Maximising Regenerative Energy Return from Dynamo-Motor Traction Drives in Solar PV-Powered Electric Vehicles for Long-Haul Operation with Strong Stability

De weg naar een schonere toekomst voor zwaar transport wordt geplaveid met een lastige paradox: elektrische vrachtwagens hebben enorme batterijen nodig om zware ladingen over lange afstanden te vervoeren, maar die batterijen voegen gewicht toe dat de hoeveelheid lading die de vrachtwagen kan dragen, vermindert. Om dit op te lossen, kijken ingenieurs naar twee bronnen van gratis energie die met het voertuig meereizen: de zon, gevangen door zonnepanelen op het dak, en de kinetische energie van de vrachtwagen zelf, die kan worden teruggewonnen wanneer het voertuig vertraagt of een heuvel afrijdt. Dit proces van het terugwinnen van beweging wordt regeneratief remmen genoemd. Het werkt door de elektromotor om te keren, zodat in plaats van de wielen te duwen, de wielen de motor duwen, waardoor het momentum van het voertuig wordt omgezet in elektriciteit om in de batterij op te slaan. Het idee is simpel en aantrekkelijk: als een vrachtwagen genoeg van zijn eigen verspilde energie en genoeg zonlicht zou kunnen opvangen, zou hij uiteindelijk eeuwig kunnen rijden zonder te hoeven inpluggen.

De wetten van de fysica stellen echter strikte grenzen aan hoeveel energie er kan worden bespaard. Elke keer dat energie van vorm verandert—van de batterij naar de wielen, of van de wielen terug naar de batterij—gaat er een kleine hoeveelheid verloren als warmte. Vanwege deze onvermijdelijke verliezen kan een machine niet simpelweg energie uit een batterij nemen, deze gebruiken om te bewegen, en vervolgens exact dezelfde hoeveelheid terug in de batterij plaatsen. Om de rekensom kloppend te maken, is een externe energiebron vereist om het gat te vullen. Hier wordt de vraag cruciaal voor de toekomst van het goederenvervoer: hoeveel van de energie die een vrachtwagen gebruikt, kan er daadwerkelijk aan de batterij worden teruggegeven via een combinatie van zonne-energie en regeneratief remmen? Een nieuwe studie door onderzoekers van Atlantic International University en verschillende andere instellingen onderzoekt precies deze vraag voor een langeafstandselektrische vrachtwagen, waarbij zij verder gaan dan hoopvolle claims om de harde cijfers te vinden die bepalen wat fysiek mogelijk is.

De onderzoekers bouwden een gedetailleerd computermodel van een zware elektrische vrachtwagen van 3.500 kilogram, ontworpen om 450 kilometer af te leggen op een heuvelachtig traject in de Verenigde Arabische Emiraten. Ze equipeerden deze virtuele vrachtwagen met een zonnepanelenarray die 12,4 vierkante meter van het dak beslaat en een krachtige elektromotor die zowel als aandrijving als generator kan dienen. Het team simuleerde vervolgens een volledige dag rijden, waarbij ze elke joule aan energie die de vrachtwagen uit zijn batterij nam om vooruit te komen en elke joule die het terug kon plaatsen, bijhielden. Ze ontdekten dat hoewel de vrachtwagen inderdaad energie kon terugwinnen, de hoeveelheid veel kleiner was dan de energie die het verbruikte. Gedurende de rit van 450 kilometer had de vrachtwagen 146,8 kilowattuur aan energie nodig om luchtweerstand, rolweerstand en de heuvels te overwinnen. De zonnepanelen droegen 14,4 kilowattuur bij, en het regeneratieve remsysteem, dat energie opving tijdens afdalingen en het remmen, leverde slechts 8,3 kilowattuur terug.

Toen de onderzoekers de bijdragen van zon en regeneratie bij elkaar optelden, had de vrachtwagen slechts 15,5 procent van de gebruikte energie teruggewonnen. Dit betekent dat voor elke 100 eenheden energie die de vrachtwagen verbruikte, hij er slechts ongeveer 15 terugkreeg. De studie sluit expliciet een populaire maar fysiek onmogelijke opvatting uit: dat een motor die verbonden is met de aandrijfas op de een of andere manier het voertuig oneindig in stand zou kunnen houden door zijn eigen energie te recirculeren. De onderzoekers toonden aan dat als een motor probeert vermogen op te wekken terwijl het voertuig met een constante snelheid rijdt, dit de hoofdmotor er eigenlijk toe dwingt harder te werken, waardoor de batterij sneller leegloopt dan wanneer de generator er niet zou zijn. Regeneratie werkt alleen wanneer het voertuig energie verliest die anders als warmte in de remmen verloren zou gaan, zoals bij het afdalen. Zelfs dan is het systeem niet perfect; door verliezen in de tandwielen, de motor en het proces van het opladen van de batterij, komt slechts ongeveer 75 procent van de energie die bij de wielen wordt opgevangen, terug in de batterij.

Ondanks het lage herstelpercentage lieten de resultaten zien dat deze systemen niet nutteloos zijn. Zonder de zonnepanelen en het regeneratief remmen zou de vrachtwagen zijn bestemming hebben bereikt met een bijna lege batterij, tot een niveau dat de langetermijngezondheid van de batterij zou schaden. Met de actieve herstelsystemen arriveerde de vrachtwagen met voldoende lading om veilig en operationeel te worden beschouwd. De combinatie van zonne-energieopvang en energieterugwinning verminderde de totale energie die de vrachtwagen nodig had om per kilometer te reizen met 10,4 procent. Deze kleine verbetering was het verschil tussen een rit die onmogelijk te voltooien was zonder te stoppen om op te laden, en een rit die in één enkele rit voltooid kon worden.

De studie keek ook naar de elektrische stabiliteit van het elektrische systeem van de vrachtwagen. Omdat de elektromotor een constante hoeveelheid vermogen trekt om de snelheid te behouden, kan dit een gevaarlijke instabiliteit in het elektrische circuit veroorzaken, vergelijkbaar met hoe een zware belasting ervoor kan zorgen dat een stroomlijn flikkert of uitvalt. De onderzoekers ontdekten dat zonder een speciaal controlesysteem, het elektrische netwerk van de vrachtwagen instabiel zou worden en potentieel zou falen wanneer de motor hard werkt. Door een virtueel dempingsmechanisme toe te voegen—een wiskundige aanpassing in de software die werkt als een schokdemper voor elektriciteit—waren ze in staat het systeem te stabiliseren, waardoor het de volledige reeks rijomstandigheden kon aan zonder de controle te verliezen.

Ten slotte vroegen de onderzoekers zich af wat er nodig zou zijn om de vrachtwagen totale energie-neutraliteit te laten bereiken, waarbij de teruggegeven energie gelijk is aan de gebruikte energie. Hun berekeningen toonden aan dat dit theoretisch mogelijk is, maar alleen onder omstandigheden die niet praktisch zijn voor een commerciële vrachtwagen. Om dit evenwicht te bereiken met de huidige omvang van de zonnepanelen, zou de vrachtwagen met een kruipsnelheid van slechts 10,8 kilometer per uur moeten rijden, waardoor een langeafstandstrip een meerdaagse reis wordt. Alternatief, om met een normale snelheid op de snelweg van 80 kilometer per uur te rijden, zou de vrachtwagen een zonnendak nodig hebben van 91 vierkante meter, wat meer dan zeven keer de grootte van het eigenlijke voertuig is. De studie concludeert dat hoewel een zelfvoorzienende elektrische vrachtwagen geen realistisch doel is voor het langeafstandsvervoer, de combinatie van zonne-energie en regeneratief remmen een essentieel, praktisch voordeel biedt: het verlengt de actieradius genoeg om lange ritten haalbaar te maken zonder tussenstops om op te laden, waardoor een theoretische onmogelijkheid verandert in een praktische technische winst.