Regenerativno kočenje

1. PREUSMJERI Predložak:Wikipoveznice

Regenerativnim kočenjem smatra se svako kočenje kod kojeg se dio kinetičke energije sprema u neki oblik energije, umjesto da se toplinom rasprši u okolinu. Dio pohranjene energije može se u određenim uvjetima iskoristiti za bolji, efikasniji rad stroja.

Podjela:

1. Regenerativno kočenje koje se temelji na principu zamašnjaka
2. Regenerativno kočenje koje se temelji na principu generatora
3. Hidrauličko regenerativno kočenje

Korištenje zamašnjaka u svrhu regenerativnog kočenja

Kimi Räikkönen 2009. godine pobjeđuje na Belgijskom Grand Prixu koristeći KERS tehnologiju u svom bolidu

Određenu količinu kinetičke energije posjeduje svako tijelo koje se giba, pa tako i tijela koja rotiraju. Kod regenerativnog kočenja na principu zamašnjaka se, kad je potrebno usporiti vozilo, predaje određena količina energije u zamašnjak na račun kinetičke energije vozila, tj. kinetička energija gibanja vozila se pretvara u kinetičku energiju zamašnjaka. Kad je potrebna dodatna energija vozilu proces je obratan; kinetička energija se sa zamašnjaka predaje na kotače povećavajući pritom kinetičku energiju vozila. U takvim energetskim transformacijama nema gubitka kinetičke energije u toplinu koja se rasipa u okolinu. Da bi se postiglo maksimalno iskorištenje zamašnjaka, on mora biti savršeno izbalansiran, te izveden na način da se ukloni utjecaj svih vanjskih čimbenika. Zbog toga se zamašnjak često nalazi u vakuumu. Kod automobila se taj tip regeneracijskog kočenja realizira mehaničkom vezom između kotača i zamašnjaka, te se tijekom kočenja mehaničkim putem ubrzava zamašnjak koji je smješten u pogonskom sklopu motora. Ako se želi iskoristiti energija akumulirana na zamašnjaku potrebno je usporiti zamašnjak i oslobođenu energiju posebnim sustavom prenijeti na kotače automobila. Princip se koristi nekoliko godina u najekstremnijoj automobilskoj disciplini, Formuli 1, pod nazivom KERS (eng. ''Kinetic energy recovery system''), a razvijaju ga i najpoznatiji svjetski proizvođači automobila kao što su na primjer Volvo, Honda, Peugeot...

KERS (Kinetic energy recovery system)

KERS-zamašnjak

KERS je prvi puta predstavljen u sezoni Formule 1, 2009. godine, koji se koristio u bolidima za dobivanje dodatne snage. KERS je sustav zupčanika i zamašnjaka spojenih na stražnje vratilo vozila. Taj sustav zupčanika i zamašnjaka spojen je na kontinuirani mjenjački sklop (CVT-continuosly variable transmission) koji omogućuje kontrolu vozača nad sustavom. Zamašnjak je mehaničkim putem vezan na kotače bolida koji se ubrzava do ekstremno velikih brzina vrtnje (do 64 000 okretaja u minuti) čime se ujedno skladišti energija potrebna za usporavanje vozila. Kada se želi osloboditi dodatna energija vozila, vozač prekidačem usporava brzinu vrtnje zamašnjaka; oslobađa energiju, koja se pomoću sustava zupčanika prenosi na stražnje pogonsko vratilo, te daje dodatnu pogonsku silu vozilu. Većinom se inovacije vezane za cestovna vozila pojave u Formuli 1, koje kasnije pronalaze svoju primjenu u serijskoj proizvodnji automobila. U razvoju serijske proizvodnje KERS sustava u automobilima ističe se Volvo koji je uspio sličan princip kao onaj iz Formule 1 primijeniti na svom modelu S60. U kombinaciji KERS sustava s turbopunjačem i 4-cilindarskim motorom s unutarnjim izgaranjem postignute su performanse ekvivalentnog 6-cilindarskog motora, ali uz 20- 25% sniženu potrošnju goriva. Zamašnjak se kod modela S60 ubrzava prilikom kočenja na brzinu vrtnje od 60 000 okretaja u minuti, te je tom akumuliranom energijom u stanju kratkotrajno pokretati vozilo. Model S60 s KERS sustavom razvija dodatnih 59 kW (80 KS) i ima značajan porast okretnog momenta u stanju pokretanja, što mu omogućuje ubrzanje do 100 km/h za 5,5 sekundi, što je 1,5 sekundi brže od modela S60 s T5 motorom bez KERS sutava. Današnji zamašnjaci, koje Volvo ugrađuje u svoje modele, izrađeni su od ugljičnih vlakana, čija je gustoća relativno niska što omogućuje velike brzine vrtnje zbog smanjenog centrifugalnog naprezanja. Teži oko 6 kg i ima promjer od 20 cm. Uz to, vrti se u vakuumu kako bi se minimalizirali gubici trenja.

Generatorsko kočenje

Motorno i generatorsko stanje elektromotornog pogona

Elektromotorni pogon može raditi u bilo kojem kvadrantu n-M dijagrama ako za to postoje određeni uvjeti. U kvadrantima s istim smjerovima (predznakom) momenta i brzine vrtnje pogonsko stanje je motorno, a u kvadrantima u kojima je smjer momenta i brzine različit pogonsko stanje je kočno (generatorsko). Kočno (generatorsko) pogonsko stanje za cilj ima usporiti ili zaustaviti elektromotorni pogon. Postoje tri vrste kočenja elektromotornog pogona: elektrodinamičko kočenje, elektrootporno kočenje i generatorsko (korisno) kočenje. Da bi elektromotorni pogon regenerativno kočio on mora raditi u području generatorskog kočnog stanja. Generatorsko kočenje nastaje kad motor elektromotornog pogona počne raditi kao generator s brzinom vrtnje iznad brzine vrtnje praznog hoda. Brzina vrtnje praznog hoda određena je parametrima izvora. Pri takvom kočenju stroj radi u stanju kod kojeg moment i brzina vrtnje imaju suprotan predznak, a elektromotor vraća energiju u izvor. Prednost takvog rada motora je mogućnost vraćanja energije u izvor dok je nedostatak taj što je takav rad ograničen činjenicom da brzina vrtnje mora biti veća od brzine vrtnje praznog hoda, što se događa samo u određenim uvjetima rada motora. Potpuno zaustavljanje elektromotora generatorskim (korisnim) kočenjem moguće je samo ako se motor napaja preko posebnih izvora promjenjivih parametara napajanja, koji mogu voditi struju i u suprotnom smjeru. Takvo kočenje može nastati, na primjer, kod kretanja električnog vozila na nizbrdici ili kod spuštanja tereta električnom dizalicom.

Korištenje generatorskog principa u svrhu regenerativnog kočenja

Toyota Prius: najprodavaniji hibridni automobil

Takvo kočenje koristi se kod elektičnih ili hibridnih vozila. Zanimljivo svojstvo vozila s elektromotorom je to što ako se motor vrti u jednom smjeru (moment i brzina vrtnje su u istom smjeru) pretvara električnu energiju iz izvora, najčešće baterije, u kinetičku energiju, a kad se vrti u suprotnom smjeru (moment i brzina vrtnje u suprotnom smjeru), kod kočenja, ponaša se kao generator i šalje električnu energiju u izvor, tj. puni bateriju ili šalje struju u mrežu. Na taj način vozilu se smanjuje brzina bez trošenja kinetičke energije na toplinu. Električna ili hibridna vozila s takvim sustavom za kočenje koriste, uz to, i standardne kočnice koje rade na principu trenja pa motor mora prepoznati koji je sustav kočenja bolji u određenim uvjetima. To je najčešće kontrolirano elektroničkim putem. Razlika hibridnog vozila od električnog je ta što hibridna vozila uz elektični motor koristi i motor s unutarnjim izgaranjem, te kombiniraju karakteristike vožnje motora s unutarnjim izgaranjem s niskom potrošnjom i radom bez štetnih emisija električnog motora. Da bi se osigurala niska potrošnja goriva hibridnog vozila, baterija (električni izvor elektromotora) vozila mora biti puna, jer ako se baterija isprazni za pogon vozila odgovoran je samo motor s unutarnjim izgaranjem. Hibridno vozilo s praznom baterijom ponaša se kao standardno vozilo s motorom s unutarnjim izgaranjem. Električnim generatorskim kočenjem može se „spasiti“ 50% energije koja se standardnim kočnicama gubi u toplinu. Takvim sustavima može se smanjiti potrošnja goriva od 10-25%. Najveći nedostatak hibridnih i električnih vozila je izvor napajanja. Cijena baterija s većom trajnošću reda su veličine kao cijena ostatka vozila, ali i te cijene padaju kako se razvijaju tehnologije za njihovu proizvodnju. Takav sustav za kočenje koriste se u mnogim modelima automobila od kojih su najpoznatiji Toyota Prius, Honda Insight, Tesla Roadster, Tesla Model S, Nissan Leaf, Mahindra Reva, Chevrolet Volt, Ford C-Max...

Hidrauličko regenerativno kočenje (HPA braking: hidraulic power assisted braking)

HPA je alternativni sustav regeneracijskog kočenja koji su razvile tvrtka Ford i koorporacija Eaton. S tim sustavom, kad vozač pritisne papučicu za kočenje, kinetička energija vozila se pretvara u energiju potrebnu za pogon reverzibilne pumpe koja tlači fluid iz spremnika niskog tlaka u spremnik visokog tlaka. U spremniku visokog tlaka fluid smanjuje volumen dušika koji se nalazi u spremniku visokog tlaka, pri čemu mu povisuje tlak kod kočenja vozila. Energija koja se troši na pogon pumpe može u potpunosti zaustaviti vozilo. Dušik ostaje na visokom tlaku sve dok vozač ne pritisne papučicu za „gas“. U tom trenutku dušik pod tlakom počinje tlačiti fluid natrag kroz reverzibilnu pumpu koja ubrzava vozilo. Takvim sustavom kočenja se efektivno koristi energija potrebna za zaustavljanje vozila, za naknadno ubrzavanje vozila kad je to potrebno. Približno se može 80% energije za zaustavljanje vozila iskoristiti za naknadno njegovo ubzavanje. Takav način kočenja bio bi izuzetno dobar za gradsku vožnju ili za velike kamione kojima je potrebna velika količina energije za zaustavljanje. Nedostatci HPA kočenja su buka pri radu te tendencija propušanja tvari iz tlačnih spremnika i pumpe, ali jednom kad se taj sustav kočenja usavrši efikasnost takvog kočenja bit će i veća od električkog regeneracijskog kočenja smanjujući potrošnju vozila od 25-45% . Sustav za HPA kočenje zauzima puno prostora pa se za sada koristi samo kod velikih vozila.