Die Technik hinter regenerativen Bremssystemen in Autos

Die regenerative Bremsung hat sich von einem Nischenkonzept der Ingenieurskunst zu einem treibenden Faktor bei Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen, E-Bikes und hocheffizienten öffentlichen Verkehrsmitteln entwickelt. Mit der zunehmenden Elektrifizierung des Verkehrssektors müssen Fahrer, Hersteller und alle, die sich für nachhaltige Mobilität interessieren, die regenerative Bremsung verstehen. Dieser umfassende Leitfaden beleuchtet die Funktionsweise, Effizienz, Vorteile, Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen regenerativer Bremssysteme und berücksichtigt dabei alle aktuell relevanten Konzepte.

Was ist regeneratives Bremsen?

Die regenerative Bremse ist ein System, das die beim Bremsen normalerweise verlorene kinetische Energie in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Der Elektromotor übernimmt dabei eine andere Funktion: Er wandelt die Fahrzeugbewegung in Energie um, anstatt sie durch Reibungsbremsen als Wärme zu verlieren. Die zurückgewonnene Energie wird in die Batterie eingespeist, wodurch die Gesamteffizienz gesteigert wird.

Wie funktioniert die regenerative Bremsung?

Ein herkömmliches Bremssystem funktioniert, indem Bremsbeläge gegen Metallscheiben gepresst werden und so durch Reibung die Geschwindigkeit des Fahrzeugs verringern. Dieser Prozess ist zwar effektiv, wandelt aber Bewegungsenergie in Wärme um. Regeneratives Bremsen funktioniert ganz anders:

• Die Verzögerung beginnt: Wenn der Fahrer in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug den Fuß vom Gaspedal nimmt oder das Bremspedal betätigt, kehrt der Elektromotor seine Funktion um.

• Der Motor wird zum Generator: Anstatt Strom zu verbrauchen, um Bewegung zu erzeugen, nutzt es die kinetische Energie des Fahrzeugs, um Strom zu erzeugen.

• Die Energie fließt zurück in die Batterie: Der erzeugte Strom wird über die Leistungselektronik geleitet und im Batteriespeicher des Fahrzeugs gespeichert.

• Das Fahrzeug bremst ab: Da der Motor der Rotation Widerstand entgegensetzt, bremst er auf natürliche Weise die Räder ab und erzeugt so einen Bremseffekt.

Da dieser Prozess auf Elektromotoren basiert, ist die regenerative Bremsung am effizientesten bei moderaten Geschwindigkeiten und im Stop-and-Go-Verkehr.

Werden beim regenerativen Bremsen Bremsbeläge verwendet?

Die regenerative Bremsung nutzt nicht primär die Bremsbeläge. Der Elektromotor übernimmt den größten Teil der Verzögerung. Die Bremsbeläge greifen nur dann ein, wenn:

• Zusätzliche Bremskraft erforderlich

• Das Fahrzeug steht fast.

• Der Akku kann keine weitere Ladung aufnehmen.

• Die Traktionsbedingungen erfordern eine mechanische Bremsung.

Aus diesem Grund stellen viele Besitzer von Elektrofahrzeugen fest, dass ihre Bremskomponenten wesentlich länger halten als die von herkömmlichen Fahrzeugen.

Regeneratives Bremsen vs. herkömmliches Bremsen

Die regenerative Bremse wandelt die kinetische Energie eines Autos in elektrische Energie um. Dadurch werden Elektro- und Hybridfahrzeuge effizienter und ihre Batterien halten länger. Reibung ermöglicht die Funktion herkömmlicher Bremsen. Sie verbrauchen Energie in Form von Wärme, bringen Autos aber dennoch sehr gut zum Stehen. Die meisten Neuwagen verfügen über beide Bremsarten: regenerative Bremsen zur Energierückgewinnung und Reibungsbremsen für mehr Sicherheit und schnelles Anhalten. Das bedeutet längere Bremsenlebensdauer, geringere Wartungskosten und umweltfreundlicheres Fahren. Hier die wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden Bremsarten:

• Energierückgewinnung: Bei herkömmlichen Bremsvorgängen geht die gesamte Energie als Wärme verloren, während bei regenerativen Bremsvorgängen ein erheblicher Teil dieser Energie zurückgewonnen wird.

• Bremsenverschleiß: Da regenerative Bremsen weniger auf Reibungsbremsen angewiesen sind, halten Bremsbeläge und -scheiben länger, wodurch die Wartungskosten sinken.

• Fahrerfahrung: Die regenerative Bremsung kann sich anders anfühlen, da sie manchmal beim Loslassen des Gaspedals eine leichte Verzögerung erzeugt, während herkömmliche Bremsen erst beim Betätigen des Pedals aktiviert werden.

• Effizienz: Fahrzeuge mit regenerativer Bremsung weisen häufig eine verbesserte Kraftstoffeffizienz bei Hybridfahrzeugen oder eine größere Batteriereichweite bei Elektrofahrzeugen auf.

Arten von regenerativen Bremssystemen in Autos

Die regenerative Bremsung erfüllt in der gesamten Automobilindustrie eine ähnliche Funktion, ihre Umsetzung variiert jedoch je nach Fahrzeugtyp und Antriebskonfiguration. Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge nutzen jeweils spezifische Strategien der regenerativen Bremsung, die von der Batteriekapazität, der Motorkonfiguration und den Fahrzielen abhängen. Das Verständnis dieser Unterschiede ist essenziell, um die Mechanismen der Energierückgewinnung im Straßenverkehr zu verstehen.

Regeneratives Bremsen in vollelektrischen Autos

Vollelektrische Fahrzeuge (EVs) nutzen die reinste und effizienteste Form der Bremsenergierückgewinnung, da ihr gesamter Antriebsstrang auf Elektromotoren basiert. Diese Fahrzeuge können beim Bremsen einen erheblichen Teil der kinetischen Energie in gespeicherte elektrische Energie umwandeln. Wichtigste Merkmale der Bremsenergierückgewinnung bei Elektrofahrzeugen:

• Hohe Energierückgewinnung, da der Elektromotor den größten Teil der Verzögerung übernimmt.

• Stärkere Regenerationsfähigkeit dank größerer Akkus und leistungsstärkerer Motoren.

• Sanftes, vorhersehbares Abbremsen, das oft das Fahren mit nur einem Pedal ermöglicht.

• Softwareeinstellungen, mit denen Fahrer verschiedene Stufen der regenerativen Rekuperationsenergie auswählen können.

Diese Art der regenerativen Bremsung bietet die deutlichsten Energieeinsparungen und verbessert die Reichweite erheblich.

Regeneratives Bremsen bei Hybridfahrzeugen

Hybridfahrzeuge kombinieren einen Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor und einer relativ kleinen Batterie. Ihre regenerativen Bremssysteme sind sorgfältig aufeinander abgestimmt, um sanfte Übergänge zwischen elektrischer und mechanischer Bremsung zu gewährleisten. Wichtigste Merkmale der regenerativen Bremsung in Hybridfahrzeugen:

• Mäßige Energierückgewinnung aufgrund der geringeren Batteriekapazität.

• Ein ausgewogenes Bremsgefühl entsteht durch die Kombination von regenerativer und hydraulischer Bremsung.

• Stärkere Nutzung von Reibungsbremsen bei Vollbremsungen oder Notbremsungen.

• Intelligente Steuerungssoftware, die die Batterieladung maximiert, ohne die Fahrbarkeit zu beeinträchtigen.

Dieses System legt den Fokus auf Kraftstoffeffizienz statt auf reine elektrische Reichweite und trägt so dazu bei, dass Hybridfahrzeuge außergewöhnliche Verbrauchswerte erreichen.

Regeneratives Bremsen bei Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEVs)

Plug-in-Hybridfahrzeuge positionieren sich zwischen Elektrofahrzeugen und herkömmlichen Hybriden. Ihre größeren Akkus und leistungsstärkeren Motoren ermöglichen eine stärkere Bremsenergierückgewinnung und längere rein elektrische Fahrten. Wichtigste Merkmale der Bremsenergierückgewinnungssysteme von Plug-in-Hybridfahrzeugen:

• Höhere Rekuperationsleistung als bei Standardhybriden, nähert sich der Rückgewinnungsleistung von Elektrofahrzeugen an.

• Eine effizientere Energierückgewinnung ist möglich, weil die größere Batterie eine größere Ladung aufnehmen kann.

• Bessere Fahreigenschaften im Stadtverkehr, wo häufiges Bremsen einen erheblichen Energieaufwand bedeutet.

• Eine flexible Bremsstrategie, die darauf abgestimmt ist, ob das Fahrzeug im Elektro- oder Hybridmodus fährt.

Plug-in-Hybridfahrzeuge bieten die ideale Balance für Fahrer, die eine starke regenerative Bremsung wünschen, ohne sich auf ein vollelektrisches Fahrzeug festzulegen.

Regeneratives Bremsen bei leistungsstarken Elektroautos

Hochleistungs-Elektrofahrzeuge nutzen hochentwickelte regenerative Bremssysteme, die sowohl auf Effizienz als auch auf Fahrdynamik optimiert sind. Ausgestattet mit zwei oder vier Motoren können diese Fahrzeuge die Bremsenergie an mehreren Rädern zurückgewinnen. Wichtigste Merkmale der regenerativen Bremse von Hochleistungs-Elektrofahrzeugen:

• Mehrmotorensysteme, die die regenerative Bremsung auf Vorder- und Hinterachse verteilen.

• Eine starke Bremskraft, die ein nahezu einpedalartiges Fahren auch bei hohen Geschwindigkeiten ermöglicht.

• Software, die Stabilität, Traktion und Energiegewinnung gleichzeitig priorisiert.

• Rekuperation, die sich bis in die tiefere Bremszone fortsetzt, ohne das Fahrverhalten zu beeinträchtigen.

Dieser Typ ist nicht nur auf Effizienz ausgelegt, sondern auch auf ein reaktionsschnelles und vertrauenserweckendes Fahrverhalten.

Regeneratives Bremsen bei Mild-Hybrid-Fahrzeugen (MHEVs)

Mildhybride nutzen einen kleinen Elektromotor und eine 48-Volt-Batterie, um den Verbrennungsmotor zu unterstützen, anstatt die Räder anzutreiben. Daher ist ihre Bremsenergierückgewinnung zwar begrenzt, aber dennoch wirksam. Wichtige Merkmale der Bremsenergierückgewinnung bei Mildhybriden

• Lichtenergierückgewinnung zur Unterstützung der Beschleunigung oder zur Stromversorgung von Bordsystemen.

• Geringere Rekuperationskraft, da der Motor nicht stark genug ist, um das Fahrzeug merklich abzubremsen.

• Reibungsbremsen übernehmen nach wie vor den größten Teil der Verzögerung.

• Ideal zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und zur Reduzierung der Motorbelastung.

MHEVs bieten einen einfacheren und kostengünstigeren Einstieg in die regenerative Bremstechnologie.

Batteriebeschränkungen und Ladeaufnahme

Lithium-Ionen-Akkus haben präzise definierte Grenzen hinsichtlich ihrer Ladegeschwindigkeit. Faktoren, die die Rückgewinnungsleistung beeinflussen, sind unter anderem:

• Ladezustand: Ein nahezu voller Akku schränkt die Bremsenergierückgewinnung ein.

• Temperatur: Kalte Batterien nehmen weniger Strom auf.

• Zellchemie: Unterschiedliche EV-Plattformen nutzen unterschiedliche maximale Laderaten

Um eine Überlastung der Batterie zu vermeiden, berechnet das Steuergerät des Fahrzeugs ständig das maximal verfügbare regenerative Drehmoment neu.

Die Zukunft der regenerativen Bremsung bei Autos

Die regenerative Bremsung entwickelt sich rasant in Richtung Zukunft. Ingenieure arbeiten an reaktionsschnelleren Motorsteuerungen, schneller aufladbaren Bauteilen und intelligenten Programmen, die mithilfe von Vorhersagedaten die gewonnene Energie optimal nutzen. Zukünftig könnten Elektrofahrzeuge mit Ultrakondensatoren ausgestattet sein, die Energie schneller aufnehmen können als Batterien. Dies würde die Bremswirkung verstärken und die Effizienz steigern. Zudem werden regenerative Bremsen und vorausschauende Bremsmodelle endlich in selbstfahrende Autos integriert. Fahrzeuge könnten Ampeln, Staus oder Kurven voraussehen und so die Bremswirkung schneller und effizienter einleiten.