Thomas Dalton
8 
1291
126
Trolley biler var blandt de første køretøjer, der brugte regenerativ bremseteknologi. Se vores bremsebilleder. - © -iStockphoto / Lisa Anderson -
Hver gang du træder på bilens bremser, spilder du energi. Fysik fortæller os, at energi ikke kan ødelægges. Så når din bil bremser, skal den kinetiske energi, der fremdrev den fremad, gå et sted. Det meste af det spreder sig simpelthen som varme og bliver ubrugelig. Denne energi, som kunne have været brugt til at udføre arbejde, spildes i det væsentlige.
Er der noget, du, chaufføren, kan gøre for at stoppe med at spilde denne energi? Ikke rigtig. I de fleste biler er det det uundgåelige biprodukt ved bremsning, og der er ingen måde, du kan køre en bil på, uden at lejlighedsvis rammer bremserne. Men bilingeniører har overvejet dette problem meget og er kommet med et slags bremsesystem, der kan genvinde meget af bilens kinetiske energi og omdanne det til elektricitet, så det kan bruges til at genoplade bilens batterier. Dette system kaldes regenerativ bremsning.
På nuværende tidspunkt findes disse slags bremser primært i hybridbiler som Toyota Prius og i fuldt elektriske biler, som Tesla Roadster. I køretøjer som disse er det meget vigtigt at holde batteriet opladet. Teknologien blev dog først brugt i trolleybiler og har efterfølgende fundet vej til så usandsynlige steder som el-cykler og endda Formel 1-racerbiler.
-I et tr-ekstra bremsesystem producerer bremseklodser friktion med bremserotorerne for at bremse eller stoppe køretøjet. Yderligere friktion frembringes mellem de langsomme hjul og vejens overflade. Denne friktion er det, der forvandler bilens kinetiske energi til varme. Med regenerative bremser er det på den anden side det system, der driver køretøjet, det meste af bremsen. Når føreren trækker på en elektrisk eller hybrid køretøjs bremsepedal, sætter disse typer bremser køretøjets elektriske motor i omvendt tilstand, hvilket får det til at køre baglæns, hvilket bremser bilens hjul. Når motoren kører baglæns, fungerer motoren også som en elektrisk generator, der producerer elektricitet, der derefter føres ind i bilens batterier. Disse typer bremser fungerer bedre i visse hastigheder end ved andre. Faktisk er de mest effektive i stop-and-go køresituationer. Hybrider og fuldt elektriske biler har imidlertid også friktionsbremser, som et slags sikkerhedskopieringssystem i situationer, hvor regenerativ bremsning simpelthen ikke leverer nok stopkraft. I disse tilfælde er det vigtigt for chauffører at være opmærksomme på, at bremsepedalen måske reagerer forskelligt på tryk. Pedalen nedtrykker undertiden længere mod gulvet end den normalt gør, og denne fornemmelse kan forårsage øjeblikkelig panik hos chauffører.
På de følgende sider vil vi se nærmere på, hvordan et regenerativt bremsesystem fungerer, og vi vil diskutere årsagerne til, at regenerativ bremsning er mere effektiv end et typisk friktionsbremsesystem.
Indhold- Regenerative bremsekredsløb
- Regenerative bremsekontrollere
- Hybrid regenerativ bremsning
- Hydraulisk regenerativ bremsning
- Regenerativ bremseeffektivitet
- Regenerativ bremsediagram
Hybride og fuldt elektriske biler bruger regenerative bremsesystemer til at oplade batterierne. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG Regenerativ bremsning bruges i køretøjer, der bruger elektriske motorer, primært fuldt elektriske køretøjer og hybridelektriske køretøjer. En af de mere interessante egenskaber ved en elektrisk motor er, at når den køres i en retning, omdanner den elektrisk energi til mekanisk energi, der kan bruges til at udføre arbejde (som at dreje en bils hjul), men når motoren er kør i den modsatte retning, en ordentligt designet motor bliver en elektrisk generator, der konverterer mekanisk energi til elektrisk energi. Denne elektriske energi kan derefter ledes til et opladningssystem til bilens batterier.
I et regenererende bremsesystem er kunsten at få motoren til at køre baglæns at bruge køretøjets momentum som den mekaniske energi, der sætter motoren i omvendt retning. Momentum er den egenskab, der holder køretøjet fremad, når det er blevet bragt op i hastighed. Når motoren er vendt, føres den elektricitet, der genereres af motoren, tilbage i batterierne, hvor den kan bruges til at accelerere bilen igen, når den stopper. Sofistikeret elektronisk kredsløb er nødvendigt for at bestemme, hvornår motoren skal vende, mens specialiserede elektriske kredsløb dirigerer den elektricitet, der genereres af motoren, ind i bilens batterier. I nogle tilfælde opbevares den energi, der produceres af disse typer bremser, i en række kondensatorer til senere brug. Eftersom køretøjer, der bruger denne slags bremser, også har et standardfriktionsbremsesystem, skal køretøjets elektronik beslutte, hvilket bremsesystem der er passende på hvilket tidspunkt. Fordi så meget styres elektronisk i et regenererende bremsesystem, er det endda muligt for chaufføren at vælge visse forudindstillinger, der bestemmer, hvordan køretøjet reagerer i forskellige situationer. For eksempel kan en chauffør i nogle køretøjer vælge, om regenerativ bremsning skal begynde øjeblikkeligt, hver gang førerens fod kommer ud af gaspedalen, og om bremsesystemet vil føre bilen helt til 0 km / h (0 kilometer i timen) eller vil lade bil kyst lidt.
Der er en generel bevægelse i bilindustrien mod såkaldte bremse-for-ledning-systemer, hvor mange af funktionerne af bremser, der traditionelt er blevet udført mekanisk, udføres elektronisk. Hybrider og elbiler vil sandsynligvis være tidlige brugere af disse bremsetyper. På nuværende tidspunkt har forskellige bilingeniører fundet forskellige kredsløbskonstruktioner til at håndtere kompleksiteten ved regenerativ bremsning; dog i alle tilfælde er den mest vigtige del af bremsekredsløbet bremsecontrolleren, som vi vil diskutere i det næste afsnit.
Regenerative bremsesystemer er især effektive under stop-and-go køreforhold. © -iStockphoto / -Dave Herriman -
Bremsekontrollere er elektroniske enheder, der kan kontrollere bremser fjernt, afgøre, hvornår bremsning begynder, slutter, og hvor hurtigt bremserne skal anvendes. I trækkesituationer kan for eksempel bremsekontrollere tilvejebringe et middel til at koordinere bremserne på en trailer med bremserne på køretøjet, der trækker.
Regenerativ bremsning implementeres sammen med anti-lock bremsesystemer (ABS), så den regenerative bremsestyring ligner en ABS-controller, der overvåger hjulets rotationshastighed og forskellen i denne hastighed fra
det ene hjul til det andet. I køretøjer, der bruger denne slags bremser, overvåger bremseenheden ikke kun hjulets hastighed, men det kan beregne, hvor meget drejningsmoment - rotationskraft - der er til rådighed til at generere elektricitet, der skal føres tilbage i batterierne. Under bremsen fører bremsestyringen den elektricitet, der produceres af motoren, ind i batterierne eller kondensatorerne. Det sikrer, at batterierne modtager en optimal mængde strøm, men sikrer også, at tilstrømningen af elektricitet ikke er mere end batterierne kan håndtere.
Den vigtigste funktion af bremsestyringen kan imidlertid være at beslutte, om motoren i øjeblikket er i stand til at håndtere den kræft, der er nødvendig for at stoppe bilen. Hvis det ikke er tilfældet, vender bremsekontrolleren jobbet til friktionsbremserne og forhindrer mulig katastrofe. I køretøjer, der bruger disse typer bremser, lige så meget som ethvert andet stykke elektronik ombord på en hybrid- eller elbil, gør bremsecontrolleren hele den regenerative bremseproces mulig.
Hybride køretøjer bruger en forbrændingsmotor og en elektrisk motor. © -iStockphoto / -David H. Lewis -
Hvordan adskiller et hybridkøretøj sig fra et fuldt elektrisk køretøj? Nå, hybridelektriske køretøjer bruger både en elektrisk motor og en forbrændingsmotor for at give en bedst fra begge verdens kørselsoplevelse. De kombinerer drivområdet for en forbrændingsmotor med en elmotors brændstofeffektivitet og emissioner-fri egenskaber. Hvis en hybrid skal have maksimal brændstofeffektivitet og producere så få kulstofemissioner som muligt, er det vigtigt, at batteriet forbliver opladet så længe som muligt. Hvis et hybridbilbatteri skulle miste sin opladning, er forbrændingsmotoren fuldt ud ansvarlig for at køre køretøjet. På det tidspunkt fungerer køretøjet ikke længere som en hybrid, men snarere som endnu en bil, der brænder fossile brændstoffer.
Automotive ingeniører har fundet et antal tricks til at dreje den maksimale effektivitet ud af hybrider, som aerodynamisk strømlinjeforming af karosserier og brug af lette materialer, men det er uden tvivl en af de vigtigste er regenerativ bremsning. I en hybridopsætning kan disse typer bremser imidlertid kun give strøm til den elektriske motordel af køretrækket via køretøjets batteri. Forbrænding
motor får ingen fordele ved denne slags bremser.
Til dels er disse effektiviteter nødvendige på grund af den ekstreme vanskelighed med at finde et sted at oplade en hybrid. Dette gør længere ture vanskelige uden at stole på hybridens forbrændingsmotor, som faktisk afbryder en del af fordelen ved at eje en hybrid.
Dernæst lærer vi om en ny overtagelse af denne idé om regenerativ bremsning.
Hydraulic Power Assist (HPA) bremsesystemer kan vise sig at være mest nyttige i store lastbiler. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold -
Et alternativt regenerativt bremsesystem er under udvikling af Ford Motor Company og Eaton Corporation. Det hedder Hydraulisk effektassistent eller HPA. Når HPA trækker på bremsen, bruges køretøjets kinetiske energi til HPA til at drive en reversibel pumpe, der sender hydraulisk væske fra en lavtryksakkumulator (en slags lagertank) inde i køretøjet til en højtryksakkumulator. Trykket dannes af kvælstofgas i akkumulatoren, som komprimeres, når væsken pumpes ind i det rum, gasen tidligere optog. Dette bremser køretøjet og hjælper med at bringe det til at stoppe. Væsken forbliver under pres i akkumulatoren, indtil føreren skubber gaspedalen igen, på hvilket tidspunkt pumpen vendes, og trykfluidet bruges til at accelerere køretøjet, hvilket effektivt omsætter den kinetiske energi, som bilen havde før bremsning, til den mekaniske energi, hjælper med at få køretøjet op igen. Det er forudsagt, at et system som dette kan gemme 80 procent af den fart, der mistes af et køretøj under deceleration og bruge det til at få køretøjet til at bevæge sig igen [kilde: HybridCars.com]. Denne procentdel repræsenterer en endnu mere imponerende gevinst end hvad der produceres af nuværende regenerative bremsesystemer. Ligesom elektronisk regenerativ bremsning bruges disse typer bremser - HPA-systemer - bedst til bykørsel, hvor stop-and-go-trafik er almindelig.
Indtil videre er HPA-systemer primært blevet brugt som bevis for koncept og kun i demonstrationsprojekter. De er ikke helt klar til produktionsmodeller endnu. På nuværende tidspunkt er disse hydrauliske bremser støjende og tilbøjelige til lækager; dog er alle detaljer udstryget, sådanne systemer vil sandsynligvis være mest nyttige i store lastbiler, der vejer 10.000 pund (4.536 kg) eller mere, hvor disse bremsetyper kan vise sig at være et mere optimalt system end elektronisk styret regenerativt bremser.
-Til sidst kan denne teknologi falde ned til mindre køretøjer. Et firma, Hybrid-Drive Systems, LLC, fra Michigan, har eftermonteret en Volkswagen Beetle fra 1968 med et hydraulisk regenerativt bremsesystem. Akkumulatorerne optager imidlertid en betydelig mængde plads, og fremtidige produktionsplaner fokuserer mere på at bruge teknologien i større køretøjer, som varevogne. I mellemtiden har det amerikanske miljøbeskyttelsesagentur (EPA) samarbejdet med Eaton Corporation om at installere hydrauliske regenererende bremsesystemer på UPS-leveringsbiler.
Tesla Roadster er en fuldt elektrisk bil. Vince Bucci / -Getty Images -
En konventionel bils energieffektivitet er kun ca. 20 procent, hvor de resterende 80 procent af dens energi omdannes til varme gennem friktion. Det mirakuløse ved regenerativ bremsning er, at den muligvis kan fange så meget som halvdelen af den spildte energi og sætte den tilbage i arbejde. Dette kan reducere brændstofforbruget med 10 til 25 procent. Hydrauliske regenererende bremsesystemer kan give endnu mere imponerende gevinster og potentielt reducere brændstofforbruget med 25 til 45 procent [kilde: HybridCars.com]. I et århundrede, der muligvis ser slutningen
af de enorme fossile brændstofreserver, der har givet os energi til bilindustrien og andre teknologier i mange år, og hvor frygt for kulstofemissioner kommer til at nå et højdepunkt, bliver denne ekstra effektivitet stadig vigtigere.
Begyndelsen af det 21. århundrede kunne meget vel markere den sidste periode, hvor forbrændingsmotorer ofte bruges i biler. Allerede bilproducenter bevæger sig mod alternative energibærere,
såsom elektriske batterier, brintbrændstof og endda trykluft. Regenerativ bremsning er et lille, men alligevel meget vigtigt skridt mod vores eventuelle uafhængighed af fossile brændstoffer. Disse typer bremser gør det muligt at bruge batterier i længere perioder uden at skulle sættes i en ekstern oplader. Disse typer bremser udvider også køreområdet for fuldt elektriske køretøjer. Faktisk har denne teknologi allerede hjulpet med at bringe os biler som Tesla Roadster, der kører udelukkende på batteristrøm. Ja, disse biler bruger muligvis fossile brændstoffer i genopladningsfasen - det vil sige, hvis kilden til elektricitet kommer fra et fossilt brændstof som kul - men når de er derude på vejen, kan de køre uden brug overhovedet af fossile brændstoffer, og det er et stort skridt fremad.
Den ekstra effektivitet ved regenerativ bremsning betyder også mindre smerter ved pumpen, da hybrider med elektriske motorer og regenerative bremser kan køre betydeligt længere på en gallon gas, nogle opnår mere end 50 miles per gallon på dette tidspunkt. Og det er noget, som de fleste chauffører virkelig kan sætte pris på.
- -Dette enkle diagram viser, hvordan et regenerativt bremsesystem er i stand til at gendanne noget af køretøjets kinetiske energi og omdanne det til elektricitet. Denne elektricitet bruges derefter til at genoplade køretøjets batterier.
-For at lære mere om bremsesystemer og relaterede bilindstillinger skal du tjekke linkene på næste side.-
Relaterede artikler
- Sådan fungerer bremser
- Sådan fungerer bremserne
- Sådan fungerer trommelbremser
- Sådan fungerer anti-lock bremser
- Sådan fungerer luftbremser
- Sådan fungerer kraftbremser
- Sådan fungerer bremseklodser
- Sådan fungerer bremserotorer
- Sådan fungerer bremsekalipere
- Sådan fungerer bremselinjer
Kilder
- BrakeByWire.com. (13. januar, 2009) http://www.brakebywire.com/
- Cantwell, Katie. "Fornyelsesoversigt." Rockwell Automation Allen-Bradley. 7. maj 2002. (13. januar, 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
- Chen, Jason. "Panasonic fremstiller elektrisk cykel med regenerativ bremsning." Gizmodo. 7. juli 2008. (13. jan. 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-withregenerative-braking
- Continental Corporation. "ISAD og EHB gør biler mere økonomiske og mere miljøvenlige." 17. marts 2002. (13. jan. 2009) http://www.conti-online.com/generator/www/com/en/continental/portal/themes/press_services/press_releases/products/automotive_systems/brakesystems/pr_2002_03_17_7_en. html
- Gitlin, Jonathan M. "McLaren og Freescale samarbejder om regenerativ bremsning." Ars Technica. 5. november 2008. (13. januar, 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
- HybridCars.com. "Hydrauliske hybrider." 3. april 2006. (13. januar, 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
- Torrens, Richard. "Regen Braking." 4QD. 3. november 2008. (13. jan. 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
- Tur, Okan et al. "Anvendelsesnotat om regenerativ bremsning af elektriske køretøjer som anti-lock bremsesystem." Ansoft, LLC. 11. april 2006. (13. januar, 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf