Wie regeneratives Bremsen funktioniert

Oberleitungswagen gehörten zu den ersten Fahrzeugen, die regenerative Bremstechnik einsetzten. Schauen Sie sich unsere Bremsbilder an. - © -iStockphoto / Lisa Anderson

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Jedes Mal, wenn Sie auf die Bremse Ihres Autos treten, verschwenden Sie Energie. Die Physik sagt uns, dass Energie nicht zerstört werden kann. Wenn Ihr Auto langsamer wird, muss die kinetische Energie, die es vorwärts getrieben hat, irgendwohin gehen. Das meiste davon wird einfach als Wärme abgeführt und unbrauchbar. Diese Energie, die zur Arbeit hätte verwendet werden können, wird im Wesentlichen verschwendet.

Können Sie als Fahrer etwas tun, um diese Energie nicht mehr zu verschwenden? Nicht wirklich. In den meisten Autos ist es das unvermeidliche Nebenprodukt des Bremsens und es gibt keine Möglichkeit, ein Auto zu fahren, ohne gelegentlich auf die Bremse zu treten. Aber die Automobilingenieure haben viel über dieses Problem nachgedacht und eine Art Bremssystem entwickelt, das einen Großteil der kinetischen Energie des Autos zurückgewinnen und in Elektrizität umwandeln kann, um die Batterien des Autos wieder aufzuladen. Dieses System wird als regeneratives Bremsen bezeichnet.

Gegenwärtig sind diese Arten von Bremsen hauptsächlich in Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius und in vollelektrischen Autos wie dem Tesla Roadster zu finden. In Fahrzeugen wie diesen ist es von erheblicher Bedeutung, die Batterie geladen zu halten. Die Technologie wurde jedoch zuerst in Oberleitungswagen eingesetzt und hat später ihren Weg in so unwahrscheinliche Orte wie Elektrofahrräder und sogar Formel-1-Rennwagen gefunden.

-In einem zusätzlichen Bremssystem erzeugen Bremsbeläge Reibung mit den Bremsscheiben, um das Fahrzeug zu verlangsamen oder anzuhalten. Zusätzliche Reibung entsteht zwischen den verlangsamten Rädern und der Straßenoberfläche. Diese Reibung wandelt die kinetische Energie des Autos in Wärme um. Bei regenerativen Bremsen hingegen bremst das System, das das Fahrzeug antreibt, den größten Teil. Wenn der Fahrer auf das Bremspedal eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs tritt, versetzen diese Arten von Bremsen den Elektromotor des Fahrzeugs in den Rückwärtsmodus, wodurch er rückwärts läuft und somit die Räder des Fahrzeugs verlangsamt. Während des Rückwärtslaufs fungiert der Motor auch als elektrischer Generator und erzeugt Strom, der dann in die Batterien des Fahrzeugs eingespeist wird. Diese Arten von Bremsen funktionieren bei bestimmten Geschwindigkeiten besser als bei anderen. Tatsächlich sind sie in Stop-and-Go-Fahrsituationen am effektivsten. Hybride und vollelektrische Autos haben jedoch auch Reibungsbremsen als eine Art Reservesystem in Situationen, in denen regeneratives Bremsen einfach nicht genug Bremskraft liefert. In diesen Fällen ist es wichtig, dass sich die Fahrer der Tatsache bewusst sind, dass das Bremspedal möglicherweise anders auf Druck reagiert. Das Pedal wird manchmal weiter in Richtung Boden gedrückt als normalerweise, und dieses Gefühl kann beim Fahrer zu vorübergehender Panik führen.

Auf den folgenden Seiten werden wir uns eingehender mit der Funktionsweise eines regenerativen Bremssystems befassen und Gründe erläutern, warum regeneratives Bremsen effizienter ist als ein typisches Reibungsbremssystem.

Inhalt

1. Regenerative Bremskreise
2. Regenerative Bremssteuerungen
3. Hybrides regeneratives Bremsen
4. Hydraulisches regeneratives Bremsen
5. Regenerative Bremseffizienz
6. Regeneratives Bremsdiagramm

Hybrid- und vollelektrische Autos verwenden regenerative Bremssysteme, um die Batterien aufzuladen. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG

Regeneratives Bremsen wird in Fahrzeugen verwendet, die Elektromotoren verwenden, hauptsächlich vollelektrische Fahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge. Eine der interessanteren Eigenschaften eines Elektromotors besteht darin, dass er in einer Richtung elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, die zur Ausführung von Arbeiten (z. B. Drehen der Räder eines Autos) verwendet werden kann, der Motor jedoch In der entgegengesetzten Richtung läuft ein richtig ausgelegter Motor zu einem elektrischen Generator, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Diese elektrische Energie kann dann in ein Ladesystem für die Autobatterien eingespeist werden.

In einem regenerativen Bremssystem besteht der Trick, um den Motor rückwärts laufen zu lassen, darin, den Impuls des Fahrzeugs als mechanische Energie zu verwenden, die den Motor in den Rückwärtsgang versetzt. Momentum ist die Eigenschaft, die das Fahrzeug vorwärts bringt, sobald es auf Geschwindigkeit gebracht wurde. Nach dem Rückwärtsfahren des Motors wird der vom Motor erzeugte Strom in die Batterien zurückgeführt, wo das Auto nach dem Anhalten wieder beschleunigt werden kann. Ausgefeilte elektronische Schaltkreise sind erforderlich, um zu entscheiden, wann der Motor umkehren soll, während spezielle elektrische Schaltkreise den vom Motor erzeugten Strom in die Batterien des Fahrzeugs leiten. In einigen Fällen wird die von diesen Bremstypen erzeugte Energie zur späteren Verwendung in einer Reihe von Kondensatoren gespeichert. Da Fahrzeuge, die diese Art von Bremsen verwenden, auch über ein Standard-Reibungsbremssystem verfügen, muss die Fahrzeugelektronik außerdem entscheiden, welches Bremssystem zu welchem ​​Zeitpunkt geeignet ist. Da in einem regenerativen Bremssystem so viel elektronisch gesteuert wird, kann der Fahrer sogar bestimmte Voreinstellungen auswählen, die bestimmen, wie das Fahrzeug in verschiedenen Situationen reagiert. Beispielsweise kann ein Fahrer in einigen Fahrzeugen auswählen, ob das regenerative Bremsen sofort beginnen soll, wenn der Fuß des Fahrers vom Gaspedal tritt, und ob das Bremssystem das Auto bis auf 0 km / h (0 mph) bringt oder das Auto Küste leicht.

In der Automobilindustrie gibt es eine allgemeine Tendenz zu sogenannten Brake-by-Wire-Systemen, bei denen viele der Funktionen von Bremsen, die traditionell mechanisch ausgeführt wurden, elektronisch ausgeführt werden. Hybride und Elektroautos werden diese Bremsentypen wahrscheinlich frühzeitig einsetzen. Gegenwärtig haben verschiedene Automobilingenieure unterschiedliche Schaltungsdesigns entwickelt, um die Komplexität des regenerativen Bremsens zu bewältigen. In allen Fällen ist jedoch der wichtigste Teil der Bremsschaltung die Bremssteuerung, auf die wir im nächsten Abschnitt eingehen werden.

Regenerative Bremssysteme sind besonders effektiv bei Stop-and-Go-Fahrbedingungen. © -iStockphoto / -Dave Herriman

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Bremssteuerungen sind elektronische Geräte, die Bremsen fernsteuern können und entscheiden, wann das Bremsen beginnt, endet und wie schnell die Bremsen betätigt werden müssen. In Abschleppsituationen können beispielsweise Bremssteuerungen ein Mittel zum Koordinieren der Bremsen eines Anhängers mit den Bremsen des Fahrzeugs, das das Abschleppen ausführt, bereitstellen.

Regeneratives Bremsen wird in Verbindung mit Antiblockiersystemen (ABS) implementiert, sodass der regenerative Bremsregler einem ABS-Regler ähnelt, der die Drehzahl der Räder und die Differenz dieser Geschwindigkeit von überwacht

ein Rad zum anderen. In Fahrzeugen, die diese Art von Bremsen verwenden, überwacht die Bremssteuerung nicht nur die Geschwindigkeit der Räder, sondern kann auch berechnen, wie viel Drehmoment - Drehkraft - verfügbar ist, um Strom zu erzeugen, der in die Batterien zurückgeführt werden kann. Während des Bremsvorgangs leitet die Bremssteuerung den vom Motor erzeugten Strom in die Batterien oder Kondensatoren. Es stellt sicher, dass die Batterien eine optimale Energiemenge erhalten, stellt aber auch sicher, dass der Stromzufluss nicht höher ist, als die Batterien verarbeiten können.

Die wichtigste Funktion der Bremssteuerung kann jedoch darin bestehen, zu entscheiden, ob der Motor derzeit in der Lage ist, die zum Anhalten des Fahrzeugs erforderliche Kraft aufzunehmen. Ist dies nicht der Fall, übergibt der Bremsregler den Auftrag an die Reibungsbremsen, um mögliche Katastrophen abzuwenden. In Fahrzeugen, die diese Art von Bremsen verwenden, wie auch in jeder anderen Elektronik an Bord eines Hybrid- oder Elektroautos, ermöglicht die Bremssteuerung den gesamten regenerativen Bremsprozess.

Hybridfahrzeuge verwenden einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor. © -iStockphoto / -David H. Lewis

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Wie unterscheidet sich ein Hybridfahrzeug von einem vollelektrischen Fahrzeug? Nun, Hybrid-Elektrofahrzeuge verwenden sowohl einen Elektromotor als auch einen Verbrennungsmotor, um ein Fahrerlebnis zu bieten, das das Beste aus beiden Welten bietet. Sie kombinieren die Reichweite eines Verbrennungsmotors mit der Kraftstoffeffizienz und den emissionsfreien Eigenschaften eines Elektromotors. Wenn ein Hybrid eine maximale Kraftstoffeffizienz aufweisen und so wenig CO2-Emissionen wie möglich verursachen soll, ist es wichtig, dass die Batterie so lange wie möglich geladen bleibt. Sollte eine Hybridfahrzeugbatterie ihre Ladung verlieren, wäre der Verbrennungsmotor vollständig für den Antrieb des Fahrzeugs verantwortlich. Ab diesem Zeitpunkt fungiert das Fahrzeug nicht mehr als Hybrid, sondern nur noch als Auto, das fossile Brennstoffe verbrennt.

Automobilingenieure haben eine Reihe von Tricks entwickelt, um Hybriden die maximale Effizienz zu entziehen, wie z. B. die aerodynamische Straffung der Karosserien und die Verwendung leichter Materialien. Eines der wichtigsten ist jedoch wohl das regenerative Bremsen. In einem Hybrid-Setup können diese Arten von Bremsen jedoch nur den elektromotorischen Teil des Antriebsstrangs über die Fahrzeugbatterie mit Strom versorgen. Die interne Verbrennung

Der Motor profitiert nicht von solchen Bremsen.

Zum Teil sind diese Effizienzvorteile aufgrund der extremen Schwierigkeit erforderlich, einen Ort zum Aufladen eines Hybrids zu finden. Dies erschwert längere Fahrten, ohne auf den Verbrennungsmotor des Hybrids angewiesen zu sein, wodurch der Vorteil des Besitzes eines Hybrids tatsächlich zunichte gemacht wird.

Als nächstes lernen wir eine neue Sichtweise dieser Idee des regenerativen Bremsens kennen.

Hydraulic Power Assist (HPA) -Bremssysteme können sich bei großen Lastkraftwagen als am nützlichsten erweisen. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold

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Ein alternatives regeneratives Bremssystem wird von der Ford Motor Company und der Eaton Corporation entwickelt. Es heißt Hydraulic Power Assist oder HPA. Wenn bei HPA der Fahrer auf die Bremse tritt, wird die kinetische Energie des Fahrzeugs verwendet, um eine reversible Pumpe anzutreiben, die Hydraulikflüssigkeit von einem Niederdruckspeicher (einer Art Speichertank) im Fahrzeug in einen Hochdruckspeicher befördert. Der Druck wird durch Stickstoffgas im Akkumulator erzeugt, das komprimiert wird, wenn das Fluid in den Raum gepumpt wird, in dem sich das Gas früher befand. Dies verlangsamt das Fahrzeug und hilft, es zum Stillstand zu bringen. Die Flüssigkeit bleibt im Druckspeicher unter Druck, bis der Fahrer das Gaspedal erneut drückt. An diesem Punkt wird die Pumpe umgedreht und die unter Druck stehende Flüssigkeit wird zum Beschleunigen des Fahrzeugs verwendet, wodurch die kinetische Energie, die das Auto vor dem Bremsen hatte, effektiv in die mechanische Energie umgewandelt wird hilft, das Fahrzeug wieder auf Touren zu bringen. Es wird vorausgesagt, dass ein solches System 80 Prozent des Impulses speichern kann, den ein Fahrzeug beim Abbremsen verliert, und es verwenden kann, um das Fahrzeug wieder in Bewegung zu setzen [Quelle: HybridCars.com]. Dieser Prozentsatz stellt einen noch beeindruckenderen Gewinn dar als der, der von aktuellen regenerativen Bremssystemen erzeugt wird. Wie das elektronische regenerative Bremsen werden diese Arten von Bremsen - HPA-Systeme - am besten für das Fahren in der Stadt verwendet, wo Stop-and-Go-Verkehr üblich ist.

Bisher wurden HPA-Systeme hauptsächlich als Proof of Concept und nur in Demonstrationsprojekten eingesetzt. Sie sind noch nicht ganz bereit für Serienmodelle. Gegenwärtig sind diese hydraulischen Bremsen laut und anfällig für Undichtigkeiten. Sobald jedoch alle Details ausgebügelt sind, sind solche Systeme wahrscheinlich am nützlichsten bei großen Lastkraftwagen mit einem Gewicht von mindestens 4.536 kg (10.000 Pfund), bei denen sich diese Arten von Bremsen als optimaleres System als elektronisch gesteuertes Regenerativ erweisen können Bremsen.

-Letztendlich kann diese Technologie auf kleinere Fahrzeuge übertragen werden. Ein Unternehmen, Hybrid-Drive Systems, LLC aus Michigan, hat einen Volkswagen Käfer von 1968 mit einem hydraulischen regenerativen Bremssystem nachgerüstet. Die Akkus nehmen jedoch viel Platz ein, und zukünftige Produktionspläne konzentrieren sich mehr auf den Einsatz der Technologie in größeren Fahrzeugen wie Lieferwagen. In der Zwischenzeit hat die US-Umweltschutzbehörde (EPA) mit der Eaton Corporation zusammengearbeitet, um hydraulische regenerative Bremssysteme an USV-Lieferwagen zu installieren.

Der Tesla Roadster ist ein vollelektrisches Auto. Vince Bucci / -Getty Images

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Die Energieeffizienz eines konventionellen Autos beträgt nur etwa 20 Prozent, die restlichen 80 Prozent seiner Energie werden durch Reibung in Wärme umgewandelt. Das Wunderbare am regenerativen Bremsen ist, dass es möglicherweise bis zu die Hälfte dieser verschwendeten Energie auffangen und wieder in Betrieb nehmen kann. Dies könnte den Kraftstoffverbrauch um 10 bis 25 Prozent senken. Hydraulische regenerative Bremssysteme könnten noch beeindruckendere Gewinne erzielen und den Kraftstoffverbrauch möglicherweise um 25 bis 45 Prozent senken [Quelle: HybridCars.com]. In einem Jahrhundert könnte das das Ende sehen

Von den riesigen fossilen Brennstoffreserven, die uns seit vielen Jahren mit Energie für die Automobilindustrie und andere Technologien versorgen und in denen die Befürchtungen hinsichtlich der Kohlenstoffemissionen ihren Höhepunkt erreichen, wird diese zusätzliche Effizienz immer wichtiger.

Der Beginn des 21. Jahrhunderts könnte sehr wohl die letzte Periode markieren, in der Verbrennungsmotoren üblicherweise in Autos eingesetzt werden. Bereits jetzt bewegen sich Autohersteller in Richtung alternativer Energieträger,

wie elektrische Batterien, Wasserstoff und sogar Druckluft. Regeneratives Bremsen ist ein kleiner, aber sehr wichtiger Schritt in Richtung unserer eventuellen Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Mit diesen Arten von Bremsen können Batterien für längere Zeit verwendet werden, ohne dass sie an ein externes Ladegerät angeschlossen werden müssen. Diese Arten von Bremsen erweitern auch die Reichweite vollelektrischer Fahrzeuge. Tatsächlich hat diese Technologie bereits dazu beigetragen, dass wir Autos wie den Tesla Roadster bekommen, der ausschließlich mit Batteriestrom betrieben wird. Sicher, diese Autos können beim Aufladen fossile Brennstoffe verwenden - das heißt, wenn die Stromquelle aus fossilen Brennstoffen wie Kohle stammt -, aber wenn sie unterwegs sind, können sie ohne Verwendung betrieben werden von fossilen Brennstoffen überhaupt, und das ist ein großer Schritt nach vorne.

Die zusätzliche Effizienz des regenerativen Bremsens bedeutet auch weniger Schmerzen an der Pumpe, da Hybride mit Elektromotoren und regenerativen Bremsen mit einer Gallone Gas erheblich weiter fahren können und einige zu diesem Zeitpunkt mehr als 50 Meilen pro Gallone erreichen. Und das können die meisten Fahrer wirklich schätzen.

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-Dieses einfache Diagramm zeigt, wie ein regeneratives Bremssystem einen Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs zurückgewinnen und in Elektrizität umwandeln kann. Dieser Strom wird dann zum Aufladen der Fahrzeugbatterien verwendet.

-Weitere Informationen zu Bremssystemen und verwandten Themen im Automobilbereich finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.-

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Quellen

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• Cantwell, Katie. "Regenerationsübersicht." Rockwell Automation Allen-Bradley. 7. Mai 2002. (13. Januar 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
• Chen, Jason. "Panasonic macht Elektrofahrrad mit regenerativem Bremsen." Gizmodo. 7. Juli 2008. (13. Januar 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
• Continental Corporation. "ISAD und EHB machen Autos wirtschaftlicher und umweltfreundlicher." 17. März 2002. (13. Januar 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_de. html
• Gitlin, Jonathan M. "McLaren und Freescale schließen sich für regeneratives Bremsen zusammen." Ars Technica. 5. November 2008. (13. Januar 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
• HybridCars.com. "Hydraulische Hybride." 3. April 2006. (13. Januar 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
• Torrens, Richard. "Regenbremsen." 4QD. 3. November 2008. (13. Januar 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
• Tur, Okan et al. "Anwendungshinweis zum regenerativen Bremsen von Elektrofahrzeugen als Antiblockiersystem." Ansoft, LLC. 11. April 2006. (13. Januar 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf