REx erőhibrid rönkszállításra Skandináviából

A hajtáslánc-alkamazás a Scania-Horse Powertrain (a Renault Group és a Geely közös vállalata) együttműködés által bejelentett innováció nehéz tehergépjárművek (HDV) villamosítására, kifejezetten a rönkszállító iparág (forestry logistics) extrém terhelési profiljára. A projekt műszaki célja egy soros hibrid (series hybrid) topológiájú hajtáslánc demonstrálása, amely áthidalja a tisztán akkumulátoros elektromos járművek (BEV) infrastrukturális korlátait a távoli, off-grid munkakörnyezetben.

A Foresty Logistics extrém világa

A forestry logistics extrém környezetében a rönkszállító teherjárművekkel szemben olyan szélsőséges követelmények jelentkeznek, amelyek egyszerre érintik a hajtáslánc teljesítményét, a szerkezeti tartósságot, az energiamenedzsmentet, a megbízhatóságot (rendelkezésre állást) és a robusztusságot (ellenállóképességet). A 40–76 tonna közötti bruttó össztömegű szerelvényeknek meredek, gyakran 10–18%-os emelkedőkkel tarkított hegyi utakon kell közlekedniük, miközben az útfelület gyakran murvás, sárfelhordásos, jeges, hókásás vagy mély barázdákkal szabdalt, ami a futómű szempontjából extrém kerékterhelést és nagy tapadásingadozásokat idéz elő, a fékrendszerre is extrém hőterhelés jut a hosszú lejtmenetek miatt.

Hajtáslánc szempontjából alacsony sebességnél is folyamatosan magas nyomaték biztosítása a követelmény, dinamikus teljesítménycsúcsok, amelyek nagyságrendileg meghaladják a hagyományos közúti ciklusokat, és a fékekre esőextrém hőterhelés miatt is elengedhetetlen a nagy hatásfokú rekuperáció és/vagy motorfék megléte.

A környezeti viszonyok tovább nehezítik a feladatot: a sokszor –25 °C alatti hőmérséklet nemcsak az akkumulátor (elektrolitjának) belső ellenállását növeli meg akár 40–60%-kal, hanem a hidraulikus-, kenési- és légfék-rendszereket is lassítja; a kabinfűtés, akkufűtés és a segédüzemek pedig jelentősen növelik a nem-hajtásra jutó energiaigényt. A fékeknek és a hőmenedzsmentnek extrém ciklusállósággal kell rendelkeznie, mivel a lejtmeneti fékigény többszöröse egy normál kamionénak. Ugyanakkor a járműnek továbbra is a közúti szabványoknak megfelelően kell haladnia, üzemeltetési hatékonyság mellett, minimális downtime-mal, és alacsony energiafogyasztással, amelyet tovább nehezít, hogy a rönkök tömege nedvességtartalom függvényében akár 20–30%-kal is ingadozhat, így a tervezett energetikai modellnek ezt a valós változékonyságot is le kell követnie.

A járműnek ezen felül képesnek kell lennie a rönkdepók - gyakran off-grid azaz infrastruktúra nélküli - helyszíneiről a közúti hálózatig történő zavartalan közlekedésre, amihez magas szintű autonóm energiamenedzsment és extrém üzembiztonság szükséges, mivel a helyszíni meghibásodás nem csupán költséges, hanem fizikai kihívást is jelent.

A rendelkezésre állás szintén kulcskövetelmény: a járműnek napi több körjáratot kell teljesítenie, gyakran 7–10 ciklust 12–14 órás műszakokban, ami kizárja a hosszú töltési vagy tankolási megállókat; a hajtáslánc gyakorlatilag folyamatos üzemben van. A szerkezeti tartósság követelményét mondhatni már emlíeni sem kell kellene: a vázszerkezet, a felfüggesztés, a tengelyek és a kapcsolószerkezetek folyamatos vibrációs és ütő-terhelést kapnak, ezért nagy szilárdságú acélokat, túlméretezett csapágyakat és rezgéscsillapított erőátviteli elemeket alkalmaznak.

Milyen hajtáslánc jöhet itt szóba?

Ebben környezetben elmáletileg több hajtáslánc-topológia is szóba jöhet, de azok valós alkalmazhatósága nagymértékben függ a bruttó össztömegtől, a nyomatékigénytől, a lejtmeneti fékenergia-visszanyeréstől, valamint a rendelkezésre álló energiahálózattól, infrastruktúrától.

A hagyományos turbódízel hajtáslánc továbbra is referencia, mivel a szélsőséges hidegben, magas terhelésen és terepi üzemben kiváló, könnyen tankolható és nagy tartományban képes a terhelési transziensek (hirtelen, gyors, nagy amplitudójú változások) gyors követésére, ugyanakkor a CO₂-kibocsátás miatt a hosszú távú fenntarthatósága korlátozott.

A tisztán BEV (Battery Electric Vehicle) hajtás csak akkor lenne technikailag életképes, ha a fedélzeten 800–1200 kWh kapacitású akkumulátor állna rendelkezésre, amely a 60–70 tonnás szerelvény számára meredek emelkedőkön is biztosítja a 600–700 kW körüli csúcsteljesítményt; ugyanakkor ez súlytöbbletet, költségnövekedést és töltőhálózat-igényt generál, ezért jelenleg csak rövid távú, infrastruktúrával sűrűn lefedett útvonalakon reális.

A harmadik opció a hidrogén tüzelőanyagcellás (FCEV) rendszerek alkalmazása lenne, amelyek előnye a gyors tankolás és a nagy hatótáv, ugyanakkor a rönkdepók és hegyvidéki útvonalak közelében nincs H₂-infrastruktúra, az extrém hidegben romlik a cellák teljesítménye, a hajtáslánc csúcsterhelési képessége pedig alatta marad a dízel vagy BEV rendszerekének, így ez jelenleg inkább technológiai ambíció, mint alkalmazható megoldás.

A negyedik lehetőség a plugin-hibrid (PHEV) - összekapcsolt dízelmotorral és elektromotorral -  azonban, a mechanikus kapcsolat miatt az ICE (belső égésű motor) továbbra is széles teljesítménytartományban üzemel, ami nagy kopást és magas fogyasztást eredményez extrém részüzemmódokban, ezért ez a konfiguráció a forestry szektorban csak átmeneti jelleggel értelmezhető.

Az egyetlen valóban optimális kompromisszum a jelenlegi technológiai és infrastrukturális feltételek között a soros hibrid REx-es BEV hajtáslánc, ahol a villanymotor hajtja a kerekeket, az akkumulátor biztosítja a dinamikus csúcsteljesítményt, a többféle tüzelőanyaggal működő belső égésű motor pedig csak egy generátort hajt, mechanikus kapcsolat nélkül. Ez a megoldás lehetővé teszi, hogy a jármű a futás több mint 90%-át tisztán elektromosan tegye meg, a REx pedig stabil 120–150 kW körüli folyamatos teljesítménnyel csak az energia-egyensúly fenntartását szolgálja, így elkerülhető a túlméretezett akkumulátor csomag, nő a rendelkezésre állás, csökken a TCO (Total Cost Ownership magyar fordításban „Összesített költségmutató”), és a rendszer működése kevéssé függ az infrastruktúrától.

A Scania hajtáslánca

A megépült demonstrációs jármű hajtáslánca egy tisztán soros hibrid (EREV/REEV – Range -Extended) architektúra, amelyben a jármű minden menetdinamikai funkcióját a villamos hajtás biztosítja, míg a belső égésű motor kizárólag egy generátort hajt meg, mechanikus kapcsolat nélkül. De azonnal felmerül a kérdés: „Mitől lenne ez soros hibrid? Hiszen ez hatótávnövelt elektromos jármű.” A válasz faramuci: Attól soros hibrid, hogy az ICE topológiailag egy generátort hajt, és nincs mechanikus kapcsolata a hajtással. Attól EREV (Extended-Range Electriv Vehicle), hogy az ICE csak energiapótló szerepkörben működik, a jármű pedig minden körülmény között BEV-ként viselkedik. A két definíció nem ellentmondó, hanem egymásra épülő.

A Scania és a Horse Powertrain által fejlesztett kísérleti nehéz-tehergépjármű hajtáslánca egy kiterjesztett hatótávú elektromos (EREV/REEV) rendszer, amely architekturálisan – a fentiek szerint - tisztán soros hibrid topológiát valósít meg: a jármű mechanikus hajtását kizárólag a villamos erőátvitel biztosítja, míg a belső égésű motor semmilyen körülmények között nem kerül nyomatéki kapcsolatba a kerekekkel. A teljes hajtásrendszer központi eleme a nagyfeszültségű (HV) DC-busz, amelyre három alapvető komponens kapcsolódik közvetlenül: a Scania nagy nyomatéksűrűségű PMSM (permanent magnet) motorral hajtott e-tengelye (e-Axle, 350–600 kW csúcsteljesítmény), a 400–600 kWh kapacitású HV akkumulátorcsomag, valamint a Horse Powertrain által fejlesztett ICE, ami egy rendkívül kompakt C15 típusú Range Extender / Auxiliary Power Unit.

Horse C15 APU

A HV akkumulátor aktív folyadékhűtésű és hőszivattyús termomenedzsmenttel rendelkezik, amely extrém körülmények között is biztosítja az alacsony cella-ellenállást. Feladata a nagy amplitúdójú terhelési transziensek kiszolgálása, amelyek forestry alkalmazásban 400–600 kW csúcsteljesítményi igényt is elérhetnek (meredek hegymenetek, alacsony sebességű nagy nyomatékú szakaszok, tapadásváltozás miatti nyomatéktüskék).

A REx/ APU egység a hajtáslánc energiamérleg-stabilizáló modulja, nem pedig hajtási egység. A Horse Powertrain – az Aurobay Technologies mérnöki kapacitásaival – erre a célra fejlesztette ki a C15 kompakt erőműegységet, amely egy multi-fuel üzemű 2,0 literes (1,5 L architektúrájú, turbóval 120 kW-ra skálázott) négyhengeres motorból, egy folyamatos 120 kW teljesítményű nagyteljesítményű generátorból, egy integrált inverterből és egy zárt hűtőrendszerből áll. Az egész modul mérete mindössze 550 × 550 × 275 mm, így a legtöbb elektromos teherjármű-platformhoz „drop-in” módon illeszthető. A C15 motor legfőbb NVH- és integrációs sajátossága a négyhengeres kialakítás, amelyet szándékosan választottak a háromhengeres generátormotorok helyett, hogy a REx működése közben se romoljon az elektromos járművekre jellemző csendesség és kifinomultság. A motor működését alacsony fordulatszám-tartományra optimalizálták: 3000 fordulat mellett érhető el a rendszer legjobb BSFC (Brake Specific Fuel Consumption)-hatékonysága és NVH-viselkedése, míg nagyon alacsony akkumulátor töltöttségiszint esetén a fordulat 4000 fordulatig emelkedhet.

A C15 egyik legfejlettebb műszaki megoldása a kettős olajszivattyús (dual-pump) kenési rendszer, amely egy szokásos nyomószivattyút és egy hengerfejbe integrált scavenge szivattyút kombinál. Ez lehetővé teszi a motor tetszőleges beépítési orientációját: függőlegesen, döntve vagy akár teljesen vízszintes fekvő konfigurációban is üzembiztos marad, így a modul elhelyezhető padlólemez alatt, segédkeretek között vagy a jármű alvázába integrált további pozíciókban.

A C15 működési stratégiája state-based, steady-state power generation: a motor nem követ terhelési transzienseket, kizárólag 3–4 rögzített munkaponton üzemel, amelyeket az akkumulátor töltöttségi szintje (SoC), hőmérsékleti viszonyok és a várható energiamérleg alapján választ ki a vezérlője. A generátor nagy lendtömegű PM-gépe kisimítja az ICE-ből érkező nyomaték-lüktetéseket, az inverter pedig fázisvezérelten táplálja a HV buszt. A multi-fuel tüzelőanyag-rendszer (bioetanol, E85, flex-fuel) lehetővé teszi a nagyon alacsony CO₂-szintet, amely a demonstrációs mérésekben a gyártó beszámolója szerint a tisztán BEV üzemhez közelített.

(Scania EM C3–6 BEV (Electric Modular) platform hajtásmodulja)

A jármű energiamenedzsmentje három fő üzemállapot szerint működik. BEV Priority Mode esetén az APU teljesen inaktív, amíg a SoC nem süllyed kb. 35–40% alá, vagy amíg a duty cycle előrejelzés nem mutat tartós negatív energiamérleget. Support Mode aktiválódik, ha a töltöttség (SoC) 20–35% szint közé esik, illetve, ha tartós hegymenet várható; ekkor az APU 120 kW-os teljesítménnyel lassítja a merülést. Sustain Mode során az APU folyamatos 120 kW-tal stabilizálja a HV buszt és az akkumulátor töltöttségét, de nem tölti fel teljesen, hogy megvédje a cellákat a felesleges ciklusoktól és minimalizálja a hőterhelést. A katalizátorok hőmenedzsmentje során a rendszer előre tudja fűteni vagy a hőntartásban tudja tartani őket, elkerülve a light-off idő késedelmét.

Eddigi üzemeltetési adatok alapján 16 km-es ciklus során lefelé 150–300 kW regeneráció, felfelé 150–200 kW tartós és 500 kW körüli csúcsigény lépett fel. Az átlagos teljesítményigény 80–120 kW, amelyet a 120 kW-os APU hosszú távon képes egyensúlyban tartani. Ez a konfiguráció lehetővé teszi, hogy a jármű a futásteljesítmény több mint 90%-át tisztán elektromos üzemben tegye meg, az ICE csak az energiamérleg fenntartására indul be, nem hajtási célokra. A bioetanolos üzemanyaghasználat a dízel referenciaértékhez képest 90% fölötti CO₂-redukciót eredményezett. A rendszer egyik legfontosabb stratégiai előnye, hogy nincs szükség 800–1200 kWh méretű, túlságosan nehéz és drága akkupakkra, a 450–600 kWh tartomány is elegendő, ami ~1,5 tonna tömeg megtakarítást és jobb tengelyterhelés-eloszlást biztosít.

A Scania-Horse közös megoldás mérnöki esszenciája tehát az, hogy egy teljesen elektromos hajtású, soros hibrid energiarendszer jön létre, amelyben a belső égésű motor kizárólag stabil állapotú generátorhajtásként működik, a dinamika és a transziensek 100%-át az akkumulátor és a villanymotor kezeli, míg a REx a HV busz energiamérlegét tartja fenn az infrastruktúra-mentes, extrém terhelésű forestry duty cycle során. Ez a rendszer jelenleg a legérettebb és legéletképesebb megoldás a nehezen dekarbonizálható, nagy tömegű, off-grid logisztikai alkalmazásokban.

Forrás:
automotivepowertraintechnologyinternational.com
just-auto.com
theevreport.com
scania.com
horsepowertrain.com
powertraininternationalweb.com