Hibrid buszok I. rész - Az alapok

A hibrid járművekben legalább két különböző erőforrást, és két különböző energiatároló rendszert is találunk. Általában villamos motorok és energiatárolók egészítik ki a belső égésű motorokat, de akad példa hidraulikus hibridekre is. A villamos motorok fékezéskor generátorként működtethetők, ezáltal a mozgási energia egy részét el lehet tárolni, majd újra fel lehet használni gyorsításra. Ennek következtében csökken az üzemanyag fogyasztás és a károsanyagok kibocsájtása. A városi buszok a nagyszámú indulás-megállás miatt a hibrid rendszerek kipróbálásának és alkalmazásának kiváló alanyai.

A hibrid rendszerek hosszú évtizedek kísérleti üzeme után mára értek sorozatgyártásra alkalmassá. Az olajválság hatására a hetvenes években kezdődtek az első kísérletek, ez alól Magyarország sem volt kivétel. Kettő darab Ikarus buszt épített át hibrid üzeműre az Autokut és a Villamosipari Kutató Intézet, 1975-ben.

A hibrid hajtásláncoknak sokféle változata van, mi azonban csak az Európában forgalmazott és gyártott, buszokba szánt megoldásokkal foglalkozunk. Alapvetően kétféle hibrid hajtáslánc létezik, a soros és a párhuzamos. A soros megoldás lényege, hogy a belső égésű motor egy generátort hajt meg és nincs mechanikai kapcsolata a kerekekkel. A generátor tölti az energiatárolókat és a meghajtásról gondoskodó villamos motornak is továbbíthat energiát. Előnye, hogy a dízelmotor optimális tartományban működtethető. Az elrendezés hátránya, hogy az energia sok átalakításon megy keresztül, ez csökkenti a rendszer hatásfokát.

A párhuzamos megoldásban a belső égésű motor és a villamos motor is tudja hajtani a kerekeket, ebben az esetben elegendő egyetlen villamos gép is. Ez a villamos gép a soros megoldásban használtnál kisebb lehet, mert nem csak ez hajtja a kerekeket. Előnye a súlytakarékosság és a hagyományos hajtáslánc felhasználása. A megoldás hátránya, hogy a belső égésű motor működése nem független a jármű mozgásától, és általában a nyomatékváltó sem nélkülözhető. Összességében az elvek és az eddigi tapasztalatok alapján a soros rendszer a kis megállótávolságú városi vonalakra, a párhuzamos a nagyobb megállótávolságokkal rendelkező vonalakra alkalmas hajtási mód.

A villamos motorok előnye, hogy a legnagyobb nyomatékuk már az indulástól rendelkezésre áll, és rángatás nélkül képesek gyorsítani. Ez az előny a soros rendszerek esetén igazán szembetűnő. A villamos motorok a megállóban és dugókban állva nem fogyasztanak, ezek az állapotok városi buszok esetén gyakran előfordulnak. Így ha a segédüzemeket is elektromos hajtásúra alakítják, akkor az energiát termelő dízelmotor bizonyos ideig leállítható, ezt hívják start-stop üzemnek.

A soros megoldáshoz áll közel a hidraulikus rendszerű hibridek működési elve. Ebben az esetben a belső égésű motor egy hidraulikus szivattyút hajt meg, a kerekeket a szivattyú által biztosított nyomás segítségével hidromotorok hajtják meg. A fékezés során visszanyert mozgási energia tartályokba kerül, ahonnan a gyorsítás során ismét fel tudják használni a hidromotorok. Európában az osztrák Kutsenits cég Hydra City busza alkalmazza ezt a hajtási módot.

De térjünk vissza az elektromos hibridekhez! A fékezések során a visszanyert energia tárolásáról általában akkumulátorok gondoskodnak, újabban az úgynevezett szuper- vagy ultrakapacitások is kezdenek elterjedni. Viszonylag ritkán használt megoldás a lendkerekes energiatároló. A buszokra szerelt, több száz volt feszültséget szolgáltató akkumulátor egységek blokkokból, a blokkok pedig cellákból állnak. A cellákat sorosan és párhuzamosan kapcsolva épülnek fel a blokkok, ezeket összekapcsolva kapjuk az egységeket. Az akkumulátorok között a nikkel-fémhidrid(NiMH) és a lítium-ion agyagúak használatosak a hibrid járművekben. Jelenleg a nikkel-fémhidrid akkumulátorok az elterjedtebbek. Élettartamuk 5-7év. Ezektől nagyobb energia- és teljesítménysűrűségűek a lítium-ion akkumulátorok. Ez azt jelenti, hogy azonos kapacitású akkumulátorok esetén a lítium könnyebb és kisebb. Hátrányuk, hogy érzékenyek az üzemelési körülményekre, az igénybevétel minőségére és a külső hőmérsékletre. Ezért folyamatos hűtést és precíz töltésszabályozást igénylenek. Az elterjedésüket az újfajta alapanyagok és a különböző cellák közötti töltéskiegyenlítő megoldások segítik. Egy lítium-ion cella névleges feszültsége 3,3-3,6 volt.

Ultracapacitások

Az ultrakapacitásokat szokás szuperkapacitásoknak is nevezni, azonban az eredeti elnevezése ezeknek az eszközöknek a az elektrokémiai kettős kapacitás. A működésük elve a kondenzátorén alapul, azaz a villamos energiát sztatikusan tárolják. Mivel nincs kémiai reakció, ezért nagyon sokszor, akár egy milliószor is feltölthetők és kisüthetők (lemeríthetők). Az akkumulátoroktól eltérően az ultrakapacitásoknak kicsi az energiasűrűségük, cserébe nagy a teljesítménysűrűségük. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátorok hosszabb ideig tudnak relatíve nagy terhelést egyenletesen kiszolgálni, az ultrakapacitások viszont rövid ideig tartó nagy teljesítmény leadására alkalmasak, amit az akkumulátorok általában kevésbé tolerálnak. Az ultrakapacitások a környezeti hőmérséklet változására kevésbé érzékenyek, mint az akkumulátorok, egyszerűbb a töltöttségi állapotuk meghatározása. A töltésük és a kisütésük hatásfoka magasabb, nem érzékenyek hirtelen fellépő nagy áramokra, az úgynevezett mikro- és mélykisütésekre sem. A legfontosabb azonban, hogy az akkumulátorok maximálisan várható 5-7év élettartamával szemben az ultrakapacitások akár egy évtizeden át is üzembiztosan működnek, azaz a jármű élettartamát kiszolgálják. A gépkocsik fedélzeti elektromos rendszerében már ma is találunk ultrakapacitásokat, a jövőben a vontatási célú akkumulátorok és ultrakapacitások együttes használata tovább csökkentheti a járművek fogyasztását, az ultrakapacitások jelenléte pedig növelheti az akkumulátorok megbízhatóságát és élettartamát.

A hibrid rendszerek bonyolultak, ezért az eddig belső égésű motort gyártó nagy gyáraknak is szüksége van a villamos iparban jártas partnerekre. A táblázatban a nagy gyártóknál mégis azért tüntettük fel részvételüket a szállítók között, mert a kis karosszálóktól eltérően jóval nagyobb hangsúlyt fektetnek a rendszer különböző elemeinek az összehangolására. Ez a saját karosszériájukhoz, meglévő belső égésű motorukhoz való igazítást jelenti. A különböző városok eltérő megállótávolságai és terepviszonyai nagy kihívás elé állítja a hibrid buszt gyártókat, mert jelentős eltérések adódhatnak az üzemanyag megtakarítás mértékében, akár egy város eltérő vonalain is. Erre az automata váltókhoz hasonló előre programozott üzemmódokkal, töltési stratégiákkal készülnek fel. A hibrid buszokról még lesz szó, a következő posztban részletezzük az egyes gyártók megoldásait, üzemi tapasztalatokról, konkrét fogyasztási adatokról és költségekről is szó lesz. Azonban, hogy olvasóink ne maradjanak konkrét buszok nélkül, a sorozatgyártásra esélyes európai hibrid buszokat és jellemzőiket egy táblázatban foglaltuk össze:

Felhasznált irodalmak:
-Petrók János : Új energiatároló eszközök a gépkocsikon; Autótechnika 2008/12
-Kerekes Sánor-Szentmiklóssy Balázs:Ultrakapacitású kondenzátorok gyors karrierje az energiatárolás területén; Elektrotechnika 2006/11.