Wymóg zredukowania hałasu i wibracji, które są generowane w trakcie funkcjonowania układu hamulcowego, nabiera szczególnego znaczenia w przypadku cichych napędów pojazdów elektrycznych i hybrydowych. W osiągnięciu wysokiego komfortu jazdy pomaga zastosowanie klocków hamulcowych o specjalnej konstrukcji. Wielu producentów części stara się wyjść naprzeciw oczekiwaniom posiadaczy pojazdów z napędem elektrycznym/hybrydowym. Znakomitym przykładem są klocki hamulcowe marki TRW Electric Blue, które pozwalają na znaczne obniżenie poziomu hałasu i wibracji generowanych w trakcie hamowania przy jednoczesnej redukcji pylenia.
Czy układy hamulcowe w samochodzie elektrycznym i z silnikiem spalinowym działają tak samo?
Układ hamulcowy w samochodzie elektrycznym pozornie nie różni się od tego stosowanego w samochodzie z silnikiem spalinowym. W jednym i drugim podczas hamowania energia kinetyczna pojazdu zamieniana jest na energię cieplną.
W raz z pojawieniem się na rynku pojazdów hybrydowych i elektrycznych pojawił się pewien problem – hamulce. Okazało się, że kierowcy tak polubili korzystanie z dobrodziejstw napędu elektrycznego i odzyskiwania energii, że praktycznie przestali używać standardowego hamulca ciernego. Jego rola została ograniczona tylko do definitywnego zatrzymania samochodu. W normalnym ruchu wystarczające okazało się korzystanie z rekuperacji, czyli odzyskiwania energii elektrycznej przez wytracanie prędkości samochodu.
Powiązane firmy
Taka zmiana nawyku kierowców spowodowała narastanie problemów z układem hamulcowym. Okazało się bowiem, że rzadko używane hamulce zapiekają się i nie działają prawidłowo. Dodatkowo lekkie hamowanie z zapieczonymi w prowadnicach klockami hamulcowymi spowodowało nierównomierne zużywanie się tarcz hamulcowych. Widoczne było to szczególnie w hamulcach kół tylnych. Z tego powodu część producentów, mających w ofercie samochody hybrydowe, zaczęła z powrotem stosować hamulce bębnowe na tylnej osi. Okazało się bowiem, że w niektórych modelach są one mniej wymagające, jeśli chodzi o pracę z tak niską częstotliwością, natomiast są równie skuteczne jak hamulce tarczowe.
Kolejnym rozwiązaniem, które zostało wymuszone napędem hybrydowym lub elektrycznym, okazał się brak stałego źródła podciśnienia gwarantowanego przez silnik spalinowy lub napędzaną nim pompę próżniową. W związku z tym zmianie uległy systemy wspomagania układu hamulcowego. Zmianę sterowania układem hamulcowym wymusiły też systemy wspomagania kierowcy, takie jak aktywny tempomat, stabilizacja toru jazdy czy systemy jazdy autonomicznej. W pewnych sytuacjach muszą one ingerować w układ hamulcowy w stopniu przewyższającym hamowanie rekuperacyjne.
Michał Głażewski, head of PC Technical Service Europe North-East ZF, zwraca uwagę na to, że układy hamulcowe samochodów elektrycznych ze względu na zastosowanie napędu alternatywnego wymagają użycia podzespołów i systemów, które nie występują w układach hamulcowych pojazdów z napędem klasycznym. W samochodach, w których jednostką napędową jest silnik spalinowy, wzmocnienie siły hamowania uzyskuje się dzięki doprowadzeniu podciśnienia z kolektora dolotowego w przypadku silników o zapłonie iskrowym lub z pompy podciśnieniowej napędzanej przez silnik wysokoprężny do urządzenia wspomagającego. W pojazdach elektrycznych do wytworzenia podciśnienia niezbędne jest zamontowanie elektrycznej pompy podciśnieniowej, której działanie zależy od stopnia zapotrzebowania na podciśnienie. Z tego powodu jest ona aktywowana na podstawie sygnału z czujnika ciśnienia zamontowanego w pompie hamulcowej.
Michał Głażewski
Head of PC Technical Service
Europe North-East ZF
Najbardziej zaawansowane konstrukcje składają się z pompy hamulcowej zespolonej ze zbiorniczkiem płynu hamulcowego, elektromechanicznym układem wspomagającym, czujnikami oraz blokiem hydraulicznym układu ABS i ESC. W skład jednostki wchodzi również sterownik, który odpowiada za pracę wszystkich elementów układu hamulcowego. Dzięki temu rozwiązaniu uproszczono konstrukcję układu hamulcowego i zredukowano jego masę.
W pojazdach hybrydowych i elektrycznych hamowanie samochodu jest realizowane nie tylko przez klasyczny cierny układ hamulcowy, ale przede wszystkim – w celu zwiększenia ich zasięgu – przez układ rekuperacji. Odzyskuje on energię w czasie hamowania i ładuje nią akumulatory wysokonapięciowe.
Aby jednak mieć kontrolę nad pracą układu hamulcowego i mieć możliwość aktywowania go wtedy, gdy samo opóźnienie samochodu na skutek działania rekuperacji staje się zbyt małe, konieczne jest wymuszenie sterowania pompą hamulcową niezależnie od żądania kierowcy. Oczywiście przepisy homologacyjne wymagają, aby układ dało się obsługiwać nawet w chwili zaniku sterowania i wspomagania, jednak w czasie odzysku energii czy przy włączonym aktywnym tempomacie sterownik ma możliwość zwiększenia ciśnienia w układzie hamulcowym. Konieczne jest też wzięcie pod uwagę tego, że system ESP musi mieć informację o sile hamowania poszczególnych kół. W samochodzie z silnikiem spalinowym ESP odczytuje informacje o ciśnieniu w układzie hamulcowym podczas hamowania czy przyciśnięciu pedału hamulca. W przypadku rekuperacji energii ciśnienie w układzie hamulcowym jest równe 0, natomiast występuje siła hamująca samochód.
W hybrydowych pojazdach elektrycznych często pożądane jest uniemożliwienie kierowcy odczuwania elektrycznie aktywowanego ciśnienia hamowania w celu ukrycia zmian ciśnienia hamowania, które są spowodowane operacjami mieszanego działania układu hamulcowego podczas hamowania regeneracyjnego.
Jak podkreśla Krzysztof Cieślak, regional product manager w firmie Robert Bosch: – Niezbędnym elementem do pracy z układem rekuperacji jest system ESP® hev. System ten odpowiada za odłączenie i regulację hydraulicznego hamowania z kół, które mają połączenie z silnikiem elektrycznym. Może być on stosowany w autach z napędem na zarówno przednie, jak i tylne koła. W przypadku połączenia ESP® hev z systemem iBooster możliwe jest osiągnięcie opóźnienia na poziomie do 0,3 g z samego systemu rekuperacji. Zależnie od nacisku pedału hamulca system dobiera odpowiednie ciśnienie w układzie, aby zachować prawidłowy balans hamowania pojazdu oraz osiągnąć zadaną przez kierowcę siłę hamowania. Pedał hamulca wyposażony jest w czujnik nacisku. W przypadku hamowania, kiedy na kołach napędzanych zadany moment obrotowy silnika elektrycznego nie jest wystarczający do uzyskania wymaganego opóźnienia, dołączany jest moment hamujący z systemu ciernego. Układ ESP® hev jest zarówno korektorem siły hamowania, jak i systemem, który zarządza, z jakiego układu auto ma uzyskiwać opóźnienie i w jakim stopniu. System iBooster pozwala na wspomaganie hamowania bez układu podciśnienia. System ESP® hev może współpracować również ze standardowym wspomaganiem, należy jednak umieścić dodatkowy czujnik nacisku na pedał hamulca. Reszta układu pozostaje niezmieniona w stosunku do standardowego układu.
Samochód elektryczny rzucił układowi hamulcowemu jeszcze jedno wyzwanie, o którym do tej pory niewiele się myślało lub myślało się w przypadku drogich modeli samochodów. Przy braku dźwięku silnika spalinowego nawet najmniejszy szmer staje się bardziej słyszalny. Z tego powodu konieczne stało się przeprojektowanie silniczków napędu wycieraczek, ale też opracowanie nowych mieszanek wykorzystywanych w klockach hamulcowych. Szum podczas ich pracy stawał się bowiem słyszalny.
Pojawienie się aut elektrycznych postawiło przed inżynierami nowe wyzwania. Pierwszym z nich było uniezależnienie układu wspomagania hamowania od podciśnienia generowanego przez silnik z wewnętrzną komorą spalania. Bosch zaprezentował produkowany w polskiej fabryce w Mirkowie elektromechaniczny system iBooster, który może być używany w każdym rodzaju pojazdu, także w autach autonomicznych. Nowe rozwiązanie szybko buduje ciśnienie w układzie, co przekłada się na skrócenie drogi hamowania. Kolejną zaletą jest możliwość modulowania charakterystyki pedału hamulca w zależności od preferencji kierowcy.
Krzysztof Cieślak
Regional product manager
w firmie Robert Bosch
Ponadto, jak podkreśla Michał Głażewski: – Z uwagi na wzrost masy samochodu wyposażonego w napęd hybrydowy lub elektryczny w stosunku do pojazdu z napędem tradycyjnym układy hamulcowe w tych pierwszych muszą być znacznie efektywniejsze, zapewniając dodatkowo cichą i niskoemisyjną pracę. Zastosowanie rekuperacyjnych układów hamulcowych w pojazdach z napędem alternatywnym spowodowało postępującą rozbudowę systemów sterujących układem hamulcowym.
Realizacja poszczególnych faz hamowania pojazdem hybrydowym/elektrycznym odbywa się w kilku etapach, aby proces hamowania był jednocześnie skuteczny i pozwolił na wydajny odzysk energii elektrycznej. Współpraca sterowników układów napędowego, nadzoru baterii wysokonapięciowej i hamulcowego pozwala na szybką wymianę danych, zapewniając odpowiednie opóźnienie samochodu, czucie pedału hamulca przez kierowcę bez względu na to, który z układów hamuje przy jednoczesnym maksymalnie wysokim odzysku energii.
Pozostałe funkcje układu hamulcowego
Uruchamianie hamulca ciernego, ręcznego lub elektrycznego przy odpowiednim rozkładzie siły hamowania między przednimi a tylnymi kołami to tylko część funkcji wykonywanych przez wspomniany układ ESP® hev. Jego kolejnymi funkcjami są:
- układ przeciwblokujący (ABS),
- dynamiczna kontrola trakcji (DTC),
- dynamiczna kontrola hamowania (DBC),
- automatyczny hamulec awaryjny (AEB),
- sterowanie hamulcem przy skręcie (CBC).
- elektroniczna kontrola stabilności (ESC),
- kontrola momentu obrotowego hamowania silnika (EDC).
Nie tylko stabilizacja
Układ ESP przez ingerencję w układ hamulcowy oraz odczyty danych z wielu czujników pozwala na stworzenie dodatkowych funkcjonalności w samochodzie.
Dzięki temu układowi mamy wsparcie układu hamulcowego podczas ruszania na wzniesieniu. Kontrola utrzymywania się na wzniesieniu ułatwia ruszanie pod górę, przytrzymując hamulce jeszcze przez około 2 s po zwolnieniu pedału hamulca przez kierowcę. Kierowca ma wystarczająco dużo czasu na zmianę z hamulca na pedał przyspieszenia bez użycia hamulca ręcznego. Pojazd jedzie wygodnie i nie stacza się do tyłu.
