Η GKN αναπτύσσει υβριδικό σύστημα ηλεκτρικού βολάν για Βαρέα Οχήματα
Το υβριδικό σύστημα βολάν Gyrodrive της εταιρείας GKN είναι ιδανικό για οχήματα “μεγάλης κατανάλωσης καυσίμου και πολλές εκκινήσεις και στάσεις.” Κατ’ επέκταση λοιπόν, τα λεωφορεία προσφέρουν την καλύτερη πλατφόρμα εφαρμογής, καθώς επίσης και άλλα εμπορικής χρήσης οχήματα όπως τα απορριμματοφόρα, τα φορτηγά ανακύκλωσης και τα φορτηγά διανομής.
Ο πυρήνας του υβριδικού συστήματος είναι το βολάν Gyrodrive της GKN αναπτύχθηκε από την εταιρεία Williams Hybrid Power για ένα σύστημα ανάκτησης της κινητικής ενέργειας (KERS) σχεδιασμένο για την ομάδα F1 της Williams.
Η εταιρεία GKN απέκτησε την τεχνολογία τον Απρίλιο 2014 και την ανέπτυξε παράλληλα για χρήση σε 2 κατηγορίες α) αγώνες αντοχής και β) σε βαρέα εμπορικά οχήματα. Η εταιρεία πρόσφατα παρουσίασε το σύστημα Gyrodrive σε μορφή χρήσης για αστικά λεωφορεία.
Το σύστημα διαφέρει από τα αμιγώς μηχανικά υβριδικά συστήματα βολάν, όπως αυτό που έχει αναπτύξει η εταιρεία Ricardo, στον τρόπο που αυτό μεταφέρει την κινητική ενέργεια μεταξύ των κινητήριων τροχών και του συστήματος αποθήκευσης της ενέργειας. Τα βασικά εξαρτήματα περιλαμβάνουν ένα μοτέρ κίνησης, το οποίο παίρνει κίνηση από τον άξονα του οχήματος, έναν αναστροφέα για την μονάδα μοτέρ/βολάν και το σύστημα ηλεκτρονικού ελέγχου.
Όταν ο οδηγός αρχίζει να φρενάρει, το σύστημα του βολάν ενεργοποιείται, εμπλέκοντας το σύστημα του μοτέρ κίνησης, το οποίο περιστρέφει το μοτέρ (ένα EVOmotor σχεδιασμένο από την Williams) μέχρι τις 8000 rpm για να παράγει ηλεκτρισμό. Η παραγόμενη ενέργεια μεταφέρεται μέσω καλωδίωσης στο ενιαίο μοτέρ/βολάν. Το EVOmotor είναι τύπου εγκάρσιας ροής, προσφέροντας υψηλότερη ροπή και πυκνότητα ισχύος συγκριτικά με τα συμβατικά μοτέρ ακτινικής ροής. Είναι επίσης πολύ λεπτό, συμβάλλοντας στην διαδικασία εγκατάστασης.
Ο Διευθυντής Μηχανολογίας & Τεχνολογίας της GKN Land Systems, Reinhard Reinartz, είναι υπεύθυνος για το σύστημα Gyrodrive. Περιγράφει το ενιαίο σύστημα μοτέρ και βολάν: “Ο ρότορας περιστρέφεται γύρω από ένα βασικό στάτη σε κενό αέρα. Ο ρότορας αποτελείται από δύο στρώσεις σύνθετου υλικού. Η εσωτερική στρώση περιλαμβάνει το μαγνητικό υλικό, το οποίο προέρχεται από την βιομηχανία εμπλουτισμού ουρανίου. Έπειτα υπάρχει ένας περιοριστικός δακτύλιος κατασκευασμένος από τυπικό συνθετικό υλικό ώστε να το κρατά στη θέση του.”
Η μονάδα μοτέρ / βολάν μπορεί να περιστρέφεται σε ταχύτητες έως 45,000 rpm, παρά το γεγονός ότι σε εφαρμογές σε λεωφορεία οι ταχύτητες κυμαίνονται γενικότερα μεταξύ 16,000 έως 36,000 rpm. Η μονάδα μοτέρ/βολάν είναι σχεδιασμένη να τοποθετείται κάτω από ένα κάθισμα επιβάτη μέσα στο λεωφορείο, ώστε να μην επηρεάζεται η χωρητικότητα σε επιβάτες. Το σύστημα ηλεκτρονικού ελέγχου τοποθετείται κάτω από ένα άλλο κάθισμα επιβάτη. Συνολικά το βάρος του συστήματος είναι 300 kg, σύμφωνα με τον κο Reinartz.
Όταν η ανακτηθείσα ενέργεια που έχει αποθηκευτεί χρειάζεται για την υποβοήθηση της κίνησης του οχήματος, η διαδικασία αντιστρέφεται με το κινούμενο από το βολάν μοτέρ να παράγει ηλεκτρισμό ο οποίος μεταδίδεται στον μοτέρ κινησης και από εκεί στο σύστημα μετάδοσης κίνησης.
Ο κος Reinartz υποστηρίζει ότι η εξειδίκευση της GKN στη “συσκευασία” εξαρτημάτων συστημάτων μετάδοσης κίνησης ήταν ένας από τους λόγους που η Williams προσέγγισε για συνεργασία την εταιρεία. “Το σύστημα φέρουν τα Audi και άλλα αγωνιστικά αυτοκίνητα, αλλά αφήνουν την Audi να αποφασίσει πώς θα το συνδέσει το μοτέρ κίνησης,” εξηγεί. “Εδώ μας ρώτησαν, ‘Έχετε ένα κιβώτιο ταχυτήτων;’ Ναι, έχουμε ένα κιβώτιο GKN εδώ και το EVOmotor. Οπότε τα ενοποιήσαμε, κάτι το οποίο αποτελεί το σημαντικό μηχανικό κομμάτι, έπειτα έχουμε το σύστημα KERS το οποίο εγκαθίσταται εσωτερικά. Ουσιαστικά θα ταιριάζει σε όλους τους τύπους λεωφορείων. Το μόνο που χρειαζόμαστε είναι διαστάσεις και μετά προφανώς κάποια στοιχεία από τoν εγκέφαλο (ECU) του κιβωτίου ταχυτήτων και του κινητήρα.” Όπως τονίζει ο κος Reinartz, εάν το σύστημα παρουσιάσει κάποιο πρόβλημα, το λεωφορείο μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί ανεξάρτητα χωρίς αυτό.
Και το μοτέρ κίνησης και η μονάδα μοτέρ/βολάν χρησιμοποιούν ένα κλειστό σύστημα κύκλωμα ψύξης λαδιού, το οποίο ψύχεται μέσω του συστήματος ψύξης του κινητήρα. “Απλά ενσωματώνουμε αυτό το σύστημα στο υπάρχον σύστημα του λεωφορείου; Αυτό ήταν,” λέει ο κος Reinartz. “Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι 80°C.Το πρωί που ξεκινά η λειτουργία του λεωφορείου, απαιτούνται μόνο μερικά δευτερόλεπτα ώστε να επιτραπεί στο σύστημα να εκκινήσει, έχουμε λοιπόν ένα τρόπο να το εκκινούμε και να βρίσκεται σε λειτουργία. Το εύρος στροφών λειτουργίας είναι μεταξύ 16,000 rpm και 36,000 rpm. Οτιδήποτε μικρότερο, το σύστημα κλείνει και μπαίνει σε ρελαντί. Έπειτα, για να γίνουν εργασίες στο σύστημα, υπάρχει ένας διακόπτης απενεργοποίησης και λειτουργία αποφόρτισης, έτσι όλα τα μέτρα ασφαλείας έχουν ληφθεί υπόψη. Επίσης είναι σύμφωνο με όλες τις συμμορφώσεις EMC.”
“Η τάση λειτουργίας είναι 500 V και η αποθήκευση ενέργειας κυμαίνεται μεταξύ 1.2- έως 1.8-MJ, με ονομαστική ισχύ 120 kW. Το βάρος της μονάδας μοτέρ/βολάν είναι περίπου 60 kg. Δεν είναι μόνο το βάρος του αλουμινένιου κελύφους και τα ανθρακονήματα, υπάρχει προφανώς και χαλκός εκεί μέσα, επίσης. Το ωραίο εδώ, σε σύγκριση με ένα βολάν από ατσάλι, είναι η αποδοτικότητα. Από μόνο του είναι κατά 98% [αποδοτικό], αλλά στο πλήρες σύστημα, είναι 85%. Αυτός είναι και ο λόγος που ισχυριζόμαστε εξοικονόμηση καυσίμου της τάξης του 20% έως 25%, ανάλογα με τον κύκλο,” λέει ο κος Reinartz. “Παραμένει ακόμη πολύ μεγάλο και ακριβό για τα απλά αυτοκίνητα. Για να έχεις τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα, χρειάζεσαι ένα όχημα μεγάλης κατανάλωσης σε καύσιμα και πολλές εκκινήσεις και στάσεις. Το λεωφορείο είναι η καλύτερη εφαρμογή, μετά προφανώς άλλα όπως τα απορριμματοφόρα, τα φορτηγά ανακύκλωσης και τα φορτηγά διανομής.”
Το τρέχον σύστημα Gyrodrive είναι ένα παράλληλο υβριδικό σύστημα, όμως η GKN θα μπορούσε να αναπτύξει μια παραλλαγή υβριδικού σε σειρά. Η GKN σκέφτεται επίσης την δυνατότητα να συμπεριλάβει μπαταρίες στο σύστημα ή τη διασύνδεσή του.
“Στο τέλος, θα υπάρχουν πολλά τμήματα της τεχνολογίας που θα βοηθούν ένα μεγαλύτερο σύστημα έτσι ώστε να μειωθεί η κατανάλωση καυσίμου και οι εκπομπές ρύπων,” είπε.
Σύμφωνα με τον κο Reinartz, η GKN εξετάζει ήδη την έρευνα ηλεκτρικών λεωφορείων με μπαταρίες με ενσωματωμένο ένα σύστημα Gyrodrive. Αυτό θα βοηθούσε στη μείωση του αριθμού των μπαταριών που απαιτούνται και στην εξομάλυνση του κύκλου φόρτισης. “Οι μπαταρίες είναι καλό να μην έχουν μεγάλο κύκλο φόρτισης – πλήρες άδειασμα, πλήρης φόρτιση, έτσι θα μπορούσαμε να εξομαλύνουμε τον κύκλο φόρτισης. Οι μπαταρίες θα μπορούν να αναλαμβάνουν όταν το λεωφορείο θα έχει αρχίσει να κινείται. Καθώς θα επιβραδύνει, παίρνεις πίσω λίγη ενέργεια. Έπειτα, καθώς επιταχύνει αναλαμβάνει η ενέργεια του βολάν,” εξήγησε.
Η GKN μπορεί να προμηθεύει το σύστημα είτε ως μετασκευή, αντικαθιστώντας τον κινητήριο άξονα με έναν τροποποιημένο που να μπορεί να φιλοξενήσει τον κινητήρα έλξης, ή να το προμηθεύει ως εξάρτημα προς τοποθέτηση. Η GKN πιστεύει ότι το σύστημα μπορεί να προσφέρει περισσότερους από 1 εκατομμύριο κύκλους λειτουργίας, οπότε να καλύψει τη διάρκεια ζωής του οχήματος. Η εταιρεία πρόσφατα υπέγραψε συμφωνία προμήθειας του συστήματος με την Αγγλική εταιρεία κατασκευής λεωφορείων Alexander Dennis.
