Forskn. & Utveckling
Introduktion
Mekanisk konstruktion
Elektronik-konstruktion
Provning
Tekniska artiklar
Broschyrer
Länkar
Projekt KEPS
Bakgrund
KERS
Superkondensator
Nyheter
Välkommen att ta en personlig kontakt med oss på STT Emtec
Skriv ut sida

KERS

Bromsenergiåterviningssystem

Allmänt

När ett fordon retarderar konverteras en stor del av den kinetiska energin till värme i fordonets friktionsbromsar. I ett bromsenergiåtervinningssystem lagras den kinetiska energin under retardation och kan på så sätt användas senare vid acceleration.
Bromsenergiåtervinningssystem är ett välkänt koncept inom fordonsindustrin och användes redan 1894 i den så kallade Krieger electric landaulet, som var en hästvagn konverterat med elektrisk drift på framhjulen med bifilära spolar som möjliggjorde regenerativ bromsverkan.

Det finns idag flera olika koncept för att återvinna bromsenergi i fordon, vissa av dessa har redan nått ut på marknaden medan andra är på väg. Den vanligaste tillämpningen är elektrisk och baseras på att fordonets befintliga generator regleras så att den utnyttjar sin fulla kapacitet när fordonet retarderas under motorbroms, på så vis ger generatorn upphov till ytterligare retardationskraft samtidigt som batteriet laddas lite mer än vanligt. Ett sådant system tar tillvara på en mycket liten del av den potentiella energiåtervinningen, eftersom bilbatterier i regel har låg effekttäthet och kan därmed inte lagra energin under det korta tidsintervall som inbromsningen sker. Vissa koncept använder sig av mer avancerade batterier eller SC i kombination med kraftfulla generatorer och elmotorer monterade i fordonets drivlina, med en möjlig teoretisk bränslebesparing på upp till 25% i stadstrafik.
Ett annat koncept är att återvinna rörelseenergin med hjälp av svänghjulsteknologi, på så vis slipper man omvandla rörelseenergin till elektrisk- och sedan kemisk- energi för lagring. Denna teknologi har tidigare endast använts i motorsportsammanhang men utvecklas idag även för produktionsfordon. Svänghjulsteknologin är ett slagkraftigt koncept då avancerade batterier och SC är stora, tunga och mycket dyra.

 

Det är idag naturligtvis svårt att säga vilket typ av system som kommer att vara dominerande i framtiden då olika system har olika för och nackdelar. Nedan presenteras olika typer av bromsenergiåtervinningssystem.

 

Koncept

Det finns ett flertal aspekter som är viktiga att tänka på vid bromsenergiåtervinning. En av de främsta är fordonets bromsbalans. Bromsenergiåtervinningssystemet måste sitta monterat på ett sådant sätt att fordonets bromsbalans, och därmed säkerhet vid inbromsning, inte förändras vid full regenerativ retardation. Vikt, volym och flexibilitet är tre andra viktiga aspekter för att fordonet i första hand ska rymma systemet, men också för att systemet ska kunna monteras enkelt och där det är mest gynnsamt, detta är speciellt viktigt när vi pratar om ett eftermonterbart system. Ett flexibelt bromsenergiåtervinningssystem skulle också kunna vidareutvecklas för användning på diverse arbetsfordon för att ta tillvara på både rörelseenergi och eventuell potentiell energi. Exempelvis vid lastsänkning för truckar, kranbilar eller hjullastare. Om systemen är integrerade med varandra kan den potentiella energin från en lastsänkning användas för att accelerera fordonet eller tvärt om.

Det finns olika typer av KERS, exempelvis elektrisk KERS, svänghjuls-KERS och pneumatisk KERS. Dessa system skiljer sig inte bara i energilagringseneheten utan också i kraftöverföringen mellan energilagringsenhet och fordonets drivhjul. 

Svänghjulsteknologi i bromsenergiåtervinningssystem
I svänghjuls-KERS lagras rörelseenergin i ett svänghjul. Detta kan ske med hjälp av en växellåda som är integrerad med fordonets drivlina och spinner upp eller bromsar svänghjulet med retardation respektive acceleration av fordonet som följd. Svänghjulsteknologin har en systemeffektivitet på ca 70% med kontinuerligt variabel transmission. Energilagringskapaciteten är förhållandevis hög då den förhåller sig i kvadrat till både rotationshastighet och svänghjulsradie samt följer svänghjulets massa linjärt. Ett svänghjul går att spinna upp och bromsa mycket snabbt vilket resulterar i att effekttätheten också har möjlighet till av vara stor.

Svänghjulsteknologin innehåller dock många mekaniskt rörliga delar och är fortfarande i sin barndom så vetskap om livslängd i den tuffa fordonsmiljön är ännu oskrivet. Dagens presenterade svänghjulsteknologi har rotationshastigheter upp till 60.000 varv per minut i vakuumkammare. Det ställer extrema krav på lager och den avancerade transmissionen, samtidigt som de höga rotationshastigheterna ger upphov till friktionsvärme motsvarande en energiförlust på 2% per minut av den totalt lagrade energin. De gyroskopiska krafterna relaterade till svänghjul sätter begränsningar i både energilagringskapacitet och effekttäthet, dessa är i dagsläget små för mindre system men bör beaktas i större applikationer för att inte påverka fordonets köregenskaper negativt.

Svänghjulsteknologin lämpar sig bra för applikationer där man vill lagra och återge enbart rörelseenergi till och från fordonets drivaxlar. Om rörelseenergin ska användas till andra energiförbrukare i fordonet behövs ytterligare komponenter.

Pneumatiskbromsenergiåtervinning
Pneumatisk KERS använder sig av en motor som kan generera tryckluft vid retardation (motorbroms). Den komprimerade luften lagras i trycktankar och kan sedan användas för att driva motorn. Lagring av bromsenergi i form av komprimerad luft kräver i första hand förhållandevis stora trycktankar och/eller mycket höga tryck. Vid komprimeringen bildas en ansenlig mängd värme som är svår att hålla kvar och systemet blir således ganska ineffektivt. Denna typ av system är fortfarande på ett mycket tidigt stadium och publikationer om funktion, effektivitet och livslängd är sällsynta eller obefintliga.

Elektriska bromsenergiåtervinningssystem
Eldrift och att omvandla rörelseenergi till elektrisk energi är en mycket etablerad teknologi som idag finns överallt, du hittar generatorer och elmotorer i allt från hemelektronik och fordon till kraftverk och stora industrier. Teknologin är robust, beprövad, effektiv och billig.
Elektrisk KERS använder sig av generatorer och elmotorer anslutna till fordonets drivlina, antingen helt integrerade eller eftermonterade och anslutna via remdrift eller liknande. Energin lagras elektrokemiskt i ett batteri eller elektrostatiskt i en SC. Ett elektriskt bromenergiåtervinningssystem är flexibelt i den mån att elmotorer och generatorer kan vara samma enhet och behöver inte vara placerade intill energilagringsenheten. På så sätt kan enheterna placeras där det är som mest gynnsamt. Med ett elektriskt bromsenergiåtervinningssystem är det enkelt att reglera kraftöverföringen och flera generatorer och elmotorer kan användas tillsammans med en energilagringsenhet. Den lagrade energin kan användas till fordonets samtliga elenergiförbrukare eller till att ladda batteriet och inte bara till att accelerera fordonet. Problemet med dagens elektriska energilagrare, i bromsenergiåtervinningssynpunkt, är att de har låg effekttäthet. Det finns idag avancerade energilagrare kommersiellt som passar applikationen, men dessa är fortfarande mycket dyra. Våra pappersbaserade SC har möjlighet att bli mycket billiga och ha hög prestanda vilket skulle passa applikationen utmärkt. 

 

SC-teknologi i bromsenergiåtervinningssystem.
Elmotorer och generatorer tillsammans med en SC bildar ett mycket effektivt system. SC har hög effekttäthet och kan laddas i och ur med en effektivitet på över 95 %. På marknaden idag finns det elmotorer passande applikationen med effektivitet på över 90 % vilket ger en total systemeffektivitet med SC på ca 80%, vilket är jämförbart (eller till och med bättre) än svänghjulsteknologi. SC har lång livslängd, är lätt att integrera med fordonets befintliga elsystem och dess utformning är mycket flexibel vilket gör det enkelt att placera SC i fordonet.

SC har givetvis också nackdelar, en av dessa är den förhållandevis låga energitätheten som medför höga vikter och volymer vid stora lagringskapaciteter. En annan negativ aspekt är att alla SC har en viss läckström som resulterar i att den lagrade energin i kondensatorn långsamt avtar även om den inte används. Balanseringen av celler kan också vara ett problem. Trots dessa negativa aspekter är eldrift i sig en mogen teknik med många aktörer. All hårdvara, inklusive SC, är beprövad och massproduceras redan kommersiell vilket ger ett stort utbud av komponenter till lågt pris. Det är endast SC som idag fortfarande är dyr och det problemet har vi en potentiell miljövänlig lösning på.

 

 
© STT Emtec AB, Box 46, 862 02 Njurunda    Tel 060 64 10 40   info@sttemtec.com
Besöksadress: Njurundavägen 16, 862 40 Njurunda