Hibridna vozila

Činjenica je da svaki proizvođač ima svoje posebnosti u implementaciji hibridnih sistema, ali su osnovni operativni principi u suštini isti. Ključni momenat, kada je u pitanju prednost hibrida što se štedljivosti tiče, je rekuperacija kinetičke energije, koja se u normalnim uslovima rasipa (toplotna energija) prilikom kočenja. U ovom slučaju se ona skladišti da bi po potrebi ta energija bila upotrebljena za pogon. Ovo je poznato kao „regenerativno kočenje“, a koji su aspekti primene ove tehnologije kada govorimo o čisto električnom pogonu i produžavanju autonomije, pokušaćemo da objasnimo u nastavku.

Konvencionalna vozila koriste hidraulični pritisak da bi se sila prenela na kočnice, odnosno diskove i doboše. Taj pritisak generiše vozač primenom sile na kočionu pedalu, a on se obično reguliše pojačivačem vakuuma. Sila usporavanja je na taj način u proporciji sa silom pritiska na papučicu kočnice. Cilj elektro-hidrauličnog sistema na hibridnim vozilima je da zadrži ovaj odnos između usporavanja vozila i pritiska na pedalu. Održavanje ovog odnosa zahteva svojevrsan „miks“ kočenja putem hidrauličnog trenja i regenerativnog kočenja. Tu dolazi do „problema“. Zašto?

Ovi sistemi koriste izvestan broj dodatnih senzora da odrede šta to vozač zapravo želi, odnosno koliko intenzivno on namerava da koči, i tada sistemi regenerativnog i konvencionalnog kočenja stupaju na snagu. Tipičan slučaj je kada pozicija papučice kočnice i senzor koji očitava silu zajedno „otkrivaju“ nameru vozača i kalkulišu željeni stepen usporavanja. Na primer, ukoliko vozač pritisne papučicu do pola, to bi trebalo da bude ostvarivanje kočione sile od 0,5 g. Ta vrednost se konvertuje u željenu količinu kočione sile , ili tačnije, rotacione sile.

U isto vreme, sistem očitava brzinu točka, putem senzora koji se takođe upotrebljavaju za ABS. Ova informacija se koristi da se odredi tip površine na kojoj se vozilo kreće, uključujući led, sneg, šljaku ili asfalt. Brzina okretanja točka omogućava očitavanje brojnih podataka u vezi sa površinom puta, ali taj metod baš i nije savršen.

Ukoliko želja vozača za intenzitetom usporavanja prevazilazi mogućnosti puta, ukupna kočiona sila je redukovana na onaj stepen koji je realno maksimalno ostvariv. Na primer, ukoliko se automobil nalazi na putu pokrivenim snegom, maksimalno usporenje je samo 0,3 g, tako da ukupna primenjena kočiona sila treba da bude redukovana u skladu sa tim. Kada je detektovana namera vozača, kao i priroda vozne površine, sistem određuje koliko će hidrauličnog pritiska biti primenjeno na kočnice, i koliko će regenerativne energije poslati u baterije.

Iz razloga što ovde govorimo o hibridnim vozilima, kojima je štedljivost prioritet, sistemi će uvek pokušavati da ostvare što veću količinu regenerativne energije, u onoj meri u kojoj je to moguće. Sa nikl metal hibridnim baterijama koje se upotrebljavaju u aktuelnim hibridima, količina regenerativnog kočenja se limitira na 0,3 g zbog stope kojom baterije mogu da apsorbuju energiju. Apsorpciju energije ograničava i stanje napunjenosti baterija. Ukoliko su baterije potpuno napunjene, regeneracija nije moguća.

Količina kočionog obrtnog momenta koju isporučuje regeneracija se prilično neposredno izračunava, i direktno je proporcionalna naponskom odzivu iz generatora. Kontrolni sistem oduzima regenerativni obrtni moment iz ukupnog željenog kočionog obrtnog momenta. Ostatak obrtnog momenta sprovodi hidraulični sistem. Tu stvari postaju zaista komplikovane.

U ovakvim elektro-hidrauličnim sistemima, količina pritiska na konvencionalne kočnice je polu-zavisna od vozačevog zahteva. Da bi se to kontrolisalo, sistem mora imati matematički model odnosa pritiska i obrtnog momenta za kočnice. Hidraulične kočnice imaju mnoge prednosti. One su veoma efikasne u smislu isporučivanja visokog kočionog obrtnog momenta u cilju zaustavljanja vozila. One su takođe relativno jeftine, i generalno veoma pouzdane. Ipak, iz razloga što se oslanjaju na pritisak materijala sa obrtnom površinom u cilju ostvarivanja trenja, njihove fizičke karakteristike se menjaju vremenom, a ponekad za vrlo kratko vreme.

Ne smemo zaboraviti da zakon o očuvanju energije govori da energija ne može biti stvorena ili uništena, već samo transformisana. Osnovna premisa od koje polazimo kada govorimo o kočenju je kinetička energija vozila koja se konvertuje u toplotnu energiju putem kočnica. Kako vozilo usporava, trenje izaziva grejanje materijala, a odnos između pritiska na papučicu i kočione sile se menja. Ostali faktori takođe utiču na promenu ovog odnosa, uključujući vlagu i istrošenost diskova i kočionih pločica.

Kontrolni softver mora imati inkorporirane adaptivne kontrolne algoritme da bi pomogao kompenzaciji ovih promena, ali baš kao što ni procene u vezi sa voznom površinom nisu savršene, tako ni oni nisu savršeni. Inženjeri koji rade na kočionim sistemima su sproveli hiljade sati testiranja i razvoja ovih algoritama, da bi ih učinili „robusnijim“ i to je jedan od glavnih faktora koji su zapravo produžili dolazak hibridnih automobila na tržište.

U onom trenutku kada se odredi željena kočiona sila, hidraulična kontrolna jedinica pokušava da popuni „prazninu“ između ukupne i regenerativne sile. Jedna od loših strana regeneracije je ta što kočiona sila nije dostupna dok se ne okreću točkovi (motor/generator). Čak pri malim brzinama, regeneracija je ograničena. Kada vozilo usporava do zaustavljanja (tipično između 8 i 11 km/h), regenerativna kočiona sila se gasi.

Čini se da upravo ovde Toyota ima problem. Ukoliko hidraulični model nije u potpunosti tačan, on može prouzrokovati promene prilikom usporavanja vozila, čak i ako vozač drži kočionu pedalu pritisnutom. Ukoliko hidraulični model preceni kočioni obrtni moment, tada će primeniti nedovoljnu količinu pritiska, izazivajući gubitak kočenja.

Na kontrolu može uticati i gruba podloga na kojoj se vozi. Senzori koji očitavaju brzinu okretanja točka se oslanjanju na zupčasti prsten koji se kreće pored magnetnog senzora. Pri niskim brzinama, frekvencija pulsa senzora se smanjuje, a isto se dešava sa preciznošću signala. Ukoliko automobil naleti na neravninu ili rupu pri malim brzinama, to se često očita kao da će doći do proklizavanja točka. Ukoliko se to desi, pritisak kočnice se redukuje da bi kompenzovao „problem“. Ovo, takođe može prouzrokovati „gubitak kočione sile“ u očima vozača.

S obzirom da se velika većina kočenja u realnosti dešava između 0,2 i 0,3 g, svaki gubitak kočione sile je primetan. Razlika u zaustavnom tragu može biti neznatna, par desetina centimetara ili pola metra, ali u realnosti to može biti upravo distanca koja će vas spasiti od sudara, odnosno oštećenja vozila ili povrede.