GTKB Kft

Magyarországon az elektromos közlekedés nagymúltú gyártó vállalata az egykori Ganz Villamossági Művek volt, akinek műszaki szellemisége és innovációs hagyományai sok változás után néhány utódvállalatban és tervező irodában maradtak fenn. Kettő közülük a GTKB Ganz Transelektro Közlekedési Berendezéseket Gyártó Kft. és a Sedulitas-Pro Kft., akik újabb közös fejlesztési projectben hoztak létre innovatív műszaki eredményt az e-mobilitás terén.

A GTKB Kft. a Széchenyi 2020 GINOP-2.1.7-15-2016 Prototípus-, termék-, technológia- és szolgáltatásfejlesztés című kiírásához benyújtott nyertes pályázata adta meg a keretet az „Egyenáramú hajtásrendszer prototípus fejlesztése közúti villamosok modernizálásához” fejlesztési projectjéhez. A társaság villamosok korszerűsítő felújításához már korábban is szállított egyenáramú hajtásrendszeri berendezéseket, melyeknek számos további előnyt biztosító, új szemléletű továbbfejlesztését végezte el a project keretében.

Ennek folyamán jutottak innovatív gondolkodású mérnökeink arra a gondolatra, hogy mindazon komponensekből (áramszedő, szaggató, kapcsoló- és védelmi készülékek, vezérlő, stb.), amely a villamos hajtásrendszerét alkotja, ki lehet alakítani egy elektromos buszok töltésére alkalmas töltőberendezést is. A fejlesztést ebben az irányban folytattuk tovább, felismerve az időközben egyre markánsabban megjelenő piaci tendenciát, a tisztán elektromos hajtású buszok térnyerését a közösségi közlekedésben, melyek a működéshez szükséges villamos energiát a fedélzeti energiatároló egységekben (nagy energiasűrűségű akkumulátor telepekben, esetleg szuperkondenzátorokban) raktározzák.
Ezek azonban drágák és nehezek, a helyet az utasoktól veszik el. Méretüket ezért optimalizálni kell, amely egyre több üzemeltetőnél vezetett el annak a felismerésére, hogy nem a jármű nagy hatótávolsága a lényeg, hanem az, hogy az elektromos buszok méretezése, befogadóképessége az adott forgalmi feladathoz illeszkedjen. Az optimális méretű akkumulátorteleppel szemben tehát nem szükséges követelmény, hogy az egész napi közlekedéshez szükséges energiát tárolni legyen képes – ellenben a napi forgalom keretén belül célszerű a töltések beiktatása, pl. a járat végállomásán. (E töltési stratégia további jelentős előnye az, hogy ezzel az akkuk töltése magasabb töltöttségi állapotban történhet meg, a szűkebb tartományon belüli töltés pedig az akkupack élettartamának növekedésével jár, mivel a cellák közti kiegyenlítés miatt a töltési fázis utolsó 10%-a a kritikus.)
A járat közbeni töltésre azonban jellemzően korlátos idő áll rendelkezésre, ezért ezt a töltést gyorsan, nagy teljesítménnyel kell végrehajtani. Ez megköveteli a töltőpontok új generációjának kialakítását, amelyek képesek az energiatároló elemeket nagy árammal tölteni, úgy, hogy a töltő és a jármű egymással vezeték nélküli vezérlési kapcsolatba kerül. E kommunikáció európai szintű szabványosítása, Wifi-n keresztül zajló, nyílt forráskódú protokoll formájában, nemrégiben történt meg. Ezáltal, amennyiben egy töltő műszakilag egyébként alkalmas arra, hogy több kapocsfeszültséggel és áramerősséggel töltsön, minden Európában gyártott, megfelelő kapocsfeszültségű vontatási akkumulátorteleppel ellátott e-buszt képes tölteni, mert mindegyikkel szabványosan tud kommunikálni.

A GTKB Kft. és Sedulitas-Pro Kft. közös fejlesztésének eredménye egy ilyen töltőállomás, mely alkalmas akkumulátoros vagy akár szuperkondenzátoros elektromos járművek nagy teljesítményű töltésére, különböző kivitelű villamos csatlakozási egységeken keresztül.

A töltőállomás a bemenetén fogadja a 600 V DC tápfeszültséget, míg a kimenetén szolgáltatja a változtatható értékű szabályozott töltőáramot, előírt feszültséghatárok között. A járműhöz a nagyáramú csatlakoztatást félpantográf rendszerű, oszlopra szerelt, onnan leereszkedő egységgel és a járművön rögzítendő fogadó palettával, a kommunikációt CAN-Wifi alapú csatornán keresztül valósítjuk meg.

Fizikai kivitel

A töltőállomás egy kültéren elhelyezhető, zárható szekrény, mely tartalmazza a nagyáramú és a vezérlési áramköröket. Kimeneti köréhez kábelen csatlakozik a töltőoszlop a pantográffal. A töltőszekrény két nagy egysége a fojtótér és a vezérlési / teljesítményelektronikai rész.
Előbbiben a bemeneti és kimeneti simító fojtók, valamint a rádiózavar-szűrő fojtó kaptak elhelyezést, ventillátoros hűtéssel. A hőmérsékletet a vezérlő folyamatosan méri PT100 elemekkel és a mért érték függvényében szabályoz.

A nagyáramú szaggató berendezés – IGBT-tranzisztorból és diódákból álló feszültségcsökkentő egyenáramú chopper – saját zárt konténerében van elhelyezve, saját ventillátorral, teljesítményelektronikai elemei a por és a nedvesség káros hatásaitól védettek.
Irányítástechnikai egysége (IGBT-meghajtó) a berendezés zárlat-, túláram- és túlfeszültség-védel¬mét is ellátja.
A szaggató a félvezető vezérlőjelét a processzoros kártyától fénykábelen keresztül kapja. A vezérlőrack vasúti minősítésű egységekre épül. Az IGBT vezérlése, az előírt kimeneti áram szabályozása a szaggató kitöltési tényezőjének változtatásával valósul meg. A szaggató berendezés  = 95 % maximális kivezérlésig állandó 1000 Hz-es frekvenciával üzemel.

A hűtőborda hőmérsékletének mérésével a járművezérlő berendezés a szaggató hatásos termikus védelmét valósítja meg. Így szellőzés kimaradás esetén, ha a hűtőtönk eléri a 75 °C-os hőmérsékletet, a szaggató berendezés leáll. Visszahűlés után a szaggató tovább működhet.

A központi vezérlő CAN-kommunikációs alapú, rack-rendszerű berendezés. A rack tartalmazza a be- és kimeneti digitális és analóg kártyákat, a teljes működést irányító processzoros kártyát, s a teljesítményelektronika vezérlőjét. Működteti a pantográf mozgató motorját és a beolvasott mérőváltó-jelek alapján védelmi funkciót is ellát. A kapott töltési igény alapján vezérli a nagyáramú szaggató berendezést Alkalmas a kiadott villamos energia mérésére és tárolására, a feltöltött jármű azonosítóival együtt.
A központi vezérlő CAN-vonalon kommunikál a szekrény külső falára szerelt, színes megjenítésű diagnosztikai monitorral, mely különböző diagnosztikai funkciókat is ellát. A monitor ellátja a töltési folyamat mennyiségi regisztrációját, a tárolt adatok számítógéppel kiolvashatók.
A vezérlési részben találhatók a védelmi berendezések, nagyáramú kapcsoló egységek, mérőváltók és kapocslécek.
Mind a központi vezérlő, mind a monitor magasszintű grafikus és text-formátumban programozható. A bennük futó szoftverek modulrendszerű programozási egységekből épülnek fel, elősegítve a későbbi bővítést.

A töltő és a jármű között a csatlakozást egy félpantográf-rendszerű elektromos működtetésű egység hozza létre, amely egy normál villamos áramszedőből került kifejlesztésre. Az áramszedő fordított pozícióban van beépítve, azaz a talapzat rögzítő elemei az oszlop felső részének alsó oldalához csatlakoznak. Működése során onnan nyílik lefelé. Nyugalmi helyzete a teljesen felhúzott állapot.
Az érintkező paletta egy speciális, nagy áramok átvitelére alkalmas kontaktusfelület, amely megvalósítja az üzembiztos áramátvezetést túlmelegedés nélkül. Az érintkező ellendarabja a busz tetején kap helyet. A szükséges nyomóerőt csavarrugó adja, a pantográf mozgatását villanymotor végzi.

A töltési rendszer működése

A jármű a töltőoszlop mellé áll a kijelölt helyre. A kommunikációs csatornán keresztül üzenetváltás valósul meg az oszlop és a jármű vezérlőrendszere között, végrehajtódik az összekapcsolódás. Ezután az oszlopon található pantográf leereszkedik a fogadó felületre és ezzel az erősáramú kapcsolat létrejön.
A vezérlés utasítást ad a töltővezérlőnek a töltőáram indítására. A jármű a CAN-táviratokon keresztül határozza meg a kívánt áramértéket és feszültség határokat.
A töltés végeztével a jármű kikapcsoltatja a töltőáramot, majd a töltőoszlop parancsot ad a pantográf felhúzására. A szétválás után a jármű tovább folytathatja az útját.
A töltés kezdete és vége a járművezető engedélyezésétől függ, azt bármikor felfüggesztheti és teljesen le is állíthatja. A villamos paraméterek biztonságos tartományon belül tartásáért a szoftveres vezérlések felelősek.

A berendezés gyártása és bemérése a GTKB Kft. bajai gyárában történt, a rendszer tervezése és a vezérlőszoftver megírása a Sedulitas-Pro Kft-nél. A berendezés fő komponensei csaknem kivétel nélkül itthon gyártott, magyar termékek.

A töltőállomás főbb műszaki paraméterei

Bemeneti feszültség tartomány: 420-720 V DC
Kimeneti feszültség tartomány: max. 0,95 x U be
Kimeneti névleges áram: 350 A
Rövid idejű kimeneti csúcsáram: 550 A
Működési frekvencia: 1000 Hz
Környezeti hőmérséklet: -25 ÷ +40°C

A GTKB Ganz Transelektro Közlekedési Berendezéseket Gyártó Korlátolt Felelősségű Társaság a GINOP-2.1.7-15-2016-01317 azonosító számú pályázata kapcsán 54.052.427 Ft vissza nem térítendő állami támogatásban részesült.

A Projekt az Európai Regionális Fejlesztési Alap és hazai központi költségvetési előirányzat által nyújtott támogatásból valósult meg.