Frein régénérateur

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

Un frein régénérateur est un mécanisme qui réduit la vitesse d'un véhicule en convertissant une partie de son Énergie cinétique en une autre forme d'énergie utile. Cette énergie capturée est alors stockée pour une utilisation ultérieure ou renvoyée dans un système d'alimentation pour être utilisé par d'autres véhicules.

Par exemple, les freins électriques régénérateurs dans les chemins de fer électriques renvoient l'électricité générée au Système d'électrification ferroviaire. Les véhicules à batterie électrique ou les automobiles hybrides, l'énergie est stockée dans une batterie ou une rangée de condensateurs pour une utilisation ultérieure.

Le freinage régénérateur ne doit pas être confondu avec le freinage dynamique, qui dissipe l'énergie électrique sous forme de chaleur.

Sommaire

[modifier] Limitations

Les freins traditionnels à Frottement sont encore utilisés avec le freinage régénérateur électrique pour différentes raisons:

  • L'effet du frein régénérateur diminue rapidement à des vitesses plus lentes;
  • Le niveau d'énergie électrique potentiellement dissipé est limité par soit la capacité du système d'alimentation à absorber cette énergie soit l'état de chargement de la batterie ou des condensateurs. Il ne peut pas y avoir d'effet de freinage régénérateur si un autre composant électrique sur le même système d'alimentation est en train de tirer de l'énergie ou si la batterie ou les condensateurs sont déjà pleins. Pour cette raison, il est normal d'incorporer des freins dynamiques pour absorber l'excès d'énergie;
  • Pour ces raisons, il y a un besoin évident de contrôle du freinage régénérateur et de mettre au même niveau le freinage à frottement et le freinage régénérateur pour produire la puissance de freinage désirée. Le modèle EV-1 de General Motors était la première voiture commercialisée à utiliser un système de ce genre. Les ingénieurs Abraham Farag et Loren Majerski furent considérés comme les parents de ce "frein à fil" ("Brake by wire").

[modifier] Le moteur comme frein

Le freinage régénérateur utilise la possibilité pour un moteur électrique d'agir comme un générateur. Le moteur à traction électrique du véhicule est reconnecté en tant que générateur pendant le freinage et sa production est connecté à une charge électrique. C'est cette charge sur le moteur qui fournit l'effet de freinage.

Un exemple ancien de ce système est le frein à régénération d'énergie ("Energy Regeneration Brake"), développé en 1967 par Amitron. C'était un concept de voiture urbaine à batterie dont les batteries étaient rechargées par freinage régénérateur, augmentant ainsi l'autonomie du véhicule.

[modifier] Véhicule électrique de chemin de fer

Pendant le freinage, les connections du moteur à traction sont altérées et tournées vers les générateurs électriques. Les champs du moteurs sont connectés à travers le générateur à traction ("traction generator" (MG)) principal et les armatures du moteur sont connectées à travers la charge. Le MG provoque les champs du moteur. La locomotive qui roule ou les roues à unité multiple tournent l'armature du moteur, et les moteurs agissent comme des générateurs, soit en envoyant le courant généré à travers des résistances (freinage dynamique) ou renvoyé au système d'alimentation (freinage régénérateur), fournissant au freinage une charge.

Quand l'entreprise ferroviaire C2c commença à utiliser le freinage régénérateur avec une flotte de trains type bombardiers Class 357, des enquêtes sur les deux premières semaines d'utilisation montrèrent une économie d'énergie de 15%. Une économie de 17% est affirmée pour les Virgin Trains de type Class 390. Il fut noté aussi une moins grande usure des composants des freins à frottement.

Pour une direction donnée de voyage, le courant passant à travers les armatures du moteur pendant le freinage sera opposé à celui pendant la conduite. Ainsi, le moteur exerce une force de torsion dans une direction qui est opposé à la direction de roulement.

[modifier] Comparaison entre frein régénérateur et frein dynamique

Les freins dynamiques, contrairement aux freins régénérateurs, dissipent l'énergie électrique sous forme de chaleur en passant le courant à travers de large rangées de diverses résistances. Les véhicules qui utilisent les freins dynamiques sont entre autres : le Chariot élévateur, les locomotives hybrides électriques et diesel et les tramways. A condition d'être proprement designée, la chaleur engendrée peut être utilisé pour chauffer l'intérieur du véhicule. Si dissipé à l'extérieur, de grands capuchons sous forme de radiateur sont employés pour abriter les rangées de condensateurs.

Le principal inconvénient des freins régénérateurs en comparaison avec les freins dynamique est le besoin de faire correspondre assez précisément le courant généré avec les caractéristiques de l'alimentation. Avec une alimentation à CC, cela requiert que le voltage soit précisément contrôlé. C'est seulement avec le développement de l'Électronique de puissance que cela a été possible avec des alimentations à CA, où la fréquence de fourniture d'énergie doit aussi être équilibrée (cela s'applique principalement aux locomotives où l'alimentation en CA est rectifiée pour des moteurs à CC).

Un petit nombre de trains de montagne ont utilisé des systèmes d'alimentation à trois phases ou moteurs à induction de 3 phases. Cela permit une vitesse presque constante pour tous les trains comme le moteur tourne avec la fréquence fournie aussi en phase de freinage que de conduite.

[modifier] Utilisation dans les sports automobiles

La FIA a autorisé l'utilisation de "Systèmes à Récupération d'Energie Cinétique" ("Kinetic Energy Recovery Systems" (KERS)) de 60 kW, dans les règlements de la saison 2009 de Formule 1.

L'Automobile Club de l'Ouest, organisateur des 24 Heures du Mans et des Le Mans Series, est en train d'étudier l'introduction de règles spécifiques pour les LMP1 qui pourraient être équipés de système à récupération d'énergie cinétique.

[modifier] Voitures à air comprimé

Les freins régénérateurs sont utilisés dans les voitures à air comprimé (voir Véhicule à air comprimé) pour remplir le réservoir pendant la décélération.