Novinky v elektrické výzbroji automobilů

Novinky v elektrické výzbroji automobilů

Ing. Tomáš Cetl, FEL ČVUT Praha

Velký třesk – tak lze nazvat změny v elektrické výzbroji osobních automobilů, které se v dohledné době začnou projevovat v jejich konstrukci.

Automobil byl v ještě nepříliš vzdálené minulosti téměř výhradně záležitostí z oblasti strojírenství. Elektrické spotřebiče představovala zapalovací soustava a osvětlení vozidla, později elektrický startér a stěrače. Zásobníkem elektrické energie je až doposud olověný akumulátor, zdrojem energie dynamo, napětí palubního rozvodu 6 nebo 12 V, výkon dynama 150 až 200 W. Postupem času elektrických spotřebičů přibývalo; dynamo bylo nahrazeno výhodnějším alternátorem, příkon osvětlení podstatně vzrostl, v lépe vybavených automobilech se začala instalovat zařízení náročná na výkon (např. klimatizace), a tak není divu, že instalovaný výkon v současných osobních vozech často přesahuje 1 kW a prognóza říká, že v blízké budoucnosti dojde k dalšímu nárůstu na 2 až 4 kW (podle kategorie vozu). Další zpřísnění emisních limitů si vyžádá dokonalejší řízení spalovacího procesu a recyklace spalin, palubní počítače budou mít podstatně více funkcí, elektricky ovládané stahování oken se stane standardem. Dalšími spotřebiči elektrické energie budou vytápěná vnější zrcátka, vnitřní vytápění sedaček, audiotechnika, systémy globální orientace a další. Trochu nadneseně lze říci, že se automobil stává složitým elektrickým a elektronickým zařízením, které je nainstalováno do téměř standardního strojírenského produktu. Samozřejmě nelze pominout nové produkty z oboru hydrauliky, pneumatiky a dalších odvětví.

První kámen úrazu je v již zmiňovaných emisních předpisech. Zavedením emisních stupňů, které jsou známy z nálepek na nových vozidlech jako označení S1, S2, S3 a v budoucnosti i S4, je pro výrobce automobilů a jejich komponent nastolen náročný požadavek, jak emisním limitům vyhovět a tím splnit podmínku pro uvedení nových modelů vozů na trh. Množství škodlivin, které vozidlo vypouští, je limitováno hmotností a složením zplodin a závisí na množství produkovaných spalin, což souvisí s objemem válců, otáčkami motoru, dokonalostí spalovacího procesu a účinností čisticího systému spalin (katalyzátor, tlumič výfuku). Pro ponechání stávajících jízdních vlastností vozidla je třeba zachovat poměr hmotnosti k hnacímu výkonu. Výkon na hřídeli motoru se ovšem, mimo jiné, částečně spotřebovává na výrobu elektrické energie pro zajištění spotřeby zmíněných spotřebičů. Vzniká tedy paradoxní situace, kterou lze vyřešit jen podstatným zlepšením účinnosti spalovacího procesu, odlehčením vozidla a tím poklesem potřebného výkonu motoru a snížením spotřeby nebo výrazným omezením všech výkonových ztrát na vozidle.

Jistě stojí za povšimnutí, že z celkové spotřeby paliva připadá zhruba 1 až 1,5 l/100 km právě na krytí příkonu elektrických spotřebičů vozidla. Většina elektrospotřebičů pracuje nezávisle na právě odebíraném mechanickém výkonu motoru, který závisí na jízdním režimu, tedy i v době chodu motoru na volnoběh. Potom, a to zejména v městském nebo smíšeném provozním režimu, je právě odběr elektrického výkonu po nezanedbatelnou část provozní doby dominantním zatížením motoru.

Povšimněme si dopadu této situace na elektrickou soustavu vozidla a elektrovýzbroj.

Nárůstem spotřeby elektrického výkonu nastává situace, kdy velikost elektrického proudu z alternátoru, popř. z akumulátoru, dosahuje při napětí 12 V hodnoty 100 A (a více), a to nejen krátkodobě, při startování vozidla. Tomu musí odpovídat dimenzování vodičů, jejichž celkový průřez se podstatně zvětšuje a rostou i ztráty v elektrickém rozvodu (závislé na velikosti proudu). Problémem zůstává skutečnost, že ne vždy jsou všechny spotřebiče v provozu současně, ale přesto existují provozní režimy, kdy se téměř všechny spotřebiče na celkovém odběru současně podílejí. Výjimečné postavení má startér motoru, jehož příkon výrazně převyšuje příkon ostatních spotřebičů, avšak doba jeho činnosti je velmi krátká. Navíc je tomu tak v době, kdy všechny velké spotřebiče nemusejí pracovat. Tento spotřebič ovšem po celou další dobu jízdy vozidla je jen jakousi „mrtvou“ hmotou, kterou vozidlo veze s sebou.

Hlavním zdrojem elektrického výkonu je alternátor, v současných konstrukcích poháněný přes řemenové převody od klikového hřídele motoru. Bývá umístěn v čelních partiích motorového prostoru.

Zásobníkem elektrické energie je převážně olověný akumulátor. Toto uspořádání se jeví stále jako optimální, a nedojde-li k nějakému převratnému objevu v oboru zásobníků elektrické energie (na což navzdory stoletému celosvětovému bádání zatím není moc nadějí), bude ještě i v dalších letech úspěšně používán. Jeho provozní vlastnosti umožňují použití při krátkodobém odběru extrémně velkého proudu pro startér i průběžné krytí spotřeby palubních spotřebičů v době mimo provoz motoru nebo krytí odběrových špiček při provozu vozidla ve chvílích, kdy okamžitý výkon alternátoru nestačí krýt spotřebu. V ostatní dobu při běhu motoru se dobíjí přebytkem výkonu z alternátoru. Velikost akumulátoru, vyjádřená jeho ampérhodinovou kapacitou, je do značné míry určena požadavky na velikost startovacího proudu potřebného k roztočení startéru v nepříznivých provozních podmínkách (za mrazu) při zachování přijatelného poklesu napětí během spouštění.

Z energetické bilance automobilu lze snadno zjistit, že ve všech provozních režimech je tok energie ztrátový a energie z paliva se přeměňuje na kinetickou energii vozidla a tepelné ztráty. Přesto je známo, že mnoho jiných dopravních prostředků využívá při režimu brzdění vozidla rekuperaci energie (např. elektrická trakce). Lepší hospodaření s energií u automobilu v brzdných režimech by mohlo přinést alespoň částečné zlepšení celkové účinnosti jízdního procesu.

Na základě všech zmíněných skutečností byla navržena spousta konstrukčních změn v uspořádání energetické soustavy vozidla. Zde jsou zahrnuty změny konstrukční i koncepční. Nejvýraznějšími znaky nové koncepce jsou:

• sloučení funkce startéru a alternátoru do jednoho elektrického stroje (startérgenerátor),

• umístění startérgenerátoru za výstupní částí klikového hřídele, a to buď přímo nebo přes spojku, u některých koncepcí ještě přes převodové ústrojí,

• oddělení startérgenerátoru od hnacího hřídele převodovky nebo rozvodovky spojkou (resp. druhou spojkou),

• rozdělení spotřebičů ve vozidle do dvou skupin s rozdílným napětím (14 V a 42 V) a tím snížení ztrát v rozvodech a spotřebičích,

• středofrekvenční AC/DC a DC/DC měnič s vysokou účinností pro vzájemné propojení obou napěťových systémů,

• možnost použít superkondenzátory SCAP jako doplňkový zásobník energie,

• využití rekuperace energie k nabíjení akumulátorů a superkondenzátoru v brzdném režimu vozidla,

• pro snížení spotřeby možnost využít u motoru režim start/stop, při němž je motor zastaven v době delší pauzy v dodávce výkonu (čekání v kolonách, jízda z kopce apod.); tento režim ovšem klade mimořádné nároky na zásobníky energie pro časté starty,

• pro krytí krátkodobých požadavků velkého výkonu možnost podpořit výkon spalovacího motoru startérgenerátorem v motorickém režimu, což umožní použít spalovací motor menšího výkonu.

Blokové uspořádání schématu palubní sítě je na obr. 1. Palubní napájecí síť je tvořena dvěma napěťovými systémy 14 V a 42 V. Motorgenerátor MG (startérgenerátor) dodává napětí 42 V do provozní sítě vozidla, na kterou jsou připojeny spotřebiče s vyšším příkonem a zásobníky energie určené pro startování a případnou rekuperaci, tedy akumulátor 36 V a superkondenzátor SCAP. Pro případ nutnosti doplnit energii těchto zásobníků z vnějšího zdroje je určen výkonový měnič DC/DC 12/42 V. Druhá palubní síť s napětím 14 V je s provozní sítí 42 V propojena dalším měničem DC/DC 42/14 V, který zásobuje spotřebiče menšího výkonu a reflektory vozidla, což zvyšuje pasivní bezpečnost vozidla v případě havárií a poškození čelních nebo zadních částí vozidla, a tedy i svítilen, u nichž je při nižším napětí výrazně omezeno nebezpečí vzniku elektrického oblouku a následného požáru. Provoz těchto spotřebičů je zálohován ze samostatného akumulátoru o napětí 12 V. Napěťový měnič, který obě napěťové sítě propojuje, je obousměrný, a lze tedy v případě potřeby využít energii z akumulátoru s napětím 12 V pro doplnění energie v zásobnících systému vyššího napětí, např. při startování vozidla. Kromě již zmíněných dvou výkonových měničů je možné v téměř všech blocích 1 až 8 blokového schématu nalézt další měniče, které pro jednotlivé kategorie spotřebičů mění velikost napětí nebo charakter energie a dávkují nebo spínají proud tekoucí do zátěže.

Významné koncepční změny v uspořádání energetických agregátů vozidla v různé míře připravuje několik světových výrobců automobilů a především výrobců elektropříslušenství. Koncepčně zcela novou se jeví konstrukce startérgenerátoru jako multifunkčního elektrického stroje s nezvyklými požadavky na jeho rozměry (vzhledem k umístění za motorem je požadována jeho minimální osová délka). Stroj tedy musí mít tvar disku, výkon 1 až 2 kW při frekvenci střídavého napětí několik stovek hertzů.

Podobné problémy jsou s konstrukcí obou elektricky ovladatelných spojek, měničů napětí s minimální úrovní emisí rušivých napětí, novou koncepcí akumulátorových baterií a aplikací nové součástky – superkondenzátoru – v praxi. Není třeba připomínat, že celý systém je řízen palubním počítačem.

Na vývoji jednotlivých komponent systému pracují výrobci již několik let a dílčí výsledky již byly představeny veřejnosti (zmiňme vzorky motorů se startérgenerátory firem Sachs, Fiat, Toschiba, Volvo, Siemens a dalších). Vzhledem k tomu, že zavedení zmíněných komponent do hromadné výroby vozidel se předpokládá v roce 2004 až 2005, je nejvyšší čas se na tyto významné změny připravit.

Jedním z důležitých dílčích problémů je vyřešení celého systému nové elektrovýzbroje při dodržení všech zásad elektromagnetické kompatibility. To je v systému, který obsahuje řadu významných zdrojů rušivých napětí (jimiž jsou zejména výkonové měniče napětí), poměrně dlouhé kabelové rozvody, množství výkonových spínacích prvků v obvodech se značnými proudy a zátěží s indukčním charakterem, poměrně obtížné, a proto je na tento problém zaměřeno mnoho výzkumných úkolů. Na katedře elektrotechnologie Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze je tento okruh problémů řešen např. v rámci grantu GAČR 21/21016/313.

Zmíněná problematika je velmi rozsáhlá; snad u každého z uvedených problémů lze nalézt množství problémů dílčích, které je nutné brát v úvahu a řešit je ve vzájemných souvislostech tak, aby nebyla narušena kompatibilita všech instalovaných zařízení a vozidlo mohlo vyhovět stále se zpřísňujícím normám v této oblasti. Některým zajímavým složitějším otázkám bude věnována pozornost v příštích článcích.