Λύσεις — Ενότητα 6.1: Σύστημα συσσώρευσης ενέργειας (σελ. 328) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 6.1: Σύστημα συσσώρευσης ενέργειας (σελ. 328)

Λύσεις των 10 ερωτήσεων της ενότητας 6.1: 7 θεωρίας και 3 πολλαπλής επιλογής.

Ερώτηση 1 — Γιατί επανήλθε το ηλεκτρικό αυτοκίνητο

Ερώτηση: Για ποιους λόγους επανήλθε στην επικαιρότητα τα τελευταία χρόνια το ηλεκτρικό αυτοκίνητο;

Απάντηση:

• Το ηλεκτρικό αυτοκίνητο, που είχε εκτοπιστεί μετά τον Α΄ Παγκόσμιο πόλεμο (βελτίωση Μ.Ε.Κ., φθηνό πετρέλαιο, μικρή συγκέντρωση ενέργειας των συσσωρευτών), επανήλθε στα σχεδιαστικά προγράμματα των αυτοκινητοβιομηχανιών για τέσσερις λόγους (σελ. 321): 1. Ενεργειακή κρίση — εξάρτηση από το πετρέλαιο, αύξηση τιμών· 2. Ρύπανση περιβάλλοντος — καυσαέρια στα αστικά κέντρα· 3. Ραγδαία ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος, που επέτρεψαν την κατασκευή μετατροπέων Σ.Ρ./Σ.Ρ. (κατατμητές) για τροφοδότηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος και μετατροπέων Σ.Ρ./Ε.Ρ. (αντιστροφείς) για κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος από τον συσσωρευτή· 4. Κατασκευή νέων, φθηνών συσσωρευτών αυξημένης πυκνότητας ενέργειας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ενεργειακή κρίση· ρύπανση περιβάλλοντος· ανάπτυξη ηλεκτρονικών ισχύος (μετατροπείς Σ.Ρ./Σ.Ρ. και Σ.Ρ./Ε.Ρ.)· νέοι φθηνοί συσσωρευτές αυξημένης πυκνότητας ενέργειας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οι τέσσερις λόγοι.

Ερώτηση 2 — Κύρια μέρη του ηλεκτρικού αυτοκινήτου

Ερώτηση: Ποια είναι τα κύρια μέρη του ηλεκτρικού αυτοκινήτου;

Απάντηση:

• Τα κύρια μέρη που διαφοροποιούν το ηλεκτρικό από το συμβατικό αυτοκίνητο είναι (σελ. 321, σχ. 6.1): α) Σύστημα συσσώρευσης ενέργειας — η συστοιχία συσσωρευτών κίνησης (Pb, Ni-Cd, Na-S, Li…) με τον φορτιστή και την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου τους (ενότητα 6.1)· β) Σύστημα ηλεκτρικής κίνησης — ο ηλεκτρικός κινητήρας (Σ.Ρ. ή Ε.Ρ. — σύγχρονος/ασύγχρονος/με συλλέκτη) με τα βοηθητικά του (μειωτήρας-διαφορικό, αισθητήρες, ψύξη) (ενότητα 6.2)· γ) Σύστημα ηλεκτρονικών μετατροπέων με μονάδα διαχείρισης οχήματος (VMU) — κατατμητές Σ.Ρ./Σ.Ρ., αντιστροφείς Σ.Ρ./Ε.Ρ., ανορθωτές, και ο μικροεπεξεργαστής που ελέγχει ταχύτητα, ροπή, πέδηση, φόρτιση (ενότητες 6.3-6.4).

Σύνοψη: (ενδεικτική) α) Σύστημα συσσώρευσης ενέργειας (συσσωρευτές-φορτιστής)· β) σύστημα ηλεκτρικής κίνησης (ηλεκτρικός κινητήρας)· γ) σύστημα ηλεκτρονικών μετατροπέων με μονάδα διαχείρισης οχήματος (VMU).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τα τρία συστήματα.

Ερώτηση 3 — Σημαντικότεροι τύποι συσσωρευτών

Ερώτηση: Αναφέρετε τους σημαντικότερους τύπους συσσωρευτών.

Απάντηση:

• Οι σημαντικότεροι τύποι (σελ. 322-323): α) Μολύβδου (Pb) — Pb/H₂SO₄, ο συνηθισμένος των συμβατικών αυτοκινήτων: φθηνός με καλή πυκνότητα ενέργειας, κίνδυνος έκρηξης στην επαναφόρτιση (λύση: στερεός ηλεκτρολύτης, στεγανά στοιχεία χωρίς συντήρηση)· β) Νικελίου-Καδμίου (Ni-Cd) — καλύτερες επιδόσεις, διπλάσια ζωή, πολλές επαναφορτίσεις, σταθερή τάση εκφόρτισης, πολύ ακριβός· γ) Νατρίου-Θείου (Na-S) — αντίδραση σε 300-400 °C, 790 Wh/kg, ~1000 επαναφορτίσεις, μειονεκτήματα θερμοκρασία-κόστος· δ) Λιθίου (Li) — 400-450 °C, διάβρωση, Li-Fe 650 Wh/kg (4× Pb), Li-αέρα η μεγαλύτερη πυκνότητα αλλά μη επαναφορτιζόμενος· ε) Ενεργειακές κυψέλες — μετατροπή χημικής ενέργειας καυσίμου (μεθανόλη, υδρογόνο) σε Σ.Ρ. με οξείδωση από το οξυγόνο του αέρα, 2000 Wh/kg (≈5× Pb), άμεση «επαναφόρτιση» με αλλαγή δεξαμενής· μελλοντική χρήση όταν πέσει το κόστος. Στον πίνακα 6.1 και άλλοι: Ni-μετάλλου, Ni-Zn, Ni-Fe, Na-Ni, Zn-Br, Zn-αέρα, πολυμερές-Li.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μολύβδου (Pb), Νικελίου-Καδμίου (Ni-Cd), Νατρίου-Θείου (Na-S), Λιθίου (Li) και οι ενεργειακές κυψέλες (+ Ni-Fe, Ni-Zn, Zn-αέρα, πολυμερές-Li κ.ά. του πίνακα 6.1).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πέντε τύποι με ένα χαρακτηριστικό.

Ερώτηση 4 — Συνηθισμένες μέθοδοι φόρτισης

Ερώτηση: Αναφέρετε τις συνηθισμένες μεθόδους φόρτισης συσσωρευτών.

Απάντηση:

• Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι (σελ. 325): 1. Φόρτιση με σταθερή ένταση τροφοδότησης· 2. Φόρτιση με βηματικά μεταβαλλόμενη ένταση — πολύ μεγάλη αρχική ένταση που μειώνεται όταν η τάση κάθε στοιχείου φτάσει σε ορισμένη τιμή (ταχύτερη από την πρώτη)· 3. Φόρτιση με σταθερή τάση (σχ. 6.3 — απλή συσκευή με γέφυρα και φίλτρο R-C)· 4. Φόρτιση με σταθερή τάση και σταθερό ρεύμα (συσκευή U-I με θυρίστορ, σχ. 6.4). Ως προς τη διάρκεια: αργή φόρτιση (μικρή ένταση, μεγάλος χρόνος — χωρίς βλάβες υπερφόρτισης, πλήρες φορτίο) και ταχεία φόρτιση (μεγάλη ένταση, μικρός χρόνος)· ακολουθεί φόρτιση συντήρησης. Ενδεικτικά για Pb: ταχεία με σταθερό ρεύμα 2-2,2 V/στοιχείο, αργή με σταθερή τάση 2,2-2,7 V/στοιχείο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Σταθερή ένταση· βηματικά μεταβαλλόμενη ένταση (ταχύτερη)· σταθερή τάση· σταθερή τάση και σταθερό ρεύμα· ως προς χρόνο: αργή (ασφαλής, πλήρης) και ταχεία, + φόρτιση συντήρησης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οι τέσσερις μέθοδοι + αργή/ταχεία.

Ερώτηση 5 — Κύκλωμα φορτιστή συσσωρευτή (σχέδιο)

Ερώτηση: Σχεδιάστε το κύκλωμα φορτιστή συσσωρευτή.

Απάντηση:

• Σχέδιο (σχ. 6.2, σελ. 324): από αριστερά — δίκτυο 220 V/50 Hz → μετασχηματιστής υποβιβασμού (πρωτεύον στο δίκτυο, δευτερεύον χαμηλής τάσης) → γέφυρα ανόρθωσης (τέσσερις δίοδοι D1-D4 σε γέφυρα, ή θυρίστορ για ελεγχόμενη τάση) → φίλτρο εξομάλυνσης (R-C, προαιρετικά) → έξοδος Σ.Ρ. στους πόλους +/− του συσσωρευτή. Στο κύκλωμα εξόδου παρεμβάλλονται αμπερόμετρο A με ρυθμιστή ρεύματος I (σε σειρά) και βολτόμετρο V με ρυθμιστή τάσης V (παράλληλα στον συσσωρευτή), ώστε να ρυθμίζεται η φόρτιση με σταθερό ρεύμα ή σταθερή τάση. Στη συσκευή U-I του σχ. 6.4 η γέφυρα έχει δύο θυρίστορ TH1-TH2 και δύο διόδους D1-D2, ελεγχόμενα από παλμογεννήτρια ρύθμισης V-I. Λειτουργία: ο φορτιστής τροφοδοτείται με χαμηλή τάση 220 V/50 Hz, την υποβιβάζει μέσω μετασχηματιστή και τη μετατρέπει σε συνεχή μέσω γέφυρας ανόρθωσης· η συνεχής τάση, λίγο μεγαλύτερη από την τάση του συσσωρευτή, τον διαρρέει με το ρεύμα φόρτισης.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Δίκτυο 220 V/50 Hz → μετασχηματιστής υποβιβασμού → γέφυρα ανόρθωσης (4 δίοδοι ή θυρίστορ) → (φίλτρο) → συσσωρευτής, με αμπερόμετρο-ρυθμιστή I σε σειρά και βολτόμετρο-ρυθμιστή V παράλληλα (σχ. 6.2).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Περιγραφή σχεδίου + λειτουργία.

Ερώτηση 6 — Λειτουργία της ηλεκτρονικής μονάδας ελέγχου συσσωρευτών

Ερώτηση: Ποια η λειτουργία της ηλεκτρονικής μονάδας ελέγχου συσσωρευτών.

Απάντηση:

• Οι συσσωρευτές κίνησης επαναφορτίζονται με ειδικό φορτιστή πάνω στο αυτοκίνητο και η κατάστασή τους επιτηρείται από ειδική ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (σελ. 326-327). Η μονάδα: ① βελτιστοποιεί τη διαχείριση της ενέργειας που λαμβάνεται από ή παραδίδεται στους συσσωρευτές, τόσο κατά την κίνηση (εκφόρτιση, ανάκτηση στην πέδηση) όσο και κατά την επαναφόρτιση από το δίκτυο· ② δίνει στους συσσωρευτές τη μέγιστη διάρκεια ζωής· ③ τους προστατεύει από ισχυρές εκφορτίσεις (και υπερφορτίσεις)· ④ κατά την οδήγηση τροφοδοτεί με πληροφορίες τη μονάδα διαχείρισης οχήματος (VMU) για την κατάσταση φόρτισης και για άλλες βλάβες (ένδειξη στην οθόνη μπαταρίας — BM)· ⑤ παρακολουθεί τον αερισμό των στοιχείων και την προθέρμανσή τους· ⑥ εκτελεί το πρόγραμμα φόρτισης (4 φάσεις) αφού ολοκληρωθούν οι εσωτερικοί έλεγχοι.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Επιτηρεί τους συσσωρευτές: βελτιστοποιεί τη διαχείριση ενέργειας (κίνηση και φόρτιση), μεγιστοποιεί τη διάρκεια ζωής, προστατεύει από ισχυρές εκφορτίσεις, ενημερώνει τη VMU (κατάσταση φόρτισης, βλάβες), ελέγχει αερισμό-προθέρμανση και εκτελεί το πρόγραμμα φόρτισης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οι έξι λειτουργίες.

Ερώτηση 7 — Φάσεις του προγράμματος φόρτισης

Ερώτηση: Αναπτύξτε τις φάσεις του προγράμματος φόρτισης.

Απάντηση:

• Με την τροφοδότηση του φορτιστή από το δίκτυο, οι συσσωρευτές αρχίζουν να φορτίζονται αφού ολοκληρωθεί η φάση των εσωτερικών ελέγχων. Το πρόγραμμα διαιρείται σε τέσσερις φάσεις (σελ. 327): Φάση 1: ο φορτιστής φορτίζει με σταθερή ένταση μέχρι να φτάσει σε ένα όριο ισχύος· στη συνέχεια, ενώ το ρεύμα διατηρείται σταθερό, η τάση αυξάνεται μέχρι ένα όριο (φάση κύριας-ταχείας φόρτισης). Φάση 2: η τάση φόρτισης διατηρείται σταθερή στο προηγούμενο όριο, ενώ το ρεύμα μειώνεται μέχρι να φτάσει σε μία ελάχιστη τιμή (συμπλήρωση φορτίου χωρίς υπερφόρτιση). Φάση 3: ο φορτιστής αποσυνδέεται και παραμένει αποσυνδεδεμένος μέχρι η τάση των συσσωρευτών να μειωθεί σε τιμή που καθορίζει το λογισμικό της εταιρείας· μόλις φτάσει εκεί, επανασυνδέεται και εκτελεί την επόμενη φάση. Φάση 4: ο φορτιστής φορτίζει περιοδικά, παρέχοντας διακεκομμένα σταθερό ρεύμα (φόρτιση συντήρησης) για όσο χρόνο παραμένει συνδεδεμένος στο δίκτυο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) 1) σταθερό ρεύμα μέχρι όριο ισχύος, μετά τάση ↑ ως όριο· 2) τάση σταθερή, ρεύμα ↓ ως ελάχιστο· 3) αποσύνδεση μέχρι η τάση να πέσει σε τιμή του λογισμικού, μετά επανασύνδεση· 4) περιοδική φόρτιση με διακεκομμένο σταθερό ρεύμα όσο μένει στο δίκτυο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οι τέσσερις φάσεις.

Ερώτηση 8 (πολλαπλής επιλογής) — Η αργή φόρτιση

Ερώτηση: Η αργή φόρτιση: α. δεν οδηγεί σε βλάβες από υπερφόρτιση. β. δεν αντικαθιστά το συσσωρευτή σε πλήρες φορτίο. γ. εφαρμόζεται μόνο σε συσσωρευτές μολύβδου.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: α. δεν οδηγεί σε βλάβες από υπερφόρτιση — «η αργή φόρτιση δεν δημιουργεί βλάβες από υπερφόρτιση και αποκαθιστά το συσσωρευτή σε πλήρες φορτίο» (σελ. 325)· εφαρμόζεται και σε Ni-Cd.

Σύνοψη: α.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 9 (πολλαπλής επιλογής) — Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου συσσωρευτών

Ερώτηση: Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου συσσωρευτών: α. σε χαμηλές συχνότητες δημιουργεί προβλήματα στη διαχείριση ενέργειας. β. δίνει μέγιστη διάρκεια ζωής στους συσσωρευτές και τους προστατεύει από ισχυρές εκφορτίσεις. γ. δεν μπορεί να επιτηρήσει ταυτόχρονα όλα τα στοιχεία.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: β. δίνει μέγιστη διάρκεια ζωής στους συσσωρευτές και τους προστατεύει από ισχυρές εκφορτίσεις — σελ. 326.

Σύνοψη: β.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 10 (πολλαπλής επιλογής) — Το πρόγραμμα φόρτισης

Ερώτηση: Το πρόγραμμα φόρτισης του συσσωρευτή αυτοκινήτου: α. φορτίζει με σταθερή ένταση μέχρι να φθάσει στη μέγιστη ισχύ. β. φορτίζει περιοδικά. γ. διαιρείται σε τέσσερις φάσεις.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: γ. διαιρείται σε τέσσερις φάσεις — «το πρόγραμμα φόρτισης μπορεί να διαιρεθεί σε τέσσερις φάσεις» (σελ. 327)· τα α και β περιγράφουν μόνο επιμέρους φάσεις (1 και 4).

Σύνοψη: γ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.