagy többfokozatú. Egyértelmű, hogy a két váltó sok vonóerő profilt hoz létre. A hajtáslánc kihajtó nyomatéka sok féle és a hatékonysága kiemelkedő lehet, mert a két többsebességű váltó több lehetőséget teremt mind a motor mind az elektromos vontatórendszer (villamos gép és akkumulátor) számára, hogy az optimális tartományukban üzemeljenek. Ez a tervezés nagyobb rugalmasságot is biztosít a motor és az elektromos motor karakterisztikájának tervezésekor. Ugyanakkor két többsebességes váltómű nagyban megbonyolítja a hajtásláncot.

6.15. ábra - Kéttengelyes konstrukció

A 6.15. ábra alapján hajtóműként használható egy vagy több sebességes váltómű. Alapvetően a többfokozatú hajtómű a belsőégésű motorhoz az egyfokozatú a villamos motorhoz van kötve.

A sebességváltóként üzemelő hajtómű a belsőégésű motort illeszti a jármű hajtáshoz. Az általában lassító áttételű konstans áttételű hajtás a villamos motor méreteinek és leadott áramának a csökkentését teszi lehetővé, növelve a villamos hajtás hatásfokát.

6.16. ábra - Kéttengelyes konstrukció jelleggörbével

A párhuzamos hibrid hajtásláncok egy másik fajtáját láthatjuk az 6.16. ábra, ahol a váltómű a nyomatékösszegző és a kardántengely között helyezkedik el. A váltó így a belsőégésű motor és az elektromos motor nyomatékát egyszerre viszi át. A nyomatékösszegzőbe tervezett áttétel biztosítja az elektromos motor számára, hogy más fordulatszámtartományban üzemeljen, mint a belső égésű motor; így egy nagy fordulatszámú motor használható. Ez az összeállítás akkor használható, ha relatív kis belsőégésű motor és elektromos motor van használatban, és egy többsebességes váltó szükséges a vonóerő létrehozásához alacsony sebességeknél.

6.17. ábra - „pretransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid

A nyomaték-összegzős párhuzamos hibrid egyszerű és kicsi verziója az egy tengelyes konfiguráció, ahol az elektromos motor rotorja működik nyomaték-összegzőként (k₁=1 és k₂=1), ahogy a 6.17. ábra és 6.18. ábra látható. A váltó lehet az villamos gép után, mely így egy tengelykapcsolón keresztül csatlakozik a belsőégésű motorhoz, vagy lehet a belsőégésű motor és a villamos gép között. Az első az úgynevezett „pretransmission” (a motor a váltó előtt van, 6.17. ábra), utóbbi pedig ún. „posttransmission” (a belsőégésű motor a váltó után van, 6.18. ábra).

A „pretransmission” konfigurációban, a váltó mind a motor nyomatékát mind pedig az elektromos motor nyomatékát átalakítja. A két erőforrásnak azonos fordulatszám tartományban van. Legtöbbször kis belsőégésű motor esetén használják, úgynevezett gyenge hibrid hajtásláncként, ahol az elektromos motor a motor beindítására, elektromos generátorként, motor erő segédként és a fékezési energia visszanyerésére szolgál.

6.18. ábra - „posttransmission” egytengelyes nyomatékösszegző párhuzamos hibrid

6.19. ábra - Párhuzamos hibrid hajtás külön tengelyen

A „posttransmission” konfiguráció esetén (lásd 6.18. ábra) a váltómű csak a belsőégésű motor nyomatékát tudja átalakítani, míg az elektromos motor nyomatéka egyből a hajtott kerekekhez megy. Ez a hajtáslánc akkor használatos, ha egy nagy elektromos motor sokáig egy tartományban üzemel. A váltó feladata csak az, hogy változtassa a motor használatát, ezzel növelve a jármű teljesítményét és hatékonyságát. Fontos megjegyezni, hogy az akkumulátorok nem tölthetőek a motor által az elektromos motor generátorként való használatával, amikor a jármű egyhelyben áll és az elektromos motor közvetlenül a hajtott kerekekkel csatlakozik.

Az elválasztott tengelyes felépítés magában hordozza a hagyományos járművek néhány előnyét. A motort és a váltót változatlanul hagyja, és a másik tengelyre helyez egy elektromos rendszert. Ezen kívül négy kerék meghajtású lehet, mely csúszós úton nagyobb tapadást biztosít, és egy kerékre kevesebb vonóerőt juttat.

Hátránya, hogy az elektromos berendezések és az esetleges differenciálmű nagy helyet foglalnak, és így csökkentik az utasok és csomagok számára fenntartott helyet. Ez a probléma megoldható, ha a váltó egysebességes, és az elektromos motor helyét két kisebb elektromos motor veszi át, melyek két kerékhez külön helyezhetőek el. Megjegyzendő, hogy az akkumulátorok nem tölthetők a motor által álló helyzetben.

6.4.2.1.2. Fordulatszám összegző hibrid-elektromos hajtásrendszer

Két erőforrás ereje a sebességük összevonásával is egyesíthető (lásd: 6.20. ábra). A sebesség-összegzés karakterisztikája leírható:

ω out =k 1 ω in1 +k 2 ω in2

és

T out =T in1 /k 1 =T in2 /k 2

Ahol k₁ és k₂ konstansok, az aktuális tervezéstől függőek.

6.20. ábra - Sebesség összegző

A 6.21. ábra két jellegzetes sebesség-összegző berendezést mutat be: az egyik egy bolygómű a másik pedig egy elektromos motor egy állórésszel, melyet ez a könyv csak „transmotor”-nak nevez. A bolygómű egy három részes egység, mely egy napkerékből (1), egy külső gyűrűből (2) és egy kengyelből (3) áll. Az elemek közötti nyomaték és sebességrelációk jelzik, hogy ez egy sebesség-összegző berendezés, melyben a sebesség, a napkerék és a külső gyűrű adódnak össze és a kengyelen át adják le az energiát. A k ₁ és k ₂ konstansokat a fogaskerekek mérete és fogainak száma határozzák meg.

6.21. ábra - Gyakori sebességösszegző berendezések

Egy másik érdekes berendezés a transmotor, melynél az állórész, mely általában a kerethez rögzített, egy kimeneti port. Másik két része a rotor és a légnyílás melyeknél az elektromos energia mechanikus energiává alakul át. A motor sebessége, a rotornak az állórészhez viszonyított sebessége. Az akció-reakció törvény miatt, a rotoron és állórészen lévő nyomaték mindig ugyanakkora, és konstansként: k ₁ =1 és k ₂ =1.

6.22. ábra - Bolygóműves sebességösszegző rendszer

Ugyan úgy, mint a nyomaték-összegzéses berendezésekkel, a sebesség-összegző berendezésekkel is többféle hajtáslánc hozható létre. A motor nyomatékát a napkerékig egy tengelykapcsoló és egy sebességváltó közvetíti.(lásd 6.22. ábra). A váltó átalakítja a belsőégésű motor sebesség-nyomaték karakterisztikáját a kívánalmaknak megfelelően. Az elektromos motor nyomatékát egy fogaskerék adja át a bolygómű-külsőgyűrűéhez. Különböző üzemi módok eléréséhez az 1-es és a 2-es fékkel ( zárral ) rögzíthető a napkerék és a külső gyűrű a jármű fix keretéhez. A következő módok lehetségesek:

1. Hibrid hajtás: mindkét fék nyitott állapotban van, akkor a motor és az elektromos motor is pozitív sebességet és nyomatékot szolgáltat a hajtott kerekeknek.

2. Belsőégésű motorikus mód: a 2-es zár a kerethez zárja a külső gyűrűt, az 1-es zár nyitva van, csak a motor szolgáltat nyomatékot a hajtott kerekeknek.

3. Elektromos mód: az 1-es zár a kerethez zárja a napkereket, (a motor le van állítva vagy a kuplung kikapcsolt állapotban van), a 2-es zár nyitva van és csak az elektromos motor szolgáltatja vonóerőt.

4. Az 1-es zár zárva van, a belsőégésű motor leállt vagy a kuplung leválasztja, az elektromos motor pedig energia visszanyerő módban van (negatív nyomaték). A jármű kinetikus energiája az elektromos rendszer által tárolható.

5. Akkumulátortöltő mód: ha az irányítás negatív sebességet ad meg az elektromos motornak, akkor az a motorból szerez energiát.

A sebesség-összegzéses hibrid hajtáslánc előnye, hogy a két erőforrás szétválasztott, így mindkettő szabadon választható. Ez az előny olyan erőforrásoknál fontos mint a Stirling motor vagy a gázturbinás motor, ahol a hatékonyság sokkal inkább a fordulatszámon múlik és nem a nyomatékon.

Elektrokémiai akkumulátorok, olyan elektrokémiai eszközök, amelyek kémiai úton elektromos energiát állítanak elő. Az akkumulátor több energia cellából épül fel.

A cella egy független és teljes egység, amely elektrokémiai tulajdonságokkal rendelkezik.

Alapvetően egy akkumulátor cella három főbb részből áll: két elektródát (pozitív és negatív) és az elektrolit, amibe az elektróda el van belemerítve.

6.23. ábra - Akkumulátor főbb részei

Az akkumulátorgyártók meghatározzák az akkumulátor kapacitását (coulometriás, amper-óra), és a kisütési diagramot (6.24. ábra).

6.24. ábra - Kisülési feszültség esés

6.25. ábra - Kisülési karakterisztika a savas akkumulátoroknál

Általában, kisebb kapacitásnál, nagy kisülési áram arány, amint a 6.25. ábra is mutat. Az akkumulátorgyártók ezt az arányt adják meg a termékein.

Például egy akkumulátor címéjén 100Ah a C/5 kisütési sebesség van feltüntetve.

Egy másik fontos paramétere az akkumulátornak a SOC (State Of Charge=töltöttségi fok). Az SOC a teljesen feltöltött kapacitáshoz viszonyított fennmaradó kapacitás aránya.

Ezáltal egy teljesen feltöltött akkumulátort SOC értéke 100%-os, és egy teljesen lemerült akkumulátor SOC értéke 0%-os. Azonban, a "teljesen lemerült" akkumulátor néha okoz zavart, mert a különböző kapacitásoknak eltérő a kibocsátási aránya, és eltérő a kisütési cut-off feszültség (6.24. ábra).

Az SOC változás egy időbenintervallum, dt, a kisütés és töltés áram „i” lehet kifejezni

ha Q (i) az amper órás akkumulátor kapacitása a jelenlegi ütemben i.

A kisütés, i pozitív, és a töltés, i negatív. Így, a SOC az akkumulátor lehet kifejezni, ha SOC₀ a kezdeti értéke SOC.

A EV és HEVjárműveknél az energia kapacitást fontosabbnak tartják, mint a coulometriás kapacitás (amper-óra), mivel az közvetlenül a jármű működését befolyásolja.

A táblázat bemutatja az elektrokémiai akkumulátorok tulajdonságait.

Az EV és a HEV járművek gyakori start/stop műveletei miatt, az energiatároló kisütés és a töltés profilja igen változatos. Az energiatároló átlagos energiafelhasználásánál energiacsúcsok jelentkeznek, mint például gyorsítás, vagy hegymenet, viszont vannak olyan helyzetek mikor visszatölthetünk az akkumulátorokba. Hogy megfelelő mennyiségű töltést használjunk, fel ultrakapacitásokat alkalmazunk. Az akkumulátorok egy lejtőn visszatáplált energiamennyiségének csupán egy részét képesek befogadni, míg a kapacitások nagy töltésmennyiséget tudnak raktározni rövid idő alatt. Természetesen ezt a töltésmennyiséget az energiacsúcsoknál használjuk fel. Így képesek vagyunk a csúcsokat „kisimítani”.

Nem újdonság kinetikai energiát hasznosítani energiatárolásra. 25 éve a svájci Oerlikon Engineering Company készítette el az első személyszállító busz energiatároló lendkereket. A lendkerék 1500kg tömegű és 3000 percenkénti fordulatű volt és az elektromos hálózatot táplálta, ha állt a jármű.

6.5.3.1. Lendkerekek működési elve

A forgó lendkerék kinetikus energiát tárol

$E_f=\frac{1}{2}\cdot J_f\cdot {\omega }_f^2$,

ahol a J _f a lendkerék pillanatnyi tehetetlensége [kgm²/sec], az ω _f a lendkerék szögsebessége [rad/sec]. Az egyenlet azt mutatja, hogy a lendkerék szögsebességével, geometriájával és tömegével növelhető az energiakapacitás. Jelenleg egyes prototípusok 60,000 fordulat/perces fordulatszámmal forognak. A technika mai állása szerint, nehéz közvetlenül mechanikai energiát tárolni. A lendkerék meghajtásához szükséges egy fokozatmentesen változtatható váltómű, azaz CVT (continuous variation transmission) széles áttétel aránnyal. Általában használt megoldás, ha a villamos gép közvetlenül vagy áttétellel forgatja meg a lendkereket, vagy táplálja vissza, ez az úgynevezett mechanikus energiatároló. A villamos gép, úgy működik, mint energia bemenet és kimenet, Átalakítja a mechanikai energiát villamos energiává vagy fordítva, ahogy a 6.26. ábra is mutatja.

6.26. ábra - Lendkerék elvi ábra

6.27. ábra - Tipikus lendkerék geometriája