Рекуперативного торможения: энергию торможения

Содержание

Система рекуперативного торможения

Главная »
Тормозная система » Система рекуперативного торможения

В современных гибридных автомобилях используется система рекуперативного торможения. В основу системы положен электрический способ рекуперации кинетической энергии.

Движение автомобиля сопровождается кинетической энергией. При торможении с использованием традиционной тормозной системы избыток кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию трения тормозных колодок и тормозного диска и, соответственно, расходуется вхолостую.

В системе рекуперативного торможения для замедления используется электродвигатель, включенный в трансмиссию автомобиля. При торможении электродвигатель начинает работать в генераторном режиме, на валу двигателя создается тормозной момент и вырабатывается электрическая энергия, которая сохраняется в аккумуляторной батарее. Запасенная электрическая энергия используется в дальнейшем для движения автомобиля.

Применение системы рекуперативного торможения обеспечивает максимальную отдачу от каждого заряда аккумуляторной батареи и высокую топливную экономичность. Рекуперативное торможение наиболее эффективно на передней оси автомобиля, т.к. до 70% кинетической энергии при торможении приходится именно на переднюю ось.

Эффективность системы рекуперативного торможения значительно снижается на низких скоростях движения автомобиля. Поэтому для доведения автомобиля до полной остановки используются традиционные фрикционные тормоза. Совместная работа двух систем находится под управлением электроники.

Отдельный электронный блок управления реализует следующие функции:

контроль скорости вращения колес;

поддержание тормозного момента электродвигателя, необходимого для замедления автомобиля;

перераспределение тормозного усилия на фрикционную тормозную систему;

поддержание крутящего момента, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи.

В данной тормозной системе механическая связь между педалью тормоза и тормозными колодками отсутствует. Решение о торможении принимает электроника на основании анализа действий водителя и характера движения автомобиля.

В работе электронная система рекуперативного торможения взаимодействует с антиблокировочной системой тормозов, системой распределения тормозных усилий, системой курсовой устойчивости, усилителем экстренного торможения.

Система рекуперации кинетической энергии

Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.

Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.

Система KERS применяется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового использования применение данной системы только планируется. Ближе всех к серийному применению системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.

Cистему KERS предлагается использовать при движении автомобиля в городском цикле. При торможении двигатель автомобиля выключается, маховик раскручивается и запасает энергию. При трогании с места используется энергия маховика, автомобиль трогается, а двигатель запускается уже в движении.

По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.

Тормозить и запасать: системы рекуперации в современных машинах

Главная
Статьи
Тормозить и запасать: системы рекуперации в современных машинах

Автор:
Борис Игнашин

Любое торможение штатной тормозной системой – это растраченная на нагрев воздуха энергия. А объем этих «трат» прекрасно известен всем городским водителям. Разница в расходе топлива при движении по городу и по загородной трассе без остановок составляет в среднем раза полтора, а то и больше. Предотвратить напрасные потери пытались давно, но основная проблема – необратимость ДВС – всячески этому препятствует.

Доказывать необходимость рекуперативного торможения, то есть такого, при котором энергия машины снова аккумулируется, чтобы быть потом использованной для разгона, никому было не нужно. Эффективность схемы еще с 60-х годов проверена на железной дороге. Но там используются электровозы, и энергия сразу возвращается в сеть. Машинам такой способ не очень подходит ввиду отсутствия на большинстве из них электромоторов…

А поскольку машины ездят не по рельсам, то и места торможения и разгона тоже не очень-то поддаются прогнозированию. Поэтому способ, используемый на некоторых станциях метрополитена, – расположение точек остановки на возвышенностях, что позволяет разгоняться за счет запаса потенциальной энергии и замедляться за счет подъема, – тоже не востребован. Разве что места остановок автобусов традиционно стараются располагать на горках…

Маховик в вакууме

Исторически первой системой рекуперации для машин с ДВС стала система с механическим накоплением энергии во вращающемся маховике. Подобные системы применялись в основном на строительной технике, где крупные вращающиеся части использовались как накопитель энергии, а передача мощности шла через гидравлические или электросистемы.

Но область применения такого рода технологий оставалась узкой – в первую очередь это были большие экскаваторы и краны, часто портовые. Сделать систему более компактной и установить на легковой автомобиль просто никому не приходило в голову, любой способ реализации упирался в низкую стоимость энергии и высокую цену устройства.

При цене нефти менее 4 долларов за баррель внедрять нечто подобное на транспорте никому не приходило в голову, и даже после первых нефтяных кризисов запас по модернизации ДВС с лихвой перекрывал потребности в экономии топлива. Компания Volvo даже испытывала систему на модели 260 в 1980 году, но мощность порядка 10 киловатт со стальным маховиком не оправдали ожиданий, и программа была свернута.

Скачок технологий в 80-е годы позволил создать более эффективные системы накопления энергии на маховике, устранив основную проблему – вероятность взрывного разрушения маховика. Решили проблему просто: сделали маховик из нитей, которые при разрушении просто его тормозили. А помещение его в вакуумный контейнер и использование газовых подшипников позволило запасать энергию на весьма приличный срок, до нескольких дней, хотя большинство таких систем рассчитаны на короткий цикл работы, от поступления энергии на маховик до ее расходования проходит несколько минут или даже секунд.

Так работает, например, гоночная система KERS в Формуле-1. Есть и практические примеры ее реализации на условно серийных машинах, например на Porsche и Ferrari. Но на практике, скорее всего, распространения такая система не получит. Наряду с такими достоинствами, как очень высокая емкость и большая мощность накопления, в числе недостатков останутся и гироскопический эффект, и довольно высокие потери как в приводе, так и в самой подвеске маховика. Как итог – область применения этой технологии так и осталась узкоспецифичной, и пока перспектив к изменению ситуации не видно, развитие чисто электрических методов накопления энергии пока идет лучше, а выдающаяся удельная мощность маховиков-накопителей пока не пригодилась.

Потенциальное преимущество в надежности системы тоже вряд ли будет востребовано, надежность и простота сейчас не в почете. Единственным действительно перспективным и массовым направлением для данной технологии остаются автобусы. Например, Optare Solo с маховичным накопителем FlyBus или развозные грузовики и мусоровозы, делающие остановки через каждые несколько сотен метров. Система FlyBus или FlyBrid в версии «для всех» сделана инжиниринговой компанией Rikardo в сотрудничестве с компанией Torotrak, разработчиком тороидальных вариаторов большой мощности.

И тут снова на горизонте появляется шведская компания. В версии, которую использовали на Volvo S60 в 2011 году, мощность системы составила 80 киловатт, масса – 60 килограммов, а обороты маховика – порядка 60 тысяч оборотов в минуту. Судя по этим показателям, вполне возможен рост мощности системы до «спортивных» величин, ведь обороты роторов могут быть даже выше 100 тысяч в минуту, но опять же, судя по отсутствию гибрида в модельной гамме компании, эксперименты с легковыми машинами сочли неудачными.

Жидкость и газ под давлением

Несколько перспективнее выглядит система пневмогидравлической рекуперации, наиболее известной у нас как Peugeot Hybrid Air. Она является хорошо отработанной схемой, хотя реально существующие с ней машины не так уж широко известны. Это в первую очередь… мусоровозы.

Десятки машин с системой Bosch и Eaton уже более десяти лет эксплуатируются в США, и их гибридный привод проявил себя как надежный и недорогой. Суть работы такой установки заключается в возможностях гидромотора, который при торможении закачивает рабочую жидкость в большой гидроаккумулятор – трубу со сжатым газом. При разгоне машины газ вытесняет жидкость, жидкость крутит тот же гидромотор и помогает экономить топливо. В системе нет дорогих аккумуляторов, и ресурс ее очень велик. Мощность гидромоторов тоже велика, а стоимость, наоборот, крайне низкая.

Одна загвоздка: гидроаккумулятор имеет большие габариты и массу, и реально его энергии хватает на один-два цикла разгона и торможения, пробег без включения ДВС составляет всего пару километров для легковой машины и сотни метров для грузовика. При использовании на автобусах или мусоровозах подобная система позволяет полностью отказаться от использования традиционных тормозных механизмов, гидромотор может замедлить машину вплоть до полной остановки. В этом пневмогидравлический рекуператор даже превосходит электрические системы, те при малой скорости вращения колес уже не эффективны.

Дополнительным плюсом является возможность запасти энергию надолго, на часы и дни. В отличие от маховиков, которые уже через десятки минут теряют солидную часть запасенной мощности. К сожалению, масштабные планы компании Peugeot были прохладно восприняты новыми акционерами из китайской Dongfeng, а также партнерами по разработке системы из Ford. Но судя по новостям, именно китайские грузовики Dongfeng могут оказаться следующими массовыми носителями этой технологии.

Электроторможение с рекуперацией

Главным конкурентом этих безусловно интересных, но обладающих множеством ограничений схем выступает уже классическая электрическая схема с электромотором, аккумуляторами или суперконденсаторами.

Обычное электрическое торможение и рекуперация хороши уже тем, что используются на железной дороге около 60 лет и отработаны до мелочей. Все конструктивные схемы с синхронными, асинхронными и коллекторными двигателями давно известны и рассчитаны. Энергия передается обратно в питающую сеть, запасается в аккумуляторы или суперконденсаторы и может быть использована через длительное время.

Основная беда электрических тормозов в том, что они плохо сочетаются с ДВС, и для эффективного использования электроэнергии пришлось совместить обычный двигатель внутреннего сгорания и всю атрибутику электромобиля – аккумуляторы и тяговый электродвигатель – в одном механизме. Получившиеся гибриды обычно так и называют просто «гибридами». И несмотря на сложность и высокую массу такой схемы, в данный момент она является единственной серийно использующейся в легковом автомобилестроении и уже весьма популярной.

Гибриды на данный момент оказываются самым перспективным направлением развития автомобилей с точки зрения снижения расхода топлива, а прогресс в создании аккумуляторных батарей и развитие так называемых «подзаряжаемых гибридов», по сути являющихся промежуточным звеном между чистыми электромобилями и гибридами, делает их важным элементом в эволюции персонального автотранспорта.

В 1997 году вышла первая серийная Toyota Prius, которая остается на данный момент самой популярной гибридной машиной и законодателем мод в своем классе. В ее схеме приняли решение использовать электромоторы малой мощности и недорогую никель-металлгидридную аккумуляторную батарею также малой мощности, а для компенсации этих недостатков наделили машину очень сложной трансмиссией со множеством режимов работы ДВС, электродвигателя и генератора. Успех этой схемы сильно повлиял на развитие подобных технологий у других производителей. Сейчас число моделей машин с гибридным приводом перевалило за два десятка.

Основной сложностью для электрического торможения на автономной машине по-прежнему остается ограничение по току зарядки аккумуляторной батареи. Она просто не может быстро «впитать» в себя всю ту энергию, которую способны произвести электродвигатели.

Сложность наращивания мощности системы электрической рекуперации тоже нужно отнести к основным недостаткам схемы. Да и повышение мощности электродвигателей и преобразователей дается дорого, особенно если их масса должна быть минимальна, а КПД максимальным. Но преимущества перевешивают недостатки, и количество гибридов множится. Постепенно растет мощность электромоторов, а значит и тормозная мощность таких систем. Аккумуляторы на новых проектах используются в основном литий-ионные, способные запасать значительно больше энергии и заряжающиеся во много раз быстрее, становятся мощнее и электродвигатели.

И конечно же, электрическое торможение применяется и на «чистых» электромобилях, ведь это позволяет значительно увеличить их запас хода. Да и ресурс тормозных механизмов это увеличивает. Мы уже убедились на практике, что рекуперативное торможение на Tesla с ее мощными электромоторами и аккумуляторами работает намного эффективнее, чем на более слабых гибридах, позволяя использовать механические тормоза только при наиболее быстром замедлении. В последствии же электроторможение позволит вовсе отказаться от дисковых тормозов на машинах, и надеюсь, мы это время еще увидим.

Новые статьи

Статьи / Интересно

5 причин покупать и не покупать Audi A6 IV (C7)

Прав ли Джереми Кларксон, считавший Audi слишком правильными в плане управляемости, а потому скучными? Справедливо ли бытующее мнение, что после пробега в 150 тысяч километров Audi превращае…

630

04.06.2023

Статьи / Авто с пробегом

Mazda CX-5 I с пробегом: сделайте антикор и берегите лобовое стекло

Mazda CX-5 образца 2011 года заменила у нас сразу два кроссовера: и не очень популярный CX-7, и еще более диковинный на наших дорогах компактный Tribute. Тем удивительнее, что CX-5 оказалась…

1825

31.05.2023

Статьи / Популярные вопросы

ДТП при буксировке: кого и когда могут признать виновным

Мы уже рассказывали о том, как правильно буксировать автомобиль на мягкой сцепке и за что можно получить штраф. Сегодня же коснемся более неприятного вопроса: ДТП при буксировке. Кого могу…

561

29.05.2023

Что такое рекуперативное торможение и почему оно более эффективно?

Рекуперативное торможение является уникальной особенностью электромобилей и широко используется теми, кто разрабатывает автомобили следующего поколения. Мы объясняем, как это работает и экономит деньги и энергию.

Любой, кто владеет или управлял электромобилем (EV), мог заметить, что при торможении пробег немного увеличивается, и мы здесь, чтобы объяснить, почему.

Функция рекуперативного (регенеративного) торможения была введена в электромобили для использования кинетической энергии электродвигателя при замедлении автомобиля. Эта функция используется как на дороге, так и в гонках — важнейшая характеристика, которую Формула Е включила в свой формат гонок.

Преимущества рекуперации включают меньшее техническое обслуживание, так как снижается износ тормозных систем, и более высокую эффективность, так как больше энергии отправляется обратно в аккумулятор. Итак, как это работает?

Отпускание акселератора активирует рекуперативное торможение, переключая автомобиль с выходной передачи в режим зарядки.
Электродвигатель создает сопротивление частичному замедлению автомобиля. Кинетическая энергия этого процесса создает больше энергии.
Электроэнергия от рекуперативного торможения передается на аккумулятор.
При резком торможении также сработает гидравлическая тормозная система. легковые автомобили.
Итак, почему производители электромобилей и инженеры Формулы E включили рекуперативное торможение в свои автомобили?
Это не только дает водителю дополнительную подачу электроэнергии, которая может сэкономить ему копейки на зарядке, но также увеличивает общий запас хода и, в конечном счете, потребление энергии из сети. Для гонщиков в Формуле E важно добраться до конца гонки и пересечь финишную черту первым, но они также должны уметь управлять потреблением энергии на всем протяжении.
Использование рекуперативного торможения в коммерческом применении электромобилей выглядит многообещающим методом снижения энергопотребления и, при последующей оптимизации, станет отличным способом увеличить ассортимент транспортных средств. Беспокойства по поводу запаса хода больше не будет, если электромобили смогут достичь аналогичного, если не лучшего, запаса хода, чем их аналоги с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Чтобы получить более ценную информацию об электромобилях и узнать о последних реализуемых инициативах в области электромобилей, ознакомьтесь с последним выпуском журнала EV Magazine и следите за новостями в социальных сетях, чтобы быстрее узнавать об электрификации.
evelectricvehiclesemobilitytechnology
- Всемирный день окружающей среды ООН: Будет ли электромобильность иметь приоритет?
  Устойчивое развитие
- Переход на более высокую передачу для удовлетворения спроса на аккумуляторы для электромобилей
  Зарядка и инфраструктура
- SAP: сила данных в инновациях в области устойчивой электронной мобильности
  Мобильность
- Умная зарядка Ohme снижает скорость стоимость эксплуатации электромобиля
  Зарядка и инфраструктура
Как работает рекуперативное торможение в электромобилях и автомобилях Tesla
Как работает рекуперативное торможение в электромобилях и автомобилях Tesla?
Рекуперативное торможение — одна из лучших особенностей электромобиля (EV). Это позволяет автомобилю восстанавливать кинетическую энергию при торможении или спуске с холма. Когда вы «тормозите», вы должны замедляться, и эта энергия должна куда-то уходить — на тормозные колодки.
Чтобы понять, как работает рекуперативное торможение, полезно знать, как работает традиционное торможение. Традиционная тормозная система в автомобиле представляет собой тормозную колодку, которая зажимает колесо, чтобы замедлить движение автомобиля. Когда вы не тормозите в машине с бензиновым двигателем, ваша машина, как правило, просто катится вперед без особого сопротивления, кроме ветра или шин на земле.
Проблема с этой тормозной системой заключается в том, что тормозная система изнашивается при использовании, и энергия, используемая для замедления автомобиля от зажимов, замедляющих колесо, теряется в виде тепла, которое просто уходит в воздух.
В автомобилях Tesla используется рекуперативное торможение, даже если у них есть стандартная тормозная система, на тот случай, если вы не сможете использовать рекуперативное торможение для замедления. Многие электромобили не обладают достаточной мощностью двигателя, чтобы замедлить автомобиль, но более дорогие автомобили Tesla могут.
Детали рекуперативного торможения
Кинетическая энергия — это энергия движения. Все, что приводится в движение, обладает кинетической энергией, будь то брошенный бейсбольный мяч или движущийся вперед автомобиль. Ключ к рекуперативному торможению заключается в том, чтобы взять эту кинетическую энергию и преобразовать ее в энергию, которую можно вернуть в аккумулятор, что замедлит автомобиль, потому что вы забираете кинетическую энергию автомобиля.
Рекуперативное торможение происходит, когда вы отпускаете педаль газа во время движения вперед. Электродвигатель в электромобиле — вот как это работает. Есть статор и ротор. Статор — это неподвижная часть, а ротор — это часть, которая движется и вращается. Ускоритель в электромобиле подает ток в статор, создавая магнитное поле, которое затем вращает ротор. Отпускание акселератора поддерживает вращение ротора и толкает ток в другом направлении, заряжая аккумулятор и уменьшая кинетическую энергию транспортного средства.
Когда вы нажимаете на тормоз в электромобиле, отпускаете педаль акселератора или едете вниз по склону, процесс передачи энергии от аккумулятора к двигателю и вращению колес вперед идет в обратном направлении и заряжает аккумулятор .
В электромобиле вы можете улавливать потраченную впустую энергию и использовать ее для зарядки аккумулятора. Тормоза электромобилей изнашиваются не очень часто и не изнашиваются вообще. Это расширит ваш запас хода в электромобиле, а диапазон EPA в электромобиле включает рекуперативное торможение. Это упрощает использование в основном акселератора для движения вперед и торможения с помощью всего одной педали.
На самом деле, однажды спускаясь с горы на моей заднеприводной модели 3, я получил около 6% заряда батареи только за счет рекуперативного торможения. Мне едва пришлось коснуться педали акселератора, и вся дополнительная энергия, которая заставила бы мою машину мчаться вниз по склону, вместо этого была преобразована в энергию, которая использовалась для перезарядки аккумулятора.
Автомобили Tesla спроектированы так, чтобы использовать преимущества рекуперативного торможения. Это блестящая технология.
Дополнительную информацию о рекуперативном торможении можно найти здесь:
Оставляйте свои комментарии ниже, делитесь статьей с друзьями и твитните своим подписчикам.
Джереми Джонсон — инвестор и сторонник Tesla. Впервые он инвестировал в Tesla в 2017 году, после того как много лет следил за Илоном Маском и восхищался его трудовой этикой и интеллектом. С тех пор он стал быком Теслы, освещая все, что может найти о Тесле, а также балуясь другими компаниями, производящими электромобили. Джереми рассказывает о разработках Tesla в Torque News. Вы можете подписаться на него в Twitter или LinkedIn, чтобы оставаться на связи и следить за новостями Tesla в Torque News.