Elektromos a jövő? – XII. rész: A „villamos gép”

Az erőátviteli rendszer legfontosabb összetevője a villamos gép. Bár fentebb is, és a továbbiakban is – az egyszerűség kedvéért – elektromos motornak neveztem, nevezem, valójában ez az elnevezés félrevezető, hiszen az aktuális üzemállapotától függően a villamos gép lehet motor vagy generátor is.

Az erőátviteli rendszer, és annak energiaellátása – felépítés, működés

Anélkül, hogy a villamos motorok és generátorok fizikájában túlságosan elmerülnénk, két alapfogalmat kell tisztáznunk: a szinkron és az aszinkron gép fogalmát. Alapvető különbség a kettő között, hogy a forgórész mágneses mezeje együtt forog az állórész mágneses mezejével (szinkron motor) vagy kis késéssel (slippel) követi azt (aszinkron). A legegyszerűbb, pl. apró gyerekjátékokat mozgató egyenáramú motorok esetében az állórész egy állandó mágnes, a forgórész pedig 3-4 egymástól elválasztott tekercsből áll.

Ha a négytekercses felépítést vesszük példának, akkor a működés pofonegyszerű: minden tekercs mindkét vége ki van vezetve a motor tengelyére (kommutátor), ahol csúszóérintkezőkkel kapcsolódik rájuk az egyenáram. Mindig az a két tekercs kap (egymással ellentétes irányú) áramot, amelyik az áram hatására olyan mágneses mezőt indukál, amely 90 fokos szöget zár be az állandó mágnes mezejével. A mágneses mezők egymással párhuzamosak „szeretnének lenni”, így forgatónyomaték keletkezik. Ahogy a párhuzamosság előáll, a csúszóérintkezők már a következő tekercsnek adnak áramot, és így folyamatos forgómozgás keletkezik. Természetesen a tekercsek száma tetszés szerint növelhető.

Az aszinkron gép esetében az állórész mágneses mezeje forog, de a forgórészben is tekercsek vannak, amelyeknek szintén van mágneses mezeje. Ez utóbbi próbálja „utolérni” az állórész mezejének forgását, de pont az eltérés miatt alakul ki az állórész mágneses mezeje, így, ha az utoléri, akkor a mező megszűnik, a forgatónyomaték szintén, a forgórész fordulatszáma csökken, újból mágneses mező keletkezik, és a folyamat így fenntartható. Mivel a két mező egymással nem szinkronban forog, innen a név: aszinkron motor.

Létezik a kettő keveréke is, ahol az állandó mágnes a forgórészben van, az állórészben (szakszerűbben statorban) pedig forgó mágneses mezőt alakítanak ki, ezt követi az álladó mágnes. Ez ugyanúgy szinkron motor, és ráadásul nem szükséges hozzá kommutátor, így tartósabb is. Ennek neve belső állandómágneses szinkronmotor, vagy az angol rövidítés alapján BLDC (Brushless DC motor).

Az elektromos autókban többnyire a BLDC és esetenként az aszinkron motort is alkalmazzák, a Tesla Model 3-ban például egy járműben is egyszerre, az összkerékhajtású verzióban a hátsó tengelyt BLDC, míg az elsőt aszinkron motor hajtja.

Érdekesség még a Volkswagen ID.3 erőátviteli egysége, amely szintén belső állandómágneses szinkronmotort kapott. A motorból, a fordulatszám redukáló egységből (egy darab fix áttétel) és a differenciálműből álló APP 310 elnevezésű egység párhuzamosan helyezkedik el a hátsó tengellyel (azt hajtja), és annak ellenére, hogy 310 Nm nyomatékot és 150 kW teljesítményt tud előállítani, nem nagyobb, mint egy átlagos sporttáska, tömege pedig mindössze 90 kg.

Váltó egy villanyautóban? Akár!

Mindkét technológiáról általánosságban elmondható, hogy már álló helyzettől is rendelkezésre áll a maximális forgatónyomaték, így a legtöbb esetben nincs szükség nyomatkékváltóra. Kivétel ez alól például a Porsche Taycan, ahol egy kétsebességes váltót illesztettek be az erőátvitelbe, így a maximális nyomaték sokkal szélesebb járműsebesség-tartományban kihasználható. Például Tesla Roadster különböző változataiban csak nagyjából 45 mérföld / óránál (72,5 km/h) kezd el csökkenni a nyomaték, akkor viszont dinamikusan, vélhetően emiatt döntött a Porsche a többsebességes nyomatékváltó alkalmazása mellett.

Itt is ott is inverter

Az akkumulátorok által biztosított egyenáramot az inverternek hívott egység alakítja át váltakozó árammá. Valójában az egység egy egyszerű inverternél jóval bonyolultabb, mivel a váltakozó áram feszültségét és frekvenciáját is képes módosítani a hajtómotorok igényeihez igazítva. Mindezek mellett a Toyota HSD rendszeréhez hasonlóan itt is szükséges egy külön egység a magasfeszültségű klímakompresszor ellátásához is.

A tisztán elektromos autók fedélzeti rendszerei is 12 voltosak, aminek sokkal inkább történelmi és gazdaságossági, mint racionális okai vannak. Sőt, sok esetben (pl. Mistubishi i-Miev) van az autóban egy 12 V-os akkumulátor is, amely szintén a Toyota HSD-hez hasonlóan gyakorlatilag nem csinál mást, mint a „gyújtás” bekapcsolásakor behúzza a nagyfeszültségű akku reléjét. Ezen 12 V-os rendszerek áramellátásáról gondoskodik a DC-DC konverter.

Töltés, nagy vonalakban

Az elektromos autók kulcskérdése a tölthetőség. Egyenárammal, váltakozó árammal, különböző feszültségekkel és teljesítménnyel tölthetők, arról, hogy mindig a megfelelő mennyiségű áramot vegye fel az autó, a fedélzeti töltésvezérlő gondoskodik, és ez kommunikál adott esetben a töltőoszloppal is. Az autón belül a töltésvezérlő az akkumulátorvezérlővel „egyeztet”, hiszen ez utóbbi határozza meg, hogy melyik cella mekkora árammal tölthető. Mikor például a töltöttség elérte a 80 %-os szintet, az akkuvezérlő már csak kisebb áramerősséggel képest tölteni az egyes cellákat, így ezt közli a töltésvezérlővel, amely vagy saját maga emeli meg a belső ellenállást, és ezzel csökkenti le a töltőáramot, vagy a töltőoszlopot utasítja erre.

A 12 voltos komfort

Az elektromos klímakompresszor és a klímarendszer alapvetően nem tér el a hibrid Volvo V60-as már bemutatott rendszerétől, többnyire itt is hűtik az utastéren kívül szükség esetén az akkucsomagot is, kivétel ez alól például a Nissan Leaf vagy az első generációs VW Up!. Az utastérfűtés azonban teljesen más, hiszen míg a hibridekben van belsőégésű motor, és annak van hulladékhője, az elektromos autókban nincs olyan mennyiségű hulladékhő, melyet utastér-fűtésre lehet alkalmazni.

A Tesla Model 3-ban például vízhűtéssel vannak ellátva az akkumulátorok, a hajtás(ok) és a vezérlőszámítógépek is. Hideg időben a hajtás és a komputerek által előállított hőt az akkuk fűtésére használják fel, mivel azok 28 Celsius fok körül működnek optimálisan, így az utastér fűtését egy elektromos fűtőbetéttel kell megoldani, ami a tisztán elektromos autóknál bevett megoldás. Többnyire a fűtőbetét közvetlenül az utastér levegőjét fűti, de olyan megoldás is akad (Mitsubishi i-Miev), ahol külön 12 voltos vízpumpával keringtetett vízköre van az utastér fűtésnek.

A fékrendszerek általában teljesen megegyeznek a hibrid autókéival, azaz a fékpedál lenyomásakor alapvetően a fékenergia-visszatáplálás (rekuperáció) indul el, majd a jármű állóra fékezéséhez használatos csak az üzemi fékrendszer. Mivel szívócső-vákuum nincs, és motor által forgatott vákuumpumpa sem, a fékrásegítéshez szükséges vákuumpumpának külön 12 voltos motorja van, és egy vákuum tároló egysége.

<— XI. rész: A villanyautók akkumulátorai

XIII. rész: Töltés és használhatóság –>