Regenerative Bremse - Regenerative brake

Mechanismus für regenerative Bremse auf dem Dach einer Škoda Astra Straßenbahn

Die S7/8 Stock der Londoner U-Bahn kann rund 20 % ihres Energieverbrauchs in die Stromversorgung zurückspeisen.

Regeneratives Bremsen ist ein Energierückgewinnungsmechanismus , der ein sich bewegendes Fahrzeug oder Objekt verlangsamt, indem seine kinetische Energie in eine Form umgewandelt wird, die entweder sofort verwendet oder bis zum Bedarf gespeichert werden kann. Dabei nutzt der elektrische Fahrmotor den Schwung des Fahrzeugs, um Energie zurückzugewinnen, die sonst als Wärme an die Bremsscheiben verloren geht. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Bremssystemen, bei denen die überschüssige kinetische Energie durch Reibung in den Bremsen in unerwünschte und verschwendete Wärme umgewandelt wird , oder bei dynamischen Bremsen , bei denen die Energie durch den Einsatz von Elektromotoren als Generatoren zurückgewonnen, aber sofort als Wärme in Widerständen abgeführt wird . Neben der Verbesserung der Gesamteffizienz des Fahrzeugs kann die Regeneration die Lebensdauer des Bremssystems erheblich verlängern, da die mechanischen Teile nicht so schnell verschleißen.

Allgemeines Prinzip

Die gebräuchlichste Form der regenerativen Bremse beinhaltet einen Elektromotor , der als elektrischer Generator fungiert. Bei elektrischen Bahnen wird der erzeugte Strom in das Bahnstromnetz zurückgespeist . Bei batterieelektrischen und hybridelektrischen Fahrzeugen wird die Energie chemisch in einer Batterie , elektrisch in einer Kondensatorbank oder mechanisch in einem rotierenden Schwungrad gespeichert . Hydraulische Hybridfahrzeuge verwenden Hydraulikmotoren, um Energie in Form von Druckluft zu speichern . In einem mit Wasserstoff- Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug wird die vom Motor erzeugte elektrische Energie chemisch in einer Batterie gespeichert, ähnlich wie bei Batterie- und Hybrid-Elektrofahrzeugen.

Praktisches regeneratives Bremsen

Regeneratives Bremsen allein reicht nicht aus, um ein Fahrzeug sicher zum Stillstand zu bringen oder bei Bedarf zu verlangsamen, daher muss es in Verbindung mit einem anderen Bremssystem wie der Reibungsbremsung eingesetzt werden.

• Die regenerative Bremswirkung lässt bei niedrigeren Geschwindigkeiten nach und kann ein Fahrzeug mit der aktuellen Technologie nicht relativ schnell zum Stillstand bringen, obwohl einige Autos wie der Chevrolet Bolt das Fahrzeug auf ebenem Untergrund vollständig zum Stillstand bringen können, wenn der Fahrer die Regeneration des Fahrzeugs kennt Bremsweg. Dies wird als Ein-Pedal-Fahren bezeichnet.
• Gegenwärtige regenerative Bremsen machen ein stehendes Fahrzeug nicht bewegungsunfähig; Eine physische Verriegelung ist erforderlich, um zum Beispiel zu verhindern, dass Fahrzeuge bergab rollen.
• Viele Straßenfahrzeuge mit regenerativem Bremsen haben keine Antriebsmotoren an allen Rädern (wie bei einem Auto mit Zweiradantrieb ); regeneratives Bremsen ist normalerweise nur bei Rädern mit Motoren anwendbar. Aus Sicherheitsgründen ist die Fähigkeit zum Bremsen aller Räder erforderlich.
• Die zur Verfügung stehende regenerative Bremswirkung ist begrenzt und mechanisches Bremsen ist nach wie vor für erhebliche Geschwindigkeitsreduzierungen, zum Anhalten eines Fahrzeugs oder zum Halten eines Fahrzeugs erforderlich.

Sowohl regeneratives Bremsen als auch Reibungsbremsen müssen verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit entsteht, sie zu steuern, um die erforderliche Gesamtbremsung zu erzeugen. Der GM EV-1 war das erste kommerzielle Auto, das dies tat. 1997 und 1998 erhielten die Ingenieure Abraham Farag und Loren Majersik zwei Patente für diese Brake-by-Wire- Technologie.

Frühe Anwendungen litten häufig unter einem ernsthaften Sicherheitsrisiko: In vielen frühen Elektrofahrzeugen mit regenerativem Bremsen wurden die gleichen Reglerpositionen zum Anlegen der Leistung und zum Anlegen der regenerativen Bremse verwendet, wobei die Funktionen durch einen separaten Handschalter getauscht wurden. Dies führte zu mehreren schweren Unfällen, bei denen Fahrer beim Bremsen aus Versehen beschleunigten, wie zum Beispiel beim Zugunglück im schweizerischen Wädenswil 1948, bei dem einundzwanzig Menschen ums Leben kamen.

Umwandlung in elektrische Energie: der Motor als Generator

Ein Tesla Model S P85+ mit regenerativer Bremsleistung von über 60 kW. Während des regenerativen Bremsens ist die Stromanzeige grün

Elektromotoren fungieren bei umgekehrter Verwendung als Generatoren und wandeln dann mechanische Energie in elektrische Energie um. Fahrzeuge, die von Elektromotoren angetrieben werden, verwenden sie als Generatoren beim regenerativen Bremsen, indem sie durch die Übertragung mechanischer Energie von den Rädern auf eine elektrische Last bremsen.

Frühe Beispiele dieses Systems waren die Vorderradantrieb Umwandlungen von Pferde Kabinen von Louis Antoine Krieger in Paris in den 1890er Jahren. Das elektrische Landaulet von Krieger hatte in jedem Vorderrad einen Antriebsmotor mit einem zweiten Satz paralleler Wicklungen ( Bifilarspule ) zum regenerativen Bremsen. Der Orwell Electric Truck , der während des Ersten Weltkriegs von Ransomes, Sims & Jefferies in England eingeführt wurde , verwendete regeneratives Bremsen, das vom Fahrer zugeschaltet wurde.

In England wurde den Straßenbahnbetreibern durch die Traktionspatente 1903–1908 von John S. Raworth die "automatische regenerative Steuerung" eingeführt, die ihnen wirtschaftliche und betriebliche Vorteile bietet, wie von seinem Sohn Alfred Raworth ausführlich erläutert . Dazu gehörten Straßenbahnsysteme in Devonport (1903), Rawtenstall , Birmingham , Crystal Palace-Croydon (1906) und viele andere. Um die Geschwindigkeit der Autos zu verlangsamen oder bei Gefälle unter Kontrolle zu halten, arbeiteten die Motoren als Generatoren und bremsten die Fahrzeuge. Die Straßenbahnwagen verfügten außerdem über Radbremsen und Gleisrutscherbremsen, die die Straßenbahn bei Ausfall der elektrischen Bremssysteme stoppen konnten. In mehreren Fällen wurden die Motoren der Straßenbahnwagen anstelle von Serienwicklungen nebenschlussgewickelt, und die Systeme der Crystal Palace-Linie verwendeten seriell-parallele Steuerungen. Nach einem schweren Unfall in Rawtenstall wurde diese Traktion 1911 mit einem Embargo belegt; das regenerative Bremssystem wurde zwanzig Jahre später wieder eingeführt.

Regeneratives Bremsen wird bei Bahnen seit vielen Jahrzehnten intensiv eingesetzt. Die Eisenbahn Baku-Tiflis-Batumi ( Transkaukasusbahn oder Georgische Eisenbahn) begann in den frühen 1930er Jahren mit regenerativem Bremsen. Besonders effektiv war dies auf dem steilen und gefährlichen Surami-Pass . In Skandinavien transportiert die elektrifizierte Bahn von Kiruna nach Narvik bis heute Eisenerz auf der steilen Strecke von den Minen im nordschwedischen Kiruna bis zum Hafen von Narvik in Norwegen. Auf dem Weg hinunter nach Narvik sind die Waggons mit Tausenden Tonnen Eisenerz gefüllt, und diese Züge erzeugen durch regeneratives Bremsen mit einer maximalen rekuperativen Bremskraft von 750 kN große Strommengen  . Von Riksgränsen an der Landesgrenze bis zum Hafen von Narvik verbrauchen die Züge nur ein Fünftel der Energie, die sie regenerieren. Die regenerierte Energie reicht aus, um die leeren Züge wieder bis zur Landesgrenze zu fahren. Überschüssige Energie von der Bahn wird in das Stromnetz gepumpt, um Haushalte und Unternehmen in der Region zu versorgen, und die Bahn ist ein Netto-Stromerzeuger.

Elektroautos nutzten seit den frühesten Experimenten regeneratives Bremsen, aber dies war oft eine komplexe Angelegenheit, bei der der Fahrer Schalter zwischen verschiedenen Betriebsmodi umlegen musste, um es zu verwenden. Der Baker Electric Runabout und der Owen Magnetic waren frühe Beispiele, die viele Schalter und Modi verwendeten, die von einer teuren "Black Box" oder "Trommelschalter" als Teil ihres elektrischen Systems gesteuert wurden. Diese konnten wie die Krieger-Konstruktion praktisch nur auf Bergab-Teilen einer Tour eingesetzt werden und mussten manuell eingekuppelt werden.

Verbesserungen in der Elektronik ermöglichten es, diesen Prozess vollständig zu automatisieren, beginnend mit dem experimentellen Elektroauto AMC Amitron von 1967 . Der von Gulton Industries entwickelte Motorcontroller begann automatisch mit dem Aufladen der Batterie, wenn das Bremspedal betätigt wurde. Viele moderne Hybrid- und Elektrofahrzeuge verwenden diese Technik, um die Reichweite des Batteriepakets zu erhöhen, insbesondere solche, die einen Wechselstromantriebsstrang verwenden (die meisten früheren Designs verwendeten Gleichstrom).

Anstelle einer Batterie können ein AC/DC-Gleichrichter und ein sehr großer Kondensator verwendet werden, um die regenerierte Energie zu speichern. Die Verwendung eines Kondensators ermöglicht eine viel schnellere Spitzenenergiespeicherung und bei höheren Spannungen. Mazda verwendet dieses System in einigen aktuellen (2018) Straßenfahrzeugen, wo es die Marke i-ELOOP trägt.

Elektrischer Schienenfahrzeugbetrieb

Im Jahr 1886 führte die von Frank J. Sprague gegründete Sprague Electric Railway & Motor Company zwei wichtige Erfindungen ein: einen funkenfreien Motor mit konstanter Geschwindigkeit mit festen Bürsten und regenerativem Bremsen.

Beim Bremsen werden die Fahrmotoranschlüsse zu elektrischen Generatoren umgebaut. Die Motorfelder sind über den Haupt-Traktionsgenerator (MG) und die Motoranker sind über die Last verbunden. Das MG regt nun die motorischen Felder an. Die rollenden Lokomotiv- oder Triebzugräder drehen die Motoranker, und die Motoren fungieren als Generatoren, indem sie den erzeugten Strom entweder über Bordwiderstände ( dynamisches Bremsen ) oder zurück ins Netz (regeneratives Bremsen) senden . Im Vergleich zu elektropneumatischen Reibungsbremsen kann das Bremsen mit den Fahrmotoren schneller geregelt werden, wodurch die Leistung des Gleitschutzes verbessert wird .

Bei einer gegebenen Fahrtrichtung ist der Stromfluss durch die Motoranker während des Bremsens entgegengesetzt zu dem während des Fahrens. Daher übt der Motor ein Drehmoment in einer Richtung aus, die der Rollrichtung entgegengesetzt ist.

Die Bremskraft ist proportional zum Produkt der magnetischen Stärke der Feldwicklungen multipliziert mit der der Ankerwicklungen.

Für British Rail Class 390 werden Einsparungen von 17 % und weniger Verschleiß an Reibungsbremskomponenten gefordert . Die Delhi Metro reduzierte die Menge an Kohlendioxid ( CO
₂) wurde zwischen 2004 und 2007 durch die Regeneration von 112.500 Megawattstunden Strom durch regenerative Bremssysteme um rund 90.000 Tonnen in die Atmosphäre freigesetzt. Es wurde erwartet, dass die Delhi Metro ihre Emissionen um über 100.000 Tonnen CO . reduzieren würde
₂ pro Jahr nach Abschluss der Phase II durch den Einsatz von regenerativem Bremsen.

Durch regeneratives Bremsen erzeugter Strom kann in die Bahnstromversorgung zurückgespeist werden; entweder versetzte gegen anderen Strombedarf im Netzwerk zu diesem Zeitpunkt, zur verwendeten Kopfende Stromlasten oder in gespeicherten stationären Lagersystemen für eine spätere Verwendung.

In einigen Teilen der Londoner U-Bahn wird eine Form des regenerativen Bremsens verwendet , die durch kleine Steigungen von Stationen nach oben und unten erreicht wird. Der Zug wird durch die Steigung verlangsamt und verlässt dann eine Steigung, sodass kinetische Energie in der Station in potenzielle Gravitationsenergie umgewandelt wird . Dies findet sich normalerweise in den tiefen Tunnelabschnitten des Netzes und nicht im Allgemeinen oberirdisch oder auf den Schnitt- und Deckabschnitten der Metropolitan- und District Lines.

Vergleich dynamischer und regenerativer Bremsen

Die seitlich vom Dach abstehende Box direkt über dem Wort „Betrieb“ lässt Luft durch die Widerstände der dynamischen Bremsen dieser dieselelektrischen Lokomotive ungehindert strömen.

Was als dynamische Bremsen (" rheostatische Bremsen " im britischen Englisch) bei elektrischen Traktionssystemen beschrieben wird, leiten im Gegensatz zu regenerativen Bremsen elektrische Energie als Wärme ab, anstatt sie zu verwenden, indem der Strom durch große Widerstandsbänke geleitet wird . Zu den Fahrzeugen, die dynamische Bremsen verwenden, gehören Gabelstapler , dieselelektrische Lokomotiven und Straßenbahnen . Diese Wärme kann verwendet werden , um den Fahrzeuginnenraum zu erwärmen, oder abgeführt außen durch große Heizkörper -ähnlichen Kutten der Widerstand Banken zu beherbergen.

Die experimentellen Dampfturbinenlokomotiven von General Electric aus dem Jahr 1936 verfügten über eine echte Regeneration. Diese beiden Lokomotiven ließen das Dampfwasser über die Widerstandspakete laufen, im Gegensatz zur Luftkühlung, die in den meisten dynamischen Bremsen verwendet wird. Diese Energie verdrängte das Öl, das normalerweise verbrannt wurde, um das Wasser heiß zu halten, und gewann so Energie zurück, die zur erneuten Beschleunigung verwendet werden konnte.

Der Hauptnachteil von regenerativen Bremsen im Vergleich zu dynamischen Bremsen ist die Notwendigkeit, den erzeugten Strom genau an die Versorgungseigenschaften anzupassen und die erhöhten Wartungskosten der Leitungen zu erhöhen. Bei Gleichstromversorgungen erfordert dies, dass die Spannung genau kontrolliert wird. Der AC-Netzteil- und Frequenzumrichter-Pionier Miro Zorič und seine erste AC-Leistungselektronik haben dies auch mit AC-Versorgung möglich gemacht. Auch die Netzfrequenz muss angepasst werden (dies gilt hauptsächlich für Lokomotiven mit gleichgerichteter Wechselstromversorgung für Gleichstrommotoren).

In Bereichen, in denen unabhängig von der Fahrzeugbewegung ein ständiger Strombedarf besteht, wie zum Beispiel elektrische Zugheizung oder Klimatisierung , kann dieser Lastbedarf über moderne AC-Traktionssysteme als Senke für die zurückgewonnene Energie genutzt werden . Dieses Verfahren ist bei nordamerikanischen Personenbahnen populär geworden, bei denen die Leistungslasten am Kopfende typischerweise das ganze Jahr über im Bereich von 500 kW liegen. Die Verwendung von HEP-Lasten auf diese Weise hat dazu geführt, dass neuere Elektrolokomotiven wie die ALP-46 und ACS-64 die Verwendung von dynamischen Bremswiderstandsgittern eliminieren und auch die Notwendigkeit einer externen Strominfrastruktur zur Aufnahme der Stromrückgewinnung für Fahrzeuge mit eigener Stromversorgung überflüssig machen auch regeneratives Bremsen einzusetzen.

Eine kleine Anzahl von Steilstreckenbahnen hat 3-Phasen- Stromversorgungen und Induktionsmotoren verwendet . Dies führt zu einer nahezu konstanten Geschwindigkeit für alle Züge, da die Motoren sowohl beim Fahren als auch beim Bremsen mit der Netzfrequenz rotieren.

Umwandlung in mechanische Energie

Kinetische Energierückgewinnungssysteme

Kinetische Energierückgewinnungssysteme (KERS) wurden in der Motorsport- Formel-1 - Saison 2009 eingesetzt und werden für Straßenfahrzeuge entwickelt. KERS wurde für die Formel-1-Saison 2010 aufgegeben , aber für die Saison 2011 wieder eingeführt . Bis 2013 nutzten alle Teams KERS mit Marussia F1 ab der Saison 2013. Einer der Hauptgründe, warum nicht alle Autos KERS sofort nutzten, ist, dass es den Schwerpunkt des Autos anhebt und die Menge an Ballast reduziert, die verfügbar ist, um das Auto auszubalancieren, damit es beim Kurvenfahren vorhersehbarer ist. Die FIA-Regeln schränken auch die Nutzung des Systems ein. Das Konzept der Übertragung der kinetischen Energie des Fahrzeugs mithilfe von Schwungrad-Energiespeichern wurde in den 1950er Jahren vom Physiker Richard Feynman postuliert und wird in Systemen wie Zytek , Flybrid, Torotrak und Xtrac in der Formel 1 beispielhaft dargestellt. Es gibt auch Systeme auf Differentialbasis , wie das Cambridge Passenger/Commercial Vehicle Kinetic Energy Recovery System (CPC-KERS).

Xtrac und Flybrid sind beide Lizenznehmer der Torotrak-Technologien, die ein kleines und hoch entwickeltes Nebengetriebe mit einem stufenlosen Getriebe (CVT) verwenden. Der CPC-KERS ist ähnlich, da er auch Teil der Antriebsstrangbaugruppe ist. Der gesamte Mechanismus einschließlich des Schwungrads sitzt jedoch vollständig in der Nabe des Fahrzeugs (sieht aus wie eine Trommelbremse). Beim CPC-KERS ersetzt ein Differenzial das CVT und überträgt das Drehmoment zwischen Schwungrad , Antriebsrad und Laufrad.

Einsatz im Motorsport

Geschichte

Ein kinetisches Energierückgewinnungssystem von Flybrid Systems

Das erste dieser Systeme, das enthüllt wurde, war das Flybrid. Dieses System wiegt 24 kg und hat nach Berücksichtigung interner Verluste eine Energiekapazität von 400 kJ. Zur Verfügung steht eine maximale Leistungssteigerung von 60 kW (81,6 PS, 80,4 PS) für 6,67 Sekunden. Das Schwungrad mit 240 mm Durchmesser wiegt 5,0 kg und dreht mit bis zu 64.500 U/min. Das maximale Drehmoment beträgt 18 Nm (13,3 ftlbs). Das System nimmt ein Volumen von 13 Litern ein.

Formel Eins

Ein KERS-Schwungrad

Die Formel 1 hat erklärt, dass sie verantwortungsbewusste Lösungen für die Umweltherausforderungen der Welt unterstützt, und die FIA hat die Verwendung von 81 PS (60 kW; 82 PS) KERS im Reglement für die Formel-1-Saison 2009 zugelassen . Die Teams begannen 2008 mit dem Testen von Systemen: Energie kann entweder als mechanische Energie (wie in einem Schwungrad ) oder als elektrische Energie (wie in einer Batterie oder einem Superkondensator ) gespeichert werden .

Beim Testen von KERS-Systemen im Jahr 2008 wurden zwei kleinere Vorfälle gemeldet . Der erste ereignete sich, als das Red Bull Racing Team im Juli zum ersten Mal seine KERS-Batterie testete: Sie versagte und verursachte eine Feuersbrunst, die zur Evakuierung des Werks des Teams führte. Die zweite war weniger als eine Woche später, als ein BMW Sauber- Mechaniker bei einem Test auf der Rennstrecke von Jerez einen Stromschlag erlitt, als er das mit KERS ausgestattete Auto von Christian Klien berührte .

Mit der Einführung von KERS in der Saison 2009 haben vier Teams es irgendwann in der Saison eingesetzt: Ferrari , Renault , BMW und McLaren . Während der Saison nutzten Renault und BMW das System nicht mehr. McLaren Mercedes war das erste Team, das einen F1-GP mit einem mit KERS ausgestatteten Auto gewann, als Lewis Hamilton am 26. Juli 2009 den Großen Preis von Ungarn gewann . Ihr zweites mit KERS ausgestattetes Auto wurde Fünfter. Beim folgenden Rennen holte Lewis Hamilton als erster Fahrer mit einem KERS-Auto die Pole-Position, sein Teamkollege Heikki Kovalainen wurde Zweiter. Dies war auch die erste Instanz einer ausschließlichen KERS-Front Row. Am 30. August 2009 gewann Kimi Räikkönen mit seinem mit KERS ausgestatteten Ferrari den Großen Preis von Belgien. Es war das erste Mal, dass KERS direkt zu einem Rennsieg beitrug. Der Zweitplatzierte Giancarlo Fisichella behauptete: "Eigentlich war ich schneller als Kimi. Er hat mich nur wegen KERS am Anfang geholt".

Obwohl KERS in der Saison 2010 noch legal in der Formel 1 war, hatten sich alle Teams darauf geeinigt, es nicht einzusetzen. Neue Regeln für die Formel-1-Saison 2011, die das Mindestgewicht von Auto und Fahrer um 20 kg auf 640 kg angehoben haben, sowie die erneute Zustimmung der FOTA-Teams zur Verwendung von KERS-Geräten führten dazu, dass KERS für die Saison 2011 zurückkehrte. Dies ist noch wie in der Saison 2009 optional; in der Saison 2011 entschieden sich 3 Teams, es nicht zu verwenden. In der Saison 2012 fuhren nur Marussia und HRT ohne KERS, und 2013, mit dem Rückzug von HRT, fuhren alle 11 Teams in der Startaufstellung KERS.

In der Saison 2014 wurde die Leistung des MGU-K (Ersatz des KERS und Teil des ERS-Systems, das auch ein Turbolader- Abwärmerückgewinnungssystem umfasst ) von 60 kW auf 120 kW erhöht und es durfte 2 Mega- Joules pro Runde. Dies sollte den Wechsel des Sports von 2,4-Liter-V8-Motoren zu 1,6-Liter-V6-Motoren ausgleichen. Die Fail-Safe-Einstellungen des Brake-by-Wire- Systems, das jetzt KERS ergänzt, wurden als Mitursache zum Sturz von Jules Bianchi beim Großen Preis von Japan 2014 untersucht .

Autoteilehersteller

Bosch Motorsport Service entwickelt ein KERS für den Einsatz im Motorsport. Zu diesen Stromspeichern für Hybrid- und Motorfunktionen gehören eine Lithium-Ionen-Batterie mit skalierbarer Kapazität oder ein Schwungrad , ein vier bis acht Kilogramm schwerer Elektromotor (mit einer maximalen Leistung von 60 kW oder 80 PS) sowie die KERS-Steuerung für Energie- und Batteriemanagement. Bosch bietet auch eine Reihe von Elektro-Hybridsystemen für kommerzielle und leichte Anwendungen an.

Autohersteller

Autohersteller wie Honda haben KERS-Systeme getestet. Bei den 1.000 km von Silverstone 2008 stellte Peugeot Sport den Peugeot 908 HY vor , eine Hybrid-Elektro- Variante des Diesel-908 mit KERS. Peugeot plante, das Auto in der Saison 2009 der Le Mans Series einzusetzen , obwohl es nicht in der Lage war, Meisterschaftspunkte zu sammeln. Peugeot plant auch einen Antriebsstrang mit regenerativem Druckluftbremsen namens Hybrid Air.

McLaren begann im September 2008 mit dem Testen seines KERS auf der Teststrecke von Jerez in Vorbereitung auf die F1-Saison 2009, obwohl zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt war, ob sie ein elektrisches oder mechanisches System betreiben würden. Im November 2008 wurde bekannt gegeben, dass Freescale Semiconductor mit McLaren Electronic Systems zusammenarbeiten wird , um sein KERS für McLarens Formel-1-Auto ab 2010 weiterzuentwickeln. Beide Parteien glaubten, dass diese Zusammenarbeit das KERS-System von McLaren verbessern und dazu beitragen würde, dass das System auf die Straßenfahrzeugtechnologie durchdringt.

Toyota hat einen Superkondensator zur Regeneration bei einem Supra HV-R Hybrid-Rennwagen verwendet, der im Juli 2007 das 24-Stunden- Rennen von Tokachi gewann .

BMW hat bei seinem E90 3er sowie in aktuellen Modellen wie dem F25 5er unter dem Spitznamen EfficientDynamics regeneratives Bremsen verwendet. Volkswagen verfügt über regenerative Bremstechnologien unter der Marke BlueMotion in Modellen wie dem Volkswagen Golf Mk7 und Mk7 Golf Estate / Wagon-Modellen, anderen VW-Konzernmarken wie SEAT , Skoda und Audi .

Motorräder

KTM- Rennchef Harald Bartol hat enthüllt, dass die Fabrik mit einem geheimen kinetischen Energierückgewinnungssystem (KERS) gefahren ist, das an Tommy Koyamas Motorrad während des 2008 zu Ende gehenden 125ccm Grand Prix von Valencia ausgestattet war . Dies war gegen die Regeln, daher wurde es ihnen danach verboten.

Rennen

Der Automobile Club de l'Ouest , der Organisator des jährlichen 24-Stunden-Rennens von Le Mans und der Le Mans-Serie , untersuchte 2007 "spezifische Regeln für LMP1 , die mit einem kinetischen Energierückgewinnungssystem ausgestattet sein werden". Peugeot war der erste Hersteller beim Autosport 1000-km-Rennen 2008 in Silverstone ein voll funktionsfähiges LMP1-Auto in Form des 908 HY zu enthüllen.

Einsatz im zivilen Verkehr

Fahrräder

Regeneratives Bremsen ist auch bei einem nicht-elektrischen Fahrrad möglich. Die US-Umweltschutzbehörde hat in Zusammenarbeit mit Studenten der University of Michigan den hydraulischen Regenerativen Bremsstartassistenten (RBLA) entwickelt. Es ist für Elektrofahrräder mit Nabenmotoren mit Direktantrieb erhältlich .

Autos

Viele Elektrofahrzeuge verwenden regeneratives Bremsen in Verbindung mit Reibungsbremsen, die erstmals in den USA von 1967 beim elektrischen Konzeptfahrzeug AMC Amitron verwendet wurden. Regenerative Bremssysteme sind nicht in der Lage, die konventionelle Bremsfunktion für den Fahrer vollständig nachzubilden, aber es gibt kontinuierliche Weiterentwicklungen. Die Kalibrierungen, die verwendet werden, um zu bestimmen, wann Energie regeneriert wird und wann Reibungsbremsen verwendet werden, um das Fahrzeug zu verlangsamen, beeinflussen die Art und Weise, wie der Fahrer die Bremswirkung spürt.

Beispiele für Autos sind:

• Audi e-tron
• Chevy Bolt
• Ford Fusion Hybrid
• Hyundai Kona Elektro
• Nissan Leaf
• Tesla-Modell 3
• Toyota Prius
• Mitsubishi Outlander PHEV

Thermodynamik

KERS Schwungrad

Die Energie eines Schwungrades kann durch diese allgemeine Energiegleichung beschrieben werden, vorausgesetzt, das Schwungrad ist das System:

${\displaystyle E_{\text{in}}-E_{\text{out}}=\Delta E_{\text{system}}}$

wo

• ${\displaystyle E_{\text{in}}}$ ist die Energie in das Schwungrad.
• ${\displaystyle E_{\text{out}}}$ ist die Energie aus dem Schwungrad.
• ${\displaystyle \Delta E_{\text{system}}}$ ist die Energieänderung des Schwungrades.

Es wird davon ausgegangen, dass sich beim Bremsen die potentielle Energie, die Schwungradenthalpie, der Druck oder das Volumen des Schwungrades nicht ändert, so dass nur die kinetische Energie berücksichtigt wird. Während das Auto bremst, wird keine Energie durch das Schwungrad verteilt, und die einzige Energie in das Schwungrad ist die anfängliche kinetische Energie des Autos. Die Gleichung kann vereinfacht werden zu:

${\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}=\Delta E_{\text{fly}}}$

wo

• ${\displaystyle m}$ ist die Masse des Autos.
• ${\displaystyle v}$ ist die Anfangsgeschwindigkeit des Autos kurz vor dem Bremsen.

Das Schwungrad sammelt einen Prozentsatz der anfänglichen kinetischen Energie des Autos, und dieser Prozentsatz kann durch dargestellt werden . Das Schwungrad speichert die Energie als kinetische Rotationsenergie. Da die Energie als kinetische Energie gehalten und nicht in eine andere Energieart umgewandelt wird, ist dieser Prozess effizient. Das Schwungrad kann jedoch nur eine begrenzte Energie speichern, die durch seine maximale Rotationsenergie begrenzt wird. Dies wird basierend auf der Trägheit des Schwungrads und seiner Winkelgeschwindigkeit bestimmt . Da das Auto im Leerlauf steht, geht im Laufe der Zeit nur wenig kinetische Rotationsenergie verloren, sodass angenommen werden kann, dass die anfängliche Energiemenge im Schwungrad gleich der vom Schwungrad verteilten Endenergie ist. Die vom Schwungrad verteilte kinetische Energie beträgt daher: ${\displaystyle \eta_{\text{fly}}}$

${\displaystyle KE_{\text{fly}}={\frac {\eta_{\text{fly}}mv^{2}}{2}}}$

Regenerative Bremsen

Regeneratives Bremsen hat eine ähnliche Energiegleichung wie die Gleichung für das mechanische Schwungrad. Regeneratives Bremsen ist ein zweistufiger Prozess, an dem der Motor/Generator und die Batterie beteiligt sind. Die anfängliche kinetische Energie wird vom Generator in elektrische Energie umgewandelt und dann von der Batterie in chemische Energie umgewandelt. Dieser Prozess ist weniger effizient als das Schwungrad. Der Wirkungsgrad des Generators kann dargestellt werden durch:

${\displaystyle \eta_{\text{gen}}={\frac {W_{\text{out}}}{W_{\text{in}}}}}$

wo

• ${\displaystyle W_{\text{in}}}$ ist die Arbeit in den Generator.
• ${\displaystyle W_{\text{out}}}$ ist die vom Generator erzeugte Arbeit.

Die einzige Arbeit in den Generator ist die anfängliche kinetische Energie des Autos und die einzige vom Generator erzeugte Arbeit ist die elektrische Energie. Die Neuordnung dieser Gleichung zur Auflösung nach der vom Generator erzeugten Leistung ergibt diese Gleichung:

${\displaystyle P_{\text{gen}}={\frac {\eta_{\text{gen}}mv^{2}}{2\,\Updelta t}}}$

wo

• ${\displaystyle \Delta t}$ ist die Zeit, die das Auto bremst.
• ${\displaystyle m}$ ist die Masse des Autos.
• ${\displaystyle v}$ ist die Anfangsgeschwindigkeit des Autos kurz vor dem Bremsen.

Die Effizienz der Batterie lässt sich wie folgt beschreiben:

${\displaystyle \eta_{\text{batt}}={\frac {P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}}}$

wo

• ${\displaystyle P_{\text{in}}=P_{\text{gen}}}$
• ${\displaystyle P_{\text{out}}={\frac {W_{\text{out}}}{\Delta t}}}$

Die Leistung der Batterie stellt die Energiemenge dar, die von den regenerativen Bremsen erzeugt wird. Dies kann dargestellt werden durch:

${\displaystyle W_{\text{out}}={\frac {\eta_{\text{batt}}\eta_{\text{gen}}mv^{2}}{2}}}$

In Autos

Energieeffizienz von Autos in Städten und auf Autobahnen nach DoE

Energieeffizienz von Elektroautos in Städten und auf Autobahnen nach Angaben des US-Energieministeriums .

Ein Diagramm des US-Energieministeriums (DoE) zeigt Autos mit Verbrennungsmotoren einen Wirkungsgrad von typischerweise 13 % im Stadtverkehr und 20 % auf Autobahnen. Das Bremsen im Verhältnis zur nutzbaren mechanischen Energie beträgt in der Stadt 6/13, dh 46 %, und auf Autobahnen 2/20, dh 10 %.

Laut DoE wandeln Elektroautos über 77 % der elektrischen Energie aus dem Netz in Strom um. Der Wirkungsgrad eines Elektrofahrzeugs unter Berücksichtigung der Verluste durch Stromnetz, Heizung und Klimatisierung liegt nach Jean-Marc Jancovici bei ca. 50 % (zur Gesamtumwandlung jedoch siehe Embodied Energy#Embodied Energy in the energy field ).

Berücksichtigen Sie die E-Motor-Effizienz und den Bremsanteil in Städten und auf Autobahnen . ${\displaystyle \eta_{\text{eng}}=0.5}$${\displaystyle p=0,46}$${\displaystyle p=0,1}$

Wir führen ein, was der rekuperierte Anteil der Bremsenergie ist. Nehmen wir an . ${\displaystyle \eta_{\text{recup}}}$${\displaystyle \eta_{\text{recup}}=0,6}$

Beschreibung des Energieflusses beim regenerativen Bremsen.

Unter diesen Umständen, als Energiefluss am Elektromotor ankommend, Energiefluss beim Bremsen verloren und rekuperierter Energiefluss, stellt sich ein Gleichgewicht nach den Gleichungen ein ${\displaystyle E}$${\displaystyle E_{\text{bremsen}}}$${\displaystyle E_{\text{recup}}}$

${\displaystyle E_{\text{bremsen}}=(E+E_{\text{recup}})\cdot \eta_{\text{eng}}\cdot p}$ und ${\displaystyle E_{\text{recup}}=\eta_{\text{recup}}\cdot E_{\text{bremsen}}}$

daher ${\displaystyle E_{\text{bremsen}}={\frac {E\cdot \eta_{\text{eng}}\cdot p}{1-\eta_{\text{eng}}\cdot p\ cdot \eta _{\text{recup}}}}}$

Es ist, als ob der alte Energiefluss durch einen neuen ersetzt wurde${\displaystyle E}$${\displaystyle E\cdot (1-\eta_{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta_{\text{recup}})}$

Der erwartete Gewinn beträgt ${\displaystyle \eta_{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta_{\text{recup}}}$

Je höher die Rekuperationseffizienz, desto höher die Rekuperation.

Je höher der Wirkungsgrad zwischen Elektromotor und Rädern, desto höher die Rekuperation.

Je höher der Bremsanteil, desto höher die Rekuperation.

Auf Autobahnen wären es 3 % und in Städten 14 %.

Siehe auch

Verweise