Hur fungerar regenerativ bromsning

Trolleybilar var bland de första fordonen som använde regenerativ bromssteknik. Kolla in våra bromsbilder. - © -iStockphoto / Lisa Anderson

-

Varje gång du går på bilens bromsar slösar du energi. Fysiken säger att energi inte kan förstöras. Så när din bil saktar ner måste den kinetiska energin som drivde den framåt gå någonstans. Det mesta av det sprids helt enkelt som värme och blir värdelöst. Denna energi, som kunde ha använts för att utföra arbete, är i huvudsak slösas bort.

Finns det något du, föraren, kan göra för att sluta slösa bort denna energi? Inte riktigt. I de flesta bilar är det den oundvikliga biprodukten av bromsning och det finns inget sätt att köra bil utan att ibland slå på bromsarna. Men biltekniker har tänkt detta problem mycket och har kommit med ett slags bromssystem som kan återfånga mycket av bilens kinetiska energi och omvandla den till el, så att den kan användas för att ladda bilens batterier. Detta system kallas regenerativ bromsning.

För närvarande finns dessa typer av bromsar främst i hybridfordon som Toyota Prius, och i helt elektriska bilar, som Tesla Roadster. I sådana fordon är det mycket viktigt att hålla batteriet laddat. Tekniken användes dock först i vagnsbilar och har sedan hittat sin väg till sådana osannolika platser som elcyklar och till och med Formel 1 racerbilar.

-I ett tr-tilläggsbromssystem producerar bromsbelägg friktioner med bromsrotorerna för att bromsa eller stoppa fordonet. Ytterligare friktion skapas mellan de långsamma hjulen och vägytan. Denna friktion är det som förvandlar bilens kinetiska energi till värme. Med regenerativa bromsar, å andra sidan, gör systemet som driver fordon merparten av bromsningen. När föraren stiger på bromspedalen på ett el- eller hybridfordon sätter dessa typer av bromsar fordonets elmotor i omvändt läge, vilket får den att köra bakåt och på så sätt bromsa bilens hjul. När den körs bakåt fungerar motorn också som en elektrisk generator och producerar el som sedan matas in i bilens batterier. Dessa typer av bromsar fungerar bättre med vissa hastigheter än hos andra. I själva verket är de mest effektiva i stop-and-go körsituationer. Emellertid har hybrider och helt elektriska bilar också friktionsbromsar, som ett slags säkerhetssystem i situationer där regenerativ bromsning helt enkelt inte ger tillräckligt med stoppkraft. I dessa fall är det viktigt att förarna är medvetna om att bromspedalen kan reagera annorlunda på trycket. Pedalen kommer ibland att trycka ner längre mot golvet än den brukar göra och denna känsla kan orsaka panik i föraren.

På de följande sidorna tar vi en mer detaljerad titt på hur ett regenerativt bromssystem fungerar, och vi kommer att diskutera orsaker till att regenerativ bromsning är effektivare än ett typiskt friktionsbromssystem.

Innehåll

1. Regenerativa bromscirkler
2. Regenerativa bromsreglage
3. Hybrid regenerativ bromsning
4. Hydraulisk regenerativ bromsning
5. Regenerativ bromseffektivitet
6. Regenerativ bromsdiagram

Hybrid- och helelektriska bilar använder regenererande bromssystem för att ladda batterierna. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG

Regenerativ bromsning används i fordon som använder elmotorer, främst helelektriska fordon och hybridelektriska fordon. En av de mer intressanta egenskaperna hos en elmotor är att när den körs i en riktning konverterar den elektrisk energi till mekanisk energi som kan användas för att utföra arbete (som att vrida på en bil), men när motorn är kör i motsatt riktning, en korrekt utformad motor blir en elektrisk generator som omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Denna elektriska energi kan sedan matas in i ett laddningssystem för bilens batterier.

I ett regenererande bromssystem är knepet att få motorn att köra bakåt att använda fordonets momentum som den mekaniska energin som sätter motorn i bakåt. Momentum är den egenskap som håller fordonet framåt när det är uppåt. När motorn har vänt tillbaka matas den elektricitet som genereras av motorn tillbaka till batterierna, där den kan användas för att påskynda bilen igen efter att den har stannat. Sofistikerade elektroniska kretsar är nödvändiga för att bestämma när motorn ska vända, medan specialiserade elektriska kretsar leder strömmen som genereras av motorn till fordonets batterier. I vissa fall lagras energin som produceras av dessa typer av bromsar i en serie kondensatorer för senare användning. Eftersom fordon som använder denna typ av bromsar också har ett standardfriktionsbromssystem måste fordonets elektronik avgöra vilket bromssystem som är lämpligt vid vilken tidpunkt. Eftersom så mycket styrs elektroniskt i ett regenererande bromssystem är det till och med möjligt för föraren att välja vissa förinställningar som avgör hur fordonet reagerar i olika situationer. I vissa fordon kan till exempel en förare välja om regenerativ bromsning ska börja omedelbart när förarens fot kommer från gaspedalen och om bromssystemet tar bilen hela vägen till 0 km / h (0 kilometer per timme) eller låter bil kusten något.

Det finns en allmän rörelse inom bilindustrin mot så kallade broms-för-trådsystem där många av funktionerna hos bromsar som traditionellt har utförts mekaniskt kommer att utföras elektroniskt. Hybrider och elbilar kommer förmodligen att vara tidiga adopterare av dessa bromstyper. För närvarande har olika bilingenjörer kommit med olika kretsdesign för att hantera komplexiteten i regenerativ bromsning; emellertid, i alla fall är den enda viktigaste delen av bromskretsen bromsstyrenheten, som vi kommer att diskutera i nästa avsnitt.

Regenerativa bromssystem är särskilt effektiva vid körning. © -iStockphoto / -Dave Herriman

-

Bromskontroller är elektroniska apparater som kan styra bromsar på distans och bestämma när bromsningen börjar, slutar och hur snabbt bromsarna måste appliceras. I bogseringssituationer kan till exempel bromskontroller tillhandahålla ett sätt att samordna bromsarna på en släp med bromsarna på fordonet som bogserar.

Regenerativ bromsning implementeras i kombination med antislussbromssystem (ABS), så den regenerativa bromsregleringen liknar en ABS-styrenhet, som övervakar hjulens rotationshastighet och skillnaden i hastigheten från

ett hjul till ett annat. I fordon som använder denna typ av bromsar övervakar bromskontrollen inte bara hjulens hastighet, utan den kan beräkna hur mycket vridmoment - rotationskraft - som är tillgängligt för att generera el som ska matas tillbaka i batterierna. Under bromsningen leder bromskontrollen elektriciteten som produceras av motorn till batterierna eller kondensatorerna. Det ser till att en optimal mängd ström tas emot av batterierna, men säkerställer också att tillströmningen av el inte är mer än vad batterierna klarar av.

Den viktigaste funktionen hos bromskontrollen kan dock vara att avgöra om motorn för närvarande kan hantera den kraft som krävs för att stoppa bilen. Om det inte är det, övergår bromskontrollen jobbet till friktionsbromsarna, vilket förhindrar eventuell katastrof. I fordon som använder dessa typer av bromsar, lika mycket som någon annan elektronik ombord på en hybrid eller elbil, gör bromskontrollen hela den regenerativa bromsprocessen möjlig.

Hybridfordon använder en förbränningsmotor och en elektrisk motor. © -iStockphoto / -David H. Lewis

-

Hur skiljer sig ett hybridfordon från ett helelektriskt fordon? Tja, hybridelektriska fordon använder både en elmotor och en förbränningsmotor för att ge en bäst-av-båda världarna körupplevelse. De kombinerar körområdet för en förbränningsmotor med en elmotors bränsleeffektivitet och utsläppsfria egenskaper. Om en hybrid ska ha maximal bränsleeffektivitet och producera så få koldioxidutsläpp som möjligt är det viktigt att batteriet förblir laddat så länge som möjligt. Om ett hybridbilbatteri skulle förlora sin laddning, skulle förbränningsmotorn vara helt ansvarig för att driva fordonet. Då fungerar fordonet inte längre som en hybrid utan bara en annan bil som bränner fossila bränslen.

Biltekniker har kommit med ett antal knep för att vrida maximal effektivitet från hybrider, som aerodynamisk strömlinjeformning av karosserna och användning av lätta material, men utan tvekan är det viktigaste regenerativ bromsning. I en hybridinställning kan emellertid dessa typer av bromsar endast ge kraft till drivmotorns elektriska motordel via fordonets batteri. Förbränning

motorn får ingen fördel av dessa typer av bromsar.

Delvis är dessa effektiviteter nödvändiga på grund av den extrema svårigheten att hitta en plats att ladda en hybrid. Detta gör längre resor svåra utan att förlita sig på hybridens förbränningsmotor, som faktiskt avbryter en del av fördelen med att äga en hybrid.

Därefter kommer vi att lära oss om ett nytt tag på denna idé om regenerativ bromsning.

Hydraulic Power Assist (HPA) bromssystem kan visa sig vara mest användbart i stora lastbilar. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold

-

Ett alternativt regenererande bromssystem utvecklas av Ford Motor Company och Eaton Corporation. Det heter Hydraulisk kraftassistent eller HPA. Med HPA, när föraren stiger på bromsen, används fordonets kinetiska energi för att driva en reversibel pump, som skickar hydraulvätska från en lågtrycksackumulator (en slags lagringstank) inuti fordonet till en högtrycksackumulator. Trycket skapas av kvävgas i ackumulatorn, som komprimeras när vätskan pumpas in i utrymmet som gasen tidigare upptog. Detta bromsar fordonet och hjälper till att stoppa det. Vätskan förblir under tryck i ackumulatorn tills föraren trycker på gaspådraget igen, vid vilken punkt pumpen vänds och trycksatt vätska används för att påskynda fordonet, vilket effektivt översätter den kinetiska energi som bilen hade innan bromsning till den mekaniska energin som hjälper till att få bilen uppåt igen. Det förutspås att ett sådant system kan lagra 80 procent av det fart som förlorats av ett fordon under retardation och använda det för att få fordonet att flytta igen [källa: HybridCars.com]. Denna procentandel representerar en ännu mer imponerande vinst än vad som produceras av nuvarande regenererande bromssystem. Liksom elektronisk regenerativ bromsning används dessa typer av bromsar - HPA-system - bäst för stadskörning, där stop-and-go-trafik är vanligt.

Hittills har HPA-system främst använts som bevis för koncept och endast i demonstrationsprojekt. De är inte riktigt redo för produktionsmodeller ännu. För närvarande är dessa hydrauliska bromsar bullriga och benägna att läcka; emellertid är alla detaljer strykade ut, sådana system kommer förmodligen att vara mest användbara i stora lastbilar som väger 10 000 pund (4536 kg) eller mer, där dessa typer av bromsar kan visa sig vara ett mer optimalt system än elektroniskt styrd regenerativ bromsar.

-Så småningom kan denna teknik sippra ner till mindre fordon. Ett företag, Hybrid-Drive Systems, LLC, av Michigan, har eftermonterat en Volkswagen Beetle från 1968 med ett hydrauliskt regenererande bromssystem. Emellertid tar ackumulatorerna mycket plats och framtida produktionsplaner fokuserar mer på att använda tekniken i större fordon, som skåpbilar. Samtidigt har den amerikanska miljöskyddsbyrån (EPA) samarbetat med Eaton Corporation för att installera hydrauliska regenererande bromssystem på UPS-lastbilar.

Tesla Roadster är en helt elbil. Vince Bucci / -Getty Images

-

En konventionell bils energieffektivitet är bara cirka 20 procent, med återstående 80 procent av dess energi omvandlas till värme genom friktion. Det mirakulösa med regenerativ bromsning är att den kanske kan fånga upp så mycket som hälften av den bortkastade energin och sätta tillbaka den i arbete. Detta kan minska bränsleförbrukningen med 10 till 25 procent. Hydrauliska regenererande bromssystem kan ge ännu mer imponerande vinster och potentiellt minska bränsleförbrukningen med 25 till 45 procent [källa: HybridCars.com]. I ett sekel som kan se slutet

av de stora fossila bränslereserven som har gett oss energi för fordons- och annan teknik under många år, och där rädsla för koldioxidutsläpp kommer till en topp, blir denna ökade effektivitet allt viktigare.

Början av 2000-talet kunde mycket väl markera den sista perioden där förbränningsmotorer ofta används i bilar. Redan bilproducenter går mot alternativa energibärare,

som elektriska batterier, vätebränsle och till och med tryckluft. Regenerativ bromsning är ett litet men ändå mycket viktigt steg mot vårt eventuella oberoende från fossila bränslen. Dessa typer av bromsar gör det möjligt att använda batterier under längre tid utan att behöva anslutas till en extern laddare. Dessa typer av bromsar utvidgar också körområdet för helelektriska fordon. Faktum är att denna teknik redan har hjälpt oss att bilar som Tesla Roadster, som helt körs på batterikraft. Visst kan dessa bilar använda fossila bränslen vid laddningsstadiet - det vill säga om elkällan kommer från ett fossilt bränsle som kol - men när de är ute på vägen kan de fungera utan användning av fossila bränslen alls, och det är ett stort steg framåt.

Den extra effektiviteten för regenerativ bromsning innebär också mindre smärta vid pumpen, eftersom hybrider med elmotorer och regenererande bromsar kan röra sig betydligt längre på en gallon gas, vissa uppnår mer än 50 mil per gallon vid denna punkt. Och det är något som de flesta förare verkligen kan uppskatta.

-

-Detta enkla diagram visar hur ett regenerativt bromssystem kan återta en del av fordonets kinetiska energi och omvandla den till elektricitet. Denna elektricitet används sedan för att ladda fordonets batterier.

-För att lära dig mer om bromssystem och relaterade fordonsämnen, kolla in länkarna på nästa sida.-

Relaterade artiklar

• Hur bromsar fungerar
• Hur skivbromsar fungerar
• Hur trumbromsar fungerar
• Hur Anti-Lock Bromsar fungerar
• Hur luftbromsar fungerar
• Hur kraftbromsar fungerar
• Hur bromsbelägg fungerar
• Hur bromsrotorer fungerar
• Hur bromsok fungerar
• Hur bromslinjer fungerar

källor

• BrakeByWire.com. (13 jan 2009) http://www.brakebywire.com/
• Cantwell, Katie. "Översyn av förnyelse." Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 maj 2002. (13 jan. 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
• Chen, Jason. "Panasonic gör elcykel med regenerativ bromsning." Gizmodo. 7 juli 2008. (13 jan 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
• Continental Corporation. "ISAD och EHB gör bilar mer ekonomiska och miljövänligare." 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 och Freescale samarbetar för regenerativ bromsning." Ars Technica. 5 nov 2008. (13 jan 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
• HybridCars.com. "Hydrauliska hybrider." 3 april 2006. (13 jan 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
• Torrens, Richard. "Regen bromsning." 4QD. 3 november 2008. (13 jan 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
• Tur, Okan et al. "Applikationsanteckning om regenerativ bromsning av elektriska fordon som ett låsande bromssystem." Ansoft, LLC. 11 april 2006. (13 jan. 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf