再生制动的工作原理

由:克里斯托弗·兰普顿|

无轨电车是最早使用再生制动技术的车辆之一。查看我们的制动器的照片.
无轨电车是最早使用再生制动技术的车辆之一。查看我们的制动器的照片
©iStockphoto/丽莎安德森

每次你踩到车的时候制动器你是在浪费能量。物理告诉我们能量是不能被摧毁的。所以当你的车减速时,推动它前进的动能必须去某个地方。其中大部分只是以热量的形式散去,变得无用。本来可以用来做功的能量,实际上是浪费了。

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作为司机,你能做些什么来停止浪费这种能量呢?不是真的。在大多数汽车中,这是刹车不可避免的副产品,你开车时不可能不偶尔踩刹车。但汽车工程师们对这个问题进行了大量思考,并提出了一种制动系统,可以回收汽车的大部分动能,并将其转化为电力,这样就可以用来给汽车的电池充电。这个系统被称为再生制动。

目前,这类刹车主要用于混合动力汽车,如丰田普锐斯,以及全电动汽车,如特斯拉跑车。在这样的车辆中,保持电池充满电是相当重要的。然而,这项技术首先应用于电车,随后又应用于电动自行车、甚至一级方程式赛车等不可思议的领域。

在传统的制动系统中,刹车片与…产生摩擦制动转子使车辆减速或停车减速的车轮和路面之间会产生额外的摩擦。摩擦力将汽车的动能转化为热能。另一方面,在再生制动系统中,驱动车辆的系统承担了大部分的制动工作。当司机踩下电动或混合动力汽车的刹车踏板时,这种刹车会使汽车的电动马达进入反向模式,使其向后行驶,从而使汽车的车轮减速。当发动机向后运行时,它也起到了发电机的作用,产生的电力被输入到汽车的电池中。这些类型的刹车在特定的速度下比在其他速度下工作得更好。事实上,它们在走走停停的驾驶情况下最有效。然而,混合动力和全电动汽车也有摩擦刹车,作为一种后备系统,在再生制动不能提供足够的制动动力的情况下。在这些情况下,司机要意识到刹车踏板对压力的反应可能不同,这一点很重要。 The pedal will sometimes depress farther towards the floor than it normally does and this sensation can cause momentary panic in drivers.

在接下来的页面中,我们将更详细地看看再生制动系统是如何工作的,我们将讨论为什么再生制动比典型的摩擦制动系统更有效的原因。

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再生制动电路

混合动力和全电动汽车使用再生制动系统为电池充电。
混合动力和全电动汽车使用再生制动系统为电池充电。
©iStockphoto/蒂姆·麦凯格

再生制动用于使用电动马达的车辆,主要是纯电动汽车和混合动力汽车。电动马达的更有趣的特性之一是,当它运行在一个方向,它将电能转换成机械能,可以用来执行工作(如把一辆车的车轮),但是,当电机运行在相反的方向,设计一个适当的运动成为发电机,把机械能转换成电能。然后,这些电能被输入充电系统,为汽车的电池充电。

在再生制动系统中,让电机向后运行的诀窍是利用车辆的动量作为机械能,使电机反转。动量是一种特性,一旦车辆加速,它就可以保持车辆向前行驶。一旦电机反转,电机产生的电能被反馈回电池,在电池中,它可以用来在停车后再次加速汽车。复杂的电子电路是决定电机何时反转所必需的,而专门的电路则将电机产生的电导入车辆的电池。在某些情况下,这些类型的制动器产生的能量存储在一系列电容器中,以备日后使用。此外,由于使用此类制动器的车辆也有标准的摩擦制动系统,因此车辆的电子设备必须决定在什么时候使用哪个制动系统。由于再生制动系统中有如此多的电子控制,驾驶员甚至可以选择某些预设值,以确定车辆在不同情况下的反应。例如,在某些车辆中,驾驶员可以选择当驾驶员的脚离开油门踏板时是否立即开始再生制动,以及制动系统是否会将车辆一直保持在0英里/小时(0公里/小时)或让车辆稍微滑行。

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在汽车行业,有一种普遍的趋势,即所谓的线控刹车系统,即许多传统上由机械来执行的刹车功能将由电子来执行。混合动力和电动汽车很可能是这些技术的早期采用者制动器类型目前,不同的汽车工程师提出了不同的电路设计来处理再生制动的复杂性;然而,在所有情况下,制动电路中最重要的一个部分是制动控制器,我们将在下一节中讨论。

再生制动控制器

再生制动系统在停转行驶条件下特别有效。
再生制动系统在停转行驶条件下特别有效。
©iStockphoto/戴夫·赫里曼

刹车控制器是一种可以进行控制的电子装置制动器远程,决定何时制动开始,结束,以及制动需要应用的速度。在牵引例如,在某些情况下,刹车控制器可以提供一种协调刹车的方法预告片车的刹车在拖着。

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再生制动与制动系统一起实施防抱死刹车系统(ABS),因此再生制动控制器类似于ABS控制器,它监测车轮的转速和速度的差异

一个轮子转到另一个轮子。在使用这种刹车的车辆中,刹车控制器不仅可以监测车轮的速度,还可以计算有多少扭矩(旋转力)可以产生电能,并反馈给电池。在制动操作过程中,制动控制器将电动机产生的电力输入电池或电容器。它确保了电池接收到的最佳电量,但也确保了流入的电量不会超过电池的处理能力。

然而,制动控制器最重要的功能可能是确定电机当前是否能够处理停车所需的力。如果不能,制动控制器将工作移交给摩擦制动器,避免可能的灾难。在使用此类制动器的车辆中,与任何其他部件一样对于混合动力或电动汽车上的电子设备,制动控制器使整个再生制动过程成为可能。

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混合动力汽车再生制动

混合动力汽车使用内燃机和电动机。
混合动力汽车使用内燃机和电动机。
©iStockphoto/ David h .刘易斯

混合动力汽车与纯电动汽车有何不同?嗯,混合动力汽车既使用电动马达又使用内燃机引擎提供一种两全其美的驾驶体验。它们结合了内燃机的续航里程和电动机的燃油效率和零排放特性。如果混合动力汽车想要获得最大的燃料效率和尽可能少的碳排放,重要的是电池要尽可能长时间地保持充电状态。如果混合动力汽车的电池失去充电,内燃机将完全负责为汽车提供动力。到那时,这辆车就不再是一辆混合动力车,而只是另一辆燃烧化石燃料的汽车。

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汽车工程师们已经想出了许多技巧来实现混合动力车的最大效率,比如车身的空气动力学流线型化和轻质材料的使用,但可以说,其中最重要的是再生制动。然而,在混合动力车的设置中,这些类型的制动器只能为车辆的电动机部分提供动力动力传动系通过车辆的电池。内燃机

这种刹车对发动机没有好处。

在某种程度上,这些效率是必要的,因为找地方给混合动力车充电极其困难。这使得在不依赖混合动力内燃机的情况下进行长途旅行变得困难,这实际上抵消了拥有混合动力汽车的一些优势。

接下来,我们将学习关于再生制动的新想法。

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液压再生制动

液压助力(HPA)制动系统在大型卡车上可能是最有用的。
液压助力(HPA)制动系统在大型卡车上可能是最有用的。
©iStockphotoEric Bechtold /

福特汽车公司和伊顿公司正在开发一种替代再生制动系统。它被称为液压动力帮助HPA.使用HPA,当驾驶员踩刹车时,车辆的动能被用来驱动一个可逆泵,该泵将液压液从车辆内的低压蓄能器(一种储罐)送至高压蓄能器。压力是由蓄能器中的氮气产生的,当流体被泵入气体原来占据的空间时,蓄能器被压缩。这使车辆减速,帮助它停下来。流体在压力下仍然在蓄电池,直到司机把油门,此时泵是逆转,加压流体用于加快车辆,有效地翻译动能汽车制动之前到机械能,有助于增加车辆的速度。据预测,这样的系统可以储存车辆在减速过程中损失的80%的动量,并利用这些动量使车辆再次行驶。HybridCars.com].这个百分比比当前再生制动系统产生的收益更为可观。像电子再生制动一样,这种制动系统——HPA系统——最适合用于城市驾驶,因为在城市中,停下来就可以通行。

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到目前为止,HPA系统主要用于概念证明和仅用于示范项目。他们还没有完全准备好生产模型。目前,这些液压刹车系统有噪音及容易漏水;然而,一旦所有的细节都解决了,这类系统可能会在重量10,000磅(4,536公斤)或更多的大型卡车上最有用,这些类型的刹车可能被证明是比电子控制的再生刹车更理想的系统。

最终,这项技术可能会应用到小型汽车上。密歇根州的混合动力驱动系统有限责任公司(Hybrid-Drive Systems, LLC)已经为一辆1968年的大众甲壳虫(Volkswagen Beetle)改装了液压再生制动系统。然而,这种蓄能器占用了相当大的空间,未来的生产计划将更多地集中在更大的车辆上,如货车。与此同时,美国环境保护署(EPA)与伊顿公司合作,在UPS配送卡车上安装液压再生制动系统。

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再生制动效率

特斯拉跑车是一款全电动汽车。
特斯拉跑车是一款全电动汽车。
文斯·布奇/盖蒂图片社

传统汽车的能源效率只有20%左右,其余80%的能量通过摩擦转化为热量。再生制动的神奇之处在于,它可能能够捕获多达一半的浪费能量,并将其重新投入工作。这可以减少10%到25%的燃料消耗。液压再生制动系统可以提供更令人印象深刻的收益,有可能减少25%到45%的燃料使用[来源:HybridCars.com].在一个可能看到终结的世纪里

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多年来,巨大的化石燃料储量为我们提供了汽车和其他技术的能源,而在这种情况下,对碳排放的担忧正达到顶峰,这种额外的效率正变得越来越重要。

21世纪初很可能标志着内燃机普遍用于汽车的最后阶段。汽车制造商已经开始转向替代能源载体,

例如电池、氢燃料甚至压缩空气。再生制动是我们最终摆脱化石燃料依赖的一小步,但非常重要。这些类型的制动器允许电池长时间使用,而无需插入外部充电器。这些类型的制动器还扩展了全电动汽车的行驶范围。事实上,这项技术已经为我们带来了像特斯拉跑车这样完全依靠电池供电的汽车。当然,这些汽车在充电阶段可能会使用化石燃料——也就是说,如果电力来源是煤等化石燃料——但当它们在公路上行驶时,它们完全可以在不使用化石燃料的情况下运行,这是向前迈出的一大步。

再生制动的额外效率也意味着更少的加油痛苦,因为带有电动马达和再生制动系统的混合动力汽车可以用一加仑汽油跑得更远,目前一些混合动力汽车每加仑可以跑50多英里。这是大多数司机都很欣赏的。

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再生制动系统图

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HowStuffWorks

这个简单的图表显示了再生制动系统是如何重新捕捉车辆的一些动能并将其转化为电力的。然后用这些电给汽车的电池充电。

要了解更多关于制动系统和相关的汽车主题,请查看下一页的链接。

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发布日期:2009年1月23日

再生制动系统常见问题

再生制动是做什么的?
在电池驱动或混合动力汽车中,再生制动将动能转化为化学能,储存在电池中,以便日后为汽车提供动力。
再生制动的效率如何?
再生制动和车辆一样有效。它因电池而异。理想情况下,效率约为70%。
电动自行车靠踩踏板充电吗?
电动自行车可以在骑车的时候自动充电。然而,这取决于你骑的车型。
如何最大化再生制动?
仅在必要时使用制动器可以最大限度地促进再生制动。此外,尽可能多地利用能量回收再生功能,因为它会给电池提供额外的能量。
哪个电机用于再生制动?
采用单级双向DC/AC变换器进行再生制动。

更多信息

HowStuffWorks相关文章

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  • Cantwell教授,凯蒂。“再生概述”。罗克韦尔自动化艾伦-布拉德利。2002年5月7日。(2009年1月13日)http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
  • 陈,杰森。“松下生产再生制动的电动自行车。”Gizmodo。2008年7月7日。(2009年1月13日)http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
  • 大陆公司。“ISAD和EHB让汽车更经济、更环保。”2002年3月17日。(2009年1月13日)http://www.conti-online.com/generator/www/com/en/continental/portal/themes/press_services/press_releases/products/automotive_systems/brakesystems/pr_2002_03_17_7_en.html
  • Gitlin,乔纳森·M。"迈凯轮和飞思卡尔合作进行再生制动"Ars Technica。2008年11月5日。(2009年1月13日)http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
  • HybridCars.com。“液压混合动力车”。2006年4月3日。(2009年1月13日)http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
  • 托伦斯,Richard。“回复刹车。”4 qd。2008年11月3日。(2009年1月13日)http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
  • Tur, Okan等。《电动汽车再生制动防抱死制动系统的应用说明》Ansoft, LLC. 2006年4月11日。(2009年1月13日)http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf

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