Varje gång du trampar på din bils bromsar slösar du energi. Fysiken säger oss att energi inte kan förstöras. Så när din bil saktar ner måste den kinetiska energin som drev den framåt gå någonstans. Det mesta försvinner helt enkelt som värme och blir värdelöst. Den energin, som kunde ha använts för att utföra arbete, är i princip bortkastad.
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 du kan köra bil utan att då och då slå i bromsen. Men bilingenjörer har funderat mycket på detta problem och har kommit på ett slags bromssystem som kan återta mycket av bilens rörelseenergi och omvandla den till elektricitet, så att den kan användas för att ladda bilens batterier. Detta system kallas regenerativ bromsning.
För närvarande finns den här typen av bromsar främst i hybridfordon som Toyota Prius och i helt elektriska bilar som Tesla Roadster. I fordon som dessa är det av stor vikt att hålla batteriet laddat. Tekniken användes dock först i trolleybilar och har sedan hittat sin väg till så osannolika platser som elcyklar och till och med Formel 1-racerbilar.
I ett traditionellt bromssystem producerar bromsbelägg friktion med bromsrotorerna för att bromsa eller stoppa fordonet. Ytterligare friktion skapas mellan de bromsade hjulen och vägytan. Denna friktion är det som förvandlar bilens kinetiska energi till värme. Med regenerativa bromsar, å andra sidan, gör systemet som driver fordonet större delen av bromsningen. När föraren trampar på bromspedalen på ett el- eller hybridfordon sätter dessa typer av bromsar fordonets elmotor i backläge, vilket får den att köra bakåt, vilket saktar ner bilens hjul. När motorn körs baklänges fungerar den också som en elektrisk generator, som producerar elektricitet som sedan matas in i fordonets batterier. Dessa typer av bromsar fungerar bättre vid vissa hastigheter än vid andra. Faktum är att de är mest effektiva i körsituationer som stannar och kör. Men hybrider och helt eldrivna bilar har också friktionsbromsar, som ett slags reservsystem i situationer där regenerativ bromsning helt enkelt inte ger tillräckligt med stoppkraft. I dessa fall är det viktigt för förare att vara medvetna om att bromspedalen kan reagera annorlunda på tryck. Pedalen kommer ibland att trampa längre mot golvet än den normalt gör och denna känsla kan orsaka tillfällig panik hos förare.
På de följande sidorna kommer vi att ta en mer detaljerad titt på hur ett regenerativt bromssystem fungerar, och vi kommer att diskutera anledningar till varför regenerativ bromsning är effektivare än ett typiskt friktionsbromssystem.
Innehåll
Regenerativ bromsning används i fordon som använder elmotorer, främst helt eldrivna fordon och hybridelfordon. En av de mer intressanta egenskaperna hos en elmotor är att när den körs i en riktning omvandlar den elektrisk energi till mekanisk energi som kan användas för att utföra arbete (som att vrida hjulen på en bil), men när motorn är körs i motsatt riktning, blir en korrekt designad motor 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 regenerativt bromssystem är tricket för att få motorn att gå baklänges att använda fordonets momentum som den mekaniska energin som sätter motorn i back. Momentum är egenskapen som håller fordonet i rörelse framåt när det väl har fått fart. När motorn har vänts om, matas den elektricitet som genereras av motorn tillbaka till batterierna, där den kan användas för att accelerera bilen igen efter att den stannat. Sofistikerade elektroniska kretsar är nödvändiga för att bestämma när motorn ska backa, medan specialiserade elektriska kretsar leder den elektricitet som genereras av motorn in i fordonets batterier. I vissa fall lagras energin som produceras av dessa typer av bromsar i en serie kondensatorer för senare användning. Dessutom, eftersom fordon som använder denna typ av bromsar också har ett standardfriktionsbromssystem, måste fordonets elektronik bestämma vilket bromssystem som är lämpligt vid vilken tidpunkt. Eftersom så mycket styrs elektroniskt i ett regenerativt bromssystem är det till och med möjligt för föraren att välja vissa förinställningar som avgör hur fordonet reagerar i olika situationer. Till exempel kan en förare i vissa fordon välja om regenerativ bromsning ska börja omedelbart när förarens fot lossnar från gaspedalen och om bromssystemet kommer att ta bilen hela vägen till 0 mph (0 kilometer i timmen) eller låter bil kusten något.
Det finns en allmän rörelse inom bilindustrin mot så kallade broms-by-wire-system där många av funktionerna hos bromsar som traditionellt har utförts mekaniskt kommer att utföras elektroniskt. Hybrider och elbilar kommer förmodligen att vara tidiga användare av dessa bromstyper. För närvarande har olika fordonsingenjörer kommit med olika kretsdesigner för att hantera komplexiteten med regenerativ bromsning; Men i alla fall är den enskilt viktigaste delen av bromskretsen bromsstyrenheten, som vi kommer att diskutera i nästa avsnitt.
Bromskontroller är elektroniska enheter som kan fjärrstyra bromsar, bestämmer när bromsningen börjar, slutar och hur snabbt bromsarna måste ansättas. I bogseringssituationer, till exempel, kan bromskontroller tillhandahålla ett sätt att samordna bromsarna på en släpvagn med bromsarna på fordonet som bogserar.
Regenerativ bromsning implementeras i samband med låsningsfria bromssystem (ABS), så den regenerativa bromskontrollenheten liknar en ABS-kontroller, som övervakar hjulens rotationshastighet och skillnaden i den hastigheten från
ett hjul till ett annat. I fordon som använder dessa typer av bromsar övervakar bromsregulatorn inte bara hjulens hastighet, utan den kan även beräkna hur mycket vridmoment - rotationskraft - som finns tillgängligt för att generera elektricitet som ska matas tillbaka till batterierna. Under bromsningen styr bromsregulatorn elektriciteten som produceras av motorn in i batterierna eller kondensatorerna. Det ser till att batterierna får en optimal mängd ström, men ser också till att inflödet av el inte är mer än vad batterierna klarar av.
Den viktigaste funktionen hos bromsregulatorn kan dock vara att avgöra om motorn för närvarande klarar av den kraft som krävs för att stoppa bilen. Om den inte är det, vänder bromskontrollen över jobbet till friktionsbromsarna, vilket avvärjer en eventuell katastrof. I fordon som använder dessa typer av bromsar, lika mycket som vilken annan elektronik som helst ombord på en hybrid- eller elbil, gör bromsregulatorn hela den regenerativa bromsprocessen möjlig.
Hur skiljer sig ett hybridfordon från ett helt elfordon? Tja, hybridelektriska fordon använder både en elmotor och en förbränningsmotor för att ge en körupplevelse som är bäst av båda världarna. De kombinerar räckvidden hos en förbränningsmotor med en elmotors bränsleeffektivitet och utsläppsfria egenskaper. Om en hybrid ska ha maximal bränsleeffektivitet och producera så lite koldioxidutsläpp som möjligt är det viktigt att batteriet förblir laddat så länge som möjligt. Om ett hybridfordonsbatteri skulle tappa sin laddning, skulle förbränningsmotorn vara helt ansvarig för att driva fordonet. Vid den tidpunkten fungerar fordonet inte längre som en hybrid utan snarare bara en bil som förbränner fossila bränslen.
Bilingenjörer har kommit på ett antal knep för att vrida ut maximal effektivitet ur hybrider, som aerodynamisk strömlinjeformning av karosserna och användning av lättviktsmaterial, men utan tvekan är en av de viktigaste regenerativa bromsarna. I en hybriduppställning kan dock dessa typer av bromsar ge ström endast till den elektriska motordelen av drivlinan via fordonets batteri. Den inre förbränningen
motorn har ingen fördel av den här typen av bromsar.
Delvis är dessa effektivitetsvinster nödvändiga på grund av den extrema svårigheten att hitta en plats för att ladda en hybrid. Detta gör längre resor svåra utan att förlita sig på hybridens förbränningsmotor, vilket faktiskt tar bort en del av fördelarna med att äga en hybrid.
Härnäst ska vi lära oss om en ny version av denna idé om regenerativ bromsning.
Ett alternativt regenerativt bromssystem utvecklas av Ford Motor Company och Eaton Corporation. Den heter Hydraulic Power Assist eller HPA . Med HPA, när föraren trampar på bromsen, används fordonets kinetiska energi för att driva en reversibel pump, som skickar hydraulvätska från en lågtrycksackumulator (en sorts ackumulator) inuti fordonet till en högtrycksackumulator. Trycket skapas av kvävgas i ackumulatorn, som komprimeras när vätskan pumpas in i det utrymme som gasen tidigare upptog. Detta saktar ner fordonet och hjälper till att få det att stanna. Vätskan förblir under tryck i ackumulatorn tills föraren trycker på gaspedalen igen, varvid pumpen reverseras och den trycksatta vätskan används för att accelerera fordonet, vilket effektivt översätter den kinetiska energin som bilen hade innan den bromsade till den mekaniska energin som hjälper till att få fart på fordonet igen. Det förutspås att ett system som detta skulle kunna lagra 80 procent av det momentum som förloras av ett fordon under retardation och använda det för att få fordonet i rörelse igen [källa:HybridCars.com]. Denna procentandel representerar en ännu mer imponerande vinst än vad som produceras av nuvarande regenerativa bromssystem. Liksom elektronisk regenerativ bromsning är den här typen av bromsar - HPA-system - bäst för stadskörning, där stopp-och-kör-trafik är vanligt.
Hittills har HPA-system använts främst som proof of concept och endast i demonstrationsprojekt. De är inte riktigt redo för produktionsmodeller än. För närvarande är dessa hydrauliska bromsar bullriga och benägna att läcka; men när alla detaljer är utplånade kommer sådana system förmodligen att vara mest användbara i stora lastbilar som väger 10 000 pund (4 536 kg) eller mer, där dessa typer av bromsar kan visa sig vara ett mer optimalt system än elektroniskt styrda regenerativa bromsar.
Så småningom kan denna teknik sippra ner till mindre fordon. Ett företag, Hybrid-Drive Systems, LLC, Michigan, har eftermonterat en 1968 Volkswagen Beetle med ett hydrauliskt regenerativt bromssystem. Ackumulatorerna tar dock upp mycket utrymme och framtida produktionsplaner är mer fokuserade på att använda tekniken i större fordon, som skåpbilar. Samtidigt har U.S. Environmental Protection Agency (EPA) samarbetat med Eaton Corporation för att installera hydrauliska regenerativa bromssystem på UPS-lastbilar.
Energieffektiviteten för en konventionell bil är bara cirka 20 procent, medan de återstående 80 procenten 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 få den att fungera igen. Detta kan minska bränsleförbrukningen med 10 till 25 procent. Hydrauliska regenerativa bromssystem kan ge ännu mer imponerande vinster, vilket potentiellt kan minska bränsleförbrukningen med 25 till 45 procent [källa:HybridCars.com]. Om ett århundrade som kan se slutet
av de enorma reserver av fossila bränslen som har försett oss med energi för fordonsindustrin och annan teknik i många år, och där rädslan för koldioxidutsläpp når sin topp, blir denna ökade effektivitet allt viktigare.
Början av 2000-talet kan mycket väl markera den sista perioden då förbränningsmotorer vanligtvis används i bilar. Redan biltillverkare går mot alternativa energibärare,
såsom elektriska batterier, vätebränsle och till och med tryckluft. Regenerativ bromsning är ett litet, men mycket viktigt, steg mot vårt slutliga oberoende från fossila bränslen. Dessa typer av bromsar gör att batterier kan användas under längre perioder utan att behöva kopplas in i en extern laddare. Dessa typer av bromsar utökar även körräckvidden för helt eldrivna fordon. Faktum är att den här tekniken redan hjälpt till att ge oss bilar som Tesla Roadster, som körs helt på batteri. Visst, dessa bilar kan använda fossila bränslen vid laddningsstadiet - det vill säga om källan till elektriciteten kommer från ett fossilt bränsle som kol - men när de är där ute på vägen kan de fungera utan användning av fossila bränslen överhuvudtaget, och det är ett stort steg framåt.
Den ökade effektiviteten av regenerativ bromsning innebär också mindre smärta vid pumpen, eftersom hybrider med elmotorer och regenerativa bromsar kan färdas betydligt längre på en gallon gas, vissa uppnår mer än 50 miles per gallon vid denna tidpunkt. 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.
Ursprungligen publicerad:23 januari 2009
