Cos'è la frenata rigenerativa e perché non la usiamo?

So che molte auto elettriche usano la frenata rigenerativa per consentire all'auto di diventare più efficiente convertendo quella che altrimenti verrebbe persa in energia termica in una forma di energia più utile e riutilizzabile.

Sicuramente, ci deve essere un modo per progettare un nuovo design dei freni che consentirebbe l'uso di questa tecnologia su un'auto più convenzionale alimentata da un normale motore a combustione interna.

Quello che non capisco è:

• Cos'è esattamente la frenata rigenerativa?
• Perché possiamo usare la frenata rigenerativa solo su auto elettriche e ibride?
• C'è qualche motivo per cui non possiamo usare questa intelligente tecnologia di frenata per aumentare la potenza dell'albero motore o ridurre il consumo di carburante?

Fonte immagine: http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936885/Regenerative%20Braking

tl; dr: lo facciamo. È solo costoso.

Una delle differenze tra i motori di energia elettrica e chimica è che i sistemi elettrici rendono molto più conveniente catturare e trattenere energia (ad es. Una batteria). Tutto quello che devi fare è usare l'induzione per creare una corrente elettrica proprio lì alla ruota durante la frenata. Punta quella corrente su quella batteria e hai conservato energia che altrimenti verrebbe sprecata.

Con un motore a energia chimica, è molto più difficile accumulare energia in eccesso. Non possiamo usare i freni per generare più benzina, per esempio. Tuttavia, è possibile trattenere l' energia cinetica in qualcosa come un KERS . Questo utilizzerà l'energia in frenata per far girare un volano. Quel volano può quindi essere utilizzato per una maggiore potenza motrice quando necessario.

Sfortunatamente, le unità KERS sono costose e richiedono un sacco di ingegneria aggiuntiva (come, esattamente, hai intenzione di ottenere quel volano che gira per spingere effettivamente la macchina in avanti?). Inoltre, non sono comuni, quindi non beneficiano delle economie di scala.

Detto questo, funzionano. La Formula 1 li ha usati con grande efficacia come sistema di boost di passaggio. Non userei quel tipo di capacità sulla strada, ma sarei felice di sperimentare qualsiasi cosa che mi aiuti a ottenere più energia da un gallone di gas.

In risposta alla domanda "Che cos'è la frenata rigenerativa e perché non la usiamo?", Lo facciamo. Con una normale frenata, lo slancio in avanti della vettura viene rimosso dai freni trasformandoli in calore nel disco del freno con conseguente dissipazione e si perde. Con la frenata rigenerativa, invece di perdere il movimento dell'auto in atmosfera sotto forma di calore, viene convertito in energia elettrica e immagazzinato nella batteria del veicolo.

La gamma di automobili Volkswagen Bluemotion (e sono abbastanza fiducioso che altri produttori lo facciano, ma sono certo che la Volkswagen lo faccia) hanno un alternatore molto sofisticato. Quando l'auto rileva che è rallentata dalla pressione applicata ai freni e l'auto è ancora innestata e quella frizione è in alto, l'alternatore passa in una modalità in cui assorbe significativamente più potenza dal motore. Questa trasmissione normalmente proviene dal motore, ma in una situazione di frenata, viene fornita esclusivamente attraverso la trasmissione e funziona effettivamente contro la trasmissione.

Questo sistema è montato su Volkswagens equipaggiati con Bluemotion sia benzina che diesel. Maggiori informazioni sono disponibili qui e qui

Apprezzo il fatto che questo non sia della stessa scala delle auto di F1, ma è una forma di frenata rigenerativa ed è oggi in uso sulle strade pubbliche.

La frenata rigenerativa è un sistema che immagazzina l'energia che invece andrebbe persa a causa del calore nei freni. Mentre questi sistemi suonano alla grande, arrivano con tutta una serie di problemi.

1. Prima ancora di entrare nell'accumulo e nella generazione di energia, i freni di servizio effettivi diventano molto complicati. Affinché la frenata rigenerativa funzioni correttamente, i freni non possono attivarsi mentre i freni rigenerativi fanno la loro parte. Ulteriori freni rigenerativi funzionano solo ad alta velocità e perdono la loro efficacia mentre rallenti. Ciò richiede una transizione in cui ad alta velocità i freni rigenerativi ti rallentano e i freni normali non lo fanno e mentre rallenti i freni rigenerativi fanno sempre meno e i freni regolari ti porteranno finalmente a un arresto. Il sistema che fa sentire normale il pedale del freno mentre i freni normali non fanno nulla e quindi ti fa passare alla frenata regolare senza problemi notando che si è verificato un interruttore è molto complicato e molto difficile da ottenere perfetto.
2. Lo stoccaggio di energia è un grosso problema. Tutto suona bene negli ibridi, basta caricare le batterie, dove in realtà la quantità di energia che l'auto genera durante uno stop è molto più di quanto le batterie possano effettivamente assorbire. Se l'arresto è rapido, il problema viene ulteriormente amplificato. Un sistema menzionato da @BobCross è il KERS. Combinando un motore / generatore al volano l'energia extra rigenerativa che non può andare direttamente nelle batterie viene utilizzata per far girare il volano. Quindi nel tempo l'energia viene quindi convertita in elettricità per caricare le batterie. Questi sistemi sono molto pesanti e costosi. Un altro sistema sta usando super condensatori. L'energia extra viene scaricata nei supercap. Il problema è che quando l'energia è immagazzinata nei condensatori non è super utile senza condizionamento. La tensione nei condensatori diminuisce molto rapidamente. Se si memorizza una tensione elevata, è necessario un sistema per ridurre la tensione a qualcosa di utile. Se non si accumula più tensione della batteria, è necessario un sistema per aumentare la tensione fino a qualcosa di utile. I super condensatori sono anche piuttosto costosi.

Ibridi e auto elettriche hanno sistemi elettrici integrati per sfruttare la frenata rigenerativa. Tutti questi problemi sono ulteriormente amplificati con motori a benzina diritti. Un nuovo sistema deve essere installato, non può sfruttare qualcosa di esistente, per fornire una frenata rigenerativa che aumenta le spese. Diventa difficile vendere qualcuno su un sistema che aggiunge $ 5k al prezzo di un'auto che migliora il consumo di carburante in città ma soffre in autostrada.

Ford sta sviluppando un sistema in cui una pompa volumetrica carica un accumulatore idraulico mentre ti fermi. Quando si toglie di nuovo, la pressione del fluido inviata viene invertita attraverso la pompa per trasformarla in un motore per facilitare l'avvio da un arresto. Il sistema è pensato per camion di grandi dimensioni in cui le dimensioni del sistema non rappresentano un onere eccessivo. Inoltre, il sistema è rumoroso e soggetto a perdite.

Le locomotive ferroviarie diesel-elettriche usano una frenata rigenerativa, ma la chiamano "frenata dinamica". Inoltre, non immagazzinano l'energia, la scaricano attraverso le reti di resistori e le ventole a livello del tetto.

Le locomotive elettriche complete e alcuni tram possono generalmente alimentare la potenza rigenerata nel filo o nella terza rotaia; questo è molto più semplice nei sistemi DC.

Ma i motori di trazione (generalmente uno per asse) sono guidati dallo slancio del treno e quindi funzionano come generatori.

La frenata rigenerativa è davvero utile solo su auto elettriche o ibride per il semplice motivo che hanno un modo per sfruttare l'energia immagazzinata. Inoltre, una volta che si dispone di un motore elettrico come parte del sistema di trasmissione, la frenata rigenerativa è praticamente incorporata (almeno in termini di hardware) poiché si utilizza semplicemente il motore (i) esistente (i) un generatore e si trasferisce l'energia generata alla batteria per dopo uso.

In sostanza non ha senso usare la frenata rigenerativa in qualcosa di diverso da un'auto ibrida, infatti avere una frenata rigenerativa è una buona definizione di un'auto ibrida.

Anche se non vi è alcun motivo per cui non si possa montare un'auto con motore IC convenzionale con un sistema di frenata rigenerativa, a meno che non si utilizzi quella potenza per guidare l'auto, non si è davvero raggiunto molto perché si stanno aggiungendo molti extra peso e complessità per immagazzinare energia elettrica che non è possibile utilizzare.

C'è anche il problema che durante i lunghi viaggi in autostrada / autostrada non si può fare abbastanza frenata per soddisfare anche le piccole esigenze dei sistemi elettrici ausiliari (luci, accensione, radio, ricarica della batteria per l'avviamento, ecc.), Quindi non si può nemmeno ottenere il vantaggio di non aver bisogno di un alternatore.

Possiamo fare la prossima cosa migliore.

800 m più avanti, vedo una luce diventare gialla; a 60 mph (100 km / h) che è di 30 secondi. E so che la luce ha un ciclo di circa 35 secondi, più 10 secondi per far muovere la pila di macchine ferme.

Ho applicato potenza continua per mantenere la velocità. Continuerò a farlo per altri 25 secondi, quindi 5 secondi di frenata decisa e arresto. 15 secondi a giocare con il mio telefono, poi sto arrivando.

Oppure ... vado immediatamente al minimo. Le mie auto costeggiano. Con il motore ancora innestato, il mio slancio sta spingendo (facendo girare) il motore, per un lieve effetto frenante, quindi gli iniettori di carburante si spengono completamente. La mia velocità rallenta gradualmente ... 55 ... 50 ... 45 ... Un po 'di potenza ... 40 (65 km / h) ... capovolgi la luce diventa verde mentre sono ancora 1/8 miglia (200m) indietro. Le macchine ferme si spacchettano e misuro esattamente quando applicare la potenza. E non ho mai frenato.

Nel primo scenario, ci sono due scambi di energia. In primo luogo il carburante applicato per quel 3/8 di un miglio (600m) per rimanere in crociera. In secondo luogo, l'energia frenante ha perso nell'ultimo 1/8 di miglio. Non solo sono quasi uguali, ma sono la stessa energia . Se stessimo facendo una rigenerazione adeguata, potremmo leggerli dall'amperometro e ricavare e uscire i joule reali.

Nel secondo scenario, non ce ne sono. Il carburante non viene consumato e l'energia dei freni non viene erogata. L'effetto della frenata rigenerativa si ottiene, ma senza perdite di conversione.

Certo, questo è un approccio educativo piuttosto che un approccio tecnologico, ma funziona. Anche su un EV in grado di rigenerarsi, funziona ancora meglio di rigenerare - in effetti funzionerà ancora meglio su un EV perché ottieni una "costa" migliore - non è necessario utilizzare la resistenza per far girare il motore semplicemente per fornire freno e assistenza allo sterzo .