Elke keer dat u op de rem van uw auto trapt, verspilt u energie. De natuurkunde vertelt ons dat energie niet kan worden vernietigd. Dus als je auto vertraagt, moet de kinetische energie die hem voortstuwde ergens heen gaan. Het meeste ervan verdwijnt gewoon als warmte en wordt nutteloos. Die energie, die gebruikt had kunnen worden om werk te doen, is in wezen verspild.
Is er iets dat u, de chauffeur, kunt doen om te voorkomen dat u deze energie verspilt? Niet echt. In de meeste auto's is dit het onvermijdelijke bijproduct van het remmen en het is onmogelijk om een auto te besturen zonder af en toe op de rem te trappen. Maar auto-ingenieurs hebben goed over dit probleem nagedacht en hebben een soort remsysteem bedacht dat veel van de kinetische energie van de auto kan terugwinnen en omzetten in elektriciteit, zodat het kan worden gebruikt om de accu's van de auto op te laden. Dit systeem wordt regeneratief remmen genoemd.
Momenteel worden dit soort remmen vooral aangetroffen in hybride voertuigen zoals de Toyota Prius, en in volledig elektrische auto's, zoals de Tesla Roadster. Bij voertuigen als deze is het opladen van de accu van groot belang. De technologie werd echter voor het eerst gebruikt in trolleyauto's en heeft vervolgens zijn weg gevonden naar onwaarschijnlijke plaatsen als elektrische fietsen en zelfs Formule 1-raceauto's.
In een traditioneel remsysteem produceren remblokken wrijving met de remschijven om het voertuig te vertragen of te stoppen. Er ontstaat extra wrijving tussen de vertraagde wielen en het wegdek. Door deze wrijving wordt de kinetische energie van de auto omgezet in warmte. Bij regeneratieve remmen daarentegen doet het systeem dat het voertuig aandrijft het grootste deel van het remmen. Wanneer de bestuurder op het rempedaal van een elektrisch of hybride voertuig trapt, zetten dit soort remmen de elektromotor van het voertuig in de achteruit, waardoor deze achteruit rijdt, waardoor de wielen van de auto worden afgeremd. Terwijl hij achteruit loopt, fungeert de motor ook als een elektrische generator, die elektriciteit produceert die vervolgens in de accu's van het voertuig wordt gevoed. Dit soort remmen werken bij bepaalde snelheden beter dan bij andere. Ze zijn zelfs het meest effectief in stop-and-go-rijsituaties. Hybriden en volledig elektrische auto's hebben echter ook frictieremmen, als een soort back-upsysteem in situaties waar regeneratief remmen simpelweg niet genoeg remkracht levert. In deze gevallen is het belangrijk dat bestuurders zich bewust zijn van het feit dat het rempedaal anders kan reageren op druk. Het pedaal zal soms verder naar de vloer worden gedrukt dan normaal en dit gevoel kan kortstondige paniek veroorzaken bij bestuurders.
Op de volgende pagina's gaan we dieper in op hoe een regeneratief remsysteem werkt, en bespreken we de redenen waarom regeneratief remmen efficiënter is dan een typisch frictieremsysteem.
Inhoud
Regeneratief remmen wordt gebruikt in voertuigen die gebruik maken van elektrische motoren, voornamelijk volledig elektrische voertuigen en hybride elektrische voertuigen. Een van de interessantere eigenschappen van een elektromotor is dat, wanneer hij in één richting draait, hij elektrische energie omzet in mechanische energie die kan worden gebruikt om werk uit te voeren (zoals het draaien van de wielen van een auto), maar wanneer de motor is in de tegenovergestelde richting draait, wordt een goed ontworpen motor een elektrische generator, die mechanische energie omzet in elektrische energie. Deze elektrische energie kan vervolgens worden ingevoerd in een oplaadsysteem voor de accu's van de auto.
In een regeneratief remsysteem is de truc om de motor achteruit te laten lopen, het gebruik van het momentum van het voertuig als de mechanische energie die de motor in zijn achteruit zet. Momentum is de eigenschap die ervoor zorgt dat het voertuig vooruit blijft rijden als het eenmaal op snelheid is gebracht. Nadat de motor is omgekeerd, wordt de door de motor opgewekte elektriciteit teruggevoerd naar de accu's, waar deze kan worden gebruikt om de auto weer te versnellen nadat deze is gestopt. Geavanceerde elektronische circuits zijn nodig om te beslissen wanneer de motor moet omkeren, terwijl gespecialiseerde elektrische circuits de door de motor opgewekte elektriciteit naar de accu's van het voertuig leiden. In sommige gevallen wordt de energie die door dit soort remmen wordt geproduceerd, opgeslagen in een reeks condensatoren voor later gebruik. Bovendien, aangezien voertuigen die dit soort remmen gebruiken ook een standaard frictieremsysteem hebben, moet de elektronica van het voertuig beslissen welk remsysteem op welk moment geschikt is. Omdat zoveel elektronisch wordt geregeld in een regeneratief remsysteem, is het zelfs mogelijk voor de bestuurder om bepaalde presets te selecteren die bepalen hoe het voertuig reageert in verschillende situaties. In sommige voertuigen kan een bestuurder bijvoorbeeld kiezen of het regeneratief remmen onmiddellijk moet beginnen wanneer de voet van de bestuurder van het gaspedaal komt en of het remsysteem de auto helemaal naar 0 mph (0 kilometer per uur) zal brengen of de auto loopt een beetje uit.
Er is een algemene beweging in de auto-industrie in de richting van zogenaamde brake-by-wire-systemen waarbij veel van de functies van remmen die traditioneel mechanisch werden uitgevoerd, elektronisch worden uitgevoerd. Hybriden en elektrische auto's zullen waarschijnlijk early adopters van deze remtypes zijn. Op dit moment hebben verschillende auto-ingenieurs verschillende circuitontwerpen bedacht om de complexiteit van regeneratief remmen aan te kunnen; in alle gevallen is het allerbelangrijkste onderdeel van het remcircuit echter de remcontroller, die we in de volgende sectie zullen bespreken.
Remcontrollers zijn elektronische apparaten die de remmen op afstand kunnen bedienen en bepalen wanneer het remmen begint, eindigt en hoe snel de remmen moeten worden gebruikt. In sleepsituaties kunnen remcontrollers bijvoorbeeld een middel bieden om de remmen op een aanhanger te coördineren met de remmen op het voertuig dat het slepen doet.
Regeneratief remmen wordt geïmplementeerd in combinatie met antiblokkeerremsystemen (ABS), dus de regeneratieve remcontroller is vergelijkbaar met een ABS-controller, die de rotatiesnelheid van de wielen en het verschil in die snelheid van
bewaakthet ene wiel naar het andere. In voertuigen die dit soort remmen gebruiken, bewaakt de remcontroller niet alleen de snelheid van de wielen, maar kan hij ook berekenen hoeveel koppel - rotatiekracht - beschikbaar is om elektriciteit op te wekken die teruggevoerd wordt naar de accu's. Tijdens het remmen leidt de remcontroller de door de motor geproduceerde elektriciteit naar de batterijen of condensatoren. Het zorgt ervoor dat de batterijen een optimale hoeveelheid stroom krijgen, maar zorgt er ook voor dat de stroomtoevoer niet meer is dan de batterijen aankunnen.
De belangrijkste functie van de remcontroller kan echter zijn om te beslissen of de motor momenteel in staat is om de kracht te verwerken die nodig is om de auto te stoppen. Als dat niet het geval is, geeft de remcontroller de taak over aan de frictieremmen, waardoor een mogelijke catastrofe wordt voorkomen. In voertuigen die dit soort remmen gebruiken, maakt de remcontroller het hele regeneratieve remproces mogelijk, net als elk ander onderdeel van de elektronica aan boord van een hybride of elektrische auto.
Waarin verschilt een hybride voertuig van een volledig elektrisch voertuig? Welnu, hybride elektrische voertuigen gebruiken zowel een elektromotor als een verbrandingsmotor om een rijervaring van het beste van twee werelden te bieden. Ze combineren het rijbereik van een verbrandingsmotor met het brandstofverbruik en de emissievrije eigenschappen van een elektromotor. Als een hybride een maximale brandstofefficiëntie moet hebben en zo min mogelijk CO2-uitstoot moet produceren, is het belangrijk dat de batterij zo lang mogelijk opgeladen blijft. Als de batterij van een hybride voertuig zijn lading zou verliezen, zou de verbrandingsmotor volledig verantwoordelijk zijn voor het aandrijven van het voertuig. Op dat moment fungeert het voertuig niet langer als een hybride, maar eerder als een andere auto die fossiele brandstoffen verbrandt.
Auto-ingenieurs hebben een aantal trucs bedacht om de maximale efficiëntie uit hybrides te halen, zoals aerodynamische stroomlijning van de carrosserieën en het gebruik van lichtgewicht materialen, maar een van de belangrijkste is ongetwijfeld regeneratief remmen. In een hybride opstelling kunnen dit soort remmen echter alleen het elektromotorgedeelte van de aandrijflijn van stroom voorzien via de accu van het voertuig. De interne verbranding
motor profiteert niet van dit soort remmen.
Deze efficiëntieverbeteringen zijn deels nodig vanwege de extreme moeilijkheid om een plek te vinden om een hybride op te laden. Dit maakt langere ritten moeilijk zonder afhankelijk te zijn van de interne verbrandingsmotor van de hybride, wat eigenlijk een deel van het voordeel van het bezit van een hybride teniet doet.
Hierna zullen we meer te weten komen over een nieuwe kijk op dit idee van regeneratief remmen.
Een alternatief regeneratief remsysteem wordt ontwikkeld door de Ford Motor Company en de Eaton Corporation. Het heet Hydraulic Power Assist of HPA . Bij HPA wordt, wanneer de bestuurder op de rem trapt, de kinetische energie van het voertuig gebruikt om een omkeerbare pomp aan te drijven, die hydraulische vloeistof van een lagedrukaccumulator (een soort opslagtank) in het voertuig naar een hogedrukaccumulator stuurt. De druk wordt gecreëerd door stikstofgas in de accumulator, die wordt gecomprimeerd wanneer de vloeistof in de ruimte wordt gepompt die het gas vroeger innam. Dit remt het voertuig af en helpt het tot stilstand te komen. De vloeistof blijft onder druk in de accumulator totdat de bestuurder het gaspedaal opnieuw indrukt, waarna de pomp wordt omgekeerd en de vloeistof onder druk wordt gebruikt om het voertuig te versnellen, waardoor de kinetische energie die de auto had voordat hij remde, effectief wordt omgezet in de mechanische energie die helpt het voertuig weer op snelheid te krijgen. Er wordt voorspeld dat een systeem als dit 80 procent van het momentum dat een voertuig tijdens het vertragen verliest, kan opslaan en kan gebruiken om het voertuig weer in beweging te krijgen [bron:HybridCars.com]. Dit percentage vertegenwoordigt een nog indrukwekkendere winst dan wat wordt geproduceerd door de huidige regeneratieve remsystemen. Net als elektronisch regeneratief remmen, worden dit soort remmen - HPA-systemen - het best gebruikt voor stadsritten, waar stop-and-go-verkeer gebruikelijk is.
Tot nu toe zijn HPA-systemen voornamelijk gebruikt als proof of concept en alleen in demonstratieprojecten. Ze zijn nog niet helemaal klaar voor productiemodellen. Momenteel maken deze hydraulische remmen veel lawaai en zijn ze gevoelig voor lekkage; Zodra echter alle details zijn gladgestreken, zullen dergelijke systemen waarschijnlijk het nuttigst zijn in grote vrachtwagens met een gewicht van 10.000 pond (4.536 kilogram) of meer, waar dit soort remmen een meer optimaal systeem kan blijken te zijn dan elektronisch gestuurde regeneratieve remmen.
Uiteindelijk kan deze technologie doorsijpelen naar kleinere voertuigen. Een bedrijf, Hybrid-Drive Systems, LLC, uit Michigan, heeft een Volkswagen Kever uit 1968 uitgerust met een hydraulisch regeneratief remsysteem. De accu's nemen echter een aanzienlijke hoeveelheid ruimte in beslag en toekomstige productieplannen zijn meer gericht op het gebruik van de technologie in grotere voertuigen, zoals bestelwagens. Ondertussen is de U.S. Environmental Protection Agency (EPA) een samenwerking aangegaan met Eaton Corporation om hydraulische regeneratieve remsystemen te installeren op UPS-bezorgtrucks.
De energie-efficiëntie van een conventionele auto is slechts ongeveer 20 procent, terwijl de resterende 80 procent van zijn energie door wrijving wordt omgezet in warmte. Het wonderbaarlijke van regeneratief remmen is dat het misschien wel de helft van die verspilde energie kan opvangen en weer aan het werk kan zetten. Dit zou het brandstofverbruik met 10 tot 25 procent kunnen verminderen. Hydraulische regeneratieve remsystemen kunnen nog indrukwekkendere winsten opleveren, waardoor het brandstofverbruik mogelijk met 25 tot 45 procent wordt verminderd [bron:HybridCars.com]. In een eeuw die misschien het einde zal zien
van de enorme fossiele brandstofreserves die ons jarenlang van energie voor auto's en andere technologieën hebben voorzien, en waarin de angst voor koolstofemissies een piek bereikt, wordt deze toegevoegde efficiëntie steeds belangrijker.
Het begin van de 21e eeuw zou wel eens de laatste periode kunnen markeren waarin verbrandingsmotoren veel gebruikt worden in auto's. Autofabrikanten zijn al op weg naar alternatieve energiedragers,
zoals elektrische batterijen, waterstofbrandstof en zelfs perslucht. Regeneratief remmen is een kleine, maar zeer belangrijke stap in de richting van onze uiteindelijke onafhankelijkheid van fossiele brandstoffen. Met dit soort remmen kunnen batterijen voor langere tijd worden gebruikt zonder dat ze op een externe oplader hoeven te worden aangesloten. Dit type remmen vergroot ook het rijbereik van volledig elektrische voertuigen. In feite heeft deze technologie ons al auto's opgeleverd zoals de Tesla Roadster, die volledig op batterijstroom werkt. Natuurlijk, deze auto's kunnen tijdens het opladen fossiele brandstoffen gebruiken - dat wil zeggen, als de bron van de elektriciteit afkomstig is van een fossiele brandstof zoals steenkool - maar als ze op de weg zijn, kunnen ze zonder nut werken van fossiele brandstoffen, en dat is een grote stap voorwaarts.
De extra efficiëntie van regeneratief remmen betekent ook minder pijn aan de pomp, aangezien hybrides met elektromotoren en regeneratieve remmen aanzienlijk verder kunnen reizen op een liter gas, sommige bereiken op dit moment meer dan 80 mijl per gallon. En dat is iets dat de meeste chauffeurs erg kunnen waarderen.
Dit eenvoudige diagram laat zien hoe een regeneratief remsysteem in staat is om een deel van de kinetische energie van het voertuig terug te winnen en om te zetten in elektriciteit. Deze elektriciteit wordt vervolgens gebruikt om de accu's van het voertuig op te laden.
Bekijk de links op de volgende pagina voor meer informatie over remsystemen en gerelateerde auto-onderwerpen.
Oorspronkelijk gepubliceerd:23 januari 2009
