Что такое система рекуперативного торможения
Рекуперативное торможение современных автомобилей
Смотрите принцип работы и устройство системы рекуперативного торможения. Наведен принцип работы, характеристики, устройство механизма и другие подробности системы. В конце статьи видео-обзор принцип работы рекуперативного торможения. Смотрите принцип работы и устройство системы рекуперативного торможения. Наведен принцип работы, характеристики, устройство механизма и другие подробности системы. В конце статьи видео-обзор принцип работы рекуперативного торможения.
Система рекуперативного торможения или как чаще называют рекуперативное торможение – с латыни обозначает обратное получение или возращение. Если не усугубляться, то это вид электрического торможение, который вырабатывает электроэнергию за счет двигателей генераторов в момент торможения или произвольного движения транспортного средства. Данные механизм не обязательно устанавливать на автомобили, его можно встретить на электрических скутерах или велосипедах.
Что такое рекуперативная система торможения
С небольшого предыдущего описания становится понятно, что система рекуперативного торможения относится к разряду электрической части и многим связана с кинетической энергией. Простыми словами, в момент торможения транспортного средства или движения, без нагрузки на двигатель происходит трата энергии, которая негде ранее не применялась. Как правило, такая кинетическая энергия перерабатывается в тепловую энергию и в дальнейшем рассеется.
Основой для системы рекуперативного торможения используется электродвигатель, который вмонтирован в трансмиссию транспортного средства. В момент торможения электродвигатель срабатывает в режиме генератора, тем самым начиная вырабатывать электроэнергию. Если объяснить по-простому, система рекуперативного торможения – специальным механизм, который может вырабатывать электроэнергию в момент торможения или передвижения транспорта «накатом». Далее полученная энергия накапливается в батареях или же заряжает аккумулятор и хранится до необходимого момента.
Чаще всего таким моментом может быть момент старта автомобиля на светофоре. В такой ситуации система автоматически включает электродвигателя, тем самым уменьшая нагрузку на основной двигатель внутреннего сгорания. В момент старта, электрические двигателя приводят в движение ось автомобиля. Так же это резервный источник автомобиля для езды на короткие дистанции и на малой скорости. По разным данным, запаса заряда такой батареи хватит на 30-50 км пути.
Как правило, рекуперативное торможение устанавливается на гибридные автомобили или современные электрокары. Таким образом, получается, что энергия, полученная в последствии рекуперативного торможения в электрокарах используется для заряда батареи, в неэлектрических (гибридных) такая энергия предназначена для уменьшения силы в момент старта транспорта.
Устройство рекуперативного торможения
Говорить об определенной смехе устройства рекуперативного торможения смысла нет, так как у каждого производителя она своя. Тем более не меньше зависит от марки и устройства самого автомобиля. Проще всего данный механизм реализован на гибридных автомобилях, поэтому возьмем их за пример устройства и в дальнейшем принципа работы.
В основной перечень деталей системы рекуперативного торможения, гибридного автомобиля входит:
В зависимости от модели и доработок инженеров, в перечень так же могут входить дополнительные механизмы, датчики замера скорости и прочее, что способствует стабильной и качественной работе системы.
Электродвигатель, он же генератор работает двунаправлено. В одном случае механизм может генерировать электричество, перерабатывая кинетическую энергию, в другом случае – использовать накопленную энергию с батареи для режима ускорения. Само строение такого электродвигателя может существенно отличатся, аналогично, как и мощность. Передаточный механизм, устанавливаемый на разные узлы, так же играет немало важную роль. Именно за счет него передается усилие между разными составными механизмами системы рекуперативного торможения.
Что касается двигателя внутреннего сгорания, то особых отличий у него нет. В частности это синхронизированная работа с электродвигателем, а так же особенности конструкции для каждого производителя. Аналогично особых отличий по аккумуляторной батарее не будет, с характеристик важна емкость, скорость зарядки и ток. Минимум разницы будет в инверторе, основная его задача преобразовать один вид электричества в другой (чаще всего переменный в постоянный или с 12V на 45V).
Неотъемлемой деталью системы рекуперативного торможения считается сцепление, благодаря ему, блок управления может подключать или выключать электродвигатель генератор, а так же задавать направление работы механизма (вырабатывать электроэнергию или потреблять из аккумулятора).
Последний и один из самых главных элементов – электронный блок управления. Именно он выполняет основную роль управления всеми элементами механизма, а так же решает когда и в каком направлении включать генератор рекуперативной системы. Помимо основных функций по управлению системой рекуперации тормозов, электронный блок управления ведет контроль:
Как видим, устройство такого механизма не сложное, каждый из элементов выполняет поставленную задачу и несет важность в цепочке системы. Таким образом, не только уменьшается нагрузка на основной двигатель, но и увеличивается экономия топлива.
Как работает рекуперативное торможение
Рассмотрев устройство системы рекуперативного торможения, а так же за что отвечает определенная деталь, можно рассмотреть принцип работы всего механизма. Как уже говорили, принцип работы механизма двунаправленный, то есть он может, как вырабатывать электричество, так и потреблять.Вся работа механизма рекуперативного торможения начинается из оси автомобиля, как правило, это задняя ось. Электродвигатель, он же генератор может быть включен в трансмиссию или подсоединен к трансмиссии за счет передаточных механизмов. В момент торможения или езды накатом, электродвигатель переходит в режим генератора, тем самым вырабатывая электричество и преобразуя кинетическую энергию автомобиля. Полученное электричество подается на инвертор, он же в свою очередь преобразует (в данном случае может понижать или повышать) электроэнергию и подает на аккумуляторную батарею для накопления.
Не исключено, что в данной цепочке могут быть установлены различные контроллеры, дополнительные преобразователи и другие вспомогательные механизмы, которые способствуют работе рекуперативного торможения. Стоит помнить, что в момент работы генератора (выработки электроэнергии) двигатель внутреннего сгорания отключается от трансмиссии, в отдельных моделях автомобилей система вовсе его может заглушить автоматически, тем самым экономить топливо.
Если рассматривать обратный процесс работы, подачу электричества на электродвигатель, то есть небольшие отличия. В таком случае, срабатывает сцепление, которое преобразует генератор в электродвигатель и тем самым подключает в помощь двигатель внутреннего сгорания. Поданное питание с аккумулятора проходит через инвертор и передается на электродвигатель, благодаря чему упрощается старт автомобиля с места. Такой же принцип работы механизма, когда автомобиль двигается на предельно небольшой скорости и только на электротяге.
Какие бывают виды рекуперативного торможения
Несмотря на то, что система рекуперативного торможения чаще всего устанавливается на гибридные автомобили, специалисты выделяют несколько других видов рекуперации кинетической энергии. Выше наведенный способ рекуперации кинетической энергии – это электрический способ, но так же есть пневматический, механический и гидравлический, которые дают аналогичные результаты.
Из трех последних способов рекуперации, самым распространенным считается механический вариант. У разных авто производителей механизм числится под названием KERS (Kinetic Energy Recovery Systems). Основой для такой разновидности считается маховик, который вращаясь в момент торможения, перерабатывает энергию. В таком механизме маховик расположен на трансмиссии, и, как правило, может разгоняться до 60000 оборотов за минуту. Благодаря таким характеристикам обеспечивается передача мощности в дополнительные 80 л.с. (60 кВт). Зачастую такая накопленная электроэнергия используется для краткого разгона с места или же скоростного рывка в момент обгона.
Примером использования можно считать болиды Formula 1, начиная с 2009 года. Если говорить об автомобилях серийного производства, то данный вариант только планируют внедрять. Как показывает статистика, быстрей всего данную технологию внедрят на автомобилях Volvo. Производитель уже тестирует данную технологию в городском цикле на опытных образцах. По словам производителя Volvo, использование любого их видов рекуперативного торможения помогает сэкономить порядка 20% топлива от основного расхода.
Положительные и негативны стороны рекуперативной системы
С положительных моментов такой системы можно выделить несколько деталей, в частности это увеличение запаса хода и уменьшение нагрузки на двигатель внутреннего сгорания в момент старта. Так же в современных автомобилях инженеры стали внедрять вспомогательные системы Start/Stop и адаптивный круиз-контроль с возможностью полной остановки и движения в пробках.
Что касается негативных моментов рекуперативной системы торможения, то без них не обошлось. Если на малой скорости механизм эффективен и от него есть смысл, то на большой скорости рекуперативное торможение становится бесполезным, так как сила торможения мизерная, заряда аккумуляторной батареи практически нет. Так же с минусов небольшой запас заряда, а значит, проехать длинную дистанцию гибридный автомобиль не сможет.
Видео-обзор принцип работы рекуперативного торможения:
Система рекуперативного торможения — что это?
Это вид электрического торможения, при котором электрическая энергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.
Устройство системы рекуперативного торможения в электромобиле
Суть в том, что электродвигатель использует динамику автомобиля для восстановления энергии, которая в противном случае терялась бы на тормозных дисках при нагревании. Этот метод торможения отличается от обычного торможения, где избыточная кинетическая энергия преобразуется в нежелательную и приводит к потере тепла за счет трения в тормозах. Помимо улучшения общих характеристик автомобиля,
рекуперативный тормоз может значительно продлить срок службы всей тормозной системы, поскольку ее части не потребляют энергию слишком быстро. При этом режим рекуперативного торможения имеет в работе и свои недостатки.
Volvo про систему рекуперативного торможения:
Применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.
Принцип электрической системы рекуперативного торможения
ТЭД (тяговые электродвигатели) транспортного средства (жд-состава или машины) выключаются и напрямую отсоединяются от электропитания, после чего переходят в генераторный режим. Другими словами они самостоятельно вырабатывают электрическую энергию. Далее создается тормозной момент, который приводит к уменьшению скорости — рекуперация электродвигателя.
В чем причина появления тормозного момента в автомобиле? Она заключается с базовых понятиях электродинамики: во время вращения ротора в его механизме обмотки и в обмотке статора зарождаются токи противоположной направленности — при этом взаимное влияние данных токов приводит к работе остановке ротора, а именно к его торможению. При этом на создание электрической энергии уходит оставленная автомобилем кинетическая энергия, а после того как эта энергия закончилась начинается снижение скорости автомобиля.
Система рекуперативного торможения
Еще один пример — лифт. Это устройство работает путем преобразования электричества в потенциальную энергию, накопленную в поднимаемой нагрузке.
Энергия потребляется двигателем, когда сила тяги лифта преодолевает силу тяжести, действующую на поднимающуюся кабину, которая тяжелее, чем опущенный противовес. Также энергия потребляется, если привод подъема преодолевает силу гравитации, действующую на поднимаемый противовес, который весит больше, чем кабина, опускаемая вниз.
Чтобы сделать реализацию системы рекуперации энергии выгодной, ее стоимость должна быть ниже стоимости энергии, которая может быть возвращена в сеть. Этот метод внедряется в приводах лифтов, кранов, подъемников, шпинделей и станков, которые представляют высокую инерционную нагрузку.
Неэлектрические способы рекуперативного торможения
Режим рекуперации возможен и на простых машинах с мотором внутреннего сгорания. Как говорилось выше по тексту, один из самых простых принципов сводится к запасанию энергии автомобиля во вращающемся маховом колесе, с применением данной энергии для разгона. Такая система довольно трудна в ее реализации на практике, а ее применение не дает почти никаких плюсов.
Рекуперативное торможение: недостатки
В основном недостатки имеет применение рекуперативного торможения на освоенных электровозах (электропоезда, поезда метро). Рекуперация применяется в основном для подтормаживания на спусках, что для таких типов транспорта на сегодняшний день неприемлемо.
Рекуперативное торможение
Рекуперати́вное торможе́ние — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.
Рекуперативное торможение широко применяется на электровозах, электропоездах, современных трамваях и троллейбусах, где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия передаётся через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции.
Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов. Некоторые контроллеры двигателей электровелосипедов реализуют рекуперативное торможение.
Проводились также эксперименты по организации рекуперативного торможения других принципов на автомобилях; для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы (англ.), гидроаккумуляторы и другие устройства. [1]
Содержание
Использование в автомобилестроении
Использование на легковых и грузовых автомобилях
С развитием рынка гибридных и электроавтомобилей система рекуперации зачастую используется для увеличения дальности пробега автомобиля на электрическом заряде. Наиболее распостраненными автомобилями этих классов является Toyota Prius, Chevrolet Volt.
Есть отдельные случаи применения системы рекууперации для автомобилем с привычным бензиновым двигателем для сокращения расхода топлива. Такая система разрабатывалась на а/м Ferrari для обеспечения функционирования внутренних мультимедийных и климатических систем автомобиля от одельной батареи, заряжаемой рекуперируемой энергией.
Использование в автоспорте
В сезоне 2009 года в «Формуле-1» на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области гибридных автомобилей и дальнейшие совершенствования данной системы.
Впрочем, у «Формулы-1» с её мощным двигателем разгон на малых скоростях ограничивается сцеплением шин, а не крутящим моментом. На высоких же скоростях использование KERS не столь эффективно. Так что, по результатам сезона-2009, оснащённые данной системой болиды не демонстрируют превосходства над соперниками на большинстве трасс. Однако, это может объясняться не столько неэффективностью системы, сколько трудностью её применения в условиях строгих ограничений на вес машины, действовавших в 2009 году в Формуле-1. После соглашения команд не использовать KERS в 2010 году для сокращения издержек, в сезоне 2011 года использование системы рекуперации было продолжено.
По состоянию на 2012 год, на систему KERS налагаются следующие ограничения [2] : передаваемая мощность не более 60 кВт (около 80 л.с.), ёмкость хранилища не более 400 кДж. Это означает, что 80 л.с. можно использовать не более 6.67 с на круг за один или несколько раз. Таким образом, время круга можно уменьшить на 0.1-0.4 с.
Техническим регламентом «Формулы-1», утвержденным FIA на 2014 год предусмотрен переход на более эффективные турбомоторы, в которые будет неотъемлемо встроена система рекуперации.
Использование на железных дорогах
Рекуперативным торможением на железнодорожном транспорте (в частности, на электровозах, оборудованных системой рекуперативного торможения) называется процесс преобразования кинетической энергии движения поезда в электрическую энергию тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими в режиме генераторов. Выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть (в отличие от реостатного торможения, при котором выработанная электрическая энергия гасится на тормозных резисторах, то есть преобразовывается в тепло и рассеивается системой охлаждения). Рекуперативное торможение используется для подтормаживания состава в случаях, когда поезд идет по относительно не крутому уклону вниз и использование воздушного тормоза нерационально. То есть, рекуперативное торможение используется для поддержания заданной скорости при движении поезда по спуску. Данный вид торможения дает ощутимую экономию энергии, так как выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть и может быть использована другими локомотивами на данном участке контактной сети.
Эта таинственная рекуперация
Двигатель постоянного тока, стоящий в моноколесе, может работать как генератор, заряжая батареи на торможении. Однако возможность еще не означает, что рекуперация непременно есть. Из того, что у людей заряжались колеса при, например, спуске с горы, можно сделать вывод, что рекуперация в моноколесах все-таки используется, но ее точный вклад в торможение оставался неизвестным. Но недавно пользователи форума Электротранспорт.ру сделали полноценный ваттметр с логгером и посмотрели, что происходит с током и напряжением при езде. По результатам измерений рекуперация есть точно, но куда-то пропал еще один тип торможения.
Немного физики
Электродвигатели постоянного тока, которые стоят на моноколесах, имеют три варианта торможения.
Рекуперативное торможение. В этом случае двигатель превращается в генератор и переводит кинетическую энергию в электрический ток, который уходит в сеть (электровозы и метро) или в аккумуляторы (электрокары). Рекуперативное торможение возможно, когда скорость вращения превышает скорость идеального холостого хода.
Реостатное торможение. Здесь двигатель также работает, как генератор, но получаемая энергия уходит в нагрев тормозных резисторов. Довольно распространено на железной дороге.
Тормозные резисторы
Реверсивное торможение, оно же торможение противотоком или противовключением. В этом случае двигатель не превращается в генератор, но начинает тянуть в противоположную движению сторону. Например, если электромотор тянет вверх груз, и на этот груз запрыгивает хулиган, перевешивая возможности мотора, то груз начнет опускаться, а двигатель окажется в режиме реверсивного торможения. В таком режиме протекающий через обмотки ток гораздо выше, чем при нормальной работе, и это может создать определенные проблемы.
Специфика моноколеса
У многих моноколес нет передней и задней части, и контроллер не разгоняется и не тормозит, а все время решает задачу обратного маятника, пытаясь подъехать под ездока, который может пользоваться этим для эффектных трюков.
Например, здесь райдер очень резко тормозит и начинает разгоняться вправо.
Также, известно, что в конструкции моноколеса нет тормозных резисторов, и реостатное торможение в принципе невозможно. Теоретически, логично предположить, что в процессе торможения сначала на высокой скорости будет задействоваться рекуперативное торможение, которое на каком-то этапе перейдет в торможение противовключением, которое, если мы не прекратим давить на педаль в ту же сторону, перейдет уже в двигательный режим, и мы поедем в противоположную сторону. Но реальные измерения оказались очень любопытными.
Исследования на железе
Пользователь форума Drift3r собрал из Raspberry Pi и «nRF24L01+» ваттметр с логгером, который устанавливался в разрыв кабеля от аккумуляторных батарей.
В собранном виде на колесе другого пользователя Ripido
Ваттметр учитывал направление тока, там, где батареи заряжались, ток и мощность уходили в минус.
График в полном размере
Если посмотреть на красные линии, то получается, что в глубоком устоявшемся торможении не видны следы торможения противотоком — пока скорость падает, ток идет в батареи.
Интересно, что показатели встроенного логгера, если не учитывать ток по модулю, отличаются от данных ваттметра только на участках довольно резких маневров.
График в полном размере, Awhe, Vwhe — встроенный логгер колеса, Alog, Vlog — логи ваттметра
Гипотезы и возможные эксперименты
Также, попробуем провести следующий мысленный эксперимент. Ситуация первая — мы катимся с горки со скоростью 20 км/ч. В этом случае, очевидно, работает рекуперация. Ситуация вторая — мы стоим на горке (моноколесо стоять не может, так что мы легко касаемся пальцами столба и за счет этого не заваливаемся набок). В этом случае мы, очевидно, работаем в тяговом режиме, потому что надо прикладывать усилие, чтобы не покатиться вниз. Ситуация третья — мы спускаемся со скоростью 1 миллиметр в секунду с крутой горки, придерживаясь за столб. В этом случае колесо, очевидно, работает в режиме противовключения, потому что итоговый баланс энергии отрицательный — она расходуется на то, чтобы не скатиться под горку быстрее, чем мы движемся. И где-то между ситуациями 1 и 3 у нас будет переходный момент, когда итоговый энергетический баланс будет околонулевым — скатываться быстрее будет выгодно энергетически, а движение медленнее будет требовать энергетических затрат.
Практическое применение
У всех этих рассуждений есть очень простые следствия:
Есть забавная история о том, как на трассе заряжали электромобиль Tesla — его взяли на буксир, и водитель Tesla давил на педаль тормоза, чтобы рекуперация заряжала батареи. С моноколесами то же самое — если у вас почти сел аккумулятор, пусть вас возьмет на буксир соратник на велосипеде, самокате, роликах или моноколесе (пожалуйста, берегите себя и не пробуйте цепляться за машины или общественный транспорт!).
У моноколес есть защита от перезаряда батарей. То есть, если вы оказались на вершине горы с полной батареей, попытка спуститься будет сопряжена с тревожными сигналами моноколеса о перезаряде аккумуляторов — обычно они начинают пищать и задирать педали (вместо горизонтального положения их передняя часть будет выше задней). Но это легко исправить — проехав метров сто вверх, желательно побыстрее, вы сможете спуститься на километр-два. Лайфхак повторять до окончания спуска.
Заключение
В публикации использованы фотографии пользователей Ripido и Drift3r, темы, где обсуждалась рекуперация тут и тут. Также использованы стоп-кадры из рекламного ролика с участием недавнего победителя конкурса моноколесных талантов Дамьена Гоме. Дамьен — профессиональный акробат, поэтому ролик, на мой взгляд, красив сам по себе и наглядно показывает возможности любого хорошего моноколеса.