Kun Róbert (szerk.)

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

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


4.1. Általános tulajdonságok [7]

Az utóbbi évtizedben azt láthatjuk, hogy az akkumulátoros elektromos autók évről évre folyamatosan nagyobb arányban jelennek meg az új autók piacán. Az arányuk már most jelentősnek mondható, és ma úgy tűnik, hogy a jövőben a hajtáslánc-alternatívák közül ez lesz a leghangsúlyosabb, főleg a személyautók kategóriájában. Terjedésüket elősegíti a törvényi szabályozás is, nagy előnyük, hogy lokálisan szinte teljesen emissziómentesek.
Terjedésüket hátráltatja a magasabb áruk, melyet állami támogatásokkal igyekeznek legalább részben kompenzálni. A magasabb előállítási ár fő oka az akkumulátorokból adódik, ez viszont változó mértékű, de folyamatos csökkenést mutat. Az akkumulátoros elektromos autók összes jelenlegi hátránya az akkumulátorokhoz kapcsolódik: az ár mellett a hosszabb töltési idő (még hiányos infrastruktúrával), a nagy tömeg és a kisebb hatótáv. Napjaink fő járműmérnöki fejlesztései ezekre a kihívásokra igyekeznek megoldást találni.
Fontos megjegyezni, hogy az autóiparban most nagyon izgalmas időszakot élünk, ugyanis nagyon bizonytalan, hogy milyen autókkal fogunk 10-15 év múlva járni. Sokan kételkednek az elektromos autók széles körű elterjedésében. Viszont ha a járműipari fejlesztéseket tekintjük, akkor úgy tűnik, hogy az ipar letette a voksát az elektromobilitás mellett. Ez elsősorban a személyautók kategóriáira érvényes, nehezebb jármű-kategóriákban még nem tűnik ennyire eldöntöttnek a kérdés.
Mérnöki szempontból az elektromos hajtások új lehetőségeket jelentenek. Az elektromos hajtások egyszerűségüknél fogva megbízhatóbbak lehetnek, a kompaktságuk miatt pedig jobb térkihasználású járműveket lehet tervezni. Szintén nagy előny a csöndesebb üzem és a remek gyorsítóképesség is. Utóbbit alapvetően a gumiabroncs-talaj kapcsolat határozná meg, viszont az elektromos hajtások kerékszlip-szabályozása sokkal hatékonyabb lehet a hagyományos hajtásokénál. Összkerékhajtás alkalmazása esetén pedig a gyorsítóképesség tovább javítható, ami magasabb árkategóriában fontos marketingelőnnyel jár.
Az akkumulátorok magas előállítási költségei és nagy tömege miatt az elektromos autók legfőbb korlátja az akkumulátor kapacitásából adódó hatótávkorlát. A hagyományos járműhajtásokhoz képest a kisebb hatótáv mellett az elektromos autók töltési ideje is jelentősen hosszabb. A nagyobb teljesítményű töltés és a kisebb áramerősségek miatti kisebb veszteségek érdekében növelik egyre magasabbra az akkumulátorok feszültségszintjét. Egyre több elektromos autónál jellemző a 800 V-os rendszerfeszültség.
Ha a hajtásrendszer teljesítményfolyamát tekintjük, akkor az elektromos autók első fontos alkatrésze a nagy feszültségű akkumulátor, amely kémiailag kötött formában elektromos energiát tárol. Az akkumulátor az autó legkomplexebb alkatrésze. A cellák mellett szüksége van töltőrendszerre, hőmérséklet-temperáló rendszerre, biztonsági rendszerre és diagnosztikára is. Mindezeket együttesen akkumulátormenedzsment-rendszernek nevezik.
Az akkumulátor egyenáramát az inverter alakítja át háromfázisú váltóárammá, amire a villamos gépnek szüksége lesz. Az inverternek szintén szüksége van hűtésre.
Az elektromos autókban alkalmazott villamos gépekről külön fejezetben térünk ki. Szintén jelentős a hűtési igényük.
A villamos gép kihajtótengelyét össze kell kötni egy erőátviteli rendszeren keresztül a kerékhajtással. Ezt rendszerint egy egyfokozatú hajtóművel, egy differenciálművel és féltengelyekkel teszik meg.
A teljesítményfolyam és a benne lévő hajtáselemek a 5.19. ábrán tekinthetők meg.
 
5.19. ábra. Az akkumulátoros elektromos járművek hajtáslánc-felépítése
 
Mint látható, a hajtáslánc több elemének van hűtés-fűtés igénye. Ráadásul a sokkal jobb hatásfokok miatt itt nincs olyan mértékű veszteséghő, mint belső égésű motorok esetén, amit könnyedén fel lehetne használni az utastér fűtésére. Mindezek miatt az elektromos autók termomenedzsment-rendszere a jármű egyik legösszetettebb eleme és egyben napjaink egyik legfontosabb fejlesztési területe.
A hagyományos, 12 V-os fedélzeti rendszer ugyanúgy megtalálható az elektromos hajtású autókban, mint a hagyományosakban. Ennek az az oka, hogy az utastérbe kockázatos lenne nagy feszültségű hálózatot bevezetni. Szintén fontos ok, hogy ezek a komponensek megegyeznek a hagyományos járművekben talált megoldásokkal, így egyelőre nem volt rá motiváció, hogy áttervezzék őket. Hatékonyságnövelés miatt viszont várhatóan terjedni fognak a 48 V-os rendszerek.
A kis feszültségű hálózatban itt is megtalálható a hagyományos ólomsavas akkumulátor. A két akkumulátor között feszültségkonverter biztosítja a kapcsolatot. A kis feszültségű akkumulátor egyik legfontosabb szerepe, hogy működtesse a nagy feszültségű akkumulátor biztonsági rendszerét, igény esetén azt leválassza a hálózatról. A kiegészített rendszerarchitektúra látható a 5.20. ábrán.
 
5.20. ábra. Az akkumulátoros elektromos járművek architektúrája
 
A kerékhajtás kialakítása szempontjából az elektromos járműhajtások lehetnek:
  • központi hajtásúak, ahol egy villamos gép hajtja az adott tengelyt egy hajtóművön és egy differenciálművön keresztül,
  • kerekenkénti hajtásúak, ahol az egyes kerekeket egy hajtóművön keresztül függetlenül hajtja egy-egy villamos gép,
  • kerékagymotorosak, ahol a villamos gép rugózatlan tömegként a kerékagy mellé van beépítve 1:1 áttétellel, esetleg egy kisebb, fordulatszámcsökkentő hajtóművel.
Az egyes kialakítások szimbolikus ábrázolással megtekinthetők a 5.21. ábrán.
 
5.21. ábra. Az elektromos hajtású járművek hajtásláncelrendezésének lehetőségei
 
Az utóbbi két megoldás esetén a villamos gépek vezérlésével könnyen megvalósítható az ún. „torque-vectoring”, azaz a keresztirányú járműdinamikai stabilitás biztosítása.
Az első megoldás nagyon hasonlít a hagyományos hajtásokra, ahol a motorváltó egység tartóbakokon van felfüggesztve a járművázba. Ennek a megoldásnak a kereskedelmi megnevezése az „eAxle”, ami a műszaki szóhasználatban is elterjedt. Az egyszerűsége és kisebb gyártási költsége miatt ezt a hajtást alkalmazzák az elektromos autók túlnyomó többségében.
Az eAxle három részből áll: teljesítményelektronika, villamos gép (eMotor), hajtómű.
A központi hajtás az első és a hátsó tengelyen egyaránt elhelyezhető, sok esetben a futómű-segédkeretre rögzítik. Összkerékhajtás esetén elölre és hátulra is beépítik.
Az elektromos autók hatótávolsága lényegében egyenesen arányos az akkumulátor kapacitásával. Az elektromos autók utóbbi 15 évében az akkumulátorok kapacitása jelentősen növekedett, és így a hatótávolság is. A hatótávolság tovább javítható a jármű hatékonyságának növelésével is. A légellenállás és a gördülési ellenállás csökkentése fontos fejlesztési terület lett. Szintén jelentős hatótáv-növekedést eredményez a jármű hőmenedzsmentjének a fejlesztése.
A hatótáv megállapítása szabványos menetciklusokkal történik. Európában a WLTP menetciklust fogadják el hivatalosan. Az USA-ban az EPA menetciklusát alkalmazzák. Az EPA hatótáv rendre kevesebb szokott lenni a WLTP hatótávnál.
Az elektromos autók energiafogyasztását nem olyan egyszerű megállapítani, mint hagyományos hajtások esetén. A vonatkoztatási alap megállapításakor problémát jelent az akkumulátor kapacitása. A névleges kapacitás nem használható fel teljesen, mert az akkumulátort nem szabad teljesen lemeríteni. A felhasználható akkumulátorkapacitásból számolt fogyasztás lényegében a TTW (tank-to-wheel) fogyasztás lenne. Viszont, amikor fel kell tölteni az akkumulátort, akkor a töltőrendszer felvett energiamennyisége számít, ami akár 10–15%-kal magasabb érték is lehet. Az eltérés a töltési veszteségekből adódik [8].
A fogyasztást leggyakrabban kWh/100 km-ben szokás megadni, egy tipikus személyautó fogyasztása ma 15 és 20 kWh/100 km közé esik. A 5.22. ábrán jellemző fogyasztási értékeket és egy menetciklusban felvett pillanatnyi fogyasztásdiagramot figyelhetünk meg.
 
5.22. ábra. Az akkumulátoros elektromos járművek 100 km-re vetített és pillanatnyi fogyasztása [8]
 
Az akkumulátorban tárolt energia a jármű mozgása közben a hajtáslánc veszteségeivé (inverter, villamos gép, hajtáslánc mechanikai veszteségei), gördülési ellenállási veszteséggé, légellenállási veszteséggé, a jármű potenciális energiájává és a jármű mozgási energiájává alakul. Emellett még számottevő a hagyományos fékrendszer veszteségteljesítménye és a fedélzeti rendszerek energiaigénye is. Lejtmenetben a helyzeti energia, lassítás közben pedig a jármű mozgási energiájának egy része visszanyerhető elektromos energiaként. Ebből a szempontból a jármű tömege energiatárolóként is viselkedik, a helyzeti és a mozgási energia esetében is. Ez az energiamenedzsment tervezésében fontos szempont. Az energiaátalakulás mérlegét és az energiatárolás lehetőségeit mutatja be a 5.23. ábra.
 
5.23. ábra. Akkumulátoros elektromos jármű energetikája gyorsítás közben, az energiatárolás lehetőségei (akkumulátor, jármű mozgási energiája, jármű helyzeti energiája) [7]
 

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