Was ist regeneratives Bremsen und warum verwenden wir es nicht?

tl;dr: Das tun wir. Es ist nur teuer.

Einer der Unterschiede zwischen elektrischen und chemischen Energiemotoren besteht darin, dass die elektrischen Systeme es viel bequemer machen, Energie aufzunehmen und zu speichern (z. B. eine Batterie). Alles, was Sie tun müssen, ist, beim Bremsen direkt am Rad per Induktion einen elektrischen Strom zu erzeugen. Richten Sie diesen Strom auf diese Batterie und Sie haben Energie zurückbehalten, die sonst verschwendet würde.

Mit einem chemischen Energiemotor ist es viel schwieriger, überschüssige Energie zu speichern. Wir können die Bremsen zum Beispiel nicht nutzen, um mehr Benzin zu erzeugen. Es ist jedoch möglich, kinetische Energie in so etwas wie einem KERS zu speichern . Dadurch wird die Energie beim Bremsen verwendet, um ein Schwungrad hochzudrehen. Dieses Schwungrad kann dann bei Bedarf für zusätzliche Antriebskraft verwendet werden.

Leider sind KERS-Einheiten teuer und erfordern eine Menge zusätzlicher Technik (wie genau werden Sie dieses drehende Schwungrad dazu bringen, das Auto tatsächlich vorwärts zu schieben?). Sie sind auch nicht üblich, sodass sie nicht von Skaleneffekten profitieren.

Alles in allem funktionieren sie. Die Formel 1 hat sie mit großer Wirkung als vorübergehendes Boost-System eingesetzt. Ich würde diese Art von Fähigkeit nicht auf der Straße verwenden, aber ich würde gerne mit allem experimentieren, das mir hilft, mehr Schwung aus einer Gallone Benzin zu bekommen.

Als Antwort auf die Frage „Was ist regeneratives Bremsen und warum verwenden wir es nicht?“, tun wir es. Beim normalen Bremsen wird der Vorwärtsschwung des Autos durch die Bremsen abgerieben, indem sie in der Bremsscheibe in Wärme umgewandelt werden, die sich anschließend auflöst und verloren geht. Beim regenerativen Bremsen geht die Bewegung des Autos nicht als Wärme an die Atmosphäre verloren, sondern wird in elektrische Energie umgewandelt und in der Fahrzeugbatterie gespeichert.

Die Volkswagen Bluemotion-Fahrzeugreihe (und ich bin ziemlich zuversichtlich, dass andere Hersteller dies tun, aber ich bin mir sicher, dass Volkswagen dies tut) verfügt über eine sehr ausgeklügelte Lichtmaschine. Wenn das Auto erkennt, dass es durch Druck auf die Bremsen verlangsamt wird und das Auto noch einen Gang eingelegt hat und die Kupplung geschlossen ist, schaltet die Lichtmaschine in einen Modus, in dem sie dem Antrieb deutlich mehr Leistung entzieht. Dieser Antrieb würde normalerweise vom Motor kommen, aber in einer Bremssituation wird er ausschließlich durch das Getriebe bereitgestellt und läuft effektiv gegen den Antriebsstrang.

Dieses System ist sowohl in benzin- als auch dieselbetriebenen Bluemotion-Volkswagen eingebaut. Weitere Informationen finden Sie hier und hier

Ich weiß zu schätzen, dass dies nicht ganz im gleichen Maßstab ist wie die F1-Autos, aber es ist eine Form des regenerativen Bremsens und wird heute auf öffentlichen Straßen verwendet.

Regeneratives Bremsen ist ein System, das die Energie speichert, die stattdessen durch Wärme in den Bremsen verloren gehen würde. Obwohl diese Systeme großartig klingen, haben sie eine ganze Reihe eigener Probleme.

1. Bevor man überhaupt in die Energiespeicherung und -erzeugung einsteigt, werden die eigentlichen Betriebsbremsen sehr kompliziert. Damit das regenerative Bremsen ordnungsgemäß funktioniert, können die Bremsen nicht aktiviert werden, während die regenerativen Bremsen ihre Arbeit erledigen. Weitere regenerative Bremsen arbeiten nur bei hohen Geschwindigkeiten und verlieren ihre Wirksamkeit, wenn Sie langsamer werden. Dies erfordert einen Übergang, bei dem die regenerativen Bremsen Sie bei hoher Geschwindigkeit verlangsamen und die regulären Bremsen nicht, und wenn Sie langsamer werden, wirken die regenerativen Bremsen immer weniger und die regulären Bremsen bringen Sie schließlich zum Stillstand. Das System, das dafür sorgt, dass sich das Bremspedal normal anfühlt, während die normalen Bremsen nichts tun, und Sie dann sanft in das normale Bremsen überführt, wenn Sie bemerken, dass ein Wechsel stattgefunden hat, ist sehr kompliziert und sehr schwer zu perfektionieren.
2. Energiespeicherung ist ein großes Problem. Bei Hybriden klingt alles großartig, laden Sie einfach die Batterien auf, wo in Wirklichkeit die Energiemenge, die das Auto während eines Stopps erzeugt, viel mehr ist, als die Batterien tatsächlich aufnehmen können. Wenn der Stopp schnell erfolgt, wird das Problem weiter verstärkt. Ein System, das @BobCross erwähnt hat, ist das KERS. Durch die Kombination eines Motors/Generators mit dem Schwungrad wird die zusätzliche regenerative Energie, die nicht direkt in die Batterien fließen kann, zum Hochdrehen des Schwungrads verwendet. Dann wird die Energie im Laufe der Zeit in Strom umgewandelt, um die Batterien aufzuladen. Diese Systeme sind sehr schwer und teuer. Ein anderes System verwendet Superkondensatoren. Die zusätzliche Energie wird in die Supercaps geleitet. Das Problem ist, dass die in den Kondensatoren gespeicherte Energie ohne Konditionierung nicht sehr nützlich ist. Die Spannung in Kondensatoren fällt sehr schnell ab. Wenn eine Hochspannung gespeichert wird, wird ein System benötigt, um die Spannung auf etwas Nützliches herunterzuregeln. Wenn nicht mehr Spannung als die Batterie gespeichert wird, ist ein System erforderlich, um die Spannung auf etwas Nützliches zu erhöhen. Superkondensatoren sind auch ziemlich teuer.

Hybrid- und Elektroautos haben elektrische Systeme eingebaut, um das regenerative Bremsen zu nutzen. All diese Probleme werden bei reinen Benzinmotoren weiter verstärkt. Ein neues System muss installiert werden, kann etwas vorhandenes nicht nutzen, um regeneratives Bremsen bereitzustellen, was die Kosten erhöht. Es wird schwierig, jemandem ein System zu verkaufen, das 5.000 US-Dollar zum Preis eines Autos hinzufügt, das in der Stadt weniger Kraftstoff verbraucht, aber auf der Autobahn leidet.

Ford entwickelt ein System, bei dem eine Verdrängerpumpe einen Hydraulikspeicher auflädt, wenn Sie anhalten. Beim erneuten Abheben wird der Flüssigkeitsdruck umgekehrt durch die Pumpe geleitet, um sie in einen Motor umzuwandeln, der das Starten von einem Stopp unterstützt. Das System ist für große Lastkraftwagen gedacht, bei denen die Größe des Systems keine allzu große Belastung darstellt. Außerdem ist das System laut und anfällig für Lecks.

Dieselelektrische Eisenbahnlokomotiven verwenden regeneratives Bremsen, aber sie nennen es "dynamisches Bremsen". Außerdem speichern sie die Energie nicht, sondern blasen sie über Widerstandsgitter und Ventilatoren auf Dachebene ab.

Vollelektrische Lokomotiven und einige Straßenbahnen können den regenerierten Strom im Allgemeinen wieder in den Draht oder die dritte Schiene einspeisen. Dies ist in DC-Systemen viel einfacher.

Aber die Fahrmotoren (in der Regel einer pro Achse) werden vom Schwung des Zuges angetrieben und laufen so als Generatoren.

Regeneratives Bremsen ist nur bei Elektro- oder Hybridautos wirklich sinnvoll, weil sie die gespeicherte Energie nutzen können. Sobald Sie einen Elektromotor als Teil des Antriebsstrangs haben, ist das regenerative Bremsen (zumindest in Bezug auf die Hardware) ziemlich integriert, da Sie einfach die vorhandenen Motoren als Generator verwenden und die erzeugte Energie für später an die Batterie umleiten verwenden.

Im Wesentlichen macht es überhaupt keinen Sinn, regeneratives Bremsen in etwas anderem als einem Hybridauto zu verwenden, tatsächlich ist regeneratives Bremsen eine gute Definition eines Hybridautos.

Es gibt zwar keinen Grund, warum Sie ein herkömmliches Auto mit Verbrennungsmotor nicht mit einem regenerativen Bremssystem ausstatten könnten, aber wenn Sie diese Kraft nicht zum Fahren des Autos verwenden, haben Sie nicht wirklich viel erreicht, da Sie viel mehr hinzufügen Gewicht und Komplexität, um elektrische Energie zu speichern, die Sie nicht verwenden können.

Es gibt auch das Problem, dass Sie bei langen Autobahnfahrten möglicherweise nicht genug bremsen, um selbst die kleinen Anforderungen der elektrischen Hilfssysteme (Licht, Zündung, Radio, Laden der Batterie zum Starten usw.) zu erfüllen, sodass Sie möglicherweise nicht einmal die Bremsen bekommen Vorteil, dass keine Lichtmaschine benötigt wird.

Wir können das Nächstbeste tun.

1/2 Meile (800 m) weiter vorne sehe ich eine gelbe Ampel; bei 60 mph (100 km/h) sind das 30 Sekunden. Und ich weiß, dass Licht einen Zyklus von etwa 35 Sekunden hat, plus 10 Sekunden, damit der Stapel angehaltener Autos in Bewegung kommt.

Ich habe kontinuierliche Kraft angewendet, um die Geschwindigkeit zu halten. Ich werde dies weitere 25 Sekunden lang tun, dann 5 Sekunden lang stark bremsen und anhalten. 15 Sekunden mit meinem Handy spielen, dann mache ich mich auf den Weg.

Oder... ich gehe sofort in den Leerlauf. Mein Auto rollt. Wenn der Motor noch im Gang ist, drückt (dreht) mein Schwung den Motor, um eine leichte Bremswirkung zu erzielen, sodass die Kraftstoffeinspritzdüsen vollständig abgeschaltet werden. Meine Geschwindigkeit verlangsamt sich allmählich ... 55 ... 50 ... 45 ... Wenig Kraft ... 40 (65 km/h) ... Drehen Sie die Ampel auf Grün, während ich noch 1/8 Meile (200 m) bin der Rücken. Die angehaltenen Autos packen aus und ich schätze genau ab, wann ich Strom anlegen muss. Und ich bremse nie .

Im ersten Szenario gibt es zwei Energiebörsen. Zuerst wurde der Kraftstoff für diese 3/8 Meile (600 m) aufgetragen, um im Reiseflug zu bleiben. Zweitens ging die Bremsenergie auf der letzten 1/8 Meile verloren. Diese sind nicht nur nahezu gleich, sie haben auch die gleiche Energie . Wenn wir uns richtig regenerierten, könnten wir sie vom Amperemeter ablesen und die tatsächlichen Joules heraus und hinein ableiten.

Im zweiten Szenario gibt es keine. Es wird kein Kraftstoff verbraucht und keine Bremsenergie abgegeben. Der Effekt des regenerativen Bremsens wird erreicht, jedoch ohne Wandlungsverluste.

Zugegeben, das ist eher ein Bildungsansatz als ein Technologieansatz, aber es funktioniert. Selbst bei einem regenerierbaren Elektrofahrzeug funktioniert es immer noch besser als regenerativ - tatsächlich funktioniert es bei einem Elektrofahrzeug sogar noch besser, weil Sie besser "ausrollen" können - Sie müssen den Motor nicht mit Luftwiderstand drehen, nur um Brems- und Lenkunterstützung bereitzustellen .