Princíp rekuperácie energie pri brzdení vozidiel

Rekuperácia energie pri brzdení vozidiel predstavuje kľúčový prvok modernej automobilovej technológie, ktorý výrazne prispieva k vyššej efektivite a ekologickosti. Jej podstatou je proces premeny časti kinetickej energie dopravného prostriedku späť na využiteľnú energiu pri spomaľovaní alebo brzdení.

Donedávna pojmy ako rekuperácia a regeneratívne brzdenie neboli širokej verejnosti veľmi známe. So zvýšeným dopytom po elektrifikovaných vozidlách sa však táto technológia stáva dôležitým parametrom, ktorý je potrebné zohľadniť pri výbere vozidla. V autách so spaľovacími motormi nie je plnohodnotná rekuperácia pohybovej energie možná, keďže energiu čerpajú spaľovaním paliva.

Čo je rekuperácia energie a ako funguje?

Rekuperačné brzdenie je moderná technológia používaná v elektrických vozidlách, elektrobicykloch a elektrických trojkolkách, ktorá umožňuje premenu kinetickej energie späť na elektrickú energiu. Namiesto toho, aby sa energia pri brzdení úplne stratila vo forme tepla, systém ju zachytí a dobije batériu. Pri tomto procese vozidlo ukladá jazdou získanú energiu naspäť do batérie alebo do superkondenzátora.

Princíp rekuperačného brzdenia spočíva v premene kinetickej energie na elektrickú energiu. Keď vodič uvoľní akcelerátor alebo začne brzdiť, elektromotor, ktorý za bežnej jazdy poháňa kolesá, sa dočasne zmení na generátor. Ten začne vytvárať elektrinu, ktorá sa následne ukladá späť do batérie. Týmto spôsobom sa vozidlo spomaľuje a súčasne dobíja. Proces prebieha automaticky, bez nutnosti zásahu vodiča.

Princíp je podobný ako pri dyname na bicykli: keď sa dynamo priloží ku kolesu, šliapanie do pedálov je namáhavejšie. V prípade elektrifikovaných vozidiel odovzdávajú kolesá kinetickú energiu počas spomaľovania prostredníctvom hnacieho ústrojenstva motoru. Ten potom pracuje v režime generátora a vyrába elektrickú energiu využívaním odporu elektromotora. Tým sa na jednej strane nabíja vysokonapäťová batéria a na druhej strane brzdí vozidlo. Tento proces sa nazýva aj rekuperácia (z latinského "recuperare", čo znamená "obnoviť").

Tradičné brzdenie vs. rekuperačné

Ak chcete spomaliť vozidlo, môžete použiť brzdenie motorom alebo zošliapnuť pedál brzdy. Pri klasickom brzdení sa vozidlo spomaľuje trením bŕzd o kolesá. V druhom prípade sa pri trení brzdových doštičiek vytvára teplo, teda energia. Pri aute so spaľovacím motorom sa táto energia stráca; teplo sa jednoducho uvoľňuje do prostredia prostredníctvom chladenia brzdového systému. Rekuperačné brzdenie je prirodzenou vlastnosťou väčšiny elektromobilov a samonabíjacích hybridov.

Na rekuperáciu je počas brzdenia potrebný posun medzi elektrickým spomaľovacím komponentom (prostredníctvom generátora) a hydraulickým komponentom (prostredníctvom brzdy kolesa). Tento presun medzi oboma brzdovými systémami sa nazýva "miešanie bŕzd" ("Brake Blending") a umožňuje vyššiu energetickú účinnosť. Vzájomné pôsobenie týchto dvoch typov brzdenia nemá prakticky žiadny vplyv na jazdné vlastnosti. Zabezpečuje to sofistikovaná výkonová a riadiaca elektronika.

Rekuperácia v rôznych typoch vozidiel

• Elektromobily a hybridné vozidlá: Rekuperácia je neoddeliteľnou súčasťou ich fungovania. Elektromotor pri spomaľovaní pôsobí ako generátor a premieňa kinetickú energiu na elektrickú, ktorá sa ukladá do trakčnej batérie. Vďaka elektrickým motorom majú elektromobily omnoho vyššiu účinnosť než spaľovacie vozidlá. S rekuperáciou, ktorá podstatne znižuje spotrebu a predlžuje dojazd, sa účinnosť pohybuje okolo 75 až 90 % z batérie na kolesá.
• Vozidlá so spaľovacím motorom: V autách so spaľovacími motormi je rekuperácia v pravom slova zmysle obmedzená. Niektorí výrobcovia však využívajú rekuperáciu tepla z výfukových plynov. Pri klasických autách so systémom rekuperácie brzdnej energie slúži na premenu kinetickej energie alternátor. Ten síce aj tak vyrába elektrickú energiu, no v prípade rekuperácie sa jeho napätie po pustení plynu zvýši, napríklad u systému od Mazdy sa napätie alternátora variabilne pohybuje od 12 do 25 voltov. Pri jazde sa zas napätie zníži, aby kládol alternátor menší odpor.

Výhody rekuperačného brzdenia

Rekuperácia je veľmi významnou funkciou, ktorá prináša mnoho benefitov pre elektrifikované vozidlá:

• Predĺženie dojazdu: Jednou z najvýraznejších výhod je predĺženie dojazdu elektrického vozidla. Energia, ktorá by bola inak stratená (napríklad vo forme tepla pri brzdení), sa recykluje a využíva na ďalšiu jazdu. Dojazd elektromobilu môže byť vďaka rekuperácii o 20 - 30 percent dlhší.
• Úspora paliva/energie: Rekuperácia energie má priamy dopad na znižovanie spotreby paliva, čo sa prejavuje nižšími prevádzkovými nákladmi. Vozidlá so systémom rekuperácie môžu dosiahnuť úsporu paliva o 10-30 %.
• Menšie opotrebovanie trecích bŕzd: Rekuperácia je menej náročná na mechanické súčiastky, čím sa znižuje opotrebenie brzdových doštičiek a kotúčov a s tým spojené náklady na údržbu vozidla. Aj vozidlá využívajúce regeneratívne brzdenie sú stále vybavené klasickými brzdami, no ich životnosť sa výrazne predlžuje.
• Zvýšenie celkovej energetickej efektivity: Rekuperačné brzdenie zvyšuje celkovú energetickú efektivitu vozidla, čo je dôležité pre udržateľnosť dopravy.
• Ekologický dopad: Znižujú sa emisie skleníkových plynov vďaka efektívnejšiemu využívaniu energie, čo prispieva k znižovaniu celkovej uhlíkovej stopy vozidla.
• Plynulejšie a bezpečnejšie spomaľovanie: Systém poskytuje plynulejšie a bezpečnejšie spomaľovanie.

Potenciálne problémy a dôležitosť údržby

Napriek mnohým výhodám má rekuperácia aj svoju "odvrátenú stranu", ktorá môže viesť k nežiaducim javom, ak sa nepraktizuje správne. Jedným z najčastejších problémov je korózia bŕzd.

Korózia brzdového systému

Pri brzdení sa všeobecne kladie väčší dôraz na prednú nápravu, na ktorej sa takmer vždy nachádzajú kotúčové brzdy. Ak sa vodič naučí pracovať s rekuperáciou a odhadnúť jej silu, brzdový pedál sa dostáva ku slovu čoraz sporadickejšie. Toto všetko časom plynie k tomu, že slabé využívanie bŕzd zadnej nápravy vedie k ich korózii, teda v prípade, že vzadu nie sú bubny.

Majitelia elektrifikovaných vozidiel niekedy prechádzajú okolo na pohľad nového auta, ale jeho zadné brzdy sú kompletne posiate hrdzou. Príčinou nemusí byť dlhodobé státie. Skorodovaný brzdový systém má jednu hlavnú nevýhodu, ktorou je znížená bezpečnosť. Hrdza na trecej časti kotúča znižuje brzdný účinok.

Moderné autá využívajú prevažne kotúčové brzdy na oboch nápravách a bubnové sa stali symbolom niečoho menejcenného. V prípade elektrifikovaných vozidiel však bubny dostávajú nový rozmer, pretože sú odolné a menej náchylné na koróziu. Okrem toho sú aj finančne menej náročné.

Ako predchádzať korózii a udržiavať systém

Ak ste majiteľom elektromobilu, hybridu, mild hybridu či plug-in hybridu, ktorý umožňuje regeneratívne brzdenie, nezabúdajte občas intenzívne zošliapnuť aj klasický pedál a zbavte sa začínajúcej korózie v počiatkoch. Ak ju necháte zájsť príliš ďaleko, bude potrebná výmena brzdových kotúčov a namiesto šetrenia si náklady na prevádzku zvýšite.

Hoci rekuperačný systém výrazne šetrí klasické brzdy, stále je potrebná pravidelná údržba. Kontrolujte stav brzdovej kvapaliny a brzdových doštičiek podľa odporúčaní výrobcu. Udržiavanie efektívnych súčastí umožní, aby ste z brzdového systému mali čo najviac. Vhodná údržba nielenže zvyšuje efektivitu, ale aj predlžuje životnosť komponentov. Jedným z najdôležitejších aspektov je kontrola batériového systému, pretože práve batéria zabezpečuje ukladanie energie.

Varovné signály

Aj keď sú moderné rekuperačné systémy veľmi spoľahlivé, môžu sa vyskytnúť určité problémy. Medzi varovné signály patrí znížená účinnosť brzdenia, neobvyklé zvuky pri brzdení alebo varovné svetlá na prístrojovej doske. Ak zaznamenáte akékoľvek zhoršenie výkonu brzdového systému alebo neobvyklé správanie vozidla pri spomaľovaní, neodkladajte odbornú prehliadku. Dodržiavaním týchto zásad a pravidelnou údržbou môžete zabezpečiť, aby rekuperačný systém vášho vozidla fungoval spoľahlivo a efektívne po celú dobu jeho životnosti.

Efektivita rekuperácie v praxi

Účinnosť rekuperácie je závislá od štýlu jazdy, čím plynulejšie jazdíte a menej prudko brzdíte, tým bude jej prínos vyšší. Rekuperáciou dokážete spätne získať cca 30 až 60 % pohybovej energie. V praxi to znamená predĺženie dojazdu o 5 až 25 % (napr. o 10 až 50 km z pôvodných 200 km). Automobilky pri uvádzaní údajov o spotrebe počítajú aj s využívaním rekuperácie.

Vplyv podmienok jazdy

Dojazd a kapacita batérie elektromobilu sú jedny z najdôležitejších parametrov, a rekuperácia hrá kľúčovú úlohu v dojazde a spotrebe. Ak by elektromobily rekuperovať nevedeli, ich dojazd by bol často o 20 - 30 percent kratší.

• Mestská premávka a kopcovité terény: Práve v mestskej premávke s typicky veľkým počtom brzdení je účinok rekuperácie brzdnej energie vo vozidle zreteľný. Úplne opačná situácia ako diaľnica je pri premenlivej rýchlosti - napríklad pri jazde v mestách, v kopcoch či pri rozbehoch s vyššou záťažou (plne naložené auto, prívesný vozík a pod.). V týchto podmienkach síce spotrebúvate omnoho viac energie na rozbeh než pri ustálenej rýchlosti, vďaka rekuperácii však získate omnoho viac energie späť. Čím jemnejšie sa brzdí, tým vyšší je podiel rekuperovanej energie. Skvelým príkladom je horský priechod Čertovica, kde zjazd z vrcholu dokáže elektromobilu pridať aj 3-4 percentá batérie, možno aj viac v závislosti od schopnosti rekuperovať a štýlu jazdy.
• Diaľnice a ustálená rýchlosť: Na diaľniciach a iných cestách pri ustálenej rýchlosti rekuperáciu prakticky nevyužijete.

Štúdie o efektivite

ADAC vykonal štúdiu, ktorej cieľom bolo zistiť, koľko z brzdnej energie dokáže elektromobil zrekuperovať a akú úlohu v tom zohráva jeho hmotnosť. Najdôležitejšou časťou štúdie bolo vyhodnotenie meraní WLTP spoločnosťou Green NCAP.

• Jazda v kopcoch: Pri testovaní jazdy do a z kopca Dacia Spring zrekuperovala 35 percent spotrebovanej energie, ktorú potrebovala na vyjdenie kopca, Tesla 40 % a BMW dokonca 50 percent. Dôvodom, prečo Spring zrekuperoval najmenej, je nízka hmotnosť a výkon motor-generátora (maximálny rekuperačný nabíjací výkon pri jazde z kopca bol len 15,9 kW). Hoci Dacia pri jazde do kopca ponúkne najnižšiu spotrebu, najmenej energie sa pri jazde z kopca vráti do batérie. BMW malo síce spotrebu najvyššiu, no aj najviac zrekuperovalo. Rozhodujúca je samozrejme rovnováha medzi použitou a získanou energiou, čiže výsledná spotreba.
• Bežné podmienky: ADAC vyhodnotil merania z Green NCAP z 19 modelov rôznych výrobcov. Výsledkom je, že dnešné elektromobily dokážu zrekuperovať približne 22 percent energie. To znamená, že vďaka rekuperácii dokážu prejsť na jedno nabitie o 22 percent dlhšiu trasu, ako by dokázali bez nej. Najlepšie dopadlo čínske NIO ET7, ktoré zrekuperovalo až 31 percent energie. Dobre si viedol aj Hyundai IONIQ 6 s 29 percentami, na poslednom mieste je Dacia Spring, ktorá za bežnej jazdy dokáže zrekuperovať len 9 percent.

Vplyv hmotnosti a výkonu

Rozhodujúcimi faktormi pri rekuperácii je rýchlosť a hmotnosť vozidla, ale aj výkon elektrického pohonu, ktorý premieňa brzdnú energiu na elektrickú energiu a ukladá ju. Ideálne by teda bolo, keby do kopca jazdilo auto čo najľahšie a z kopca zase čo najťažšie. To samozrejme v praxi nie je možné. Vyššia hmotnosť je síce pri brzdení výhodná, no pri rozbehu zase spotrebu zvyšuje. Výsledky vo všeobecnosti ukazujú, že ľahšie elektromobily síce spotrebujú pri jazde menej energie, no menej jej aj zrekuperujú. Ťažké sú na tom úplne opačne. Problém vysokej hmotnosti elektromobilov je často relativizovaný, ak zvážime ich potenciál na rekuperáciu, nemusia na tom byť až tak zle.

Optimalizácia využitia rekuperačného brzdenia

Na to, aby ste vyťažili maximum z rekuperačného brzdenia, je dôležité správne nastaviť vozidlo a osvojiť si efektívne techniky brzdenia. V ID. modeloch nie je efektívne a šikovné len spomaľovanie - jazda je tiež celkovo výrazne komfortnejšia. Zvlášť príjemné: ak vodič zloží nohu z pedála akcelerátora, môže vozidlo pred brzdením jemne rolovať v režime plachtenia, bez tlačenia - teda bez brzdného účinku motora - a bez zrýchľovania. Pri predvídavej jazde sa tým rovnako šetrí elektrická energia. V prípade brzdenia sa potom najprv použije rekuperácia.

Nastavenie vozidla

Zväčša je možné silu rekuperácie nastaviť vo viacerých úrovniach, od najsilnejšej po najslabšiu. Mnohé autá umožňujú nastaviť si intenzitu rekuperácie a tým aj brzdný účinok motora. Jemnejšie nastavenie je efektívne najmä na diaľnici, zatiaľ čo agresívnejšie nastavenie môže byť výhodné v mestských podmienkach.

Niektoré najmodernejšie elektroautá využívajú „one-pedal driving“ systém. Ten pri každom zdvihnutí nohy z plynu automaticky auto spomaľuje a regeneruje energiu. Na obnovenie batérie vo vašom vozidle tak používate len jeden pedál. Nové autá dokonca ponúkajú možnosť si intenzitu spomalenia nastaviť.

Mnohé vozidlá ponúkajú rôzne režimy rekuperácie, ako napríklad „ekologický“ pre maximálnu úsporu energie, alebo „štandardný“ pre vyvážené nastavenia. Pri výbere režimu zohľadnite svoje jazdné preferencie a podmienky na ceste. Pri jazde na rôznych typoch terénu je dôležité prispôsobiť nastavenia rekuperácie. Na kopcovitých trasách môže byť efektívne zvoliť agresívnejší režim pre získanie viac energie pri zjazde.

Jazdné techniky

Pre dosiahnutie najlepšej účinnosti je vhodné predvídať dopravnú situáciu a plynule spomaľovať s dostatočným predstihom. Tým umožníte systému čo najviac energie získať späť. Predvídanie dopravnej situácie je kľúčovým aspektom bezpečnej jazdy. Sledujte okolitú premávku a snažte sa predpokladať možné udalosti. Ak vidíte, že vozidlo pred vami spomaľuje, je múdre začať brzdiť už teraz, aby ste zabránili náhlemu brzdeniu. Správne načasovanie brzdenia maximalizuje účinnosť rekuperačného brzdenia. Snažte sa brzdiť plynule a nie náhle. Tým umožníte systému lepšie fungovať. Pri ekonomickom riadení dokážete maximalizovať proces rekuperácie, pretože energiu prenášate plynule a takmer bez strát. Vyhýbajte sa náhlym zmenám rýchlosti.

Vplyv vonkajších podmienok

Počasie a podmienky na cestách majú významný vplyv na účinnosť rekuperačného brzdenia. Vo vlhkých alebo zimných podmienkach sa môže znížiť trenie medzi pneumatikami a vozovkou, čo ovplyvňuje brzdný výkon. V zimnom období, keď sú cesty pokryté snehom alebo ľadom, by ste mali venovať osobitnú pozornosť rekuperačnému brzdeniu, pretože brzdná dráha sa výrazne predlžuje. Pri jazde za daždivého počasia je dôležité byť obozretný a upraviť svoj jazdný štýl. Dážď môže znížiť viditeľnosť a zhoršiť trakciu. Preto by ste mali venovať zvýšenú pozornosť reakciám vozidla a upraviť intenzitu rekuperačného brzdenia.

Časté chyby pri využívaní rekuperácie

Pri snahách optimalizovať proces rekuperácie môžete naraziť na niekoľko častých chýb, ktoré môžu zbytočne znížiť účinnosť rekuperácie:

• Nevhodné brzdné návyky: Príliš náhle a agresívne brzdenie neumožňuje rekuperačným systémom správne fungovať a stráca sa potenciál pre účinnú rekuperáciu energie.
• Preťažovanie rekuperačného systému: Ak je vozidlo neustále zaťažené na maxime, systém nemusí stíhať spracovávať energiu efektívne. Preťažovanie môže viesť nielen k zníženiu efektivity, ale aj k poškodeniu systému. Snažte sa udržiavať optimálnu hmotnosť vozidla.

Rekuperácia v železničnej doprave

Rekuperácia je proces premeny časti kinetickej energie dopravného prostriedku naspäť na využiteľnú energiu pri brzdení. Výhodou rekuperácie je úspora energie a zníženie strát, pretože sa energia spotrebovaná na uvedenie vozidla do pohybu čiastočne získava späť. Úspora sa prejavuje v mestskej a prímestskej doprave, alebo pri posune na železnici, kedy dochádza často k zastaveniu a rozbehu vozidla a okrem toho je jednoduché získanú energiu okamžite využiť.

Elektrodynamicky sú brzdené iba hnané nápravy spojené s trakčným elektromotorom, napríklad lokomotívy. Problémom je nutnosť získanú energiu uložiť alebo okamžite spracovať ďalej. Z prevádzkového hľadiska je najjednoduchšie energiu uložiť do akumulátorov a potom ju použiť napríklad pri opätovnom rozbehu, toto riešenie však vyžaduje akumulátorové batérie, ktoré výrazne zvyšujú hmotnosť vozidla a majú obmedzenú kapacitu. Ďalším riešením je energiu vrátiť späť do trakčnej siete prostredníctvom trolejového vedenia alebo prostredníctvom napájacej koľajnice. V určitých prípadoch sa táto energia vracia do elektrickej rozvodnej siete prostredníctvom polovodičových meničov.

Na tratiach ŽSR nebola rekuperácia dlho dovolená. Podľa údajov z roku 2015 však bolo spustenie rekuperácie na oboch systémoch AC/DC do bežnej prevádzky v štádiu riešenia a prípravy.

Budúcnosť rekuperácie energie

Vyhliadky na rekuperáciu energie v automobilovom sektore sú veľmi perspektívne. Očakáva sa, že v nadchádzajúcich rokoch sa technológie zefektívnia s ešte väčším dôrazom na obnoviteľné zdroje energie a platformy pre elektrifikáciu vozidiel. Inovácie v oblasti batérií, ako sú solid-state batérie, ponúkajú väčšiu kapacitu a bezpečnosť, čo môže zlepšiť výkon rekuperácie. Ďalším dôležitým trendom je integrované riadenie energie, ktoré využíva umelú inteligenciu na optimalizáciu energetických tokov v reálnom čase.

tags: #rekuperacia #prudu #princip