Mitől megy az elektromos autó?

Amikor elektromos autókról, elektromos hajtásról esik szó, egyértelműen az akkumulátor számít az állandó slágertémának, jóformán nem is találunk olyan cikket a médiában, amely ne az elektromos energia tárolásáról szólna valamilyen formában.

Pedig az elektromos autónak csak egy része a tárolt energia, önmagában semmire nem lenne elég. Szükségünk van egy eszközre, amely ezt megfelelően átalakítja, hogy képes legyen meghajtani a villanymotort. Ez a cikk röviden összefoglalja, mi is ez az eszköz, és hogy pontosan miért is van rá szükségünk.

AC/DC, avagy hányféle áram létezik?

Bár akadnak sokkal korábbi utalások is, jelenlegi bizonyított ismereteink szerint a XVIII. században Benjamin Franklin végzett először kísérleteket a villamos kisülésekkel.

Luigi Galvani fedezte fel, hogy az élőlények testén belül létezik egy olyan erő, mely az élő szervezet működésében szerepet játszik. Eközben a Paviai Egyetemen dolgozó Alessandro Volta felfedezte, hogy különböző fémek között is kialakulhat elektromosság, tehát ez a jelenség nem biológiai sajátosság.

A XIX. század elején Michael Faraday kiterjedt kutatómunkája során felfedezte az elektromágneses indukciót, mellyel “megágyazott” az elektrotechnika fejlődésének. André-Marie Ampére az elektromos áram és a mágneses tér közötti összefüggéseket írta le a róla elnevezett gerjesztési törvényben. Ezeknek az elméleteknek a felhasználásával alkotta meg Jedlik Ányos az első egyenáramú villamos motort, majd a dinamó-elvet, amit végül tőle függetlenül Ernst Werner von Siemens szabadalmaztatott.

A váltakozó áram győzelmét annak a Nikola Teslának köszönhetjük. Az egyenáramú hálózatban az elektronok egy irányban áramlanak, a hálózat feszültsége nem átalakítható. A hálózati feszültség megegyezik az erőműben előállított feszültséggel. Emiatt az egyenáram nagyobb távolságra nem szállítható, mert az alacsonyabb feszültségszint mellett nagy teljesítményt csak nagy áramerősséggel, nagy keresztmetszetű kábelekkel lehet(ne) szállítani magas veszteség mellett. A váltakozó áramú hálózatban az elektronok áramlási iránya periodikusan váltakozik, az erőművekben termelt alacsonyabb váltakozó feszültséget transzformátorokkal magasabb feszültségre alakítva költséghatékonyabban lehet nagyobb távolságokra szállítani. (A transzformátort Déri Miksa, Bláthy Ottó Titusz és Zipernowsky Károly találta fel.)

A mi problémánk úgy kerül a gondolatsor végére, hogy az akkumulátorból egyenáramot nyerünk, az autónk meghajtásához pedig – az esetek túlnyomó többségében – váltakozó áram szükséges.

Ennek a műszaki gátnak az áthidalására szolgál az inverter.

Az inverter működése

Mint az már az előző fejezetből kiderült, az inverter olyan elektromos eszköz, mely az egyenáramot váltakozó árammá alakítja át.

Természetesen ez az eszköz nem csak a személyautókban létezik. Mobiltelefon töltőknél, napelemes rendszereknél az inverter főalkatrész, hiszen az egyenáramot megfelelő feszültségű és frekvenciájú váltóárammá alakítják – vagy épp fordítva.

A legkorszerűbb inverterek még több feladatot is elláthatnak: pl. optimalizálják az áramtermelést, biztonsági és védelmi funkciókat látnak el, illetve akár adatgyűjtést és távfelügyeletet is végeznek bizonyos alkalmazásoknál.

Nagyon szemléletes példa a modernizációra a BKI hegesztők mérete és tömege: amíg az áram átalakításáért transzformátor felelt, minimum egy nagyságrenddel nagyobb és nehezebb hegesztőket gyártottak, melyeket egy átlagos ember el sem bírt, a mai inverteres változatok pedig nem nagyobbak egy ridikülnél.

Ami a járműveket illeti: az alapelv szerint az inverter tehát nem más, mint egy oszcillátor, avagy rezgéskeltő, mely a BEV, üzemanyagcellás és hibrid autós megoldások esetén egyenáramú energiából stabil frekvenciájú váltakozó áramot hoz létre.

A probléma pontosan ezzel a stabil frekvenciával van. Amíg az az érték konstans, a villanymotor fordulatszáma is állandó lesz. Könnyen belátható, hogy mivel az autó végtelen számú forgalmi helyzethez kénytelen igazodni, ez messze nem előnyös tulajdonság.

Ennek következtében a villamos hajtásokban nem a fentebb említett egyszerű inverter változatokat használják, hanem olyat, ami képes változtatni a váltóáram frekvenciáját. A felhasználó oldaláról ez azt jelenti a gyakorlatban, hogy ha lenyomjuk a gázpedált, akkora motorvezérlő (ECU) utasításait követve az inverter fog gázt adni. A gyakorlatban a szoros műszaki kapcsolat miatt az inverter sokszor az ECU házában kap helyet.

A meg nem énekelt hős a hőstett mögött: a rekuperálás

A legtöbb felhasználó tisztában van azzal, hogy az elektromos autó képes visszanyerni a lassításból származó energia egy részét – azt viszont kevesen tudják, hogy ezt is az inverternek köszönhetjük.

Amikor levesszük a lábunkat a gázpedálról, megfelelő beállítások mellett a motor generátor üzemre vált, azaz a kerekek a klasszikus, belső égésű motorok motorfékéhez hasonlóan visszahajtanak. A különbség annyi, hogy itt nem kompresszorrá, hanem generátorrá válik az erőforrás, amely töltést küld az akkumulátoroknak. Ez természetesen azt a célt szolgálja, hogy jelentős mértékben növelje a jármű hatótávját – járulékos előnyként pedig meghosszabbítja a fékelemek élettartamát.

Tehát amikor a motor generátorként működik, három fázisú szinuszos váltakozó áramot állít elő. Az inverternek ezeket fel kell vennie, és egyetlen egyenáramú kimenetre kell alakítania, amelynek nagyobb a feszültsége, mint az akkumulátoroké, hogy tölthesse azokat.

Összegzés

Könnyen belátható, hogy ez az eszköz esszenciális része az elektromos hajtásláncnak, annak ellenére is, hogy ritkán esik róla szó a különböző fórumokon.

Az invertert millió különböző eszközben alkalmazzák, és mi még a járműipari felhasználásnak is csak egy részét mutattuk be.

Az ágazaton belüli jelentőségével a cégek tisztában vannak, és számos nagy nevű vállalkozás állt rá a fejlesztésükre, gyártásukra.

A Mobility Foresights publikációja alapján a 12 legnagyobb invertergyártó:

• Hyundai Mobis Co., Ltd.
• Marelli Corporation (Korábban Calsonic Kansei Corporation)
• Aptiv PLC (Korábban Delphi Automotive PLC)
• Hitachi Automotive Systems, Ltd.
• Bosch [Robert Bosch GmbH]
• China Auto Electronics Group Limited (THB Group)
• Continental AG
• Denso Corporation
• Eaton Corporation
• Danfoss Group
• Cree Inc.
• Toyota Industries Corporation