Svaki put kad pritisneš papučicu kočnice, trošiš energiju. Zakon o održanju energije kaže da energija ne može biti stvorena ili uništena, može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi. Dakle, kad uslijed procesa kočenja automobil uspori, kinetička energija koja je pokretala automobil pretvorila se u toplinu, znači postala je beskorisna. Ta je energija mogla biti iskorištena za neki rad, ali utrošena je na zagrijavanje kočnica.
Postoji li nešto što bi vozači mogli učiniti da prestanu trošiti ovu energiju? Baš i ne. U većini automobila to je neizbježan nusproizvod kočenja, a ne postoji mogućnost vožnje automobila bez povremenog korištenja kočnica. Međutim, inženjeri posvećeni automobilima i automobilskoj industriji, razmišljajući o tom problemu, iznjedrili su novu vrstu kočionog sustava koja može vratiti znatan dio kinetičke energije automobila i pretvoriti ga u električnu energiju kojom se mogu puniti baterije automobila. Taj sustav naziva se REGENERATIVNO KOČENJE.
Trenutno, ove vrste kočnica se prvenstveno nalaze u hibridnim vozilima kao što su Toyota Prius, i u potpuno električnim automobilima, kao Tesla Roadster. U vozilima poput spomenutih, održavanje napunjenosti baterije je od velike važnosti. Međutim, tehnologija je prvi put korištena u trolejbusima, a zatim je pronašla svoj put na tako nevjerojatnim mjestima kao što su električni bicikli, pa čak i automobili Formule 1.
U
tradicionalnom kočionom sustavu disk pločice stvaraju trenje s diskom kočnice kako bi usporile ili zaustavile vozilo. Dodatno trenje se proizvodi između usporavanja kotača i površine ceste. Ovo trenje, kao što smo već spomenuli, pretvara kinetičku energiju automobila u toplinu. S regenerativnim kočnicama, s druge strane, sustav koji upravlja vozilom čini većinu kočenja. Kad vozač stane na papučicu kočnice električnog ili hibridnog vozila, električnom motoru dolazi signal kojim se počinje okretati u suprotnom smjeru čime usporava kotače automobila. Za vrijeme rada u obrnutom smjeru, motor također radi kao električni generator, proizvodi električnu energiju koja se pohranjuje u baterijama vozila. Ova vrsta kočnica radi bolje pri određenim brzinama. Najučinkovitija je u vožnji Kreni-Stani (Stop-and-Go). Međutim hibridi i potpuno električni automobili imaju i tradicionalne kočnice koje rade na principu trenja, kao vrsta back-up sustava u situacijama u kojima regenerativno kočenje jednostavno neće osigurati dovoljno snage za zaustavljanje.
U daljnjem tekstu detaljnije ćemo pogledati kako funkcionira regenerativni sustav kočenja i razmotrit ćemo razloge zašto je regenerativno kočenje učinkovitije od uobičajenog sustava trenja.
Regenerativni krugovi kočenja
Regenerativno kočenje koristi se u vozilima koja koriste električne motore, prvenstveno u potpunosti električnih i hibridnih električnih vozila. Jedna od zanimljivijih svojstava električnog motora je da, kada se okreće u jednom smjeru, pretvara električnu energiju u mehaničku energiju koja se može koristiti za obavljanje rada (kao što je okretanje kotača automobila), ali kad se motor okreće u suprotnom smjeru, pravilno dizajniran motor postaje električni generator, pretvara mehaničku energiju u električnu. Ovom električnom energijom se zatim može puniti sustav punjenja za baterije automobila.
Sofisticirani elektronski krugovi odlučuju u kojem trenutku motori trebaju okrenuti smjer te preusmjeriti električne krugove kako bi proizvedenu električnu energiju od strane motora pohranili u baterije vozila. U određenim slučajevima, energija proizvedena ovim vrstama kočnica pohranjuje se u nizu kondenzatora za kasniju upotrebu. Osim toga, s obzirom na to da vozila koja koriste te vrste kočnica imaju i standardni sustav kočenja, elektronika vozila mora odlučiti koji je kočioni sustav prikladan u kojem trenutku. Budući da se toliko toga kontrolira elektroničkim putem u regenerativnom kočenju, vozaču je čak moguće odabrati određene pripremne postavke koje određuju kako će vozilo reagirati u različitim situacijama. Na primjer, u nekim vozilima vozač može odabrati bi li regenerativno kočenje trebalo odmah započeti kad god se vozačeva noga makne s papučice gasa i hoće li sustav kočenja djelovati cijelo vrijeme do potpunog zaustavljanja automobila (brzina 0 km/h) ili će prestati djelovati nešto ranije, dok je automobil još u fazi laganog kretanja.
U automobilskoj industriji postoji opći pokret prema takozvanim sustavima kočenja u kojima mnoge funkcije kočnica koje su se tradicionalno izvodile mehanički, prelaze na elektroničko izvođenje. Hibridi i električni automobili vjerojatno će biti prvi posvojitelji tih vrsta kočnica. Trenutno, različiti automobilski inženjeri su došli do različitih dizajniranih krugova za rukovanje kompleksnosti regenerativnog kočenja; Međutim, u svim slučajevima najvažniji dio kočionog strujnog kruga je kontroler kočenja, o kojem ćemo raspravljati u sljedećem dijelu.
Regenerativni kontroleri kočenja
Kontroleri kočnica su elektronički uređaji koji mogu upravljati kočnicama na daljinu, odlučivši kad počinje kočenje, završava i koliko brzo treba primijeniti kočnice. U slučaju vučenja, na primjer, kontrolori kočnica mogu osigurati sredstvo za koordinaciju kočnica na prikolici s kočnicama na vozilu koje rade vuču.
Regenerativno kočenje provodi se zajedno s anti-Lock kočionim sustavima (ABS), tako da je regenerativno vođenje kočenja slično ABS kontroleru koji prati brzinu rotacije kotača i razliku u toj brzini od jednog kotača u odnosu na drugi. U vozilima koja koriste ove vrste kočnica, upravljač kočnica ne samo da nadzire brzinu kotača, već može izračunati koliko je zakretnog momenta – rotacijske sile – dostupno za proizvodnju električne energije koja se može vratiti u baterije. Tijekom postupka kočenja kočioni kontroler usmjerava električnu energiju koju proizvodi motor u baterije ili kondenzatore. Osigurava da baterije prime optimalnu količinu energije, ali također jamči da količina novoproizvedene električne energije nije viša nego što baterije mogu podnijeti.
Međutim, najvažnija je funkcija odluka upravljačkog sklopa kočnica je li motor trenutno sposoban podnijeti silu potrebnu za zaustavljanje vozila. Ako nije, upravljački sklop kočnica prebacuje radnju kočenja do tradicionalnih kočnica koje rade na principu trenja, izbjegajući moguću katastrofu. U vozilima koja koriste te vrste kočnica, kao i bilo koji drugi dio elektronike na hibridnim ili električnim automobilima, kočioni kontroler čini cijeli regenerativni proces kočenja mogućim.
Hibridno regenerativno kočenje
Na koji način se hibridno vozilo razlikuje od potpuno električnog vozila? Pa, hibridna električna vozila koriste i električni motor i motor s unutarnjim izgaranjem kako bi pružili najbolje iskustvo vožnje u datom trenutku. Oni kombiniraju raspon vožnje motora s unutarnjim izgaranjem s učinkovitošću potrošnje goriva i značajkama električnog motora bez emisija. Ako hibridi imaju maksimalnu učinkovitost goriva i proizvode što je moguće manje emisije ugljika, važno je da baterija ostane napunjena što je duže moguće. Ako bi se baterija hibridnog vozila spraznila, motor s unutarnjim izgaranjem bio bi u potpunosti odgovoran za napajanje vozila. U tom trenutku, vozilo više ne djeluje kao hibridno, nego samo kao još jedan automobil koji koristi fosilna goriva.
Automobilski inženjeri su došli do brojnih rješenja za održavanje maksimalne učinkovitosti kod hibrida, kao što su aerodinamična racionalizacija karoserije i uporaba laganih materijala, ali nedvojbeno, jedan od najvažnijih je regenerativno kočenje. Međutim, u hibridnom postavljanju, te vrste kočnica mogu pružiti napajanje samo električnim dijelovima motora putem baterije vozila. Motor s unutarnjim izgaranjem ne može koristiti prednosti tih vrsta kočnica.
Hidrauličko regenerativno kočenje
Tvrtka Ford Motor i Eaton Corporation razvijaju alternativni regenerativni kočni sustav, pod nazivom Hidraulični Asistent snage (Hydraulic Power Assist – HPA). Uz HPA, kad vozač stane na kočnicu, kinetička energija vozila koristi se za napajanje reverzibilne pumpe, koja šalje hidrauličnu tekućinu iz akumulatora niskog tlaka (vrsta spremnika) unutar vozila u akumulator visokog tlaka. Pritisak se ostvaruje dušikovim plinom u akumulatoru, koji je komprimiran dok se tekućina pumpa u prostor u kojem je prije bio plin. To usporava vozilo i pomaže mu da se zaustavi. Tekućina ostaje pod tlakom u akumulatoru dok upravljački program ponovno ne gura akcelerator, u kojem trenutku se pumpa okrene i tekućina pod tlakom se koristi za ubrzanje vozila, učinkovito prevođenje kinetičke energije koju je auto imao prije kočenje u mehaničku energiju koja pomaže da se vozilo vrati na prethodnu brzinu. Predviđa se da bi takav sustav mogao pohraniti 80% trenutnih gubitaka vozila tijekom usporavanja i koristiti se za ponovno pokretanje vozila [izvor: HybridCars.com]. Ovaj postotak predstavlja još impresivniji dobitak od onoga koji je proizveden tekućim regenerativnim sustavima kočenja. Kao i elektronsko regenerativno kočenje, ove vrste kočnica – HPA sustavi – najbolje se koriste za gradsku vožnju, gdje je promet u stalnoj „Kreni – Stani“ varijanti.
Do sada su sustavi HPA-a prvenstveno korišteni kao dokazi koncepta i samo u demonstracijskim projektima. Još nisu spremni za produkcijske modele. Trenutno, ove hidrauličke kočnice su bučne i sklone procurjevanju; Međutim, u trenutku kad će svi detalji biti dotjerani, takvi će sustavi vjerojatno biti najkorisniji u velikim kamionima za prijevoz tereta (4.500 kilograma ili više), ako se te vrste kočnica mogu dokazati kao optimalan sustav kod elektronski kontroliranog regenerativnog kočenja.
Na kraju, ova tehnologija moći će se primijeniti i na manja vozila. Jedna tvrtka, Hybrid-Drivesystems, LLC, iz Michigana, nadogradila je 1968 Volkswagen „bubu“ s hidrauličnim regenerativnim sustavom kočenja. Međutim, akumulatori uzimaju znatnu količinu prostora, a budući proizvodni planovi su više bili usmjereni na korištenje tehnologije u većim vozilima, kao što su kombiji. U međuvremenu, američka agencija za zaštitu okoliša (SGP) udružila se s Eaton korporacijom za ugradnju hidrauličkih regenerativnih sustava kočenja na kamione za UPS isporuke.
Regenerativna učinkovitost kočenja
Energetska učinkovitost konvencionalnog automobila je samo oko 20 posto, a preostalih 80 posto svoje energije se pretvara u toplinu kroz trenje. Čudotvorna stvar regenerativnog kočenja je da bi mogla iskoristiti polovinu te potrošene energije i vratiti je natrag kao koristan rad. To bi moglo smanjiti potrošnju goriva za 10 do 25 posto. Hidraulički regenerativni sustavi kočenja mogu pružiti još impresivnije dobitke, potencijalno smanjenje uporabe goriva za 25 do 45 posto [izvor: HybridCars.com]. U stoljeću u kojem se veliki broj emisija ugljika bliži vrhuncu radi sve veće uporabe fosilnih goriva koja su nam pružila energiju za automobilske i druge tehnologije dugi niz godina, ova dodatna učinkovitost postaje sve važnija.
Prva polovina 21. stoljeća može označiti završno razdoblje u kojem se motori s unutarnjim izgaranjem uobičajeno koriste u automobilima. Već automatici kreću prema alternativnim izvorima energije, električne baterije, gorivo na vodik, pa čak i komprimirani zrak. Regenerativno kočenje je mali, ali vrlo važni korak prema našoj konačnoj neovisnosti o fosilnim gorivima. Ove vrste kočnica omogućuju baterijama da se koriste duže vrijeme bez potrebe za priključkom na vanjski punjač. Ove vrste kočnica također će produžiti vožnju nizu potpuno električnih vozila. Naravno, ti automobili mogu koristiti fosilna goriva u fazi punjenja, ukoliko izvor električne energije dolazi iz fosilnog goriva kao što je ugljen (najdrastičniji primjer je Indija, o čemu smo pričali u prošlom broju Koraka br. 2/2019) – ali kad su na cesti, oni mogu raditi bez uporabe fosilnih goriva, a to je veliki korak naprijed.
Dodatna učinkovitost regenerativnog kočenja također znači manje gužvi na pumpi, budući da hibridi s električnim motorima i regenerativnim kočnicama mogu znatno dalje putovati bez stajanja (punjenja), a to je važan detalj koji će dobar dio vozača znati cijeniti.
Ograničenja regenerativnih kočnica
Osim prirodnog pada učinkovitosti regeneracijskog kočenja pri malim brzinama, tehnologija također pati od brojnih drugih ograničenja. Neka od najznačajnijih uključuju:
- Regenerativno kočenje radi samo na “pogonskim kotačima”.
- Regenerativne kočnice obično ne daju dovoljno sile kočenja u uvjetima zaustavljanja panike.
- Učinkovitost regenerativnog sustava ograničena je faktorima poput kapaciteta sustava skladišta energije i izlaza električnog motora.
- Tradicionalni regenerativni sustavi nespojivi su s neelektričnim, nehibridnim vozilima.
- Neki regenerativni sustavi su prisiljeni koristiti dodatno “dinamičko kočenje” koje ne pohranjuje regenerativnu kinetičku energiju.
Regenerativni dijagram kočenja
Ovaj jednostavni dijagram pokazuje kako regenerativni sustav kočenja može iskoristiti kinetičku energiju vozila i pretvoriti ga u električnu energiju. Ta se struja koristi za punjenje baterija vozila.