Frein dynamique

Le freinage dynamique est le fait d'utiliser la motorisation d'un véhicule en génératrice pour réduire sa vitesse. L'énergie capturée peut alors soit être stockée ou transmise à d'autres véhicules (freinage par récupération ou freinage régénératif), soit être dissipée sous forme de chaleur (dans le cas de l'énergie électrique, c'est le freinage rhéostatique).

Cette technique est différente de ce qu'on appelle le frein moteur : là, c'est le moteur lui-même qui, en ralentissant, provoque le ralentissement du véhicule.

Domaines d'utilisation

On trouve ce système sur des véhicules à batterie électrique (voitures électriques, automobiles hybrides, vélos à assistance électrique, etc., sur des engins ferroviaires, ainsi que des machines et engins divers (comme le chariot élévateur). Il permet de limiter l'usure de freins par friction mais aussi de récupérer une partie de l’énergie cinétique.

Des freins à friction sont néanmoins utilisés en complément pour différentes raisons :

• l'effet du frein dynamique se réduit plus la vitesse diminue ;
• la quantité d'énergie cinétique que le système peut convertir en un temps donné est limitée et donc également la capacité de freinage ; de plus, dans le cas d'un freinage par récupération, une limite supplémentaire est imposée par le système d'alimentation (y a-t-il des demandes en énergie à ce moment précis ou pas ?) ou l'état de chargement de l'organe de stockage (s'il est plein). La présence d'un frein rhéostatique (pour l'énergie électrique) en plus du frein par récupération permet de conserver des capacités de freinage dynamique dans ces circonstances.

Lorsque l'effort de freinage est réparti entre les freins à friction et dynamique, on parle de freinage combiné ; dans le domaine automobile, 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 commandes électriques » (Brake by wire).

Sur certains véhicules équipés de frein dynamique (sans récupération), la chaleur engendrée est utilisée pour le chauffage.

Énergie électrique (véhicules ferroviaires, routiers, et autres engins)

Le freinage électrique utilise la possibilité pour un moteur électrique d'agir comme un générateur. Le moteur est reconnecté (par l'ouverture et la fermeture de contacteurs, ou au travers de l'électronique de puissance) en tant que générateur pendant le freinage et sa production est connecté à une charge électrique (résistances ou autre véhicule). C'est cette charge sur le moteur qui fournit l'effet de freinage.

Ils sont utilisés dans les chemins de fer (l'électricité générée est renvoyée au système d'électrification ou dissipée dans des résistances). Sur les automobiles et les vélos, l'énergie est stockée dans une batterie ou une rangée de condensateurs pour une utilisation ultérieure.

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.

Quand l'entreprise ferroviaire C2c commença à utiliser le freinage régénérateur avec une flotte de trains type Bombardier 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.

Le principal inconvénient des freins par récupération en comparaison avec les freins rhéostatiques est le besoin de faire correspondre assez précisément le courant généré avec les caractéristiques de l'alimentation. Avec une alimentation à courant continu, cela requiert que la tension soit précisément contrôlée. Avec des alimentations à courant alternatif, c'est seulement avec le développement de l'électronique de puissance que cela a été possible, car la fréquence doit aussi être respectée (cela s'applique principalement aux locomotives alimentées en courant alternatif et dont les moteurs sont à courant continu).

Un petit nombre de trains de montagne ont utilisé des systèmes d'alimentation à trois phases ou moteurs à induction à trois phases. Ces trains ont une vitesse presque constante car le moteur tourne suivant la fréquence de l'alimentation, aussi bien en traction qu'en freinage.

Utilisation dans les sports automobiles

La FIA a autorisé pour la saison 2009 de Formule 1 l'utilisation de deux Systèmes de Récupération de l'Énergie Cinétique, l'un électrique, l'autre mécanique, de 60 kW chacun.

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.

Locomotives diesel à transmission hydraulique

Il ne s'agit pas ici réellement de l'utilisation du moteur en génératrice, mais le système de transmission va fonctionner en sens inverse : à la place de transmettre l'effort du moteur aux essieux, il va transmettre l'énergie cinétique des essieux vers un dispositif qui va dissiper l'énergie reçue, à la manière d'un frein rhéostatique en énergie électrique.

Voitures à air comprimé

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

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