Elektryczny napęd do E23 - pomarzyć dobra rzecz

[AMC]

(cd.)
Ale cóż to za spełnienie tak nieobiecującego, niewdzięcznego zwidu, mrzonka rzec by można...
Chyba jest "okienko".
Ameryki nie odkryję a świat niech sam się zbawia, skoro tego oczekuje. Jednakże dziwnym jest, że rozwiązanie, które samo się wprasza, w literaturze "fachowej"
jest traktowane per noga, albo też opisywane ogólnikowo jako niedorzeczne bądz jedno z nagorszych możliwych. Nie wiedzą, co piszą? Niemożliwe.
Szeregowy - tak go zwą - układ napędowy nie jest świeżym pomysłem. Realizowany w kolejnictwie od wieku.
Główna jednostka, często dwusuwowy zaworowy turbodiesel, napędza bezpośrednio prądnicę, a ta - poprzez układy sterowania i regulacji - elektryczne silniki
napędowe kół lokomotywy. Bardzo dawno temu regularne kursy pasażerskie obsługiwał elektryczny wagon akumulatorowy (zachował się, chyba go już odrestau-
rowali i uruchomili pasjonaci). Zmieńmy proporcje wielkości głównych podzespołów i technologię nieco nowszą wezmy - co wyjdzie?
Zasobnik główny - tak nazwijmy baterię trakcyjną akumulatorów - ma spełnić takie wymagania:
- zapewnić chwilową wydajność niezbędną do przyzwoitego przyspieszania
- zapewnić możliwość bezemisyjnej jazdy na użytecznym, tj. nie uciążliwie za małym dystansie, powiedzmy ok. 100km. Zasięg podróżny 2000 (nawet do 5000)km
będzie zapewniony inaczej, i to bez konieczności zatrzymywania się, a ładować... wcale nie trzeba.
- być zdolnym do przyjmowania nie zbyt małej mocy hamowania odzyskowego, aby było ono wystarczająco efektywne
- wykazywać żywotność nie dyskwalifikującą ekonomicznie (co komu po zasobniku, który trzeba wymieniać za często, a kosztuje za dużo; a utylizacja?), przyj-
mijmy wstępnie 5...7 lat
- mieć gabaryty i ciężar w granicach akceptowalności konstrukcyjnej auta
- mieć dostatecznie wysoką sprawność energetyczną (małe straty energii w cyklach ład/rozład)
- być bezpiecznym w eksploatacji
- nie wykazywać mankamentów praktycznie dyskwalifikujących, np. wrażliwości na wstrząsy lub mróz
- a przy tym wszystkim cenę, która jest do przyjęcia
Póki co, nie jest powszechnie znany taki rodzaj ogniwa wtórnego (akumulatora elektrycznego, tak się to mądrze nazywa), który spełniałby sam z siebie w/w wyma-
gania. Ale sprawa nie jest beznadziejna, na badania nad tym idzie codzień poważna sakiewa, a z tym, co już jest dostępne też da się coś pokombinować.
Dwa kluczowe parametry akumulatora to:
- gęstość energii, mierzona w odniesieniu do jego masy i gabarytów, wyrażana w "ile energii zmieści w kilogramie" lub "...w decymetrze sześciennym", odpowied-
nio w watogodzinach na kilogram lub watogodzinach na dm3 (Wh/kg lub Wh/l). Jak Cię zbrzydziło to okropne słowo to nieśmiało przypomnę, że za 1000 wato-
godzin (1 kWh) płacisz PGE ok. 40 groszy z dostawą.
- koszt zmagazynowania tej energii; to bardziej przemawia do wyobrazni, liczone w złotówkach na 1Wh. Lub też w innej preferowanej walucie
Dla większości rodzajów akumulatorów najbardziej mordercza jest praca cykliczna, czyli "naładuj do pełna - rozładuj do...", no właśnie, nie do pusta. Tego prawie
żaden nie zdzierży. To ma pierwszorzędny wpływ na żywotność, w praktyce wykorzystuje się 80...95% całkowitej pojemności. Przy pracy buforowej jest im łatwiej,
oby nie przekroczyć parametrów granicznych, zwłaszcza natężenia prądu i nie wyjechać poza zakres napięć. I jeszcze bilans energii musi być na plus.
Rzut oka na to, co mamy i znamy albo mniej znamy; jest tego towaru kilkanaście rodzajów, ale "okroję" do kilku :
1) Akumulator ołowiowo-siarkowy kwasowy. Średniej wielkości jednostkę mamy w aucie. Kłopoty - czasem wraz z nią. Świerzbi mnie lapek, żeby o tym z Wami
pomówić, bo zagwozdki iście ołowiane na Forum widziałem, ale jak ten ciężar wyminąć to sprawa niejasna. I nielekka kieszeniowo...
Gęstość energii jest - jak na w/w wymagania - mizerniutka: 20...30 Wh z kagie albo i to nie. Nasza sporawa i ciężka okropnie 90-tka w Buni gromadzi "do pełna"
tyle energii, ile jest w 100 ml benki. Do tego kwasior jest towarzysko niesympatyczny i chlupie złowieszczo, a jak go w galaretę (żelowe), to duch wodny z niego
ulatuje i też kiszka. A jednak przydaje się w widlakach, Melexach i innych całkiem użytecznych wydumkach.
Zalety: bardzo duża chwilowa wydajność, bardzo duża żywotność (15 lat i więcej), relatywnie niewysoka cena, przyzwoita sprawność (85...90%), realny recycling.
Wady: niska gęstość energii (na dziś), ołów i kwas "kłopotliwe".
Sprytni zapaleńcy nie spasowali i chwycili za nanotechnologie przy coraz wymyślniejszych koncepcjach budowy płyt czynnych tego starego wynalazku. A że mają
fundusze, to aktualne osiągnięcia możnaby streścić: no, no, nooo... Czyli nie tracimy nadziei, nie przekreślamy pana PbS.
Wszystkie wysiłki zmierzają do zmniejszenia przepaści pomiędzy teoretyczną wydajnością procesu elektrochemicznego, a tą praktycznie uzyskiwaną. Różnice
są kilkukrotne i maleją z postępem badań. To dotyczy wszystkich rodzajów akku.
Tymczasem w sklepie stajemy bardziej lub mniej świadomi przed płodami strategii marketingowo-produkcyjnej, często dalekimi od nawet umiarkowanej doskona-
łości.
2) Kadmowo-niklowy Cd-Ni. Pomimo papierowego zakazu (kadm jest toksyczny podobno) nadal spotykane w starszej generacji sprzęcie powszechnego użytku.
Pojazdy z takimi akku były już, jezdziły i miały swoje zalety. Niestety, niezadowalający zasięg.
Zalety: zdolność do szybkiego ładowania (kilkanaście minut), umiarkowany koszt, niezła wydajność, nienajgorsza żywotność
Wady: niska gęstość energii 30...35 Wh/kg max, kadm-zakaz.
3) Niklowo-wodorkowy NiMH. Tu energia jest gromadzona przez nasycanie/rozpuszczanie wodoru w metalicznym stopie o składzie będącym pilnie strzeżoną
tajemnicą producentów. Stąd to MH - Metall Hydride: metal uwodorniony. Trwają gorączkowe poszukiwania coraz to lepszych stopów, wyniki są obiecujące.
Zalety: niezła gęstość energii 40...60 Wh/kg, spotyka się już nieco więcej, w zapowiedziach 80, b.dobra żywotność 2000 cykli i więcej, b.dobra wydajność chwi-
lowa, bliska PebeeSowi
Wady: niska sprawność 60...70 %, ryzyko niekontrolowanego wzrostu niewielkiego nadciśnienia roboczego i eksplozji (przećwiczone), cena osłabia żywicieli
nadziei, a do tego niemały koszt elektroniki dozorującej z wymaganiem najwyższej niezawodności. Niskie napięcie znamionowe ogniwa 1.2V skutkuje koniecz-
ność łączenia szeregowego dużej ich liczby dla uzyskania pożądanego napięcia, zwykle 80...600V, co w połączeniu z wymaganiem indywidualnego dozoru
elektronicznego jeszcze bardziej komplikuje sprawę i życie księgowemu.
Miniaturowe zasobniczki NiMH były powszechnie stosowane w młodości telefonów kom., większe są np. w Toyocie Prius, jeszcze większe w trakcji szynowej
a bardzo duże w sprzęcie zbrojeniowym. Nie tak dawno jezdził po Wawce tramwaj "hybrydowy" z eksperymentalną baterią NiMH za coś około 300 tysi zetów.
Mimo ponad 30 ton "gewiśtu" całkiem sprawnie się zbierał, bez problemu pokonując niekrótki odcinek bez sieci trakcyjnej.
(cdn.)

[AMC]

[IMG][/IMG]



Taki pakunek NiMH, dla wygody w sakwie rowerowej, mieści tyle samo energii co samochodowy 12V 64Ah, ale waży połowę i jest o 1/3 mniejszy.
Dobrze wspomaga rozruch Buni w zimie lub gdy postoi sobie autko 30 godzin na postojowych...
Ale samodzielnie rozrusznika w zimie nie nakarmi - za mała wydajność chwilowa. Poza tym nie przepada za takimi próbami...





[IMG][/IMG]

Zasobnik NiMH stosowany w kilku markach samochodów hybrydowych. Pomimo niewielkiej pojemności - przy dość dużej wydajności chwilowej - skutecznie
odciąża silnik benzynowy w trudnych dla niego ekonomicznie chwilach, co przekłada się na znaczne zmniejszenie zużycia paliwa. Ale cena... ojej...
Nowy 30 tysi bez mała.

[IMG][/IMG]

Powszechnie znane i lubiane Li-ion 18650 o pojemności 2,2 Ah/ogniwko. Spotyka się już 2,6 i więcej o tych wymiarach. Tu jeden "pakiecik" 25 sztuk do pracy
równoległej, czyli razem 55Ah. Odbiór prądu "po przekątnej" z miedzianych listew zbiorczych niweluje asymetrię obciążenia poszczególnych ogniwek.


[IMG][/IMG]

Dwanaście pakietów tworzy 14-sto kilogramową sekcję, trzy sekcje - jeden zasobnik. Do jazdy aby-aby wystarczają dwa zasobniki, do żwawszej potrzeba
czterech. Tu jeszcze bez elektroniki dozorującej.


[IMG][/IMG]


To też Li-ion, ale "chlupiące". 90 Ah x 6 w szereg; 24V, 150A chwilowej wydajności. To o cenie już nie wspomnę...

(cd.)

4) Litowo-jonowy Li-ion. Pojawienie się ich w skali przemysłowej było rewolucją w temacie zasilania mobilnego. Powszechnie wykorzystywane tam, gdzie
wymiary i ciężar zasilanego urządzenia mają istotne znaczenie. Smartfon na NiMH byłby 3-krotnie cięższy i tyleż grubszy, lecz mógłby być żywotniejszy, też
mniej więcej o tyle. Teoretycznie...
Niepojęte! Wypasiony smartek na Androidzie ma większe możliwości niż zaledwie kilka lat wstecz wielgachne pudło stacjonarnego kompa! A nie wiadomo, czy
powstałby, gdyby wcześniej "liajonki" nie zdały egzaminu praktycznego na b.db. Lapki też nie wiadomo, jak by dziś wyglądały. A tak - mobilny serwis diagnosty-
czny Buni - proszę bardzo!
To właśnie masowo produkowane cylindryczne aku do lapków (fi 18x65mm) mocno napędziły rozwój różnych wysoce pożytecznych cudeniek. Filmik na Forum
wrzucić wprost z autka - zero problemu. Serwery Internetu też muszą mieć buforowe zasilanie.
Jedne z pierwszych Tesli też jezdziły na Li-ion. Na zdjątku możecie zobaczyć coś w tym stylu.
Lecz - jak to zgrabnie ujął jeden z Naszych Kolegów - róża ma kolce. Li-ion są delikatne elektrycznie i wymagają precyzyjnej i niezawodnej elektroniki, żeby ich
nie zniszczyć. W przypadku dużych zasobników drobne niedopatrzenie, jakaś pęknięta ścieżka czy diodka, utlenione złącze itp. to straty liczone w tysiącach
złotych. Co gorsza, niekoniecznie ujawnia się to natychmiast i przez to jest trudne do zdiagnozowania, czyli też kosztowne.
I tak, półsekundowe zwarcie któregoś z ogniwek, np. podczas prac montażowych, zaskutkuje zniszczeniem całej współpracującej równolegle grupy po tygodniu
lub trzech miesiącach, czego przewidzieć nie sposób. Przeładowanie o 0,1V lub podobnie zbyt głębokie rozładowanie, nieco za duży prąd rozładowania lub
ładowania, składowa szybkozmienna w tych prądach, nawet niewielka; przegrzanie lub ładowanie przy więcej niż 45*C, przekroczenie ograniczeń termiczno-
prądowych (słabną na mrozie nie mniej niż PbS) - to krótka droga do ich zagłady. Czy elektronika sobie z tym poradzi? I ile będzie kosztowała, jeżeli nawet?
Jeżeli tak - a jest taka szansa - to mielibyśmy:
Zalety: duża gęstość energii 100...120 Wh/kg, w miarę dobra żywotność 300...500 cykli (w nowszych opracowaniach już dobra 800...1000 cykli), możliwy do przy-
jęcia wskaznik ok. 2 zł/Wh, w hurcie mniej a produkcyjnie pdpdb. ok. 50gr/Wh, dość wysokie napięcie jednostkowe śr. 3,75V, wystarczająco krótki czas ładowa-
nia - poniżej 4 godz., zadowalająca (ale ledwo-ledwo) chwilowa wydajność prądowa, za to doskonała sprawność cyklu - 92...96%.
Wady: (zminimalizowane j.w.), do tego wrażliwość na niskie i zbyt wysokie temperatury, dość duża różnica napięć max/min w cyklu - ponad 1V; wypadałoby wy-
mienić też w/wsp wydajność prądową, jeżeli nie chcemy drażnić ludzi na lewym pasie i sprawnie włączać się do gęstego ruchu - wołowate auto niekoniecznie
jest tak bezpieczne jak niewołowate.
5) Litowo-polimerowy Li-poly. Duża gęstość energii 120...160 Wh/kg przy wydajności zapewniającej żwawość pojazdu (1600kg) z zasobnikiem ważącym około
150kg sprawia, że zasięg wynosiłby sporo ponad 100km wcale nie oszczędnej jazdy. Przy oszczędnym wydatkowaniu energii zapotrzebowanie na nią wynosi
ca. 10kWh / 100km, a przy jezdzie jak na Bunię przystoi - 20...25. Skąd to wiem? Pytaliście, do czego zmierzam z tymi dziwnymi próbami/pomiarami w dz. E32
"Nie pij tyle...". Między innymi do tego; gdyby kogoś zaciekawiło, czy się gdzieś nie pomyliłem. Mowa tu oczywiście o jezdzie bezemisyjnej, w mieście; najtaniej,
jak się da.
Wszystkie pozostałe istotne cechy elektryczne li-polek są podobne do li-ajonek. Tyle tylko, że trzeba ostrożniej, bo są zazwyczaj hermetycznie zamknięte i może
być nieciekawie, gdy je zle potraktować.
Jak zwykle, są i kolce... Pod koniec lat dziewięćdziesiątych wytwórnia Kokam udostępniła na wąskim rynku typoszereg niewielkich jednostek znakomitej
jakości, co "wyszło w praniu". Cena urywała głowę. Dziś już tylko chce ukręcić. A czy nadal są tak dobre? Czas może pokaże...



[IMG][/IMG]

Lithium polymer KOKAM 3,3 Ah, 6 x 6 z układami dozorującymi BMS (Battery Management System). Dwa takie zestawy były zródłem energii do napędu
lekkiego jednośladu (25 + 80 kg), zapewniając utrzymanie prędkości 30 ... 26 km/h na dystansie 105 km. O cenie z 2001 roku coś wspominałem...
Pojazdy te (szumnie nazywając) są sprawne do dziś w liczbie aż dwóch egzemplarzy - prototypowych. Aku nieco zarżnięte, ale co one przeżyły...
Celowe próby zniszczenia "niewłaściwą" , łagodnie mówiąc, eksploatacją potwierdziły ich pierwszorzędną jakość.

[AMC]

[IMG][/IMG]

W tym pudełku mieści się cały system zawiadujący przekładnią. Wykonany jako układ próbny w technice analogowo-cyfrowej; nie grożą sensacje
z oprogramowaniem oraz np. budowana w oparciu o jego niedostępność kosmiczna cena, gdyby ktoś kiedyś tą drogą... W co więcej niż wątpię.
Mikroprocesora nie ma, stopień komplikacji kilkunastu poszczególnych modułów nie wykracza poza kompetencje początkującego elektronika - amatora,
mimo to system komunikuje się na bieżąco z wszystkimi pozostałymi systemami w pojezdzie, nie dopuszczając do złych skutków ewent. błędu kierowcy.
Nie zawiera także żadnego elementu, który nie byłby produkowany przez co najmniej 5 powszechnie znanych i cenionych producentów branży elektronicz-
nej, których wyroby są ogólnodostępne. Przy czym mówimy tu o elementach, których cena rynkowa wynosi od pojedynczych groszy do kilku złotych, innych
nie ma w tym układzie. Takie były założenia konstrukcyjne. Także takie, aby system był samodiagnozujący i jak najprostszy w uruchomieniu i regulacji oraz
istniała możliwość pózniejszych zmian ustawionych parametrów, też w jak najmniej trudny sposób, najlepiej także podczas jazdy. Czy to się tak da zrobić?
Udało się spełnić te założenia. Średni rynkowy koszt elementów 1-go modułu nie przekracza 15 złotych.
Dla rozjaśnienia: częstokroć elektroniczny podzespół do auta, za który w ASO żądają np. 1000 zet, w przemysłowej wielkoseryjnej produkcji kosztuje kilka
euro zaledwie, ale jest trudny do podrobienia małym kosztem, więc pechowiec płacze i płaci. To wszyscy wiemy. A inaczej nie można, bo się gospodarka
wywróci na lewą stronę.
Dziwny jest ten świat...


[IMG][/IMG]

Od koncepcji, poprzez projekt wstępny ideowy i montażowy do układu próbnego droga dość długa, lecz ciekawa, a na jej końcu nagroda: DZIAŁA!
Najczęściej nie od razu, gdy koncepcja jest niestandardowa, albo trzeba urzeczywistnić coś, co pierwotnie jest tylko wyobrażeniem efektu tego działania.
Lecz problemy nie są kosmiczne, gdy system da się realizować "po kawałku". Na obrazku prosty (czyli tani i niezawodny) układ przetwarzania danych.



[IMG][/IMG]

Gdy układ próbny zda egzamin, można przejść do wersji docelowej. Wnętrze jednego z czterech sterowników mocy silnika trakcyjnego.

[IMG][/IMG]

Jednym z najtrudniejszych jest problem niezawodnej regulacji mocy silnika trakcyjnego, także przy hamowaniu odzyskowym, z zachowaniem
znikomych strat i nie przekroczeniu normatywu zakłóceń elektromagnetycznych EMC. W dodatku ilość miejsca mocno ograniczona, a na rynku...
jak wyżej. Ten i inne wymogi zmusiły do zaprojektowania zwartej, gęsto upakowanej konstrukcji.






[IMG][/IMG]

Impulsowy regulator/transformator DC/DC o płynnie regulowanej przekładni 100:1 ... 1:1 dla napędu i 1:1 ... 1:3 przy hamowaniu elektrodynamicznym.
Komunikuje się w sposób ciągły ze współpracującymi układami, aby nie zerwać przyczepności, nie zagrozić silnikowi i nie umniejszyć trwałości
zasobnika aku. W projekcie przewidziano do pracy zespołowej max. 20 szt. takich regulatorów. Awaryjna jazda możliwa jest na jednym (50km/h).






[IMG][/IMG]

Złocenie ścieżek obwodów drukowanych nie jest ani kłopotliwe, ani też bardzo drogie, a znacząco zwiększa ich odporność m.in. na utlenianie.





[IMG][/IMG]

Odpowiednio niewielkich hermetycznych złącz wysokoprądowych o gęstym upakowaniu potrzebnej liczby pinów na rynku nie znalazłem.
Przy 16-stu elementach (60A każdy) równocześnie złączanych potrzebna jest dość znaczna siła do wetknięcia tego, co ma być wetknięte;
gwintowana oprawa umożliwia wykonanie operacji zł/rozłączenia bez wysiłku i przy ograniczonej przestrzeni nad zespołem napędowym.