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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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: ___________________________
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
12
3 FUNKCIJSKA STRUKTURA
Slika 3.1: Funkcijska struktura
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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)
= inducirana napetost [V]
= magnetni pretok skozi zanko [Wb]
= čas [s]
Magnetni pretok skozi zanko se izračuna s pomočjo formule
(4.3)
= gostota magnetnega polja [T]
= površina [ ]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
15
Poenostavljeno se indukcijski zakon lahko zapiše kot
(4.4)
= inducirana napetost [V]
= dolžina vodnika v magnetnem polju [m]
= gostota magnetnega polja [T]
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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 kondenzatorja [F]
Kapacitivnost (C) kondenzatorja izračunamo po formuli
(4.8)
= kapacitivnost kondenzatorja [F]
= 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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
18
Čas polnjenja t se izračuna
(4.12)
t = čas polnjenja [s]
C = kapaciteta baterije [Ah]
n = Peukertovo število
I = polnilni tok [mA]
Za izračun časa praznjenja baterije se uporablja enačba
(4.13)
t = čas praznjenja [s]
C = kapaciteta baterije [Ah]
n = Peukertovo število
I = tok praznjenja [mA]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
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]