O que é a frenagem regenerativa e por que não a usamos?

Eu sei que muitos carros elétricos usam a frenagem regenerativa para permitir que o carro se torne mais eficiente convertendo o que de outra forma seria energia térmica perdida em uma forma de energia mais útil e reutilizável.

Certamente, deve haver alguma maneira de projetar um novo design de freio que permita o uso dessa tecnologia em um carro mais convencional movido por um motor de combustão interna normal.

O que eu não entendo é:

• O que exatamente é a frenagem regenerativa?
• Por que só podemos usar a frenagem regenerativa em carros elétricos e híbridos?
• Existe alguma razão pela qual não podemos usar essa tecnologia inteligente de frenagem para aumentar a potência do virabrequim ou reduzir o consumo de combustível?

Fonte da imagem: http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936885/Regenerative%20Braking

tl; dr: Nós fazemos. É apenas caro.

Uma das diferenças entre os motores de energia elétrica e química é que os sistemas elétricos tornam muito mais conveniente capturar e reter energia (por exemplo, uma bateria). Tudo o que você precisa fazer é usar a indução para criar uma corrente elétrica ao volante enquanto freia. Aponte a corrente para a bateria e você reteve energia que seria desperdiçada.

Com um motor de energia química, é muito mais difícil armazenar excesso de energia. Não podemos usar os freios para gerar mais gasolina, por exemplo. No entanto, é possível reter energia cinética em algo como um KERS . Isso usará a energia na frenagem para girar o volante. Esse volante pode então ser usado para obter força motriz adicional, quando necessário.

Infelizmente, as unidades KERS são caras e exigem um monte de engenharia adicional (como, exatamente, você conseguirá que o volante giratório realmente empurre o carro para a frente?). Eles também não são comuns e não se beneficiam com economias de escala.

Tudo isso dito, eles funcionam. A Fórmula 1 os usou com grande efeito como um sistema de impulso de passagem. Eu não usaria esse tipo de capacidade na estrada, mas ficaria feliz em experimentar qualquer coisa que me ajude a tirar mais proveito de um galão de gasolina.

Em resposta à pergunta "O que é a frenagem regenerativa e por que não a usamos?", Fazemos. Com a frenagem normal, o impulso para a frente do carro é eliminado pelos freios, transformando-os em calor no disco do freio, depois se dissipa e é perdido. Com a frenagem regenerativa, em vez de o movimento do carro ser perdido para a atmosfera como calor, ele é convertido em energia elétrica e armazenado na bateria do veículo.

A gama de carros Volkswagen Bluemotion (e estou bastante confiante de que outros fabricantes fazem isso, mas tenho certeza que a Volkswagen) possui um alternador muito sofisticado. Quando o carro detecta que está sendo desacelerado pela pressão aplicada aos freios e o carro ainda está engatado e a embreagem está alta, o alternador entra em um modo em que consome significativamente mais energia do inversor. Esse acionamento normalmente vem do motor, mas em uma situação de frenagem, ele é fornecido apenas através da transmissão e está funcionando efetivamente contra o trem de força.

Este sistema é instalado em Volkswagens equipadas com Bluemotion a gasolina e a diesel. Mais informações estão disponíveis aqui e aqui

Eu aprecio que isso não esteja exatamente na mesma escala que os carros de F1 usam, mas é uma forma de frenagem regenerativa e está em uso nas vias públicas hoje.

A frenagem regenerativa é um sistema que armazena a energia que seria perdida pelo calor nos freios. Embora esses sistemas sejam ótimos, eles vêm com uma série de problemas próprios.

1. Antes mesmo de entrar no armazenamento e geração de energia, os freios de serviço reais se tornam muito complicados. Para que a frenagem regenerativa funcione corretamente, os freios não podem ser acionados enquanto os freios regenerativos estão funcionando. Freios regenerativos adicionais só funcionam em alta velocidade e perdem sua eficácia à medida que você desacelera. Isso requer uma transição em que a alta velocidade os freios regenerativos diminuem a velocidade e os freios regulares não e, à medida que os freios regenerativos diminuem cada vez menos, os freios regulares finalmente o fazem parar. O sistema que faz com que o pedal do freio pareça normal enquanto os freios regulares não fazem nada e depois faz a transição suave para uma frenagem regular com você, percebendo que uma mudança aconteceu é muito complicado e muito difícil de obter.
2. O armazenamento de energia é um enorme problema. Tudo parece ótimo nos híbridos, basta carregar as baterias, onde, na realidade, a quantidade de energia que o carro gera durante uma parada é muito mais do que as baterias podem realmente absorver. Se a parada for rápida, o problema será amplificado. Um sistema mencionado pelo @BobCross é o KERS. Ao combinar um motor / gerador ao volante, a energia regenerativa extra que não pode ir diretamente para as baterias é usada para girar o volante. Depois, com o tempo, a energia é convertida em eletricidade para carregar as baterias. Esses sistemas são muito pesados ​​e caros. Outro sistema está usando super capacitores. A energia extra é despejada nas super caps. O problema é que, quando a energia é armazenada nos capacitores, ela não é super útil sem condicionamento. A tensão nos capacitores cai muito rapidamente. Se estiver armazenando uma alta voltagem, é necessário um sistema para reduzir a voltagem para algo útil. Se não houver mais voltagem do que a bateria, é necessário um sistema para aumentar a voltagem para algo útil. Super capacitores também são bastante caros.

Híbridos e carros elétricos foram construídos em sistemas elétricos para aproveitar a frenagem regenerativa. Todos esses problemas são amplificados com motores a gasolina retos. Um novo sistema precisa ser instalado, não é possível alavancar algo existente, para fornecer uma frenagem regenerativa aumentando a despesa. Torna-se difícil vender alguém em um sistema que adiciona US $ 5 mil ao preço de um carro que obtém melhor economia de combustível na cidade, mas sofre na estrada.

A Ford está desenvolvendo um sistema em que uma bomba de deslocamento positivo carrega um acumulador hidráulico quando você para. Ao decolar novamente, a pressão do fluido é enviada é revertida através da bomba para transformá-la em um motor e auxiliar na partida de uma parada. O sistema é destinado a caminhões grandes, onde o tamanho do sistema não é um fardo demais. Além disso, o sistema é alto e propenso a vazamentos.

As locomotivas ferroviárias diesel-elétricas usam frenagem regenerativa, mas chamam de "frenagem dinâmica". Além disso, eles não armazenam energia, sopram através de grades de resistores e ventiladores no nível do telhado.

Locomotivas elétricas cheias e alguns bondes geralmente podem alimentar a energia regenerada de volta ao arame ou ao terceiro trilho; isso é muito mais simples em sistemas DC.

Mas os motores de tração (geralmente um por eixo) são acionados pelo momento do trem e, portanto, funcionam como geradores.

A frenagem regenerativa só é realmente útil em carros elétricos ou híbridos pela simples razão de que eles têm uma maneira de fazer uso da energia armazenada. Além disso, uma vez que você tenha um motor elétrico como parte da frenagem regenerativa do trem de acionamento, é praticamente incorporado (pelo menos em termos de hardware), basta usar o (s) motor (es) existente (s) aa e desviar a energia gerada para a bateria para mais tarde usar.

Em essência, não faz sentido usar a frenagem regenerativa em qualquer coisa que não seja um carro híbrido; ter frenagem regenerativa é uma boa definição de carro híbrido.

Embora não haja razão para que você não possa equipar um carro com motor IC convencional com um sistema de freios regenerativos, a menos que você use essa força para dirigir o carro, então você não conseguiu muito, pois está adicionando muito mais peso e complexidade para armazenar energia elétrica que você não pode usar.

Também existe o problema de que, em viagens longas por rodovias / rodovias, você não pode travar o suficiente para atender até as pequenas necessidades dos sistemas elétricos auxiliares (luzes, ignição, rádio, carregar a bateria para iniciar etc.), para que você nem consiga vantagem de não precisar de um alternador.

Podemos fazer a próxima melhor coisa.

800 metros adiante, vejo uma luz amarela; a 100 km / h, são 30 segundos. E sei que a luz tem um ciclo de 35 segundos, mais 10 segundos para a pilha de carros parados se mover.

Venho aplicando energia contínua para manter a velocidade. Vou continuar fazendo isso por mais 25 segundos, depois 5 segundos de frenagem firme e parar. 15 segundos brincando com meu telefone, então estou a caminho.

Ou ... eu vou para o poder ocioso imediatamente. Meu carro está na costa. Com o motor ainda em marcha, meu impulso é empurrar (girar) o motor, para um efeito de frenagem suave, para que os injetores de combustível se desliguem completamente. Minha velocidade gradualmente desacelera ... 55 ... 50 ... 45 ... pouco de poder ... 40 (65kph) ... virar as voltas de luz verde enquanto eu ainda estou 1/8 milha (200 metros) de volta. Os carros parados desembalam e eu calculo exatamente quando aplicar energia. E eu nunca freio.

No primeiro cenário, existem duas trocas de energia. Primeiro, o combustível aplicado para aqueles 600 m de 3/8 de milha para permanecer em cruzeiro. Segundo, a energia de frenagem derramou nos últimos 1/8 de milha. Não são apenas quase iguais, são a mesma energia . Se estivéssemos fazendo uma regeneração adequada, poderíamos lê-los do amperímetro e extrair os joules reais.

No segundo cenário, não há nenhum. O combustível não é gasto e a energia do freio não é derramada. O efeito da frenagem regenerativa é alcançado, mas sem perdas de conversão.

É verdade que essa é uma abordagem educacional, e não tecnológica, mas funciona. Mesmo em um EV capaz de regenerar, ele ainda funciona melhor do que a regeneração - na verdade, ele funcionará ainda melhor em um EV porque você melhora a "costa" - não há necessidade de usar o arrasto para girar o motor apenas para fornecer assistência de freio e direção .