Cum funcționează frânarea regenerativă

Mașinile cu căruciorul au fost printre primele vehicule care au utilizat tehnologia de frânare regenerativă. Vezi imaginile noastre despre frână. - © -iStockphoto / Lisa Anderson

-

De fiecare dată când pășești frânele mașinii, pierzi energie. Fizica ne spune că energia nu poate fi distrusă. Așadar, când mașina dvs. încetinește, energia cinetică care o propulsa înainte trebuie să plece undeva. Cele mai multe dintre ele pur și simplu se disipează ca căldură și devin inutile. Această energie, care ar fi putut fi folosită pentru a lucra, este practic risipită.

Există ceva ce tu, șoferul, poți face pentru a nu mai pierde această energie? Nu chiar. În majoritatea mașinilor este produsul inevitabil al frânării și nu există nicio modalitate de a conduce o mașină fără să lovești ocazional frânele. Inginerii auto însă s-au gândit mult la această problemă și au venit cu un fel de sistem de frânare care poate recaptura o mare parte din energia cinetică a mașinii și o poate transforma în electricitate, astfel încât să poată fi folosită pentru a reîncărca bateriile mașinii. Acest sistem se numește frânare regenerativă.

În prezent, aceste tipuri de frâne se găsesc în principal în vehicule hibride precum Toyota Prius și în mașini complet electrice, cum ar fi Tesla Roadster. În vehicule ca acestea, menținerea bateriei încărcate este de o importanță considerabilă. Cu toate acestea, tehnologia a fost folosită pentru prima dată în mașini cu troleibuze și ulterior și-a găsit drumul în locuri atât de puțin probabile precum bicicletele electrice și chiar mașinile de curse Formula 1.

-Într-un sistem de frânare tr-adițional, plăcuțele de frână produc frecare cu rotorii de frână pentru a încetini sau opri vehiculul. Se produc fricțiuni suplimentare între roțile încetinite și suprafața drumului. Această frecare este ceea ce transformă energia cinetică a mașinii în căldură. Cu frâne regenerative, pe de altă parte, sistemul care conduce vehiculul face majoritatea frânării. Când șoferul pășește pe pedala de frână a unui vehicul electric sau hibrid, aceste tipuri de frâne pun motorul electric al vehiculului în modul invers, determinând-o să circule înapoi, încetinind astfel roțile mașinii. În timp ce rulează înapoi, motorul acționează, de asemenea, ca un generator electric, producând energie electrică care este apoi introdusă în bateriile vehiculului. Aceste tipuri de frâne funcționează mai bine la anumite viteze decât la altele. De fapt, acestea sunt cele mai eficiente în situații de conducere de tip „stop and go”. Cu toate acestea, hibrizii și mașinile complet electrice au și frâne de frecare, ca un fel de sistem de rezervă în situațiile în care frânarea regenerativă pur și simplu nu va furniza suficientă putere de oprire. În aceste cazuri, este important ca șoferii să fie conștienți de faptul că pedala de frână ar putea răspunde diferit la presiune. Pedala se va deprinde uneori mai departe spre podea decât o face în mod normal și această senzație poate provoca panică de moment în șoferi.

În paginile următoare, vom arunca o privire mai detaliată asupra funcționării unui sistem de frânare regenerativ și vom discuta motivele pentru care frânarea regenerativă este mai eficientă decât un sistem tipic de frânare de frecare.

cuprins

1. Circuite de frânare regenerative
2. Controlere de frânare regenerative
3. Frânare regenerativă hibridă
4. Frânare cu regenerare hidraulică
5. Eficiență de frânare regenerativă
6. Diagrama de frânare regenerativă

Mașinile hibride și complet electrice folosesc sisteme de frânare regenerative pentru încărcarea bateriilor. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG

Frânarea regenerativă se utilizează la vehiculele care utilizează motoare electrice, în principal vehicule complet electrice și vehicule electrice hibride. Una dintre proprietățile mai interesante ale unui motor electric este aceea că, atunci când este rulat într-o direcție, transformă energia electrică în energie mecanică care poate fi folosită pentru a efectua lucrări (cum ar fi rotirea roților unei mașini), dar când motorul este rulat în direcția opusă, un motor proiectat corespunzător devine un generator electric, transformând energia mecanică în energie electrică. Această energie electrică poate fi apoi alimentată într-un sistem de încărcare a bateriilor mașinii.

Într-un sistem de frânare regenerativ, trucul pentru a determina motorul să circule înapoi este să utilizeze impulsul vehiculului ca energie mecanică care pune motorul în sens invers. Momentul este proprietatea care menține vehiculul în mișcare înainte odată ce a fost ridicat la viteză. După ce motorul a fost inversat, energia electrică generată de motor este readusă în baterii, unde poate fi folosită pentru a accelera din nou mașina după ce se oprește. Circuitul electronic sofisticat este necesar pentru a decide când motorul trebuie să se întoarcă, în timp ce circuitele electrice specializate direcționează energia electrică generată de motor în bateriile vehiculului. În unele cazuri, energia produsă de aceste tipuri de frâne este stocată într-o serie de condensatoare pentru utilizarea ulterioară. În plus, având în vedere că vehiculele care utilizează aceste tipuri de frâne au și un sistem standard de frânare prin frecare, electronica vehiculului trebuie să decidă ce sistem de frânare este adecvat la momentul respectiv. Deoarece atât de mult este controlat electronic într-un sistem de frânare regenerativ, este chiar posibil ca șoferul să selecteze anumite presetări care determină modul în care vehiculul reacționează în diferite situații. De exemplu, în unele vehicule, șoferul poate alege dacă frânarea regenerativă ar trebui să înceapă imediat dacă piciorul șoferului coboară de pe pedala de accelerație și dacă sistemul de frânare va duce mașina până la 0 km / h (0 km / oră) sau va lăsa coasta mașinii ușor.

Există o mișcare generală în industria auto către așa-numitele sisteme de frână-cu-fir, unde multe dintre funcțiile frânelor care au fost îndeplinite în mod tradițional mecanic vor fi îndeplinite electronic. Hibrizii și mașinile electrice vor fi probabil adoptatorii timpurii ai acestor tipuri de frâne. În prezent, diferiți ingineri auto au conceput circuite diferite pentru a face față complexităților frânării regenerative; cu toate acestea, în toate cazurile, cea mai importantă parte a circuitelor de frânare este controlerul de frânare, despre care vom discuta în secțiunea următoare.

Sistemele de frânare regenerative sunt deosebit de eficiente în condiții de conducere stop-and-go. © -iStockphoto / -Dave Herriman

-

Regulatoarele de frână sunt dispozitive electronice care pot controla frânele de la distanță, decizând momentul în care frânarea începe, se termină și cât de repede trebuie să fie aplicate frânele. În situații de remorcare, de exemplu, regulatoarele de frână pot oferi un mijloc de coordonare a frânelor pe o remorcă cu frânele vehiculului care efectuează tractarea.

Frânarea regenerativă este implementată împreună cu sistemele de frânare anti-blocare (ABS), deci regulatorul de frânare regenerativ este similar cu un controler ABS, care monitorizează viteza de rotație a roților și diferența de viteză de la

o roată la alta. În vehiculele care folosesc aceste tipuri de frâne, regulatorul de frână nu numai că monitorizează viteza roților, dar poate calcula cât de mult cuplu - forța de rotație - este disponibil pentru a genera energie electrică pentru a fi alimentat din nou în baterii. În timpul operației de frânare, regulatorul de frână direcționează energia electrică produsă de motor în baterii sau condensatoare. Se asigură că o cantitate optimă de energie este primită de baterii, dar asigură, de asemenea, că fluxul de energie electrică nu este mai mare decât pot suporta bateriile.

Cea mai importantă funcție a regulatorului de frână poate fi aceea de a decide dacă motorul este capabil să manipuleze forța necesară pentru oprirea autoturismului. Dacă nu, regulatorul de frână întoarce treaba la frânele de frecare, evitând posibile catastrofe. La vehiculele care folosesc aceste tipuri de frâne, la fel ca orice altă componentă electronică de la bordul unei mașini hibride sau electrice, regulatorul de frână face întregul proces de frânare regenerativ posibil.

Vehiculele hibride folosesc un motor cu combustie internă și un motor electric. © -iStockphoto / -David H. Lewis

-

Prin ce diferă un vehicul hibrid de un vehicul complet electric? Ei bine, vehiculele electrice hibride folosesc atât un motor electric, cât și un motor cu ardere internă pentru a oferi o experiență de conducere optimă. Acestea combină gama de conducere a unui motor cu combustie internă cu eficiența combustibilului și caracteristicile fără emisii ale unui motor electric. Dacă un hibrid trebuie să aibă eficiență maximă de combustibil și să producă cât mai puține emisii de carbon, este important ca bateria să rămână încărcată cât mai mult timp. Dacă o baterie a vehiculului hibrid și-ar pierde încărcarea, motorul cu ardere internă ar fi complet responsabil pentru alimentarea vehiculului. În acel moment, vehiculul nu mai acționează ca un hibrid, ci doar o altă mașină care arde combustibili fosili.

Inginerii auto au oferit o serie de trucuri pentru a reduce eficiența maximă a hibrizilor, cum ar fi fluidizarea aerodinamică a corpurilor și utilizarea materialelor ușoare, dar, probabil, unul dintre cele mai importante este frânarea regenerativă. Cu toate acestea, într-o configurație hibridă, aceste tipuri de frâne pot furniza energie numai pentru partea electrică a motorului de antrenare prin bateria vehiculului. Arderea internă

motorul nu câștigă niciun avantaj din aceste frâne.

În parte, aceste eficiențe sunt necesare datorită dificultății extreme de a găsi un loc pentru a reîncărca un hibrid. Acest lucru îngreunează deplasările mai lungi fără a te baza pe motorul cu combustie internă al hibridului, care anulează de fapt un avantaj al deținerii unui hibrid.

În continuare, vom afla despre o nouă abordare a acestei idei de frânare regenerativă.

Sistemele de frânare Hydraulic Power Assist (HPA) se pot dovedi a fi cele mai utile în camioanele mari. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold

-

Ford Motor Company și Eaton Corporation dezvoltă un sistem alternativ de frânare regenerativă. Se numeste Asistență hidraulică sau HPA. Cu HPA, atunci când șoferul calcă pe frână, energia cinetică a vehiculului este utilizată pentru a alimenta o pompă reversibilă, care trimite fluid hidraulic de la un acumulator de joasă presiune (un fel de rezervor de stocare) în interiorul vehiculului într-un acumulator de înaltă presiune. Presiunea este creată de gazul de azot din acumulator, care este comprimat pe măsură ce fluidul este pompat în spațiul pe care gazul îl ocupa anterior. Acest lucru încetinește vehiculul și ajută la oprirea acestuia. Lichidul rămâne sub presiune în acumulator până când șoferul împinge din nou acceleratorul, moment în care pompa este inversată și fluidul sub presiune este utilizat pentru a accelera vehiculul, traducând eficient energia cinetică pe care o avea mașina înainte de frânare în energia mecanică care ajută la recuperarea vitezei vehiculului. Se prezice că un astfel de sistem ar putea stoca 80% din impulsul pierdut de un vehicul în timpul decelerării și îl poate folosi pentru a face vehiculul să se miște din nou [sursa: HybridCars.com]. Acest procent reprezintă un câștig și mai impresionant decât ceea ce este produs de sistemele de frânare regenerative actuale. Ca și frânarea cu regenerare electronică, aceste tipuri de frâne - sisteme HPA - sunt utilizate cel mai bine pentru conducerea orașului, unde traficul stop-and-go este frecvent.

Până în prezent, sistemele HPA au fost utilizate în principal ca dovadă a conceptului și numai în proiectele demonstrative. Nu sunt tocmai pregătiți pentru modelele de producție. În prezent, aceste frâne hidraulice sunt zgomotoase și predispuse la scurgeri; cu toate acestea, în cazul în care toate detaliile sunt curățate, astfel de sisteme vor fi probabil cele mai utile în camioanele mari cu o greutate de 10.000 de lire sterline (4.536 kilograme) sau mai mult, unde aceste tipuri de frâne s-ar putea dovedi a fi un sistem mai optim decât regenerativ controlat electronic frâne.

-În cele din urmă, această tehnologie se poate reduce către vehicule mai mici. O companie, Hybrid-Drive Systems, LLC, din Michigan, a reamenajat un gândac Volkswagen din 1968 cu un sistem de frânare regenerativ hidraulic. Cu toate acestea, acumulatorii ocupă o cantitate considerabilă de spațiu, iar planurile de producție viitoare sunt concentrate mai mult pe utilizarea tehnologiei în vehicule mai mari, cum ar fi autoutilitarele. Între timp, Agenția pentru Protecția Mediului (EPA) din SUA s-a asociat cu Eaton Corporation pentru a instala sisteme de frânare regenerative hidraulice pe camioanele de livrare UPS.

Tesla Roadster este o mașină complet electrică. Vince Bucci / -Getty Images

-

Eficiența energetică a unei mașini convenționale este de aproximativ 20%, restul de 80 la sută din energia sa fiind transformată în căldură prin frecare. Lucrul miraculos al frânării regenerative este că poate fi capabil să capteze cât mai mult de jumătate din energia pierdută și să o pună din nou la treabă. Aceasta ar putea reduce consumul de combustibil cu 10 până la 25 la sută. Sistemele de frânare regenerative hidraulice ar putea oferi câștiguri și mai impresionante, reducând consumul de combustibil cu 25 până la 45 la sută [sursa: HybridCars.com]. Într-un secol care poate vedea sfârșitul

din vaste rezerve de combustibili fosili care ne-au furnizat energie pentru tehnologii auto și alte tehnologii timp de mai mulți ani și în care temerile cu privire la emisiile de carbon ajung la un maxim, această eficiență suplimentară devine din ce în ce mai important.

Începutul secolului XXI ar putea foarte bine să marcheze perioada finală în care motoarele cu combustie internă sunt utilizate frecvent în mașini. Deja producătorii auto se îndreaptă către transportatorii de energie alternativă,

cum ar fi bateriile electrice, combustibilul cu hidrogen și chiar aerul comprimat. Frânarea regenerativă este un pas mic, dar foarte important, spre independența noastră eventuală față de combustibilii fosili. Aceste tipuri de frâne permit utilizarea bateriilor pentru perioade mai lungi de timp, fără a fi necesară conectarea la un încărcător extern. Aceste tipuri de frâne extind și gama de conducere a vehiculelor complet electrice. De fapt, această tehnologie ne-a ajutat deja să ne aducă mașini precum Tesla Roadster, care funcționează în totalitate pe baterie. Sigur, aceste mașini pot utiliza combustibili fosili în stadiul de reîncărcare - adică, dacă sursa de electricitate provine de la un combustibil fosil, cum ar fi cărbunele - dar atunci când sunt pe drum, acestea pot funcționa fără niciun folos de combustibili fosili, și acesta este un mare pas înainte.

Eficiența suplimentară a frânării regenerative înseamnă, de asemenea, mai puțină durere la pompă, deoarece hibrizii cu motoare electrice și frâne regenerative pot călători considerabil mai departe pe un galon de gaz, unii atingând peste 50 de mile pe galon în acest moment. Și asta este ceva pe care majoritatea șoferilor îl pot aprecia cu adevărat.

-

-Această diagramă simplă arată modul în care un sistem de frânare regenerativ este capabil să recupereze o parte din energia cinetică a vehiculului și să o transforme în electricitate. Această energie electrică este folosită pentru a reîncărca bateriile vehiculului.

-Pentru a afla mai multe despre sistemele de frânare și subiecte legate de automobile, consultați linkurile de pe pagina următoare.-

Articole similare

• Cum funcționează frânele
• Cum funcționează frânele cu disc
• Cum funcționează frânele cu tambur
• Cum funcționează frânele anti-blocare
• Cum funcționează frânele de aer
• Cum funcționează frânele de putere
• Cum funcționează plăcuțele de frână
• Cum funcționează rotorii de frână
• Cum funcționează etrierile de frână
• Cum funcționează liniile de frână

surse

• BrakeByWire.com. (13 ianuarie 2009) http://www.brakebywire.com/
• Cantwell, Katie. "Prezentare generală a regenerării." Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 mai 2002. (13 ianuarie 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
• Chen, Jason. "Panasonic face bicicletă electrică cu frânare regenerativă." Gizmodo. 7 iulie 2008. (13 ianuarie 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
• Corporația continentală. "ISAD și EHB fac mașinile mai economice și mai ecologice." 17 martie 2002. (13 ianuarie 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 și Freescale parteneră pentru frânare regenerativă." Ars Technica. 5 noiembrie 2008. (13 ianuarie 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
• HybridCars.com. "Hibrizi hidraulici." 3 aprilie 2006. (13 ianuarie 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
• Torrens, Richard. "Frânare Regen." 4QD. 3 noiembrie 2008. (13 ianuarie 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
• Tur, Okan și colab. "Notă de aplicare privind frânarea regenerativă a vehiculelor electrice ca sistem de frânare anti-blocare." Ansoft, LLC. 11 aprilie 2006. (13 ianuarie 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf