XII International Symposium "ROAD ACCIDENTS PREVENTION 2014" Hotel Jezero, Borsko Jezero, 09 th and 10 th October 2014. UDK: РЕГЕНЕРАТИВНО КОЧЕЊЕ Драго Талијан a, Борис Недић b, Борислав Бајић c a Eib Internationale a.d. Центар за моторна возила, Бањалука, talijan@eib-cmv.com b Eib Internationale a.d. Центар за моторна возила, Бањалука, bnedic@eib-cmv.com c Eib Internationale a.d. Центар за моторна возила, Бањалука, bbajic@eib-cmv.com Резиме: Кочење возила је сложен процес праћен промјенама динамичких и енергетских параметара стања. Са енергетског аспекта кочење представља одузимање од возила енергије којом оно располаже непосредно пред процес кочења. Ова од возила у процесу кочења одузета енергија може бити неповратно предана околини или акумулирана у неком погодном облику и употријебљена у каснијим фазама коришћења возила. Рад доноси приказ основних принципа рада и неке изведбе кочних системa који омогућавају трансформацију, акумулирање и каснију употребу у току кочења од возила одузете енергије. Кључне ријечи: кочни систем, енергетска трансформација, регенеративно кочење 1. УВОД Кочни систем је скуп дијелова на возилу који омогућава контролисано прогресивно смањивање брзине кретања возила (успорење), по потреби и до заустављања, или пак задржавање у мјесту возила које је већ заустављено, а у складу са жељом возача, тренутном саобраћајном ситуацијом и другим околностима. Кочење је веома сложен процес, који је праћен промјеном енергетских и динамичких параметара стања возила. Кочење, са енергетског аспекта, у суштини, представља одузимањe енергије којом возило располаже непосредно пред кочење. Ова се енергија може појавити у различитим облицима. Усвојимо да возило непосредно пред кочење располаже одређеним износом механичке енергије: кинетичке, коју возило посједује усљед свога кретања; и гравитационе потенцијалне енергије, коју возило посједује усљед свога положаја у пољу гравитационе силе. Присјетимо се, такође, да закон о одржању енергије у суштини поручује да се енергије не може створити ни из чега, нити претворити у ништа, већ само прелазити из једног облика у други. Како ово правило не трпи изузетка тако мора бити и у процесу кочења возила. Од возила током кочења одузета механичка (кинетичка и потенцијална) енергија трансформише се у друге видове енергије. 2. ПРОМЈЕНА ЕНЕРГЕТСКОГ СТАЊА ВОЗИЛА ПРИ КОЧЕЊУ Посматрајмо, у сврху анализе промјене параметара енергетског стања возила три карактеристична режима кочења:
a) кочењем у сврху успоравања возила масе m које се креће по хоризонталном путу брзином v, по потреби и до заустављања, возилу се смањује, а по потреби и потпуно одузима, његова кинетичка енергија; b) кочењем возила на који дјелује нека пропулзивна сила (нпр. гравитациона сила при кретању возила на путу са подужним падом - низбрдици) која тежи да убрза возило од њега се, у сврху спрјечавања његовог убрзавања, одузима (гравитациона) потенцијална енергија; c) уколико се у случају описаном под (б) смањује и брзина кретања возила тада се кочењем, свакако, од возила одузима и кинетичка и (гравитациона) потенцијална енергија. Корисно је на овом мјесту стећи слику о количини енергије коју је од возила потребно одузети у овим карактеристичним режимима кочења. Кинетичка енергија којом возило располаже на почетку процеса кочења састоји се, у основи, из два дијела. Један њезин дио (Еkt) потиче од транслаторног кретања брзином v укупне масе возила m и изражава се као: E kt 2 m v (1) 2 Други њезин дио (Еko) потиче од обртних маса возила које, поред тога што се транслаторно крећу заједно са возилом, врше и обртно кретање неком угаоном брзином ω. При томе се у обзир узимају оне обртне масе чије је обртно кретање директно условљено кретањем возила (точкови и обртни елементи који су у процесу кочења у механичкој вези са точковима, нпр. обртни елементи кочног система, система преноса снаге, мотора). Њихов утицај зависи од њихових конструктивних карактеристика валоризованих у појединачним моментима инерције, те преносних односа између ових појединачних елемената и точкова. Овај утицај се, у приближним практичним прорачунима, обично описује тзв. коефицијентом утицаја обртних маса (δ). Утицај обртних маса, тј. њихова кинетичка енергија, може бити веома значајан, поготово у случају кочења возила са укљученом спојницом у нижим степенима преноса (при већим преносним односима). Коначно, у општем случају се кинетичка енергија којом располаже возило на почетку процеса кочења може поједностављено записати као: E k 2 m v Ekt Eko (2) 2 Посматрајмо сада, за примјер, возило масе m=1.250 kg. Претпоставимо да се оно креће по хоризонталном путу брзином v 0=20 m/s (72 km/h) у последњем степену преноса, те да се, с тим у вези, утицај обртних маса може занемарити (δ =1). Кинетичка енергија коју је од возила потребно одузети како би се испунио свакодневни кочни захтјев и његова брзина смањила на v1=10 m/s (36 km/h) износи Ek=187,5 kj, a да би се исто возило зауставило (v2=0 km/h) Ek=250 kj. Једнако тако, при заустављању возила масе m=25.000 kg од исте почетне брзине потребно је одузети кинетичку енергију од ΔEk=5.000 kj. Очигледно, ради се о знатним количинама енергије. Поређења ради, за подизање тијела масе 1.000 kg на висину 10 m потребно је уложити рад у износу од око 100 kj.
На сличан начин, разматрајући енергетски биланс возила које се креће на низбрдици под дејством гравитационе силе у процесу његовог кочења које се предузима у сврху одржавања константне брзине кретања возила количинa потенцијалне енергије коју је од потребно одузети возила из претходног примјера на низбрдици нагиба 5% и дужине 200 m износи приближно Ep,1250=122,5 kj и Ep,25000=2.449,5 kj. Очигледно је и на примјеру овог свакодневног и, усуђујемо се рећи, не претјерано интензивног кочног захтјева да је износ од возила одузете потенцијалне енергије значајан. Наведимо и да је у последњем примјеру одржавања константне брзине кретања од v=20 m/s при кретању на низбрдици потребно да се током цијелог процеса кочења P k 12,25kW 245 kw, 1250 P k, 25000 развије снага од око и, респективно. Процјењује се да је у овом тренутку у свијету регистровано више од 1,6 милијарди возила. Остављамо да закључујете сами о количини енергије која се свакодневно у процесима кочења одузима од напријед поменутог возног парка. Никако не испустимо овај час из вида да кочни системи морају бити безбједни и поуздани и да морају омогућити контролу кретања возила и безбједно, брзо и ефикасно заустављање при било којој брзини и било ком оптерећењу, на било ком подужном успону или паду. Међутим, са енергетског аспекта посматрано јасно је да је утрошак енергије цијена безбједности која се мора платити, али и да није сасвим свеједно на који ће се начин у процесу кочења од возила одузети механичка енергија и у који други вид енергије превести. Ово, дакле, не само из чисто економских разлога мотивисаних уштедом енергије и повећањем економичности возила, или смањењем утицаја возила на животну средину, већ, и прије свега, из безбједносно-техничких разлога и несумњивог утицаја принципа трансформације енергије на функционалне карактеристике кочног система. Промјена енергетског стања возила током кочења, у принципу, се може обављати на два начина: a) трансформацијом енергије која се током кочења одузима од возила у топлоту и њеном предајом околини, или b) трансформацијом енергије која се током кочења одузима од возила у неки вид енергије погодан за акумулирање и касније коришћење од стране возила. Без обзира који се од горе поменутих начина користи један, мањи или већи, дио енергије бива у сваком случају и ван наше воље одузет од возила током кочења, изван самог кочног система. То се прије свега односи на отпоре кретању возила (отпор котрљању, отпор успона, отпор ваздуха, отпор на потезници) на чије се савлађивање троши дио енергије возила. Количина енергије која се троши на савлађивање отпора ваздуха и отпора котрљању у највећој мјери зависи од брзине на почетку кочења и креће се, према неким подацима, од 3% до 6% [3]. Не тако мала количина енергије возила се троши на савладавање отпора трења у склопу точка и раније помињаних обртних елемената у вези са точком, и она се креће око 2% до 3% [3]. Коначно одређена количина енергије се од возила одузима на рачун клизања између точка и подлоге. Количина ове последње у највећој мјери зависи од коефицијента клизања (λ) и, наравно, највећа је при потпуном клизању, тј. за λ =1. У изузетним случајевима у контакту пнеуматика и подлоге се може трансформисати чак више и од 90% укупне енергије којом је возило располагало на почетку кочења, мада се у највећем броју случајева на клизање утроши од 4% до 6% те енергије [3]. Неспорно је, међутим, да се у највећем броју случајева најзначајнији дио енергије возила, око 90%, трансформише у оквиру самог кочног система.
У огромном броју случајева, још увијек, кочење се темељи на претварању механичке енергије возила у топлоту на рачун трења међу елементима фрикционе кочнице, тј. фрикционог пара (кочни диск-фрикционе облоге кочних плочица / кочни добошфрикционе облоге кочних папучица), и њеном предајом околини. Са енергетског аспекта извођење кочења кочним системима са фрикционим извршним елементима праћено је неповратним тошењем енергије и представља чист губитак. Са безбједносног аспекта важно је напоменути да топлотна оптерећења и пораст температурног нивоа елемената фрикционих кочница има рефлексију на пад поузданости и ефикасности кочног система, односно у коначном на испуњавање функције циља. Директне посљедице раста температурног нивоа, између осталих, су: пад коефицијента трења између елемената фрикционог пара и усљед тога пад ефикасности (тзв. фединг); могућност испаравања дијела кочне течности и стварања парних чепова у кочним цилиндрима и водовима у близини кочница; убрзано хабање и деформисање елемената фрикционог пара са могућим утицајем на ефикасност, итд. Коначно, ваља имати на уму да коришћење извршних органа кочних система који раде на фрикционом принципу у значајној мјери утиче на трошкове одржавања возила. a) b) c) Слика 1. Топлотна оптерећења фрикционих кочница Са друге стране ова током кочења од возила одузета енергија може се трансформисати у неки други вид, акумулирати, те употријебити током каснијег коришћења возила. У овом случају се говори о регенеративном кочењу. 3. РЕГЕНЕРАТИВНО КОЧЕЊЕ Регенеративно кочење има веома дугу традицију и широко се експлоатише у жељезничком саобраћају. Погодност у случају електричних локомотива се, између осталог, огледа у чињеници да кочењем добијену електричну енергију није неопходно акумулирати у самом возилу већ се она може предати електричној мрежи. Идеја регенеративног кочења је доста дуго присутна и у друмском саобраћају. Међутим, код возила која као погонски агрегат користе мотор са унутрашњим сагоријевањем потребни су додатни уређаји и опрема како би се извршила трансформација и складиштење у процесу регенеративног кочења добијене енергије и њено поновно коришћење. У том смислу развијана су, временом, многа рјешења у основи којих су трансформација механичке енергије возила у: кинетичку енергију обртног кретања замајца, потенцијалну енергију компримованог флуида (гаса, течности), електричну енергију и сл.
Слика 2. Хидрауличко регенеративно кочење [5] На слици 2. приказана је принципјелна шема система за трансформацију енергије возила у потенцијалну енергију хидрауличног уља ( хидраулично регенеративно кочење ). Током кочења хидро-пумпа погоњена од стране точкова (посредством елемената система за пренос снаге) пребацује хидраулично уље из резервоара ниског притиска у резервоаре високог притиска, подижући му притисак. На тај начин енергија возила бива преведена у потенцијалну енергију хидрауличног уља. У каснијим фазама коришћења уље се из резервоара високог притиска доводи до хидро-мотора којим се даље посредством система преноса снаге погоне погонски точкови возила. На тај начин је потенцијална енергија уља поново трансформисана у механичку енергију возила. Слика 3. Упоредни приказ потрошње горива са и без хидрауличког регенеративног кочења [1] Хидраулично регенеративно кочење Bosch-Rexroth према резултатима праћења овог кочног подсистема [1], на комуналним возилима за одвоз смећа и доставним возилима великих маса карактеристичним по употреби у стани-крени режимима вожње (режими са честим успорењима и убрзањима возила), може резултирати уштедом у потрошњи горива на нивоу од око 25% (слика 3.) као и продужењем експлоатационог периода елемената фрикционих кочница готово за дупло. И независна испитивања ове врсте регенеративних кочних система (ADAC) говоре о потенцијалу хидро-статичког регенеративног кочења у погледу смањења потрошње горива од најмање 20%, у просјеку. Говори се и о смањењу издувне емисије, поготово смањењу емисије чађи. Ови системи су посебно погодни за транспортне захтјеве у основи којих је стани-крени вожња. Могућа је и њихова накнадна уградња. Експлоатациони период кључних
компоненти хидрауличног регенеративног кочења одговара експлоатационом периоду возила. Захтјевају релативно мали обим одржавања, а одржаваоци морају посједовати, рекли бисмо, конвенционална знања из области примјене хидро-статичких компоненти на возилима, тако да се поступци одржавања могу проводити у оквиру постојећих система за одржавање возила. Механичко регенеративно кочење се темељи на принципу трансформације механичке енергије возила у кинетичку енергију обртног кретања замајца. На слици 4. дат је принципјелни приказ елемената механичког регенеративног кочења на примјеру Flywheel KERS произвођача Volvo Cars. У општем случају, систем механичког регенеративног кочења се базира на замајцу који је преко зупчаничког преносника снаге и спојнице спојен са фрикционим преносником снаге са континуалном промјеном преносног односа, и даље са спојницом која овај систем повезује са улазним вратилом. Приликом кочења спојница се укључује и активира систем механичког регенеративног кочења са замајцем, што омогућава трансформацију механичке енергије возила у кинетичку енергију обртног кретања замајца. Након што се кочница деактивира, или возило заустави, или замајац достигне највећи дозвољени број обртаја, спојница се искључује и омогућава независно обртање замајца. На овај начин jе од возила током кочења одузета енергија, или један њезин дио, акумулирана у склопу замајца. Када, у каснијим фазама коришћења возила, постоји потреба да се овако акумулирана енергија искористи за (по)кретање возила спојница се укључује и замајац повезује са погонским точковима. За механичко регенеративно кочења од посебног је значаја количина енергије коју је могуће акумулирати, те количина енергије која се троши на савладавање унутрашњих отпора самог система. Кинетичка енергија обртног кретања замајца, у општем случају, замајца. Како повећање масе замајца (тиме и система механичког регенеративног кочења) значи повећање масе возила у цјелини а с тим у вези и потрошње горива, те како је и простор за смјештај склопа замајца ограничен, то се повећање количине енергије коју је могуће акумулирати углавном постиже повећањем угаоне брзине замајца. Замајац напријед помињаног експерименталног механичког регенеративног система произвођача Volvo Cars (Flywheel KERS) израђен је од композитних материјала (угљичних влакана), масе је 6kg, пречника 20cm, а број обртаја му се пење и до 60.000min-1 [8]. Најзначајнији отпори обртном кретању замајца су отпор ваздуха и трење у лежајевима. Отпори обртању замајца се настоје смањити обезбјеђењем вакуума у кућишту замајца [8] и употребом магнетних лежајева [6]. Електрично регенеративно кочење је систем за кочење који омогућава да се у току успоравања возила његова енергија претвара у електричну енергију. Регенеративно кочење, у електричном смислу, подразумјева трансформацију механичке енергије возила путем електричног мотора, који обавља функцију генератора, у електричну енергију. Потом, њезино прилагођавање и складиштење у батеријској јединици, из које се опет користи као погонска енергија на истом електромотору у режиму рада као мотор. Kод хибридних електричних и електричних возила примјењују се, махом, електромотори код којих је у ротор уграђен перманенти (стални) магнет, а намотаји су постављени на статор. Тиме се добија хомогено магнетно поље пројектоване индукције. У већини случајева је ријеч о трофазном асинхроном мотору са три слоја намотаја на статору.
Слика 4. Механичко регенеративно кочење (VOLVO CARS) Да бисмо приближили електрични принцип регенеративног кочења осврнућемо се укратко на принцип рада генератора трофазне наизмјеничне струје. Напоменимо да је код трофазних генератора уобичајно да су намотаји постављени на ротору. Са друге стране, у случају мотора који се користе на возилима у сврху регенеративног кочења, намотаји се, углавном, постављају на статор. Међутим, та чињеница не мијења ништа са становишта физичких закона пo којимa се одвија настанaк електричне струје у намотајима генератора и ефекат кочења. Закон о електромагнетној индукцији, поједностављено речено, каже да ако се електрични проводник креће у магнетном пољу, тако да његове странице пресјецају линије поља, у њему се јавља (индукује) електромоторна сила (ЕМС), односно електрични напон. При томе је потпуно свеједно да ли се проводник креће а магнет мирује или магнет креће а проводник мирује [10]. На статору се налазе три потпуно одвојена намотаја који су равномјерно распоређени по обиму и просторно међусобно помјерени за 120. Стални магнет ротира унутар густо намотаних и редно повезаних намотаја калема. Према закону о електромагнетној индукцији током обртања ротора у намотајима се индукује наизмјенични напон синусног облика, потпуно исте величине и учестаности. Због просторне помјерености намотаја и индуковани напони у њима су међусобно помјерени за 120 електричних степени, тј. временски касне за трећину обртаја. Описани се процес понавља током обртања ротора и тако се ствара трофазна (обртна) струја. Називају је обртном јер се помоћу ње у моторима ствара обртно магнетно поље, које се још назива и Теслино обртно поље [10]. У тренутку кочења електрични мотор прелази у режим генератора, намотаји статора се одвајају са напонске мреже возила и спајају на мрежу регенеративног кочења. Како је ротор мотора спојен на осовину возила он усљед настављања своје ротације производи наизмјеничну електромоторну силу у намотајима калема статора. То доводи до појаве магнетног поља статора које расте са порастом индуковане струје. Вектор магнетног поља статора је у збиру супротног смјера од вектора магнетног поља ротора. Усљед тога настаје успоравање ротације ротора, што се у коначном манифестује ефекатом кочења возила. Како ротор успорава смањујују се интезитети оба вектора магнетног поља и статора и ротора, тако да ће у једном тренутку ротор да се окреће тако малом брзином да неће бити у стању да савлада потребни отпор да се индукује електромоторна сила у
намотајима статора. То ће узроковати да се возило и даље креће, врло споро али се не зауставља. Због овог ефекта возило се мора зауставити конвенционалном кочницом. Индукована струја у намотајима статора је наизмјеничног карактера и њен напон је директно зависан од броја обртаја ротора. Дакле, за индукцију струје одређеног напона било би потребно да ротор мотора, посљедично и осовина возила, има висок број обртаја. Међутим, обично се помоћу одговарајућих електричних кола напон појачава чиме се омогућава коришћење и при релатнивно малом броју обртаја ротора ( booster ). Након тога наизмјенични напон се исправља у истосмјерни (AC/DC конвертор) и одводи на полове батеријске јединице. Батеријске јединице се, обично, појављују у двије изведбе. Или хемијски реализован акумулатор (нпр. литијумска батерија) или кондензатор великог капацитета. У оба случаја се јавља потреба да се напуњеност ове батеријске јединице прати и у случају потпуне напуњености одвоји са мреже регенеративног кочења, јер би у супротном у оба случаја дошло до препуњавања ( overcharching ) које има негативан ефекат по батеријску јединицу, а у крајњем представља опасност по живот и здравље људи. Како се у том случају прекида струјно коло регенеративног кочења престаје и ефекат кочења, те се и у овом случају мора користити конвенционална кочница. Управо се као битна предност електричних и хибридних електричних возила истиче њихова способност да трансформишу, акумулирају и поново употребе значајну количину енергије одузете од возила током кочења. Како су у пракси сусрећу многе концепцијски различите изведбе електричних и хибридних електричних возила, посљедично се у оквиру њих појављују и различите изведбе подсистема за електрично регенеративно кочење. 4. ЗАКЉУЧАК Потенцијал за примјену подсистема за регенеративно кочење је значајан. Посебно се то односи на употребу возила у градским срединама која је повезана са честим промјенама брзине кретања, успорењима и убрзањима, возила. Нека истраживања показују да у типично градским срединама до 25% енергије утрошене за погон возила бива од њега одузето у процесима кочења. У великим градовима, какав је Њу Јорк, тај проценат може достићи готово 70%, наводи се у литератури. Несумњив је утицај кочног система на безбједност возила и саобраћаја, и морају се свакако, без обзира на изведбу, обезбједити задовољавајуће перформансе кочног система у цјелини. Обично при томе у први план стављамо његову задовољавајућу ефикасност као и одржавање стабилности возила током кочења. Стога се посебна пажња посвећује управљачким стратегијама подсистема за регенеративно кочење како би се у коегзистенцији са традиционалним фрикционим извршним органима кочног система, и свим његовим унапређењима (АБС, ЕСП,...), постигле задовољавајуће перформансе и обезбједило испуњавање функције циља кочног система у цјелини. Подсистеми регенеративног кочења ће бити ефикаснији уколико: се заснивају на што мањем броју различитих енергетских трансформација, при чему је ефикасност сваке од тих појединачних трансформација што већа; захтјевају уградњу што мањег броја додатних компоненти, што мање масе и запремине; омогућавају акумулирање што веће количине енергије у односу на масу и запремину акумулатора, као и акумулирање и испоруку што веће количине енергије у јединици времена;
омогућавају постепену и глатку промјену кочног дејства у директној зависности од интензитета кочног захтјева, са што мањим кашњењем; омогућавају реализацију кочног ефекта у што ширем распону брзина кретања возила и кочних момената. Обично се у литератури, нпр. [9], као предности регенеративног кочења наводе: смањење потрошње горива (повећање економичности), а у зависности од примјењене концепције, стратегије управљања регенеративним кочењем, услова вожње и сл.; смањење издувне емисије возила; повећање радијуса кретања возила; унапријеђење перформанси возила; смањење хабања елемената фрикционих кочница и мотора; смањење буке и емисије чврстих честица, као посљедице смањене употребе фрикционих кочница. Најчешће помињани недостаци регенеративног кочења су: потребни су додатни уређаји и опрема који ангажују одређену запремину возила, повећавају његову масу и посљедично утичу на повећање потрошње горива; повећава се комплексности возила у мањој или већој мјери, а у зависности од врста система за регенеративно кочење; цијену возила оптерећују додатни трошкови развоја и производње; могући су негативни утицаји на безбједност лица у самом возилу; додатни захтјеви у погледу одржавања возила са подсистемима за регенеративно кочење (нпр. у погледу опреме, обучености одржаваоца, периодичности и технологије, и сл.), а у зависности од врсте и комплексности примјењеног подсистема. 5. ЛИТЕРАТУРА [1] Lindzus E., HRB Hydrostatic Regenerative Braking System: The Hydraulic Hybrid Drive from Bosch Rexroth, http://www.iswa.org/uploads/tx_iswaknowledgebase/lindzus.pdf [2] ЕЦЕ правилник бр. 13, Једнообразни услови за хомологацију возила категорија М, Н и О у погледу кочења [3] Тодоровић Ј., Кочење моторних возила, Завод за уџбенике и наставна средства, Београд, 1988 [4] http://alternativefuels.about.com/od/hybridvehicles/a/regenbraking.htm [5] http://www.slideshare.net/fullscreen/harshgupta161/kinetic-energy-recovery-system-kers/1 [6] Mathews T., D N., Flaywheel based kinetic energy recovery systems (KERS) integrated in vehicles, http://www.ijest.info/docs/ijest13-05-09-036.pdf [7] Mуминовић А., Активни магентни лежајеви, http://www.researchgate.net/ [8] Volvo Cars tests of flywheel technology confirm fuel savings of up to 25%, http://www.greencarcongress.com/2013/04/kers-20130425.html [9] Clegg S. J., A review of regenerative braking systems, http://eprints.whiterose.ac.uk/; [10] Декањ J., Енциклопедија аутоелектрике електричне инсталације и уређаји, Грађевинска књига, Београд, 2006 [11] Томљеновић В., Мандић И., Синкрони и асинкрони електрични стројеви, Техничко велеучилиште у Загребу, Електротехнички одјел, Загреб, 2012 [12] http://0.tqn.com/d/alternativefuels/1/0/t/p/-/-/2nd-and-3rd-gen-prius-mg2.jpg