A Regeneratív Fékezés Részletesen: A Toyota Priustól az Elektromechanikus Rendszerekig

Nem kérdéses, hogy a jövő az elektromos autóké. Bár még a robbanómotoros autók uralják a magyar utakat, Nyugat-Európában, Amerikában, illetve a Kelet fejlettebb országaiban már tisztán látszik, hogy az EV-k lassan lenyomják a fosszilis energiákat égető versenytársaikat. Az elektromos járművek olcsóbb és megfelelő áramforrásból töltve környezetbarátabb üzemeltetést kínálnak. Sok tévhit kering a különböző villanyautós csoportokban az elektromos autókról, de egy valamit szinte mindenki jól tud: fékezéskor az elektromos autó visszatölt.

A fékezés-visszatöltés már egy jó ideje velünk van, a hibridekkel jelent meg. Látszik, hogy a fékezés-visszatöltés igazi jolly joker, nemhiába használják a tisztán elektromos autó mellett a hibridekben is. A regeneratív fékezés a hibrid elektromos járművek szerves részét képezik. A hibrid technológia folyamatosan fejlődik, így mára a regeneratív fékezés is széles körben elterjedt.

Hogyan Működik a Regeneratív Fékezés?

Amikor lassítunk, akkor a jármű mozgási energiáját akarjuk csökkenteni. A hagyományos fékrendszerek esetében ezt az energiát szinte kizárólag a súrlódással keletkező hővé alakítjuk. Ez a féktárcsák és fékpofák feladata: felmelegednek, így amikor rátaposunk a fékre, akkor a fékrendszer lényegében hővé alakítja a mozgási energiát, és az autó megáll.

Ezzel szemben a regeneratív fékezésnél az történik, hogy az autó és a kerekek mozgási energiája nem a fékpofák felé vezetődik el, hanem egy dinamó felé. Siemens és Jedlik Ányos óta tudjuk, hogy a mozgási energiát elektromos árammá lehet alakítani; nos, az EV-k fékezés-visszatöltése során pontosan ez történik. A regeneratív fékezés az öntöltő hibrid járművekben alkalmazott egyszerű folyamat, amellyel a fékezési energia felhasználásával tölthetik az akkumulátorukat. A regeneratív fékezés során a mozgási energia - amely máskülönben elveszne - elektromos energiává alakul át.

Az elektromos autókban a pedálok egy picit máshogy működnek, mint a kétezres évek előtti benzines autóiban. A gázpedál nem áll fizikai kapcsolatban semmivel, egy rugó ellenében nyomjuk, és egy elektronikus érzékelő figyeli milliméter (szögperc) pontosan a kezelőszerv helyzetét. A fékpedál sincs annyira egyértelműen a fékbetétekhez kapcsolva egy olajkörön keresztül, mint régen. Biztonsági okokból megtalálható a hagyományos fékrendszer, de van egy jelentős szakasz, amikor ezt a pedált is csak egy rugó ellenében nyomjuk, és ebben az esetben is egy érzékelő figyeli a szöghelyzetet, közben pedig nem történik fizikailag semmi.

A Prius gyújtógyertyáinak fontossága

Ezt azért jó tudni, mert segít megérteni, hogy egy modern autóban nem vasakat, bovdeneket, munkahengereket nyomkodunk elsősorban, hanem számítógépeknek adunk bemenő jelet. Csak megmondjuk az autó komputerének, mit akarunk, az pedig eldönti, mit csináljon a „vasakkal”. Amikor nyomjuk a gázpedált, akkor az elektronika a motorvezérlőn keresztül árammal látja el a motort, attól függően, hogy milyen mélyre nyomjuk az említett jobb pedált. Ha pedig a féket nyomjuk, akkor a motor segítségével, szintén a motorvezérlőn keresztül, áramot juttat az akkumulátorba, ami pedig lassulást okoz. Ahogy a gyorsítást is szinte fokozatmentesen tudja szabályozni az elektronika, úgy a lassítást is ugyanilyen finomsággal, szinte észrevétlenül adagolja, mintha csak a normál üzemi féket taposnánk. Elektromos vagy hibrid autóban tehát minden felhasználó használja a visszatöltős fékezést, akár akarja, akár nem, akár tud róla, akár nem!

A Regeneratív Fékezés Előnyei és Hátrányai

Előnyök:

A súrlódó fékek kisebb kopása és elhasználódása: A regeneratív fékezéssel felszerelt gépkocsikban is vannak hagyományos fékek, de normál használat mellett minden elektromos és hibrid autó a motorral fékez, így nem kopnak el a féktárcsák és fékbetétek még 100.000 km megtétele után sem.
Energia-visszanyerés és üzemanyag-takarékosság: A mozgási energia visszanyerhető és az akkumulátorok töltésére fordítható. Ez a fékezési mód hozzájárulhat a gépkocsik tüzelőanyag-takarékosabb üzemeltetéséhez. Az energiahatékonyság növelése érdekében a generátoros fékezés mindig működik, amikor ez lehetséges.
Hatékonyabb városi közlekedés: Ha gyakran kell megállni, például forgalmasabb utakon vagy városban, a fékrendszer több energiát termel, mivel a jármű többször áll le, majd indul el újra.

Hátrányok és Korlátok:

Nem egységes hatékonyság: A regeneratív fékezés tényleges hatékonysága nagyban függ az Ön vezetési stílusától.
Más érzet: A regeneratív fékezés eltérő érzés a hagyományos módszerekhez képest, ami egyesek számára taszító lehet.
Korlátozott visszatöltés: A legtöbb elektromos autóban és öntöltő hibridben van regeneratív fékrendszer, de nem az elektromos akkumulátor teljes feltöltésére, csupán töltöttségének kisebb mértékű növelésére szolgál.
Sebességfüggőség: A visszatöltéssel való fékezés lassító képessége egyenesen arányos az autó sebességével. Tehát minél nagyobb a sebesség, annál jobban tudunk visszatöltéssel lassítani. Ebből következik, hogy 5-10 km/h-s sebességnél már nem igazán lehet érdemi negatív gyorsulást (lassulást) elérni visszatöltéssel. Ilyenkor a számítógép jelet ad az üzemi féknek, ami a pedál nyomásának függvényében gyorsabban vagy lassabban, de megállásra kényszeríti elektromos járművünket.
Teljesen feltöltött akkumulátor: Ha az akkumulátor töltöttsége 100%, és az autót éppen csak lehúztuk a töltőről, majd lefelé haladunk a lejtőn, akkor az akkuba hivatalosan nem fér több töltés, ezért nem működhet a visszatöltés sem. Az első generációs Nissan Leaf tulajdonosai ilyenkor azt tapasztalhatják, hogy nincs regeneratív fék. A második generáció esetében viszont a vezérlőegység a féktárcsák segítségével szimulálja a motorfékhatást, tehát a felhasználó nem igazán veszi észre a különbséget.
Hatásfok: A fékezés közbeni energia visszanyerésnek van egy hátránya, ami miatt jobb a kigurulás, ez pedig a 100% alatti hatásfok. Ideális esetben a gyorsításra fordított energia 80%-a nyerhető vissza, mivel a rendszerben veszteségek keletkeznek (akkumulátor, motorvezérlő, motor, hajtás, kerék hatásfoka).

A Regeneratív Fékezés a Toyota Priusban

A Prius mindig is szembeszállt a konvenciókkal, és eltörölte a határokat. A hibrid koncepció kialakításával az új Prius a következő szintre emeli a plug-in hibrid járművek kategóriáját. Az új technológia éllovasa, kettős DNS-e egyesíti a napi rutinhoz kiváló tisztán elektromos hajtást a hatékony hibrid teljesítmény hosszabb távokra biztosított szabadságával. A szinte felismerhetetlenségig megújult új Prius Plug-in Hybrid dacol a várakozásokkal, könyörtelenül stílusos és minden eddiginél hatékonyabb.

A hibrid technológia kompromisszumok nélkül nyújt kiváló teljesítményt. Városban az új Prius egy szinte hangtalan elektromos jármű, zéró károsanyag-kibocsátással és több mint 72 kilométeres* tisztán elektromos hatótávval. Az új Prius Plug-in Hybrid egyedülálló vezetési élményben egyesíti az elektromos és a belső égésű motorok előnyeit. Az új Prius Plug-in Hybrid az Ön kezébe adja az irányítást. A volán mögül a gyors és kiváló reakciókkal rendelkező 12,3” érintőképernyőn keresztül érheti el médiatartalmait. A Prius Plug-in Hybrid tisztán elektromos EV üzemmódja ideális városi használatra.

A Toyota Prius-ba egy ECB (Electronically Controlled Brake) fékrendszert építenek be, mely egy generátoros-, és egy vele párhuzamosan beépített hidraulikus fékrendszerből áll. A fékpedál lenyomásakor a potenciométer ellenállás változása adja az információt a lassítási igényről a fék elektronikának. A jeladók mellett a pedál egységbe egy hidraulikus pedálút szimulátort is beszerelnek.

Olyan fékműködést valósítanak meg ebben a gépkocsiban, melynél már a gázpedál visszaengedésekor a fék elektronika azonnal aktiválja a generátoros fékezést. Ilyenkor a hibrid hajtás MG2 jelű elektromos forgó gépét a kerekek forgatják, és az generátorként fog működni, tölteni kezdi az akkumulátorokat. Ekkor még a hidraulikus fékrendszer nem aktív. A sebességváltó kart helyettesítő előválasztó kar „B” állásánál az energia 30%-a az akkumulátortelep töltésére fordítódik. A generátoros fékezésnek az a korlátja, hogy az akkumulátor töltésére 20 - 21 kWh fordítható; ennél nagyobb energia az akkumulátor túltöltését okozza, ami meghibásodáshoz vezet. Az energia csúcsok kiegyenlítésére a töltő áramkörbe kondenzátor telepeket is beépítenek.

A Toyota Prius 1.5 akkumulátorának részletei

Toyota Prius Prime fékrendszer-regenerációs oktatóanyag bemutatása (Hogyan)

Az Új Prius Kényelmi és Biztonsági Funkciói

Napenergia hasznosítás: Az új Prius Plug-in Hybrid a napenergiát képes mozgási energiává alakítani.
Otthoni töltés: Körülbelül 4 óra* alatt teljesen feltölthető háztartási konnektor vagy otthoni fali töltő használatával.
Toyota T-mate: A kategóriaelső biztonsági funkciók érdekében a Prius Plug-in Hybrid megkapta a T-Mate rendszert - az Ön segítőkész vezetői partnerét. A T-Mate egy olyan rendszeregyüttes, amelyet arra terveztek, hogy támogassa Önt és biztonságosabbá tegye a vezetést autópályás vagy városi körülmények között, de akár egy parkolóban manőverezve is. A T-Mate minden esetben gondoskodik arról, hogy Ön biztonságos kezekben legyen.
Modern design: Az új Prius minden szögből jól néz ki. Az egységes, letisztult és kiemelkedően funkcionális formák magukra vonzzák a tekinteteket.

Vezetési Tippek és Technikák a Maximális Hatékonyságért

A legtöbb elektromos és hibrid autóban általában találunk egy olyan módot, ami extra erős motorfékhatást biztosít. A VW csoport autóiban és a Toyota Priusokban „B”-vel jelölik, ami a brake szóra utal, a Nissan „e-pedal” fantázianéven emlegeti ezt a funkciót. A közhiedelem szerint az autó csak ilyenkor tölt vissza, de ahogy korábban leírtuk, ez nem igaz: elektromos vagy hibrid autóban minden felhasználó használja a visszatöltős fékezést. Az e-pedal és a „B” mód nem takarékos üzemmódok, hanem kényelmi extrák; érdemi megtakarítást átlagos vezetési körülmények között nem lehet velük elérni, viszont városban, dinamikus vezetési stílus esetén javasolt a használatuk.

Inkább egy kényelmi extraként érdemes tekinteni rájuk, amely lehetővé teszi, hogy az autót 90%-ban egy pedállal vezessük. Nem kell átlépegetni a fékre, ha meg akarunk állni, egyszerűen csak fel kell engedni a gázpedált, és az autó elektronikája először visszatöltéssel lassít, majd egyes típusoknál az üzemi fék használatával megállítja a járművet. A „B” fokozat tartós lejtmenet esetén is hasznos lehet, mert nem kell folyamatosan nyomni a féket, az autó számítógépe biztosítja a motorfékkel elérhető maximális fékhatást, amibe csak ritkán kell pluszban belefékezni.

A hatótávnövelés szempontjából a legjobb módszer a kigurulás vagy más néven vitorlázás, amikor az autót hagyjuk szabadon futni egészen a megállásig. Hasonló módszerrel érik el az Eco-Maraton rekordjait is. Egy autó 50 km/h-s sebességről közel 1 km-t képes gurulni mielőtt megáll, tehát amikor a forgalmi szituáció megengedi, akkor a legjobb amit tehetünk, hogy normál „D”-ben haladva levesszük a lábunkat a pedálokról, és hagyjuk szépen gurulni az autót. Ez az oka annak, hogy jobb a vitorlázás.

Környezettudatos vezetés:

Fékezzünk korábban és finomabban, hogy a regeneratív fékrendszer több energiát nyerhessen vissza.
Ne toljuk az üzemmódválasztó kart N (semleges) állásba, amikor az autóval megállunk valahol.
Országúton tartsunk egyenletes utazósebességet, ami remek módja az üzemanyag-takarékosságnak.
Ha csak lehet, használjuk az EV üzemmódot.
A gázpedált simán és lágyan nyomjuk le, és tartsuk egyenletes nyomás alatt.
A hatótáv növelésének leghatékonyabb eszköze továbbra is az óvatos pedálkezelés, a kis sebesség és az előrelátó vezetés.

Sokan úgy gondolják, hogy az e-pedal (vagy a „B” mód) veszélyes, mert az erőteljes motorfék megviccelheti a mögöttünk haladót. A feltételezés abból indul ki, hogy az autó féklámpája a fékpedál nyomására aktiválódik, de egy modern villanyautó esetén ez már nem igaz.

Regeneratív Fékezés Hatása az Akkumulátorra

Érdekes kérdés, hogy milyen hatással van a regeneratív fékezés az autó akkumulátorára. Mivel a visszatöltést számítógép vezérli, amibe beprogramozták, hogy mekkora árammal szabad maximum tölteni az akksit, nem lehet probléma. A Totalcar néhány éve csinált egy kísérletet egy Kia Soul EV-vel. Egy elhagyott kifutón vontatókötélre akasztották és folyamatosan figyelve a visszatöltés mértékét (a képernyőn kW-ban jelenik meg) megállapították, hogy kicsivel 50 kW fölött megáll a maximális visszatöltés, pont mintha villámtöltenénk. A műveletről videó is készült.

Hibrid egyterű teszt: Prius+

Az Elektromechanikus Fékezés Fejlődése és Jövője

A gépkocsik folyamatos műszaki fejlesztései évről évre forradalmi változásokkal lepik meg az autósokat. Egyre több mechanikus részegységet elektromos és elektronikus működésű rendszerek váltanak fel. Korábban az elektronikus működésű blokkolásgátlók egyre szélesebb körű alkalmazásával igyekeztek a konstruktőrök a gépkocsik aktív biztonságát javítani. A hagyományos hidraulikus fékeken elvégzett "finomítások" a különböző fékerő módosítók és azok kombinációinak beszerelésével, melyek kanyarban már a belső-, és a külső íven futó kerekeknél, azok terhelésével arányosan akár eltérő fékerőket is meg tudnak valósítani. Ezzel jól megközelítették a műszaki lehetőségek határát. A mechanikus fékerő módosítók feladatát aztán az elektronikus fékerő felosztás váltotta fel.

Különösen a nagysebességű gépkocsik fékútját lehet tovább rövidíteni, ha sikerül csökkenteni a fékkésedelmi időt. Az ötlet, hogy a „lomha” hidraulika helyett sokkal gyorsabb és környezetkímélőbb elektromos működtetést alkalmazzanak, kézenfekvő. Nem szabad figyelmen kívül hagyni azt sem, hogy az évtizedek óta a fékrendszerek hidraulikus elemeit gyártó vállalatoknak ez nem áll érdekében. De ettől a ténytől eltekintve az elektromechanikus fékezés megvalósulásig hosszú és költséges fejlesztőmunkára van szükség.

Az Elektromechanikus Fékrendszer Működése és Előnyei

Az elektromechanikus fékrendszer mentes a fékfolyadéktól, ezért száraz féknek is szokták nevezni. Környezetkímélőbb és ugyanakkor dinamikusabb fékezést tesz lehetővé. A fékpedál beszerelése a legoptimálisabb helyre történhet, mert nincs vákuumos fékrásegítő és főfékhenger. Az elektronikus fékpedállal történik a vezérlés, mely egy beállítható pedálmodul részét képezi. Az információk két csatornás busz hálózaton keresztül jutnak el az érintett elektronikákhoz.

A kerékfékszerkezet egy jól bevált súrlódásos fék, melyet kiegészít az elektromechanikus beavatkozó egység és a működtető teljesítmény elektronika. Az elektromechanikus féknél a fékbetéteket egy nagy energiasűrűségű szénkefe nélküli egyenáramú villanymotor mechanikus áttételek segítségével szorítja rá a féktárcsára. A mechanikus áttételként a bolygóműves fokozat és a csavarhajtás kombinációját szokták alkalmazni. Ez utóbbi alakítja át a forgó mozgást egyenes vonalúvá. A hajtómű egység kivitele alapvetően meghatározza a megvalósítható rászorító erőt, a működtetés dinamikáját, a helyigényt, és a felmerülő költségeket.

A prototípus próbapadi méréseinél a féknyeregbe szerelt nagy teljesítményű villanymotor szorítja rá a fékbetéteket a féktárcsára. A személygépkocsik első kerekeinek tárcsafékeinél, figyelembe véve nagy hőmérsékleten a fékhatás csökkenését (fading) a számítások szerint 30 kN működtető erő szükséges. Ha a fékpofát a féktárcsára 200 ms-on belül akarják rászorítani, 500 W teljesítményű beavatkozó egységre van szükség. A nagy teljesítményigény miatt a szokásos 12 V-nál célszerű lenne nagyobb tápfeszültséget, például 48 V-ot alkalmazni. A forgó mozgású működtetés előnye, hogy teljesítménye független a beavatkozó elem helyzetétől. Így alkalmas a féktárcsa és a fékpofák közötti hézag legyőzésére és a betétkopások miatti automatikus utánállításra is anélkül, hogy erre a feladatra külön mechanikus szerkezetet kellene beszerelni. Lehetőséget kell biztosítani működtetés közben a fékerő fokozatos növelésére és csökkentésére (ABS szabályozás).

Az ESP alkalmazása miatt célszerű valamennyi kereket önálló erőmérő egységgel is ellátni. Ez biztosítja a legjobb működést és a legtökéletesebb szabályozhatóságot. A villanymotor forgórészét viszont ellátják egy érzékelővel, mely hasznos információkat ad a fék működésére vonatkozóan. Ezek a fékbetét helyzete, kopása, a féktárcsa és a fékbetét közötti távolság. Kellő időben információt ad a fékbetét csere szükségességére.

Biztonság és a „Brake by Wire” Koncepció

Az elektronikus fékrendszer szerves része az ABS, ASR és az ESP szabályzás is. Ennél a villanymotoros fék működtetésnél megszűnik a hidraulikus ABS működésekor tapasztalható fékpedál pulzálás és kisebb pedálerő szükséges a fékezéshez, ami jelentősen növeli a fékezés komfortját. Ennél a megoldásnál a gépkocsivezetőnek nincs közvetlen mechanikus kapcsolata a féket működtető elemekkel, ami megfelel a „brake by wire” koncepciónak.

Ezért különösen fontos a megfelelő biztonság megvalósítása. Minden meghibásodás esetén automatikusan egy szükségműködtetésnek kell beavatkoznia. Ennek érdekében üzemképtelenség esetén aktívvá váló második, párhuzamos, úgynevezett redundáns rendszert kell kialakítani. Ennek összeköttetésben kell lennie a nagy teljesítményű, közvetlen működésű diagnosztikai rendszerrel, amely minden hibát felismer. Ez aktiválja a szükségműködést és a műszerfalra szerelt ellenőrző lámpával figyelmezteti a gépkocsivezetőt. Ugyanez a biztonsági koncepció vonatkozik a központi fékszabályzásra és a rendszer energiaellátására is. Ennek biztonságát a gépkocsi megduplázott "tandem" 12/48 V elektromos hálózata szolgálja. Az egyik tápfeszültség hiánya, illetve meghibásodása esetén a másik veszi át a feladatot. Az elektronikus fékszabályzást a biztonság érdekében két párhuzamos kör végzi. A gépkocsik jelenlegi 12 V -os hálózati feszültségéről az elektromechanikus fék biztonságosan nem üzemeltethető, a dinamikus működések ugyanis jelentős terhelést jelentenek a teljes elektromos hálózatra.

Talán már a közeljövőben a hidraulikát az elektromos működtetés fogja felváltani a személygépkocsik fékrendszerében, - remélik a fejlesztők. Ezzel megszűnnek a légtelenítéssel, a fékfolyadék forráspont csökkenésével járó gondok az üzemeltetés során. A Siemens VDO Automotive 1996-ban kezdte meg a 42 V-os ékes működésű elektromos kerékfék szerkezet fejlesztését (EWB = Wedge Brake). 2005-ben elkészült a 12 V-os, mechanikus önerősítő hatású ékes kerékfék szerkezet. Erre egyre nagyobb szükség van, mert a különböző asszisztens rendszerek gyors, autonóm működésű fékberendezést igényelnek, ráadásul kerekenként külön-külön működtethetőt. Az EWB elektromechanikus ékes fék használatához nem szükséges sem sűrített levegő, sem hidraulikus nyomás. Ez egy úgynevezett „száraz” „by-wire” fékszerkezet, mely kerekenkénti gyors beavatkozásra alkalmas az elektronikus hálózaton keresztül érkező parancs hatására.

Az ITT Teves, jelenleg Continental Teves fejlesztette ki egy a lendítőkerékbe épített elektromos forgó gépet, amely egyaránt ellátja az indítómotor, a generátor és a torziós lengéscsillapító feladatát. Mint generátor lehetőséget ad arra, hogy a szokásos 12 V-nál nagyobb feszültséggel (48 V-al) töltse az akkumulátor telepet és ezzel lehetővé válik a két feszültségű elektromos hálózat kialakítása és ellátása. Az ISAD lehetővé teszi a gépkocsik regeneratív fékezését is. A mozgási energia így az akkumulátorok töltésére fordítható fékezés közben, mert az elektromos gép ilyenkor generátoros üzemben működik. Fontos megjegyezni, hogy ez a lassító hatás csak a hajtott kerekeknél érvényesül. Az elektronika segítségével precízen össze kell hangolni az elektromos fékezést, a gépkocsi hagyományos hidraulikus fékrendszerének működésével annak érdekében, hogy megfelelő legyen a lassulás. Csak ilyen módon lehet megvalósítani a futóművek közötti, a hatósági előírásoknak megfelelő fékerő arányt.

tags: #prius #regeneratív #fékezés