Thomas Dalton
9 
1604
111
Trallebiler var blant de første kjøretøyene som brukte regenerativ bremseteknologi. Sjekk ut bremsebildene våre. - © -iStockphoto / Lisa Anderson -
Hver gang du tråkker på bilens bremser, sløser du med energi. Fysikk forteller oss at energi ikke kan ødelegges. Så når bilen bremser, må den kinetiske energien som fremdro den frem, gå et sted. Det meste av det forsvinner rett og slett som varme og blir ubrukelig. Denne energien, som kunne vært brukt til å utføre arbeid, er egentlig bortkastet.
Er det noe du, sjåføren, kan gjøre for å slutte å kaste bort denne energien? Ikke egentlig. I de fleste biler er det det uunngåelige biproduktet av bremsing, og det er ikke mulig å kjøre bil uten noen ganger å treffe bremsene. Men bilingeniører har tenkt dette problemet mye og har kommet med et slags bremsesystem som kan ta igjen mye av bilens kinetiske energi og konvertere den til strøm, slik at den kan brukes til å lade bilens batterier. Dette systemet kalles regenerativ bremsing.
For tiden finnes denne typen bremser først og fremst i hybridbiler som Toyota Prius, og i helelektriske biler, som Tesla Roadster. I kjøretøy som disse er det viktig å holde batteriet ladet. Imidlertid ble teknologien først brukt i trillebiler og har senere funnet veien til så usannsynlige steder som elektriske sykler og til og med Formel 1 racerbiler.
-I et tr-tilleggsbremsesystem produserer bremseklosser friksjon med bremsrotorene for å bremse eller stoppe kjøretøyet. Ytterligere friksjon produseres mellom de bremsede hjulene og veibanen. Denne friksjonen er det som gjør bilens kinetiske energi til varme. Med regenerative bremser, derimot, gjør systemet som driver kjøretøyet størstedelen av bremsingen. Når sjåføren tråkker på bremsepedalen til et elektrisk eller hybridkjøretøy, setter denne typen bremser kjøretøyets elektriske motor i revers-modus, noe som får den til å kjøre bakover, og dermed bremse bilens hjul. Motoren fungerer også som en elektrisk generator mens den kjører bakover, og produserer strøm som deretter føres inn i bilens batterier. Denne typen bremser fungerer bedre i visse hastigheter enn hos andre. De er faktisk mest effektive i kjøresituasjoner. Imidlertid har hybrider og helelektriske biler også friksjonsbremser, som et slags sikkerhetskopisystem i situasjoner der regenerativ bremsing ganske enkelt ikke vil gi nok stoppekraft. I disse tilfellene er det viktig for bilistene å være klar over at bremsepedalen kan reagere annerledes på trykket. Pedalen vil noen ganger trykke lenger ned mot gulvet enn den pleier å gjøre, og denne følelsen kan forårsake øyeblikkelig panikk hos sjåfører.
På de neste sidene skal vi se nærmere på hvordan et regenerativt bremsesystem fungerer, og vi vil diskutere årsaker til at regenerativ bremsing er mer effektiv enn et typisk friksjonsbremsesystem.
innhold- Regenerative bremsekretser
- Regenerative bremsekontrollere
- Hybrid regenerativ bremsing
- Hydraulisk regenerativ bremsing
- Regenerativ bremseeffektivitet
- Regenerativ bremsediagram
Hybride og helelektriske biler bruker regenerative bremsesystemer for å lade batteriene. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG Regenerativ bremsing brukes i kjøretøy som bruker elektriske motorer, først og fremst helelektriske kjøretøyer og hybridelektriske kjøretøyer. En av de mer interessante egenskapene til en elektrisk motor er at når den kjøres i en retning, konverterer den elektrisk energi til mekanisk energi som kan brukes til å utføre arbeid (for eksempel å dreie hjulene til en bil), men når motoren er kjør i motsatt retning, en riktig designet motor blir en elektrisk generator som konverterer mekanisk energi til elektrisk energi. Denne elektriske energien kan deretter føres inn i et ladesystem for bilens batterier.
I et regenererende bremsesystem er trikset for å få motoren til å kjøre bakover å bruke kjøretøyets fart som den mekaniske energien som gjør motoren i revers. Momentum er egenskapen som gjør at kjøretøyet beveger seg fremover når det er kommet opp i fart. Når motoren er snudd, føres strømmen som genereres av motoren tilbake i batteriene, hvor den kan brukes til å akselerere bilen igjen etter at den har stoppet. Sofistikert elektronisk kretsløp er nødvendig for å bestemme når motoren skal reversere, mens spesialiserte elektriske kretsløp fører strømmen som genereres av motoren inn i bilens batterier. I noen tilfeller lagres energien som produseres av denne typen bremser i en serie kondensatorer for senere bruk. I tillegg, siden kjøretøy som bruker denne typen bremser også har et standard friksjonsbremsesystem, må kjøretøyets elektronikk bestemme hvilket bremsesystem som er passende på hvilket tidspunkt. Fordi så mye styres elektronisk i et regenerativt bremsesystem, er det til og med mulig for sjåføren å velge visse forhåndsinnstillinger som bestemmer hvordan kjøretøyet reagerer i forskjellige situasjoner. I noen kjøretøyer kan for eksempel en sjåfør velge om regenerativ bremsing skal starte umiddelbart når førerens fot kommer av gasspedalen og om bremsesystemet vil ta bilen helt til 0 km / t (0 kilometer i timen) eller la bilen bilkysten litt.
Det er en generell bevegelse i bilindustrien mot såkalte bremse-for-ledning-systemer der mange av funksjonene til bremser som tradisjonelt har blitt utført mekanisk, vil bli utført elektronisk. Hybrider og elbiler vil sannsynligvis være tidlige adoptere av disse bremsetypene. For tiden har forskjellige bilingeniører kommet med forskjellige kretsutforminger for å håndtere kompleksiteten ved regenerativ bremsing; I alle tilfeller er imidlertid den viktigste delen av bremsekretsen bremsekontrolleren, som vi vil diskutere i neste avsnitt..
Regenerative bremsesystemer er spesielt effektive i kjøreforhold. © -iStockphoto / -Dave Herriman -
Bremsekontrollere er elektroniske enheter som kan styre bremser eksternt, bestemme når bremsingen begynner, slutter og hvor raskt bremsene må brukes. I slepesituasjoner, for eksempel, kan bremsekontrollere tilveiebringe et middel til å koordinere bremsene på en henger med bremsene på kjøretøyet som tauet.
Regenerativ bremsing implementeres i forbindelse med anti-lock bremsesystemer (ABS), så den regenerative bremsekontrolleren ligner en ABS-kontroller, som overvåker hjulets rotasjonshastighet og forskjellen i den hastigheten fra
det ene hjulet til det andre. I kjøretøy som bruker denne typen bremser, overvåker ikke bremsekontrolleren bare hastigheten på hjulene, men den kan beregne hvor mye dreiemoment - rotasjonskraft - som er tilgjengelig for å generere strøm som skal føres tilbake i batteriene. Under bremseoperasjonen fører bremsekontrolleren strømmen som produseres av motoren inn i batteriene eller kondensatorene. Den sørger for at en optimal mengde strøm blir mottatt av batteriene, men sørger også for at tilstrømningen av strøm ikke er mer enn batteriene takler.
Den viktigste funksjonen til bremsekontrolleren kan imidlertid være å avgjøre om motoren i dag er i stand til å håndtere kraften som er nødvendig for å stoppe bilen. Hvis det ikke er det, overfører bremsekontrolleren jobben til friksjonsbremsene, og avverger mulig katastrofe. I kjøretøy som bruker denne typen bremser, i likhet med all annen elektronikk ombord i en hybrid- eller elbil, gjør bremsekontrolleren hele den regenerative bremseprosessen mulig.
Hybride kjøretøyer bruker en forbrenningsmotor og en elektrisk motor. © -iStockphoto / -David H. Lewis -
Hvordan er et hybridbil forskjellig fra et helelektrisk kjøretøy? Vel, hybridelektriske kjøretøyer bruker både en elektrisk motor og en forbrenningsmotor for å gi en best mulig av begge verdens kjøreopplevelser. De kombinerer drivområdet for en forbrenningsmotor med drivstoffeffektiviteten og utslippsfrie egenskapene til en elektrisk motor. Hvis en hybrid skal ha maksimal drivstoffeffektivitet og produsere så få karbonutslipp som mulig, er det viktig at batteriet forblir ladet så lenge som mulig. Hvis et hybridbilbatteri skulle miste ladingen, ville forbrenningsmotoren være helt ansvarlig for å drive kjøretøyet. På det tidspunktet fungerer ikke lenger kjøretøyet som en hybrid, men heller bare som en bil som brenner fossilt brensel.
Bilindustrien har kommet med en rekke triks for å vri den maksimale effektiviteten ut av hybrider, som aerodynamisk effektivisering av karosseriene og bruk av lette materialer, men uten tvil er det viktigste av regenerativ bremsing. I et hybridoppsett kan imidlertid denne typen bremser kun gi strøm til den elektriske motordelen av kjøretøyet via bilens batteri. Forbrenning
motor får ingen fordeler av denne typen bremser.
Til dels er disse effektivitetene nødvendige på grunn av den ekstreme vanskeligheten med å finne et sted å lade en hybrid. Dette gjør lengre turer vanskelig uten å stole på hybridens forbrenningsmotor, som faktisk avlyser noe av fordelen med å eie en hybrid.
I neste omgang lærer vi om et nytt inntrykk av denne ideen om regenerativ bremsing.
Hydrauliske kraftassistentbremsesystemer (HPA) kan vise seg å være mest nyttige i store lastebiler. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold -
Et alternativt regenerativt bremsesystem utvikles av Ford Motor Company og Eaton Corporation. Det heter Hydraulisk kraftassistent eller HPA. Når HPA, når føreren trer på bremsen, brukes kjøretøyets kinetiske energi til å drive en reversibel pumpe, som sender hydraulisk væske fra en lavtrykksakkumulator (en slags lagertank) inne i kjøretøyet inn i en høytrykksakkumulator. Trykket skapes av nitrogengass i akkumulatoren, som komprimeres når væsken pumpes inn i rommet gassen tidligere okkuperte. Dette bremser kjøretøyet og hjelper med å få det til å stoppe. Væsken forblir under trykk i akkumulatoren til føreren skyver gasspedalen igjen, på hvilket tidspunkt pumpen er snudd og trykkvæsken brukes til å akselerere kjøretøyet, og effektivt oversette den kinetiske energien som bilen hadde før bremsing til den mekaniske energien som hjelper deg med å få kjøretøyet opp igjen. Det er spådd at et system som dette kan lagre 80 prosent av fart som tapes av et kjøretøy under retardasjon og bruke det for å få kjøretøyet til å bevege seg igjen [kilde: HybridCars.com]. Denne prosentandelen representerer en enda mer imponerende gevinst enn det som er produsert av nåværende regenerative bremsesystemer. Som elektronisk regenerativ bremsing, brukes disse typer bremser - HPA-systemer - best for bykjøring, der stopp-og-gå-trafikk er vanlig.
Så langt har HPA-systemer først og fremst blitt brukt som bevis på konsept og bare i demonstrasjonsprosjekter. De er ikke helt klare for produksjonsmodeller ennå. For tiden er disse hydrauliske bremsene støyende og utsatt for lekkasjer; imidlertid er alle detaljene strøket ut, slike systemer vil trolig være mest nyttige i store lastebiler som veier 10 000 pund (4536 kg) eller mer, der disse bremsetypene kan vise seg å være et mer optimalt system enn elektronisk styrt regenerativt bremser.
-Etter hvert kan denne teknologien sive ned til mindre biler. Et selskap, Hybrid-Drive Systems, LLC, fra Michigan, har ettermontert en Volkswagen Beetle fra 1968 med et hydraulisk regenerativt bremsesystem. Akkumulatorene tar imidlertid betydelig plass, og fremtidige produksjonsplaner fokuserer mer på å bruke teknologien i større kjøretøy, som varebiler. I mellomtiden har det amerikanske miljøvernbyrået (EPA) inngått samarbeid med Eaton Corporation for å installere hydrauliske regenererende bremsesystemer på UPS-leveringsbiler.
Tesla Roadster er en helelektrisk bil. Vince Bucci / -Getty Images -
En konvensjonell bils energieffektivitet er bare rundt 20 prosent, mens de resterende 80 prosent av energien blir konvertert til varme gjennom friksjon. Det mirakuløse med regenerativ bremsing er at den kan være i stand til å fange opp så mye som halvparten av den bortkastede energien og sette den tilbake i jobb. Dette kan redusere drivstofforbruket med 10 til 25 prosent. Hydrauliske regenererende bremsesystemer kan gi enda mer imponerende gevinster og potensielt redusere drivstofforbruket med 25 til 45 prosent [kilde: HybridCars.com]. I et århundre som kan se slutten
av de enorme fossile brenselreservene som har gitt oss energi til bilindustrien og andre teknologier i mange år, og hvor frykten for karbonutslipp kommer til et topp, blir denne ekstra effektiviteten stadig viktigere.
Begynnelsen av det 21. århundre kunne godt markere den endelige perioden der forbrenningsmotorer ofte brukes i biler. Allerede bilprodusenter beveger seg mot alternative energibærere,
som elektriske batterier, hydrogenbrensel og til og med trykkluft. Regenerativ bremsing er et lite, men likevel veldig viktig skritt mot vår eventuelle uavhengighet fra fossile brensler. Denne typen bremser gjør det mulig å bruke batterier over lengre tid uten å måtte kobles til en ekstern lader. Disse typer bremser utvider også kjøreområdet for helelektriske kjøretøy. Faktisk har denne teknologien allerede bidratt til å bringe oss biler som Tesla Roadster, som kjører helt på batteristrøm. Visst kan det hende at disse bilene bruker fossilt brensel på ladetrinnet - det vil si hvis strømkilden kommer fra et fossilt brensel som kull - men når de er der ute på veien, kan de operere uten bruk av fossile brensler i det hele tatt, og det er et stort skritt fremover.
Den ekstra virkningen av regenerativ bremsing betyr også mindre smerter ved pumpen, siden hybrider med elektriske motorer og regenerative bremser kan reise betydelig lenger på en gallon gass, noen oppnår mer enn 50 miles per gallon på dette tidspunktet. Og det er noe de fleste sjåfører virkelig kan sette pris på.
- -Dette enkle diagrammet viser hvordan et regenerativt bremsesystem er i stand til å ta igjen noe av kjøretøyets kinetiske energi og konvertere den til strøm. Denne strømmen brukes deretter til å lade bilens batterier.
-For å lære mer om bremsesystemer og relaterte bilindustrier, sjekk ut lenkene på neste side.-
Relaterte artikler
- Hvordan bremser fungerer
- Slik fungerer skivebremser
- Hvordan trommelbremser fungerer
- Hvordan anti-låsebremser fungerer
- Hvordan luftbremser fungerer
- Hvordan kraftbremser fungerer
- Hvordan bremseklosser fungerer
- Slik fungerer bremsrotorer
- Slik fungerer bremseklave
- Hvordan bremselinjer fungerer
kilder
- BrakeByWire.com. (13. januar 2009) http://www.brakebywire.com/
- Cantwell, Katie. "Fornyelsesoversikt." Rockwell Automation Allen-Bradley. 7. mai 2002. (13. januar 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
- Chen, Jason. "Panasonic lager elektrisk sykkel med regenerativ bremsing." Gizmodo. 7. juli 2008. (13. januar 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
- Continental Corporation. "ISAD og EHB gjør biler mer økonomiske og mer miljøvennlige." 17. mars 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 samarbeider om regenerativ bremsing." 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. januar 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
- Tur, Okan, et al. "Bruksanvisning om regenerativ bremsing av elektriske kjøretøy som antiblåsingsbremsesystem." Ansoft, LLC. 11. april 2006. (13. januar 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf