Hamowanie rekuperacyjne w ekotransporcie – jak pojazdy elektryczne odzyskują energię?

Jedną z największych różnic pomiędzy tradycyjnym pojazdem spalinowym a napędem elektrycznym jest sposób wykorzystania energii podczas zwalniania. W klasycznym układzie hamulcowym energia ruchu pojazdu jest przede wszystkim zamieniana w ciepło i rozpraszana przez elementy cierne. W pojeździe elektrycznym część tej energii może zostać ponownie wykorzystana.

Umożliwia to hamowanie rekuperacyjne, nazywane również hamowaniem regeneracyjnym lub odzyskiem energii podczas hamowania. W odpowiednio zaprojektowanym układzie silnik elektryczny może podczas zwalniania zmienić swoją funkcję i zacząć pracować jako generator. Energia, która w innym przypadku zostałaby utracona, może wtedy zostać przekształcona w energię elektryczną i skierowana z powrotem do akumulatora.

Rozwiązanie to jest szczególnie interesujące z punktu widzenia ekotransportu, ponieważ pozwala efektywniej wykorzystywać energię już zgromadzoną w pojeździe. Nie oznacza jednak, że pojazd elektryczny może odzyskać całą energię zużytą wcześniej na rozpędzenie. Procesowi zawsze towarzyszą straty, a skuteczność rekuperacji zależy od wielu czynników.

Jak dokładnie działa hamowanie regeneracyjne, kiedy przynosi największe korzyści i dlaczego czasami system odzysku energii jest ograniczony?

Czym jest hamowanie rekuperacyjne?

Każdy poruszający się pojazd posiada energię kinetyczną. Im większa jego masa i prędkość, tym więcej energii zgromadzone jest w ruchu.

Aby samochód, rower elektryczny, skuter czy inny pojazd zwolnił, energia ta musi zostać w jakiś sposób odebrana.

W tradycyjnym układzie hamulcowym klocki dociskają tarczę lub inny element cierny. Powstające tarcie powoduje zmniejszenie prędkości, a energia kinetyczna jest zamieniana przede wszystkim w ciepło.

Podczas hamowania rekuperacyjnego część procesu wygląda inaczej.

Koła napędzają silnik elektryczny, a układ sterujący powoduje, że zaczyna on działać jako generator. Zamiast pobierać energię elektryczną i zamieniać ją na ruch, wykonuje proces odwrotny – wykorzystuje ruch pojazdu do wytwarzania energii elektrycznej.

Powstaje przy tym moment przeciwny do kierunku obrotu kół, dzięki czemu pojazd zaczyna zwalniać.

Wytworzona energia może następnie zostać skierowana przez sterownik do akumulatora.

Silnik elektryczny jako generator – jak to możliwe?

To jedna z najciekawszych właściwości napędu elektrycznego.

Podczas normalnej jazdy energia przepływa w uproszczeniu w następującym kierunku:

akumulator → sterownik → silnik → koła

Akumulator dostarcza energię elektryczną. Sterownik reguluje pracę silnika, a silnik zamienia energię elektryczną na mechaniczną i wprawia pojazd w ruch.

Podczas rekuperacji kierunek przepływu części energii zostaje odwrócony:

koła → silnik → sterownik → akumulator

Poruszający się pojazd wymusza obrót silnika. Silnik wytwarza energię elektryczną, sterownik odpowiednio nią zarządza, a bateria może zostać częściowo doładowana.

Nie każdy napęd umożliwia jednak taki proces. Silnik, sterownik i akumulator muszą być przystosowane do pracy z odzyskiem energii.

Dlaczego nie można odzyskać całej energii?

Na pierwszy rzut oka rekuperacja może wydawać się niemal idealnym rozwiązaniem: energia służy do rozpędzenia pojazdu, a podczas hamowania wraca do baterii.

W rzeczywistości nie da się odzyskać jej w całości.

Straty występują na wielu etapach.

Podczas przyspieszania część energii zostaje utracona w:

• akumulatorze,
• przewodach,
• sterowniku,
• silniku,
• elementach mechanicznych.

Podczas hamowania energia ponownie przechodzi przez silnik, elektronikę i akumulator, a każdy z tych elementów ma określoną sprawność.

Dodatkowo podczas jazdy energia jest zużywana na:

• pokonywanie oporu powietrza,
• opory toczenia opon,
• pokonywanie wzniesień,
• tarcie mechaniczne.

Energia przeznaczona na pokonanie oporów aerodynamicznych nie „wraca” podczas hamowania. Została już rozproszona w otoczeniu.

Dlatego rekuperacja jest sposobem na odzyskanie części energii, a nie mechanizmem umożliwiającym jazdę bez strat.

Kiedy hamowanie rekuperacyjne daje największe korzyści?

Najwięcej możliwości odzysku pojawia się tam, gdzie pojazd często przyspiesza i zwalnia.

Dobrym przykładem jest jazda miejska.

Samochód, skuter czy rower elektryczny:

• rusza ze skrzyżowania,
• rozpędza się,
• zwalnia przed kolejnymi światłami,
• ponownie przyspiesza,
• hamuje przed przejściem dla pieszych,
• zwalnia w ruchu ulicznym.

Każde takie hamowanie może stanowić okazję do odzyskania części energii.

Dlatego rekuperacja jest szczególnie wartościowa w pojazdach użytkowanych w:

• miastach,
• ruchu dostawczym,
• transporcie lokalnym,
• komunikacji miejskiej,
• trasach o dużej liczbie zmian prędkości.

Inaczej wygląda sytuacja podczas długiej jazdy ze stałą prędkością po płaskiej drodze. Jeżeli pojazd przez kilkadziesiąt kilometrów praktycznie nie hamuje, możliwości odzysku energii są znacznie mniejsze.

Rekuperacja podczas zjazdu ze wzniesienia

Bardzo korzystnym momentem do wykorzystania hamowania regeneracyjnego jest zjazd.

Podczas wjazdu pod górę pojazd zużywa energię, aby zwiększyć swoją energię potencjalną. Podczas zjazdu grawitacja zaczyna przyspieszać pojazd.

Jeżeli konieczne jest ograniczenie prędkości, zamiast zamieniać całą energię na ciepło w hamulcach ciernych można część skierować do akumulatora.

Ma to dwie potencjalne korzyści:

1. część energii zostaje odzyskana,
2. zmniejsza się obciążenie klasycznych hamulców.

W pojazdach regularnie poruszających się po terenie pagórkowatym może mieć to szczególne znaczenie.

Nie oznacza to jednak, że zjazd „zwróci” całą energię potrzebną wcześniej do podjazdu. Straty aerodynamiczne, opory toczenia oraz sprawność układu powodują, że odzysk zawsze będzie mniejszy.

Jaką rolę pełni sterownik?

Silnik nie decyduje samodzielnie o sposobie odzyskiwania energii.

Jednym z najważniejszych elementów całego procesu jest sterownik silnika elektrycznego.

Podczas normalnej jazdy kontroluje on przepływ energii z akumulatora do silnika.

Podczas rekuperacji musi umożliwić przepływ w przeciwnym kierunku i kontrolować parametry wytwarzanej energii.

Sterownik może również odpowiadać za:

• siłę hamowania regeneracyjnego,
• maksymalny prąd ładowania podczas rekuperacji,
• moment rozpoczęcia odzysku energii,
• współpracę rekuperacji z hamulcem mechanicznym,
• ochronę silnika i akumulatora.

W programowalnych systemach możliwe jest dostosowanie charakterystyki hamowania do konkretnego pojazdu oraz oczekiwań użytkownika.

Czy mocniejsza rekuperacja zawsze jest lepsza?

Niekoniecznie.

Bardzo intensywne hamowanie regeneracyjne może odzyskiwać więcej energii podczas konkretnego zwolnienia, ale jednocześnie wpływa na komfort i sposób prowadzenia pojazdu.

W niektórych pojazdach po zdjęciu nogi z pedału przyspieszenia lub zwolnieniu manetki pojawia się wyraźne hamowanie silnikiem. W innych reakcja jest znacznie łagodniejsza i pojazd dłużej się toczy.

Właściwe ustawienie zależy od:

• typu pojazdu,
• jego masy,
• przyczepności,
• napędzanej osi,
• warunków drogowych,
• preferencji użytkownika.

W rowerze elektrycznym bardzo agresywna rekuperacja może być mało komfortowa, podczas gdy w cięższym pojeździe może być bardzo użyteczna.

Nie należy więc oceniać systemu wyłącznie na podstawie tego, jak mocno zwalnia po puszczeniu przyspieszenia.

Rola akumulatora w hamowaniu rekuperacyjnym

Energia odzyskiwana podczas hamowania musi zostać gdzieś zmagazynowana.

Najczęściej trafia do tego samego akumulatora, który zasila napęd.

Bateria musi jednak być zdolna do przyjęcia prądu generowanego podczas hamowania.

Znaczenie mają między innymi:

• typ ogniw,
• aktualny poziom naładowania,
• temperatura,
• możliwości BMS,
• dopuszczalny prąd ładowania.

Jeżeli parametry nie pozwalają na bezpieczne przyjęcie energii, system może ograniczyć rekuperację.

Dlaczego pełny akumulator może ograniczać odzysk energii?

Wyobraźmy sobie pojazd, którego bateria została właśnie naładowana do maksymalnego dopuszczalnego poziomu.

Jeżeli od razu rozpocznie długi zjazd i uruchomi silne hamowanie regeneracyjne, system chciałby skierować dodatkową energię do baterii.

Problem polega na tym, że w pełnym akumulatorze może po prostu brakować miejsca na jej przyjęcie.

Dlatego niektóre pojazdy ograniczają wtedy siłę rekuperacji lub chwilowo ją wyłączają.

Użytkownik może zauważyć, że pojazd po pełnym ładowaniu słabiej zwalnia po puszczeniu pedału przyspieszenia niż później, gdy poziom baterii nieco się obniży.

Jest to normalny sposób ochrony akumulatora.

Temperatura również ma znaczenie

Baterie litowe mają określony zakres temperatur, w którym mogą efektywnie przyjmować energię.

Przy bardzo niskiej temperaturze możliwości ładowania mogą zostać ograniczone.

Dotyczy to również rekuperacji.

Jeżeli zimny akumulator nie może bezpiecznie przyjąć dużego prądu, system sterowania może zmniejszyć odzysk energii.

Dlatego zimą zachowanie pojazdu elektrycznego może różnić się od tego obserwowanego latem.

Po rozgrzaniu baterii możliwości systemu mogą wrócić do normalnego poziomu.

BMS a odzysk energii

BMS, czyli Battery Management System, odpowiada za nadzorowanie wielu parametrów akumulatora.

Kontroluje między innymi napięcia sekcji ogniw, temperaturę oraz prądy ładowania i rozładowania.

Podczas rekuperacji BMS musi dopuścić energię wracającą do baterii.

Jeżeli któryś z parametrów przekracza dopuszczalny zakres, system może ograniczyć lub przerwać ładowanie.

Dlatego przy projektowaniu własnego pojazdu elektrycznego nie wystarczy dobrać silnika umożliwiającego rekuperację.

Trzeba również upewnić się, że:

• sterownik obsługuje odzysk energii,
• bateria może przyjąć wymagany prąd,
• BMS jest odpowiednio dobrany,
• cały system pracuje w zgodnym zakresie napięć.

Rekuperacja a tradycyjne hamulce

Hamowanie regeneracyjne nie oznacza, że pojazd elektryczny nie potrzebuje klasycznego układu hamulcowego.

Hamulce cierne nadal są konieczne.

Rekuperacja może być ograniczona, gdy:

• bateria jest pełna,
• akumulator jest zbyt zimny,
• prędkość jest bardzo niska,
• wymagane jest gwałtowne hamowanie,
• system elektryczny nie może przyjąć większej mocy.

W takiej sytuacji pojazd musi wykorzystać hamulce mechaniczne.

W nowoczesnych systemach oba rodzaje hamowania mogą ze sobą współpracować.

Podczas łagodnego zwalniania większą część pracy może wykonywać silnik elektryczny, natomiast przy mocniejszym naciśnięciu hamulca dołączony jest układ cierny.

Czy rekuperacja zmniejsza zużycie klocków i tarcz?

Tak, może znacząco zmniejszyć częstotliwość korzystania z hamulców ciernych podczas normalnej jazdy.

Jeżeli część codziennego zwalniania odbywa się przy pomocy silnika, klocki i tarcze wykonują mniej pracy.

Może to ograniczać ich zużycie.

Nie oznacza to jednak, że można przestać kontrolować stan tradycyjnego układu hamulcowego.

Paradoksalnie rzadko używane hamulce mechaniczne również wymagają regularnej kontroli. Wilgoć, korozja i zanieczyszczenia mogą wpływać na ich stan nawet wtedy, gdy klocki zużywają się bardzo wolno.

Rekuperacja uzupełnia więc klasyczne hamulce, a nie zastępuje ich w zakresie bezpieczeństwa.

One-pedal driving – jazda jednym pedałem

W samochodach elektrycznych coraz częściej spotyka się funkcję określaną jako one-pedal driving.

Polega ona na tym, że kierowca w dużej mierze kontroluje zarówno przyspieszenie, jak i zwalnianie za pomocą pedału przyspieszenia.

Po jego naciśnięciu samochód przyspiesza.

Po częściowym odpuszczeniu zaczyna zwalniać dzięki rekuperacji.

Po całkowitym puszczeniu pedału w niektórych systemach hamowanie może być na tyle intensywne, że samochód prawie całkowicie się zatrzymuje.

Takie rozwiązanie może ograniczać konieczność częstego przenoszenia nogi na pedał hamulca w ruchu miejskim.

Wymaga jednak przyzwyczajenia, ponieważ charakterystyka jazdy różni się od samochodu spalinowego.

Hamowanie rekuperacyjne w rowerze elektrycznym

Rekuperacja może być stosowana również w rowerach elektrycznych, jednak nie każdy rodzaj napędu umożliwia jej wykorzystanie.

Szczególnie dobrze nadają się do tego niektóre silniki bezpośrednio napędzające koło.

Podczas hamowania koło może napędzać silnik, który zaczyna działać jak generator.

W rowerze ilość energii możliwej do odzyskania jest zazwyczaj mniejsza niż w ciężkim samochodzie elektrycznym.

Wynika to między innymi ze znacznie niższej masy pojazdu i użytkownika.

Mimo to rekuperacja może być przydatna szczególnie podczas:

• częstych zjazdów,
• jazdy w terenie pagórkowatym,
• intensywnej jazdy miejskiej,
• korzystania z cięższego roweru cargo.

Może również ograniczać zużycie hamulców mechanicznych podczas długich zjazdów.

Rekuperacja w skuterach i motocyklach elektrycznych

W cięższych jednośladach potencjał odzysku energii jest większy niż w typowym rowerze.

Większa masa i wyższe prędkości oznaczają większą ilość energii kinetycznej.

System może być skonfigurowany tak, aby hamowanie regeneracyjne uruchamia się:

• po puszczeniu manetki,
• po naciśnięciu klamki hamulca,
• po spełnieniu określonych warunków przez sterownik.

Ważne jest jednak odpowiednie dostosowanie siły hamowania.

Zbyt gwałtowna reakcja może negatywnie wpływać na stabilność jednośladu, szczególnie na śliskiej nawierzchni.

Pojazdy dostawcze i ekotransport miejski

Hamowanie rekuperacyjne ma szczególnie dużo sensu w pojazdach, które przez cały dzień wykonują dużą liczbę krótkich przejazdów.

Przykładem mogą być:

• elektryczne pojazdy dostawcze,
• wózki transportowe,
• pojazdy komunalne,
• autobusy elektryczne,
• niewielkie pojazdy miejskie.

Częste zatrzymywanie i ponowne ruszanie oznacza dużą liczbę okazji do odzyskania energii.

Właśnie dlatego rekuperacja jest jednym z rozwiązań dobrze wpisujących się w ideę efektywnego eko transportu miejskiego.

Czy rekuperacja zawsze zwiększa zasięg?

Może zwiększyć ilość energii dostępnej do dalszej jazdy, ale jej wpływ na zasięg zależy od warunków.

Największych korzyści można oczekiwać tam, gdzie pojazd:

• często hamuje,
• porusza się po mieście,
• pokonuje teren o dużych różnicach wysokości,
• ma stosunkowo dużą masę.

Mniejszy wpływ występuje podczas jednostajnej jazdy po płaskiej trasie.

Dlatego nie powinno się oceniać jakości systemu wyłącznie na podstawie deklaracji dotyczącej procentowego wzrostu zasięgu.

Znacznie ważniejsze jest to, jak rekuperacja współpracuje z całym układem napędowym.

Styl jazdy a skuteczność rekuperacji

Sposób prowadzenia pojazdu może mieć duży wpływ na bilans energetyczny.

Jeżeli kierowca gwałtownie przyspiesza, a chwilę później intensywnie hamuje, część energii zostanie odzyskana, ale cały proces nadal generuje straty.

Bardziej efektywne jest przewidywanie sytuacji na drodze.

Wczesne zdjęcie nogi z przyspieszenia i łagodne wykorzystanie rekuperacji może pozwolić ograniczyć zużycie energii i jednocześnie zmniejszyć konieczność używania hamulców ciernych.

Najbardziej energooszczędna jazda nie polega więc na tym, aby jak najwięcej hamować rekuperacyjnie.

Jeszcze lepiej jest niepotrzebnie nie rozpędzać pojazdu, jeśli za chwilę i tak trzeba będzie zwolnić.

Czy można zwiększyć siłę rekuperacji poprzez zmianę sterownika?

W programowalnych układach możliwe może być dostosowanie parametrów hamowania regeneracyjnego.

Nie powinno się jednak zwiększać ich bez analizy całego systemu.

Większy prąd odzysku oznacza większe wymagania wobec:

• silnika,
• sterownika,
• akumulatora,
• BMS,
• przewodów.

Bateria musi być zdolna bezpiecznie przyjąć taką energię.

Nieprawidłowa konfiguracja może powodować przeciążenie systemu albo częste interwencje zabezpieczeń.

Dlatego parametry rekuperacji powinny być dobierane razem z pozostałymi ustawieniami napędu.

Najczęstsze mity dotyczące hamowania rekuperacyjnego

„Rekuperacja odzyskuje całą energię hamowania”

Nie. Część energii jest tracona w silniku, sterowniku, baterii oraz pozostałych elementach.

„Im mocniejsza rekuperacja, tym większy zasięg”

Nie zawsze. Ważny jest cały styl jazdy i charakter trasy.

„Pojazd z rekuperacją nie potrzebuje zwykłych hamulców”

Nieprawda. Układ cierny pozostaje podstawowym elementem bezpieczeństwa.

„Każdy silnik elektryczny może odzyskiwać energię”

Możliwość rekuperacji zależy od konstrukcji całego napędu oraz sterownika.

„Pełny akumulator przyjmie energię z hamowania”

Niekoniecznie. System może ograniczyć rekuperację, gdy bateria jest blisko maksymalnego poziomu naładowania.

Hamowanie rekuperacyjne a przyszłość ekotransportu

Rozwój elektromobilności nie polega wyłącznie na zwiększaniu pojemności baterii.

Równie ważne jest efektywne wykorzystywanie energii, która już znajduje się w pojeździe.

Hamowanie regeneracyjne jest dobrym przykładem takiego podejścia.

Pozwala wykorzystać energię, która w tradycyjnym układzie zostałaby w dużej mierze rozproszona w postaci ciepła.

W połączeniu z:

• sprawnym silnikiem,
• właściwie dobranym sterownikiem,
• nowoczesnym akumulatorem,
• odpowiednim BMS,
• rozsądną strategią sterowania,

rekuperacja może stać się ważnym elementem efektywnego napędu elektrycznego.

Miromax wykorzystuje funkcję hamowania regeneracyjnego również w części oferowanych zestawów do elektryfikacji, w których podczas zwalniania energia może być generowana przez napęd i kierowana do akumulatora.

Podsumowanie

Hamowanie rekuperacyjne w ekotransporcie pozwala odzyskać część energii kinetycznej pojazdu podczas zwalniania.

W tradycyjnym hamulcu energia ruchu zamieniana jest przede wszystkim w ciepło. W odpowiednio zaprojektowanym napędzie elektrycznym silnik może podczas hamowania działać jako generator, a wytworzona energia elektryczna może zostać skierowana z powrotem do akumulatora.

Największy potencjał rekuperacji pojawia się podczas:

• jazdy miejskiej,
• częstego zatrzymywania i ruszania,
• długich zjazdów,
• użytkowania cięższych pojazdów.

Rzeczywisty odzysk zależy jednak od całego systemu. Znaczenie mają silnik, sterownik, poziom naładowania baterii, BMS, temperatura oraz styl jazdy.

Rekuperacja nie zastępuje klasycznych hamulców i nie umożliwia odzyskania całej energii zużytej wcześniej na rozpędzenie pojazdu. Jest natomiast skutecznym sposobem na ograniczenie części strat i lepsze wykorzystanie energii dostępnej w pojeździe.

Właśnie dlatego technologia ta dobrze wpisuje się w rozwój nowoczesnego ekotransportu. Nie chodzi jedynie o zastąpienie silnika spalinowego elektrycznym, ale o stworzenie całego układu napędowego, który możliwie efektywnie zarządza energią na każdym etapie jazdy – również wtedy, gdy pojazd zwalnia.

---

Powrót