ООО «Центр Грузовой Техники»

8(812)244-68-92

Содержание

Что такое рекуперативное торможение | MBH News

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.

Что такое рекуперативное торможение

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.

(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?

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.

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.

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!

mbhn.ru

Эта таинственная рекуперация / Habr

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

Как можно объяснить такие графики?
  1. Торможение противотоком пропало из-за усреднения или рассинхронизации данных, графики не отражают реального положения вещей.
  2. Очень низкое значение скорости идеального холостого хода позволяет тормозить почти до нуля, и переход на торможение противотоком мы не замечаем

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.

habr.com

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением: применение в транспорте

При выполнении энергией какой-либо работы она тратится безвозвратно в полном объёме. Рекуперация, как процесс, позволяет сохранить часть энергии: кинетической или тепловой, и вернуть её обратно в технологическую цепочку.

Рекуперация тепла

Рекуперация тепла

Что такое рекуперация

Рекуперация – это намеренное возвращение затрачиваемого материала или любого вида энергии с целью повторного применения. В переводе с латыни recuperatio – «обратное получение», возврат вещества или вида энергии в тот процесс, куда затрачивается расходный материал.

Принцип рекуперации применяют:

  • при производстве (обработке) сырья;
  • для сохранения тепла при воздухообмене;
  • при работе с кинетической энергией.

Такие методы позволяют не только снижать затраты на производство, но и организовывать самостоятельные схемы для работы различных устройств.

Рекуперативное торможение

Электрические тяговые двигатели, применяемые для движения городского и железнодорожного электротранспорта, работают с использованием рекуперативного торможения (РТ). В тот момент, когда электродвигатель совершает торможение, он превращается в генератор.

Подобные электродвигатели применяют:

  • в троллейбусах;
  • в трамваях;
  • в электропоездах.

Получаемая в процессе торможения электроэнергия передаётся обратно в общую энергосеть.

Внимание! В аналогичной ситуации электромобили или гибридные автомашины используют такую энергию для зарядки собственного аккумулятора.

Электропоезд с двигателями РТ

Электропоезд с двигателями РТ

Как работает система рекуперации

Работу подобной системы можно рассмотреть на примере рекуперации воздуха при вентиляции помещения. При замене воздуха в помещении устройство выполняет передачу части тепла от удаляемого воздуха подаваемому потоку.

Важно! При этом действии смешивания потоков не происходит. Таким способом достигается наибольшая энергоэффективность помещения при невысоком КПД теплообмена.

На повышение передачи тепла в этом случае влияют:

  • повышение температурной разницы;
  • отношение площади теплового соприкосновения к массе воздуха, текущего через теплообменник.

Снижение утечки тепла при вентиляции помещения – вот основная задача у системы рекуперации. Большая часть тепла не покидает помещение без толку, подогревает подаваемый извне воздух.

Рекуператор воздуха

Рекуператор воздуха

Силовой спуск

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

Силовой спуск при опускании грузов

Применение рекуперации в транспорте

При работе электротранспорта происходит рекуперация энергии электрического тока. Для каждого из видов транспорта существуют свои конструктивные нюансы.

В электромобилях и электровелосипедах

Электровелосипед, как и частный электромобиль, хотя и оснащен такой системой обратного возврата электроэнергии на аккумулятор, обладает низким КПД. Электропривод этих средств передвижения потребляет энергию при движении. Поскольку режим торможения очень редок и кратковременен, то доля возвращённого электричества мала. С её помощью лишь увеличивают расстояние пробега на одной зарядке АКБ.

Электрокар BMW i3

Электрокар BMW i3

На железной дороге

Тяговые двигатели электровозов при рекуперации переходят в режим генерирования электроэнергии, которая снова возвращается в сеть.

Важно! Применение в системе рекуперации ШИМ-контроллера взамен контакторов позволяет вернуть энергию в любую сеть: постоянного или переменного тока. Контроллер работает в двух режимах. При движении он выпрямляет ток, при торможении, определив частоту и фазу сети, – отдаёт электричество.

В метро

При рекуперации электроэнергии в подземке правильно подобранный график движения поездов даёт значительную экономию. Чередование разгона и торможения поезда можно синхронизировать с несколькими составами на разных ветках и возвращать энергию в сеть по максимуму.

Применение рекуперативной энергии в метро

Применение рекуперативной энергии в метро

В городском общественном транспорте

Все модели троллейбусов и трамваев снабжены подобной системой торможения и возврата энергии. Существует ограничение по нижней границе скорости торможения. Она составляет 1-2 км/ч. Далее в работу вступают стояночные механические тормоза.

В Формуле-1

В 2014 году регламент Формулы-1 подразумевал переход на турбо моторы с системой (ERS). Это двойная рекуперация, в результате которой используют и кинетическую при торможении, и тепловую энергию выхлопа. При этом используют модули ERS-K и ERS-H. В систему включены два дополнительных генератора: MGU-K и MGU-H. Буквой К и Н маркируют кинетическую и тепловую энергию, соответственно.

Торможение асинхронных двигателей

Что это такое рекуперация применительно к асинхронным машинам? В данном случае это лишь один из видов торможения. Два других это:

  • динамическое замедление;
  • торможение противовключением.

Каждый из  них имеет свои особенности.

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (АД) превращается в генератор тогда, когда скольжение ротора в поле статора увеличивается. Это осуществимо тремя способами:

  • уменьшение частоты напряжения питания, при котором ротор начинает вращаться со скоростью, опережающей синхронную;
  • в машинах, имеющих две и более скорости вращения, при переключении обмоток или изменении количества включенных полюсов;
  • в двигателях с фазным ротором, путём изменения сопротивления, включенного в цепи обмоток ротора.

Величина скольжения во всех случаях превышает единицу, и машина переходит в режим генерации и возвращает энергию.

Схема пуска двигателя с фазным ротором

Схема пуска двигателя с фазным ротором

Противовключение

Такой способ редко применяется из-за недостатков, связанных с тем, что есть необходимость менять местами фазы между собой. Это вызывает изменение направления движения, но величина рабочего тока возрастает в десять раз. К тому же необходимо прекращать дальнейшую подачу напряжения, чтобы после торможения двигатель не вращался в противоположную сторону.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Такое снижение скорости вращения получают при подаче постоянного напряжения на статорную обмотку. Созданное в результате этого магнитное поле статора действует на обмотки ротора. В них появляется ЭДС, и начинает протекать ток. Сила тормозного момента, возникающего при выделившейся при этом мощности, напрямую зависит от скорости вращения электродвигателя. Двигатель превращается в генератор с закороченными выходными клеммами и отдаёт в сеть энергию.

Схема динамического торможения АД

Схема динамического торможения АД

Замена или дополнение механического тормоза на рекуперативное замедление движения позволяет вернуть энергию для её повторного использования. Рекуперация, как одно из направлений экономии сырья и энергии, позволяет повысить экономию и эффективность технологических процессов.

Видео

amperof.ru

Что такое рекуперация торможения в гибридных авто

Дата публикации: .
Категория: Автотехника.

Тормоза являются очень важной частью любого автомобиля. От их исправной работы во многом зависит безопасность движения. Однако, редко кто из водителей задумывался, насколько много энергии расходуется «впустую» при торможении. От трения тормозных колодок о диски выделяется значительное количество тепла, которое просто уходит на обогрев окружающего воздуха. А что если эту энергию аккумулировать и использовать повторно? Все возможно и процесс этот называется рекуперацией (то есть, частичный возврат энергии). Такие системы уже довольно давно устанавливают при производстве «гибридов» и электромобилей. В нашей обзорной статье мы постараемся кратко рассказать о разнообразных способах рекуперации.

Разновидности систем рекуперации энергии

По способу возврата энергии торможения различают три основных разновидности таких систем:

  • электрические;
  • механические;
  • гидравлические.

Первые в настоящее время достаточно широко применяют на обычных легковых автомобилях (в основном, гибридных и электрических). Вторые используют только для спортивных болидов. Третьи в последнее время находят применение на большегрузных коммерческих грузовиках и городских автобусах.

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.

Рекуперативное торможение

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.

Две системы торможения

Достоинствами применения электрических систем рекуперации энергии являются:

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

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».

Система рекуперации увеличивает стоимость автомобиля

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.

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.

Механическая рекуперация

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.

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.

Гидравлическая рекуперация

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.

avto-moto-shtuchki.ru

Тормозить и запасать: системы рекуперации в современных машинах


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.


www.kolesa.ru

Рекуперация энергии в сеть

На протяжении долгого времени, излишнюю энергию,  накопленную в преобразователях частоты (ПЧ) при торможении ими асинхронных двигателей с высокоинерционной нагрузкой (ПТО, нагрузочные стенды, электротранспорт, намотчики, центрифуги и т.д.), рассеивали на специальных тормозных резисторах.  Это было крайне необходимо для ограничения уровня напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при работе в этих режимах. В противном случае, отказ от использования тормозных резисторов грозил бы выходом преобразователей частоты из строя или невозможностью задания необходимых временных рамп разгона и торможения управляемых механизмов.

Применение тормозных резисторов не сильно влияет на стоимость оборудования систем, однако, влечет за собой ряд определенных неудобств при их проектировании и эксплуатации, а именно: большие габариты тормозных резисторов, разогрев поверхности тормозных резисторов до температуры 100°С и выше, обязательная защита резисторов от попадания пыли и влаги и т.д. Но, самым неприятным в этом случае является то, что излишняя энергия преобразуется в ненужное тепло, за которое предприятие платит деньги. В теплое время года, когда температура в помещениях с технологическим оборудованием и так достаточно высокая, тормозные резисторы, подключенные к ПЧ, способствуют еще большему ее повышению. Это значит, что крайне необходима дополнительная вентиляция помещений или даже их кондиционирование, а это опять дополнительные затраты. Но, ведь можно не рассеивать излишнюю энергию на резисторы, а возвращать ее обратно в питающую сеть, обеспечивая экономию дорогостоящих энергоресурсов. Для этого используются системы рекуперации энергии.

Фактически доказано, что современные преобразователи частоты позволяют значительно сократить энергопотребление оборудования и оптимизировать различные технологические процессы, что в свою очередь ведет к экономии сырья и других ресурсов, а так же способствует улучшения качества конечного продукта. Но, с заменой систем частотного регулирования с использованием тормозных резисторов на системы с использованием рекуперации энергии в сеть, появилась возможность дополнительной экономии. Теперь, энергию, возникающую при торможении двигателей можно возвращать в питающую сеть, осуществляя полную корректировку ее параметров в соответствии с параметрами сети. Ведущие производители промышленного оборудования и механизмов уже широко применяют такие системы, такие системы нашли применение в электротранспорте (электропоезда, трамваи, троллейбусы, эскалаторы).

Немного физики. Для того чтобы накопленную мощность можно было возвращать в источник переменного тока, в качестве входного выпрямителя привода рекуперации используются преобразователи с ШИМ источником напряжения. Теперь поток мощности переменного тока может течь в любую сторону, током можно управлять и получить почти единичный коэффициент мощности. В случае работы преобразователя частоты в режиме рекуперации, каскад IGBT транзисторов (используемый в моторном приводе в качестве выходного каскада) работает как синусоидальный выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянное напряжение для питания системы. При интенсивном торможении двигателя и, как следствие, превышении напряжения на звене постоянного тока преобразователя частоты выше определенного уровня, каскад IGBT транзисторов ПЧ генерирует ШИМ - сигнал в сторону сети. Разница напряжений между фазным напряжением ШИМ и сетевым напряжением питания прикладывается к индуктивностям (индуктору рекуперации). Это напряжение содержит много высокочастотных гармоник, которые блокируются индуктивностью и на выходе ПЧ получается синусоидальный ток с малой примесью высших гармоник. Для синхронизации привода рекуперации с сетью не требуется дополнительного оборудования. Определение частоты и угла вектора сетевого напряжения происходит за счет подачи ШИМ - модулятором трех специальных тестирующих импульсов в питающую сеть.

Одним из проверенных и эффективных решений по рекуперации энергии является применение частотных преобразователей Unidrive SP фирмы Control Techniques. Примеры их использования можно увидеть на стендах динамических испытаний автомобилей многих автомобильных заводов (Nissan, Ford, Lamborghini и др.), в металлургии, на эскалаторах, кранах, и т.д. Конфигурация такой системы может иметь несколько видов, но суть ее сводится к одному - организовать двунаправленный поток энергии в источник переменного электропитания и из него. При определении мощностей/ номиналов компонентов системы рекуперации нужно учитывать следующие факторы:

1. Изменение уровня сетевого напряжения

2. Номинальные ток двигателя, напряжение, коэффициент мощности

3. Максимальную мощность нагрузки и условия перегрузки

4. Потери в приводах и других компонентах

 На рис.1 представлена общая схема система рекуперации при использовании одного моторного привода и одного привода рекуперации. Как правило, для такой системы моторный привод и привод рекуперации имеют одинаковые номиналы. Однако, при детальном расчете может выясниться, что характер нагрузки подразумевает работу моторного привода с перегрузкой, если при этом напряжение питания привода рекуперации находится на нижнем пределе, то он может не покрыть мощность выделяемую моторным приводом и потери в системе. Тогда необходимо использовать привод рекуперации большего номинала.

 

Рис.1 Система с одним приводом рекуперации и одним моторным приводом

На рис.2 представлена общая схема система рекуперации при использовании нескольких моторных приводов и одного привода рекуперации. В таких многоприводных конфигурациях привод рекуперации выбирается таким образом, чтобы выдать суммарную мощность всех моторных приводов, учитывая потери, включая собственные. В этом случае, конечно, нужно учитывать характер нагрузки для каждого моторного привода индивидуально, ведь возможен вариант одновременного торможения всех двигателей системы.

 

Рис.2 Система с одним приводом рекуперации и несколькими моторными приводами

При включении системы с несколькими приводами, объединенными по шине постоянного тока, необходимо ограничивать пусковой ток, поскольку электролитические конденсаторы в звене постоянного тока преобразователей частоты имеют малое сопротивление. Для этого применяется тиристорный выпрямительный модуль SPMC, который подключается контактором для заряда конденсаторов объединенной шины постоянного тока преобразвателей. После обеспечения плавного заряда шины до номинального напряжения, выпрямительный модуль SPMC отключается.

Как видно, система рекуперации предлагаемая Control Techniques может иметь различные конфигурации и может быть спроектирована индивидуально под конкретное применение.

По всем вопросам, касательно данного применения обращайтесь в ООО "Драйвика" по тел. 8 (812) 635 90 30 или Email: [email protected]

driveka.ru

Все о системах рекуперации электроэнергии торможением

Электродвигатели предназначены для приведения в движение различных механизмов, но после завершения движения механизм необходимо остановить. Для этого можно использовать тоже электрическую машину и метод рекуперации. О том, что такое рекуперация электроэнергии, рассказывается в этой статье.

Рекуперация электроэнергии в электровелосипеде

Рекуперация электроэнергии в электровелосипеде

Что такое рекуперация

Название этого процесса происходит от латинского слова “recuperatio”, которое переводится как  “обратное получение”. Это возврат части израсходованной энергии или материалов для повторного использования.

Этот процесс широко используется в электротранспорте, особенно работающем на аккумуляторах. При движении под уклон и во время торможения системы рекуперации возвращает кинетическую энергию движения обратно в аккумулятор, подзаряжая их. Это позволяет проехать без подзарядки большее расстояние.

Рекуперативное торможение

Один из видов торможения – это рекуперативное. При этом скорость вращения электродвигателя больше, чем заданная параметрами сети: напряжением на якоре и обмотке возбуждения в двигателях постоянного тока или частотой питающего напряжения в синхронных или асинхронных двигателях. При этом электродвигатель переходит в режим генератора, а выработанную энергию отдаёт обратно в сеть.

Основным достоинством рекуператора является экономия электроэнергии. Это особенно заметно при движении по городу с постоянно изменяющейся скоростью, пригородном электротранспорте и метрополитене с большим количеством остановок и торможением перед ними.

Кроме достоинств, рекуперация имеет недостатки:

  • невозможность полной остановки транспорта;
  • медленная остановка при малых скоростях;
  • отсутствие тормозного усилия на стоянке.

Для компенсации этих недостатков на транспортных средствах устанавливается дополнительная система механических тормозов.

Как работает система рекуперации

Для обеспечения работы эта система должна обеспечивать питание электродвигателя от сети и возврат энергии во время торможения. Проще всего это осуществляется в городском электротранспорте, а также в старых электромобилях, оснащенных свинцовыми аккумуляторами, электродвигателями постоянного тока и контакторами, – при переходе на пониженную передачу при высокой скорости режим возврата энергии включается автоматически.

В современном транспорте вместо контакторов используется ШИМ-контроллер. Это устройство позволяет возвращать энергию как в сеть постоянного, так и переменного тока. При работе оно работает как выпрямитель, а во время торможения определяет частоту и фазу сети, создавая обратный ток.

Интересно. При динамическом торможении электродвигателей постоянного тока они так же переходят в режим генератора, но вырабатывающаяся энергия не возвращается в сеть, а рассеивается на добавочном сопротивлении.

Силовой спуск

Кроме торможения, рекуператор используется для уменьшения скорости при опускании грузов грузоподъёмными механизмами и во время движения вниз по наклонной дороге электротранспорта. Это позволяет не использовать при этом изнашиваемый механический тормоз.

Применение рекуперации в транспорте

Этот метод торможения используется много лет. В зависимости от вида транспорта, его применение имеет свои особенности.

В электромобилях и электровелосипедах

При движении по дороге, а тем более, по бездорожью электропривод почти всё время работает в тяговом режиме, а перед остановкой или перекрёстком – “накатом”. Остановка производится, используя механические тормоза из-за того, что рекуперация при малых скоростях неэффективна.

Кроме того, КПД аккумуляторов в цикле “заряд-разряд” далёк от 100%. Поэтому, хотя такие системы и устанавливаются на электромобили, большую экономию заряда они не обеспечивают.

Схема рекуперации в автомобиле

Схема рекуперации в автомобиле

На железной дороге

Рекуперация в электровозах осуществляется тяговыми электродвигателями. При этом они включаются в режиме генератора, преобразующего кинетическую энергию поезда в электроэнергию. Эта энергия отдаётся обратно в сеть, в отличие от реостатного торможения, вызывающего нагрев реостатов.

Рекуперация используется также при длительном спуске по склону для поддержания постоянной скорости. Этот метод позволяет экономить электроэнергию, которая отдается обратно в сеть и используется другими поездами.

Раньше этой системой оборудовались только локомотивы, работающие от сети постоянного тока. В аппаратах, работающих от сети переменного тока, есть сложность с синхронизацией частоты отданной энергии с частотой сети. Сейчас эта проблема решается при помощи тиристорных преобразователей.

Режим рекуперации поезда

Режим рекуперации поезда

В метро

В метрополитене во время движения поездов происходит постоянный разгон и торможение вагонов. Поэтому рекуперация энергии даёт большой экономический эффект. Он достигает максимума, если это происходит одновременно в разных поездах на одной станции. Это учитывается при составлении расписания.

В городском общественном транспорте

В городском электротранспорте эта система устанавливается практически во всех моделях. Она используется в качестве основной до скорости 1-2 км/ч, после чего становится неэффективной, и вместо неё включается стояночный тормоз.

В Формуле-1

Начиная с 2009 года, в некоторых машинах устанавливается система рекуперации. В этом году такие устройства ещё не давали ощутимого превосходства.

В 2010 году такие системы не использовались. Их установка с ограничением на мощность и объём рекуперированной энергии возобновилась в 2011 году.

Торможение асинхронных двигателей

Снижение скорости асинхронных электродвигателей осуществляется тремя способами:

  • рекуперация;
  • противовключение;
  • динамическое.

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Рекуперация асинхронных двигателей возможна в трёх случаях:

  • Изменение частоты питающего напряжения. Возможно при питании электродвигателя от преобразователя частоты. Для перехода в режим торможения частота уменьшается так, чтобы скорость вращения ротора оказалась больше синхронной;
  • Переключением обмоток и изменением числа полюсов. Возможно только в двух,- и многоскоростных электродвигателях, в которых несколько скоростей предусмотрены конструктивно;
  • Силовой спуск. Применяется в грузоподъёмных механизмах. В этих аппаратах устанавливаются электродвигатели с фазным ротором, регулировка скорости в которых осуществляется изменением величины сопротивления, подключаемого к обмоткам ротора.

В любом случае при торможении ротор начинает обгонять поле статора, скольжение становится больше 1, и электромашина начинает работать как генератор, отдавая энергию в сеть.

Схема электродвигателя с фазным ротором

Схема электродвигателя с фазным ротором

Противовключение

Режим противовключения осуществляется переключением двух фаз, питающих электромашину, между собой и включением вращения аппарата в обратную сторону.

Возможен вариант включения при противовключении добавочных сопротивлений в цепь статора или обмоток фазного ротора. Это уменьшает ток и тормозной момент.

Важно! На практике этот способ применяется редко из-за превышения токов в 8-10 раз выше номинальных (за исключением двигателей с фазным ротором). Кроме того, аппарат необходимо вовремя отключить, иначе он начнёт вращаться в обратную сторону.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Этот метод осуществляется подачей в обмотку статора постоянного напряжения. Для обеспечения безаварийной работы электромашины ток торможения не должен превышать 4-5 токов холостого хода. Это достигается включением в цепь статора дополнительного сопротивления или использованием понижающего трансформатора.

Постоянный ток, протекающий в обмотках статора, создаёт магнитное поле. При пересечении его в обмотках ротора наводится ЭДС, и протекает ток. Выделившаяся мощность создаёт тормозной момент, сила которого тем больше, чем выше скорость вращения электромашины.

Фактически асинхронный электродвигатель в режиме динамического торможения превращается в генератор постоянного тока, выходные клеммы которого закорочены (в машине с короткозамкнутым ротором) или включенные на добавочное сопротивление (электромашина с фазным ротором).

Схема динамического торможения асинхронного электродвигателя

Схема динамического торможения асинхронного электродвигателя

Рекуперация в электрических машинах – это вид торможения, позволяющий сэкономить электроэнергию и избежать износа механических тормозов.

Видео

Оцените статью:

jelectro.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о