Implementation of Regenerative Braking Systems in Brushless DC Motors

Stel je een wereld voor waarin het voertuig dat je bestuurt niet alleen energie verbruikt om te bewegen, maar ook energie opvangt wanneer het stopt. Dit is de belofte van elektrische mobiliteit, een veld dat zich toelegt op het vervangen van de vervuilende motoren uit het verleden door schone, efficiënte elektromotoren. In het hart van veel moderne elektrische auto's ligt een specifiek type motor die bekend staat als een borstelloze gelijkstroommotor (brushless DC motor). In tegen tegenstelling tot oudere elektromotoren die fysieke borstels gebruikten om elektriciteit aan en uit te schakelen, gebruiken deze nieuwere motoren elektronische schakelaars en magneten om te draaien, waardoor ze lichter, duurzamer en in staat zijn om gedurende langere perioden te draaien zonder versleten te raken. Een cruciale uitdaging bij het ontwerpen van deze voertuigen is hoe men omgaat met de energie die in de beweging van de auto is opgeslagen. Wanneer een bestuurder het rempedaal indrukt, moet die voorwaartse beweging worden gestopt. In een traditionele auto gaat deze energie verloren als warmte in de remblokken. In een elektrisch voertuig streven ingenieurs ernaar om deze energie op te vangen en terug te sturen naar de batterij, een proces dat regeneratief remmen wordt genoemd. Het doel is simpel: het proces van afremmen veranderen in een daad van opladen, waardoor de auto verder kan rijden op een enkele lading.

Een onderzoeker genaamd Chetna Bhardwaj, werkzaam aan het National Institute of Technology in Delhi, heeft onderzocht hoe dit proces van energieherstel efficiënt kan werken in borstelloze gelijkstroommotoren zonder complexe of zware extra apparatuur toe te voegen. De centrale vraag die in dit werk wordt behandeld, is of een voertuig zijn batterij tijdens het remmen kan opladen met enkel de motor en de standaard elektronische controller, in plaats van te vertrouwen op aanvullende apparaten zoals boostconverters of speciale supercondensatoren. Deze extra componenten worden vaak gebruikt om de spanning van de door de motor gegenereerde elektriciteit te verhogen, zodat deze sterk genoeg is om de batterij binnen te gaan, maar ze voegen gewicht, kosten en complexiteit toe aan het voertuig. De studie stelt een methode voor waarbij de eigen interne elektronica van de motor zorgvuldig wordt beheerd om de stroom van elektriciteit direct terug naar de energiebron te laten stromen. Door een specifiek type controlesysteem te gebruiken dat constant de snelheid en de stroom van de motor monitort, wilden de onderzoekers een soepele overgang tussen rijden en remmen creëren, waarbij wordt gewaarborgd dat de auto veilig vertraagt terwijl er tegelijkertijd energie wordt teruggevoerd naar de batterij.

Om dit idee te testen, bouwde de onderzoeker een gedetailleerde computersimulatie van een elektrisch voertuigsysteem. Dit virtuele model omvatte de motor, de batterij en de elektronische schakelaars die de stroom van elektriciteit regelen. De simulatie was ontworpen om realistische rijomstandigheden na te bootsen, beginnend met de motor die op een constante snelheid van 1455 omwentelingen per minuut draaide, waarbij vermogen uit de batterij werd getrokken om het voertuig vooruit te bewegen. In deze rijmodus verbruikte de motor een kleine hoeveelheid stroom, ongeveer 2,1 ampère, en verbruikte 250 watt aan vermogen om deze snelheid te handhaven. Het systeem was zo ingesteld dat een bestuurder op elk gewenst moment een virtueel rempedaal kon indrukken om het stopproces te initiëren. Wanneer de rem in de simulatie werd ingeschakeld, schakelde het controlesysteem de werking van de motor onmiddellijk om. In plaats van elektriciteit naar buiten te duwen om de wielen te laten draaien, begon de motor te fungeren als een generator, waarbij de resterende beweging van het voertuig in elektriciteit werd omgezet.

De resultaten van de simulatie lieten zien dat het systeem precies werkte zoals bedoeld. Zodra de rem werd ingedrukt, veranderde het gedrag van de motor volledig. De kracht die voorheen de auto vooruit duwde, veranderde in een sterke trekkracht in de tegenovergestelde richting, wat een remkoppel van -11 Newtonmeter creëerde. Deze omkering zorgde ervoor dat de elektriciteit terugstroomde, van de motor naar de batterij, in plaats van van de batterij naar de motor. De simulatie registreerde dat de batterij een aanzienlijke hoeveelheid vermogen begon te ontvangen, met een piek van -1000 watt, wat aangeeft dat er succesvol energie werd teruggewonnen. De stroom die naar de batterij vloeide, verschoof van een positieve 2,1 ampère naar een negatieve 8,3 ampère, wat bevestigde dat de batterij werd opgeladen. Gedurende dit hele proces daalde de snelheid van de motor gestaag van de initiële 1455 omwentelingen per minuut naar nul, wat een gecontroleerde en effectieve stop demonstreerde.

Een belangrijke bevinding van dit werk is dat de energieherwinning plaatsvond zonder de noodzaak van de extra spanningverhogende apparatuur die vaak als noodzakelijk wordt beschouwd. De onderzoekers hebben aangetoond dat door simpelweg aan te passen welke elektronische schakelaars binnen de motorcontroller aan- of uitgeschakeld worden, zij de spanning die door de eigen interne magneten van de motor wordt gegenereerd, ook wel bekend als de back-elektromotorische kracht, konden afstemmen op de behoeften van de batterij. Terwijl de motor vertraagde, nam de elektrische druk die zij genereerde van nature af, en het controlesysteem paste zich aan om ervoor te zorgen dat deze energie nog steeds door de batterij geaccepteerd kon worden. De simulatie toonde aan dat de overgang van rijden naar remmen soepel verliep, waarbij de motor de verandering in de richting van de elektriciteit zonder instabiliteit afhandelde. De studie concludeert dat deze aanpak een eenvoudiger, lichter en kostenefficiënter elektrisch aandrijfsysteem mogelijk maakt. Door te bewijzen dat een standaard inverter effectief regeneratief remmen kan afhandelen, suggereert het werk een pad naar elektrische voertuigen die gemakkelijker te bouwen en te onderhouden zijn, terwijl ze nog steeds de energie vastleggen die anders verloren zou gaan telkens wanneer de auto tot stilstand komt.