A csapatunk működésének egyik alappillére a jól strukturált felépítés: kilenc csoport dolgozik összehangoltan azon, hogy versenyautónk a lehető legjobb formáját hozza. A Meet the Team cikksorozat második részében ezúttal az elektromos hajtáslánc csoport munkájába nyerhetünk betekintést. Mi történik a karbonszálas monocoque alatt? Hogyan készül az akkumulátor, amely versenyről versenyre biztosítja a szükséges energiát? Hogyan lehet egyszerre biztonságos, könnyű és nagy teljesítményű energiatárolót építeni? Ezekről mesél nekünk Szatmári Gergely, csoportvezető, illetve Pászty Kristóf elektromos hajtáslánc csoporttag.
Az elektromos hajtáslánc csoporthoz több részegység is tartozik: a nagyfeszültségű akkumulátor, motorvezérlő valamint a 4 darab elektromos motor. Az akkumulátor megtervezése, fejlesztése és gyártása is a mi felelősségünk. Az akkumulátorban csak az akkumulátor cellákat vásároljuk, minden más egység saját tervezésű, így a cellák elrendezését, az akkumulátor kompozit dobozolását, valamint a cellákat összetartó 3D nyomtatott elemeket is mi tervezzük meg. A csoport feladataihoz hozzátartozik még a saját akkumulátor felügyeleti rendszerének megtervezése is. Illetve a nagyfeszültségből alacsony feszültséget előállító DCDC konverter fejlesztése is, aminek segítségével tudjuk táplálni a alacsony feszültségű rendszert. Saját motor és motorvezérlő fejlesztésével is foglalkozunk. A motorvezérlő dobozolásának megtervezésénél nagy figyelmet fordítottunk a helytakarékos kialakításra és a hűtőblokkok elhelyezésére.
A könnyebb megértés érdekében tudnátok egy kicsit mesélni nekünk az akkumulátorról és annak szerepéről általánosságban?
Szati & Kristóf: Az akkumulátor egy olyan eszköz, amely elektromos energiát képes tárolni, majd azt igény szerint visszaadni. Szinte mindenki találkozott már vele valamilyen formában – legyen szó mobiltelefonokról, laptopokról vagy akár elektromos autókról. A modern világban az akkumulátorok szerepe egyre jelentősebbé válik, különösen a megújuló energiaforrások és az elektromos járművek elterjedésével. Az akkumulátor elsődleges feladata az energia tárolása, majd annak leadása, lehetőleg minél hatékonyabban. Ez történhet gyorsan vagy lassabban, attól függően, hogy milyen felhasználási célra tervezték. A tölthetőség, vagyis az újratölthető képesség az egyik legfontosabb tulajdonságuk, amely különbözteti őket az egyszer használatos elemekkel szemben.
Az akkumulátorok cellákból épülnek fel. Egy cella önmagában is képes energiát tárolni és leadni, több cella összekapcsolásával pedig nagyobb kapacitású akkumulátorokat lehet létrehozni. A cellákat sorba kapcsolva az akkumulátor feszültségét, míg párhuzamos kapcsolással az áramterhelhetőségét lehet növelni. Egy-egy cella felépítésében megtalálható egy pozitív (katód) és egy negatív (anód) pólus, amelyekhez úgynevezett current collector-ok kapcsolódnak. Ezek biztosítják a töltési és kisütési folyamatokhoz szükséges áramvezetést, valamint ezek segítségével történik a cellák egymáshoz hegesztése is.
Tudnátok egy kicsit mesélni az említett cellákról? Hogyan képzeljük el ezeket?
Sz & K: Számos típusú cella létezik, attól függően, milyen technológiát és anyagokat alkalmaznak bennük. A leggyakoribb cella típusok közé tartoznak: Lítium-ion (Li-ion), Nikkel-metál-hidrid (NiMH), Ólom-savas akkumulátor (Pb-acid), Lítium polimer (Li-Po). Minden cellatípusnak megvannak az előnyei és hátrányai, attól függően, hogy mire szeretnénk használni őket – legyen szó nagy teljesítményről, hosszú élettartamról, biztonságról vagy éppen költséghatékonyságról.
A mobiltelefonokban általában Lítium-polimer (Li-Po) cellákat szokás használni. Az autók alacsonyfeszültségű rendszeréhez, jellemzően a hagyományos belső égésű autóknál, ólom savas (Pb-acid) akkumulátorokat használnak. A korábbi években a tasakos kialakítású Li-ion cellák bizonyultak a leghatékonyabbnak a csapat számára ezért elsősorban ilyen cellákat vizsgálunk meg a fejlesztés során.
Mesélnétek egy kicsit részletesebben az említett Li-ion cellákról?
Sz & K: Töltés során a lítiumionok az elektrolit közvetítésével a katódból kiindulva az anód felé vándorolnak. Az anódot tipikusan réteges grafitból alakítják ki, amely képes a lítiumionokat beépíteni rétegrácsos szerkezetébe anélkül, hogy maradandó szerkezeti változás történne. Ezzel párhuzamosan az elektronok a külső áramkörön keresztül áramlanak az anód irányába, biztosítva a töltés kiegyenlítődését. Kisütéskor a folyamat ellentétes irányban zajlik: a lítiumionok az anódból kiválva ismét az elektroliton keresztül a katód felé haladnak, ahol visszaépülnek a katód szerkezetébe. Az elektronok eközben az eszköz áramkörén keresztül áramlanak, így elektromos energiát biztosítva a külső fogyasztó számára. A katód jellemzően olyan fém-oxid alapú vegyületekből áll, mint például a lítium-kobalt-oxid (LiCoO₂), lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (NMC) vagy lítium-vas-foszfát (LiFePO₄). Ezek az anyagok képesek nagy mennyiségű lítiumiont befogadni és leadni a töltés és kisütés során, miközben redoxreakciókon keresztül stabilan viselkednek. A katód működésének kulcsa az, hogy a töltött állapotú fémionok oxidációs állapota változik a lítiumion be- vagy kilépésekor. A cellában kulcsszerepet tölt be az elválasztó réteg (separator), egy mikroporózus, kémiailag inert fólia, amely megakadályozza az anód és a katód közvetlen érintkezését – ezzel megelőzve a rövidzárlatot – ugyanakkor átereszti a lítiumionokat. Ez a rétegezett elektróda-struktúra és a separator együtt egy kompakt, többrétegű cellába kerül, amelyet hőhegesztett, alumíniumlaminált fóliából készült tasak (pouch) zár körbe. Bár ez a burkolat könnyű és rugalmas, nem nyújt mechanikai védelmet, ezért a cellákat gyakran egy merev házba vagy modulos szerkezetbe építik be a védelem érdekében.
Egy lítium-ion akkucella ritkán de kigyulladhat ha nem megfelelően van használva, például ha belső zárlat, túltöltés, mechanikai sérülés vagy túlmelegedés következtében beindul az ún. termikus elszabadulás (thermal runaway). Ilyenkor a cella belsejében gyors, önfűtő kémiai reakciók indulnak, amelyek gyúlékony gázokat és nagy hőt termelnek, ez pedig lángra lobbantja az elektrolitot. Ennek a veszélye minimalizálható vagy akár meg is előzhető védelmi, monitorozó rendszerekkel. Ilyenek például az akkumulátor felügyeleti rendszerek és áramkörvédelmi biztosítékok.Az ilyen tűz sokkal nehezebben oltható hagyományos módszerekkel, mert az égéshez szükséges oxigént a cella belső kémiai reakciói is termelik, így a láng akkor is fennmarad, ha a külső oxigénellátást megszüntetjük.
Mióta foglalkozik a csapat saját fejlesztésű akkumulátorokkal?
Sz & K: Csapatunk 2011 óta foglalkozik elektromos járművek építésével, amely során saját fejlesztésű akkumulátort használunk. Az évek alatt ez az akkumulátor rengeteget fejlődött: kisebb, könnyebb és hatékonyabb lett, mint a korábbi változatok.
Cellák és konfiguráció Az akkumulátorunk közel 300 pouch cellából épül fel. Ez a cellatípus kicsi, könnyű, és jól illeszkedik a jármű igényeihez. A cellák konfigurációját a szezon elején megkapott járműszintű elvárások határozzák meg. A cellákat sorosan kapcsolva a kívánt feszültséget, párhuzamosan kapcsolva pedig a szükséges kapacitást tudjuk elérni. A cellákból modulokat alakítunk ki, ezek a modulok pedig egy akkumulátor konténerben kerülnek elhelyezésre. A cél, hogy a konténerben az egész csomag a lehető legkisebb helyet foglalja el, miközben stabilan és biztonságosan rögzített. A konténer és a modulkeretek kompozit anyagból készülnek, amelyhez a Váz csoport szakértelme is elengedhetetlen.
Az akkumulátor fejlesztésének folyamata A szezon kezdetén elindul az ötletelés: hogyan lehetne az új akkumulátor könnyebb, kisebb, megbízhatóbb és jobban kezelhető, mint az előző évi. Ezzel párhuzamosan megkapjuk a jármű szintű elvárásokat is, amelyeknek az akkumulátornak meg kell felelnie. Ezek jellemzően a tárolt energiára, maximális feszültségre és a további részegységekkel való kapcsolatra vonatkoznak. A megfelelő energiatároló rendszer kialakításához az előző szezon során különböző típusú és felépítésű cellákat teszteltünk, hogy kiválaszthassuk a számunkra legmegfelelőbb megoldást. A tesztek során figyelembe vettük a cellák teljesítményét, termikus viselkedését, töltési-kisütési jellemzőit és megbízhatóságát is. Ezekre az alapokra építve elkészítünk egy valósághű 3D modellt, amiben már a gyártás előtt ki tudjuk szűrni az esetleges hibákat vagy gyenge pontokat. Ha a modell működőképesnek bizonyul, elindulhat a gyártási szakasz.
Gyártás és összeszerelés Az akkumulátorunkhoz szükséges ~300 új pouch cellát megrendeljük a Melasta Corp. cégtől. Mivel a gyártás és a szállítás hosszabb időt vesz igénybe, a rendelést időben el kell indítani. A beérkezett cellákkal rendkívül óvatosan kell bánni, mivel akár egy apró hiba is komoly problémát okozhat. Különösen igaz ez a cellák füleinek a buszbárhoz történő lézerhegesztésére. Ha minden szükséges alkatrész rendelkezésre áll, elkezdődik az összeszerelés: modulok, konténer és kontroll doboz készítése, majd ezek összeillesztése. Ennek eredményeként születik meg az adott szezon akkumulátora.
Hogyan tesztelitek az akkumulátort?
Sz & K: A tesztelés már a gyártási folyamat során megkezdődik: folyamatosan ellenőrizzük a cellák és modulok feszültségét, hogy időben kiszűrjük az esetleges hibákat vagy eltéréseket. Ezek az alapvető mérések biztosítják, hogy minden egység megfelelően működjön, mielőtt beépítésre kerülne.Miután az akkumulátor elkészült és bekerül az autóba, következnek az éles tesztek. Valós körülmények között figyeljük, hogy az akkumulátor viselkedése megfelel-e az előzetes elvárásoknak, például mekkora távot tud megtenni a tárolt energiával. Ezenkívül figyeljük még a cellák eltérő öregedését, kapacitás vesztését valamint az akkumulátor melegedését a tesztek során.
