Elektriautode määrimine ja jahutamine

Artikkel ilmunud ajakirjas Ölchecker, talv 2019, lk 5–7 „E-Mobile – Schmieren und Kühlen unter Strom“

„Loobume fossiilkütustest!“ kõlab juhtlause. Tulevikus võiksid tänavatel liikuda valdavalt elektriautod, mis ei tekita heitgaase ega müra. Ehkki elektriautod ei vaja bensiini ega diislit, siis päris ilma määrdeainete ja töövedeliketa nad hakkama ei saa. Neile sobivad määrdeained erinevad aga klassikalistest määrdeainetest.

Seoses uute toodete arendamise ja seirega lasub suur vastutus määrdeainetootjatel ja õlianalüüsidel.

Elektrimobiilsuse populaarsus aina kasvab, sest vesiniku kütuseelementidest ja alternatiivkütustest ei piisa tõenäoliselt järgnevate aastate nõudluse katmiseks. Praegu on registreeritud elektriautode hulk Saksamaal veel suhteliselt väike. 2019. aasta 1. novembri seisuga oli see arv umbes 220 000 elektriautot. Vaatamata sellele toetatakse arvukate dotatsioonidega ja miljarditesse ulatuvate investeeringutega elektrimobiilsuse edasiarendamist, et Saksamaa jõuaks viimaks Hiinale ja USA-le järele. Tehnoloogiline eesmärk on kõrge. Sõidukitootjaid, tarnijaid, poliitikuid ja lõpptarbijaid ootab järgevatel aastatel ees palju lahendamist vajavaid küsimusi ja väljakutseid.

Mida rohkem elektriautosid teedel liigub, seda suurem on elektri tarve. Elektrivõrgu juhtimine vajab optimeerimist ja välja tuleb ehitada üleriigiline laadimisvõrk. Akude laadimisaega on vaja lühendada ja sõiduulatust pikendada. Levinud liitiumioonakudel on küll suur spetsiifiline energia, kuid see ihaldatud metall on ka äärmiselt reaktiivne. Liitiumi kaevandamisel on mitmed negatiivsed mõjud keskkonnale ja kohalikule elanikkonnale. Kasutatud liitiumioonakusid saab küll ümber töödelda, kuid see on äärmiselt keeruline. Selleks et saavutada sõidukis võimalikult pikk aku tööiga ja efektiivsus, peab aku töötama kindlas temperatuurivahemikus. Seejuures on oluline roll ka sõiduki muudel osadel.

Aku, mootor ja juhtsüsteem

Elektrilised rulad ja tasakaaluliikurid on kõige väiksemad akutoitega liikumisvahendid. Paljud insenerid on võtnud neist väikestest kihutajatest eeskuju oma elektriautode konstrueerimisel. Kõige suurema massiga detail ehk aku on paigutatud sõiduki keskele põhja. Rulast inspireeritud ehituse eelisteks on sõiduki hea teelpüsivus, suur teljevahe ja auto salongi ruumikus.

Liikumine toimub elektrienergia jõul, mis tuleb laadimispunktist. Vool salvestatakse ühes või mitmes akus, mis omakorda varustab ajamit elektrienergiaga. Täiendavad klaasitõstukite, klaasipesuri, kliimaseadme või raadio väiksemad elektrimootorid töötavad eraldi madalpingeakuga. Elektriajamina on kasutusel sünkroonne vahelduvvoolumootor. Lihtsustatult öeldes paneb see auto liikuma järgmiselt: vahelduvvoolumootor koosneb kahest magnetist – staatorist ja rootorist. Paigalseisev staator tekitab vahelduvvoolu abil muutuva magnetvälja. Pöörlev rootor koosneb püsimagnetist või tekitab oma magnetvälja alalisvoolu abil. Mõlemad magnetid tõmbuvad või tõukuvad vaheldumisi. Rootori pöörlemine kantakse reduktori abil üle ratastele. Elektrimootori maksimaalne pöördemoment avaldub võrdlemisi laias pöörete vahemikus. Samas pole aga sõidukiirust 0-st kuni 200 kilomeetrini tunnis võimalik tekitada üksnes mootori pöörlemissagedusega. Selleks on vaja reduktorit. 4 kuni 10 käigu asemel piisab siin aga kogu kiirusvahemiku katmiseks ühe -või kaheastmelisest reduktorist.  

Elektrimootori tööks vajalik energia saadakse akust, mille energia salvestusvõime ehk mahutavus on nt Audi e-tron elektriauto puhul 150 kWh. Tühja aku täislaadimine võtaks 3 kW võimsusega koduses pistikupesas mitu päeva aega. Isegi 50 kW alalisvooluga kiirlaadimisjaamas kulub aku laadimiseks 30 minutit, et sõita seejärel ligi 150 km. Samas on juba hakatud Saksamaal rajama kiirteede äärsetesse peatuskohtadesse esimesi ülikiireid laadimisjaamu, kus aku laeb end 80%-ni täis sama kiiresti, kui kestab üks keskmine kohvipaus. Mootori pöörete arvu reguleerib pedaali vajutusega jõuelektroonika. Jõuelektroonika on elektriauto juhtsüsteem ning koosneb inverterist ehk vaheldist, alalisvoolu muundurist ja elektroonilisest juhtseadmest. Jõuelektroonika muundab aku alalisvoolu mootorile vajalikuks vahelduvvooluks. Jõuelektroonika reguleerib vahelduvvoolu sagedust ja seega mootori pöörete arvu. Lisaks reguleerib ta voolu amplituudi ja mootori väljundvõimsust.

Jõuelektroonika mängib lisaks olulist rolli sõiduki pidurdamisel. Võttes jala pedaalilt ära, ei lähe kineetiline energia kaduma, vaid muundatakse elektriliseks energiaks. Seda nimetatakse rekuperatiivpidurduseks. Rekuperatiiv- ehk regenereeriva pidurduse puhul töötab elektrimootor nagu generaator. Toodetud elektrienergia salvestub akus. Jõuelektroonika reguleerib energia juurdevoolu.

Määrdeainete ja jahutusvedelike taasleiutamine

Määrdeainetele ja jahutusvedelikele, mida kasutatakse bensiini- või diiselmootorites, kehtivad konkreetsed autotootjate kvaliteedinõuded. Nende nõuded kajastuvad ka ACEA (Euroopa Autotootjate Ühenduse) ja API (Ameerika Naftainstituudi) spetsifikatsioonides.

Ehkki elektriautod ei vaja mootoriõli, ei saa nad hakkama transmissiooniõlita, määrdeõlide, määrete ja akule vajaliku jahutusvedelikuta.

Need tooted peavad täitma väga spetsiifilisi nõudeid. Siiani pole aga ükski elektriautode tootja defineerinud üldkehtivaid nõudeid määrdeainetele ja jahutusvedelikele. Pealegi kasutavad sõidukitootjad elektriautode konstrueerimisel erinevaid tehnoloogiaid. Sellest tulenevalt pole praegu määrdeainetootjal võimalik luua kõikides elektriautodes universaalselt kasutatavate õlide ja jahutusvedelike kontseptsiooni.

Elektriauto vajab aku jahutusvedelikku, automaatkäigukastiõli, pidurivedelikku ketaspiduritele ning hõõrdumist vähendavaid määrdeid elektrimootori veerelaagritele ja ka muudele väiksematele osadele, nagu nt klaasipesurile, istmeregulaatorile või kesklukule.

Erinevate vajalike määrdeainete hulk pole küll suur, kuid määrdeained ja jahutusvedelikud puutuvad siin kokku hoopis teistsuguste tingimustega.

Ajam ja abiseadmed töötavad pingevahemikus 30 V kuni 1000 V vahelduvvoolu (AC) puhul või vahemikus 60 V kuni 1500 V alalisvoolu (DC) puhul. Kasutatavad töövedelikud ja määrded puutuvad paiguti kokku sõiduki elektriliste ja/või elektrooniliste osadega ning peavad kogu kasutuse vältel usaldusväärselt isoleerima, et takistada lühiste ja sädemete teket. Lisaks peavad nad olema neutraalsed mitmete plastide ja tihendimaterjalide suhtes.

Aku on nõudlik

Selleks et elektriauto kasutegur oleks võimalikult suur, on vaja hoida aku temperatuur optimaalses vahemikus. Alla 0 °C temperatuuridel aeglustuvad akus vajalikud keemilised reaktsioonid ja võimsus langeb. Liiga kuumaks ei tohi aga aku samuti minna. Juba üle 30 °C juures hakkab aku kiiremini vananema ning juba üle 40 °C temperatuuril võivad tekkida pöördumatud kahjustused. Üksnes mõõdukas temperatuurivahemikus (15–30 °C) püsib aku võimsus stabiilselt pikka aega selline, et tootja poolt lubatud sõiduulatus saavutatakse kuni 70% ulatuses. Selleks et üldse nii kaugele jõuda, on hädavajalik, et autol oleks hästi toimiv aku termohaldussüsteem.

Siin kasutavad autotootjad erinevaid tehnoloogiaid:

• aku või akuploki soojenduse ja jahutuse eest vastutab kliimaseadme külmutusagensi ringlus. Kliimaseadme kondensaatori ja aurusti juurde on paigaldatud aku jahutusplaat. Selle varustamist kliimaseadme külmutusagensiga reguleeritakse eraldi klappide ja temperatuurianduritega. Elektritoitega lisasoojendi ei lase talvel langeda temperatuuril liiga madalale.
• Üle 100 kWh salvestusvõimega akude puhul kasutatakse sageli kompleksset jahutusvedeliku ja külmutusagensi süsteemi. See koosneb mitmest eraldi osadega jahutusvedeliku ringsüsteemist. Kliimaseadme külmutusagensi ringlus on ühendatud aku jahutussüsteemiga. Madalatel välistemperatuuridel hoolitseb jahutusvedeliku ja aku soojendamise eest lisasoojendi. Enamasti on selline süsteem täidetud vee ja glükooli seguga, mille koostis erineb seni tuntud jahutusvedelikest.
• Tesla ajab oma joont: 85 kWh akuplokiga Model S elektriautosse on nt paigaldatud üle 7000 üksiku silindrikujulise liitiumioonelemendi. Nende keemiline koostis, ühendus ning üksikute elementide täislaadimine ja tühjenemine on spetsiaalselt kohandatud pikamaa sõiduks ettenähtud elektriautodele. Akuelemente ümbritseb spetsiaalne jahutusvedelik.

Vaid harva kasutatakse jahutusvedelikuna klassikalisi glükoolil baseeruvaid kontsentraate, mida segatakse rohke veega. Tänaseks on tööstus arendanud elektriautodes valitsevate eriliste tingimuste jaoks uut tüüpi jahutusvedelikud, mis sisaldavad nt vett, mille hulka segatakse parafiini, glükooli ja tensiide. Suurema salvestustiheduse ja transpordivõimega optimeerib see akuelementide jahutust.

Kolm võtmeelementi

Akutoitega jõuelektroonika, elektrimootor ja automaatkäigukast – need on elektrilise ajamisüsteemi kolm võtmeelementi. Kulude kokkuhoiu ja väiksema massi huvides on nad paigutatud ühte korpusesse. Nii on neid kõiki võimalik ka kergema vaevaga varustada ühe ja sama töövedelikuga, milleks on innovaatiline ajamiõli. Tegelikkuses polegi see aga nii lihtne. Kui nt reduktori määrimisel on õli peamine ülesanne kaitsta seda kulumise ja hõõrdumise eest, siis ülejäänud masinaosadelt on vaja pigem juhtida ära soojust. Mõned mainekad määrdeainetootjad on juba töötanud välja spetsiaalsed jahutava toimega vedelikud, mis ühtlasi määrivad ka reduktorit. Tulenevalt soojuse ärajuhtimise nõudest ja sellest, et reduktori sisendkiirus on enamasti üle 10 000 p/min, peavad need ajamivedelikud olema väga vedelad. Nende viskoossus vastab umbes diislikütuse viskoossusele. Detailset infot nende toodete koostise kohta pole veel võimalik avaldada. Praegu töötatakse intensiivselt innovaatiliste ajamivedelike arendamise kallal. Teada on aga see, et piloottoodetes ei kasutata baasõlidena praktiliselt üldse mineraalõlisid ega mineraalõliga segatud sünteesõlisid. Pigem on tegemist seguga, mis koosneb veest ja üle 50% muudest komponentidest, silikoonõlidest või glükoolidest.

Elektriajamite töövedelikud seisavad elektriautos silmitsi rea elektriliste, termiliste, triboloogiliste ja keemiliste väljakutsetega. Nad töötavad kõrgepinge all ning puutuvad vahetult kokku elektrimootori vasest detailidega, elastomeersete tihendimaterjalidega ja isoleerlakkidega. Selleks et vedelike läbilöögitugevus säiliks ja nad hoiaksid ära ülelöögid pingestatud osade vahel, ei tohi nad imada endasse vett.

Eriti suured väljakutsed on seotud vedeliku kokkusobivusega erinevate materjalidega ja sealhulgas iseäranis vasega. Kuna vask on väga hea elektrijuht, siis on ta üks tähtsamaid aga ka kriitilisemaid elemente kõikide pingestatud juhtmete ja mähiste jaoks elektrimootoris. Ajamivedelikud peavad seetõttu olema vase suhtes neutraalsed.

Aku, jõuelektroonika ja elektrimootor peavad töötama mõõdukatel temperatuuridel. Ajamivedelike ülesanne on garanteerida soojuse efektiivne eemale juhtimine kuni +180 °C temperatuuril. Maksimumtemperatuuri ületamine lühendab elektriauto tööiga, vähendab kasutegurit ja sõiduulatust.

Äärmiselt väikse viskoossusega ajamivedelik ei vastuta aga mitte üksnes elektrimootorite eest, vaid toetab ka reduktori tööd jõuülekandel. Seejuures peab ta vastama mitmetele nõuetele. Ajamivedelikult oodatakse usaldusväärset määrimisvõimet, kulumis- ja korrosioonivastast kaitset, vananemiskindlust, head kokkusobivust materjalidega ja minimaalset vahustuvust. Siiani on pidanud selliseid nõudeid täitma ainult määrdeõlid, mille viskoossus on kümme korda suurem kui uutel elektriautoõlidel.

Kes pidurdab, see võidab

Moodsas elektriautos kasutatakse pikemaid vahemaid läbides ainult gaasipedaali. Kui juht võtab jala pedaalilt ära, pidurdub sõiduk automaatselt ja liikumisenergia muundatakse elektrienergiaks. Kuna taoline pidurdamine toimub viitega, on elektriautod varustatud lisaks tavaliste ketaspiduritega. Olenevalt tootja ettekirjutustest nõuavad need klassikalisi DOT 4 või DOT 5.1 pidurivedelikke, mis koosnevad peamiselt temperatuurikindlatest polüglükooli ühenditest. Mõningatel juhtudel tuleb kasutada silikooni sisaldavat DOT 5 pidurivedelikku, mida ei tohi aga segada muud tüüpi pidurivedelikega.

Uued nõuded määretele

Enamik sõidukite laagreid, mootorreduktoreid, liigendeid, juhikuid või muid väiksemais masinaosi töötab eluaegse määrdega. Elektriauto vajab umbes 2 kuni 3 kilogrammi erinevaid määrdeid. Seejuures peavad mõnede sõlmede määrded vastama väga spetsiifilistele nõuetele. Seda iseäranis siis, kui määrded puutuvad kokku elektrooniliste osadega, elektrivooluga ja elektromagnetväljadega. Lisaks on mõningates määrimiskohtades vajalik hea kokkusobivus kaitselakkidega, pehmete plastide ja vasega. Eriti suurt koormust peab kõrgete temperatuuride ja suure pöörlemiskiiruse tõttu taluma elektrimootoris veerelaagrimääre. Määre ei pea siin mitte ainult usaldusväärselt määrima, vaid vähendama ka vibratsiooni ja müra.

Suur väljakutse Ölcheckile

Võiks öelda, et autotööstus on end praegu taasleiutamas. Tarnivas tööstuses toimuvad drastilised muutused. See puudutab ka määrdeainetootjaid. Järgnevate aastate jooksul väheneb oluliselt nõudlus harilike mootoriõlide järele. Ühtlasi peavad tootjad kohandama oma toodangu elektrimootorite jaoks täiesti uute määrdeainete ja jahutusvedelikega. Ühtseid nõudeid pole aga elektriautode määrdeainetele veel kehtestatud. Sõidukitootjate erinevad lähenemisviisid on teinud ühtsete spetsifikatsioonide sõnastamise võimatuks. Samuti pole veel kogemusi, kuidas käituvad uued määrdeained ja jahutusvedelikud pikaajalisel kasutusel.

Selle kõige taustal mängivad määrdeaineanalüüsid väga olulist rolli. Ölcheckilt oodatakse laialdasi teadmisi, praktilisi kogemusi ja maksimaalset paindlikkust. Ölcheck osaleb aktiivselt uue DIN komisjoni „Õlide elektrilised omadused“ töös. Komisjon tegeleb töövedelikus toimuvate muutustega, mille kutsuvad esile määrdeainetele mõjuvad elektrilised omadused elektriautodes. Lisaks kasutame oma ekspertteadmisi FVA (Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.*) teadusprojektis „Kõrgepinget taluvad ajamivedelikud“. Ehkki elektriautode määrdeainete muutuste analüüsimiseks ja hindamiseks pole veel ühtset metoodikat välja töötatud, pakume juba praegu aku- ja reduktoritootjatele, katsestendide operaatoritele ja ka määrdeainetootjatele olulist tuge. Praegu arutatakse sellistel teemadel nagu oodatavad kiirused, termilised koormused, isoleerimisvõime, kulumine ja täiendavad nõuete stsenaariumid. Lähiajal on meil aga juba tunduvalt rohkem andmeid ajamivedelike, määrete ja jahutusvedelike käitumise kohta praktikas. Toetudes oma laborianalüüside tulemustele, praktilistele kogemustele ja meie triboloogia eriala spetsialistide ekspertiisile saame otsustada, milliseid katsemeetodeid on vaja elektriautode määrdeainete ja töövedelike hindamiseks mugandada ning millised piirmäärad peaksid kehtima järelejäänud kasutusea määramisel.

Kuigi hetkel keskendub veel Ölcheck peamiselt elektriautode määrdeainetele ja töövedelikele, on juba ka toimunud esimesed nõupidamised elektribusside ja -veokite tootjatega.

Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.* – ajamitehnika teadusühing