Kuinka paljon energiaa voidaan talteenottaa?

Fysiikan luvussa selitämme laskelmien taustalla olevat yksityiskohdat. On kuitenkin tärkeää ymmärtää, että liikkuvalla kappaleella on liike-energiaa, jonka sähköauto voi palauttaa jarrutusenergian talteenoton avulla. Samoin ylängössä oleva auto sisältää potentiaalienergiaa, joka voidaan myös valjastaa talteen.

Lisäksi ilmanvastus ja vierintävastus vastustavat auton liikettä.

Voimansiirrossa on häviöitä, eli osa energiasta katoaa muuntuvassa prosessissa akun ja auton liikkeen välillä ja päinvastoin. Tyypillisesti tehokkuus on täyssähköautossa noin 80–85 %. Laskelmissamme käytämme 80 %:n tehokkuutta.

Skenaario 1: Pikes Peak

Otetaan esimerkkinä Pikes Peak. Tämä vuori on 14 110 jalkaa (4 300 metriä) korkea. Kun ajat alas ensimmäiset 18,6 mailia, laskeudut 6 538 jalkaa (1 993 metriä).

2 900 kg painavalle Audi e-tron 55:lle tämä alamäki vastaa 15,74 kWh potentiaalienergiaa.

18,6 mailin (30 km) alamäessä matalalla nopeudella, kun otetaan huomioon vierintävastus ja nopeus 40 km/h, energiankulutus on 10,52 kWh/100 km.

30 km matkalla tämä tarkoittaa yhteensä 3,15 kWh. Tämä energia vähennetään potentiaalienergiasta.

Täten 12,59 kWh voidaan talteenottaa. Kun otetaan huomioon 80 % tehokkuus, akkuihin palautuu 10,07 kWh.

Ohessa olevassa videossa näytetään kenttäkokeilu tältä reitiltä ja talteenotettu energiamäärä.

Skenaario 2: Täysi pysähdys 75 mph:n nopeudesta

Tässä skenaariossa auto kulkee 75 mph:n (120,7 km/h) nopeudella ja sen on pysähdyttävä täysin punaisiin liikennevaloihin.

Kuten alla olevasta graafista käy ilmi, 75 mph:n nopeudesta pysähtyessä 2 900 kg painavan Audi e-tronin kokonaisliike-energia on 0,473 kWh.

80 %:n voimansiirron tehokkuudella akkuihin voidaan palauttaa 0,38 kWh.

Kokonaismatkalla 100 km (62 mailia) kymmenellä tällaisella pysähdyksellä säästettäisiin 3,8 kWh verrattuna autoon, jossa on pelkät kitkajarrut.

Tämä tarkoittaa energiankulutuksen vähennystä 3,8 kWh/100 km.

Skenaario 3: Nopeuden pudotus 30 mph:sta täydelliseen pysähdykseen

Tämä skenaario kuvaa tyypillistä kaupunkiajoa. Ajettaessa 30 mph:n (48,28 km/h) nopeudella Audi e-tronin kokonaisliike-energia on 0,0756 kWh.

80 %:n voimansiirron tehokkuudella tästä palautuu akkuihin 0,061 kWh.

Jos ajat 100 km kaupunkiliikenteessä ja teet 100 tällaista pysähdystä, säästät 6,05 kWh energiaa.

Tämä rekuperointi vähentää energiankulutusta 6,05 kWh/100 km verrattuna autoon, jossa on pelkät kitkajarrut.

Skenaario 4: Ajaminen alas Saltfjelletin vuorelta

Tämä vuori sijaitsee Pohjois-Norjassa, ja etelästä pohjoiseen kulkeva päätie (E6) kulkee sen yli.

Jos otamme tämän tieosuuden, jolla tie alkaa laskeutua, havaitsemme, että lähtökorkeus on 650 metriä (2 132 jalkaa) ja saapumiskorkeus 125 metriä (410 jalkaa) merenpinnasta. Matkan pituus on 16,4 km (10,2 mailia), mikä antaa laskukulmaksi 3,1 %.

Tämä tuottaa potentiaalienergiaksi 4,147 kWh.

Nopeusrajoitus on 80 km/h (49,7 mph), ja kuivalla tiellä vakiokulutuksella auto kuluttaa 2,49 kWh rullatessaan tämän osuuden.

Loput voidaan talteenottaa, ja 80 %:n tehokkuudella akkuihin palautuu 1,3 kWh.

1,3 kWh pitäisi tarjota lisätoimintamatkaa 6,8 km 80 km/h:n (49,7 mph) nopeudella.

Fysiikan ymmärtäminen

Liike-energia

Liikkuvalla kappaleella on liike-energiaa, joka riippuu kappaleen massasta ja nopeudesta.

Kaava on:

Missä:

• KE = liike-energia (Jouleina)
• m = kappaleen massa kilogrammoina
• v = kappaleen nopeus metreinä sekunnissa

Lisäksi 1 joule vastaa 2,778·10⁻⁴ Wh.

Kaikissa tällä sivulla esitetyissä laskelmissa käytämme Audi e-tron 55:tä, jonka paino on 2 900 kg (auto + kuljettaja). Alla oleva taulukko esittää tämän auton liike-energian eri nopeuksilla:

| Nopeus (km/h) | Nopeus (mph) | Nopeus (m/s) | Liike-energia (kWh) | |--------------|-------------|-------------|----------------------| | 50 | 31.07 | 13.89 | 0.0777 | | 80 | 49.7 | 22.222 | 0.199 | | 104.7 | 65 | 29.0575 | 0.34 | | 120.7 | 75 | 33.528 | 0.453 |

Voit käyttää tätä liike-energiakalkulaattoria muihin nopeuksiin. Katso myös alla oleva kaavio.

Pyörivä liike-energia

Auton liike-energian lisäksi pyörivät pyörät sisältävät myös pyörivää liike-energiaa, joka voidaan talteenottaa.

Pyörivän energian kaava on:

Missä:

• E = pyörivä liike-energia jouleina
• I = hitausmomentti kg·m²
• ω = kulmanopeus radiaaneina sekunnissa

Pyörän hitausmomentti voidaan laskea kaavalla:

[ I = M \times R^2 ]

265/40 R22 -vanteiden kanssa varustetun Audi e-tronin kohdalla, kun hyödyksi otetaan noin 30 kg per pyörä ja säde 38,54 cm, laskutoimitus on:

[ I = 30 \times 0.3854^2 = 4.4559948 ]

80 km/h nopeudessa pyörä pyörii 566,89 rpm, mikä vastaa neljälle pyörälle yhteensä 8,724 Wh (0,008724 kWh) liike-energiaa.

Huomautus: Tämä laskelma on likimääräinen, koska kaava olettaa pyörän muodon tasaiseksi keskustasta reunaan. Se on kuitenkin riittävän tarkka tässä yhteydessä.

Voit kokeilla pyörivän liike-energian laskuria muihin laskelmiin.

Gravitaatio-/potentiaalienergia

Potentiaalienergiaa on, kun auto on korkeammalla tasolla verrattuna sen määränpäähän.

Kaava on:

Missä:

• U = gravitaatioenergia jouleina
• m = massa kilogrammoina
• g = gravitaatiokentän kiihtyvyys (9,8 m/s² maan pinnalla)
• h = korkeus metreinä

Esimerkiksi 2 900 kg painavan Audi e-tron 55:n potentiaalienergia korkeudessa 1 000 metriä (3 280 jalkaa) merenpinnasta on 7,8998 kWh (28 492,85 joulea).

Korkeuseroilla potentiaalienergia on suurin energian talteenoton lähde.

Katso potentiaalienergian laskuri.

Yhteenveto

Alla oleva kaavio esittää kokonaisliike-energian ja kaksi liike-energian tyyppiä.

Energiankulutuksen ymmärtäminen

Aerodynaamisen vastuksen aiheuttama kulutus

Liikkuva auto kohtaa ilmanvastusta, joka vastustaa sen liikettä.

Ilmanvastuksen kaava on:

Missä:

• P = ilman tiheys (1,225 kg/m³ 15 °C:ssa)
• u = nopeus metreinä sekunnissa
• A = auton poikkipinta-ala (2,65 m² Audi e-tronilla)
• CD = ilmanvastuskerroin (0,28 Audi e-tron 55:llä)

Esimerkiksi 80 km/h nopeudessa aerodynaamisen vastuksen voittamiseen vaadittava teho on 4,9 kW (6,23 kWh/100 km).

Huomaa, että esineen työntö nesteen läpi vaatii tehoa, joka kasvaa nopeuden kuutiona. Tämä tarkoittaa, että Audi e-tron 55:n on voitettava aerodynaaminen vastus 160 km/h nopeudessa 39,89 kW:lla (24,94 kWh/100 km).

Lämpötila vaikuttaa ilman tiheyteen. -25 °C:ssa tiheys on 1,4224 kg/m³, mikä nostaa kulutuksen 80 km/h nopeudessa 7,23 kWh/100 km:iin.

Kaikissa tämän artikkelin laskelmissa oletamme lämpötilaksi 15 °C.

Vierintävastus

Ilmanvastuksen lisäksi renkaille ja muihin voimansiirron osiin kohdistuva vierintävastus vastustaa liikettä.

Vierintävastuksen arviointi on haastavaa, mutta tuntemalla kokonaiskulutus, ilmanvastuksesta johtuva kulutus ja voimansiirron tehokkuus, voimme arvioida vierintävastuksen Audi e-tronilla.

Ajoradatist ryhmän historian perusteella kuivalla tiellä 80 km/h nopeudella ajaminen kesällä vaatii akusta noin 19 kWh/100 km. Olettamalla voimansiirron 80 %:n tehokkuuden, kokonaisenergiantarve on 15,2 kWh/100 km mukaan lukien ilmanvastus.

Kun vähennetään ilmanvastuksen vaatima energia, jäljelle jää noin 8,95 kWh/100 km vierintävastuksen voittamiseen.

Tämä arvio vaihtelee tien olosuhteiden mukaan; märät tai lumiset tiet lisäävät vierintävastusta.

Kulutuksen yhteenveto

Alla oleva kaavio esittää lasketun kulutuksen, joka tarvitaan ilmanvastuksen ja vierintävastuksen voittamiseen, sekä akusta otetun kulutuksen perustuen 80 %:n voimansiirron tehokkuuteen. Todellinen tehokkuus on odotettavissa olevan noin 80 %.

Katso kokonainen taulukko liike-energian ja kulutuksen arvoista kaikille nopeuksille 1–100 mph (1–161 km/h).

Onko rekuperointi aina paras vaihtoehto?

Koska jarrutusenergian talteenoton tehokkuus on vain 80 %, sitä kannattaa välttää aina kun mahdollista. Skenaariossa 1, ajaminen alas Pikes Peakilta on mahdotonta ilman jarrutusenergian talteenottoa. Ilman rekuperointia auto menisi ulos tieltä. Kuitenkin tasaisilla teillä skenaarioissa 2 ja 3 on parempi ennakoida ajoa ja antaa auton rullata, jolloin vierintävastus ja ilmanvastus hidastavat autoa.

Tämä tarkoittaa kaasupolkimen nostamista ajoissa, jotta auto pysähtyy haluttuun kohtaan luonnollisesti.

Kuinka paljon energiaa tämä säästäisi? Kaksi tekijää vähentää kokonaiskulutusta:

• Et menetä 20 % liike-energiasta rekuperoinnin aikana.
• Et menetä 20 % energiasta nopeuden ylläpitämiseen.

Teoriassa tämä voi säästää:

• Skenaario 2: 1,89 kWh/100 km
• Skenaario 3: 3,02 kWh/100 km

Kuitenkin tämä on paras mahdollinen skenaario, jossa voit tarkasti ennakoida kaasupolkimen nostamisen ajankohdan. Todellisuudessa hyöty olisi pienempi, sillä saatat joutua lisäämään tehoa tai käyttämään jarrua lopussa, jos ennustat väärin.

Voiko autosta nähdä, kuinka paljon energiaa on talteenotettu?

Yleinen väärinkäsitys on, että auton ilmoittamasta toimintamatkasta voisi nähdä, kuinka paljon energiaa on rekuperoitu. Useimmissa autoissa tämä ei ole mahdollista.

Toimintamatkamittari laskee toimintamatkan viimeisten 100 ajetun kilometrin perusteella. Jos otamme skenaarion 4 ja oletamme, että auto on ajettu merenpinnasta 650 metriin 80 km/h (49,7 mph) nopeudella, kulutus olisi 25,4 kWh/100 km 650 metrin korkeudessa.

Audi e-tron 55:lle, jonka akunkapasiteetti on 86,5 kWh, toimintamatkaksi laskettaisiin täyteen ladattuna 340 km (211 mailia) tämän kulutuksen perusteella.

Skenaarion 4 tieosuuden ajon jälkeen akusta otettu kokonaiskulutus laskisi 25,4 kWh/100 km:stä 21 kWh/100 km:iin.

Tämä nostaisi lasketun toimintamatkan täyteen ladatulla akulla 411 km:iin (255 mailia) (vähemmän todellisen SoC:n mukaan). Tämän perusteella saatat virheellisesti uskoa, että olet rekuperoinut 71 km (44 mailia), mutta oikea määrä on 6,8 km (4,2 mailia).

Tämänkaltaista nousua voi nähdä jopa skenaarioissa, joissa ei ole rekuperointia, vaan ainoastaan lasku, joka vähentää kulutusta.

Ainoa tapa tietää, kuinka paljon energiaa on talteenotettu, on tarkastella akun varaustason muutosta vuoren huipulta alas.

Yksipoljinajo vs. manuaalinen/automaatinen rekuperointi

Sähköauton mallista riippuen voit hyödyntää jarrutusenergian talteenottoa eri tavoilla:

• Manuaalinen: ainoastaan jarrupolkimen käyttö
• Automaattinen: auto päättää, milloin rekuperointi aktivoituu
• Yksipoljinajo: automaattinen rekuperointi, kun nostat jalan kaasupolkimelta

Kaikki menetelmät käyttävät samoja sähköisen voimansiirron komponentteja jarrutuksessa, joten niiden tehokkuus on sama.

Kuitenkin yksipoljinajossa tehokkuus on hieman pienempi tilanteissa, joissa kuljettaja haluaa siirtyä voiman käytöstä rullaustilaan.

Koska joudut pitämään jalan kaasupolkimella juuri tietyssä asennossa, jotta et käytä energiaa etkä jarruta, vietät aina enemmän aikaa tämän asennon etsimiseen kuin pelkästään nostamalla jalan pois polkimelta. Lisäksi jalan täydellisen asennon ylläpitäminen vaatii harjoittelua.

Siksi valmistajat, kuten Audi, Mercedes ja Porsche, suosittelevat automaattisen rekuperoinnin käyttöä yhdessä rullaamisen kanssa energiankulutuksen vähentämiseksi.

Ero on pieni, todennäköisesti alle 10 % erosta, joka on rullaamisen ja jarrutusenergian talteenoton välillä skenaarioissa, joissa rullaus on mahdollista.

Skenaariossa 1 ei ole eroa, koska käytät jarrutusenergian talteenottoa auton pitämiseksi tiellä.

Koska ero on niin pieni, valinta kannattaa tehdä omien mieltymysten mukaan.