Intelligens energiaháztartás

Az autók villamosenergia-háztartása is azon területek egyike, ahol – ha takarékoskodnunk kell – van mit keresni. Takarékoskodni, pedig kell! Már nemcsak százalékok, hanem tizedszázalékok is számítanak a virtuális serpenyőben. Az új modellek komfortelemei, a technikai új csodái – egy aktív futómű például 1 kW csúcsteljesítményt is igényel – falják az energiát, növelik a gépjármű tömegét. Így kettős cél is vár a konstruktőrökre, nemcsak az alaprendszerekkel szemben, hanem a „súlyfelesleggel” és energiaigény-plusszal szemben is csökkenteniük kell az autó szén-dioxid-kibocsátását.

A fedélzeti elektromosenergia-ellátásban, mint azt a bevezetőben mondtuk, vannak tartalékok. Először az igény oldalt vizsgálják. Minden fedélzeti fogyasztó megvizsgálandó, vajon önmagában energiatakarékos-e. Az állófűtésnél például intelligens szabályozással 30–50%-kal lehetett az áramigényt csökkenteni. Megvizsgálandó, hogy csak akkor kér-e a fogyasztó energiát, amikor az számára nélkülözhetetlenül szükséges, vészhelyzetben pedig lemondhatunk-e működéséről. Ezek a komplex energiamenedzsment-tervezés elemei, és ez az, amit az autógyárak ma a végletekig kihegyeznek.

Nincs elpazarolható energia, felesleges tárolókapacitás!

A takarékosság másik oldala az energia előállításánál keresendő. (Energiát nem lehet előállítani, de kedves olvasóink tudják, hogy ez alatt mire gondolunk.) Az előállításnál tehát az a fontos, hogy milyen energia segítségével „állítjuk elő” és milyen hatásfokkal.

Ha lehet, a generátort azzal a mechanikai energiával forgassuk meg, mely egyébként elveszne, és az átalakítás hatásfokát is növeljük.

1. ábra

Pár éve már ismerjük a motorféküzemben és fékezés alatti töltés megoldását. A generátor ilyenkor villamosan fékezi az autót, azaz a gépjárműfékezéshez szükséges energiát – természetesen részben – a generátor hajtásához szükséges energia adja. Ezt nevezzük rekuperációnak. Mivel vesszük rá a generátort, hogy hajtásigénye – magyarul, hogy nehezen lehessen megforgatni - nagy legyen? Ezt azzal érjük el, hogy a generátor szabályozott feszültségét az akkumulátor kapocsfeszültsége fölé növeljük (> 14,5 V, akár 16 V fölé is), így nagy töltőárammal az akkumulátor töltésére kényszerítsük (ha az engedi!).

Az autó haladása közben, elsősorban gyorsítás alatt, viszont nem engedjük, hogy a generátor energiát vegyen el a motortól, ezért a szabályozott feszültségét 12,8 V-nál kisebb értékre állítják.

Mindez akkor lehetséges ilyen egyszerűen, ha minden rendben van.

Az energiamenedzsment feladata

2. ábra

Az energiamenedzsment legfőbb feladata az autó mindenkori üzemkészségének biztosítása. Ezen belül is az első helyen az indíthatóság áll, melyet ma fokozottan kritikussá tesz a stop/start rendszer léte. Tehát az energiaháztartás felügyeletének ismernie kell az akkumulátorban a mindenkor tárolt energiamennyiséget ahhoz, hogy a töltésről, illetve az energiakivétel engedélyezéséről dönthessen.

Az akkumulátor – a savas ólomakkumulátor – túl a tömegén, nem könnyű eset. Tudjuk, hogy kapacitása többek között erősen függ a hőmérsékletétől, az áramkivétel módjától, intenzitásától, a töltés/kisütés ciklusától és nem kevésbé a korától. Az energiamenedzsmentnek mindezt tudnia kell. Az akkumulátor pólusára szerelt jeladó (BDM – Batteriedatenmodul) az áram „forgalomról”, feszültségről, hőmérsékletről szolgáltat adatokat az energiamenedzsment agyának, ahol egy algoritmus az akkumulátor állapotát (SoC – State of Charge) és korának megfelelő „egészségét” (SoH – State of Health) kiértékeli. A BDM által mért (közvetlen) kapocsfeszültség szolgál a gerjesztés beállítás alapjául is, tehát közvetlenül a kapocsfeszültséghez igazítja a szabályozott feszültséget. A szükséges gerjesztést, illetve generátor kimenő feszültséget (!) az egyik, erre hivatott agy állítja be. Ez lehet egy többfunkciós gateway is.

Az energiamenedzsment kínosan ügyel a nyugalmi áramkivételre is, nehogy a túlzott terhelés az indíthatóságot veszélyeztesse. Ismerjük már több típusnál, hogy ilyenkor komfortszolgáltatásokat, fűtést lekapcsol, és erre a műszerfalon szöveges üzenettel is felhívja a figyelmünket.

A motor alapjáratán végzett töltés nem nélkülözhető, gondoljunk csak hideg időben, a hidegindítás utáni nagy energiaigényre, miközben városi gátolt forgalomban haladunk. A generátor teljesítményleadását a fordulatszám növelésével fokozhatjuk. A szükséges és elégséges alapjárati (emelt üresjárati) fordulatszámnövelést az ún. dinamikus energiamenedzsment állítja be, akár több fokozatban is. Az intelligencia (egyes rendszereknek a korábbi alaptudásnál jóval több irányítási képessége) itt abban is megmutatkozik, hogy előre „tudja” a majdani fordulatszámesést, és annak így eléje tud menni.

A feszültségérzékeny áramkörök, így például az infotainmet (információs és szórakoztató) vagy a műszerfal kikapcsolnak, ha a tápfeszültség a számukra kritikus érték alá süllyed (például az indítómotor működése alatt). Ezen úgy lehet segíteni, hogy ezeket a kis energiaigényű, de egy minimális feszültségszint átlépésére igen érzékeny berendezéseket fedélzeti feszültségstabilizáló DC/DC átalakítón keresztül tápláljuk. Az energiamenedzsment ún. szolgáltatóhálózatát az 1. ábrán tanulmányozhatjuk (AUDI).

Nézzük a dolgok másik oldalát is: a motorféküzemi töltés nagy fedélzeti feszültsége mire hat károsan. Természetesen mindenre, amit nem erre terveztek. A feladathoz „nem nőnek fel” a hagyományos fonalas izzók. Ezek tápfeszültségét áramkörileg korlátozni kell. (Azok a gyártók, akik ezt nem teszik meg, mert nekik ez plusz költség, azoknál sűrűbben kell cserélni az izzókat…)

Generátor-hatásfok

3. ábra

A generátoros energiaátalakítás fontos tényezője a hatásfok. A villamosgépesek szép eredményeket értek el az elmúlt időszakban a generátorok hatásfoknövelésében, ma a generátor csúcshatásfoka 80%-ot is elér, de üzemi mezőjében átlagban is tud 75%-ot. A mai legkorszerűbb generátor-hatásfok jellegmezőjét a 2. ábrán szemlélhetjük. A jó hatásfokú mező a kis (generátor) fordulatszámok felett van, ezért is előnyös az alapjárati és fékezés alatti töltés.

A generátor-hatásfok növelését tovább finomított konstrukciós kialakítással, új tekercselési technikákkal, új szerkezeti anyagokkal érték el. A veszteségeket tovább csökkentették, így kisebb lett az ohmikus veszteség, optimalizálták a mágneses mezőket, csökkentették az örvényáram-vasveszteséget azzal, hogy 0,15 mm-es lemezeket használnak.

A hatásfokot a forgórész körmös pólusai közé helyezett állandó mágnessel is növelni tudták (lásd a címképet, az új Audi A6 generátorát, valamint fotócsoportunkat (3. ábra) Valeo és Denso generátorok forgórészeiről. A felvételek a Fer-Vill autóvillamossági felújítóüzemében készültek). Hasonló megoldást mutattunk be az Autótechnika márciusi számában, a Valeo indítógenerátor ismertetésében.

A hatásfokot – és az élettartamot, megbízhatóságot – az állandó mágnesű forgórész alkalmazásával (PMA) is növelni lehet. Az állandó mágnesű generátor feszültségszabályozással vagy szabályozatlan változatban már egy ideje ismert, elsősorban a motorkerékpár-alkalmazásokból, autóipari felhasználására azonban ma élő példát nem tudunk. A szabályzásnak ez esetben teljesítményoldalon kell lennie, ez mindenképpen drágább megoldás.

A generátorfejlesztők előtt – erről számolnak be az új Audi A6 áramellátó rendszerét fejlesztők most az a szép, de nehéz feladat áll, hogy az igen drága és ritka „ritkaföldfém” mágneseket autógenerátorokban is kiváltsák ferritmágnessel (kerámiamágnes). Esetünkben az állandó mágnest is tartalmazó gerjesztőtekercses generátor forgórészéről van szó.

Mágnestan

Nézzünk egy kis mágnestant! Vitathatatlan, hogy a legkiválóbb mágnes a ritka földfémekből készült mágnes, mely neodímium-vas-bór vagy szamárium-kobalt ötvözet. A neodímium-vas-bór típusú mágnes azon ritkaföldfém-alapú mágnesek egyike, amely minden eddigi mágnes koercitív erejét és energiaszorzatát meghaladja. Mint porkohászati termék, a ritkaföldfém-alapú mágnesek újabb generációját képviseli. A NdFeB típusú mágnesek kifejezett előnye a kisebb méret és tömeg mellett a nagyobb megbízhatóság és a kiváló mágneses tulajdonságok.

A ritkaföldfém-mágneseket tervezetten helyettesítő ferritmágnes isotrop változatát 1952-ben, az anisotrop ferritmágneseket 1954-ben szabadalmaztatták. Gyártástechnológiájuk és fizikai tulajdonságuk alapján gyakran említik kerámiamágnesekként is. Az olcsó és korlátlanul rendelkezésre álló alapanyagoknak köszönhetően áruk a legkisebb, ugyanakkor a kedvező mágneses jellemző miatt a legjobb ár/érték arányt mutatják.

Cikkünk az elektromos energiamenedzsment fontosságára kívánta a figyelmet – egy ma teljesen új modell technikájába való rövid betekintéssel – felhívni. Ha nem is írtuk le, de az is kiolvasható a cikkből, hogy a hagyományos diagnosztikai töltés-ellenőrzési, szabályozott feszültségmérési módszerek, de még az alapjárati fordulatszám mérése is, itt teljes mértékben lehetetlenülnek, vagy értelmüket vesztik, a hibamegállapításban vagy a fedélzeti diagnosztikára kell hagyatkoznunk, vagy csak nagyon alapos rendszerismerettel tudunk az off-board mérés eredményéből hasznos információhoz jutni.

Az autóipari állandó mágnesű generátorok szerkezeti kialakítására, feszültségszabályozására pedig visszatérünk, ha róla érdemi információt tudunk szerezni.

Dr. Nagyszokolyai Iván

Forrás:

Der neue AUDI A6 – ATZ extra, 
2011. január

http://fenykapu.free-energy.hu/pajert/index.htm?FoAblak=../pajert15/MEGMagnes.html

http://hu.wikipedia.org/wiki/Mágnes