Techniek – Elektrisch Rijden Ambassadeur

In dit artikel leer je wat regeneratief remmen is en waarom het bij het juiste gebruik de actieradius van je elektrische auto, zonder extra kosten, een stuk verhoogt. Daarnaast heeft juist gebruik regeneratief remmen een extra voordeel waardoor ook de onderhoudskosten van je elektrische auto lager worden. Hierdoor is regeneratief remmen is niet alleen goed voor milieu, maar ook voor je portemonnee. Regeneratief remmen in het kort Bij regeneratief remmen wordt de elektromotor van een elektrische auto als dynamo gebruikt. Hiermee wordt de bewegingsenergie van de auto omgezet in elektrische energie, waardoor de auto afremt. De opgewekte energie wordt opgeslagen in de accu van de elektrische auto en kan opnieuw gebruikt worden. Maar hoeveel scheelt regeneratief remmen nu echt zoveel, en is het niet de zoveelste mode kreet. Om die vraag te beantwoorden vergelijk ik regeneratief remmen met de conventionele schijfrem die je in benzine auto's vindt. De werking van de mechanische schijfrem Elke auto die op de openbare rijdt, heeft in elk wiel een mechanisme rem. Bij moderne auto's bestaan deze remmen uit een schijf die met het wiel meedraait en een remklauw die aan de wielarm vast zit. Deze remklauw bevat twee remblokken die ieder aan een zijde van de rem schijf zitten. De remblokken kunnen door een remcilinder op de schijf gedrukt worden, waardoor er wrijving ontstaat. Deze wrijving remt de rotatie van het wiel af, waardoor de auto tot stilstand komt. De remcilinder in de remklauw is met een remslag en remleiding verbonden met de hoofdremcilinder. De beide cilinders, slangen en leidingen zijn gevuld met remolie. Zodra je op het rempedaal drukt wordt de hoofdremcilinder ingedrukt en verplaatst de remolie zich door de leidingen en slangen naar de remcilinders in de remklauw. De remcilinder in de remklad druk de remblokken op de remschijven. Hoe harder je op het rempedaal trapt hoe harder de blokken op schijnen gedrukt worden. Hoe harder de blokken op de schijven worden gedrukt hoe meer wrijving er ontstaat en hoe sneller de auto afgeremd wordt. Schematische weergave van een hydraulisch remsysteem Rem hulpsystemen Veel auto's hebben een rembekrachtiging systeem , waarmee het de remdruk die door het rempedaal opgewekt wordt versterkt wordt. Je hoeft dan niet echt hard om het rempedaal te trappen om sterk af te remmen. Een ABS, Anti Blokkeer Systeem, zorgt er voor dat de remdruk verminderd wordt als de wiel tijdens het remmen dreigen te blokkeren, zo laat een wiel nooit door en blijf de banden goed grip op het wegdek houden Dit zijn toevoegen op het basis remsysteem zoals hierboven beschreven. De natuurkunde achter remmen Om het voordeel van regeneratief remmen te doorzien hebben we wat eenvoudig natuurkunde nodig. Maak je niet ongerust ik leg dit op een eenvoudig manier uit zodat het ook voor een leek goed te volgen is. Eerst gaan we kijken maar het begrip energie. Energie is de mogelijk om werk te verzetten. Denk aan de energie die in de accu van je elektrische auto is opgeslagen. Deze energie gebruikt je auto om van A naar B te rijden. Is alle energie uit de accu verbruikt, dan moet je deze weer opladen. De hoeveelheid energie die in een accu aanwezig is wordt aangeven in kilowattuur kWh. De totale hoeveelheid energie die een accu kan bevatten wordt accu capaciteit genoemd en wordt ook aangeven in kWh. Energie verbruik door weerstand Tijdens het rijden met een constante snelheid verbruikt een elektrische auto continue energie om de weerstand die de wielen op het weg dek ondervinden, de rolweerstand en de weerstand van de lucht, de aerodynamische weerstand te compenseren. De gedrukte energie wordt hierbij omgezet in warmte. De banden, het wegdek en de naar voren gerichte oppervlakken van de auto en de lucht waar je doorheen rijdt wordt allemaal iets opgewarmd. Wordt er niet continue energie toegevoerd, dan komt de auto door de rol- en aerodynamische weerstand tot stilstand. In de ruimte is geen lucht en dus ook geen lucht weerstand. Zou een auto door de ruimte vliegen, zoals de Tesla Roadster, die SpaceX op de eerste Falcon Heavy heeft gelanceerd, dan wordt de auto niet afgeremd. De auto blijft zonder dat dit energie kost gewoon door de ruimte vliegen. Omdat de auto vrij door de ruimte zweeft is er ook geen rol weerstand. Bewegingsenergie Om een auto in beweging te brengen is een kracht nodig. Dit is deels om de rol weerstand te overwinnen, maar er is ook energie nodig om de auto zelf in beweging te krijgen. De laatste heet bewegingsenergie. Om bewegingsenergie goed te kunnen begrijpen gaan we terug naar de Tesla Roadster die door de ruimte zweeft en geen last heeft van rol- en luchtweerstand. Elke object met massa, dus ook de Roadster heeft wat de natuurkunde inertia noemt. Om de snelheid van een object met massa te veranderen moet er een kracht op het object worden uitvoegend. Dit staat bekend als de tweede wet van Newton. Door het uitoefen van een kracht zal een object gaan versnellen waardoor de snelheid steeds verder oploopt. Om deze kracht uit te oefenen is energie nodig. Deze energie gaat niet verloren maar wort in de massa opgeslagen als bewegingsenergie. In de natuurkunde wordt dit kinetische energie genoemd. Dit geldt ook voor een elektrische auto hier op aarde. De energie die vanuit de accu geleverd wordt om een auto in beweging te brengen gaat niet verloren, maar is opgeladen in de massa als bewegingsenergie. Wiel van Tesla model S met zichtbaar de rode remklauw en metalen remschijf Remmen met remschijven Om de snelheid van een auto te verlagen moet je bewegingsenergie uit de auto gehaald worden. Bij auto's worden hiervoor schijfremmen gebruikt. Bij het remmen wordt het remblok op de remschijf geklemd en ontstaat er wrijving tussen de remschijf en het remblok. Deze wrijvingskracht verlaagd de snelheid van de auto. Hierbij wordt de bewegingsenergie omgezet wordt in warmte. Als je hard geremd hebt met een schijfrem kun je de warmte straling voelen als je hand bij velg houdt. Pas op bij bij het aanraken van de velg, deze kan echt heet zijn. Bij het gebruik van remschijven zet je alle bewegingsenergie van je auto om in warmte. Omdat dit buiten de auto gebeurd heb je verder niets aan deze warmte, ook net voor het verwarmen van het interieur van de auto. Regeneratief remmen Regeneratief remmen is een manier om de bewegingsenergie die in een rijdende auto zit weer terug te winnen. Maar hoe werkt het? Schijfremmen zijn een heel effectieve manier om je auto af te remmen en tot stilstand te brengen. Helaas wordt alle bewegingsenergie in warmte omgezet en warmte is niet een energie vorm die handig opnieuw te gebruiken is. Wil je de bewegingsenergie van je auto terugwinnen, dan heb je een andere manier van remmen nodig dan remmen met schijfremmen. Een alternatief voor schijfremmen is een dynamo of generator om de bewegingsenergie van de auto weer om te zetten naar elektrische energie. De motor die in een elektrische auto zit en direct met de wielen gekoppeld is kan eenvoudig als dynamo dienst doen. Je hebt dus naast de elektromotor die al in een elektrische auto zit geen extra dynamo nodig. Bij regeneratief remmen regelt boordcomputer via de vermogenselektronica waarmee de elektromotor op de accu is aangesloten hoeveel energie de als dynamo gebruikte elektromotor omzet naar elektrische energie en dus hoe snel de auto afremt. De elektrische energie die tijdens het remmen wordt opgewekt kan eenvoudig terug geleid worden naar de accu. Bij regeneratief remmen wordt de bewegingsenergie die een rijdende auto heeft dus niet omgezet in warmte, maar in elektriciteit en weer opgeslagen in de accu. Wet van behoud van energie Bewegingsenergie wordt omgezet in potentiële energie en via versa Een bekende natuurwet, is de wet van behoud van energie en is heldere manier om de basis van regeneratief remmen te begrijpen. We hebben al kennis gemaakt met de volgende soorten energie elektrische energie die je opslaat in een accubewegingsenergie die is opgeslagen in een bewegende autowarmte energie die vrijkomt bij het remmen met schijfremmen De wet van behoud van energie zegt, dat als je alle vormen van energie in een systeem optelt het totaal altijd constant is, ook al zet je de ene vorm van energie om in een andere. Populair gezegd energie gaat nooit verloren, maar je kunt het wel omzetten in een andere vorm. Hierboven hebben we gezien hoe deze wet ook van toepassing is op een elektrische auto. Er is energie uit de accu nodig om de auto in beweging te brengen. Elektrische energie wordt ongeuit in bewegingsenergie. Een deel van de bewegingsenergie wordt door wrijving omgezet in warmte. De bewegingsenergie neemt af en hierdoor loopt de snelheid van de auto terug. Bij het remmen met remschijven wordt versneld bewegingsenergie omgezet in warmte. De snelheid loopt snel terug. Door het snel vrijkomen van warme loopt de temperatuur van de remmen flink op. Bij regeneratief remmen wordt bewegingsenergie omgezet in elektrische energie. Deze elektrisch energie wordt in de accu opgeslagen en kan weer gebruikt worden om de auto weer in beweging te brengen, waarbij de elektrische energie weer in bewegingsenergie wordt omgezet. Bij regeneratief remmen sluit je de kringloop waardoor je energie die je omgezet hebt naar bewegingsenergie weer terug wint als elektrische energie. Alle energie die door wrijving zoals lucht weerstand, rol weerstand en verliezen in de motor, accu en elektronica omgezet wordt in warmte. Warmte is een energie vorm die op lastig op kleine schaal weer om te zetten is in elektriciteit. Het eenvoudigste is om warmte energie aft te voeren naar de omgeving. De technische term hiervoor is dissiperen. Voordelen van regeneratief remmen Regeneratief remmen heeft een aantal belangrijke voordelen. Het belangrijkste voordeel is het terugwinnen van bewegingsenergie bij het afremmen van een elektrische auto. Hierdoor wordt de actieradius van een enkele accu lading vergroot, zonder dat je heervoor extra betaald. De kosten per gereden kilometer gaan dus iets omlaag. Omdat het meeste remwerk door regeneratief remmen wordt gedaan worden de conventionele schijfremmen veel minder gebruikt. Hierdoor treed er minder slijtage aan de remblokken op, waardoor deze veel langer meegaan. Hierdoor worden de onderhoudskosten lager. Elektrische auto's van Toyota rijden gemiddeld 200.000 km met set remblokken en Tesla claimt dat bij normaal gebruik van je auto, de remblokken nooit vervangen hoeven te worden. De lagere slijtage van de remblokken geeft ook een lager verspreiding van fijnstof wat weer een milieu voordeel is. Voordelen van regeneratief remmen op een rijtje hogere actieradius op zelfde accu ladinglagere energie kosten per gereden kilometerlagere slijtage van remblokken waardoor lagere onderhoudskostenmilieu wint door lager energie verbruik en lagere fijnstof uitstoot van remblok slijtage Regeneratief remmen energie besparing in de praktijk Met regeneratief remmen bespaar je energie. Hoeveel je precies bespaard hangt af van veel verschillende factoren waaronder, je rijstijlhet weerde verkeerssituatie Uit een Amerikaans onderzoek zijn een aantal gemiddelde cijfers bekend, hoeveel de besparing regeneratief remmen oplevert, die zijn samengevat in het onderstaande diagram. Bron: Wikipedia Creator: JeffMik1Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International ongewijzigd In stadsverkeer wordt gemiddeld 37% van de uit de accu verbruikte energie terg gewonnen. Hierdoor stijgt de efficiëntie van 66% zonder regeneratief remmen tot 91% met regeneratief remmen. Bij snelweg verkeer wordt gemiddeld 8% van de uit d accu verbruikte energie terug gewonnen. Hierdoor stijgen de efficiëntie van 74% zonder regeneratief remmen naar 80% met regeneratief remmen. Rendement van elektrische auto met en zonder regeneratief remmen RendementStadsverkeerSnelwegZonder regeneratief remmen66%74%Met regeneratief remmen91%80% Regeneratief remmen levert vooral in het stadsverkeer waar je veel afremt een grote winst op. One pedal driving One pedal driving is een techniek om maximaal gebruik te maken van regeneratief remmen. Veel moderne elektrische auto's, zijn geschikt om voor one pedal driving. Details vindt je in de gebruiksaanwijzing van de auto. Bij one pedal driving maak je onder normale rij omstandigheden alleen gebruik van het acceleratiepedaal. Druk je het acceleratiepedaal (het vroegere gaspedaal) verder in dan versnelt je auto. Laat je het pedaal los, dan begint je auto regeneratief te remmen. Bij moderne elektrische auto's kun je regeneratief remmen naar eigen smaak en inzicht instellen, van heel rustig tot vrij agressief. Hierdoor kun je regeneratief remmen aan de rij omstandigheden aanpassen, bijvoorbeeld sterk regeneratief remmen in het stadsverkeer en rustig regeneratief remmen op de snelweg. De boordcomputer zorgt er voor dat de auto met de ingestelde stand een constante vertraging afremt, zodra je het acceptatie pedaal loslaat. Hierdoor kan regeneratief remmen zonder problemen gebruikt worden vanaf een hoge snelheid totdat de auto bijna stilstaat. Remt een elektrische auto regeneratief, dan gaan ook de remlichten aan zodat achteropkomend verkeer gewaarschuwd wordt dat je afremt. Het rempedaal Elke elektrische auto heeft ook een rempedaal en mechanisme remmen. Dat is wettelijk verplicht. Bij een aantal merken zoals Tesla bedient het rempedaal alleen de schijfremmen. Regeneratief remmen doe je door het loslaten van het acceleratiepedaal. Gebruik je naast regeneratief remmen ook het rempedaal dan wordt bewegingsenergie omgezet in warmte. Je maakt maximaal gebruik van regeneratief remmen door zoveel mogelijk een one pedal rij stijl aan te leren. Goed voor je portemonnee goed voor het milieu. Het rempedaal gebruik je alleen als regeneratief remmen niet voldoende is. Of om geheel tot stilstand te komen, want bij hele lage snelheden werkt regeneratief remmen minder goed. Meer details over de ervaringen lees je op het Tesla forum Een aantal merken zoals Volvo en Porsche activeren regeneratief remmen bij licht aanraken van rempedaal. Dit wordt ook wel blended braking genoemd. Bij de Porsche Taycan is het door deze aanpak niet mogelijk om van one pedal driving gebruik te maken. Een keuze waar veel gebruikers die al gewend zijn aan one pedal driving niet tevreden mee zijn. Hierbij wordt het mechanische remmen onderdruk door een elektrisch ventiel in de rem leiding. Door het open van dit ventiel kan de boordcomputer het hydraulische remmen bij schakelen. Veder intrappen van het rempedaal deactiveert het ventiel waardoor de mechanisch remmen volledig gebruikt kunnen worden. Bij auto's zoals de Chevy Volt wordt een deel van het regeneratief rem vermogen gebruikt als je het acceleratiepedaal loslaat. Het resterende deel wordt gebruikt zodra je op het rempedaal trapt. Ook bij one pedal driving, heb je zo nu en dan het rempedaal nodig Technische aspecten van regeneratief remmen Bij regeneratief remmen komen een aantal technische aspecten om de hoek kijken. Deze bepalen of regeneratief remmen wel of niet de moeite waard is. Maximaal regeneratief remvermogen Het maximale regeneratief remvermogen wordt wordt bepaald door, het maximale vermogen van de elektromotorde snelheid (het maximale vermogen) waarmee de accu geladen kan worden Het maximale vermogen van de elektromotor bepaald ook het maximale vermogen waarmee deze als dynamo gebruikt kan worden. Hoe groter dit vermogen, hoe groter het regeneratief remvermogen. De door regeneratief remmen opgewekte elektrische energie, wordt gebruikt om de accu bij te laden. Voor een hoog regeneratief remvermogen, moet de accu in korte tijd veel energie kunnen opslaan. Veel elektrische auto's hebben accu's die geschikt zijn voor snelladen en dus in korte tijd ook veel regeneratief remmen kunnen opslaan. Het maximale regeneratief remvermogen van een elektrische auto is wordt bepaald door de laagste waarde van de twee. Beperkingen van het regeneratief remmen In de praktijk zijn er een aantal factoren die het regeneratief remmen beperken. Accu lading Om regeneratief te kunnen remmen is het belangrijk dat de accu niet helemaal vol is zodat je bij remmen nog energie in de accu kwijt kunt. Laad je de accu voor een lange rit helemaal tot 100% op, dan zul je in het begin van de rit niet regeneratief kunnen remmen, omdat er geen plek meer in de accu is om de opgewekte elektrische energie op te slaan. Accu temperatuur Als je in de winter aan het begin van een rit de accu nog koud is, dan is het maximale laadvermogen kleiner dan normaal Hierdoor wordt het regeneratief remvermogen aanzienlijk beperkt. Bij veel auto's is het mogelijk om via een timer de accu voor de rit op te laten warmen. Zorg er voor dat de auto aan de laadpaal gekoppeld blijft, zodat je geen energie uit de accu gebruikt voor het opwarmen. Lage snelheid Bij hele lage snelheden werkt door technische beperkingen van de de als dynamo geschakelde elektromotor, regeneratief remmen veel minder goed. Omdat bij lage snelheden weinig bewegingsenergie terug te winnen is, is dit ook geen probleem. Gebruik bij lage snelheden het gewone rempedaal. Extra achtergrond informatie Bij mijn research voor dit artikel kwam ik veel extra informatie tegen. Deze informatie is niet noodzakelijk om regeneratief remmen te begrijpen, maar is wel een goede en leuke aanvulling, vooral als je geïnterneerd bent in techniek. Extra natuurkunde Eerst wat extra natuurkunde die een wat diepere inzicht geeft in regeneratief remmen Auto massa en bewegingsenergie De bewegingsenergie die een auto heeft is evenredig met de totale massa van de auto. Een zware auto heeft bij 100 km/h meer bewegingsenergie dan een lichte auto bij dezelfde snelheid. Een zware auto zal dus een groter regeneratief remvermogen nodig hebben om binnen dezelfde afstand tot stilstand te komen. Dit geldt natuurlijk ook voor normale schijfremmen, deze moeten bij een zwaardere auto ook meer remvermogen kunnen ontwikkelen dan bij een lichte auto. Luchtweerstand Om de lucht weerstand tijdens het rijden te compenseren en op de zelfde snelheid te blijven rijden is energie nodig. Deze energie is evenredig met het kwadraat van de snelheid. Als een auto 100 km/h rijdt, dan heeft deze auto vier keer zoveel luchtweerstand dan een auto die 50 km/h rijdt. Je verbruikt dan ook vier keer zoveel energie om op dezelfde snelheid te blijven rijden. Bronnen:Wikipedia luchtweerstandWikipedia aerodynamica Snelheid en bewegingsenergie De bewegingsenergie van een auto is evenredig met het kwadraat van de snelheid. Als een auto 100 km/h rijdt, dan heeft deze auto vier keer zoveel bewegingsenergie dan een auto die 50 km/h rijdt. Toch levert regeneratief remmen bij gebruik in stadsverkeer percentueel veel meer winst op dan op de snelweg. Dit heeft een aantal redenen. Het energieverlies door luchtweerstand is ook kwadratisch met de snelheid. Bewegingsenergie en verlies door luchtweerstand trekken dus gelijk met elkaar op als de snelheid van hoger wordt, waardoor de verhoudingen gelijk blijven.Op de snelweg rij je lange tijd met constante snelheid zonder te remmen. Hierdoor ligt het aandeel teruggewonnen energie door regeneratief remmen lager, dan in stadsverkeer waar je vaak remt. Waarom heeft een gewone benzine auto geen regeneratieve remsysteem Vooreen elektrisch regeneratief te remmen heb je de volgende uitrusting nodig. dynamo om regeneratief te remmenaccu om beweging energie in op slaanelektromotor om de energie weer te gebruiken Zit er een verbrandingsmotor in de auto, dan heb door de uitrusting voor regeneratief remmen in te bouwen een hybride auto gebouwd. Laat je de verbrandingsmotor helemaal weg dan heb je een volledige elektrische auto. Mechanisch regeneratief remmen Regeneratief remmen kan ook mechanisch. Door de bewegingsenergie niet elektrische op te slaan, maar op te slaan in een vliegwiel of in drukvat. In het verleden zijn veel succesvolle proeven gedaan maar helaas blijkt de techniek te duur te zijn om op succesvol op grote schaal commercieel interessant te zijn en is mechanische regeneratief remmen nooit echt doorgebroken voor alledaags gebruik. Regeneratief remmen in formule 1 auto's Wist je regeneratief remmen in de forumla 1 wereld gebruikt wordt? Hier heet het KERS. Kinetic Energy Recovery System. Er zijn systemen die gebruik maken van een vliegwiel en systemen die gebruik maken van een elektromotor en accu of super capacitors. Wil je meer weten over KERS weten dan is dit wikipedia artikel over KERS een goede start. Regeneratief remmen voor dubbeldekker bus In het artikel over KERS is te lezen hoe een mechanisch KERS vliegwiel systeem van de een Britse formule 1 team, aangepast is voor gebruik in de Londense dubbeldekker bussen. Door het veel stoppen en optrekken van deze bussen kan zorgt dit systeem voor een brandstof besparing van 20%. Anekdotes Een Amerikaanse journaliste wilde een artikel schrijven over de rij ervaring met een Tesla. Hiervoor had zijn van Telas een een model S te leen gekregen. Toen tijdens het rijden de accu leger begon te raken dacht de journaliste de accu weer te kunnen opladen door veel regelmatig regeneratief te gaan remmen. Het regeneratief remmen werkt, maar ze was verbaasd dat de totale accu lading niet opliep…. Als je de natuurkunde achter regeneratief remmen begrepen hebt, dan snap je dat je met regeneratief remmen nooit meer energie terug winnen dan je in het optrekken hebt gebruikt. De journalist kwam hier proefondervindelijk achter en heeft haar teleurstelling over deze ervaring in haar artikel beschreven. Andere benamingen voor regeneratief remmen Een aantal fabrikanten gebruiken hun tegen termen voor regeneratief remmen. Hier een lijstje van de namen die ik ben tegengekomen. Weet je er meer laat het weten, dan vul ik lijst aan. E-remmenRecuperatief remmen Overige bronnen https://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_brake