Kun Róbert (szerk.)

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Fejezetek a villamosenergia-rendszerek, az elektrokémiai és további energiatárolási technológiák témaköréből


3.3. Hibrid hajtásrendszerek topológiái [6]

A hibrid hajtás konstrukciója szempontjából megkülönböztethetjük a hajtáslánc-topológiákat. Hagyományosan itt a párhuzamos, soros és vegyes hibrid hajtásokba szokták csoportosítani a járműveket. A párhuzamos hibridek esetén a két hajtás nyomatéka valahol a járműben összegződik. Soros hibridek esetén a teljesítményfolyam az összes hajtáselemen végighalad. A vegyes hibridek pedig átmenetet képeznek a kettő között.
A topológiák csoportosítása szempontjából a Bosch felosztása logikusabb rendszert mutat be [6]. Abból indul ki, hogy hogyan is történt az adott hibrid hajtáslánc fejlesztése. Az egyik gyakori megoldás, hogy a meglévő belső égésű motor hajtásláncba valahová beillesztenek egy villamos gépet. Ezeket a megoldásokat „add-on” hibrideknek hívják, és ezek mind párhuzamos hibrid hajtások. A Bosch-féle terminológia alapján ezeket P-vel és egy számmal jelölik, a szám azt mutatja, hogy hol van a hajtásláncban az elektromos hajtás.
A legegyszerűbb hibrid hajtások a P0 hibridek. A topológiát a 5.11. ábra mutatja. Ezeknél a hajtásoknál a villamos rásegítést a belső égésű motor generátorának a helyére szerelik, és rendszerint hosszbordás szíjhajtással tudja hajtani a motor főtengelyét – nem is túl magas hatásfokkal a többi párhuzamos hibridhez képest. A villamos rásegítés teljesítménye töredéke a belső égésű motorénak. Az elektromos motor önállóan nem tudja hajtani a járművet. Az indítómotort kiválthatja, gyorsítás közben eltolhajta a belső égésű motor munkapontját az alacsonyabb fogyasztás irányába. A hibrid hajtás saját, kis kapacitású akkumulátorral rendelkezik, melyet elsősorban tolóüzemben célszerű töltenie.
 
5.11. ábra. P0 hibrid hajtáslánc-topológia
 
A P1 hibrid hajtás esetén a villamos rásegítés a belső égésű motor és a tengelykapcsoló között található. Tisztán elektromos üzemre ez a megoldás sem képes, viszont a méretéből (is) adódóan ez már jelentősebb elektromos teljesítményt tud a hajtásba adni. A villamos gép tervezésénél peremfeltételt jelent, hogy az mindig együtt forog a motor főtengelyével. A topológiát a 5.12. ábra mutatja.
 
5.12. ábra. P1 hibrid hajtáslánc-topológia
 
P2 hibrid hajtás esetén az elektromos motort a tengelykapcsoló és a sebességváltó közé helyezik el – rendszerint a sebességváltó házába. A villamos gép még itt is azonos fordulatszám-tartományban működik a belső égésű motorral, viszont a tengelykapcsolónak köszönhetően már képes tisztán elektromos hajtásra, és így a hátrameneti fokozat kiváltására is. A topológia a 5.13. ábrán látható.
 
5.13. ábra. P2 hibrid hajtáslánc-topológia
 
A P3 hibridek esetén a villamos hajtás a sebességváltó és a kerékhajtás között található. A Formula 1-ben alkalmazott hibrid rásegítő rendszerek (KERS, ERS) is ezt a megoldást alkalmazzák – P2 hibrid sport és versenyautók esetén a menetdinamikai képességek javítása a cél. Általában a váltóházra szerelik az elektromos hajtóegységet. A hajtáslánc topológiája a 5.14. ábrán látható.
 
5.14. ábra. P3 hibrid hajtáslánc-topológia
 
A P4 hibridekben alkalmazott elektromos hajtás nagyon hasonlít a tisztán elektromos autók hajtásrendszereihez. Ilyenkor a belső égésű motor és a villamos hajtás a jármű külön-külön tengelyeit hajtja. Ez a plug-in hibridek tipikus megoldása, továbbá összkerékhajtást is egyre gyakrabban csak így valósítanak meg (pl. sportautóknál is). A topológia megfigyelhető a 5.15. ábrán.
 
5.15. ábra. P4 hibrid hajtáslánc-topológia
 
Míg az add-on hibrideknél az elektromos hajtásláncot egy meglévő hajtásláncba tervezik bele, addig a másik csoportnál, a dedikált hibrideknél a hajtást az alapoktól hibridnek tervezik. A gyakorlatban ez leggyakrabban a sebességváltók teljesen más kialakítását szokta jelenteni. A dedikált hibridek között megkülönböztetünk soros, soros-párhuzamos, teljesítményosztó és többmódú hibrideket. Dedikált hibrideket elsősorban a távol-keleti gyártók forgalmaznak.
A soros hibridek esetén a belső égésű motor csak egy generátort hajt, melyen keresztül vagy az akkumulátort töltjük, vagy egy másik villamos géppel a járművet hajtjuk. A hajtás előnye, hogy a belső égésű motor működhet egy optimális munkapontban, jó hatásfokkal. A járműben történő elhelyezésében is nagy szabadságot ad, hogy nincs mechanikus kapcsolat a belső égésű motor és a kerekek között. Hátránya viszont, hogy a sorban egymás után elhelyezett hajtáselemek hatásfoka összeszorzódik, azaz az összhatásfok alacsonyabb bármelyik elem hatásfokánál. Egy tisztán elektromos járműhöz képest sokkal rosszabb az összhatásfok. A topológiát a 5.16. ábra mutatja be.
 
5.16. ábra. Soros hibrid hajtáslánc-topológia
 
A soros hibridek hatásfokhátránya kiküszöbölhető, ha a két villamos gép mechanikusan összekapcsolható egy tengelykapcsolóval, azaz a belső égésű motor is mechanikusan bekapcsolható a hajtásba. Ezzel a soros hibrid átkapcsolhatóvá válik párhuzamos hibriddé, ezért hívják soros-párhuzamos hibridnek. A belső égésű motor mellé két, lapos, tárcsa alakú villamos gépet kell elhelyezni, közöttük a kapcsolható tengelykapcsolóval. A 5.17. ábra mutatja a soros-párhuzamos hibrid topológiát.
 
5.17. ábra. Soros-párhuzamos hibrid hajtáslánc-topológia
 
A legfontosabb hibrid hajtáslánc a Toyota megoldása, mely az első generációs Prius óta hasonló elven működik, a neve teljesítményosztó hibrid. A rendszerben itt is két villamos gép van a belső égésű motor mellett. Ez a három motor egy bolygómű tengelyeihez kapcsolódik. A nagyobb teljesítményű villamos gép pedig a kerékhajtáshoz is kapcsolódik. A bolygóműnek köszönhetően a rendszer szinte tetszőlegesen szabályozható a tisztán soros és a tisztán párhuzamos hajtás között. A szabályozás szabadsága egyúttal optimalizálási lehetőség is. A topológia a 5.18. ábrán figyelhető meg.
 
5.18. ábra. Teljesítményosztó hibrid hajtáslánc-topológia
 
Az olyan hibrideket, amelyek egyik korábban bemutatott kategóriába sem sorolhatók be, többmódú hibrideknek nevezik. A konstrukciós kialakítástól függően új funkciókat is megvalósíthatnak, például szinkronizálást a váltóban vagy a kis fordulatszámú (alapjárat alatti) működés áthidalását a tengelykapcsoló kiváltásával.
A legösszetettebb és egyben legtöbb szabályozási lehetőséget nyújtó hibrid hajtáslánc a Formula 1 versenysorozatban található, a 2014-es szabályváltozások óta. A versenyautókban 1,6 literes turbóhibrid motorokat alkalmaznak. A hajtásláncban két hibrid egység is van. Az egyik egy P3-as elektromos rásegítés a sebességváltóba beépítve (kinetikus energia-visszanyerő rendszer). A másik elektromos motor pedig a turbófeltöltő tengelyén található (hőenergia-visszanyerő rendszer). Ez utóbbi segíthet a turbólyuk megszűntetésében (hajtás), a feltöltőnyomás növelésében (hajtás) és a feltöltőnyomás szabályozásában is (visszatöltés).
A versenycélú használat és az összetett rendszer tucatnyi különböző mód megvalósítását teszi lehetővé. Például:
  • a hajtás szabályozása az adott versenypályára hangolható,
  • figyelembe véve az autó aerodinamikai jellemzőit és gumikezelését beállítható, hogy az autó az egyenesekben és a kanyarokban hogyan viselkedjen,
  • az ellenfelek beállításait figyelembe véve meghatározható, hogy a pálya mely részein legyen gyorsabb az autó, hogy könnyebben előzhessen vagy nehezebben előzzék meg,
  • a benzinfogyasztással kapcsolatos szabályok figyelembevételével teljesítménycentrikus és takarékos üzemmódok választhatók meg,
  • feltöltött akkumulátorral kezdve a kört időmérős üzemmód állítható be. Előtte töltő üzemmódra is szükség van.
Bár a járműgyártók fejlesztéseinek a fókuszában manapság nem a hibrid hajtásrendszerek vannak, a következő években a legnagyobb mennyiségben mégis ilyen járművek fognak az útra kerülni. Jelenleg azonban úgy látható, hogy a következő tíz év az elektromos átállásról fog szólni.

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Tartalomjegyzék


Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2025

ISBN: 978 963 664 126 9

A kötet átfogó, horizontális tematikával vezeti be az olvasót az akkumulátor értéklánc teljes spektrumába: bemutatja a villamosenergia-piac működését, a telepített energiatárolási megoldásokat, az akkumulátorok járműipari alkalmazása terén az alternatív hajtásláncok felépítését és kulcskomponenseit, valamint részletesen tárgyalja a Li-ion akkumulátorok felépítését, működését, gyártástechnológiáját és a legfrissebb fejlesztési irányokat. Áttekintést nyújt továbbá az akkumulátorok biztonságtechnikájáról, diagnosztikai eljárásairól és az újrahasznosítás legfontosabb szempontjairól. Az olvasó átfogó képet kaphat az elektrokémiai energiatárolás technológiai hátteréről, a mobilitási és telepített tárolási megoldások térnyeréséről, az akkumulátoripar hazai és globális fejlődési irányairól, valamint az ezekhez kapcsolódó lehetőségekről, kihívásokról és szabályozási kérdésekről. A kötet az akkumulátorgyártás alaplépéseitől a jármű- és energiarendszer-integrációig, a töltőinfrastruktúrától a biztonságtechnikai, gazdasági és jogi aspektusokig számos kapcsolódó területet is tárgyal. Hasznos olvasmány lehet gépész-, villamos- és vegyipari mérnökök, mechatronikai és gazdasági szakemberek, autóipari és energiaipari szereplők, valamint a közszféra és az oktatás területén dolgozók számára – de mindazoknak is, akik naprakész, rendszerszintű tudást keresnek az energiatárolás és az elektromobilitás dinamikusan fejlődő világában. A kötet elkészítését a Magyar Akkumulátor Szövetség támogatta.

Hivatkozás: https://mersz.hu/kun-energiatarolasi-es-akkumulatoripari-alapismeretek//

BibTeXEndNoteMendeleyZotero

Kivonat
fullscreenclose
printsave