Comment fonctionne le freinage régénératif

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Chaque fois que vous appuyez sur les freins de votre voiture, vous gaspillez de l'énergie. La physique nous dit que l'énergie ne peut pas être détruite. Ainsi, lorsque votre voiture ralentit, l'énergie cinétique qui la propulsait vers l'avant doit aller quelque part. La plupart se dissipe simplement sous forme de chaleur et devient inutile. Cette énergie, qui aurait pu être utilisée pour faire du travail, est essentiellement gaspillée.

Y a-t-il quelque chose que vous, le conducteur, pouvez faire pour arrêter de gaspiller cette énergie? Pas vraiment. Dans la plupart des voitures, c'est le sous-produit inévitable du freinage et il est impossible de conduire une voiture sans appuyer occasionnellement sur les freins. Mais les ingénieurs automobiles ont beaucoup réfléchi à ce problème et ont mis au point une sorte de système de freinage capable de récupérer une grande partie de l'énergie cinétique de la voiture et de la convertir en électricité, afin qu'elle puisse être utilisée pour recharger les batteries de la voiture. Ce système s'appelle le freinage par récupération.

À l'heure actuelle, ces types de freins se trouvent principalement dans les véhicules hybrides comme la Toyota Prius et dans les voitures entièrement électriques, comme la Tesla Roadster. Dans de tels véhicules, garder la batterie chargée est d'une importance considérable. Cependant, la technologie a été utilisée pour la première fois dans les tramways et a ensuite trouvé son chemin dans des endroits aussi improbables que les vélos électriques et même les voitures de course de Formule 1..

-Dans un système de freinage supplémentaire, les plaquettes de frein produisent une friction avec les disques de frein pour ralentir ou arrêter le véhicule. Un frottement supplémentaire est produit entre les roues ralenties et la surface de la route. Ce frottement est ce qui transforme l'énergie cinétique de la voiture en chaleur. Avec les freins à récupération, en revanche, le système qui entraîne le véhicule effectue la majorité du freinage. Lorsque le conducteur appuie sur la pédale de frein d'un véhicule électrique ou hybride, ces types de freins mettent le moteur électrique du véhicule en marche arrière, le faisant tourner à l'envers, ralentissant ainsi les roues de la voiture. Tout en fonctionnant à l'envers, le moteur agit également comme un générateur électrique, produisant de l'électricité qui est ensuite injectée dans les batteries du véhicule. Ces types de freins fonctionnent mieux à certaines vitesses qu'à d'autres. En fait, ils sont plus efficaces dans les situations de conduite à arrêts multiples. Cependant, les voitures hybrides et entièrement électriques ont également des freins à friction, comme une sorte de système de secours dans les situations où le freinage par récupération ne fournira tout simplement pas assez de puissance de freinage. Dans ces cas, il est important que les conducteurs soient conscients du fait que la pédale de frein peut réagir différemment à la pression. La pédale s'enfonce parfois plus loin vers le sol qu'elle ne le fait normalement et cette sensation peut provoquer une panique momentanée chez les conducteurs.

Dans les pages suivantes, nous examinerons plus en détail le fonctionnement d'un système de freinage par récupération, et nous discuterons des raisons pour lesquelles le freinage par récupération est plus efficace qu'un système de freinage à friction typique..

1. Circuits de freinage régénératifs
2. Contrôleurs de freinage régénératifs
3. Freinage régénératif hybride
4. Freinage régénératif hydraulique
5. Efficacité du freinage régénératif
6. Schéma de freinage régénératif

Le freinage régénératif est utilisé dans les véhicules utilisant des moteurs électriques, principalement des véhicules entièrement électriques et des véhicules électriques hybrides. L'une des propriétés les plus intéressantes d'un moteur électrique est que, lorsqu'il tourne dans un sens, il convertit l'énergie électrique en énergie mécanique qui peut être utilisée pour effectuer un travail (comme faire tourner les roues d'une voiture), mais lorsque le moteur est fonctionnant dans la direction opposée, un moteur correctement conçu devient un générateur électrique, convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique. Cette énergie électrique peut ensuite être introduite dans un système de charge pour les batteries de la voiture.

Dans un système de freinage régénératif, le truc pour faire tourner le moteur à l'envers est d'utiliser l'élan du véhicule comme énergie mécanique qui met le moteur en marche arrière. Momentum est la propriété qui fait avancer le véhicule une fois qu'il a été mis à niveau. Une fois le moteur inversé, l'électricité générée par le moteur est réinjectée dans les batteries, où elle peut être utilisée pour accélérer à nouveau la voiture après son arrêt. Des circuits électroniques sophistiqués sont nécessaires pour décider du moment où le moteur doit faire marche arrière, tandis que des circuits électriques spécialisés acheminent l'électricité générée par le moteur vers les batteries du véhicule. Dans certains cas, l'énergie produite par ces types de freins est stockée dans une série de condensateurs pour une utilisation ultérieure. De plus, étant donné que les véhicules utilisant ces types de freins ont également un système de freinage par friction standard, l'électronique du véhicule doit décider quel système de freinage est approprié et à quel moment. Parce que tant de choses sont contrôlées électroniquement dans un système de freinage régénératif, il est même possible pour le conducteur de sélectionner certains préréglages qui déterminent la réaction du véhicule dans différentes situations. Par exemple, dans certains véhicules, un conducteur peut choisir si le freinage par récupération doit commencer immédiatement chaque fois que le pied du conducteur relâche la pédale d'accélérateur et si le système de freinage amènera la voiture à 0 mph (0 km / h) ou laissera le voiture côte légèrement.

Il y a un mouvement général dans l'industrie automobile vers ce que l'on appelle les systèmes de freinage par câble où bon nombre des fonctions des freins qui ont été traditionnellement exécutées mécaniquement seront exécutées électroniquement. Les voitures hybrides et électriques seront probablement les premiers à adopter ces types de freins. À l'heure actuelle, différents ingénieurs automobiles ont mis au point différentes conceptions de circuits pour gérer les complexités du freinage par récupération; cependant, dans tous les cas, la partie la plus importante du circuit de freinage est le contrôleur de freinage, dont nous parlerons dans la section suivante.

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Les contrôleurs de frein sont des dispositifs électroniques qui peuvent contrôler les freins à distance, décidant quand le freinage commence, se termine et à quelle vitesse les freins doivent être appliqués. Dans les situations de remorquage, par exemple, les contrôleurs de frein peuvent fournir un moyen de coordonner les freins d'une remorque avec les freins du véhicule effectuant le remorquage..

Le freinage régénératif est mis en œuvre en conjonction avec des systèmes de freinage antiblocage (ABS), de sorte que le contrôleur de freinage régénératif est similaire à un contrôleur ABS, qui surveille la vitesse de rotation des roues et la différence entre cette vitesse et

d'une roue à l'autre. Dans les véhicules qui utilisent ce type de freins, le contrôleur de freinage surveille non seulement la vitesse des roues, mais il peut également calculer le couple - la force de rotation - disponible pour générer de l'électricité à réinjecter dans les batteries. Pendant l'opération de freinage, le contrôleur de frein dirige l'électricité produite par le moteur dans les batteries ou les condensateurs. Il garantit qu'une quantité optimale d'énergie est reçue par les batteries, mais garantit également que l'arrivée d'électricité ne dépasse pas ce que les batteries peuvent supporter.

Cependant, la fonction la plus importante du contrôleur de frein peut être de décider si le moteur est actuellement capable de supporter la force nécessaire pour arrêter la voiture. Si ce n'est pas le cas, le contrôleur de frein transfère le travail aux freins à friction, évitant ainsi une éventuelle catastrophe. Dans les véhicules qui utilisent ces types de freins, autant que tout autre élément électronique à bord d'une voiture hybride ou électrique, le contrôleur de freinage rend possible l'ensemble du processus de freinage par récupération..

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En quoi un véhicule hybride est-il différent d'un véhicule entièrement électrique? Eh bien, les véhicules électriques hybrides utilisent à la fois un moteur électrique et un moteur à combustion interne pour offrir une expérience de conduite meilleure des deux mondes. Ils combinent l'autonomie d'un moteur à combustion interne avec le rendement énergétique et les caractéristiques sans émissions d'un moteur électrique. Si un hybride doit avoir une efficacité énergétique maximale et produire le moins d'émissions de carbone possible, il est important que la batterie reste chargée le plus longtemps possible. Si une batterie de véhicule hybride venait à perdre sa charge, le moteur à combustion interne serait entièrement responsable de l'alimentation du véhicule. À ce stade, le véhicule n'agit plus comme un hybride mais plutôt comme une autre voiture brûlant des combustibles fossiles..

Les ingénieurs automobiles ont mis au point un certain nombre d'astuces pour tirer le maximum d'efficacité des hybrides, comme la rationalisation aérodynamique des carrosseries et l'utilisation de matériaux légers, mais l'une des plus importantes est sans doute le freinage par récupération. Dans une configuration hybride, cependant, ces types de freins peuvent fournir de l'énergie uniquement à la partie moteur électrique de la transmission via la batterie du véhicule. La combustion interne

le moteur ne tire aucun avantage de ces types de freins.

En partie, ces gains d'efficacité sont nécessaires en raison de l'extrême difficulté à trouver un endroit pour recharger un hybride. Cela rend les trajets plus longs difficiles sans compter sur le moteur à combustion interne de l'hybride, ce qui annule en fait certains des avantages de posséder un hybride..

Ensuite, nous découvrirons une nouvelle interprétation de cette idée de freinage régénératif.

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Un système de freinage par récupération alternatif est en cours de développement par la Ford Motor Company et la Eaton Corporation. C'est appelé Assistance hydraulique ou HPA. Avec HPA, lorsque le conducteur appuie sur le frein, l'énergie cinétique du véhicule est utilisée pour alimenter une pompe réversible, qui envoie le fluide hydraulique d'un accumulateur basse pression (une sorte de réservoir de stockage) à l'intérieur du véhicule dans un accumulateur haute pression. La pression est créée par l'azote gazeux dans l'accumulateur, qui est comprimé lorsque le fluide est pompé dans l'espace que le gaz occupait auparavant. Cela ralentit le véhicule et aide à l'arrêter. Le fluide reste sous pression dans l'accumulateur jusqu'à ce que le conducteur pousse à nouveau l'accélérateur, à quel point la pompe est inversée et le fluide sous pression est utilisé pour accélérer le véhicule, traduisant efficacement l'énergie cinétique que la voiture avait avant de freiner en énergie mécanique qui aide à remettre le véhicule à niveau. Il est prédit qu'un système comme celui-ci pourrait stocker 80% de l'élan perdu par un véhicule pendant la décélération et l'utiliser pour remettre le véhicule en mouvement [source: HybridCars.com]. Ce pourcentage représente un gain encore plus impressionnant que ce qui est produit par les systèmes de freinage régénératifs actuels. À l'instar du freinage électronique à récupération, ces types de freins - les systèmes HPA - sont mieux utilisés pour la conduite en ville, où le trafic à arrêts multiples est courant..

Jusqu'à présent, les systèmes HPA ont été utilisés principalement comme preuves de concept et dans des projets de démonstration uniquement. Ils ne sont pas encore tout à fait prêts pour les modèles de production. À l'heure actuelle, ces freins hydrauliques sont bruyants et sujets aux fuites; cependant, une fois tous les détails réglés, ces systèmes seront probablement plus utiles dans les gros camions pesant 10 000 livres (4536 kilogrammes) ou plus, où ces types de freins peuvent s'avérer être un système plus optimal que les systèmes régénératifs à commande électronique. freins.

-Finalement, cette technologie peut se répercuter sur les véhicules plus petits. Une société, Hybrid-Drive Systems, LLC, du Michigan, a modernisé une Volkswagen Beetle de 1968 avec un système de freinage hydraulique à récupération. Cependant, les accumulateurs occupent une place considérable et les futurs plans de production sont davantage axés sur l'utilisation de la technologie dans des véhicules plus grands, comme les fourgonnettes. Pendant ce temps, l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) s'est associée à Eaton Corporation pour installer des systèmes de freinage hydraulique à récupération sur les camions de livraison UPS..

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L'efficacité énergétique d'une voiture conventionnelle n'est que d'environ 20%, les 80% restants de son énergie étant convertis en chaleur par friction. Ce qu'il y a de miraculeux avec le freinage régénératif, c'est qu'il peut capter jusqu'à la moitié de cette énergie gaspillée et la remettre au travail. Cela pourrait réduire la consommation de carburant de 10 à 25 pour cent. Les systèmes de freinage hydraulique à récupération pourraient fournir des gains encore plus impressionnants, réduisant potentiellement la consommation de carburant de 25 à 45 pour cent [source: HybridCars.com]. Dans un siècle qui verra peut-être la fin

des vastes réserves de combustibles fossiles qui nous ont fourni de l'énergie pour l'automobile et d'autres technologies pendant de nombreuses années, et dans lesquelles les craintes concernant les émissions de carbone atteignent un sommet, cette efficacité accrue devient de plus en plus importante.

Le début du 21e siècle pourrait très bien marquer la dernière période où les moteurs à combustion interne sont couramment utilisés dans les voitures. Les constructeurs automobiles s'orientent déjà vers des vecteurs énergétiques alternatifs,

comme les batteries électriques, l'hydrogène et même l'air comprimé. Le freinage régénératif est un petit pas, mais très important, vers notre indépendance éventuelle vis-à-vis des combustibles fossiles. Ces types de freins permettent aux batteries d'être utilisées pendant de plus longues périodes sans qu'il soit nécessaire de les brancher sur un chargeur externe. Ces types de freins étendent également l'autonomie des véhicules entièrement électriques. En fait, cette technologie nous a déjà aidés à nous apporter des voitures comme la Tesla Roadster, qui fonctionne entièrement sur batterie. Bien sûr, ces voitures peuvent utiliser des combustibles fossiles au stade de la recharge - c'est-à-dire si la source de l'électricité provient d'un combustible fossile comme le charbon - mais lorsqu'elles sont sur la route, elles peuvent fonctionner sans utilisation. des combustibles fossiles du tout, et c'est un grand pas en avant.

L'efficacité supplémentaire du freinage régénératif signifie également moins de douleur à la pompe, car les hybrides avec moteurs électriques et freins régénératifs peuvent voyager beaucoup plus loin avec un gallon d'essence, certains atteignant plus de 50 miles par gallon à ce stade. Et c'est quelque chose que la plupart des conducteurs peuvent vraiment apprécier.

-Ce schéma simple montre comment un système de freinage régénératif est capable de récupérer une partie de l'énergie cinétique du véhicule et de la convertir en électricité. Cette électricité est ensuite utilisée pour recharger les batteries du véhicule.

-Pour en savoir plus sur les systèmes de freinage et les sujets liés à l'automobile, consultez les liens sur la page suivante.-

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Sources

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• Cantwell, Katie. «Aperçu de la régénération». Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 mai 2002. (13 janvier 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
• Chen, Jason. "Panasonic fabrique un vélo électrique avec freinage régénératif." Gizmodo. 7 juillet 2008. (13 janvier 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
• Continental Corporation. "ISAD et EHB rendent les voitures plus économiques et plus respectueuses de l'environnement." 17 mars 2002. (13 janvier 2009) 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, Jonathan M. "McLaren et Freescale s'associent pour le freinage régénératif." Ars Technica. 5 novembre 2008. (13 janvier 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
• HybridCars.com. «Hybrides hydrauliques». 3 avril 2006. (13 janvier 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
• Torrens, Richard. «Regen Braking». 4QD. 3 novembre 2008. (13 janvier 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
• Tur, Okan et coll. "Note d'application sur le freinage régénératif des véhicules électriques comme système de freinage antiblocage." Ansoft, LLC. 11 avril 2006. (13 janvier 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf