Pokaždé, když šlápnete na brzdy svého auta, plýtváte energií. Fyzika nám říká, že energii nelze zničit. Takže když vaše auto zpomalí, kinetická energie, která ho poháněla vpřed, musí někam odejít. Většina se jednoduše rozptýlí jako teplo a stane se zbytečným. Tato energie, která mohla být použita k práci, je v podstatě promarněna.
Je něco, co vy, řidič, můžete udělat, abyste přestali plýtvat touto energií? Spíš ne. Ve většině aut je to nevyhnutelný vedlejší produkt brzdění a neexistuje způsob, jak můžete řídit auto, aniž byste občas šlápli na brzdy. Automobiloví inženýři se ale nad tímto problémem hodně zamysleli a vymysleli jakýsi brzdový systém, který dokáže zpětně zachytit velkou část kinetické energie vozu a přeměnit ji na elektřinu, takže ji lze použít k dobití baterií vozu. Tento systém se nazývá regenerativní brzdění.
V současnosti se tyto druhy brzd nacházejí především v hybridních vozidlech, jako je Toyota Prius, a v plně elektrických autech, jako je Tesla Roadster. U vozidel, jako jsou tato, je udržování nabité baterie velmi důležité. Tato technologie však byla poprvé použita v trolejbusech a následně si našla cestu do tak nepravděpodobných míst, jako jsou elektrická kola a dokonce i závodní vozy Formule 1.
V tradičním brzdovém systému vytvářejí brzdové destičky tření s brzdovými rotory pro zpomalení nebo zastavení vozidla. Mezi zpomalenými koly a povrchem vozovky vzniká dodatečné tření. Toto tření přeměňuje kinetickou energii vozu na teplo. Na druhé straně u rekuperačních brzd zajišťuje většinu brzdění systém, který pohání vozidlo. Když řidič šlápne na brzdový pedál elektrického nebo hybridního vozidla, tyto typy brzd uvedou elektromotor vozidla do zpětného režimu, což způsobí, že se rozběhne dozadu, čímž se zpomalí kola automobilu. Při zpětném chodu funguje motor také jako elektrický generátor, který vyrábí elektřinu, která je poté přiváděna do baterií vozidla. Tyto typy brzd fungují v určitých rychlostech lépe než v jiných. Ve skutečnosti jsou nejúčinnější v situacích zastavování a rozjezdu. Hybridní a plně elektrické vozy však mají také třecí brzdy, jako druh záložního systému v situacích, kdy rekuperační brzdění jednoduše nedodá dostatek brzdné síly. V těchto případech je důležité, aby si řidiči byli vědomi skutečnosti, že brzdový pedál může na tlak reagovat odlišně. Pedál někdy sešlápne více k podlaze než normálně a tento pocit může v řidičích vyvolat momentální paniku.
Na následujících stránkách se podrobněji podíváme na to, jak funguje systém rekuperačního brzdění, a probereme důvody, proč je regenerativní brzdění účinnější než typický systém třecích brzd.
Obsah
Rekuperační brzdění se používá u vozidel využívajících elektromotory, především plně elektrických vozidel a hybridních elektrických vozidel. Jednou ze zajímavějších vlastností elektromotoru je, že když běží jedním směrem, přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii, kterou lze použít k provádění práce (například otáčení kol automobilu), ale když je motor běží v opačném směru, správně navržený motor se stává elektrickým generátorem, přeměňujícím mechanickou energii na elektrickou energii. Tato elektrická energie pak může být dodávána do nabíjecího systému pro autobaterie.
V systému regenerativního brzdění je trik, jak přimět motor, aby běžel dozadu, využít hybnost vozidla jako mechanickou energii, která uvede motor do zpětného chodu. Hybnost je vlastnost, která udržuje vozidlo v pohybu vpřed, jakmile se dostane na rychlost. Jakmile je motor obrácený, elektřina generovaná motorem je přiváděna zpět do baterií, kde může být použita k opětovnému zrychlení vozu po jeho zastavení. Sofistikované elektronické obvody jsou nezbytné k rozhodnutí, kdy má motor obrátit, zatímco specializované elektrické obvody směrují elektřinu generovanou motorem do baterií vozidla. V některých případech je energie vyrobená těmito typy brzd uložena v sérii kondenzátorů pro pozdější použití. Navíc, protože vozidla používající tyto druhy brzd mají také standardní třecí brzdový systém, musí elektronika vozidla rozhodnout, který brzdový systém je v kterou chvíli vhodný. Protože v systému rekuperačního brzdění je tolik věcí řízeno elektronicky, je dokonce možné, aby si řidič zvolil určité přednastavení, které určují, jak bude vozidlo reagovat v různých situacích. Například u některých vozidel si řidič může vybrat, zda má rekuperační brzdění začít okamžitě, kdykoli řidičova noha sejde z plynového pedálu, a zda brzdový systém zrychlí vůz až na 0 kilometrů za hodinu, nebo jej nechá auto mírně dobíhá.
V automobilovém průmyslu dochází k obecnému posunu směrem k takzvaným systémům brake-by-wire, kde mnohé z funkcí brzd, které byly tradičně prováděny mechanicky, budou vykonávány elektronicky. Hybridy a elektromobily budou pravděpodobně prvními uživateli těchto typů brzd. V současnosti různí automobiloví inženýři přišli s různými návrhy obvodů, aby zvládli složitost regenerativního brzdění; ve všech případech je však tou nejdůležitější částí brzdového obvodu ovladač brzdění, kterému se budeme věnovat v další části.
Brzdové ovladače jsou elektronická zařízení, která mohou ovládat brzdy na dálku a rozhodovat o tom, kdy brzdění začne, skončí a jak rychle je potřeba brzdit. Například v situacích vlečení mohou ovladače brzd poskytnout prostředky pro koordinaci brzd na přívěsu s brzdami na vozidle, které táhne.
Regenerativní brzdění je implementováno ve spojení s protiblokovacími brzdovými systémy (ABS), takže ovladač rekuperačního brzdění je podobný ovladači ABS, který sleduje rychlost otáčení kol a rozdíl v této rychlosti od
jedno kolo na druhé. Ve vozidlech, která používají tyto druhy brzd, ovladač brzd nejen monitoruje rychlost kol, ale dokáže vypočítat, kolik točivého momentu - rotační síly - je k dispozici pro výrobu elektřiny, která se přivádí zpět do baterií. Během brzdění ovladač brzdy směruje elektřinu produkovanou motorem do baterií nebo kondenzátorů. Zajišťuje, že baterie přijímá optimální množství energie, ale také zajišťuje, že přítok elektřiny není větší, než baterie zvládnou.
Nejdůležitější funkcí brzdového ovladače však může být rozhodnutí, zda je motor aktuálně schopen zvládnout sílu potřebnou k zastavení vozu. Pokud tomu tak není, ovladač brzd převede práci na třecí brzdy, čímž zabrání možné katastrofě. Ve vozidlech, která používají tyto typy brzd, stejně jako u jakékoli jiné elektroniky na palubě hybridního nebo elektrického vozu, umožňuje ovladač brzd celý proces regenerativního brzdění.
Jak se liší hybridní vozidlo od plně elektrického vozidla? Hybridní elektrická vozidla využívají jak elektromotor, tak spalovací motor, aby poskytovaly nejlepší zážitek z jízdy na obou světech. Kombinují jízdní dosah spalovacího motoru s palivovou účinností a bezemisní charakteristikou elektromotoru. Pokud má mít hybrid maximální účinnost paliva a produkovat co nejméně uhlíkových emisí, je důležité, aby baterie zůstala nabitá co nejdéle. Pokud by se baterie hybridního vozidla vybila, byl by za pohon vozidla plně zodpovědný spalovací motor. V tu chvíli už vozidlo nepůsobí jako hybrid, ale spíše jen další auto spalující fosilní paliva.
Automobiloví inženýři přišli s řadou triků, jak z hybridů vyždímat maximální efektivitu, jako je aerodynamické zefektivnění karoserie a použití lehkých materiálů, ale jedním z nejdůležitějších je bezpochyby regenerativní brzdění. V hybridním uspořádání však tyto typy brzd mohou dodávat energii pouze elektromotorické části hnacího ústrojí prostřednictvím baterie vozidla. Vnitřní spalování
motor nezíská žádnou výhodu z těchto druhů brzd.
Částečně je tato účinnost nezbytná kvůli extrémní obtížnosti při hledání místa pro dobíjení hybridu. To ztěžuje delší cesty bez spoléhání se na spalovací motor hybridu, což ve skutečnosti ruší některé výhody vlastnictví hybridu.
Příště se dozvíme o novém pojetí této myšlenky regenerativního brzdění.
Společnosti Ford Motor Company a Eaton Corporation vyvíjejí alternativní systém rekuperačního brzdění. Říká se tomu Hydraulic Power Assist nebo HPA . U HPA, když řidič šlápne na brzdu, je kinetická energie vozidla využita k pohonu reverzního čerpadla, které posílá hydraulickou kapalinu z nízkotlakého akumulátoru (jakéhosi zásobníku) uvnitř vozidla do vysokotlakého akumulátoru. Tlak je vytvářen plynným dusíkem v akumulátoru, který je stlačován při čerpání tekutiny do prostoru, který dříve zabíral. To zpomaluje vozidlo a pomáhá jej zastavit. Kapalina zůstává pod tlakem v akumulátoru, dokud řidič znovu nesešlápne plynový pedál, v tomto okamžiku se čerpadlo obrátí a stlačená kapalina se použije ke zrychlení vozidla, čímž se účinně převede kinetická energie, kterou vůz měl před brzděním, na mechanickou energii, která pomáhá dostat vozidlo zpět do rychlosti. Předpokládá se, že systém, jako je tento, by mohl uložit 80 procent hybnosti ztracené vozidlem během zpomalování a použít ji k tomu, aby se vozidlo znovu dalo do pohybu [zdroj:HybridCars.com]. Toto procento představuje ještě působivější zisk, než jaký dosahují současné systémy rekuperačního brzdění. Stejně jako elektronické rekuperační brzdění se tyto druhy brzd – systémy HPA – nejlépe používají pro jízdu ve městě, kde je běžný provoz zastavovat a rozjíždět.
Systémy HPA se dosud používaly především jako důkazy konceptu a pouze v demonstračních projektech. Ještě nejsou zcela připraveny na produkční modely. V současnosti jsou tyto hydraulické brzdy hlučné a náchylné k netěsnostem; jakmile se však vyladí všechny detaily, budou takové systémy pravděpodobně nejužitečnější u velkých nákladních vozidel o hmotnosti 10 000 liber (4 536 kilogramů) nebo více, kde se tyto typy brzd mohou ukázat jako optimálnější systém než elektronicky řízené rekuperační brzdy.
Nakonec se tato technologie může dostat i do menších vozidel. Jedna společnost, Hybrid-Drive Systems, LLC, z Michiganu, vybavila Volkswagen Beetle z roku 1968 hydraulickým regenerativním brzdovým systémem. Akumulátory však zabírají značné množství místa a budoucí výrobní plány se soustředí spíše na využití technologie ve větších vozidlech, jako jsou dodávky. Mezitím americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) uzavřela partnerství se společností Eaton Corporation na instalaci hydraulických regenerativních brzdových systémů na dodávkové vozy UPS.
Energetická účinnost konvenčního automobilu je jen asi 20 procent, přičemž zbývajících 80 procent jeho energie se přemění na teplo třením. Na regenerativním brzdění je zázračné, že může být schopno zachytit až polovinu této promarněné energie a vrátit ji zpět do provozu. To by mohlo snížit spotřebu paliva o 10 až 25 procent. Hydraulické regenerační brzdové systémy by mohly poskytnout ještě působivější zisky a potenciálně snížit spotřebu paliva o 25 až 45 procent [zdroj:HybridCars.com]. Ve století, které může vidět konec
z obrovských zásob fosilních paliv, které nám po mnoho let poskytovaly energii pro automobilový průmysl a další technologie a v nichž obavy z uhlíkových emisí vrcholí, je tato přidaná účinnost stále důležitější.
Začátek 21. století by mohl velmi dobře znamenat závěrečné období, kdy se spalovací motory běžně používají v automobilech. Výrobci automobilů již směřují k alternativním nosičům energie
jako jsou elektrické baterie, vodíkové palivo a dokonce stlačený vzduch. Regenerační brzdění je malý, ale velmi důležitý krok k naší případné nezávislosti na fosilních palivech. Tyto druhy brzd umožňují použití baterií po delší dobu, aniž by bylo nutné je zapojovat do externí nabíječky. Tyto typy brzd také prodlužují dojezd plně elektrických vozidel. Ve skutečnosti nám tato technologie již pomohla přinést auta, jako je Tesla Roadster, která běží výhradně na baterii. Jistě, tato auta mohou používat fosilní paliva ve fázi dobíjení – to znamená, pokud zdroj elektřiny pochází z fosilního paliva, jako je uhlí – ale když jsou venku na silnici, mohou fungovat bez užitku. fosilních paliv vůbec, a to je velký krok vpřed.
Zvýšená účinnost regenerativního brzdění také znamená menší bolest u pumpy, protože hybridy s elektromotory a regeneračními brzdami mohou cestovat mnohem dále s galonem plynu, přičemž některé v tomto bodě dosahují více než 50 mil na galon. A to je něco, co většina řidičů opravdu ocení.
Toto jednoduché schéma ukazuje, jak je systém rekuperačního brzdění schopen znovu zachytit část kinetické energie vozidla a přeměnit ji na elektřinu. Tato elektřina se pak používá k dobíjení baterií vozidla.
Chcete-li se dozvědět více o brzdových systémech a souvisejících automobilových tématech, podívejte se na odkazy na další stránce.
Původně zveřejněno:23. ledna 2009
