Qu'est-ce que le freinage régénératif et pourquoi ne l'utilisons-nous pas?

Je sais que de nombreuses voitures électriques utilisent le freinage régénératif pour permettre à la voiture de devenir plus efficace en convertissant l'énergie thermique qui serait autrement perdue en une forme d'énergie plus utile et réutilisable.

Il doit certainement y avoir un moyen de concevoir une nouvelle conception de freins qui permettrait l'utilisation de cette technologie sur une voiture plus conventionnelle propulsée par un moteur à combustion interne normal.

Ce que je ne comprends pas, c'est:

• Qu'est-ce que le freinage régénératif exactement?
• Pourquoi ne pouvons-nous utiliser le freinage régénératif que sur les voitures électriques et hybrides?
• Y a-t-il une raison pour laquelle nous ne pouvons pas utiliser cette technologie de freinage intelligente pour augmenter la puissance du vilebrequin ou réduire la consommation de carburant?

Source de l'image: http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936885/Regenerative%20Braking

tl; dr: Nous le faisons. C'est juste cher.

L'une des différences entre les moteurs à énergie électrique et chimique est que les systèmes électriques rendent beaucoup plus pratique la capture et la rétention d'énergie (par exemple, une batterie). Tout ce que vous avez à faire est d'utiliser l'induction pour créer un courant électrique directement au volant pendant le freinage. Pointez ce courant sur cette batterie et vous avez conservé de l'énergie qui serait autrement gaspillée.

Avec un moteur à énergie chimique, il est beaucoup plus difficile de stocker l'excès d'énergie. Nous ne pouvons pas utiliser les freins pour générer plus d'essence, par exemple. Cependant, il est possible de conserver l' énergie cinétique dans quelque chose comme un KERS . Cela utilisera l'énergie du freinage pour faire tourner un volant. Ce volant peut ensuite être utilisé pour une puissance motrice supplémentaire en cas de besoin.

Malheureusement, les unités KERS sont chères et nécessitent un tas d'ingénierie supplémentaire (comment, exactement, allez-vous obtenir ce volant pour faire avancer la voiture?). Ils ne sont pas non plus courants, ils ne bénéficient donc pas d'économies d'échelle.

Cela dit, ils fonctionnent. La Formule 1 les a utilisés à bon escient comme système de boost de dépassement. Je n'utiliserais pas ce genre de capacité sur la route, mais je serais heureux d'expérimenter avec tout ce qui m'aiderait à tirer plus de punch d'un gallon d'essence.

En réponse à la question "Qu'est-ce que le freinage régénératif et pourquoi ne l'utilisons-nous pas?", Nous le faisons. Avec un freinage normal, l'élan vers l'avant de la voiture est frotté par les freins en les transformant en chaleur dans le disque de frein, puis se dissipe et se perd. Avec le freinage régénératif, au lieu que le mouvement de la voiture ne soit perdu dans l'atmosphère sous forme de chaleur, il est converti en énergie électrique et stocké dans la batterie du véhicule.

La gamme de voitures Volkswagen Bluemotion (et je suis assez confiant que d'autres constructeurs le font mais je suis sûr que Volkswagen le fait) a un alternateur très sophistiqué. Lorsque la voiture détecte qu'elle est ralentie par une pression appliquée sur les freins et que la voiture est toujours en prise et que l'embrayage est relevé, l'alternateur passe dans un mode où il tire nettement plus de puissance de la conduite. Cet entraînement proviendrait normalement du moteur mais dans une situation de freinage, il est fourni uniquement par la transmission et fonctionne efficacement contre la transmission.

Ce système est installé sur les Volkswagen à moteur Bluemotion à essence et diesel. Plus d'informations sont disponibles ici et ici

J'apprécie que ce ne soit pas tout à fait à la même échelle que les voitures de F1, mais c'est une forme de freinage régénératif et il est utilisé sur les routes publiques aujourd'hui.

Le freinage régénératif est un système qui stocke l'énergie qui, au lieu de cela, serait perdue par la chaleur dans les freins. Bien que ces systèmes sonnent bien, ils s'accompagnent d'une multitude de leurs propres problèmes.

1. Avant même d'entrer dans le stockage et la production d'énergie, les freins de service réels deviennent très compliqués. Pour que le freinage par récupération fonctionne correctement, les freins ne peuvent pas s'allumer pendant que les freins par récupération font leur travail. Les freins régénératifs supplémentaires ne fonctionnent qu'à haute vitesse et perdent leur efficacité lorsque vous ralentissez. Cela nécessite une transition où à grande vitesse les freins régénératifs vous ralentissent et les freins réguliers ne le font pas et que vous ralentissez les freins régénératifs font de moins en moins et les freins réguliers vous arrêteront finalement. Le système qui donne à la pédale de frein une sensation normale tandis que les freins réguliers ne font rien et vous fait ensuite passer en douceur au freinage régulier, vous remarquant qu'un changement s'est produit est très compliqué et très difficile à perfectionner.
2. Le stockage d'énergie est un énorme problème. Tout sonne bien dans les hybrides, il suffit de charger les batteries, où en réalité la quantité d'énergie que la voiture génère lors d'un arrêt est bien plus que ce que les batteries peuvent réellement absorber. Si l'arrêt est rapide, le problème est encore amplifié. Un système mentionné par @BobCross est le KERS. En combinant un moteur / générateur au volant, l'énergie régénérative supplémentaire qui ne peut pas aller directement dans les batteries est utilisée pour faire tourner le volant. Au fil du temps, l'énergie est ensuite convertie en électricité pour charger les batteries. Ces systèmes sont très lourds et coûteux. Un autre système utilise des super-condensateurs. L'énergie supplémentaire est déversée dans les super-caps. Le problème est que lorsque l'énergie est stockée dans les condensateurs, elle n'est pas super utile sans conditionnement. La tension dans les condensateurs chute très rapidement. Si vous stockez une haute tension, un système est nécessaire pour réduire la tension à quelque chose d'utile. Si vous ne stockez pas plus de tension que la batterie, un système est nécessaire pour augmenter la tension jusqu'à quelque chose d'utile. Les supercondensateurs sont également assez chers.

Les voitures hybrides et électriques ont intégré des systèmes électriques pour profiter du freinage régénératif. Tous ces problèmes sont encore amplifiés avec les moteurs à essence simples. Un nouveau système doit être installé, ne peut pas tirer parti de quelque chose d'existant, pour fournir un freinage régénératif s'ajoutant aux dépenses. Il devient difficile de vendre quelqu'un sur un système qui ajoute 5 000 $ au prix d'une voiture qui obtient une meilleure économie de carburant en ville mais qui souffre sur l'autoroute.

Ford développe un système où une pompe volumétrique charge un accumulateur hydraulique lorsque vous vous arrêtez. Lors du décollage, la pression du fluide est envoyée est inversée à travers la pompe pour la transformer en moteur pour aider au démarrage à partir d'un arrêt. Le système est destiné aux gros camions où la taille du système n'est pas trop lourde. De plus, le système est bruyant et sujet aux fuites.

Les locomotives de chemin de fer diesel-électriques utilisent le freinage régénératif, mais elles l'appellent "freinage dynamique". De plus, ils ne stockent pas l'énergie, ils la soufflent à travers des grilles de résistances et des ventilateurs au niveau du toit.

Les locomotives entièrement électriques et certains tramways peuvent généralement renvoyer la puissance régénérée dans le fil ou le troisième rail; c'est beaucoup plus simple dans les systèmes DC.

Mais les moteurs de traction (généralement un par essieu) sont entraînés par l'élan du train et fonctionnent donc comme des générateurs.

Le freinage régénératif n'est vraiment utile que sur les voitures électriques ou hybrides pour la simple raison qu'elles ont un moyen de valoriser l'énergie stockée. De plus, une fois que vous avez un moteur électrique dans le cadre du système de freinage, le freinage régénératif est à peu près intégré (au moins en termes de matériel), car vous utilisez simplement le ou les moteurs existants et un générateur et détournez la puissance générée vers la batterie pour plus tard. utilisation.

En substance, il n'y a aucun intérêt à utiliser le freinage régénératif dans autre chose qu'une voiture hybride, en effet, le freinage régénératif est une bonne définition d'une voiture hybride.

Bien qu'il n'y ait aucune raison pour laquelle vous ne pouviez pas équiper une voiture à moteur IC conventionnel avec un système de freinage régénératif, à moins que vous n'utilisiez cette puissance pour conduire la voiture, vous n'avez pas vraiment accompli beaucoup car vous ajoutez beaucoup plus poids et complexité pour stocker l'énergie électrique que vous ne pouvez pas utiliser.

Il y a aussi le problème que sur les longs trajets sur autoroute / autoroute, vous ne pouvez pas faire assez de freinage pour répondre même aux petits besoins des systèmes électriques auxiliaires (lumières, allumage, radio, charger la batterie pour le démarrage, etc.) de sorte que vous ne pouvez même pas obtenir le avantage de ne pas avoir besoin d'alternateur.

Nous pouvons faire la meilleure chose suivante.

1/2 mile (800m) devant, je vois un feu jaunir; à 60 mph (100 km / h) soit 30 secondes. Et je sais que la lumière a un cycle d'environ 35 secondes, plus 10 secondes pour que la pile de voitures arrêtées se déplace.

J'ai appliqué une puissance continue pour garder la vitesse. Je continuerai à le faire pendant encore 25 secondes, puis 5 secondes de freinage ferme et arrêter. 15 secondes à jouer avec mon téléphone, puis je suis en route.

Ou ... je passe immédiatement au ralenti. Ma voiture côtoie. Avec le moteur toujours en prise, mon élan pousse (tourne) le moteur, pour un effet de freinage doux, de sorte que les injecteurs de carburant s'arrêtent complètement. Ma vitesse ralentit progressivement ... 55 ... 50 ... 45 ... Un peu de pouvoir ... 40 (65kph) ... retourner les tours feu vert alors que je suis encore 1/8 mile (200 m) retour. Les voitures arrêtées déballent et je mesure exactement quand appliquer la puissance. Et je ne freine jamais .

Dans le premier scénario, il y a deux échanges d'énergie. Tout d'abord, le carburant a demandé que les 3/8 de mile (600 m) restent en croisière. Deuxièmement, l'énergie de freinage a diminué dans le dernier 1/8 de mile. Non seulement ils sont presque égaux, mais ils ont la même énergie . Si nous faisions une régénération appropriée, nous pourrions les lire sur l'ampèremètre et dériver les joules réels à l'intérieur et à l'extérieur.

Dans le deuxième scénario, il n'y en a pas. Le carburant n'est pas dépensé et l'énergie de freinage n'est pas perdue. L'effet du freinage régénératif est obtenu, mais sans aucune perte de conversion.

Certes, c'est une approche éducative plutôt qu'une approche technologique, mais cela fonctionne. Même sur un véhicule électrique capable de régénérer, cela fonctionne toujours mieux que la régénération - en fait, cela fonctionnera encore mieux sur un véhicule électrique car vous obtenez une meilleure "côte" - pas besoin d'utiliser la traînée pour faire tourner le moteur simplement pour fournir un freinage et une assistance de direction .