Pokaždé, když sešlápnete brzdový pedál, doslova vyhazujete peníze. Fyzikální zákony nedovolují energii jednoduše zmizet. Kinetická energie, která pohání auto vpřed, musí při zpomalení někam odejít. V autě s klasickým spalovacím motorem se tato energie odvádí jako teplo. Zahřívá brzdové kotouče. Zmizí ve vzduchu. K ničemu.
Dokážete jako řidič zastavit toto plýtvání energií? Vlastně ne. Brzdění je nevyhnutelné. Bez zpomalení nelze jet. Automobiloví inženýři však o tomto problému přemýšleli již desítky let. Vytvořili systém na vrácení této kinetické energie. Přeměňuje pohyb na elektřinu. Tato energie se pak vrací zpět do baterie. Jedná se o regenerativní brzdění.
Dnes tyto brzdy vidíte většinou u hybridů, jako je Toyota Prius. Nacházejí se také v čistě elektrických autech, jako je Tesla Model S. Udržování nabité baterie je pro tyto vozy zásadní. Technologie však není nová. Začalo to tramvajemi. Nyní se používá i v elektrokolech. Používají ho dokonce i závodní vozy Formule 1.
Зміст
Mechanika rekuperace energie
Konvenční brzdy spoléhají na tření. Brzdové destičky jsou přitlačeny ke kotoučům. Kola odolávají povrchu vozovky. Tření přeměňuje kinetickou energii na teplo. Regenerační brzdy fungují jinak. Hlavní zatížení přebírá elektromotor. Když uvolníte pedál plynu nebo lehce sešlápnete brzdu, motor změní svůj provozní režim. Funguje jako generátor. Začne se otáčet v opačném směru. Tím se kola zpomalí. Tím také vzniká elektřina. Energie jde do baterie.
Systém není dokonalý. Funguje nejlépe při určitých rychlostech. Ideální je na to režim start-stop. Brzdění vysokou rychlostí na dálnici stále vyžaduje použití konvenčních třecích brzd. Slouží jako záložní systém. Zapnou se, když rekuperace nedokáže auto dostatečně rychle zastavit. Řidiči by si toho měli být vědomi. Pocit pedálu se mění. Může jít hlouběji, než se očekávalo. Toto hluboké stlačení může způsobit paniku. To se nezdá správné. Je to prostě jiné.
Proč na účinnosti záleží
Regenerační brzdové systémy zachycují energii, která by se jinak ztratila. To zlepšuje celkovou účinnost. Hybridní a elektrická vozidla závisí na této účinnosti. Tím se zvyšuje výkonová rezerva. Tím se snižuje opotřebení brzdových destiček. Třecí brzdy vydrží déle. Náklady na údržbu se snižují. Ale systém není kouzelný. Má omezení. Tvrdé brzdění stále vytváří teplo. Přechod mezi regenerativním a normálním brzděním může být trhaný. Některým řidičům se to nelíbí. Chtějí konzistentní pocit tradiční podložky. Jiní milují režim jízdy jedním pedálem. Jedna noha ovládá rychlost a zastavuje auto.
Technologie se stále vyvíjí. Nové algoritmy zklidňují přechod. Lepší baterie uchovávají více rekuperované energie. S tím, jak se elektromobily stávají běžnějšími, je pochopení toho, jak zastavují, stejně důležité jako vědět, jak jezdí. Budoucnost brzdění není jen o zastavení. To je úspora energie.
Jak regenerativní brzdění obnovuje energii
Elektromotory mají dvojí povahu. Pokud je donutíte otočit se dopředu, přemění elektřinu na pohyb. Když jsou nuceni se točit dozadu, generují elektřinu. Tato reverzibilita je základem rekuperačního brzdění u hybridních a elektrických vozidel. Proměňuje kola v generátory. Namísto ztráty kinetické energie ve formě tepla ji systém zachycuje.
Proces je založen na setrvačnosti. Když sundáte nohu z plynového pedálu, pohyb auta vpřed způsobí, že se motor otočí v opačném směru. Motor se tomuto pohybu brání. Tato brzda zpomaluje auto. Zároveň vyrábí elektřinu. Tento proud teče zpět do baterie. Uložená energie může zvýšit dosah. Může také později pomoci vozu znovu zrychlit.
Elektronika za brzděním
Nemůžete jen vzít a zvrátit motor, aby fungoval. Elektronika je složitá. Specializované obvody určují přesný okamžik přepnutí režimu. Vygenerovanou energii směřují do baterií. Některé konstrukce používají kondenzátory k ukládání této energie pro rychlé výbuchy energie.
Většina automobilů stále používá tradiční třecí brzdy. Systém si musí vybrat mezi rekuperací a brzdovými destičkami. O tom rozhoduje počítač. Vyvažuje účinnost a bezpečnost. Určuje, který systém je v danou chvíli vhodný.
Rekuperační brzdění přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii a vrací ji do nabíjecího systému vozidla.
Řidiči mají toto chování často pod kontrolou. Mnoho vozů nabízí předvolby. Můžete si vybrat, jak agresivně se rekuperace aktivuje. Některá auta začnou brzdit, jakmile sundáte nohu z pedálu. Ostatní se kutálejí přirozeněji. To vám umožní přizpůsobit zážitek z jízdy. Můžete se rozhodnout, zda auto zastaví úplně nebo se úplně zastaví.
Budoucnost brzdění drátem
Průmysl se posouvá směrem k systémům brake-by-wire. Tradiční mechanické spoje jsou nahrazovány elektronickým ovládáním. Toto přijetí pravděpodobně vedou hybridní a elektrická vozidla. Složitost vyžaduje různá řešení obvodů od různých inženýrů. Jedna složka však zůstává ústřední pro všechny.
Ovladač brzd je nejdůležitější součástí. Řídí celý proces. Zajišťuje, že motor ve správný čas zatočí zpět. Nasměruje sílu na správné místo. Spolupracuje s tradičními brzdami. Bez něj zůstává rekuperační brzdění pouze teoretickým konceptem.
Regulátory rekuperačního brzdění
Brzdové ovladače jsou elektronická mozková centra. Určují okamžik začátku brzdění a rychlost nárůstu tlaku. V situacích vlečení synchronizují brzdy přívěsu s brzdovým systémem tažného vozidla. Bez nich jednáte náhodně. Je s nimi zajištěna koordinace.
Rekuperační brzdové systémy nefungují izolovaně. Úzce spolupracují s protiblokovacím brzdovým systémem (ABS). Regulátor rekuperačního brzdění odráží logiku činnosti ABS. Sleduje otáčky kola. Řídí rozdíl rychlostí mezi koly. Pokud jedno kolo zpomalí rychleji než druhé, systém zareaguje.
U hybridních a elektrických vozidel se však úloha ovladače stává složitější. Regulátor vypočítá dostupný točivý moment. Točivý moment je točivá síla. Měří, kolik mechanické energie lze přeměnit na elektrickou energii. Tato elektrická energie se vrací do baterie nebo superkondenzátorů.
Regulátor řídí nabíjení. Zajišťuje, že baterie obdrží optimální množství energie. Zabraňuje také přetížení. Žádná baterie nemá ráda větší proud, než dokáže bezpečně absorbovat. Správce vystupuje jako opatrovník.
Regulátor brzd určuje, zda motor snese brzdnou sílu. Pokud ne, přicházejí na řadu třecí brzdy.
Nejdůležitější vlastnost? Rozhodování. Dokáže elektromotor zastavit auto právě teď? Někdy ano. Často – ne. Podmínky se mění. Stav nabití baterie kolísá. Teplota klesá.
Pokud motor nemá dostatečný výkon, řízení předá regulátor. Přechází na třecí brzdy. Tím se zabrání katastrofě. To zaručuje zastavení v případě potřeby bez ohledu na elektronická omezení.
V hybridních a elektrických vozidlech žádná jiná elektronická součástka neumožňuje rekuperační brzdění. Klíčovým článkem je ovladač brzd. Vyvažuje rekuperaci energie s bezpečností vozidla. Přeměňuje kinetickou energii na energii uloženou. A když tuto energii nelze uložit, použije brzdové destičky a kotouče k zastavení vozu.
Rekuperační brzdění u hybridních vozidel
Tato integrace vytváří plynulý cyklus. Řidič sešlápne pedál. Regulátor vyhodnocuje schopnost motoru rekuperovat. Podle toho upraví úroveň obnovy. Výsledkem je plynulejší zpomalení. Je to přirozené. Není to magie. Je to prostě přesné elektronické ovládání dvou zcela odlišných brzdových systémů fungujících jako jeden.
Špinavé tajemství hybrida: Úzkost
Myslíte si, že jízdou v hybridu zachraňujete planetu. Vlastně ne.
Hybridní elektrická vozidla (HEV) jsou kompromisem. Kombinují spalovací motor s elektromotorem a zajišťují dojezd na benzínovou nádrž a účinnost baterie. Zde je ale háček: baterie musí zůstat nabitá. Pokud dojde, z auta se stane jen další těžká kovová skříň spalující fosilní paliva. A na rozdíl od plug-in hybridů nebo čistě elektrických vozů nemají konvenční hybridy prakticky žádné nabíjecí připojení. Žádná nabíjecí stanice. Žádná zásuvka. Jen vy, čerpací stanice a doufat, že váš styl jízdy je dostatečně ekonomický.
Vzniká tak paradox. Inženýři utrácejí miliony za aerodynamické tvary a lehké materiály, aby vymáčkli každou míli na galon paliva. Spoléhají na rekuperační brzdění k zachycení energie, která by se jinak ztratila jako teplo. Ale v tradičním hybridu tato zachycená elektřina pouze pomáhá elektromotoru. Benzinový motor nepřijímá nic. On nevyhrává. Jednoduše počká, dokud úroveň baterie neklesne příliš nízko, aby převzal kontrolu.
Právě na dlouhých cestách je iluze zničena. Na dálnici nelze nabíjet. Jste nuceni pracovat na motoru. Výhodou „hybridu“ je vypařování. Jednoduše řídíte vůz se spalovacím motorem, který má na podvozku připevněnou těžkou nepotřebnou baterii.
Jak tedy opravit systém, který nelze zapojit do zásuvky? Jak využít brzdnou energii pro hlavní motor?
Na scénu přichází hydraulická alternativa.
Hydraulické rekuperační brzdění
Tradiční rekuperační brzdění posílá elektřinu do baterie. Hydraulické systémy mají jinou cestu. Ukládají energii spíše ve formě stlačené tekutiny než elektronů.
Proč na tom záleží?
Protože hydraulické brzdy mohou vracet energii zpět do samotného hydraulického brzdového systému. Nejde jen o úsporu elektřiny pro motor. Jde o udržení tlaku v systému. Tím se snižuje zatížení motoru, když potřebuje čerpat kapaliny. Takto tuhým způsobem vzniká uzavřená smyčka, která není závislá na stavu nabití baterie.
Toto je mechanické řešení elektrického problému.
Většina hybridů používá elektromotory, protože technologie je vyspělá. Baterie jsou levné (relativně). Motory jsou účinné. Ale jsou těžké. Časem degradují. Potřebují chladicí systémy. Jednodušší je hydraulický akumulátor. Méně pohyblivých částí. Méně problémů s termoregulací.
Ale tohle není mainstream. Proč?
Protože automobilový průmysl je posedlý elektřinou. Každý nový vůz je umístěn jako krok k plné elektrifikaci. Hydraulické systémy působí jako krok zpět. Relikvie. Nezapadají do vyprávění o digitálním autě. Nemají obrazovky. Nemají bezdrátové aktualizace (OTA).
Pro auto, které nelze nikdy zapojit, však mohou být jedinou logickou volbou.
Představte si hybrid, který si nedělá starosti s vybíjením baterie. Představte si systém, kde každé zastavení přidává tlak, nejen nabíjení. Tam, kde brzdná síla pomáhá motoru snadněji dýchat.
Nejde o výměnu baterie. Bavíme se o rezervacích. Jde o to nedávat všechna vejce do elektrochemického košíku.
Průmysl je zaneprázdněn výrobou stále větších baterií pro automobily, které lze nabíjet ze zásuvky. Ignorují miliony řidičů, kteří to neumí nebo nechtějí. Nebo bydlí v bytech bez zásuvek. Hydraulický hybrid pro ně není přežitek. To je záchranné lano.
Zajímá se o to trh?
Ford a Eaton místo elektřiny spoléhají na dynamiku kapalin. Vyvinuli Hydraulic Power Assist (HPA), rekuperační brzdový systém, který nahrazuje vysokonapěťové kabely vysokotlakým vedením. To je úplně jiná technologie.
Takto funguje fyzika procesu. Když sundáte nohu z plynu a šlápnete na brzdu, kinetická energie vozu se nerozptýlí jen jako teplo. Místo toho pohání reverzibilní čerpadlo. Toto čerpadlo přenáší hydraulickou kapalinu z nízkotlakého akumulátoru do vysokotlakého akumulátoru. Zásobník využívá dusík k vytvoření protitlaku. Při vstupu kapaliny se plyn stlačuje. Auto zpomaluje. Energie je zachycena v tomto stlačeném plynu.
Uložte si to tam.
Kapalina je pod tlakem, dokud znovu nešlápnete na plyn. Poté čerpadlo změní směr. Vytlačuje kapalinu pomocí uložené hydraulické energie k otáčení kol. Získáte zpět kinetickou energii ztracenou při brzdění a přeměníte ji zpět na mechanický pohyb pro zrychlení.
Čísla jsou přesvědčivá. Ford a Eaton předpovídají, že systém dokáže udržet 80 procent hybnosti ztracené během zpomalování. To je vyšší než u většiny moderních elektronických regenerativních brzdových systémů. Je účinná. A velmi efektivní.
Ale efektivita není všechno. Zatím.
Problém hluku a netěsností
V současné době existují HPA systémy především jako demonstrační prototypy a projekty proof-of-concept. Ještě nejsou připraveny pro použití v běžných autech. Zařízení je objemné a hlučné. Je náchylný na netěsnosti. Hydraulické systémy v pohybu jsou špinavá záležitost ve srovnání s čistým tichostí elektromotorů.
Kde tedy dávají smysl?
Nejlépe se hodí pro jízdu ve městě s neustálým provozem stop-start. Ale co je důležitější, jsou určeny pro těžká nákladní vozidla. S nosností 10 000 liber (4 536 kilogramů) nebo více. Pro tyto masivní stroje nabízejí hydraulické rekuperační brzdy lepší řešení než elektronicky řízené systémy. Samotná hmota vyžaduje spolehlivé zachycování energie a hydraulika tuto zátěž zvládá jinak než baterie.
Modernizace a testování v plném rozsahu
Malá auta? Ne dobré. Baterie potřebné pro tento systém zabírají hodně místa. V kompaktních autech je prostor luxusem.
Hybrid-Drive Systems, LLC se sídlem v Michiganu to zkusil. Vybavili Volkswagen Beetle z roku 1968 hydraulickým rekuperačním brzdovým systémem. Systém funguje, ale je to stísněné řešení. Budoucí výrobní plány vylučují Beetle. Dívají se na dodávku. Větší auta. Vyšší váhové kategorie.
Environmentální aspekt je hnacím motorem tohoto přijetí. Americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) spolupracuje se společností Eaton při instalaci těchto hydraulických systémů na dodávkové vozy UPS. Trasy start-stop. Těžká břemena. Ideální podmínky pro znovunabytí ztracené hybnosti.
Toto je stále okrajová technologie. Hlučný. Netěsnost. Objemný. Ale pokud se použije správně, může to být jediný způsob, jak získat zpět oněch 80 procent.
Účinnost regeneračního brzdění
Většina konvenčních vozidel je překvapivě neefektivní. Pouze asi 20 procent energie obsažené v palivu skutečně pohání vozidlo. Zbývajících 80 procent se odvádí jako teplo, které se ztrácí v důsledku tření v motoru, převodovce a brzdách. To je obrovský plýtvání procesem.
Regenerační brzdění tento obrázek mění. Umožňuje zachytit až polovinu této ztracené energie a vrátit ji zpět do systému. Tato jednoduchá změna snižuje spotřebu paliva o 10 až 25 procent. Když vezmete v úvahu hydraulické regenerační brzdové systémy, výhody jsou ještě významnější. Takové instalace by mohly potenciálně snížit spotřebu paliva o 25 až 45 procent. Nejedná se o drobnou úpravu. Jde o zásadní posun v tom, jak využíváme palivo.
Stojíme na prahu post-ropné a plynárenské éry. Zásoby, které po celé století poháněly naše automobily a průmysl, se zmenšují. Obavy z emisí oxidu uhličitého jsou na vrcholu. V této souvislosti záleží na každém procentu účinnosti.
Počátek 21. století může být posledním, kdy spalovací motory dominují na silnicích. Automobilky už mění kurz. Sázejí na elektrické baterie. Experimentují s vodíkovým palivem. Někteří dokonce uvažují o použití stlačeného vzduchu. Regenerační brzdění je malý, ale kritický kousek této větší skládačky.
Zvýšený dojezd pro elektromobily a hybridy
Tyto brzdy umožňují elektrickým vozidlům jet déle bez nutnosti dobíjení. Zvyšují dojezd čistě elektrických vozů. Tato technologie pomohla vytvořit auta, jako je Tesla Roadster. Toto auto jede pouze na baterie. Na silnici nespálí ani kapku benzínu.
Elektřina by samozřejmě mohla pocházet z uhelné elektrárny. Stále jde o zdroj na bázi fosilních paliv. Ale když je auto v pohybu, do atmosféry nic nevypouští. To je pokrok.
Z toho profitují i hybridi. Díky elektromotorům a rekuperačním brzdám mohou tyto vozy ujet na galon benzinu mnohem dále. Některé dosahují přes 50 mpg. Většina řidičů oceňuje úsporu na pumpě. Méně finančních ztrát na čerpadle znamená větší přijetí nových technologií. Díky tomu je přechod plynulejší.
Často kladené otázky o regenerativním brzdění
Co přesně dělá rekuperační brzdění?
Na hybridních nebo plně elektrických platformách tento systém mění hru ve srovnání s tradičním třením. Místo toho, aby se kinetická energie rozptýlila jako neužitečné teplo, je zachycována. Motor mění svou roli a stává se generátorem. Tím se převádí mechanický pohyb na elektrický proud, který se jako chemická energie ukládá do vysokonapěťové baterie pro pozdější použití.
Jak účinné je regenerativní brzdění?
Není to magie. Účinnost je zcela závislá na konkrétní architektuře vozidla a chemii baterie. Ačkoli se teoretické limity liší, praktická účinnost se pohybuje kolem 70 %. To je dobrá návratnost investice za rekuperovanou energii, ale ne dokonalý cyklus.
Lze elektrokola nabíjet šlapáním?
Někteří možná. Některé modely elektrokol jsou vybaveny senzory podpory pedálů, které aktivují regenerační účinek, když jezdec šlape. Není to však univerzální pravidlo. To velmi závisí na ovladači motoru a zapojení konkrétního modelu. Nepředpokládejte, že se jakékoli elektrokolo nabije jen proto, že ujedete vzdálenost.
Jak maximalizovat rekuperační brzdění?
Přestaňte považovat brzdový pedál za svůj hlavní ovládací prvek. Použijte jej pouze v případě, že je nutné okamžité zastavení. Místo toho se během fází zpomalování spolehněte na funkci rekuperace energie vozidla. Čím častěji uvolníte plynový pedál, čímž převodovka zpomalí vůz, tím více energie se vrátí do baterií. Jde o minimalizaci tření a maximalizaci průtoku.
Který motor nebo součást je odpovědná za rekuperační brzdění?
Technicky nejde jen o samotný motor. Klíčovou hardwarovou součástí je jednostupňový obousměrný DC/AC měnič. Řídí tok elektřiny a umožňuje, aby se energie přesunula z kol zpět do baterie, aniž by došlo ke zkratování systému.
Další informace
Související články HowStuffWorks
-
Jak fungují brzdy
-
Jak fungují kotoučové brzdy
-
Jak fungují bubnové brzdy
-
Jak fungují protiblokovací brzdy (ABS)?
-
Jak fungují vzduchové brzdy?
-
Jak fungují posilovače brzd?
-
Jak fungují brzdové destičky
-
Jak fungují brzdové kotouče
-
Jak fungují brzdové třmeny
-
Jak fungují brzdová vedení
Zdroje
-
BrakeByWire.com. (13. ledna 2009) http://www.brakebywire.com/
-
Cantwell, Kathy. “Recovery Review”. Rockwell Automation Allen-Bradley. 7. května 2002 (13. ledna 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
-
Chene, Jasone. “Panasonic vytváří elektrické kolo s regenerativním brzděním.” Gizmodo. 7. července 2008 (13. ledna 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
-
Continental Corporation. “ISAD a EHB dělají automobily hospodárnější a šetrnější k životnímu prostředí.” 17. března 2002 (13. ledna 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 a Freescale spojují své síly pro regenerativní brzdění.” Ars Technica. 5. listopadu 2008 (13. ledna 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
-
HybridCars.com. „Hydraulické hybridy“. 3. dubna 2006 (13. ledna 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
-
Torrance, Richarde. “Rekuperační brzdění”. 4QD. listopadu 2008 (13. ledna 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
-
Tour, Okkan a spol. “Využití rekuperačního brzdění elektrických vozidel jako protiblokovacího brzdového systému.” Ansoft, LLC. 11. dubna 2006 (13. ledna 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf
