電動汽車如今越來越普及，今天我們來討論一下電動汽車的再生制動系統 —— 當然還有其它你可以用來停下一輛車的方法。
為什么汽車的尾部要安裝剎車燈？安裝它們的目的在于，當汽車剎車時，后面的司機就可以發現并及時減速。但電動汽車可以使用一種不會點亮剎車燈的方式制動！筆者此前并不知道這一方式，直到從網上看到關于電動汽車“動能回收”駕駛模式問題的視頻。這種模式使得司機可以僅依靠油門踏板控制車速。當腳踩油門踏板的壓力減小時，電動汽車的電動機就轉換成再生制動模式，并向電池充電。這意味著，此時汽車減速，但剎車燈沒有亮。
本文將闡釋關于再生制動你所需要知道的一切，也會討論你可以停下一輛車的各種辦法和它們的能量轉化。
力，能量和運動
假設一艘飛船在宇宙中航行，沒有空氣，沒有引力，當然也沒有摩擦力。如果這艘宇宙飛船啟動了發動機，那么它將加速。但當發動機關閉之后，不再有外力作用在飛船上，這時會發生什么呢？也許你會說，飛船會逐漸減速。然而它不會，飛船會以恒定的速度沿直線一直運動。
這是牛頓第二定律的直接結果。牛頓第二定律說的是作用在物體上的合力等于物體的質量乘以加速度。合力為零則加速度一定是零。加速度告訴我們速度的變化率 —— 所以零加速度意味著速度不會發生改變。
那么火箭如何停下來呢？停下的意思是速度從某個值變化到 0。是的，這意味著火箭必須加速。這里加速一詞并不只是指“增加速度”，而是指改變速度，可以是從較高的速度到更低的速度，也包括一直降到零速度。對于這里的火箭來說，你需要一個力來產生加速度，并且這個力必須朝著與速度相反的方向推飛船。這就是你讓一個東西慢下來的方法:需要一個向后推的力。
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現在讓我們考慮能量。如果剛才那枚火箭在宇宙中運動，那么它由于運動而帶有能量。我們把這種能量稱作動能，動能的大小取決于火箭的速度和質量。當火箭慢下來的時候，它速度的減小也導致動能的減小。但是能量是不會消失的。如果飛船的能量減少，那么一定有其他什么東西的能量增加。在這個例子中，如果飛船通過火箭發動機點火來減速，那么發動機噴出的氣體速度會增加。這意味著氣體動能的增加。能量守恒是指某一物理過程 發生之前和發生之后的總能量是相等的。
現在我們可以利用這些物理知識去理解在地面上通常用于汽車減速的方法。
外力
要使汽車停下來，必須要有某種形式的與運動方向相反的力作用到汽車上，這適用于我們將討論的全部剎車方法。在一些情況下，這個向后的力來自汽車本身，但也不一定非要這樣。你見過高速公路上排成一排的桶嗎？它們叫做“防撞桶”。這些桶實際上是裝滿了水或沙子的桶，這樣汽車可以通過與這些桶碰撞來減速。
這些桶提供了使汽車減速的向后的力，但它們是用一種聰明的方式提供這個力的。裝滿水或者沙的桶是軟軟的，它們并不像樹干或者混凝土路障那樣給汽車施加一個巨大的力。在來自桶的較小的力的作用下，汽車要用更長的時間減速，這樣車內的人員就會更安全。但是當汽車的動能降低時，一定有一些其他形式的能量要升高，不是嗎？
如果你看過汽車撞上這種緩沖桶的視頻，你會注意到里面的沙子或水被拋入空中。沒錯，這就是汽車的動能的去向。
車輪剎車和摩擦力
我們都知道正確的停車方法是踩剎車。但這究竟是怎么讓車停下的？答案是摩擦力。我們可以將摩擦力分為兩類。首先是靜摩擦力，出現在兩個表面彼此相對靜止的情況。另一個是滑動摩擦力，出現在兩個表面彼此相對滑動的情況。
讓我們考慮一輛車的輪胎在地面上滑動使車停下 。在這種情況下，我們可以畫出如下的力的示意圖:
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滑動摩擦力沿著與汽車速度相反的方向推動汽車使之減速。但是當汽車停下的時候，汽車的動能去了哪里呢？
下面這張動圖展示了后輪抱死的汽車在地面上滑動減速直到停止。這是紅外相機拍攝的畫面，所以圖中明亮 的部分代表更熱的物體。
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注意有一個輪胎在滑動，它在地面上留下一條熾熱的明亮痕跡，同時輪胎也會變熱。這正是動能的去向:導致熱能增加。
但是如果像一個正常駕駛員那樣停車而不是把剎車踩抱死會怎么樣呢。因為輪胎不發生滑動，這時起作用的的實際上是靜摩擦力。事實證明，如果相互作用是靜摩擦而不是動摩擦，則兩個表面之間可以獲得更大的摩擦力。因此幾乎每一輛車都有防抱死系統 來防止剎車時車輪滑動，來達到更優的剎車距離。
對于上面兩種情況，有另一件事需要考慮:如果說汽車因為車輪與路面的摩擦力而停下，那么什么使車輪先停下呢。這就是設計車閘的目的。大多數汽車的車輪上裝有一個圓盤 。對于每一個轉子，都有兩個剎車片阻礙轉子轉動以使它減速。是的，這又是摩擦力。下面是一張車輪停下后的紅外圖像:
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更明亮 的轉子表明它真的很熱。所以當一輛汽車停下時，動能的降低意味著地面、輪胎和轉子熱能的增加。事實上，在極端情況下剎車，例如波音 747 飛機僅依靠閘片停下時，制動轉子可以變得熾熱，以至于紅得發亮。
空氣阻力
如果你駕車在水平的道路上以恒定的速度行駛然后熄滅發動機，會發生什么呢？不同于宇宙中的火箭，你的車顯然不會永遠運動下去；它終將減速并停下來。
但減速一個物體不是必須有一個與速度方向相反的力嗎？是的。在這個例子中，相反方向的力是空氣阻力。當汽車運動時，汽車和空氣中的分子之間有著大量微小的碰撞。這些碰撞給汽車一個推力迫使它減速 。
現代汽車的外形有減小空氣阻力的設計，可以提高燃油效率。然而，如果你確實想用空氣減速一輛高速運動的汽車，大幅增加空氣阻力也是可行的。你只需要讓你的汽車有一個更大的迎風面積。賽車打開阻力傘 時就利用了這個方法。(這并不是一個停車的實用方法，因為它只能用一次，之后你就要將傘重新包裝起來，但這種方法仍然重要。)
能量去哪里了呢？當汽車和空氣相互作用時，空氣被推動于是分子運動更快進而溫度升高。這種能量的變化發生在相當大范圍的空氣中，人們難以測量這部分能量，但這就是汽車動能的去向。
重力
事實上你可以用重力將車停下來。你也許在山地路段的大車緩沖坡上見過這種方法。這些緩沖坡是道路朝向山坡的分支。如果一輛車 —— 通常是重型半掛卡車 —— 剎車失靈了，它可以沖上緩沖坡。是的，這里有一個向后的推力，這個力就是重力。示意圖如下:
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因為汽車沿著斜坡向上而重力豎直向下，因此重力有一個分量沿著速度的相反方向使汽車減速。當汽車沿著斜面向上運動時，重力勢能增加。汽車走得越高，重力勢能越大。
當然，反過來也是一樣的。如果你讓一個物體沿著斜面向下運動，那么重力勢能減小導致動能增加。所以你仍然需要剎車或某種類型的摩擦力阻止汽車最終向后滑下來。大多數這種緩沖坡由很軟的碎石建造以產生大的摩擦力，這樣貨車在上面可以保持靜止。
降檔
手動檔的汽車并不像自動檔那樣普遍，但它們仍然存在。對于手動檔汽車，駕駛員必須手動掛檔來完成加速，也可以用相同的過程減速。
假設汽車正在 4 檔以每小時 70 公里的速度行駛。如果駕駛員降到 3 檔并且松開油門踏板，汽車將會減速。駕駛者不需要接觸剎車踏板，也就是說汽車剎車燈不會點亮，即便汽車正在減速。當然，如果需要在很短的距離內停車，這種降檔的方法就不能滿足需要，駕駛員不得不使用傳統剎車。
降檔是怎樣實現減速的呢？這里只會給出關于內燃機的淺顯的描述，但這就足夠我們理解降檔了。發動機通過向氣缸內的壓縮空間添加汽油來提供動力。當燃油被點燃，氣體膨脹并且推動活塞?；钊舷逻\動帶動曲軸轉動，經過多個傳動部件之后使輪子轉動。于是你的車就動了。為了讓這一切工作，你需要汽油，一個火花用來點燃汽油，以及對氣體進行壓縮。
如果你去掉了火花和燃料會發生什么呢？如果車輪和發動機正通過傳動機構處于耦合狀態，氣缸中的氣體仍然會被壓縮。對氣體壓縮的過程給發動機的轉動增加了阻力，可以用于汽車減速。
從能量的角度，對應動能的減少，我們仍然需要某種能量的增加。并不意外，熱能會增加。當氣體被壓縮時，它變得更熱，這些熱量來自汽車的動能。
再生制動
如果有一種方法可以使車輛減速、降低汽車動能，同時還能儲存下來這部分能量呢？再生制動正是這樣的方法。
這一切開始于電動機，它本質上只是一個在磁體附近的安裝在轉軸上的線圈。當電流流經線圈時，電流和磁體存在相互作用，這使得線圈在轉軸上轉動。它也可以反過來工作。如果你在磁場中移動導線，導線中將產生電流。這意味著電動機和發電機是相同的機械。作為電動機，你給它電流它讓物體運動。作為發電機，你轉動轉軸，然后得到電流。
也就是說如果你的汽車上有一個電動機，它將可以作為發電機為汽車電池充電。當汽車減速時，動能被轉化為電能儲存在電池中。當然，至少一部分能量被儲存下來了 —— 總是存在一些損耗，因為這不是一個效率 100% 的過程。物體總要被加熱，至少是在一個很小的程度上。
那么剎車燈和動能回收是什么樣的呢？無論是電動汽車還是汽油動力汽車，只要駕駛員踩下制動踏板，剎車燈就會亮起。但現在我們看到電動汽車駕駛員只是松開油門踏板就可以減速 —— 不需要剎車踏板。在這種情況下，車上的電腦負責切換電動機的驅動模式和發電模式 —— 并且也是這臺電腦決定是否點亮剎車燈。此時剎車燈可能不會亮起。
這是合法的。目前美國機動車安全標準規定:“每輛車上的剎車燈應在行車制動時啟動。每輛車上的高位剎車燈僅在踩下行車制動器時才會激活。”
這一規定應當修改嗎？假設筆者可以決定 —— 當然筆者不能 —— 筆者將制定這樣一條規定:當電動汽車減速加速度數值大于某個確定的值，例如 1m/s時，剎車燈應該亮起。這樣駕駛員就向后車發出了信號:“我要停車了，所以也許你也應該這樣做?！彪y道這不是剎車燈存在的全部原因嗎？
作者:RHETT ALLAIN
翻譯:利有攸往
審校:小聰
原文鏈接:Allthe Waysto Slowa car
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