Elke keer dat u het rempedaal indrukt, gooit u geld weg. De natuurkunde staat niet toe dat energie zomaar verdwijnt. De kinetische energie die een voertuig voortstuwt, moet ergens heen als je langzamer gaat rijden. In een standaard auto met verbrandingsmotor verdwijnt die energie als warmte. Het kookt de rotoren. Het verdwijnt in de lucht. Nutteloos.
Kunt u, de chauffeur, deze verspilling tegenhouden? Niet echt. Remmen is onvermijdelijk. Je kunt niet rijden zonder te vertragen. Maar auto-ingenieurs hebben tientallen jaren over dit probleem nagedacht. Ze bouwden een systeem om die kinetische energie te herwinnen. Het zet beweging om in elektriciteit. Vervolgens stuurt hij die stroom terug naar de batterij. Dit is regeneratief remmen.
Tegenwoordig zie je deze remmen vooral in hybrides zoals de Toyota Prius. Je vindt ze in volledig elektrische voertuigen zoals de Tesla Model S. Het is belangrijk dat de batterij opgeladen blijft in deze auto’s. De technologie is echter niet nieuw. Het begon in trolleywagens. Nu komt het voor bij elektrische fietsen. Zelfs Formule 1-raceauto’s gebruiken het.
Зміст
De werking van energieterugwinning
Traditionele remmen zijn afhankelijk van wrijving. Remblokken klemmen tegen rotoren. De wielen vechten tegen het wegdek. Wrijving zet kinetische energie om in warmte. Regeneratieve remmen werken anders. De elektromotor doet het zware werk. Wanneer u uw voet van het gaspedaal haalt of op de rem trapt, draait de motor achteruit. Het fungeert als een generator. Het draait achteruit. Dit vertraagt de wielen. Er ontstaat ook elektriciteit. De stroom vloeit naar het accupakket.
Het is niet perfect. Het systeem werkt het beste bij bepaalde snelheden. Stop-and-go-verkeer is ideaal. Voor snel remmen op de snelweg zijn nog steeds traditionele wrijvingsremmen nodig. Deze fungeren als back-up. Ze treden in werking als de regeneratie de auto niet snel genoeg kan stoppen. Chauffeurs moeten dit weten. Het pedaalgevoel verandert. Het zou lager kunnen zinken dan verwacht. Die diepe reis kan paniek veroorzaken. Het voelt verkeerd. Het is gewoon anders.
Waarom efficiëntie belangrijk is
Regeneratieve remsystemen vangen energie op die anders verloren zou gaan. Dit verbetert de algehele efficiëntie. Hybride en elektrische voertuigen vertrouwen op deze efficiëntie. Het vergroot het bereik. Het vermindert de slijtage van de remblokken. De wrijvingsremmen gaan langer mee. De onderhoudskosten dalen. Maar het systeem is geen magie. Het heeft grenzen. Bij krachtig remmen ontstaat nog steeds warmte. De overgang tussen regen- en wrijvingsremmen kan schokkerig aanvoelen. Sommige chauffeurs hebben er een hekel aan. Ze willen het consistente gevoel van traditionele pads. Anderen houden van de rijervaring met één pedaal. Eén voet regelt de snelheid en stopt.
De technologie blijft evolueren. Nieuwe algoritmen verzachten de overgang. Betere batterijen slaan meer van de teruggewonnen energie op. Nu elektrische voertuigen steeds gebruikelijker worden, is het begrijpen hoe ze stoppen net zo belangrijk als weten hoe ze rijden. De toekomst van remmen gaat niet alleen over stoppen. Het gaat om het besparen van energie.
Hoe regeneratief remmen energie terugwint
Elektromotoren hebben een dubbele persoonlijkheid. Rijd ze vooruit en ze zetten elektriciteit in beweging. Draai ze achteruit en ze genereren stroom. Deze omkeerbare aard vormt de basis van regeneratief remmen in hybrides en elektrische voertuigen. Het verandert de wielen in generatoren. In plaats van kinetische energie als warmte te verspillen, vangt het systeem deze op.
Het proces is afhankelijk van momentum. Wanneer u uw voet van het gaspedaal haalt, dwingt de voorwaartse beweging van de auto de motor om achteruit te draaien. De motor bestrijdt deze beweging. Deze weerstand vertraagt het voertuig. Tegelijkertijd produceert het elektriciteit. Deze stroom vloeit terug naar het accupakket. De bespaarde energie kan uw actieradius vergroten. Het kan er ook voor zorgen dat de auto later weer accelereert.
De elektronica achter de aanslag
Je kunt een motor niet zomaar omkeren en verwachten dat hij werkt. De elektronica is complex. Gespecialiseerde circuits bepalen precies wanneer er van modus moet worden gewisseld. Ze leiden de opgewekte stroom naar de batterijen. In sommige ontwerpen slaan condensatoren deze energie op voor snelle krachtuitbarstingen.
De meeste auto’s hebben nog steeds traditionele wrijvingsremmen. Het systeem moet kiezen tussen regeneratie en pads. De computer beslist. Het balanceert efficiëntie met veiligheid. Het bepaalt welk systeem op welk moment geschikt is.
Regeneratief remmen zet mechanische energie om in elektrische energie en voert deze terug naar het laadsysteem van het voertuig.
Chauffeurs hebben vaak controle over dit gedrag. Veel voertuigen bieden presets. Je kunt kiezen hoe agressief de regen ingrijpt. Sommige auto’s remmen onmiddellijk als je het pedaal loslaat. Anderen kusten natuurlijker. Hiermee kunt u het rijgevoel aanpassen. U kunt beslissen of de auto volledig tot stilstand komt of tot stilstand komt.
De toekomst van Brake-by-Wire
De industrie evolueert naar rem-by-wire-systemen. Traditionele mechanische koppelingen worden vervangen door elektronische bedieningselementen. Hybriden en elektrische auto’s zullen waarschijnlijk het voortouw nemen bij deze adoptie. De complexiteit vereist verschillende circuitontwerpen van verschillende ingenieurs. Maar één component blijft centraal staan in al deze aspecten.
De remcontroller is het meest kritische onderdeel. Het beheert het gehele proces. Het zorgt ervoor dat de motor op het juiste moment achteruit draait. Het stuurt de stroom naar de juiste plek. Het coördineert met traditionele remmen. Zonder dit is regeneratief remmen slechts een theoretisch concept.
Regeneratieve remcontrollers
Remcontrollers zijn elektronische hersentrusts. Ze dicteren de timing van remgebeurtenissen en de snelheid waarmee druk wordt uitgeoefend. In sleepscenario’s synchroniseren ze de remmen van de aanhangwagen met het trekvoertuig. Zonder hen, raad je het. Met hen heb je coördinatie.
Regeneratieve remsystemen werken niet in een vacuüm. Ze werken hand in hand met antiblokkeersystemen (ABS). De controller voor regenremmen weerspiegelt de ABS-logica. Het houdt de wielsnelheid in de gaten. Het bewaakt de delta tussen de wielen. Als het ene wiel sneller vertraagt dan het andere, reageert het systeem.
Maar bij hybride en elektrische voertuigen gaat het werk dieper. De controller berekent het beschikbare koppel. Koppel is rotatiekracht. Het meet hoeveel mechanische energie kan worden omgezet in elektriciteit. Deze elektriciteit wordt teruggevoerd naar het batterijpakket of de supercondensatoren.
De controller beheert de lading. Het zorgt ervoor dat de batterijen een optimale hoeveelheid stroom ontvangen. Het voorkomt ook overbelasting. Geen enkele batterij houdt ervan om meer stroom te krijgen dan hij veilig kan absorberen. De controller fungeert als poortwachter.
De remcontroller bepaalt of de motor de remkracht aankan. Als dat niet het geval is, nemen wrijvingsremmen het over.
De meest kritische functie? Besluitvorming. Kan de elektromotor de auto nu tot stilstand brengen? Soms is dat zo. Vaak is dat niet het geval. Voorwaarden veranderen. De laadstatus van de batterij fluctueert. Temperatuur daalt.
Als de motor onvoldoende capaciteit heeft, draagt de controller de besturing over. Er wordt overgeschakeld op wrijvingsremmen. Dit voorkomt catastrofes. Het zorgt ervoor dat u kunt stoppen wanneer dat nodig is, ongeacht elektronische beperkingen.
In hybrides en elektrische voertuigen maakt geen enkel ander elektronisch onderdeel regeneratief remmen mogelijk. De remcontroller is de spil. Het brengt energieterugwinning in evenwicht met voertuigveiligheid. Het zet kinetische energie om in opgeslagen energie. En wanneer die energie niet kan worden opgeslagen, worden de remblokken en rotors ingeschakeld om u tot stilstand te brengen.
Hybride regeneratief remmen
Deze integratie creëert een naadloze lus. De bestuurder trapt het pedaal in. De controller beoordeelt het vermogen van de motor om te regenereren. Het past het regeneratieniveau dienovereenkomstig aan. Het resultaat is een soepelere vertraging. Het voelt natuurlijk aan. Het is geen magie. Het is gewoon een nauwkeurig elektronisch beheer van twee heel verschillende remsystemen die als één geheel werken.
Het vuile geheim van de hybride: het opladen van angst
Je denkt dat je de planeet redt door in een hybride te rijden. Dat ben je niet. Niet echt.
Hybride elektrische voertuigen (HEV’s) zijn een compromis. Ze combineren een verbrandingsmotor met een elektromotor om u de actieradius van een benzinetank en de efficiëntie van een batterij te geven. Maar hier zit het addertje onder het gras: de batterij moet opgeladen blijven. Als hij sterft, wordt de auto gewoon een zware metalen kist waarin fossiele brandstoffen worden verbrand. En in tegenstelling tot plug-in hybrides of puur elektrische voertuigen bieden standaard hybrides vrijwel geen plek om aan te sluiten. Geen laadstation. Geen stopcontact. Alleen jij, de benzinepomp en de hoop dat je rijstijl efficiënt genoeg is.
Dit creëert een paradox. Ingenieurs geven miljoenen uit aan aerodynamische vormgeving en lichtgewicht materialen om MPG eruit te persen. Ze vertrouwen op regeneratief remmen om energie op te vangen die anders verloren gaat als warmte. Maar bij een traditionele hybride helpt de opgevangen elektriciteit alleen de elektromotor. De benzinemotor krijgt niets. Het baat niet. Het zit daar gewoon, wachtend om het over te nemen als de batterij te laag wordt.
Bij lange reizen verdwijnt de illusie. Op de snelweg kun je niet opladen. Je wordt gedwongen de motor te laten draaien. Het ‘hybride’ voordeel verdampt. Je rijdt gewoon in een benzineauto met een zwaar, onnodig accupakket aan het chassis.
Dus hoe repareren we een systeem dat niet kan worden aangesloten? Hoe maken we het remvermogen nuttig voor de hoofdmotor?
Voer het hydraulische alternatief in.
Hydraulisch regeneratief remmen
Traditioneel regeneratief remmen stuurt elektriciteit naar de accu. Hydraulische systemen volgen een ander pad. Ze slaan energie op als vloeistof onder druk in plaats van als elektronen.
Waarom doet dit er toe?
Omdat hydraulische remmen energie kunnen terugvoeren naar het hydraulische remsysteem zelf. Dit gaat niet alleen over het besparen van elektriciteit voor de motor. Het gaat om het handhaven van de systeemdruk. Het vermindert de werklast van de motor wanneer deze vloeistoffen moet pompen. Het creëert een gesloten lus die niet op dezelfde rigide manier afhankelijk is van de laadtoestand van de batterij.
Het is een mechanische oplossing voor een elektrisch probleem.
De meeste hybrides maken gebruik van elektromotoren omdat de technologie volwassen is. Batterijen zijn goedkoop (relatief). Motoren zijn efficiënt. Maar ze zijn zwaar. Ze degraderen. Ze hebben koelsystemen nodig. Een hydraulische accumulator is eenvoudiger. Minder bewegende delen. Minder thermisch beheerdrama.
Maar het is niet mainstream. Waarom?
Omdat de auto-industrie geobsedeerd is door elektriciteit. Elke nieuwe auto wordt gepresenteerd als een stap in de richting van volledige elektrificatie. Hydraulische systemen zien eruit als een stap achteruit. Een relikwie. Ze passen niet in het verhaal van de ‘digitale’ auto. Ze hebben geen schermen. Ze hebben geen OTA-updates.
Maar voor een voertuig dat nooit kan worden aangesloten, zijn ze misschien wel de enige logische keuze.
Stel je een hybride voor die niet bang is dat de batterij leeg raakt. Stel je een systeem voor waarbij elke stop druk toevoegt, en niet alleen maar laadt. Waar de remkracht de motor ook helpt ademen.
Het gaat niet om het vervangen van de batterij. Het gaat over redundantie. Het gaat erom dat u niet al uw efficiëntie-eieren in de elektrochemische mand legt.
De industrie is druk bezig met het bouwen van grotere batterijen voor auto’s die je kunt aansluiten. Ze negeren de miljoenen automobilisten die dat niet kunnen. Of niet. Of woon in appartementen zonder stopcontacten. Voor hen is de hydraulische hybride geen overblijfsel. Het is een levenslijn.
Maakt de markt zich zorgen?
Ford en Eaton wedden op vloeistofdynamica boven elektriciteit. Ze hebben Hydraulic Power Assist (HPA) ontwikkeld, een regeneratief remsysteem dat hoogspanningskabels vervangt door hogedrukleidingen. Het is een heel ander beest.
Hier ziet u hoe de natuurkunde werkt. Wanneer u uw voet van het gaspedaal haalt en het rempedaal indrukt, verdwijnt het momentum van de auto niet zomaar in hitte. In plaats daarvan drijft het een omkeerbare pomp aan. Deze pomp duwt hydraulische vloeistof van een lagedrukaccumulator naar een hogedrukaccumulator. De opslagtank gebruikt stikstofgas om tegendruk te creëren. Als vloeistof binnendringt, comprimeert het gas. De auto vertraagt. De energie zit gevangen in dat samengeperste gas.
Houd het daar.
De vloeistof blijft onder druk staan totdat je weer gas geeft. Dan keert de pomp om. Het dwingt de vloeistof naar buiten en gebruikt de opgeslagen hydraulische energie om de wielen te laten draaien. Je gebruikt de kinetische energie die je tijdens het remmen hebt verloren en zet deze weer om in mechanische beweging om op snelheid te komen.
De cijfers zijn overtuigend. Ford en Eaton voorspellen dat dit systeem 80 procent van het momentum dat verloren gaat tijdens het afremmen kan opslaan. Dat is hoger dan wat de meeste huidige elektronische regeneratieve remsystemen bereiken. Het is efficiënt. Brutaal dus.
Maar efficiëntie is niet alles. Nog niet.
Het probleem van lawaai en lekkage
HPA-systemen bestaan momenteel vooral als proofs of concept en demoprojecten. Ze zijn niet klaar voor uw dagelijkse woon-werkauto. De hardware is luid. Het is gevoelig voor lekken. Hydraulische systemen in beweging zijn een rommelige aangelegenheid vergeleken met de schone stilte van elektromotoren.
Dus waar hebben ze zin?
Ze zijn het meest geschikt voor stadsritten met constant stop-and-go-verkeer. Maar wat nog belangrijker is, ze zijn ontworpen voor zware transporteurs. Vrachtwagens met een gewicht van 10.000 pond (4.536 kilogram) of meer. Voor deze enorme machines bieden hydraulische regeneratieve remmen een optimalere oplossing dan elektronisch gestuurde systemen. De enorme massa vereist een robuuste energieopvang, en de hydraulica verwerkt die belasting anders dan batterijen.
Retrofits en praktijktests
Kleinere auto’s? Niet zo veel. De voor dit systeem benodigde accu’s nemen veel ruimte in beslag. Ruimte is een luxe in compacte voertuigen.
Hybrid-Drive Systems, LLC, gevestigd in Michigan, probeerde het toch. Ze hebben een Volkswagen Kever uit 1968 achteraf uitgerust met een hydraulisch regeneratief remsysteem. Het werkt, maar het is een krappe druk. Toekomstige productieplannen negeren de Kever. Ze kijken naar busjes. Grotere voertuigen. Hogere gewichtsklassen.
De milieu-invalshoek is de drijvende kracht achter een deel van deze adoptie. De Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) is een partnerschap aangegaan met Eaton om deze hydraulische systemen op UPS-bestelwagens te installeren. Stop-and-go-routes. Zware ladingen. Perfecte omstandigheden om dat verspilde momentum terug te winnen.
Het is voorlopig een nichetechnologie. Luidruchtig. Lekkend. Omvangrijk. Maar voor de juiste toepassing is dit misschien wel de enige manier om die 80 procent winst terug te krijgen.
Regeneratieve remefficiëntie
De meeste conventionele voertuigen zijn schrikbarend inefficiënt. Slechts ongeveer 20 procent van de energie in brandstof brengt de auto daadwerkelijk in beweging. De overige 80 procent verdwijnt als warmte, verloren door wrijving in de motor, transmissie en remmen. Het is een enorme verspilling.
Regeneratief remmen verandert de wiskunde. Het kan tot de helft van die verspilde energie opvangen en terugleveren aan het systeem. Deze eenvoudige verschuiving vermindert het brandstofverbruik met 10 tot 25 procent. Als je naar hydraulische regeneratieve remsystemen kijkt, zijn de winsten zelfs nog groter. Deze opstellingen kunnen het brandstofverbruik mogelijk met 25 tot 45 procent verminderen. Dat is niet marginaal. Dat is een fundamentele verandering in de manier waarop we brandstof verbranden.
We staan aan de rand van een post-fossiele-brandstof-tijdperk. De reserves die onze auto’s en industrieën een eeuw lang van energie hebben voorzien, slinken. De angst voor de CO2-uitstoot bereikt een hoogtepunt. In deze context is elk procentpunt efficiëntie van belang.
Het begin van de 21e eeuw zou wel eens de laatste keer kunnen zijn dat verbrandingsmotoren de wegen domineren. Autofabrikanten zijn al aan het draaien. Ze wedden op elektrische batterijen. Ze experimenteren met waterstof als brandstof. Sommigen kijken zelfs naar perslucht. Regeneratief remmen is een klein stukje van deze grotere puzzel. Maar het is een kritische kwestie.
Vergroot de actieradius voor elektrische en hybride voertuigen
Deze remmen zorgen ervoor dat elektrische voertuigen langer kunnen rijden zonder dat ze hoeven te worden aangesloten. Ze vergroten het rijbereik van volledig elektrische auto’s. Deze technologie hielp bij het creëren van auto’s zoals de Tesla Roadster. Die auto rijdt volledig op batterijvermogen. Er verbrandt geen druppel benzine op de weg.
Natuurlijk kan de elektriciteit afkomstig zijn van een kolencentrale. Dat is nog steeds een bron van fossiele brandstoffen. Maar als de auto rijdt, stoot hij niets uit. Dat is vooruitgang.
Hybriden profiteren ook. Met elektromotoren en regeneratieve remmen komen deze auto’s veel verder op een liter benzine. Sommigen bereiken meer dan 50 mijl per gallon. De meeste chauffeurs waarderen het om geld te besparen aan de pomp. Minder pijn aan de pomp betekent meer acceptatie van nieuwe technologie. Het maakt de overgang soepeler.
Veelgestelde vragen over regeneratief remmen
Wat doet regeneratief remmen eigenlijk?
Op hybride of volledig elektrische platforms draait het systeem het script om naar traditionele wrijving. In plaats van kinetische energie te laten verdwijnen als afvalwarmte, vangt het dat momentum op. De motor keert zijn rol om en wordt een generator. Hierdoor wordt mechanische beweging omgezet in elektrische stroom en wordt deze als chemische energie opgeslagen in het hoogspanningsbatterijpakket voor later gebruik.
Hoe efficiënt is regeneratief remmen?
Het is geen magie. De efficiëntie hangt volledig af van de specifieke voertuigarchitectuur en de batterijchemie. Hoewel de theoretische limieten variëren, schommelt het praktische rendement rond 70%. Het is een solide rendement op de investering voor de teruggewonnen energie, maar geen perfecte lus.
Kunnen elektrische fietsen opladen door te trappen?
Sommigen kunnen dat. Bepaalde e-bikemodellen zijn voorzien van trapondersteuningssensoren die een regeneratief effect activeren terwijl de berijder trapt. Dit is echter niet universeel. Het hangt sterk af van de motorcontroller en bedrading van het specifieke model. Ga er niet van uit dat elke e-bike wordt opgeladen alleen maar omdat u kilometers maakt.
Hoe maximaliseer je regeneratief remmen?
Beschouw het rempedaal niet langer als een primair bedieningselement. Gebruik het alleen wanneer onmiddellijke remkracht vereist is. Vertrouw in plaats daarvan op de energieterugwinningsfunctie van het voertuig tijdens de vertragingsfasen. Hoe vaker u het gaspedaal loslaat om de aandrijflijn de auto te laten vertragen, hoe meer vermogen er teruggestuurd wordt naar de accu’s. Het gaat om het minimaliseren van wrijving en het maximaliseren van de doorstroming.
Welke motor of onderdeel zorgt voor regeneratief remmen?
Technisch gezien is het niet alleen de motor zelf. Een eentraps bidirectionele DC/AC-converter is de kritische hardwarecomponent. Het beheert de elektriciteitsstroom, waardoor de stroom van de wielen terug naar het accupakket kan gaan zonder dat het systeem wordt kortgesloten.
Veel meer informatie
Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen
-
Hoe remmen werken
-
Hoe schijfremmen werken
-
Hoe trommelremmen werken
-
Hoe antiblokkeerremmen werken
-
Hoe luchtremmen werken
-
Hoe rembekrachtiging werkt
-
Hoe remblokken werken
-
Hoe remschijven werken
-
Hoe remklauwen werken
-
Hoe remleidingen werken
Bronnen
-
BrakeByWire.com. (13 januari 2009) http://www.brakebywire.com/
-
Cantwell, Katie. “Regeneratieoverzicht.” Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 mei 2002. (13 januari 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
-
Chen, Jason. “Panasonic maakt elektrische fiets met regeneratief remmen.” Gizmodo. 7 juli 2008. (13 januari 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regeneratief-braking
-
Continentale onderneming. “ISAD en EHB maken auto’s zuiniger en milieuvriendelijker.” 17 maart 2002. (13 januari 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 en Freescale werken samen aan regeneratief remmen.” Ars Technica. 5 november 2008. (13 januari 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regeneratieve-braking.html
-
HybridCars.com. “Hydraulische hybriden.” 3 april 2006. (13 januari 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
-
Torrens, Richard. “Regenremmen.” 4QD. November 2008. (13 januari 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
-Tur, Okan, et al. “Toepassingsnota over regeneratief remmen van elektrische voertuigen als antiblokkeersysteem.” Ansoft, LLC. 11 april 2006. (13 januari 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf
