Pedeorelha | Jak działa hamowanie regeneracyjne

Peter Tucker
0
4844
896

Wagony trolejbusowe były jednymi z pierwszych pojazdów wykorzystujących technologię hamowania regeneracyjnego. Zobacz nasze zdjęcia hamulców. - © -iStockphoto / Lisa Anderson

Za każdym razem, gdy naciskasz hamulec 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 jako ciepło i staje się bezużyteczna. Ta energia, która mogłaby zostać użyta do wykonania pracy, jest zasadniczo marnowana.

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

Obecnie tego typu hamulce można znaleźć głównie w pojazdach hybrydowych, takich jak Toyota Prius, oraz w samochodach w pełni elektrycznych, takich jak Tesla Roadster. W takich pojazdach utrzymanie naładowanego akumulatora ma duże znaczenie. Jednak technologia ta została po raz pierwszy zastosowana w trolejbusach, a następnie znalazła zastosowanie w tak nieprawdopodobnych miejscach, jak rowery elektryczne, a nawet samochody wyścigowe Formuły 1..

-W trój-dodatkowym układzie hamulcowym klocki hamulcowe wytwarzają tarcie z tarczami hamulcowymi w celu spowolnienia lub zatrzymania pojazdu. Dodatkowe tarcie powstaje między zwolnionymi kołami a powierzchnią drogi. To tarcie zamienia energię kinetyczną samochodu w ciepło. Z drugiej strony, w przypadku hamulców regeneracyjnych, większość hamowania wykonuje system napędzający pojazd. Kiedy kierowca naciska na pedał hamulca pojazdu elektrycznego lub hybrydowego, tego typu hamulce przestawiają silnik elektryczny pojazdu w tryb cofania, powodując jego jazdę do tyłu, spowalniając w ten sposób koła samochodu. Podczas jazdy do tyłu silnik działa również jak generator elektryczny, wytwarzając energię elektryczną, która jest następnie podawana do akumulatorów pojazdu. Tego typu hamulce działają lepiej przy pewnych prędkościach niż przy innych. W rzeczywistości są najbardziej skuteczne w sytuacjach, gdy trzeba się zatrzymać i ruszać. Jednak samochody hybrydowe i w pełni elektryczne mają również hamulce cierne, jako rodzaj systemu rezerwowego 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 czasami wciska się dalej w kierunku podłogi niż normalnie i to uczucie może wywołać chwilową panikę u kierowców.

Na następnych stronach przyjrzymy się bardziej szczegółowo, jak działa regeneracyjny układ hamulcowy i omówimy powody, dla których hamowanie regeneracyjne jest bardziej wydajne niż typowy układ hamulcowy cierny.

Zawartość

Regeneracyjne obwody hamowania
Sterowniki hamowania regeneracyjnego
Hybrydowe hamowanie regeneracyjne
Hydrauliczne hamowanie regeneracyjne
Efektywność hamowania z odzyskiem energii
Schemat hamowania regeneracyjnego

Samochody hybrydowe iw pełni elektryczne wykorzystują regeneracyjne układy hamulcowe do ładowania akumulatorów. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG

Hamowanie regeneracyjne stosuje się w pojazdach wykorzystujących silniki elektryczne, przede wszystkim w pojazdach w pełni elektrycznych oraz pojazdach hybrydowych. Jedną z ciekawszych właściwości silnika elektrycznego jest to, że gdy porusza się w jednym kierunku, zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną, którą można wykorzystać do wykonywania pracy (np. Obracanie kołami samochodu), ale gdy silnik jest biegnie w przeciwnym kierunku, odpowiednio zaprojektowany silnik staje się generatorem elektrycznym, przekształcającym energię mechaniczną w energię elektryczną. Ta energia elektryczna może być następnie wprowadzona do układu ładowania akumulatorów samochodu.

W układzie hamulcowym z odzyskiem energii, sztuczka powodująca, że silnik pracuje do tyłu, polega na wykorzystaniu pędu pojazdu jako energii mechanicznej, która wprawia silnik w bieg wsteczny. Pęd to właściwość, dzięki której pojazd porusza się do przodu po rozpędzeniu się. Gdy silnik zostanie odwrócony, energia elektryczna wytwarzana przez silnik jest zwracana do akumulatorów, gdzie można ją wykorzystać do ponownego przyspieszenia samochodu po zatrzymaniu. Aby zdecydować, kiedy silnik powinien się cofnąć, konieczne są wyrafinowane obwody elektroniczne, podczas gdy specjalistyczne obwody elektryczne kierują energię elektryczną wytwarzaną przez silnik do akumulatorów pojazdu. W niektórych przypadkach energia wytwarzana przez tego typu hamulce jest przechowywana w szeregu kondensatorów do późniejszego wykorzystania. Ponadto, ponieważ pojazdy używające tego rodzaju hamulców mają również standardowy układ hamulcowy cierny, elektronika pojazdu musi zdecydować, który układ hamulcowy jest odpowiedni w danym momencie. Ponieważ tak wiele jest sterowanych elektronicznie w systemie hamowania odzyskowego, kierowca może nawet wybrać określone ustawienia wstępne, które określają, jak pojazd zachowuje się w różnych sytuacjach. Na przykład w niektórych pojazdach kierowca może wybrać, czy hamowanie regeneracyjne ma się rozpoczynać natychmiast, gdy tylko noga kierowcy zostanie zdjęta z pedału przyspieszenia i czy układ hamulcowy przestawi samochód do 0 mil na godzinę (0 kilometrów na godzinę), czy też pozwoli lekkie wybrzeże samochodu.

W przemyśle motoryzacyjnym panuje powszechny ruch w kierunku tak zwanych układów hamulcowych z przewodem, w których wiele funkcji hamulców, które tradycyjnie były wykonywane mechanicznie, będzie wykonywanych elektronicznie. Hybrydy i samochody elektryczne prawdopodobnie będą pierwszymi nabywcami tego typu hamulców. Obecnie różni inżynierowie motoryzacyjni opracowali różne projekty obwodów, aby poradzić sobie ze złożonością hamowania regeneracyjnego; jednak we wszystkich przypadkach najważniejszą częścią układu hamowania jest sterownik hamowania, który omówimy w następnej sekcji.

Regeneracyjne układy hamulcowe są szczególnie skuteczne w warunkach jazdy typu „stop and go”. © -iStockphoto / -Dave Herriman

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

Hamowanie regeneracyjne jest realizowane w połączeniu z układami przeciwblokującymi (ABS), więc kontroler hamowania odzyskowego jest podobny do kontrolera ABS, który monitoruje prędkość obrotową kół i różnicę w tej prędkości od

jedno koło do drugiego. W pojazdach, które używają tego rodzaju hamulców, sterownik hamulca nie tylko monitoruje prędkość kół, ale może obliczyć, ile momentu obrotowego - siły obrotowej - jest dostępne, aby wygenerować energię elektryczną, która zostanie zwrócona do akumulatorów. Podczas hamowania sterownik hamulca kieruje energię elektryczną wytwarzaną przez silnik do akumulatorów lub kondensatorów. Dba o to, aby akumulatory odbierały optymalną ilość energii, ale także zapewnia, że dopływ energii elektrycznej nie jest większy, niż mogą obsłużyć akumulatory.

Jednak najważniejszą funkcją sterownika hamulca może być decydowanie o tym, czy silnik jest obecnie w stanie wytrzymać siłę niezbędną do zatrzymania samochodu. Jeśli tak nie jest, kontroler hamulca przekazuje zadanie hamulcom ciernym, zapobiegając możliwej katastrofie. W pojazdach, które używają tego typu hamulców, tak samo jak każdy inny element elektroniki na pokładzie samochodu hybrydowego lub elektrycznego, sterownik hamulca umożliwia cały proces hamowania regeneracyjnego.

Pojazdy hybrydowe wykorzystują silnik spalinowy i silnik elektryczny. © -iStockphoto / -David H. Lewis

Czym różni się pojazd hybrydowy od w pełni elektrycznego? Cóż, hybrydowe pojazdy elektryczne wykorzystują zarówno silnik elektryczny, jak i silnik spalinowy, aby zapewnić najlepsze wrażenia z jazdy na obu światach. Łączą zasięg jazdy silnika spalinowego z oszczędnością paliwa i bezemisyjną charakterystyką silnika elektrycznego. Jeśli hybryda ma mieć maksymalną efektywność paliwową i wytwarzać jak najmniej emisji dwutlenku węgla, ważne jest, aby akumulator pozostawał naładowany jak najdłużej. Gdyby akumulator pojazdu hybrydowego stracił ładunek, za zasilanie pojazdu odpowiadałby całkowicie silnik spalinowy. W tym momencie pojazd nie działa już jako hybryda, a raczej jako kolejny samochód spalający paliwa kopalne.

Inżynierowie motoryzacyjni wymyślili wiele sztuczek, aby wycisnąć maksymalną wydajność z hybryd, takich jak aerodynamiczne usprawnienie nadwozia i użycie lekkich materiałów, ale prawdopodobnie jednym z najważniejszych jest hamowanie regeneracyjne. Jednak w konfiguracji hybrydowej te typy hamulców mogą dostarczać energię tylko do części układu napędowego z silnikiem elektrycznym za pośrednictwem akumulatora pojazdu. Spalanie wewnętrzne

silnik nie korzysta z tego rodzaju hamulców.

Po części te wydajności są konieczne ze względu na ekstremalne trudności w znalezieniu miejsca do ładowania hybrydy. To sprawia, że dłuższe podróże są trudne bez polegania na silniku spalinowym hybrydy, co w rzeczywistości niweluje niektóre zalety posiadania hybrydy.

W następnej kolejności dowiemy się o nowym podejściu do koncepcji hamowania regeneracyjnego.

Układy hamulcowe z hydraulicznym wspomaganiem (HPA) mogą okazać się najbardziej przydatne w dużych ciężarówkach. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold

Ford Motor Company i Eaton Corporation opracowują alternatywny regeneracyjny układ hamulcowy. To jest nazwane Wspomaganie hydrauliczne lub HPA. W przypadku HPA, gdy kierowca naciska na hamulec, energia kinetyczna pojazdu jest wykorzystywana do napędzania pompy rewersyjnej, która przesyła płyn hydrauliczny z akumulatora niskiego ciśnienia (rodzaj zbiornika) wewnątrz pojazdu do akumulatora wysokiego ciśnienia. Ciśnienie jest wytwarzane przez azot znajdujący się w akumulatorze, który jest sprężany podczas pompowania płynu do przestrzeni zajmowanej wcześniej przez gaz. To spowalnia pojazd i pomaga go zatrzymać. Płyn pozostaje pod ciśnieniem w akumulatorze do momentu ponownego wciśnięcia przez kierowcę pedału przyspieszenia, w którym to momencie pompa zostaje odwrócona, a płyn pod ciśnieniem zostaje wykorzystany do przyspieszenia pojazdu, skutecznie przekształcając energię kinetyczną samochodu przed hamowaniem na energię mechaniczną, która pomaga przywrócić prędkość pojazdu. Przewiduje się, że taki system może przechowywać 80 procent pędu utraconego przez pojazd podczas zwalniania i wykorzystywać go do ponownego poruszania się pojazdu [źródło: HybridCars.com]. Ta wartość procentowa oznacza jeszcze bardziej imponujący zysk niż ten, który jest wytwarzany przez obecne systemy hamowania regeneracyjnego. Podobnie jak elektroniczne hamowanie regeneracyjne, tego typu hamulce - systemy HPA - najlepiej nadają się do jazdy po mieście, gdzie powszechny jest ruch typu stop and go..

Jak dotąd systemy HPA były używane głównie jako dowód koncepcji i tylko w projektach demonstracyjnych. Nie są jeszcze w pełni gotowe na modele produkcyjne. Obecnie te hamulce hydrauliczne są hałaśliwe 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 sterowany elektronicznie układ regeneracyjny hamulce.

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

Tesla Roadster to w pełni elektryczny samochód. Vince Bucci / -Getty Images

Efektywność energetyczna konwencjonalnego samochodu wynosi tylko około 20 procent, a pozostałe 80 procent jego energii jest zamieniane na ciepło w wyniku tarcia. Cudem w hamowaniu regeneracyjnym jest to, że może być w stanie wychwycić nawet połowę tej zmarnowanej energii i przywrócić ją do pracy. Może to zmniejszyć zużycie paliwa o 10 do 25 procent. Hydrauliczne układy hamulcowe z odzyskiem energii mogą zapewnić jeszcze bardziej imponujące korzyści, potencjalnie zmniejszając zużycie paliwa o 25 do 45 procent [źródło: HybridCars.com]. Za stulecie, które może przynieść koniec

olbrzymich rezerw paliw kopalnych, które przez wiele lat dostarczały nam energię dla motoryzacji i innych technologii, i w których obawy o emisję dwutlenku węgla osiągają szczyt, ta dodatkowa efektywność staje się coraz ważniejsza.

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

takie 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 ich do zewnętrznej ładowarki. Tego typu hamulce zwiększają również zasięg jazdy w pełni elektrycznych pojazdów. W rzeczywistości ta technologia pomogła nam już przynieść nam samochody takie jak Tesla Roadster, który działa całkowicie na zasilaniu akumulatorowym. Jasne, te samochody mogą korzystać z paliw kopalnych na etapie ładowania - to znaczy, jeśli źródło energii elektrycznej pochodzi z paliwa kopalnego, takiego jak węgiel - ale kiedy są na drodze, mogą działać bez użycia paliw kopalnych w ogóle, a to duży krok naprzód.

Dodatkowa efektywność hamowania regeneracyjnego oznacza również mniejszy ból przy pompie, ponieważ hybrydy z silnikami elektrycznymi i hamulcami regeneracyjnymi mogą podróżować znacznie dalej na jednym galonie gazu, 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, jak regeneracyjny układ hamulcowy jest w stanie odzyskać część energii kinetycznej pojazdu i przekształcić ją w energię elektryczną. Ta energia elektryczna jest następnie używana do ładowania akumulatorów pojazdu.

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

Powiązane artykuły

Jak działają hamulce
Jak działają hamulce tarczowe
Jak działają hamulce bębnowe
Jak działają hamulce przeciwblokujące
Jak działają hamulce pneumatyczne
Jak działają hamulce wspomagane
Jak działają klocki hamulcowe
Jak działają tarcze hamulcowe
Jak działają zaciski hamulcowe
Jak działają przewody hamulcowe

Źródła

BrakeByWire.com. (13 stycznia 2009) http://www.brakebywire.com/
Cantwell, Katie. „Przegląd regeneracji”. Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 maja 2002. (13 stycznia 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
Chen, Jason. „Panasonic produkuje rower elektryczny z funkcją hamowania regeneracyjnego”. Gizmodo. 7 lipca 2008. (13 stycznia 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
Continental Corporation. „ISAD i EHB sprawiają, że samochody są bardziej ekonomiczne i przyjazne dla środowiska”. 17 marca 2002. (13 stycznia 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 i Freescale współpracują w zakresie hamowania regeneracyjnego”. Ars Technica. 5 listopada 2008. (13 stycznia 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
HybridCars.com. „Hybrydy hydrauliczne”. 3 kwietnia 2006. (13 stycznia 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
Torrens, Richard. „Regen Braking”. 4QD. 3 listopada 2008. (13 stycznia 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
Tur, Okan i in. „Nota aplikacyjna dotycząca regeneracyjnego hamowania pojazdów elektrycznych jako układu przeciwblokującego”. Ansoft, LLC. 11 kwietnia 2006. (13 stycznia 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf