Jak działa hamowanie regeneracyjne

­

Za każdym razem, gdy wciskasz hamulce swojego samochodu , marnujesz energię. Fizyka mówi nam, że energii nie można zniszczyć. Więc kiedy twój samochód zwalnia, energia kinetyczna, która napędzała go do przodu, musi gdzieś iść. Większość z nich po prostu rozprasza się w postaci ciepła i staje się bezużyteczna. Ta energia, którą można było wykorzystać do pracy, jest zasadniczo marnowana.

Czy jest coś, co ty, kierowca, możesz zrobić, aby przestać marnować tę energię? Nie bardzo. W większości samochodów jest to nieunikniony produkt uboczny hamowania i nie ma możliwości prowadzenia samochodu bez od czasu do czasu naciskania hamulców. Ale inżynierowie motoryzacyjni poświęcili temu problemowi wiele uwagi i opracowali rodzaj układu hamulcowego, który może odzyskać większość energii kinetycznej samochodu i przekształcić ją w energię elektryczną, aby można ją było wykorzystać do naładowania akumulatorów samochodu. Ten system nazywa się hamowaniem regeneracyjnym.

Obecnie tego rodzaju hamulce można znaleźć głównie w pojazdach hybrydowych, takich jak Toyota Prius, oraz w samochodach w pełni elektrycznych, takich jak Tesla Roadster. W takich pojazdach utrzymywanie naładowania akumulatora ma duże znaczenie. Jednak technologia ta została po raz pierwszy zastosowana w tramwajach, a następnie trafiła do tak nieprawdopodobnych miejsc, jak rowery elektryczne, a nawet samochody wyścigowe Formuły 1.

W tradycyjnym układzie hamulcowym klocki hamulcowe wytwarzają tarcie z tarczami hamulcowymispowolnić lub zatrzymać pojazd. Pomiędzy spowolnionymi kołami a nawierzchnią drogi powstaje dodatkowe tarcie. To tarcie zamienia energię kinetyczną samochodu w ciepło. Z drugiej strony, w przypadku hamulców regeneracyjnych, większość hamowania wykonuje układ, który napędza pojazd. Kiedy kierowca wciska pedał hamulca pojazdu elektrycznego lub hybrydowego, tego rodzaju hamulce przełączają silnik elektryczny pojazdu na bieg wsteczny, powodując jego jazdę do tyłu, spowalniając w ten sposób koła samochodu. Podczas jazdy do tyłu silnik działa również jak generator elektryczny, wytwarzając energię elektryczną, którą następnie zasila akumulatory pojazdu. Tego typu hamulce działają lepiej przy pewnych prędkościach niż przy innych. W rzeczywistości są najskuteczniejsze w sytuacjach awaryjnych. Jednakże, hybrydy i samochody w pełni elektryczne mają również hamulce cierne, jako rodzaj systemu zapasowego w sytuacjach, w których hamowanie regeneracyjne po prostu nie zapewnia wystarczającej siły hamowania. W takich przypadkach ważne jest, aby kierowcy byli świadomi faktu, że pedał hamulca może inaczej reagować na nacisk. Pedał wciska się czasami dalej w kierunku podłogi niż zwykle i to uczucie może wywołać u kierowców chwilową panikę.

Na kolejnych stronach przyjrzymy się bardziej szczegółowo, jak działa układ hamulcowy z odzyskiem energii i omówimy powody, dla których hamowanie odzyskowe jest bardziej wydajne niż typowy układ hamulcowy cierny.

1. Regeneracyjne obwody hamowania
2. Sterowniki hamowania z odzyskiem energii
3. Hybrydowe hamowanie regeneracyjne
4. Hydrauliczne hamowanie regeneracyjne
5. Skuteczność hamowania regeneracyjnego
6. Schemat hamowania regeneracyjnego

Hamowanie rekuperacyjne stosuje się w pojazdach wykorzystujących silniki elektryczne, przede wszystkim w pojazdach w pełni elektrycznych i hybrydowych pojazdach elektrycznych. Jedną z ciekawszych właściwości silnika elektrycznego jest to, że poruszając się w jednym kierunku, zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną, która może być wykorzystana do wykonywania pracy (takiej jak obracanie kół samochodu), ale gdy silnik jest biegnąc w przeciwnym kierunku, odpowiednio zaprojektowany silnik staje się generatorem elektrycznym, zamieniającym energię mechaniczną na energię elektryczną. Ta energia elektryczna może być następnie przekazywana do systemu ładowania akumulatorów samochodu.

W układzie hamulcowym z odzyskiem energii trik, który pozwala na uruchomienie silnika do tyłu, polega na wykorzystaniu pędu pojazdu jako energii mechanicznej, która wprawia silnik w ruch wsteczny. Rozpęd to właściwość, która sprawia, że ​​pojazd porusza się do przodu, gdy zostanie rozpędzony. Gdy silnik zostanie odwrócony, energia elektryczna generowana przez silnik jest przekazywana z powrotem do akumulatorów, gdzie może być wykorzystana do ponownego przyspieszenia samochodu po zatrzymaniu. Wyrafinowane obwody elektroniczne są niezbędne, aby zdecydować, kiedy silnik powinien się cofać, podczas gdy wyspecjalizowane obwody elektryczne kierują energię elektryczną wytwarzaną przez silnik do akumulatorów pojazdu. W niektórych przypadkach energia wytwarzana przez tego typu hamulce jest magazynowana w szeregu kondensatorów do późniejszego wykorzystania. Dodatkowo, Ponieważ pojazdy z tego rodzaju hamulcami mają również standardowy układ cierny, elektronika pojazdu musi zdecydować, który układ hamulcowy jest odpowiedni w danym momencie. Ponieważ tak wiele jest kontrolowanych elektronicznie w układzie hamulcowym z odzyskiem energii, kierowca może nawet wybrać pewne ustawienia wstępne, które określają, jak pojazd reaguje w różnych sytuacjach. Na przykład w niektórych pojazdach kierowca może wybrać, czy hamowanie rekuperacyjne powinno rozpocząć się natychmiast po zdjęciu nogi z pedału przyspieszenia i czy układ hamulcowy doprowadzi samochód do 0 mph (0 kilometrów na godzinę), czy też pozwoli samochód lekko wybiega. Ponieważ tak wiele jest kontrolowanych elektronicznie w układzie hamulcowym z odzyskiem energii, kierowca może nawet wybrać pewne ustawienia wstępne, które określają, jak pojazd reaguje w różnych sytuacjach. Na przykład w niektórych pojazdach kierowca może wybrać, czy hamowanie rekuperacyjne powinno rozpocząć się natychmiast po zdjęciu nogi z pedału przyspieszenia i czy układ hamulcowy doprowadzi samochód do 0 mph (0 kilometrów na godzinę), czy też pozwoli samochód lekko wybiega. Ponieważ tak wiele jest kontrolowanych elektronicznie w układzie hamulcowym z odzyskiem energii, kierowca może nawet wybrać pewne ustawienia wstępne, które określają, jak pojazd reaguje w różnych sytuacjach. Na przykład w niektórych pojazdach kierowca może wybrać, czy hamowanie rekuperacyjne powinno rozpocząć się natychmiast po zdjęciu nogi z pedału przyspieszenia i czy układ hamulcowy doprowadzi samochód do 0 mph (0 kilometrów na godzinę), czy też pozwoli samochód lekko wybiega.

W przemyśle motoryzacyjnym panuje ogólny ruch w kierunku tak zwanych systemów brake-by-wire, w których wiele funkcji hamulców tradycyjnie wykonywanych mechanicznie będzie wykonywanych elektronicznie. Hybrydy i samochody elektryczne będą prawdopodobnie pierwszymi użytkownikami tego typu hamulców . Obecnie różni inżynierowie motoryzacyjni opracowali różne projekty obwodów, aby poradzić sobie ze złożonością hamowania regeneracyjnego; jednak we wszystkich przypadkach najważniejszą częścią obwodu hamowania jest sterownik hamowania , który omówimy w następnej sekcji.

­

Sterowniki hamulców to urządzenia elektroniczne, które mogą zdalnie sterować hamulcami , decydując o rozpoczęciu i zakończeniu hamowania oraz o tym, jak szybko należy je uruchomić. Na przykład w sytuacjach holowania sterowniki hamulców mogą zapewnić środki do koordynacji hamulców przyczepy z hamulcami pojazdu holującego.

Hamowanie z odzyskiem energii jest realizowane w połączeniu z systemami ABS, dzięki czemu sterownik hamowania z odzyskiem jest podobny do sterownika ABS, który monitoruje prędkość obrotową kół i różnicę w tej prędkości od

jedno koło do drugiego. W pojazdach korzystających z tego rodzaju hamulców sterownik hamulców nie tylko monitoruje prędkość kół, ale może obliczyć, jak duży moment obrotowy – siła obrotowa – jest dostępny do wytworzenia energii elektrycznej, która zostanie przekazana z powrotem do akumulatorów. Podczas operacji hamowania sterownik hamulca kieruje energię elektryczną wytwarzaną przez silnik do akumulatorów lub kondensatorów. Zapewnia to, że akumulatory otrzymują optymalną ilość energii, ale także zapewnia, że ​​dopływ energii elektrycznej nie przekracza możliwości akumulatorów.

Najważniejszą funkcją sterownika hamulca może być jednak decydowanie, czy silnik jest aktualnie w stanie poradzić sobie z siłą niezbędną do zatrzymania samochodu. Jeśli tak nie jest, sterownik hamulców przekazuje zadanie hamulcom ciernym, zapobiegając możliwej katastrofie. W pojazdach korzystających z tego typu hamulców, jak każda inna elektronika w samochodzie hybrydowym czy elektrycznym, sterownik hamulców umożliwia cały proces hamowania rekuperacyjnego.

­

How is a hybrid vehicle different from a fully electric vehicle? Well, hybrid electric vehicles use both an electric motor and an internal combustion engine to provide a best-of-both-worlds driving experience. They combine the driving range of an internal combustion engine with the fuel efficiency and emissions-free characteristics of an electric motor. If a hybrid is to have maximum fuel efficiency and produce as few carbon emissions as possible, it's important that the battery remain charged as long as possible. If a hybrid vehicle battery were to lose its charge, the internal combustion engine would be entirely responsible for powering the vehicle. At that point, the vehicle is no longer acting as a hybrid but rather just another car burning fossil fuels.

Inżynierowie motoryzacyjni wymyślili szereg sztuczek, aby wycisnąć maksymalną wydajność z hybryd, takich jak aerodynamiczne opływy nadwozi i użycie lekkich materiałów, ale jednym z najważniejszych jest prawdopodobnie hamowanie regeneracyjne. Jednak w konfiguracji hybrydowej tego typu hamulce mogą zasilać tylko część układu napędowego z silnikiem elektrycznym za pośrednictwem akumulatora pojazdu. Spalanie wewnętrzne

silnik nie czerpie korzyści z tego rodzaju hamulców.

Częściowo te wydajności są konieczne ze względu na ogromną trudność w znalezieniu miejsca do naładowania hybrydy. To sprawia, że ​​dłuższe podróże są trudne bez polegania na silniku spalinowym hybrydy, co w rzeczywistości niweluje niektóre zalety posiadania hybrydy.

W dalszej części dowiemy się o nowym podejściu do idei hamowania rekuperacyjnego.

­

Ford Motor Company i Eaton Corporation opracowują alternatywny układ hamulcowy z odzyskiem energii. Nazywa się Hydraulic Power Assist lub HPA. W przypadku HPA, gdy kierowca naciska hamulec, energia kinetyczna pojazdu jest wykorzystywana do napędzania pompy rewersyjnej, która przesyła płyn hydrauliczny z akumulatora niskociśnieniowego (rodzaju zbiornika magazynowego) wewnątrz pojazdu do akumulatora wysokociśnieniowego. Ciśnienie jest wytwarzane przez azot w akumulatorze, który jest sprężany, gdy płyn jest pompowany do przestrzeni, w której wcześniej znajdował się gaz. Spowalnia to pojazd i pomaga go zatrzymać. Płyn pozostaje pod ciśnieniem w akumulatorze do momentu ponownego naciśnięcia przez kierowcę pedału gazu, w którym to momencie pompa zostaje odwrócona, a płyn pod ciśnieniem wykorzystywany jest do przyspieszania pojazdu, skutecznie przekształcając energię kinetyczną samochodu przed hamowaniem na energię mechaniczną, która pomaga przywrócić pojazdowi prędkość. Ono'HybridCars.com ]. Ten odsetek stanowi jeszcze bardziej imponujący wzrost niż ten, który jest wytwarzany przez obecne układy hamulcowe z odzyskiem energii. Podobnie jak elektroniczne hamowanie regeneracyjne, tego rodzaju hamulce – systemy HPA – najlepiej nadają się do jazdy po mieście, gdzie ruch typu „stop-and-go” jest powszechny.

Do tej pory systemy HPA były wykorzystywane głównie jako weryfikacja koncepcji i tylko w projektach demonstracyjnych. Nie są jeszcze gotowe do produkcji modeli. Obecnie te hamulce hydrauliczne są głośne i podatne na wycieki; jednak po dopracowaniu wszystkich szczegółów takie systemy będą prawdopodobnie najbardziej przydatne w dużych ciężarówkach ważących 10 000 funtów (4536 kilogramów) lub więcej, gdzie tego typu hamulce mogą okazać się bardziej optymalnym systemem niż sterowane elektronicznie hamulce regeneracyjne.

Ostatecznie ta technologia może przeniknąć do mniejszych pojazdów. Jedna z firm, Hybrid-Drive Systems, LLC z Michigan, wyposażyła Volkswagena Beetle z 1968 roku w hydrauliczny układ hamulcowy z odzyskiem energii. Jednak akumulatory zajmują znaczną ilość miejsca, a przyszłe plany produkcyjne koncentrują się bardziej na wykorzystaniu technologii w większych pojazdach, takich jak vany. Tymczasem amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) nawiązała współpracę z Eaton Corporation w celu zainstalowania hydraulicznych układów hamulcowych z odzyskiem energii w samochodach dostawczych UPS.

­

Wydajność energetyczna konwencjonalnego samochodu wynosi tylko około 20 procent, a pozostałe 80 procent jego energii jest przekształcane w ciepło w wyniku tarcia. Cudowną rzeczą w hamowaniu regeneracyjnym jest to, że może być w stanie przechwycić nawet połowę zmarnowanej energii i przywrócić ją do pracy. Mogłoby to zmniejszyć zużycie paliwa o 10 do 25 procent. Hydrauliczne układy hamulcowe z odzyskiem energii mogą zapewnić jeszcze bardziej imponujące zyski, potencjalnie zmniejszając zużycie paliwa o 25 do 45 procent [źródło: HybridCars.com ]. W wieku, który może zobaczyć koniec

Spośród ogromnych rezerw paliw kopalnych, które od wielu lat dostarczają nam energię dla przemysłu motoryzacyjnego i innych technologii, i w których obawy dotyczące emisji dwutlenku węgla osiągają szczyt, ta dodatkowa wydajność staje się coraz ważniejsza.

Początek XXI wieku może bardzo dobrze oznaczać ostatni okres, w którym silniki spalinowe są powszechnie stosowane w samochodach. Już teraz producenci samochodów zmierzają w kierunku alternatywnych nośników energii,

takich jak akumulatory elektryczne, paliwo wodorowe, a nawet sprężone powietrze. Hamowanie regeneracyjne to mały, ale bardzo ważny krok w kierunku naszej ostatecznej niezależności od paliw kopalnych. Tego rodzaju hamulce pozwalają na używanie akumulatorów przez dłuższy czas bez konieczności podłączania do zewnętrznej ładowarki. Tego typu hamulce zwiększają również zasięg pojazdów w pełni elektrycznych. W rzeczywistości ta technologia już pomogła nam stworzyć samochody takie jak Tesla Roadster, które są całkowicie zasilane z akumulatora. Jasne, te samochody mogą korzystać z paliw kopalnych na etapie ładowania – to znaczy, jeśli źródłem energii elektrycznej jest paliwo kopalne, takie jak węgiel – ale kiedy są na drodze, mogą działać bez użycia paliw kopalnych, a to duży krok naprzód.

Dodatkowa skuteczność hamowania regeneracyjnego oznacza również mniejszy ból pompy, ponieważ hybrydy z silnikami elektrycznymi i hamulcami regeneracyjnymi mogą podróżować znacznie dalej na galonie benzyny, a niektóre osiągają w tym momencie ponad 50 mil na galon. I to jest coś, co większość kierowców może naprawdę docenić.

Ten prosty schemat pokazuje, w jaki sposób układ hamulcowy z odzyskiem energii jest w stanie odzyskać część energii kinetycznej pojazdu i przekształcić ją w energię elektryczną. Ta energia elektryczna jest następnie wykorzystywana do ładowania akumulatorów pojazdu.

Aby dowiedzieć się więcej o układach hamulcowych i powiązanych tematach motoryzacyjnych, sprawdź łącza na następnej stronie.

Pierwotnie opublikowany: 23 stycznia 2009 r.

Co robi hamowanie regeneracyjne?

Jak skuteczne jest hamowanie regeneracyjne?

Czy rowery elektryczne ładują się podczas pedałowania?

Jak zmaksymalizować hamowanie regeneracyjne?

Który silnik jest używany do hamowania odzyskowego?

Powiązane artykuły