Mezőgazdasági önjáró gépek villamos akkumulátorai

Írta: MezőHír-2022/10. lapszám cikke - 2022 október 31.

A mezőgazdasági önjáró gépek villamos üzemeltetéséhez nélkülözhetetlenek az akkumulátorok. A jövőbeli térnyerését illetően legnépszerűbb lítiumionakkumulátor-típus mellett ma még az ólomsavas és a nikkel-fémhidrid akkumulátorokat is alkalmazza a mezőgazdasági technika.

Indítóakkumulátorok

A francia fizikus, Gaston Planté találta fel 1859-ben az első újratölthető áramforrást, a nedves rendszerű savas ólomakkumulátort. Az erőgépek kisfeszültségű, 12 vagy 24 voltos egyenáramú villamos hálózatában az akkumulátorból kinyerhető energiával működtetik a dízelmotor indítását, a jármű világítását, a vezérlő- és a szabályozórendszereket. Ezeket az ólomsavas nedves rendszerű akkumulátorokat a fő feladat ellátása miatt a járműtechnikában indítóakkumulátoroknak nevezik. Az ólom-savas akkumulátor cellájának felépítése egyszerű: higított kénsav- (H2SO4) elektrolitba merített két nagy felületű ólomlapból és műanyag tárolóedényből áll. Egy cella névleges feszültsége 2 volt, ezért a tárolóedényben hat cellát sorba kapcsolva érik el a 12 V értéket (1. kép).

1. kép. John Deere StrongBox típusú ólom-savas nedves akkumulátor kialakítása. 1. műanyag ház elektrolittal feltöltve, 2. cellalemez-csatlakozó, 3. elektródlemezek, 4. elektródlemezek, 5. műanyag elektródelválasztó, 6. epoxigyantáslemez-rögzítő (forrás: www.deere.com)

A savas ólomakkumulátor mai változatait zártnak vagy karbantartásmentesnek szokás nevezni, mivel nem találhatók rajta nyílások, ahol kapcsolatba kerülhetünk az elektrolittal.

A nedves savas ólomakkumulátorok előnye: alacsony előállítási költség, nagy kisütésiáram-szolgáltatás, igénytelen (töltése, kisütése nem igényel precíz felügyeleti elektronikát), modern típusait nem kell gondozni, széles -40-től +60 oC-ig terjedő működési tartomány, alacsony önkisülés, könnyen újrahasznosítható.

A nedves savas ólomakkumulátor hátránya: nehéz (alacsony kapacitás/tömeg arány), hosszú töltési idő (12–18 óra), feltöltött állapotban kell tárolni, alacsony az élettartama, a kénsav mérgező, környezetszennyező alkotókból áll.

Az elmúlt közel két évtized alatt az ólom-savas akkumulátor alapműködési elvét megtartva kétféle száraz elektrolitos akkumulátortípus terjed el, az AGM (Absorbent Glass Mat) és a GEL (géles). Az AGM-ben a folyékony elektrolitot egy speciális abszorbeáló üvegszövetbe itatják fel, a GEL-ben pedig a savat szilícium-dioxiddal keverik, és az így keletkezett gélt viszik fel az elektródok közötti üvegszövetre. A száraz technológiával készült ólom-savas akkumulátorok hosszabb élettartammal, nagyobb töltési és indítási teljesítménnyel rendelkeznek.

Ólomsavas munkaakkumulátorok

A villanymotorral hajtott járművekhez, targoncákhoz, rakodógépekhez stb. alkalmazott ólom-savas akkumulátorokat munkaakkumulátoroknak nevezik. Az ilyen akkumulátorok felépítése kismértékben eltérő, vastagabb, kisebb felületű, de a korróziónak ellenállóbb elektródákat tartalmaz. A villamos mezőgazdasági önjáró gépek ma is használnak ólom-savas munkaakkumulátorokat, például a német gyártmányú Siloking eTruck 1408 típusjelzésű takarmánykeverő és kiosztógépnél (2. kép) vagy a Kramer KL25.5e típusú kerekes rakodógépnél (3. kép).

2. kép. Siloking eTruck 1408 akkumulátoros takarmánykeverő és kiosztó gép (forrás: https://www.siloking.com/en)
3. kép. KL25.5e típusjelzésű, 2500 kg emelőképességű akkumulátoros rakodógép (forrás: www.kramer.de)

A 2500 kg emelőképességű KL25.5e rakodógép négyórás normál munkakörülmények közötti kiszolgálását végző AGM ólom-savas munkaakkumulátorának feszültsége 80 V, kapacitása 416 Ah, tömege 1340 kg, töltési időtartama 5–8 h.

Nikkelalapú akkumulátorok

A nikkel-kadmium (Ni-Cd) akkumulátort a svéd tudós, Waldemar Jungner hozta létre 1899-ben. A Ni-Cd akkumulátor a kedvező tulajdonságai miatt az 1990-es évekig a hordozható eszközök szinte kizárólagos áramforrása volt.

A Ni-Cd akkumulátorok előnyei: hosszú élettartam, bírja a gyors töltést (a kor színvonalán), igénytelen a pontos töltésre-kisütésre, jól tárolható és szállítható, bírja az alacsony hőmérsékletet, töltések számára vetített alacsony ár, sokféle alakban és nagyságban gyártható.

A Ni-Cd akkumulátorok hátrányai: alacsony cellafeszültség (1,2 V), alacsony energiasűrűség, a „memóriaeffektus”, gyors önkisülés, mérgező alapanyagot (Cd-ot) tartalmaz.

Az 1,2 V cellafeszültségű, kevésbé toxikus nikkel-fémhidrid (Ni-MH) akkumulátorok 1980-as megjelenése kiszorította a használatból a Ni-Cd akkumulátorokat.

A nikkel-fémhidrid (Ni-MH) akkumulátorok előnyei a Ni-Cd-hoz képest: 40%-kal nagyobb kapacitás, a „memóriaeffektusra” kevésbé hajlamos, kevésbé környezetszennyező és könnyebben újrahasznosítható; széles hőmérséklet-tartományban üzemeltethető. Azonban hátrányai is vannak: rövidebb élettartam, túltöltésre érzékeny, jobban melegszik töltéskor-kisütéskor, gyors önkisülés, alacsony (65%) hatásfok. A járműtechnika területén korlátozottan, de hordozható kéziszerszámokban és kis gépekben még ma is alkalmazzák.

Li-ion-akkumulátorok

A lítium alkalmazásának lehetőségét áramforrásokban az amerikai kémikus, Gilbert Newton Lewis már 1912-ben felvetette, de csak 1991-ben, a Sony készítette el az első lítiumion-akkumulátort. A sok különböző felépítésű lítiumos akkumulátort lítiumion gyűjtőnévvel illetik.

A lítiumion-akkumulátorok előnyei: nagy energiasűrűség és teljesítmény, magas cellafeszültség (2,4-től 3,7 V-ig, típustól függően), jó hatásfok, alacsony önkisülés, széles üzemeltetésihőmérséklet-tartomány, nagyon hosszú élettartam.

A lítiumion-akkumulátorok hátrányai: működtetésük bonyolult felügyeleti elektronikát igényel, magas ár, nem megfelelő használat vagy sérülés esetén tűz- és robbanásveszélyes, a lítium ritkaföldfém. A lítiumion-akkumulátorokat számtalan kapacitásnagyságban, formában gyártják, az alapcellák rendszerint köralapú hengeres hasáb formában készülnek, amelyeket kötegelve, összekötve csoportban, tokozva hoznak forgalomba (4. kép).

4. kép. Cummins lítiumionakkumulátor-termékcsalád villamos hajtásrendszerekhez (forrás: www.electrive.com)

A lítiumion-akkumulátor BMS- (angolul Battery Management System) elektronikus rendszerfelügyelet nélkül nem üzemeltethető. A BMS fő feladata, hogy bármilyen hiba esetén képes legyen megakadályozni a veszélyes helyzet (pl. áramütés vagy tűz) kialakulását. Sérülés vagy akkumulátorhiba esetén a BMS elektromosan elszeparálja a sérült cellákat a többitől. A BMS méri az egységek feszültségét, a töltöttségi mértékét (különbség esetén korrigálja ezt), a hőmérsékletet, szabályozza a hűtőkört stb. A BMS egy intelligens, bonyolult, tanulásra képes elektronikus számítógépes rendszer.

A lítiumion-akkumulátor teljesítményének és költségeinek javítására számos út létezik, és a fejlesztések széles körben folynak. A villanyautók mellett néhány évtized múlva a mezőgazdasági önjáró gépek villamosítása is az akkumulátortechnológiától fog függeni.

A jövő villamos traktorára csak egy példa a Fendt e100 Vario típusjelzésű traktor, amely 2024-ben kerül sorozatgyártásba (5. kép).

5. kép. Fendt e100 Vario villamos traktor, lítiumion-akkumulátorral a) 100 kWh kapacitású akkumulátor elhelyezése, b) töltővezeték csatlakoztatása (forrás: www.fendt.de)

A traktor 50 kW-os hajtásrendszeréhez a villamos energiát 700 V feszültségű, 100 kWh kapacitású, 600 kg tömegű és 300 liter térfogatú, nagy teljesítményű lítiumion-akkumulátor szolgáltatja, amellyel kb. 4 órás mezőgazdasági üzemeltetés biztosítható.

DR. VARGA VILMOS NY. OKL. GÉPÉSZ- ÉS VILLAMOSMÉRNÖK