Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

С момента выхода в свет Toyota Prius стукнуло уже за 20 лет, и с тех пор концепция рекуперативного(регенеративного) торможения стала достаточно известной, как метод повышения дальности пробега в гибридных и электрических транспортных средствах. Но знаете ли вы, что применение не ограничивается EV автомобилями? В наши дни вы можете найти ее во всем, в том числе велосипедах, скейтбордах и самокатах.

  • (демонстрация системы рекуперации энергии в bmw)
  • Давайте же разберемся, как работает эта технология, насколько она продуктивна в различных средствах передвижения и разумно ли везде ее устанавливать.
  • Движущиеся объекты обладают кинетической энергией, а когда применяется тормоз для замедления, всей этой мощи необходимо куда-то идти.

Вернемся немного в прошлое, давние времена эры неандертальцев или просто машин с ДВС. В таких автомобилях тормоза основаны исключительно на трении, поэтому при замедлении вся энергия превращается в тепло, а значит уходит в никуда, просто теряется в окружающей среде.

Но мы все же эволюционировали и нашли пути получше. Регенеративное торможение использует мотор электромобиля в качестве генератора для преобразования основной доли кинетической энергии, теряемой при замедлении, назад в батарею. В следующий раз, когда машина ускоряется, она расходует часть энергии, ранее сохраненную от рекуперативного торможения.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте(Регенеративная система bmw i3)

Важно понять, что регенеративное торможение не является магическим увеличителем диапазона пробега электромобилей. Оно не делает машины более эффективными как таковые, а просто делает их менее неэффективными.

В принципе, самым лучшим вариантом езды будет разгон до постоянной скорости, а затем никогда не касаться педали тормоза.

Поскольку чтобы замедлиться, а потом снова вернуться к прежней скорости, потребуются лишние затраты сил, то вы получите куда больший диапазон хода, в первую очередь просто не замедляясь.

Но, очевидно, что это не реалистично. Так как нам приходится снижать скорость многократно, рекуперация — это следующий лучший вариант, так как она делает этот процесс менее бесполезным.

Насколько хорошо рекуперативное торможение

Чтобы правильно оценить данную технологию, нам нужно посмотреть на два разных параметра: коэффициент полезного действия(КПД) и эффективность. Несмотря на кажущееся сходство, они совершенно разные.

КПД говорит о том, с каким успехом захватывается «потерянная» мощность торможения. Все превратилось в тепло или удалось перевести кинетический потенциал в нужное русло? С другой стороны, эффективность относится к тому, как сильно влияет регенеративное торможение на длину пути.

Значительно ли увеличится ваш диапазон, или вы даже не заметите большой разницы?

(визуализация работы системы рекуперация энергии торможения в машинах VW — Volkswagen)

КПД

Никакая машина не способна достичь коэффициента полезного действия в 100% (без нарушения законов физики), так как любая передача энергии неизбежно повлечет за собой потерю в форме тепла, света, шума и т. д.

КПД процесса зависит от многих факторов, таких как двигатель, батарея и контроллер, но часто значение оценивается в районе 60-70%. По словам Tesla, их технология обычно теряет 10-20% кинетического потенциала при попытке его захватить, а затем еще 10-20% при преобразовании отложенных запасов обратно в ускорение.

Это довольно стандартные числа для основной массы электрических транспортных средств, включая машины, грузовики, велосипеды, самокаты и т. д.

Отметим, что эти 70% не говорят нам, что регенеративное торможение даст 70% -ный рост пути от одного заряда. Технология не приведет к увеличению диапазона от 100 км до 170 км. Это лишь означает, что 70% кинетической энергии, потерянной во время торможения, может быть снова возвращено.

Поэтому рассмотрение лишь КПД системы мало что значит. Что должно нас больше заинтересовать, так это эффективность рекуперативного торможения.

Эффективность

Здесь все куда интереснее. Эффективность рекуперативного торможения — это показатель того, насколько система способна увеличить запас хода транспортного средства.

Как вы, наверное, уже догадались, показатель значительно варьируется в зависимости от факторов, включая условия движения, местность и размер транспортного средства.

Немалое влияние оказывают условия вождения. Вы увидите значительно лучшую отдачу в городе, где приходится многократно сбрасывать скорость на светофорах или в пробках, чем на шоссе. Ландшафт также играет весомую роль.

Подъем в гору не дает вам много шансов на остановку, а вот при спуске для безопасности часто нужно притормаживать, что позволит преобразовать больший объем кинетических запасов.

На длинных склонах рекуперативная система может применяться почти без остановок, чтобы регулировать скорость, тем самым заряжая аккумулятор в течении продолжительного промежутка.

Размер транспортного средства может быть самым значительным фактором для данного показателя по той простой причине, что более тяжелые тела содержат в себе гораздо больший импульс и кинетическую энергию. Подобно тому, как большой маховик является более эффективным, четырехколесный автомобиль имеет куда больше кинетической энергии при движении, чем мотоцикл или самокат.

Эффективность системы регенерации в автомобилях

Данные для сравнения могут быть несколько сложными. Машины Tesla выдают мощность рекуперативного торможения в 60 кВт при жесткой остановке, но это не отвечает на более интересный вопрос. Мы хотим знать, сколько энергии мы регенерируем во время поездки, а не насколько сильны наши тормоза каждый раз, когда мы месим педаль.

К счастью, ряд водителей Tesla смогли посчитать возврат энергии, используя различные приложения для отслеживания данных. Владельцы Model S сообщили о возмещении около 32% от общего потребления энергии в момент подъема, а затем спуска на холмистой местности.

Таким образом, при таком коэффициенте ход увеличивается со 100 до 132 км. Другой собственник рассказал о регенерации 28% энергии (форум на датском языке). Остальные же пишут, что во время обычных поездок возвращается в среднем 15-20% от общего потребления.

Другие автопроизводители также использую данную систему в своих машинах. Например Audi говорит, что технология рекуперативного торможения, установленная в Audi Q7 позволит сэкономить до 3% топлива. Но если брать только электромобили, то компания обещает увеличение длины пути на 30% в их будущей модели Audi e-Tron.

Эффективность рекуперативного торможения в велосипедах, самокатах, скейтбордах и других персональных EV

Для небольших электрических транспортных средств цифры не столь оптимистичны. На многих велосипедах с функцией рекуперативного торможения средним показателем является 4-5% регенерации, максимум 8% в холмистых районах. Другие персональные электромобили, включая самокаты и скейтборды, имеют схожие результаты.

Как мы писали выше, столь небольшие цифры во многом связаны с меньшим весом данных средств. У них просто нет большого импульса и, следовательно, они имеют меньшую кинетическую энергию для преобразования обратно аккумулятор.

А это вообще важно, насколько хорошо работают рекуперативные тормоза?

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

В индустрии электрических велосипедов регенеративное торможение иногда может использоваться скорее как маркетинговый инструмент, чем как целесообразное нововведение. Поскольку технология, как правило, возможна только в электрических байках с более крупными безредукторными двигателями, то производители таких велосипедов будут обязательно использовать столь эффективную разработку в своих моделях. В то же время компании, выпускающие байки со среднеразмерными приводами и другими редукторными моторами, которые не приспособлены к регенеративному торможению, относят технологию в разряд неэффективных и просто не ставят.

Истина заключается в том, что для небольших и персональных транспортных средств рекуперация не так эффективна, как в крупных электромобилях, однако эта функция все равно имеет множество преимуществ.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

Одним из самых весомых плюсов разработки можно назвать применение в качестве еще одной замедляющей силы для небольших персональных EV.

К примеру, электрический самокат Xiaomi M365 для переднего моторного колеса использует только остановку регенерацией, в то время как для заднего колеса применяется традиционный дисковый тормоз.

Это означает, что самокат имеет два независимых элемента замедления хода с одним рычагом управления для их активации, что снижает стоимость, вес и сложность сборки.

Рекуперация также позволяет внести механизм остановки в скейтборды — подвиг, который ранее выполнялся через трение подошвы вашей обуви о тротуар. Данная функция является очень полезной для безопасности в связи с появлением популярных моделей, достигающих скоростей более 30 км/ч.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

Еще одним преимуществом регенеративного торможения является продление срока службы обычным тормозным деталям, таким как кабели и тормозные колодки. Постоянное обслуживание и замена данных частей раздражает, а если учесть, что электрические велосипеды и самокаты путешествуют намного дальше и быстрее, чем их не электрические братья, то детали изнашиваются намного раньше.

В конце концов, регенеративное торможение никогда не будет столь полезным в небольших средствах передвижения, как в крупных, просто из-за законов физики.

Поэтому отсутствие технологии на электрических велосипедах и других малых EV для личного пользования не есть что-то ужасное.

Однако преимущества использования этой разработки, без учета простого перехвата мощностей, нельзя игнорировать. И эй, вы будете получать бесплатный 5%-ный рост диапазона каждый день!

Источник: https://mbhn.ru/rekuperaciya-ili-preobrazovanie-kineticheskoy-energii-tormojeniya

Рекуперативное торможение в электромобилях: как работает технология и насколько реально можно увеличить запас хода

  • Понять, что такое рекуперативное торможение в электромобилях совсем не сложно, для этого нужно лишь обратить внимание на основные характеристики этого вида транспорта.
  • В отличие от машин с ДВС, где важным фактором является динамика, большинство электромобилей выбирают по запасу хода.
  • И вот именно этот показатель и можно увеличить с помощью рекуперативной тормозной системы.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте Рис. 1. Схема рекуперации энергии в электромобиле.

  1. Технологию рекуперативного торможения используют не только электрические машины, но и автомобили с бензиновым или дизельным мотором (гибриды).
  2. Основанием для её
    разработки стали высокие цены на топливо и стремление снизить расходы.
  3. Автопроизводители искали
    варианты решения проблемы, одним из которых стало получение энергии из процесса торможения.
Читайте также:  Душ с подсветкой: классификация, выбор

Своё название система получила от термина recuperatio (лат. «возвращение» или «компенсация»).

Возвращая часть затраченной на торможение энергии, она расходует полученное электричество на разгон транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания.

Рекуперация на электромобиле имеет одно серьёзное отличие – выработанная электроэнергия не тратится сразу, а может аккумулироваться.

Это позволяет подзаряжать аккумулятор, а запас хода увеличивается, хотя и незначительно. В то же время для электрического транспорта, который непросто подзарядить в дороге, даже этот небольшой заряд может оказаться решающим.

Принцип работы

Работу системы
рекуперации электрической энергии можно
описать следующим образом:

  • При торможении электромобиля его силовой агрегат отключается от источника питания (аккумулятора) и переходит в генераторный режим, самостоятельно вырабатывая энергию.
  • В таком режиме в обмотках ротора и статора возникают противоположно направленные токи.
  • На валу электромотора возникает тормозной момент. Он обеспечивает торможение транспортного средства, снижая скорость.
  • Одновременно с этим запасённая машиной кинетическая энергия переходит в электроэнергию и тепло.
  • Электрическая энергия поступает в аккумулятор, увеличивая его заряд.
  • Чем чаще тормозит автомобиль, тем больше заряжается его аккумуляторная батарея.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте Рис. 2. Колесо электромобиля с рекуперативной системой.

  • Система
    рекуперативного торможения получила распространение, в первую очередь, при
    поездках на транспорте, оборудованном электродвигателями постоянного тока.
  • Следует отметить, что она применяется не для полного
    торможения состава, масса которого слишком большая, чтобы компенсировать её
    таким способом, а лишь для небольшого снижения скорости.
  • Однако тормозной
    момент создаётся достаточно большой, и экономия в течение года только для
    одного состава достигает сотен тысяч гривен.

Проблемы небольших электромобилей

В отличие от тяжёлых и перемещающихся на высокой скорости электропоездов, получившие такую систему электромобили не получают таких же преимуществ:

  • В городе, особенно при движении в плотном потоке, электромобиль практически не может нормально разогнаться (даже при хороших динамических характеристиках, как у Tesla Model S).
  • Рекуперация мало эффективна, так как скорость в начале торможения небольшая (до 60 км/ч), а масса автомобиля не превышает 1-2 т.
  • Энергии вырабатывается мало, и запас хода увеличивается незначительно.
  • Стоимость установки оборудования, обеспечивающего рекуперацию достаточно большая, а из-за низкой эффективности работы рекуперации она почти не окупается.

Важно: Ситуация немного улучшается при движении с горки и торможениях на высокой скорости. Но так разогнаться электромобили могут только за городом. А большинство доступных по цене электрических моделей не обладает запасом хода для загородных поездок и динамикой для нормального разгона.

Эффективность рекуперативного торможения

  1. Использующую рекуперацию тормозную систему нельзя назвать достаточно эффективной.
  2. Хотя её КПД довольно большой – производители электромобилей и другого электрического транспорта (велосипедов, мопедов и грузовых авто) называют цифру в 60-70% возврата.

  3. При этом первые
    10-20% теряются сразу, при захвате кинетической энергии – ещё примерно такое же
    количество аккумулятор недополучает в процессе преобразования в электроэнергию.
  4. С одной стороны, показатель достаточно большой – 70% кинетической энергии подзаряжают аккумулятор электромобиля.

  5. Запас хода увеличивается, и транспортное средство может проехать дальше на одном заряде.
  6. С другой стороны, кинетической энергии на торможение тратится немного, и цифры нельзя назвать впечатляющими.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте Рис. 3. Индикация системы рекуперации модели Volkswagen e-Golf.

  • Владельцы автомобилей
    Tesla Model S говорят, что во время поездок по городу пользы от системы
    рекуперативного торможения практически нет.
  • Заметить её влияние получается только при поездке по холмистой местности, когда водителю приходится тормозить во время спуска.
  • Иногда запас хода транспортного средства увеличивается при этом на 15-20%.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте Рис. 4. Тормоза премиального электромобиля Tesla Model S.

  1. Повысить эффективность рекуперативной системы позволяет её использование не только при торможении, но и во время обычной поездки.
  2. Предполагается, что энергия будет возвращаться благодаря инновационной подвеске, которую уже разрабатывают компании Levant Power и ZF.
  3. В будущем такими устройствами могут оснащаться все серийно выпускаемые авто.
  4. Принцип действия системы в подвеске следующий:
  • Рекуперативное устройство будет состоять из небольшого электромотора, 4 электрогидравлических насосов и управляющего блока.
  • Приспособление будет устанавливаться возле амортизаторов каждого автомобильного колеса.
  • При движении входящего в конструкцию штока кинетическая энергия будет переходить в электрическую.
  • Полученная электроэнергия будет передаваться к аккумулятору электромобиля. Если устройство будет устанавливаться на машинах с ДВС, энергия поступит в их электрическую сеть.

Совместная работа рекуперативной системы торможения и
устройств, аккумулирующих энергию от обычного движения, должна повысить эффективность примерно вдвое. Однако проект пока
находится в разработке. До его завершения и, тем более, установки на серийные
авто, может пройти несколько лет.

Выводы

  • Возможность
    возвращать хотя бы часть потраченной на торможение энергии и дальнейшее
    развитие технологий в этом направлении позволяет рассчитывать, что
    электромобили в будущем станут ещё эффективнее.
  • Запас хода даже
    бюджетного электрического транспорта увеличится до 150-200 км, и на таком авто можно
    будет ездить целый день без подзарядки.
  • В то же время эффективность рекуперации на компактных электрических авто, таких как Chevrolet Bolt, Hyundai Ioniq или Nissan Leaf, всё равно останется небольшой.
  • Намного заметнее увеличение запаса хода на грузовиках с электромоторами и на тяжёлых электромобилях типа Tesla Model X, вес которого даже без водителя достигает 2,4 т.

Источник: https://autogeek.com.ua/rekuperativnoe-tormozhenie-v-jelektromobiljah-kak-rabotaet-tehnologija-i-naskolko-realno-mozhno-uvelichit-zapas-hoda/

Использование рекуперации на железной дороге в целях повышения эффективности

Рекуперативное торможение характеризуется возвращением части затраченной электроэнергии для её повторного использования.

Рекуперацией называют вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.

 Процессы рекуперации играют большую роль в обеспечении надёжности движения поездов на линиях с горным профилем, а также для эффективного использования высокоскоростного подвижного состава.

Большая часть грузовых электровозов серий ВЛ11, 2ЭС6 и 2ЭС10 российской железной дороги, по замечанию руководителей холдинга, практически полностью оборудованы системой рекуперативного торможения. Однако, схема рекуперации используется не в полной мере [3]. Тому есть несколько причин, среди которой выделяют следующие проблемы:

  • большое количество полуторасекционных электровозов ВЛ11 с ненастроенной схемой, оборудованных системой САУРТ-034;
  • неприменение схем рекуперации даже при наличии подготовленных электровозах серии ВЛ11 по причине срабатывания защиты высоковольтных цепей моторного режима, а также неисправности в низковольтных электрических цепях.

Еще специалисты [2, с.147-158] на протяжении последних двадцати лет выделяют проблемы применения рекуперации на отечественных электровозах переменного тока:

  • низкая мощность электровоза и низкий коэффициент полезного действия инвертора;
  • низкое качество электроэнергии, возвращаемой в контактную сеть.

В качестве причин специалисты назвали принятый алгоритм управления инвертором. Этот алгоритм состоит из поочередной коммутации плеч тиристоров ВИП и наличие значительного угла запаса.

При этом, о необходимости использования схем рекуперации говорят на самых разных уровнях, в том числе имеют место публикации в научной литературе.

Интересен зарубежный опыт использования энергии рекуперативного торможения на электрифицированных участках железных дорог: специалисты отмечают высокую степень эффективности, например, в Великобритании доля возврата энергии рекуперации в контактную сеть составляет 7,2 % от расхода энергии по тяговым подстанциям, а в систему внешнего электроснабжения возвращается около 1,7 %, в Испании размер этого возврата составляет 1,9%, примерно те же объемы характерны для железных дорог Швеции.

Следует отметить, что научные публикации сложны для восприятия, перегружены сложными схемами и расчетами, а для начала необходимо разобраться в самом эффекте рекуперации и воспринять необходимость использования различных технических нововведений, которые будут способствовать повышению эффективности российских железных дорог.

Имеет смысл рассматривать не только техническую сторону вопроса, но говорить об эффективности этого процесса. Только понимая значения и отмечая количественное значение экономии энергии, можно предполагать использование процесса рекуперации на практике.

Как отметили специалисты, преимущество рекуперативного торможения перед другими видами электриче­ского торможения состоит в значительной (до 20%) экономии электрической энергии, возвращаемой тормозящим электровозом в контактную сеть, в повышении безопасности движения тяжелых грузовых поездов на участках со сложным профилем пути [4, с.346-355].

Техническую скорость поезда и пропускную способность железной дороги повышают жесткие тормозные характеристики электровоза при рекуперативном торможении. В качестве преимущества электрической тяги специалисты выделили возврат электрической энергия в контактную сеть, что приводит к повторному использованию этой энергии другими электровозами на одном участке и работающим в режиме тяги.

Для того, чтобы эти процессы протекали, электровоз должен быть оборудован устройствами рекуперативного торможения. К таким устройствам относят ВЛ85, ВЛ80Р и ВЛ65.

Такие оснащенные электровозы в целом на тягу поезда расходуют примерно 1,5 млрд.

кВт ч электроэнергии в год, а рекуперация позволяет экономить эту энергию в значительном объеме — каждый процент сэкономленной энергии в год составляет 15 млн. кВт-ч. [6, с.192]

При ежегодном росте объёмов энергии, рекуперируемой подвижным составом, особую актуальность приобретает оценка использования такой энергии.

Сергей Геннадьевич Шрамко рассматривает повышение энергетических показателей электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и предлагает решение повышения эффективности энергетических показателей электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и снижение расхода песка [6, с.193].

Российские железные дороги электрифицированы на переменном токе, а  эксплуатируемые электровозы оборудуются полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых двигателей, в том числе около 15% — выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) с зонно-фазовым регулированием (рисунок 1).

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

Рисунок 1. Выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП)

Повышение коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения – это перспективное направление для повышения энергетических показателей электровозов с ВИП. В настоящее время этот показатель на 25-30% ниже, чем в тяговом режиме Км = 0,84, а в режиме рекуперативного торможения Км от 0,45 до 0,65.

Использование энергии рекуперации на практике затруднено отсутствием простых и доступных методик оценки этой эффективности. Группа авторов предприняла попытку разработки методики по оценке этой эффективности [5, с.34-45].

Читайте также:  Сварочный инвертор: обзор инверторов, параметры, классификация

Для определения меры эффективности и направлений использования энергии рекуперации специалисты предлагают оценить:

  • абсолютное значение полезного использования энергии рекуперации, выработанной ЭПС;
  • относительную величину полезного использования энергии рекуперации (в процентах) от абсолютного её значения по показаниям счётчиков рекуперации электроподвижного состава (ЭПС).

Эффективное использование энергии рекуперации начинается с её потребления на собственные нужды рекуперирующего электроподвижного состава. Составляющие использования энергии рекуперации на участках постоянного тока, определяемые по методике, можно проиллюстрировать в виде блок-схемы (рисунок 2) .

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

Рисунок 2. Схема составляющих использования энергии рекуперации на участках постоянного тока

Составляющие эффективного использования энергии рекуперации на участках переменного тока можно проиллюстрировать в виде блок-схемы, представленной на рисунке 3.

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

Рисунок 3. Схема составляющих использования энергии рекуперации на участках переменного тока

Специалисты, включили в предлагаемую методику[5, с.34-45] указанные схемы. Выполненные исследования и разработанная в результате методика, предлагаемая авторами, позволяет оценить меру эффективности использования энергии рекуперации на отдельных участках железных дорог и полигоне в целом .

Методология оценки эффективности включает принцип, основанный на получении значений пяти коэффициентов, определяющих эффективность использования энергии рекуперации и подчёркивающих уникальность авторской методики .

Методика помогает аналитическим путём, без затрат на оснащение участков дополнительной измерительной техникой выполнять оценку влияния на эффективность использования энергии рекуперации режимов работы системы торможения электровоза, организации движения поездов, деятельности подразделений локомотивного хозяйства с целью интенсификации применения рекуперативного торможения .

Список литературы:

Источник: https://sibac.info/studconf/science/lxxxii/159048

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

С момента выхода в свет Toyota Prius стукнуло уже за 20 лет, и с тех пор концепция рекуперативного(регенеративного) торможения стала достаточно известной, как метод повышения дальности пробега в гибридных и электрических транспортных средствах. Но знаете ли вы, что применение не ограничивается EV автомобилями? В наши дни вы можете найти ее во всем, в том числе велосипедах, скейтбордах и самокатах.

(демонстрация системы рекуперации энергии в bmw)

Давайте же разберемся, как работает эта технология, насколько она продуктивна в различных средствах передвижения и разумно ли везде ее устанавливать.

Система рекуперации на «гибридах» и электромобилях

На данных автомобилях устанавливают электрические системы возврата энергии. Как это работает? Сначала немного теории. Любой электродвигатель постоянного тока при подаче на него напряжения начинает вращаться и работать как мотор. Если же раскрутить его вал механическим способом, то на клеммах вырабатывается напряжение.

То есть, электромотор может выполнять одновременно две функции: в первом случае двигателя, а во втором генератора. Этот принцип и лег в основу электрических систем рекуперации энергии, который с успехом реализуют на электро- и гибридных автомобилях. Ведь и те и другие изначально оборудованы электродвигателями, которые довольно просто перевести в режим генератора.

Принцип работы таких систем достаточно прост:

  • При наборе скорости (то есть при нажатии на педаль газа) электродвигатель питается от аккумуляторной батареи и передает через трансмиссию вращательный момент на колеса автомобиля.
  • В момент торможения встроенная электроника переключает его в режим генератора.
  • Усилие, необходимое для его «раскручивания» замедляет вращение трансмиссии и способствует процессу остановки транспортного средства.
  • Вырабатываемое мотором/генератором напряжение через специальный контроллер подзаряжает аккумуляторную батарею. То есть, часть энергии удается возвратить для ее последующего использования.

Важно! Естественно, при экстренном торможении рекуперативная система не может резко остановить автомобиль. Вследствие этого полностью отказываться от привычных конвекционных тормозов нельзя. Поэтому в зависимости от степени нажатия на педаль тормоза встроенный компьютер «принимает решение» и подключает в помощь к рекуперативному торможению стандартную тормозную систему автомобиля.

Достоинствами применения электрических систем рекуперации энергии являются:

  • для электромобилей – увеличение автономности без очередной подзарядки аккумуляторных батарей;
  • для гибридных транспортных средств – снижение расхода топлива.

Комбинированный режим

Комбинированные тормозные режимы применяются в электрических машинах, если необходимо быстро остановить и зафиксировать механизм. Для этого используют механический блок торможения в комбинации с электрическим торможением. Комбинация может быть различной. Это может быть и электрическая схема с противовключением, динамическим и рекуперативным режимами.

Вот мы и рассмотрели основные способы и схемы торможения электродвигателей. Если возникнут вопросы, задавайте их в х под статьей!

Система рекуперации на автомобилях со «Старт-Стопом»

Любому автомобилисту известно, что при запуске двигателя происходит наибольший расход энергии аккумулятора. Транспортные средства, оборудованные системой «Старт-Стоп», отличаются тем, что после каждой остановки мотор автоматически глушится и потом при возобновлении движения заводится.

То есть, батарея быстро теряет свою емкость и «требует» подзарядки. А времени, чтобы это сделать (с помощью штатного генератора) в условиях коротких пробегов и частых остановок на светофорах и в пробках, может просто не хватить.

И вот тут электрическая система рекуперации смогла бы обеспечить дополнительный заряд аккумулятора.

Существенным минусом ее применения на автомобилях «Старт-Стоп» является удорожание самого транспортного средства за счет установки специального генератора (подключаемого непосредственно к трансмиссии в момент торможения) и усложнение всей электронной «начинки».

Силовой спуск

Определение качества электроэнергии анализаторами

Недостатки устройств с рекуперацией, применяемых на транспорте, не позволяют использовать её как основной узел торможения. К основным минусам относятся:

  • отсутствие стояночного тормоза;
  • недопустимость полной остановки.

В связи с этим на всех устройствах и транспортных средствах применяют механические тормоза.

Эти же недостатки позволяют использовать рекуперацию для организации силового спуска. Её применяют при движении электротранспорта вниз на уклонах или для снижения скорости подачи груза вниз при опускании краном.

Силовой спуск при опускании грузов

SMART системы рекуперации

Как работает эта так называемая «умная» система? При разгоне транспортного средства, когда двигатель испытывает повышенные нагрузки, происходит отключение штатного генератора. Это позволяет мотору быстрее набрать обороты и израсходовать меньше топлива.

При торможении генератор включается в работу и происходит рекуперация энергии. В процессе движения электроника «отслеживает» величину емкости батареи.

При ее уменьшении (до 75% от номинальной) автоматически включает генератор, чтобы произвести подзарядку аккумулятора.

Аналитический метод расчета пусковых реостатов

При аналитическом методе расчет сопротивлений резисторов пускового реостата ведут по формулам:

В этих выражениях λ = I1/I2 представляет собой отношение начального пускового тока I1 к току переключений I2.

При работе двигателя от регулируемого преобразователя напряжения необходимость в пусковом реостате отпадает, так как пуск двигателя можно начинать с любого пониженного значения напряжения на обмотке якоря в соответствии с допустимым значением начального пускового тока.

Система рекуперации с накопительным конденсатором

Период торможения автомобиля длится достаточно короткое время. Поэтому из-за технологических особенностей устройства современных аккумуляторных батарей (а вернее химических процессов, происходящих при их подзарядке) сохранить большое количество энергии в них довольно трудно. Компания Mazda разработала систему рекуперации с использованием накопительного конденсатора.

В процессе торможения специальный генератор с напряжением 12÷25 В за короткий отрезок времени заряжает емкость. Далее накопленная энергия через конвертор (DC/DC) преобразуется в привычные 12 В и поступает либо на различные потребители (кондиционер, CD-плейер и так далее), либо подзаряжает штатную аккумуляторную батарею.

По утверждению производителя экономия топлива составляет не менее 10%.

Механическая рекуперация

Механический способ рекуперации кинетической энергии:

  • В момент торможения специальный маховик, установленный в заполненном вакуумом кожухе (для снижения потерь от трения), раскручивается до значительных оборотов (50000÷70000 об/мин).
  • При старте энергия от вращающегося маховика передается на колеса автомобиля в течение нескольких секунд и «помогает» двигателю «разогнать» авто до нужной скорости. Это приводит к тому, что в момент трогания с места автомобиль получает дополнительные 70÷80 лс мощности.

Для информации! Экспериментальный прототип Volvo S60 с карбоновым маховиком Ø=20 см и весом всего 6 кг) разгонялся до скорости в 100 км/час всего за 5,5 сек. При испытаниях в так называемом городском цикле (с большим количеством остановок) экономия топлива составила 25% (по сравнению с базовой комплектацией).

В настоящее время такой вид рекуперации энергии нашел свое практическое применение только в болидах Формулы-1, а также в эксклюзивных моделях от Porsche и Ferrari. Но инженеры-автомобилестроители считают, что в будущем такие системы могут быть установлены и на обычных городских легковых автомобилях.

Параметры режима работы тяговой сети переменного тока при рекуперации электроэнергии

Инвертор, преобразующий электроэнергию рекуперации постоянного тока тяговых двигателей в переменный ток СТЭ, располагается на ЭПС и относится к категории ведомых сетью.

При рекуперации электроэнергии на переменном токе 25 кВ активная энергия рекуперации генерируется ЭПС в СТЭ, а реактивная энергия потребляется из сети внешнего электроснабжения так же как в режиме тяги. Это увеличивает реактивное электропотребление электровозами в межподстанционной зоне.

  • ————-> P ¦ Режим
  • ————-> Q ¦ тяги
  • —————————————————
  • Q ¦ рекуперации

Рис. Направления электроэнергии в режимах тяги и рекуперации ЭПС.

Угловые сдвиги между током и напряжением ЭПС в режиме тяги составляют для диодных ЭПС φЭ = 370эл, для тиристорных ЭПС φЭ = 420эл.

Коэффициент реактивной мощности для режима тяги tg φЭ = Q/P диодных ЭПС составляет tg 370 = 0,754, тиристорных ЭПС — tg 420 = 0,9. Следовательно реактивное электропотребление ЭПС в режиме тяги QТ = (0,75÷ 0,9)P.

Реактивное электропотребление в режиме тяги составляет (75÷ 90) % от активного.

  Вождения автомобиля для начинающих: за руль в первый раз

Угловые сдвиги между током и напряжением ЭПС в режиме рекуперации составляют φЭ = 60 эл. гр.

Коэффициент реактивной мощности для режима рекуперации tg φЭ = Q/P составляет tg 600 = 1,73. Следовательно, реактивное электропотребление ЭПС в режиме рекуперации QР = 1,73P.

Реактивное электропотребление в режиме рекуперации составляет 170 % от активного.

При совместной работе в межподстанционной зоне ЭПС в режимах тяги и рекуперации значительно увеличивается реактивное электропотребление.

Читайте также:  Декор розеток - красота великая сила!

Оптимальный режим в межподстанционной зоне соответствует равенству активного электропотребления ЭПС в режимах тяги Рт и активной генерации в режимах рекуперации Рр (Рт = Рр).

При этом реактивная мощность на тягу Qт = 0,9Р, реактивная мощность на рекуперацию равна Qр = 1,73Рт и суммарное реактивное электропотребление Q∑ = (0,9 + 1,73)Рт = 2,63Рт. Соотношение К = 2,63/0,9 = 2,92.

Следовательно, реактивное электропотребление в межподстанционной зоне в оптимальном режиме рекуперации увеличивается в 3 раза. Так как соотношения активного электропотребления ЭПС в режимах тяги и генерации меняется, то следует считать, что реактивное электропотребление увеличивается в диапазоне 1, 7 ÷ 3 раза по сравнению с режимом тяги.

Рассмотрим линейные и векторные диаграммы тока и напряжения тяговой сети в режимах тяги и рекуперации при одностороннем питании контактной сети.

Режим тяги.

Рис. Линейная диаграмма тока и напряжения ЭПС в режиме тяги: E1, U1 – кривая ЭДС и напряжения трансформатора ЭПС; i1t – кривая тока, i1(1) – кривая тока первой гармоники.

  1. Потеря напряжения в режиме тяги
  2. ∆ Uтс = Iт RТС cos φТ + Iт Хтс sin φТ = Iат RТС + IрХТС.
  3. Напряжение у источника
  4. U1 = Uэпс + ∆ Uтс.
  5. Режим рекуперации.

Рис. Линейная диаграмма тока и напряжения ЭПС в режиме рекуперации: E1, U1 – кривая ЭДС и напряжения трансформатора ЭПС; i1Р – кривая тока, i1(1) – кривая тока первой гармоники.

Рис. Векторная диаграмма тока и напряжения в режиме рекуперации: Iэ –полное значение тока; Iра, Iрр – активная и реактивная составляющие тока ЭПС; φр – угловой сдвиг между током и напряжением.

Гидравлическая система рекуперации

Автомобиль с гидравлической системой рекуперации энергии оборудован специальным мотором-помпой и двумя гидро аккумуляторами (низкого и высокого давления). Принцип работы:

  • При нажатии на педаль тормоза помпа подключается к трансмиссии автомобиля и перекачивает жидкость из гидро аккумулятора низкого давления в баллон, заполненный газообразным азотом (который является своего рода накопителем энергии). Газ при этом сжимается и давление в емкости повышается. Усилие, необходимое для работы помпы замедляет движение автомобиля и «помогает» его остановить.
  • До тех пор, пока водитель снова не нажмет на педаль газа, жидкость остается под давлением в аккумуляторе. После этого она поступает в мотор-помпу и передает (через трансмиссию) сохраненную энергию на колеса автомобиля.

Разработчики утверждают, что использование таких систем рекуперации позволяет «вернуть» в автомобиль до 80% энергии, обычно затрачиваемой «впустую» при торможении.

Однако значительные размеры и вес дополнительного оборудования, которое необходимо установить на автомобиль для реализации такой системы рекуперативного торможения, ограничивают ее применение.

Поэтому в настоящее время ее используют только на большегрузных транспортных средствах и общественном городском транспорте, работающим в режиме частых остановок и возобновления движения.

Использование на городском общественном транспорте

На современном городском электротранспорте системы управления обеспечивающие рекуперацию используются почти всегда.

У трамвайных вагонов моделей УКВЗ 71-619А и далее, вагонов ПТМЗ 71-134А и далее, вагонов Уралтрансмаш 71-405 и далее, а также МТТА и МТТА-2 имеется возможность рекуперативного торможения. Оно используется как основное. После замедления вагонов до скорости 1-2 км/ч электродинамический (реостатный) тормоз становится неэффективным и подключается стояночный.

Источник: https://AutoManya.ru/vozhdenie/rekuperativnoe-tormozhenie.html

Система рекуперативного торможения — DRIVE2

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 энергииПомимо 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.

Источник: https://www.drive2.ru/b/1435051/

Рекуперация: и дать, и взять

16 февраля 2011 годаЕще до появления легковых гибридов рекуперативное торможение широко применяли в многотонной колесной и рельсовой технике, работающей на электрической тяге. Например, троллейбусы, трамваи, электропоезда передают вырабатываемое при торможении в контактную сеть электричество, которое потом можно повторно использовать.Еще до появления легковых гибридов рекуперативное торможение широко применяли в многотонной колесной и рельсовой технике, работающей на электрической тяге. Например, троллейбусы, трамваи, электропоезда передают вырабатываемое при торможении в контактную сеть электричество, которое потом можно повторно использовать.

Термин «рекуперация» произошел от латинского recuperatio (обратное получение) и означает возвращение некоего количества вещества или энергии для последующего использования в том же технологическом процессе.

Например, существует рекуперация тепла в системах вентиляции, когда удаляемый из помещения воздух подогревает поток, нагнетаемый внутрь.

Или рекуперация драгоценных камней или металлов, которые извлекают из отработавших ресурс инструментов, восстанавливают и вновь пускают в производство.

В транспортных же машинах, в том числе в автомобилях, часто встречается рекуперация электрической энергии.

Как оно работает

Самый простой пример конструкции, позволяющей возвращать энергию, — умный генератор.

При интенсивном разгоне он отключается, чтобы разгрузить двигатель, — следовательно, уменьшается расход топлива и количество вредных выбросов. Потребители электричества в это время вытягивают энергию из аккумулятора.

Водитель убирает ногу с педали газа — генератор вновь подключается и пополняет заряд батареи, а автомобиль экономит до 3% горючего.

Направление потоков энергии при рекуперации. При разгоне электричество поступает из батареи в электродвигатель, где преобразуется в механическую энергию для вращения колес.Направление потоков энергии при рекуперации. При разгоне электричество поступает из батареи в электродвигатель, где преобразуется в механическую энергию для вращения колес.

Еще больше пользы приносит рекуперация в гибридных и электрических моделях. Тут электромотор выполняет две функции — движущей силы и генератора. Разгоняя автомобиль, он потребляет электричество, а при замедлении преобразует механическую энергию в электрическую. Стоит отпустить педаль акселератора, как электроны начинают двигаться в обратную сторону — и батарея заряжается.

При торможении колеса раскручивают электромотор, тот переходит в режим генератора и отдает электроэнергию обратно в батарею.При торможении колеса раскручивают электромотор, тот переходит в режим генератора и отдает электроэнергию обратно в батарею.

У таких машин тормозная система, как и силовая установка, — гибридная. Бессменная гидравлика, приводящая в действие колесные механизмы, работает обычно при интенсивном замедлении, а при плавном (до 0,2–0,3g) используется так называемое рекуперативное торможение.

Электродвигатель переходит в режим генератора, обмотки статора отдают ток в аккумуляторную батарею, что создает тормозной момент, заставляющий автомобиль останавливаться. Чем сильнее водитель давит на тормоз, тем выше противодействующий момент — и тем интенсивнее автомобиль замедляется, а электромотор заряжает батареи.

Таким образом, рекуперация позволяет не только экономить топливо (примерно 5–10%), но и в полтора-два раза реже менять тормозные колодки.

Повышенная энергоотдача в батарею происходит и в случае, если селектор режимов движения переведен в положение B (Brake). При этом автомобиль лучше тормозит двигателем, поэтому на горной дороге быстрее пополнится запас электричества в аккумуляторах, а тормозные диски и колодки не перегреются.

Использование

Принцип рекуперации пытаются использовать в автомобилях Формулы 1: редкий случай, когда технологию опробовали на серийных машинах, а потом предложили королеве автоспорта.

Правда, конструкции так называемого KERS (Kinetic Energy Recovery System — система возврата кинетической энергии) здесь более изощренные. Большинство команд используют электрическую рекуперацию.

У «Вильямса» в коробку встроен сверхкомпактный маховик, который раскручивается при торможении, накапливая механическую энергию, чтобы потом отдать ее обратно на колеса:

Обкатав KERS на формулах, Ferrari примерила систему рекуперации на дорожный автомобиль.

На базе купе 599 GTB Fiorano появился первый в истории Ferrari гибрид 599 GTB HY-KERS. Шестилитровому бензиновому двигателю на разгоне помогает 74-киловаттный электромотор, вырабатывающий энергию при торможении и позволяющий проехать на электротяге до 5 км.

Рекуперация: и дать, и взятьРекуперация: и дать, и взятьРекуперация: и дать, и взятьРекуперация: и дать, и взятьОшибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

Источник: https://www.zr.ru/content/articles/289783-rekuperacija_i_dat_i_vzat/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector