UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · 2017. 11. 27. · tornimi zavorami. Elektronika v vozilu mora določiti kateri sistem je kdaj primernejši. Ker je v regeneracijskem

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Matej KAPUN

FIZIKALNO MODELIRANJE

REGENERACIJSKIH ZAVOR

Diplomsko delo

univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, september 2012

Fakulteta za strojništvo

FIZIKALNO MODELIRANJE

REGENERACIJSKIH ZAVOR

Diplomsko delo

Študent(ka): Matej KAPUN

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: izr. prof. dr. Bojan DOLŠAK

Somentor: asist. dr. Urška SANCIN

Maribor, september 2012

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

II

Vložen original

sklepa o potrjeni

temi diplomskega


III

I Z J A V A

Podpisani Matej KAPUN izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof.

dr. Bojana DOLŠAKA in somentorstvom asist. dr. Urške SANCIN ;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 17.9.2012 Podpis: ___________________________


IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Bojanu

DOLŠAKU in somentorici asist. dr. Urški SANCIN

za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.


V

FIZIKALNO MODELIRANJE REGENERACIJSKIH ZAVOR

Ključne besede: Regeneracijske zavore, KERS, Amitron, vrste zavor, pretvorba

energije, elektronska vezja

UDK: 62-593(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu so opisane regeneracijske zavore vse od njihovega začetka razvoja do

danes. Opisano je delovanje regeneracijskih zavor. Navedene so možnosti uporabe v različnih

vozilih. Njihova glavna funkcija je predstavljena s funkcijsko strukturo. Prikazani so

alternativni principi shranjevanja električne energije. Predstavljeni pa so tudi različni sistemi

regeneracijskih zavor.


VI

PHYSICAL MODELLING OF REGENERATIVE BRAKES

Key words: Regenerative brakes, KERS, Amitron, Types of brakes, Energy conversion,

Electronic circuits

UDK: 62-593(043.2)

ABSTRACT

This graduation work describes regeneration brakes from the beggining of their development

to today. The functional operations of regeneration brakes are presented. Possible uses in

different vehicles for them are listed. Their main function is shown within a functional

structure. Alternative principles for storing electrical energy are presented. Different

regeneration brake systems are also discussed.


VII

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA ......................................................... 1

1.2 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA ............................................................................... 2

2 OPIS REGENERACIJSKIH ZAVOR ........................................................................... 3

2.1 DEFINICIJA .................................................................................................................... 3

2.2 ZGODOVINA .................................................................................................................. 3

2.3 DELOVANJE .................................................................................................................. 6

2.4 ELEKTRONSKA VEZJA ................................................................................................... 7

2.5 KRMILNIKI .................................................................................................................... 7

2.6 UČINKOVITOST IN PROIZVEDENA ENERGIJA .................................................................. 9

2.7 KERS ......................................................................................................................... 10

2.8 PREDNOSTI REGENERACIJSKEGA ZAVIRANJA .............................................................. 11

3 FUNKCIJSKA STRUKTURA ...................................................................................... 12

4 FIZIKALNI PRINCIP ................................................................................................... 14

4.1 GLAVNI FIZIKALNI PRINCIP ......................................................................................... 14

4.2 UPORABA ISTEGA FIZIKALNEGA PRINCIPA V DRUGIH SISTEMIH ................................... 19

4.3 MOŽNOSTI UPORABE DRUGIH FIZIKALNIH PRINCIPOV ZA TA NAMEN ........................... 22

5 MOŽNOSTI ZA OPTIMIRANJE SISTEMA ............................................................. 25

6 SKLEP ............................................................................................................................. 27

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV .................................................................................. 28


VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Kriegerjevo vozilo iz leta 1906 .................................................................................. 3

Slika 2.2: Velik vlak iz leta 1932 ............................................................................................... 4

Slika 2.3: Model Amitron ........................................................................................................... 5

Slika 2.4: Toyota Prius ............................................................................................................... 5

Slika 2.5: Pretvorba kin.energije v električno ............................................................................ 6

Slika 2.6: Krmilnik zavor ........................................................................................................... 8

Slika 2.7: Sistem Flybrid .......................................................................................................... 10

Slika 3.1: Funkcijska struktura ................................................................................................. 12

Slika 4.1: Polnjenje in praznjenje kondenzatorja ..................................................................... 17

Slika 4.2: Večfunkcijski polnilec baterij .................................................................................. 19

Slika 4.3: Sončne celice ............................................................................................................ 20

Slika 4.4: Nameščen sistem na kolesu ...................................................................................... 21

Slika 4.5: Tovornjak s HPA ...................................................................................................... 22

Slika 4.6: Vztrajnik ................................................................................................................... 23

Slika 4.7: Sistem i-ELOOP ....................................................................................................... 24

KAZALO PREGLEDNIC

Preglednica 2.1: Energija proizvedena z regeneracijskim zaviranjem ....................................... 9


IX

UPORABLJENI SIMBOLI

= kinetična energija [J]

= masa telesa [kg]

= hitrost telesa [m/s]

= inducirana napetost [V]

= magnetni pretok skozi zanko [Wb]

= čas [s]

= gostota magnetnega polja [T]

= površina [ ]

= dolžina vodnika v magnetnem polju [m]

= sprememba energije sistema [J]

= toplota [J]

= opravljeno delo [J]

U = napetost [V]

= električna energija [J]

= naboj

= kapacitivnost kondenzatorja [F]

= časovna konstanta

= čas polnjenja baterije [s]

= kapaciteta baterije [mAh]

= Peukertovo število

I = polnilni tok [A]

t = čas praznjenja [s]

I = tok praznjenja [mA]


X

UPORABLJENE KRATICE

KERS – Kinetic energy recovery system

ABS – Anti Lock-Braking System

HPA – Hydraulic power asisst

CVT - Continuous Variable Transmission

AMC - American Motors Corporation


1

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Dandanes se vse vrti okoli energije. Energijo najdemo povsod, tako doma, recimo v kuhinji,

na dvorišču, v bistvu povsod, ko neka stvar ali sistem za svoje delovanje potrebuje nek vir. V

podjetjih potrebujejo velike količine električne energije, brez katere ne bi mogli narediti

praktično nič. Pri regeneracijskem zaviranju pa gre za pridobivanje električne energije iz

zavorne energije sistema.

Glavna naloga sistema regeneracijske energije je ta, da pretvori pridobljeno oz. proizvedeno

kinetično energijo v električno energijo. To električno energijo pa potem shranjuje v baterije v

vozilu. Ko je potreba po tej shranjeni energiji, jo sistem odda nazaj v vozilo, kar povzroči, da

motor pridobi na moči. Z tem lahko hitreje pospeši in vozi tudi dlje časa kot brez sistema

regeneracijskega zaviranja.

Sistem regeneracijske energije pa omogoča tudi varčevanje z gorivom, manjšo obrabo zavor

med zaviranjem. Ko gre za manjšo porabo so tudi izpusti emisijskih plinov manjši. Lahko

rečemo, da je sistem regeneracijskega zaviranja okolju in človeku prijazen, saj je veliko

pozornosti posvečeno prav temu, da se privarčuje čim več goriva. S tem se posledično

zmanjša tudi onesnaževanje zraka.

Taki sistemi so uporabljeni v mnogih novejših avtomobilih, kot so BMW, Passat, Mazda.

Vsak od teh proizvajalcev ima svoje patente, ki so predstavljeni javnosti, ter se med seboj

razlikujejo, bodisi po obliki, teži in načinu delovanja. Tudi v svetu Formule 1 je tak sistem

zelo razvit, in sicer gre za tako zvani KERS sistem. KERS v bistvu pretvarja kinetično

energijo v električno. Z to pridobljeno energijo omogoča do okoli 80 KM več pri

pospeševanju. Tudi tu gre za varčevanje z gorivom in predvsem zato, da je dirkalnik hitrejši.

Skorajda vsako moštvo, ki KERS uporablja, dela na razvoju svojega sistema. Nekateri so bolj

učinkoviti, drugi ne.

Sistem regeneracijskega zaviranja pa je razširjen tudi v drugih vozilih. Tako ga na primer

najdemo v električnih skuterjih, mestnih avtobusih, celo v kolesu se najde. Na splošno je

sistem v skorajda vseh gibajočih se vozilih.


2

1.2 Opredelitev diplomskega dela

Glavni cilj diplomskega dela je podrobna preučitev regeneracijskih zavor, ter možnosti za

konstrukcijsko variiranje vplivnih parametrov, s katerimi lahko vplivamo na njihovo

delovanje z različnih vidikov, kot so učinkovitost, zanesljivost, vpliv na okolje, izkoriščenost.

Opisani so različni sistemi regeneracijskih zavor, ki se pojavljajo v različnih vozilih.

Prikazana je funkcijska struktura, iz katere je razvidna glavna funkcija. Podane pa so tudi

možnosti za optimiranje sistema.


3

2 OPIS REGENERACIJSKIH ZAVOR

2.1 Definicija

Regeneracijske zavore so zavore, ki pretvorijo kinetično energijo avtomobila v drugo obliko,

v tem primeru v električno obliko energije. To energijo lahko uporabimo takoj, ali pa se

skladišči v baterijah dokler je ne potrebujemo [8].

2.2 Zgodovina

Regeneracijsko zaviranje je bilo prvič uporabljeno pred več kot 100 leti. Louis Antoine

Krieger je leta 1903 proizvedel prvo hibridno električno vozilo, ki je imelo pogon na sprednji

kolesi, servo volan in bencinski motor. Kriegerjevi avtomobili so bili prvi, ki so imeli

regeneracijske električne zavore. To vozilo je vsebovalo tudi baterije, ki so shranjevale

pridobljeno energijo. Eden izmed njegovih avtomobilov je prikazan na sliki 2.1.

Slika 2.1: Kriegerjevo vozilo iz leta 1906


4

Nekje v času med 1900 in 1930 se je sistem regeneracijskega zaviranja začel intenzivneje

razvijati. Med tem časom so začeli nameščati take sisteme v avtomobile in tramvaje. Motorji

so delovali kot generatorji.

Regeneracijsko zaviranje je bilo v široki uporabi več desetletij na železnicah. Železniški

vagoni so bili na svojih poteh zelo natovorjeni. Taki veliki vlaki so ustvarjali veliko električne

energije, ki so jo pridobili z regeneracijskimi zavorami. Tak vlak je prikazan na sliki 2.2.

Vlaki so porabili na svoji poti le petino te shranjene energije med vožnjo, ko so bili polno

natovorjeni. Ostala energija, ki jim je ostala, ko so se vrnili nazaj domov, pa se je prečrpala v

električno omrežje za oskrbo domov in podjetij. Lahko rečemo, da je bila železnica neke vrste

generator električne energije.

Slika 2.2: Velik vlak iz leta 1932

Leta 1967 je bil razvit model Amitron s sistemom za energijo regeneracijskih zavor podjetja

American Motors Corporation (AMC), ki ga prikazuje slika 2.3.


5

Model Amitron je bil konceptno vozilo, popolnoma na baterije, katerega baterije so se polnile

s pomočjo regeneracijskih zavor, oziroma s pomočjo regeneracijskega zaviranja. Z tem se je

povečal doseg avtomobila, torej je lahko prevozil več kilometrov, z pomočjo energije

shranjene v baterijah [8,9,10].

Slika 2.3: Model Amitron

Veliko današnjih novih vozil denimo BMW, Volkswagen, Toyota, Mazda ima vgrajen sistem

za regeneracijo zavorne energije. Na sliki 2.4, je prikazan avtomobil Toyota Prius Hybrid.

Toyota je bila med prvimi, ki so začeli uporabljati regeneracijske zavore. Velika podjetja ta

sistem še posodabljajo in iščejo še bolj optimalne rešitve.

Slika 2.4: Toyota Prius


6

2.3 Delovanje

V tradicionalnih zavornih sistemih zavorne ploščice proizvajajo trenje z zavornimi rotorji za

upočasnitev ali zaustavitev vozila. Dodatno trenje je proizvedeno med kolesi in površino

ceste. Na drugi strani pa sistem regeneracijskih zavor opravi večino zaviranja. Ko voznik

stopi na stopalko zavore električnega ali hibridnega vozila, te vrste zavor preklopijo električni

motor vozila v obratni način, zaradi česar začne motor teči nazaj kar povzroča upočasnjevanje

koles avtomobila. Medtem ko teče v nasprotno smer motor deluje tudi kot električni

generator, ki proizvaja elektriko in le ta se potem shranjuje v baterijah. Taki tipi zavor pri

določenih hitrostih delujejo boljše od drugih. Vseeno pa imajo tudi hibridni in električni

avtomobili torne zavore kot nekakšen rezervni sistem v primeru, da regeneracijske zavore ne

bi dobavljale dovolj zavorne moči. Slika 2.5 prikazuje poenostavljen prikaz sprejemanja

kinetične energije pri dirkalniku formule 1, ki jo potem sistem odda v baterijo [5].

Slika 2.5: Pretvorba kin.energije v električno


7

2.4 Elektronska vezja

Regeneracijsko zaviranje se uporablja predvsem v povsem električnih vozilih in v hibridnih

električnih vozilih. Ena od zanimivejših lastnosti električnega motorja je ta, da ko se vrti v

eno smer pretvarja električno energijo v mehansko, ki jo lahko porabi za opravljanje dela. To

delo je npr. obračanje koles vozila.

Ko pa se motor vrti v nasprotni smeri, potem pravilno oblikovan motor postane električni

generator, kateri pretvarja mehansko energijo v električno. Ta električna energija se potem

lahko shrani v polnilnem sistemu baterij, ki so nameščene v avtomobilih.

Da se motor vrti v nasprotni smeri je potrebno uporabiti zagon vozila kot mehanično energijo,

ki povzroči, da se motor začne, oziroma se prestavi v nasprotno smer. Ko motor deluje v

nasprotni smeri, se elektrika, ki je bila ustvarjena shranjuje v baterije. Tam se lahko ponovno

uporabi za pospešitev vozila, tudi po tem, če je le to že bilo enkrat zaustavljeno.

Električna vezja so potrebna, da določijo kdaj naj motor začne delovati v nasprotni smeri.

Medtem pa specializirana elektronska vezja vodijo ustvarjeno električno energijo v baterije.

Tako ustvarjena energija pa se lahko shranjuje tudi v serijskih kondenzatorjih za kasnejšo

uporabo.

Zraven regeneracijskega zavornega sistema imajo vozila še standardni zavorni sistem z

tornimi zavorami. Elektronika v vozilu mora določiti kateri sistem je kdaj primernejši. Ker je

v regeneracijskem zavornem sistemu toliko nadzorovane elektronike, lahko voznik z

nekaterimi prednastavitvami izbira kako naj vozilo reagira v različnih situacijah. Na primer v

nekaterih vozilih lahko voznik izbere, da se naj regeneracijsko zaviranje začne takoj, ko

odmakne nogo s stopalke za plin, ter ali naj zavorni sistem vozilo popolnoma zaustavi ali ne

[5].

2.5 Krmilniki

Krmilniki zavor so naprave, ki lahko zavore nadzirajo na daljavo. Obenem določajo začetek

in konec zaviranja in kako hitro se zavore naj uporabijo. V primeru, ko recimo vlečemo

avtomobilsko prikolico krmilniki zavor zagotavljajo usklajevanje delovanja zavor na prikolici

in delovanja zavor na vozilu med vleko. Primer, kako izgleda tak krmilnik je prikazan na sliki

2.6.


8

Slika 2.6: Krmilnik zavor

Regeneracijsko zaviranje se izvaja v povezavi z protiblokirnim zavornim sistemom, oz. ABS.

Krmilniki pri regeneracijskem zavornem sistemu so podobni krmilnikom pri ABS. Krmilniki

pri ABS spremljajo hitrost vrtenja koles in razlike pri tej hitrosti od enega do drugega kolesa.

Pri vozilih, ki uporabljajo regeneracijske zavore, krmilnik ne spremlja le hitrosti koles, ampak

lahko izračuna tudi koliko navora je na voljo za proizvodnjo električne energije, da bo vrnjena

baterijam. Med zaviranjem krmilniki usmerjajo z motorjem proizvedeno elektriko v baterije

ali v kondenzatorje. Obenem krmilniki zagotavljajo, da baterija prejme optimalno količino

energije. Skrbijo tudi zato, da baterija ne prejme več energije kot je lahko prenese.

Najpomembnejša funkcija krmilnikov je ta, ali je motor sposoben proizvesti silo za

zaustavitev vozila. Če tega ni sposoben, krmilniki to predajo običajnemu tornemu zavornemu

sistemu, da preprečijo morebitno nesrečo zaradi tega. Pri vozilih, ki uporabljajo sistem

regeneracijskih zavor, tako kot mnoge druge dele elektronike, v električnih ali hibridnih

električnih vozilih, krmilniki naredijo proces regeneracijskega zaviranja mogoč [5].


9

2.6 Učinkovitost in proizvedena energija

Energijska učinkovitost običajnih zavornih sistemov je okrog 20 %, pri čemer je preostalih

80 % njihove energije pretvorjenih v toploto zaradi trenja med zaviranjem. Zanimiva stvar pri

regeneracijskem zaviranju je ta, da lahko zajame več kot polovico te zapravljene energije in jo

vrne nazaj v sistem. To lahko zmanjša porabo goriva za 10 – 25 %.

Hidravlične regeneracijske zavore lahko potencialno zmanjšajo porabo goriva za od 25-45 %.

Glavni namen električnega ali hibridnega električnega vozila je, da bi lahko potovali brez

uporabe goriva (bencin, nafta,…) in s tem preprečili proizvajanje ogljikovega dioksida.

Glavni problem v električnih vozilih je življenjska doba baterije. Taka vozila imajo problem

doseči nek bolj oddaljeni cilj ravno zaradi baterije. Lahko bi sicer povečali število baterij v

vozilu, vendar več baterij zavzame več prostora in vozilo posledično postane težje [5,7,8].

Torej je sistem regeneracijskega zaviranja velika pomoč pri tem, da teža vozila ostane ista in

ni potrebnih preveč baterij. Sistem regeneracijskega zaviranja omogoča polnjenje baterije in

obenem izboljšuje njeno delovanje in podaljšuje življenjsko dobo baterije. V preglednici 2.1

je prikazana proizvedena energija pri hitrostih avtomobila 50, 100 in 120 km/h, ob

predpostavki 100 % učinkovitega regeneracijskega zaviranja brez izgub. Vendar pa se izgube

vsekakor pojavljajo. Podatki za izračun energije veljajo za vozilo mase m=1300 kg in energijo

baterije E(bat)=2kWh.

Preglednica 2.1: Energija proizvedena z regeneracijskim zaviranjem

Energija

Hitrost km/h Jouli kWh E(bat) (%)

50 116.000 0,032 6

100 467.000 0,130 26

120 1.050.000 0,292 58

Iz preglednice 2.1, je lepo razvidno, da čim hitreje se pelje avtomobil, tem večja je ustvarjena

energija pri zaviranju, kar pomeni, da se glede na hitrost povečuje delež pri polnjenju baterij

pri regeneracijskem zaviranju [1].


10

2.7 KERS

KERS ali Kinetic Energy Recovery System, je sistem, oziroma naprava, ki pretvori kinetično

energijo v neko drugo obliko energije. Pri tem gre za energijo, ki se pretvarja iz toplote pri

zaviranju. V tej napravi se ta energija zbere in se lahko uporabi za povečanje pospeška pri

pospeševanju. Na kratko povedano KERS se uporabi zato, da dirkalnik pridobi nekaj konjskih

sil in lahko pospeši hitreje, kot brez njega.

Prvi sistem se je imenoval Flybrid, ki tehta 24 kg, proizvede največjo moč okoli 80 KM za

približno 6,7 sekunde. Na sliki 2.7 je prikazan sistem Flybrid.

Slika 2.7: Sistem Flybrid

Poznamo 3 tipe sistema KERS, in sicer mehanskega, električnega in hidravličnega.

Mehanski sistem zajame zavorno energijo in jo uporabi, da vklopi majhen vztrajnik, ki

se lahko vrti z 80.000 obrati na minuto. Ko je potrebna dodatna moč se vztrajnik

poveže z zadnjimi avtomobilskimi kolesi.


11

Električni sistem uporablja generator, vključen v prenos avtomobila, ki pretvarja

mehanično energijo v kinetično in obratno. Ko je energija bila izkoriščena se shranjuje

v baterijah in se porabi ko je to potrebno.

Hidravlični sistem deluje tako, da se zavorna energija uporabi za polnjenje

hidravličnega tlaka, ki se potem ko je potrebno pošlje kolesom.

KERS se v Formuli 1 vklopi s stikalom »boost«, ki je nameščeno na volanu. Preko tega

stikala se omogoči uporaba shranjene električne energije v bateriji. Ta energija se porabi zato,

da avto pridobi več konjskih sil pri pospeševanju. Dodatna energija pride najbolj v uporabo

pri prehitevanjih ali na dolgi ravnini. O tem ali ga bo voznik uporabil ali ne odloča sam. Tu

gre obenem za odločitev moštva in izdelane taktike, kje in kdaj naj vozniki uporabijo KERS

sistem, da le ta poveča moč dirkalnika in z tem pridobi nekaj malega časa.

Formula zaradi KERS-a ni nič težja, saj novejši sistemi tehtajo okrog 35 kg. Dirkalnik,

vključujoč voznika, mora tehtati najmanj 640 kg. Veliko dirkalnikov je mnogo lažjih, zato jih

dodatno obtežijo. Ekipe s KERS-om imajo manj obtežitve. Posledica zaradi tega je ta, da

ekipe ne morejo preveč spreminjati porazdelitve teže vozila, ravno zaradi vgrajenega sistema

KERS [4,9].

2.8 Prednosti regeneracijskega zaviranja

Prednosti regeneracijskega zaviranja so:

Varčevanje z energijo

Zmanjšanje obrabe

Manjša poraba goriva


12

3 FUNKCIJSKA STRUKTURA

Slika 3.1: Funkcijska struktura


13

V funkcijski strukturi, slika 3.1, je glavna funkcija pri elektronskem sistemu regeneracijskih

zavor izkoriščanje energije zaviranja. Glavno funkcijo smo razdelili na delne funkcije,

katerim smo določili tehnične rešitve. Gibajočo se vozilo ima svojo kinetično energijo.

Elektromotor pretvarja električno energijo v mehansko, ko se vrti v eno smer. Ko pa se

elektromotor vrti v nasprotno smer pa deluje kot električni generator. Električni generator

pretvarja mehansko, v našem primeru kinetično energijo, v električno energijo. Prenos

oziroma dovajanje električne energije poteka po električnih vezjih. Ta energija se shranjuje v

baterijah ali superkondenzatorjih. Superkondenzatorji, so v bistvu kondenzatorji, ki lahko

zadržijo mnogo več naboja v principu pa so isti kot navadni kondenzatorji. Shranjena energija

se kopiči tako dolgo, dokler baterija to energijo lahko prejme, oziroma je odvisna od

kapacitivnosti. Tako shranjena energija se lahko uporabi, ko je potrebna. Uporabi se lahko

recimo za pospeševanja vozila, predvsem pri formuli 1. Pri navadnih avtomobilih se ta

shranjena energija lahko uporabi za polnjenje klimatskih naprav, za delovanje žarometov ali

delovanje avtoradia.


14

4 FIZIKALNI PRINCIP

4.1 Glavni fizikalni princip

Glavni fizikalni princip je polnjenje/praznjenje baterij, oziroma superkondenzatorjev, na

osnovi pridobljene električne energije iz kinetične energije. Vsako telo, ki se giblje ima neko

kinetično energijo (Wk).

(4.1)

= kinetična energija [J]

= masa telesa [kg]

= hitrost telesa [m/s]

Za pretvorbo kinetične energije v električno energijo poskrbi električni generator, ki deluje na

principu elektromagnetne indukcije. Osnovni zakon elektromagnetne indukcije se imenuje

Faradayev zakon, ki pravi, da je inducirana napetost premo sorazmerna s hitrostjo rezanja

magnetnega pretoka [2,3].

(4.2)


= magnetni pretok skozi zanko [Wb]

= čas [s]

Magnetni pretok skozi zanko se izračuna s pomočjo formule

(4.3)


= površina [ ]


15

Poenostavljeno se indukcijski zakon lahko zapiše kot

(4.4)


= dolžina vodnika v magnetnem polju [m]


V enačbi smo zapisali negativni predznak zato, ker inducirana napetost nasprotuje spremembi

magnetnega pretoka. Tako se tudi glasi Lenzovo pravilo. Lenzovo pravilo je logična posledica

zakona o ohranitvi energije. Ta zakon je že vsebovan v indukcijskem zakonu. Gre za 1.zakon

termodinamike. Sprememba celotne energije sistema je enaka vsoti dovedenega ali

odvedenega dela in dovedene ali odvedene toplote [2,3].

(4.5)

= sprememba energije sistema [J]

= toplota [J]

= opravljeno delo [J]

Polnjenje/praznjenje baterij in superkondenzatorjev

Superkondenzatorji so v bistvu navadni kondenzatorji, le da lahko držijo mnogo več naboja.

Zato je smiselno uporabiti enačbe za polnjenje in praznjenje navadnih kondenzatorjev.

Ko v kondenzator spravljamo naboj, je potrebno da opravimo neko delo. S tem se električna

potencialna energija poveča. Opravljeno delo je torej zapisano kot produkt električnega

naboja in električne napetosti [2,3].

(4.6)

A = opravljeno delo [J]

U = napetost [V]

e = naboj


16

Pri polnjenju kondenzatorja s stalnim tokom se e in U spreminjata. Energijo lahko izrazimo

na tri načine [2].

(4.7)

= električna energija [J]

= naboj

= napetost [V]


Kapacitivnost (C) kondenzatorja izračunamo po formuli

(4.8)


= naboj

= napetost [V]

Pri praznjenju kondenzatorja naboj e upada s časom t po enačbi

(4.9)

= naboj

= čas [s]

= časovna konstanta

Produkt je enak času, v katerem bi se kondenzator izpraznil, če bi se ves čas praznil

enako hitro kot na začetku. Če povečamo R ali C, traja polnjenje dalj časa, časovna konstanta

se poveča. Slika 4.1 prikazuje napetost med polnjenjem in praznjenjem kondenzatorja.


17

Slika 4.1: Polnjenje in praznjenje kondenzatorja

Baterije so nepogrešljive predvsem v prenosnih napravah, gospodinjskih aparatih, ročnem

električnem orodju, električnih avtomobilih itd. Nekaterih baterij se ne da ponovno napolniti.

Obstajajo pa tudi, vedno bolj pogoste, polnilne baterije. Ene takih baterij so nameščene v

električnih avtomobilih v povezavi z regenerativnim zaviranjem.

Polnjenje baterij poteka po enačbi

(4.10)

= čas polnjenja baterije [s]

= kapaciteta baterije [mAh]

= Peukertovo število

I =polnilni tok [mA]

Kapaciteto baterije izračunamo iz produkta toka in časa

(4.11)

C = kapaciteta baterije [Ah]

I = polnilni tok [A]

t = čas polnjenja [s]


18

Čas polnjenja t se izračuna

(4.12)

t = čas polnjenja [s]


n = Peukertovo število

I = polnilni tok [mA]

Za izračun časa praznjenja baterije se uporablja enačba

(4.13)

t = čas praznjenja [s]


n = Peukertovo število

I = tok praznjenja [mA]


19

4.2 Uporaba istega fizikalnega principa v drugih sistemih

Baterije se lahko polnijo tudi na številne druge načine. Nekateri so v uporabi že zelo dolgo,

spet drugi pa so prave novosti na področju polnjenja baterij. Poznamo polnjenje baterij z

polnilcem, polnjenje baterij lahko poteka tudi preko sončnih celic, v zadnjem času je zelo

popularno napolniti baterijo mobilnega telefona kar na samem kolesu.

Polnjenje baterij preko polnilca baterij

Tako polnjenje baterij je najbolj razširjeno. Polnilec se uporablja za ponovno polnjenje

baterij. Baterije se vstavijo v posebno škatlico, ki se imenuje polnilec. V uporabi so pogosto

taki polnilci, ki lahko polnijo različne tipe baterij. Tako se recimo lahko polnijo litionske

baterije, baterije AA/AAA Ni-MH. Prav tako lahko taki polnilci polnijo tudi recimo igralne

konzule, iPhone, MP-3 predvajalnike. Lep primer tega tipa za polnjenje različnih baterij je

prikazan na sliki 4.2.

Slika 4.2: Večfunkcijski polnilec baterij


20

Polnjenje baterij s pomočjo sončnih celic

S pomočjo sončnih celic lahko napolnimo baterijo tudi na krajih kjer ni na razpolago kake

električne vtičnice. Zelo prav nam taki polnilni sistemi pridejo na morju, v gorah, ali pa

recimo na kakem izletu in taborjenju v gozdu. Vse kar potrebujemo je sončna svetloba. Ta

naprava transformira sončno energijo v električno. Polnjenje samo pa poteka iz sončnih celic

preko kabla z USB priključkom. Lahko polnimo mobitele, kamere, MP3 predvajalnike, tudi

GPS sisteme. Primer sončnih celic za polnjenje manjših baterijskih naprav je prikazan na sliki

4.3.

Slika 4.3: Sončne celice


21

Polnjenje baterij na kolesu

Eden izmed najnovejših načinov polnjenja baterij mobilnika pa poteka kar s pomočjo kolesa.

Sistem je še dokaj nov in deluje na principu vožnje kolesa. Z poganjanjem pedalov se ustvarja

energija. To energijo potrebuje, oziroma porabi, za polnjenje baterije mobilnika majhen

dinamo ali majhen generator. Kako je tak sistem nameščen na kolo je prikazano na sliki 4.4.

Slika 4.4: Nameščen sistem na kolesu


22

4.3 Možnosti uporabe drugih fizikalnih principov za ta namen

Sam sistem regeneracijskih zavor je lahko zasnovan tudi drugače. Inženirji vedno iščejo nove

in nove rešitve, ter tudi temu sistemu so našli kar nekaj novih rešitev. Eden izmed bolj znanih

takih sistemov se imenuje hidravlični regeneracijski sistem. Med alternativnimi principi je

tudi regeneracijsko zaviranje s pomočjo vztrajnika. Pri Mazdi pa razvijajo, oziroma že imajo

razvite nekatere prototipe čisto novega sistema regeneracijskih zavor i-ELOOP.

Hidravlični regeneracijski sistem

Ta regeneracijski sistem je bil razvit pri Ford Motor Companyu in Eaton Corporationu.

Imenuje pa se HPA ali Hydraulic Power Assist. Ko voznik pri tem sistemu stopi na zavoro,

se kinetična energija vozila uporabi za polnjenje reverzibilne črpalke, katera pošilja

hidravlično tekočino z območja nizkega tlaka akumulatorja, v območje visokega tlaka

akumulatorja. Pritisk je ustvarjen z stisnjenim dušikom v akumulatorju. To upočasni vozilo in

ga pomaga zaustaviti. Dokler voznik ne pritisne znova na stopalko za plin ostane tekočina še

vedno pod pritiskom. Ko pa pritisne na plin pa se črpalka v določeni točki obrne in tekočina

pod tlakom se uporabi za pospešek vozila.

Do zdaj so HPA sistem uporabili samo kot dokaz in za demonstracijo, ker so ti sistemi zelo

glasni in ne tesnijo dovolj dobro. Ta sistem se sicer dobro obnese v mestih, za mestno vožnjo,

vendar pa bi verjetno do res pravega učinka prišel pri res velikih in težkih tovornjakih. Na

sliki 4.5 je prikazan tak tovornjak z New Yorka, ki je v bistvu zaenkrat še samo predstavitev

[5,7].

Slika 4.5: Tovornjak s HPA


23

Mehanski sistem z vztrajnikom

Za dirkalnike je možnost uporabe vztrajnika zelo primerna. Del energije, ki je potrebna za

zmanjševanje hitrosti se prenese v akumulator mehanske energije. Generator na menjalniku

ustvarja električno energijo. Ta električna energija poganja elektromotor, ki je vgrajen v

vztrajnik in je iz ogljikovih vlaken. Vztrajnik se zavrti z okrog 60.000 vrtljaji na minuto.

Zaradi majhnega trenja se vrti v vakuumu pripravljen na to, kdaj bo od njega zahtevana

energija. Ob tem, ko se zahteva, da vztrajnik odda energijo, se navor vztrajnika v nasprotni

smeri prenese prek menjalnika in pomaga poganjati kolesa. CVT (ang. Continuous Variable

Transmission), nenehno spreminjajoč se prenos, vztrajniku dodaja ali odvzema moč.

Vztrajnik je nameščen na zadnjo os kolesa. Delovanje vztrajnika je prikazano na sliki 4.6 [4].

Slika 4.6: Vztrajnik


24

Sistem i-ELOOP

Sistem regeneracijskih zavor, ki shranjuje energijo v baterijah, se popolnoma razlikuje od

Mazdinega sistema i-ELOOP. Ta sistem namreč energijo shranjuje v kondenzatorjih. Pri tem

sistemu ni potrebe po elektromotorju. Sistem i-ELOOP namreč vsebuje napetostni alternator

12V-25V, električni kondenzator z nizko odpornostjo ter pretvornik DC/DC. Pretvornik

DC/DC pretvori električno energijo s 25 V na 12 V. S to energijo lahko sistem napolni

klimatske naprave in drugo elektroniko. Hitreje se polni in prazni, količina energije pa se s

časom ne zmanjšuje. Ta sistem bi naj omogočil 10- odstotni upad porabe. Na sliki 4.7 je ta

sistem tudi prikazan [6].

Slika 4.7: Sistem i-ELOOP


25

5 MOŽNOSTI ZA OPTIMIRANJE SISTEMA

Ker so regeneracijske zavore del zavornega sistema pri predvsem novejših vozilih,

dirkalnikih, tudi kolesih, in električnih skuterjih, bi lahko ta sistem optimirali z več skupaj

vezanimi baterijami, ali z baterijami večje kapacitete.

Glede današnjih baterij pa je velika težava v tem, da so velike in težke, ter bi to pripomoglo k

nestabilnosti vozila med vožnjo. Te baterije namreč zavzamejo veliko prostora v vozilu. Več

baterij v avtu posledično pomeni, večjo težo in izguba prostora. Spet po drugi strani pa več

baterij pomeni, da lahko avto prevozi veliko več kilometrov, kot recimo avto, ki ima vgrajeno

le eno ali dve bateriji. Rešitev glede tega bi bila veliko manjša in dosti zmogljivejša baterija.

Šlo bi tudi na tak način, kot so to ugotovili in predstavili pri Mazdi na novem sistemu, in sicer

z kondenzatorji. Kondenzatorji so zaenkrat ena izmed boljših rešitev glede shranjevanja

energije. Saj le ti niso tako zelo veliki. Polnijo in praznijo se hitreje kot baterije, ki imajo

primerljivo krajšo življenjsko dobo. Kondenzator poskrbi tudi, da ta pridobljena energija

ostane dalj časa shranjena. Obenem kondenzatorji med drugim niso težki in jih je lažje

spraviti v nek določen prostor v avtomobilu, kot isto število recimo baterij, ki so neprimerno

večje in težje.

Glede hidravličnih regeneracijskih zavor je moje mnenje tako, da se sistem mora še precej

razviti. Delati morajo predvsem na tem, da bo sistem tišji in izpopolnjen. Sistem je še v

razvoju in se ga trudijo izboljšati in privesti do tako daleč, da bi bil v uporabi v vozilih, ki

veliko vozijo po mestih, kjer je kot običajno zelo gost promet. Tam je tudi ustavljanja in

hkrati pritiskanja na zavoro neprimerno več kot recimo na kaki manj prometni cesti brez

semaforov in raznih velikih križišč. Veliko več je tudi popravil bodisi cest, poti, stez, kar vse

pripomore k temu, da je potrebno velikokrat stopiti na zavoro. S tem ko se vozilo premika

počasneje in velikokrat mora speljati na zelo kratki razdalji, pri tem porabi bistveno več

goriva, kot za vožnjo po normalnih cestah izven velikih središč. Prav zato bi bila ta vrsta

zavor ravno pravšnja za mestna vozila.

Tudi pri Formuli 1 so si strokovnjaki izmislili zelo dober patent KERS, vendar pa je največji

problem KERS-a v tem, da ko ga enkrat vgradijo ga potem več ne morejo premikati. Tako se

soočajo z težavami glede razporejanja mase v dirkalniku. Čeprav KERS-a nekateri dirkači,

oziroma moštva ne uporabljajo pa vse kaže na to, da bo do leta 2014, KERS postal stalnica v


26

Formuli 1. Inženirji še vedno delajo na teh sistemih in njihovih izpopolnitvah. Še vedno

proučujejo katera rešitev bi bila v prihodnosti veliko boljša od današnje različice KERS-a. v

prihodnosti bi naj moč KERS-a bila vsaj enkrat večja kot je danes. Danes proizvede KERS

moč, ki jo nudi dirkalnikom okoli 60 kW. Do leta 2014 pa bi naj ta proizvedena moč z

njegovo pomočjo dosegla okoli 120 kW. Motorji bi naj bili, namesto današnjih 2,4 litrskih

V8, 1,6 litrski V6.


27

6 SKLEP

Ker so cene goriva vedno višje, predvsem inženirji iščejo bolj učinkovite načine, rešitve,

inovacije, da bi se nekaj denarja prihranilo na račun le teh. Potreba po vedno večjih količinah

energije bo vedno večja, saj se razvija industrija, prometna infrastruktura, železnice so vedno

večje in polne najnovejših vlakov z napredno tehnologijo. O nekaterih projektih lahko samo

sanjamo, ker so še vedno samo na papirju.

Regeneracijsko zaviranje se razvija zelo hitro, skoraj vsak dan lahko zasledimo kaj novega

glede te teme. Če se samo spomnimo, da so tako te tipe zavor poznali, oziroma jih uporabljali

že pred več kot 100 leti. Do danes pa so se te zavore že tako izpopolnile, da je res potrebno

veliko znanja in predvsem razmišljanja vložiti v to, da bi lahko te sisteme regeneracijskega

zaviranja naredili še bolj optimalne. Glede na že omenjen trg cene goriv je za pričakovati, da

se bodo zavore razvijale še hitreje in v še večjem obsegu kot do zdaj. In sicer zakaj? Naš

planet je že tako onesnažen, da lahko tudi s pomočjo teh zavor in električnih vozil,

pripomoremo k manjšemu izpustu emisij vsaj v majhni meri.

Tudi proizvodnja vozil na električni pogon bo pridobila na svoji moči, ko bodo ljudje začeli

drugače razmišljati. To pomeni, da bodo začeli uporabljati električna vozila, ali pa vozila na

vodik, ki imajo zelo malo ali skoraj nikakršnega izpusta emisij.

Ob pisanju diplomske naloge sem se spoznal, z meni do sedaj še precej tujim področjem, in

sicer z regeneracijskimi zavorami. Preučil sem njihovo delovanje in funkcije, ki jih opravljajo,

ter prišel do zanimivih zaključkov. Spoznal sem tudi, kje so te zavore vse uporabljene in bil

zelo presenečen, da je razvoj segel že tudi do koles in skuterjev. Če se bo sistem

regeneracijskega zaviranja razvijal še naprej z tako hitrostjo kot se je do zdaj, lahko

pričakujemo take sisteme v domala vseh prevoznih sredstvih. To bi bilo zelo dobrodošlo,

predvsem za varčevanje.


28

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

Literatura:

[1] E. Fuhs Allen. Hybrid Vehicles and the Future of Personal Transportation. New York.

2009

[2] M. Hribar, S. Kocjančič, A. Likar, S. Oblak, B. Pajk, V. Petruna, N. Razpet, B.

Roblek, F. Tomažič, M. Trampuš. Elektrika, svetloba in snov. Ljubljana. Modrijan.

2003, str. 7-40

[3] Pople Stephen. FIZIKA-shematski pregled. Ljubljana. Tehniška založba Slovenije.

1998

Elektronski viri:

[4] Formula One World Championship Limited. Kinetic Energy Recovery Systems

(KERS) [svetovni splet]. 2012. Dosegljivo na WWW:

http://www.formula1.com/inside_f1/understanding_the_sport/8763.html [25.08.2012]

[5] Lampton, Christopher. How Regenerative Braking Works [svetovni splet]. 1998-2012.

Dostopno na WWW:

http://auto.howstuffworks.com/auto-parts/brakes/brake-types/regenerative-

braking3.htm [29.08.2012]

[6] Miranda Miguel. Mazda Outs i-ELOOP Capacitor-based Braking System [svetovni

splet]. 2011. Dostopno na WWW:

http://www.geeky-gadgets.com/mazda-outs-i-eloop-capacitor-based-braking-system-

26-11-2011/ [01.09.2012]

[7] Seminar projects. Regenerative braking [svetovni splet]. 2010. Dostopno na WWW:

http://seminarprojects.com/Thread-regenerative-braking [30.8.2012]

[8] Simpson, JT & Stuebing Jamie. Regenerative Braking [svetovni splet]. 2011.

Dostopno na WWW:

http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936885/Regenerative%20Braking

[27.08.2012]

[9] Wikipedia. Regenerative brake [svetovni splet]. 2012. Dostopno na WWW:

http://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_braking [01.09.2012]

[10] Wikipedia. Amitron. [svetovni splet]. 2012. Dostopno na WWW:

http://en.wikipedia.org/wiki/Amitron [27.08.2012]

http://www.formula1.com/inside_f1/understanding_the_sport/8763.html

http://auto.howstuffworks.com/auto-parts/brakes/brake-types/regenerative-braking3.htm

http://auto.howstuffworks.com/auto-parts/brakes/brake-types/regenerative-braking3.htm

http://www.geeky-gadgets.com/mazda-outs-i-eloop-capacitor-based-braking-system-26-11-2011/

http://www.geeky-gadgets.com/mazda-outs-i-eloop-capacitor-based-braking-system-26-11-2011/

http://seminarprojects.com/Thread-regenerative-braking

http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936885/Regenerative%20Braking

http://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_braking

http://en.wikipedia.org/wiki/Amitron

Documents

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · 2017. 11. 27. · tornimi zavorami. Elektronika v vozilu mora določiti kateri sistem je kdaj primernejši. Ker je v regeneracijskem