Jak funguje regenerativní brzdění

Trolejbusy byly mezi prvními vozidly používajícími technologii regenerativní brzdění. Podívejte se na naše obrázky brzd. - © -iStockphoto / Lisa Andersonová

-

Pokaždé, když šlápnete na brzdy svého vozu, plýtváte energií. Fyzika nám říká, že energii nelze zničit. Takže když vaše auto zpomalí, kinetická energie, která ho poháněla, musí někam jít. Většina z toho se jednoduše rozpouští jako teplo a stává se zbytečným. Tato energie, která mohla být použita k práci, je v podstatě zbytečná.

Existuje něco, co vy, řidič, můžete udělat, abyste přestali ztrácet tuto energii? Spíš ne. Ve většině aut je to nevyhnutelný vedlejší produkt brzdění a neexistuje způsob, jak řídit auto bez občasného zásahu do brzd. Automobiloví inženýři však tomuto problému věnovali spoustu myšlenek a přišli s jakýmsi brzdovým systémem, který dokáže zachytit velkou část kinetické energie automobilu a přeměnit ji na elektřinu, takže ji lze použít k dobití baterií automobilu. Tento systém se nazývá regenerativní brzdění.

V současné době se tyto druhy brzd vyskytují především u hybridních vozidel, jako je Toyota Prius, a u plně elektrických automobilů, jako je Tesla Roadster. U vozidel, jako jsou tyto, je velmi důležité udržovat nabitou baterii. Tato technologie však byla poprvé použita v trolejbusových vozech a následně si našla cestu na tak nepravděpodobná místa, jako jsou elektrická kola a dokonce i závodní vozy Formule 1.

-V tr-adičním brzdovém systému brzdové destičky vytvářejí tření s brzdovými rotory, aby zpomalily nebo zastavily vozidlo. Mezi zpomalenými koly a povrchem vozovky se vytváří další tření. Toto tření je to, co mění kinetickou energii automobilu na teplo. Na druhé straně u regenerativních brzd systém, který řídí vozidlo, provádí většinu brzd. Když řidič šlápne na brzdový pedál elektrického nebo hybridního vozidla, uvedou tyto typy brzd elektrický motor vozidla do zpětného režimu, což způsobí, že se rozběhne dozadu, čímž zpomalí kola automobilu. Při jízdě dozadu se motor chová také jako elektrický generátor, který vyrábí elektřinu, která se poté přivádí do baterií vozidla. Tyto typy brzd fungují lépe při určitých rychlostech než u jiných. Ve skutečnosti jsou nejúčinnější v jízdních situacích typu „stop-and-go“. Hybridy a plně elektrická vozidla však mají také třecí brzdy, jako druh záložního systému v situacích, kdy regenerativní brzdění jednoduše nezajistí dostatečnou brzdnou sílu. V těchto případech je důležité, aby si řidiči byli vědomi skutečnosti, že brzdový pedál může na tlak reagovat různě. Pedál se někdy stlačí dále k podlaze, než obvykle, a tento pocit může u řidičů způsobit dočasnou paniku.

Na následujících stránkách se podrobněji podíváme na to, jak funguje regenerativní brzdový systém, a probereme důvody, proč je regenerativní brzdění účinnější než typický třecí brzdový systém..

Obsah

1. Regenerativní brzdicí obvody
2. Regulátory regeneračního brzdění
3. Hybridní regenerativní brzdění
4. Hydraulické regenerativní brzdění
5. Regenerativní brzdná účinnost
6. Schéma regeneračního brzdění

Hybridní a plně elektrická vozidla používají k nabíjení baterií regenerativní brzdové systémy. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG

Regenerativní brzdění se používá ve vozidlech, která využívají elektromotory, zejména plně elektrická vozidla a hybridní elektrická vozidla. Jednou ze zajímavějších vlastností elektromotoru je to, že když běží v jednom směru, přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii, kterou lze použít k provádění práce (jako je otáčení kol automobilu), ale když je motor V opačném směru se z správně navrženého motoru stane elektrický generátor, který přeměňuje mechanickou energii na elektrickou. Tato elektrická energie pak může být přiváděna do nabíjecího systému pro autobaterie.

V systému regenerativního brzdění je trikem, jak motor nechat běžet dozadu, použít hybnost vozidla jako mechanickou energii, která dává motoru zpětný chod. Momentum je vlastnost, která udržuje vozidlo v pohybu vpřed, jakmile bylo dosaženo rychlosti. Jakmile je motor obrácen, je elektřina generovaná motorem přiváděna zpět do baterií, kde může být použita k opětovnému zrychlení vozu po jeho zastavení. Sofistikované elektronické obvody jsou nezbytné pro rozhodnutí, kdy se má motor reverzovat, zatímco specializované elektrické obvody směrují elektřinu generovanou motorem do baterií vozidla. V některých případech je energie produkovaná těmito typy brzd uložena v řadě kondenzátorů pro pozdější použití. Kromě toho, protože vozidla používající tyto druhy brzd mají také standardní třecí brzdový systém, musí elektronika vozidla rozhodnout, který brzdový systém je vhodný v kterou dobu. Protože je tolik elektronicky řízeno v regenerativním brzdovém systému, je dokonce možné, aby řidič vybral určité předvolby, které určují, jak vozidlo reaguje v různých situacích. Například v některých vozidlech si řidič může vybrat, zda má být regenerativní brzdění zahájeno okamžitě, kdykoli noha řidiče vystoupí z pedálu akcelerátoru a zda brzdový systém pojede autem až k rychlosti 0 km / h (0 km / h) nebo nechá mírně pobřeží.

V automobilovém průmyslu dochází k obecnému posunu směrem k takzvaným brzdovým systémům, kdy mnoho funkcí brzd, které byly tradičně prováděny mechanicky, bude prováděno elektronicky. Hybridy a elektromobily budou pravděpodobně brzy přijaty z těchto typů brzd. V současné době přišli různí automobiloví inženýři s různými konstrukcemi obvodů, aby zvládli složitost regenerativního brzdění; ve všech případech je však nejdůležitější součástí brzdového systému brzdový ovladač, o kterém se budeme bavit v následující části.

Regenerativní brzdové systémy jsou zvláště účinné za jízdních podmínek „stop-and-go“. © -iStockphoto / -Dave Herriman

-

Regulátory brzd jsou elektronická zařízení, která mohou ovládat brzdy na dálku, rozhodují o začátku, ukončení a ukončení brzdění a jak rychle musí být brzdy zabrzděny. Například v tažných situacích mohou ovladače brzd poskytnout prostředek pro koordinaci brzd na přívěsu s brzdami na vozidle, které provádí tažení..

Regenerativní brzdění je implementováno ve spojení s protiblokovacími systémy (ABS), takže regulátor regeneračního brzdění je podobný regulátoru ABS, který monitoruje rychlost otáčení kol a rozdíl v této rychlosti od

jedno kolo k druhému. U vozidel, která používají tyto druhy brzd, kontroluje brzdový systém nejen rychlost kol, ale může také vypočítat, kolik krouticího momentu - rotační síly - je k dispozici pro výrobu elektřiny, která se přivádí zpět do baterií. Během brzdění směruje brzdový regulátor elektřinu vyrobenou motorem do baterií nebo kondenzátorů. Zajišťuje, že baterie přijímají optimální množství energie, ale také zajišťuje, že přítok elektřiny není větší, než kolik baterie zvládnou.

Nejdůležitější funkcí ovladače brzd však může být rozhodování, zda je motor v současné době schopen zvládnout sílu potřebnou pro zastavení vozu. Pokud tomu tak není, ovladač brzdy obrátí práci na třecí brzdy a odvrátí tak možnou katastrofu. U vozidel, která používají tyto typy brzd, stejně jako jakýkoli jiný kus elektroniky na palubě hybridního nebo elektrického automobilu, umožňuje brzdový ovladač celý proces regenerativní brzdění.

Hybridní vozidla využívají spalovací motor a elektrický motor. © -iStockphoto / -David H. Lewis

-

Jak se liší hybridní vozidlo od plně elektrického vozidla? Hybridní elektrická vozidla využívají jak elektrický motor, tak i motor s vnitřním spalováním, aby poskytovaly nejlepší jízdní zážitek z obou světů. Kombinují jízdní dosah spalovacího motoru s palivovou účinností a bezemisními vlastnostmi elektrického motoru. Má-li hybrid mít maximální palivovou účinnost a produkovat co nejméně emisí uhlíku, je důležité, aby baterie zůstala nabitá co nejdéle. Pokud by baterie hybridního vozidla ztratila svůj náboj, za pohon vozidla by byl plně zodpovědný spalovací motor. V tomto okamžiku již vozidlo nepůsobí jako hybrid, nýbrž pouze jako jiné auto spalující fosilní paliva.

Automobiloví inženýři přišli s řadou triků, jak vytěžit maximální účinnost z hybridů, jako je aerodynamické zefektivnění karoserií a použití lehkých materiálů, ale pravděpodobně je nejdůležitější regenerativní brzdění. V hybridním nastavení však tyto typy brzd mohou dodávat energii pouze části elektromotoru hnacího ústrojí prostřednictvím baterie vozidla. Vnitřní spalování

motor nezískává žádnou výhodu z těchto druhů brzd.

Zčásti jsou tyto účinnosti nezbytné kvůli extrémním obtížím při hledání místa pro dobití hybridu. To ztěžuje delší cesty, aniž by se spoléhal na hybridní spalovací motor, který ve skutečnosti ruší některé výhody vlastnictví hybridního pohonu.

Až se dozvíme o novém přístupu k této myšlence regeneračního brzdění.

Brzdové systémy HPA (Hydraulic Power Assist) se mohou ukázat jako nejužitečnější u velkých nákladních vozidel. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold

-

Ford Motor Company a Eaton Corporation vyvíjejí alternativní regenerativní brzdový systém. Jmenuje se to Hydraulický posilovač asistence nebo HPA. U HPA, když řidič šlápne na brzdu, se kinetická energie vozidla použije k pohonu reverzibilního čerpadla, které vysílá hydraulickou kapalinu z nízkotlakého akumulátoru (druh akumulační nádrže) uvnitř vozidla do vysokotlakého akumulátoru. Tlak je vytvářen plynným dusíkem v akumulátoru, který je stlačován, jakmile je kapalina čerpána do prostoru, v němž dříve byl plyn obsazen. To zpomaluje vozidlo a pomáhá zastavit. Kapalina zůstává pod tlakem v akumulátoru, dokud řidič nestlačí plynový pedál znovu, v tomto okamžiku je čerpadlo obráceno a stlačená kapalina je použita k akceleraci vozidla, čímž účinně převádí kinetickou energii, kterou měl automobil před brzděním, na mechanickou energii, která pomáhá dostat vozidlo zpět na rychlost. Předpovídá se, že takový systém dokáže uložit 80 procent hybnosti ztracené vozidlem během zpomalení a použít jej k opětovnému pohybu vozidla [zdroj: HybridCars.com]. Toto procento představuje ještě působivější zisk, než jaký je dosahován současnými regenerativními brzdovými systémy. Stejně jako elektronické regenerativní brzdění, tyto druhy brzd - systémy HPA - se nejlépe používají pro jízdu ve městě, kde je běžný provoz „stop-and-go“..

Dosud byly systémy HPA používány především jako důkaz koncepce a pouze v demonstračních projektech. Ještě nejsou úplně připravené na produkční modely. V současné době jsou tyto hydraulické brzdy hlučné a náchylné k únikům; nicméně, všechny podrobnosti jsou vyžehleny, takové systémy budou pravděpodobně nejužitečnější ve velkých nákladních vozidlech o hmotnosti 10 000 liber (4 536 kilogramů) nebo více, kde se tyto typy brzd mohou ukázat jako optimálnější systém než elektronicky řízené regenerativní brzdy.

-Nakonec se tato technologie může rozpadnout na menší vozidla. Jedna společnost, Hybrid-Drive Systems, LLC, z Michiganu, vybavila brouk Volkswagen z roku 1968 hydraulickým regenerativním brzdovým systémem. Akumulátory však zabírají značné množství prostoru a budoucí výrobní plány se více zaměřují na používání technologie ve větších vozidlech, jako jsou dodávková vozidla. Mezitím se americká agentura na ochranu životního prostředí (EPA) spojila s Eaton Corporation při instalaci hydraulických regenerativních brzdových systémů na dodávkových nákladních vozech UPS.

Tesla Roadster je plně elektrické auto. Vince Bucci / -Getty Images

-

Energetická účinnost konvenčního automobilu je pouze asi 20 procent, přičemž zbývajících 80 procent jeho energie je přeměněno na teplo třením. Zázračné pro regenerativní brzdění je, že dokáže zachytit až polovinu této zbytečné energie a vrátit ji zpět do práce. To by mohlo snížit spotřebu paliva o 10 až 25 procent. Hydraulické regenerativní brzdové systémy by mohly přinést ještě působivější zisky a potenciálně snížit spotřebu paliva o 25 až 45 procent [zdroj: HybridCars.com]. Ve století, které může vidět konec

z obrovských zásob fosilních paliv, které nám poskytovaly energii pro automobilový průmysl a další technologie po mnoho let, a ve kterých se obavy o emise uhlíku blíží k vrcholu, tato přidaná účinnost nabývá na důležitosti.

Začátek 21. století mohl velmi dobře znamenat poslední období, ve kterém se motory s vnitřním spalováním běžně používají v automobilech. Již výrobci směřují k alternativním nosičům energie,

jako jsou elektrické baterie, vodíkové palivo a dokonce i stlačený vzduch. Regenerativní brzdění je malý, ale velmi důležitý krok k naší eventuální nezávislosti na fosilních palivech. Tyto druhy brzd umožňují použití baterií po delší dobu bez nutnosti zapojení do externí nabíječky. Tyto typy brzd také rozšiřují jízdní dosah plně elektrických vozidel. Ve skutečnosti tato technologie již pomohla přivést k nám auta jako Tesla Roadster, která pracuje výhradně na baterii. Jistě, tato auta mohou používat fosilní paliva ve fázi dobíjení - to znamená, pokud zdroj elektřiny pochází z fosilních paliv, jako je uhlí - ale když jsou venku na silnici, mohou pracovat bez použití fosilních paliv vůbec, a to je velký krok vpřed.

Přidaná účinnost regenerativního brzdění také znamená menší bolest na čerpadle, protože hybridy s elektromotory a regenerativní brzdy mohou cestovat podstatně dále na galon plynu, některé dosahují v tomto bodě více než 50 mil na galon. A to je něco, co většina řidičů opravdu ocení.

-

-Tento jednoduchý diagram ukazuje, jak je regenerativní brzdový systém schopen zachytit část kinetické energie vozidla a přeměnit jej na elektřinu. Tato elektřina se potom používá k dobití baterií vozidla.

-Chcete-li se dozvědět více o brzdových systémech a souvisejících automobilových tématech, podívejte se na odkazy na následující stránce.-

Související články

• Jak brzdy fungují
• Jak fungují kotoučové brzdy
• Jak bubnové brzdy fungují
• Jak fungují protiblokovací brzdy
• Jak fungují vzduchové brzdy
• Jak moc brzdí
• Jak fungují brzdové destičky
• Jak fungují brzdové rotory
• Jak fungují brzdové třmeny
• Jak fungují brzdové vedení

Prameny

• BrakeByWire.com. (13. ledna 2009) http://www.brakebywire.com/
• Cantwell, Katie. "Přehled regenerace." Rockwell Automation Allen-Bradley. 7. května 2002. (13. ledna 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
• Chen, Jasone. "Panasonic dělá elektrické kolo s regenerativním brzděním." Gizmodo. 7. července 2008 (13. ledna 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
• Continental Corporation. „ISAD a EHB zvyšují úspornost automobilů a šetrnější k životnímu prostředí.“ 17. března 2002. (13. ledna 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 a Freescale spolupracují na regenerativním brzdění." Ars Technica. 5. listopadu 2008. (13. ledna 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
• HybridCars.com. "Hydraulické hybridy." 3. dubna 2006. (13. ledna 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
• Torrens, Richarde. "Regen Braking." 4QD. 3. listopadu 2008. (13. ledna 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
• Tur, Okan a kol. "Aplikační poznámka o regenerativním brzdění elektrických vozidel jako protiblokovacího systému." Ansoft, LLC. 11. dubna 2006 (13. ledna 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf