Тормози с пользой: рекуперация в электрокарах
Как и обещали в предыдущей статье, рассказываем про рекуперацию простым и понятным языком. Рекуперация используется во многих системах и механизмах: на железнодорожном и автомобильном транспорте, в системах отопления, энергосбережения, системах сжатого воздуха и других областях. Человечество всегда стремилось придумать способ получать максимум энергии при минимуме потерь, и хоть вечный двигатель пока не изобретен, есть рекуперация — близкое по духу и принципу понятие.
Как это работает и в чем прелесть
Начнем с перевода: корень термина — латинское слово recuperatio, что означает «обратное получение, возврат, возмещение». Перевод довольно емко и буквально отражает смысл явления: рекуперация — это возвращение части затраченной энергии обратно, для повторного использования.
А еще это понятие, которое делает электромобили не только в разы более экологичным видом транспорта, чем авто с ДВС, но и системой, способной самостоятельно возобновлять часть энергии. Речь о рекуперативном торможении, когда часть затрачиваемой на приведение авто в движение энергии «возвращается» обратно в источник питания.
Как это вообще возможно? Все просто: электродвигатель— это хитрое устройство, которое умеет не только преобразовывать электрическую энергию в механическую, но и генерировать электроэнергию. Все зависит от того, как в системе распределена нагрузка.
Давайте разбираться, что такое рекуперативное торможение на практике.
Представим современный электромобиль, который едет по трассе. Когда автомобиль разгоняется, электродвигатель находится в режиме тяги. То есть с АКБ подается питание на электродвигатель, и затраченная электроэнергия переходит в механическую энергию вращения вала электродвигателя, за счет которого затем вращаются колеса авто.
Но вот водитель убирает ногу с педали газа, питание с батареи на мотор прекращается, электрокар начинает тормозить. В авто без системы рекуперации кинетическая энергия при торможении преобразуется в тепловую при соприкосновении тормозных колодок и тормозных дисков — и далее никак не используется и уходит «в никуда». А вот машина с электродвигателем умеет использовать процесс торможения во благо: когда электродвигатель не работает в режиме тяги для приведения колес в движения, колеса автомобиля могут сами вращать вал электродвигателя. То есть, двигатель переходит в генераторный режим: кинетическая энергия преобразуется в электрическую.
Естественно, вращение вала электрогенератора — процесс энергозатратный, поэтому происходит снижение скорости авто, когда двигатель находится в генераторном режиме. Именно поэтому такой процесс называется рекуперативным торможением.
Важная деталь про рекуперацию на электромобилях: они обладают способностью не тратить выработанную электроэнергию сразу (как делают электровозы и метро), а аккумулировать ее, подзаряжая батарею. И хотя количество такой «добытой» энергии невелико (в особенности на небольших электрокарах с относительно маленькой массой), даже небольшой дополнительный заряд позволит увеличить запас хода.
Как сделать рекуперативное торможение максимально эффективным
Как мы отметили выше, рекуперация на тяжелом, обладающем колоссальной кинетической энергией железнодорожном транспорте и рекуперация на относительно небольших индивидуальных электрокарах — это процессы совершенно разного уровня эффективности.
Большие ж/д составы могут вырабатывать дополнительную энергию, эквивалентную более 30 процентам от затрачиваемой, и существенная часть из этой энергии может использоваться эффективно благодаря системе рекуперативного торможения. А вот на электрокарах результат работы рекуперации гораздо скромнее. Прирост пробега, а следовательно и экономия электроэнергии — всего 15-20%, и только при определенных условиях эксплуатации. Что это за условия:
— когда движение происходит загородными трассами, позволяющими развивать хорошую скорость
— холмистая местность и наличие крутых спусков
— в городских условиях с проездом множества светофоров в режиме «старт-стоп»
— большие размеры и вес авто
А вот при каких случаях КПД рекуперативного торможения примерно равняется нулю:
— движение происходит по ровной поверхности с одной скоростью (тормоз не используется)
— низкая температура окружающей среды (рекуперативная электроэнергия будет производиться в ограниченном объеме)
— 100% заряд батареи (невозможно зарядить батарею, если она уже заряжена на 100%)
Рубрика «Присмотритесь»: подборка электрокаров с хорошим рекуперативным потенциалом
Для тех, кто при выборе автомобиля не в последнюю очередь задумывается о рекуперативном торможении и его влиянии на увеличение запаса хода, предлагаем подборку от REVOCARS. В ней — не только одни из самых тяжелых и больших электрокаров и гибридов, производимых в КНР, но и варианты для загородной езды и путешествий по холмистой местности: как мы помним, эффективность рекуперации тем выше, чем больше скорость авто и чем чаще и круче спуски.
Yang Wang U8 — брутальный внедорожник, созданный в рамках суббренда концерна BYD с размерами 5319x2050x1930 и снаряженной массой 3460 кг. Для сравнения: Jeep Grand Wagoneer, один из самых больших внедорожников в мире, весит всего 2875 кг.
Zeekr 009 — полностью электрический минивэн премиум-класса с размерами 5209x2024x1856 и снаряженной массой 2830 кг.
Polestones 01 — дебютный внедорожник бренда, который позиционируется как идеальное авто для путешествий и поездок по пересеченной местности. Размеры: 5050х1980х1869, снаряженная масса: 2660 кг.
Hongqi E-HS9 — роскошный внедорожник класса «люкс», дизайн которого разрабатывал создатель легендарных моделей Rolls-Royce и Jaguar. Но мы любим его не только за внушительный экстерьер, но и за технические характеристики (размеры: 5209x2010x1713, снаряженная масса: 2702 кг).
Lixiang L9 — без него не обходится практически ни одна наша подборка. Но что поделать: просто этот красавец невероятно хорош по очень многим параметрам. Мало того, что он крупный и вполне эффективный с точки зрения рекуперации (размеры: 5218х1998х1800, снаряженная масса: 2520 кг), так еще и наделен конструкцией E-REV — то есть это электромобиль с увеличенным запасом хода благодаря встроенному ДВС.
Очевидно, что нынешние технологии пока не позволяют назвать рекуперативное торможение высокоэффективным средством экономии электроэнергии и увеличения запаса хода электромобиля. Но вспомним на секунду, что всего 7-10 лет назад автомобиль на электротяге в принципе не считался хоть сколько-нибудь эффективным транспортным средством. В восприятии обывателей он был, скорее, экспериментом и экзотикой, чем полноценным средством передвижения с серьезными преимуществами перед авто с ДВС.
Поэтому прогноз от REVOCARS по части увеличения КПД рекуперации на электрокарах: то ли еще будет. Возможно, скоро будем для зарядки своих «электричек» не розетку искать, а спуски — чтобы тормозить и с пользой, и в удовольствие!
Обращайтесь в REVOCARS: мы проконсультируем, какой электрокар хорош и сам по себе, и с точки зрения рекуперации.
Система рекуперативного торможения
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.
Рекуперативное торможение
Рекуперативное торможение — 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.
Ссылка на источник цитирования: ТЫК
Почему я решил сделать эту запись? Недавно с одним товарищем зашел разговор об этом самом процессе «торможения генератором», как я не совсем грамотно его назвал.
По ходу беседы возникло несколько вопросов:
1) Как я понимаю, что сейчас работает — генератор или тормоза?
2) Насколько эффективно торможение без тормозов?
3) Насколько хорошо при этом заряжается батарейка?
Сегодня проделал небольшой эксперимент для наглядности.
На заснеженной дороге, когда педаль тормоза в пол дает слабый эффект, я использовал только торможение с помощью электродвигателя.
Поскольку я не люблю нарушать ПДД, то не стал разгоняться до приличной скорости, решил, что 79 км/ч для показательного эксперимента сойдет. Рекуперация отключилась примерно на 30 км/ч. Это видно по снижению указанного ниже элемента на дисплее. Расстояние пройденное за сброс скорости с 79 до 30 видно на ролике.
Для не приусоводов на скриншотах объясню значение символов на экране борткомпа.
На данном скриншоте мы видим:
1) Батарейка
2) Зарядка батарейки (работает при движении от ДВС и торможении)
3) Драйв в режиме «эко»
4) Драйв в режиме «газу, газу!»
5) Не видно из-за козырька, но далее будет пятнышко красного цвета Pwr, которое значит: «Все, п-ц экологии» 🙂
На втором скриншоте видна полная ячейка зарядки батарейки путем рекуперации, т.е. легкого нажатия на тормоз.
Чтобы оправдать торможение, трактор я пропустил. 🙂
На видео процесс разгона идет без энтузиазма. Впрочем, Антибукс (мигает при разгоне на левой части панели) и не даст раскрутить мотор полностью, так что о динамике по видео просьба не судить.
И отвечу на упомянутые ранее вопросы:
1) У меня получается четко дозировать нагрузку, просто чувствую эту грань. А для пассажира это заметно по эффективности замедления. Хотя, эффективность также зависит от покрытия:
2) На заснеженной дороге, на какой я проводил испытание, нажатие тормоза в пол приведет к постоянному срыванию (треск шин по снегу, писк абс или всц и легкая паника, усиливающаяся при приближении к впереди-идущему авто) шин и торможение будет не намного эффективнее, чем на видео… На днях для сравнения сделаю торможение в пол по такому покрытию. Если будет пустая дорога.
Хотя, думаю и так все в курсе, как машина скользит и плевать ей на заблокированные колеса.
3) К сожалению, я только дома обратил внимание на то, что батарейка была уже заряжена полностью, поэтому на дисплее ничего не изменилось. Обычно такое кратковременное торможение поднимает 1-2 полоски из 7.
На М4 при торможении со 140 до 40 рекуперацией, батарейка резво заряжается процентов на 40-50.
Рекуперативное торможение: что это такое и как работает?
Если вы заинтересованы в покупке электрического или гибридного автомобиля, возможно, вы слышали о рекуперативном торможении. Но что означает этот термин и каково управлять автомобилем с подобной системой? Читайте дальше, чтобы узнать все о регенеративном (рекуперативном) торможении.
Что представляет собой рекуперативное торможение?
Когда вы нажимаете на педаль тормоза бензинового или дизельного автомобиля, гидравлическая жидкость прижимает тормозные колодки к тормозным дискам на каждом колесе (или барабанам на старых и более дешевых моделях). Возникающее в результате трение замедляет автомобиль, выделяя тепло и стирая материал на колодках и дисках. Регенеративное торможение — это способ использования энергии, потерянной в процессе замедления автомобиля, для подзарядки автомобильных аккумуляторов. На обычном автомобиле при торможении просто тратится энергия, но при рекуперативном торможении часть энергии можно использовать повторно. Системами рекуперативного торможения оснащаются многие современные автомобили. На бензиновых и дизельных моделях они используются для зарядки аккумулятора, который запускает различные вспомогательные системы в авто, что означает уменьшение работы для двигателя и экономию сжигаемого топлива. система практически незаметна для водителя, но в гибридных и чисто электрических автомобилях рекуперативное торможение играет более активную и очевидную роль. В таких моделях регенерация тормозов может помочь зарядить более крупные аккумуляторы, которые напрямую управляют автомобилем.
Как работает рекуперативное торможение?
Электродвигатель в гибриде или электромобиле предназначен для работы в двух направлениях: вращение колес и движение автомобиля, а также подзарядка аккумулятора. Когда вы снимаете ногу с педали акселератора и нажимаете на тормоз, электродвигатель меняет свою направленность и начинает возвращать энергию в аккумулятор. Когда запускается данный процесс, вы можете почувствовать, как авто начинает тормозить. В каждом автомобиле с подобной функцией возникают разные ощущения, потому что производители могут запрограммировать мощность рекуперативного торможения при отпускании педали. Все автомобили по-прежнему оснащаются обычными тормозами, поэтому, если вы нажмете на педаль достаточно сильно, гидравлическая система мгновенно сработает и быстро остановить вас (в зависимости от изначальной скорости). Опять же, разные авто будут предполагать разную степень усилия на педаль, необходимую для срабатывания тормозов.
На что похоже регенеративное торможение?
Есть много автомобилей с рекуперативным торможением, и все они немного отличаются в использовании. Фактически, в большинстве электромобилей вы даже можете настроить их по своему вкусу. Если вы хотите собрать как можно больше потерянной энергии, то следует установить регенеративное торможение на максимальное значение. Если же вам не понравятся ощущения от подобного торможения, вы можете выключить его. В некоторых современных моделях даже есть автоматический круиз-контроль, использующий регенерацию тормозов. Автомобиль впереди контролируется датчиками, и регенерация тормоза используется системой для соответствия скорости автомобиля на дороге. Во многих электромобилях, когда вы полностью отпускаете педаль, кажется, что вы твердо держите ногу на тормозе. Это часто называют вождением с одной педалью, так как вам нужно управлять правой ногой, чтобы ускоряться и замедляться, а не переключать ее между педалями тормоза и акселератора. Эту так называемую электронную педаль можно включать и выключать с помощью кнопки на приборной панели. Кроме того, за рулевым колесом обычно расположены подрулевые рычаги, обеспечивающие различные уровни регенерации. Однако в некоторых моделях регенеративная сила не очень велика. У них регенеративное торможение больше похоже на включение высокой передачи и торможение двигателем для замедления в бензиновом или дизельном авто. Регенеративное торможение обычно пагубно сказывается на ощущении педали тормоза, поэтому к нему нужно привыкнуть, особенно когда вы пытаетесь определить точку перехода между рекуперативным торможением и гидравлической тормозной системой.