Zestaw akumulujący energię elektryczną wytworzoną przez generator jest zintegrowany z silnikiem cieplnym. Składa się on z:

• zestawu ogniw,
• sterownika zarządzania silnikiem spalinowym oraz elektrycznym,
• układu stabilizacji temperatury ogniw,
• układu odprowadzania gazów,
• zespołu bezpieczeństwa.

Sterowanie zasilaniem
Zespół komory ogniw elektrochemicznych pełni rolę zespalającą - zabezpiecza pojedyncze ogniwa przed obciążeniami mechanicznymi oraz zapewnia ochronę przed porażeniem prądem o napięciu do 700 V, zależnym od ilości i rodzaju ogniw elektrochemicznych. Na głównych zaciskach zespołu ogniw występuje napięcie, które nie może zostać przerwane. Podczas czynności obsługowych, np. wymiany, zespół ogniw jest podzielony złączem bezpieczeństwa na dwie niezależne grupy. Demontaż obudowy wymusza usunięcie złącza bezpieczeństwa. Przerwanie połączenia ogranicza napięcie na obu zaciskach oraz redukuje wartości napięcia granicznego zespołu.
Nieprawidłowa praca układu nadzorującego przebiegu ładowania, tj. napięcia granicznego oraz czasu zespołu bloku energetycznego, może prowadzić do emisji trujących substancji - np. podczas przeciążenia lub przegrzania instalacji elektrycznej. Produkty uboczne elektrolizy w postaci gazowej lub odparowanej są odprowadzane przez przewody umieszczone w słupkach nadwozia poza przedział użytkowy pojazdu.
Zgodnie z warunkami bezpieczeństwa wymaga się wprowadzenia zaworów i układu odparowania gazów na każdym ogniwie zespołu bloku energetycznego. Zespół odprowadzania par substancji szkodliwych wtórnego źródła energii jest wyposażony w wyłącznik bezpieczeństwa, który oddziela instalację elektryczną pojazdu od zespołu energetycznego, np. podczas zdarzenia drogowego. Sterowanie wyłącznikiem bezpieczeństwa nadzorowane jest przed układ logiczny zintegrowany ze sterownikiem układu zasilania. Zawór bezpieczeństwa zostaje włączony po wykryciu:

• kolizji drogowej (na podstawie sygnału wyjściowego z czujników przyspieszeń umieszczonych w nadwoziu),
• stanu zagrożenia lub przeciążenia zidentyfikowanego przez układ nadzoru instalacji elektrycznej.

W trybie postoju pojazdu wynikającego z rozkładu jazdy zespół energetyczny zostaje wyłączony. Stan taki ogranicza upływ prądu z instalacji elektrycznej pojazdu.

Dwie wartości napięcia
Wymagania dotyczące systemów zasilania energią elektryczną wymusiły wdrożenie napięcia 14/42 V. Ponieważ przy współczesnym standardzie alternatory kompaktowe uzyskują napięcie 14 V, to uzyskanie napięcia 42 V wymaga wykorzystania trzech zespołów prądnic prądu przemiennego. Trzykrotny przyrost napięcia wymusza trzykrotny spadek natężenia prądu przy założeniu stałej wartości mocy. Zestawienie takie umożliwia zmniejszenie strat energii, ograniczenie obciążenia złączy i systemów oraz możliwość wprowadzenia przewodów elektrycznych o mniejszych przekrojach poprzecznych.
Instalację 14 V wykorzystuje się do oświetlenia pojazdu, zasilania radioodbiornika, czujników i elementów pasywnych, które nie wykazują tendencji do granicznego poboru mocy. Natomiast instalacja 42 V służy do rozruchu silnika, mechanizmu elektrycznego wspomagania kierownicy, napędu wentylatora stabilizacji temperatury, ogrzewania szyb i wnętrza, sterowania zaworem elektromagnetycznym zmiennych faz rozrządu, jak również znajduje się w układach start-stop i sterowanych elektronicznie hamulcach oraz zespole kierowniczym.
Wdrożenie instalacji 42 V wymaga od producenta wprowadzenia dodatkowo do pojazdu 3 układów:

• układu ładowania do 4 kW przetwornicą prądu stałego,
• mocy elektrycznej do 6 kW uzyskiwanej z podwójnego alternatora,
• zintegrowanego systemu rozruszniko-alternatora, który umożliwi odbiór mocy szczytowej ponad 8 kW.

Zestawienie takie wprowadza się w pojazdach hybrydowych HEV, pojazdach wyposażonych w ogniwa paliwowe FC (Fuel Cell), pojazdach elektrycznych EV oraz pojazdach ze systemem wspomagania zasięgu E-REV, których zapotrzebowanie na energię elektryczną może przekroczyć 40 kW. Zapotrzebowanie na moc elektryczną zależy od liczby elementów pasywnych o mocy powyżej 1 kW.
Potrzebne jest zatem wyznaczenie źródła energii, które spełni wymagania urządzeń elektrycznych, zapewniając poprawne działanie zespołu przy zasilaniu napięciem 42 V.

Zespół ogniw elektrochemicznych
Współczesne trakcyjne pojazdy elektryczne (EV), np. wózki do transportu wewnątrzzakładowego, zasilane są napięciem 24, 48 i 80 V. Specjalne zespoły ogniw elektrochemicznych o pojemności 100-800 Ah umożliwiają długotrwałą pracę, głębokie rozładowanie i zapewniają duży prąd obciążenia. Napięcie znamionowe zespołu ogniw dla pojazdów z systemem wspomagania zasięgu RE (Range extender, silnik elektryczny wspomagany generatorem napędzanym silnikiem spalinowym) jest znacznie wyższe.
Trakcyjne lekkie pojazdy LDV (Light Duty Vehicles) zasilane są napięciem 24-80 V, większe pojazdy HDV oraz pojazdy HEV (Hybrid Electric Vehicles - pojazdy hybrydowe z głównym silnikiem spalinowym wspomaganym silnikiem elektrycznym) napięciem 12-400 V. Zasilanie silnika elektrycznego w pojazdach E-REV (samochód elektryczny ze spalinowym generatorem) wymaga wprowadzenia systemów podwyższających napięcie wygenerowane do wartości 600 V mogącej zasilać silnik główny. Stan zespołu ogniw elektrochemicznych o pojemności C[Ah] opisuje współczynnik SOC, który podaje procentowe naładowanie ogniwa odniesione do stanu naładowania znamionowego. Głębokość rozładowania przedstawia współczynnik DOD (Deep of Discharge).
Najbardziej charakterystycznym współczynnikiem jest zawartość energii w kilogramie masy ogniwa (energia właściwa). Akumulatory ołowiowo-kwasowe charakteryzują się współczynnikiem W_w w zakresie 0,11-0,14 MJ/kg, a akumulatory litowo-polimerowe 0,47-0,72 MJ/kg (tab.2). Wyznaczone wartości w porównaniu z konwencjonalnymi paliwami kopalnymi, np. etyliną 32 MJ/kg, są nieznaczne, co wiąże się z dużą masą własną wtórnego źródła energii (głównego). Niekorzystnym parametrem jest graniczny prąd ładowania, który ogranicza pełne wykorzystanie hamowania generatorowego i wpływ na podwyższony czas ładowania.

Parametry eksploatacyjne
Zespół ogniw elektrochemicznych posiada duży prąd zwarcia. Parametrami eksploatacyjnymi mającymi wpływ na współpracęzespołu napędowego ze systemem wspomagania zasięgu są: zasięg pojazdu w trybie elektrycznym, parametry dynamiczne, moc znamionowa silnika elektrycznego, moc znamionowa generatora i silnika cieplnego, siła hamowania regeneracyjnego oraz stan naładowania baterii. System sterowania zapewnia użytkownikowi nadzór i kontrolę nad tymi parametrami pracy pojazdu np. poboru energii z systemów wyposażenia komfortu i bezpieczeństwa. Każdorazowa próba zwiększenia pojemności zespołu ogniw elektrycznych wymusza wzrost masy własnej zespołu i modyfikacji konstrukcji nadwozia pojazdu E-REV.
Wprowadzenie algorytmu sterowania poborem mocy z elementów pasywnych umożliwia wzrost zasięgu w trybie końcowym wyładowania granicznego zespołu ogniw elektrochemicznych. Zespół nadzorujący energią elektryczną akumulowaną w zespole wtórnego źródła energii w razie potrzeby wyłącza poszczególne urządzenia komfortu zgodnie z przyjętym rozkładem priorytetów, np. zespół radioodbiornika, oświetlenie wewnętrzne, zespół klimatyzacji i wentylatora itd. Dobór zestawu zespołu wtórnego źródła energii (głównego) oraz zespołu kondensatorów wymaga uwzględnienia masy pojazdu, zasięgu wynikającego z przeznaczenia pojazdu (rozkładu jazdy), zapotrzebowania na gęstość mocy i energii źródeł energetycznych, zdolności rekuperacji i absorpcji energii kinetycznej na energię elektryczną, wydajności zespołu generator-silnik cieplny, mocy znamionowej silnika elektrycznego, bilansu energetycznego pojazdu zgodnie z zakładanym profilem przestrzennym nadwozia oraz rozkładem jazdy. Zgodnie z przyjętym kryterium doboru należy przyjąć możliwie największą grawimetryczną gęstość i trwałość dla ogniw elektrochemicznych i największe możliwe wykorzystanie zespołu kondensatorów.

mgr inż. Piotr Wróblewski
Doktorant na Wydziale Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej