Рекуперация в автомобиле – Что такое рекуперативное генераторное торможение, рекуперация электродвигателя

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.

---

Рекуперативное торможение — Википедия

Toyota Prius 2004 — серийный (с 1997) автомобиль с системой рекуперативного торможения У этого термина существуют и другие значения, см. Тормоз.

Рекуперати́вное торможе́ние (от лат. recuperatio «обратное получение; возвращение») — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.

Рекуперативное торможение широко применяется на электровозах, электропоездах, современных трамваях и троллейбусах, где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия передаётся через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции.

Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях, где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов. Некоторые контроллеры двигателей электровелосипедов реализуют рекуперативное торможение.

Проводились также эксперименты по организации рекуперативного торможения других принципов на автомобилях; для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы, гидроаккумуляторы и другие устройства.^[1]

Использование на легковых и грузовых автомобилях[править | править код]

С развитием рынка гибридных и электроавтомобилей система рекуперации зачастую используется для увеличения дальности пробега автомобиля на электрическом заряде. Наиболее распространенными автомобилями этих классов является Toyota Prius, Chevrolet Volt, Honda Insight, Tesla Model S,3,X,Y

Есть отдельные случаи применения системы рекуперации в автомобиле с привычным бензиновым двигателем для сокращения расхода топлива. Такая система разрабатывалась на а/м Ferrari для обеспечения функционирования внутренних мультимедийных и климатических систем автомобиля от отдельной батареи, заряжаемой рекуперируемой энергией.

Система рекуперации энергии при торможении для электромобилей и электровелосипедов подвергается критике. Тормозной путь автомобиля очень мал по сравнению с проезжаемым путём и составляет от нескольких метров до несколько десятков метров (водитель обычно относительно резко тормозит у самого светофора или места назначения, или вообще подъезжает к месту назначения накатом). За такое короткое время аккумуляторы не успевают сколь-нибудь значительно зарядиться рекуперативным током, даже в городском цикле при частых торможениях. Экономия энергии за счёт рекуперации в лучшем случае составляет доли процента, и поэтому система рекуперативного торможения электромобиля неэффективна и не оправдывает усложнения конструкции. К тому же рекуперативное торможение не освобождает от необходимости обычной колодочной тормозной системы, так как на малых оборотах двигателя в режиме генератора его противо-ЭДС мала и недостаточна для полной остановки автомобиля. Также рекуперативное торможение не решает проблему стояночного тормоза (за исключением искусственного динамического удержания ротора на месте, на что расходуется значительная энергия). В современных электромобилях имеется возможность настройки педали «газа» — при её отпускании электромобиль либо продолжает двигаться по инерции накатом, либо переходит в режим рекуперативного торможения.

Однако рекуперация эффективна для электротранспорта с его частыми участками разгона-торможения, где тормозной путь большой и соизмерим с расстоянием между станциями (метро, пригородные электропоезда).

Использование в автоспорте[править | править код]

В сезоне 2009 года в Формуле-1 на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области гибридных автомобилей и дальнейшие совершенствования данной системы.

Впрочем, у Формулы-1 с её мощным двигателем разгон на малых скоростях ограничивается сцеплением шин, а не крутящим моментом. На высоких же скоростях использование KERS не столь эффективно. Так что по результатам сезона-2009 оснащённые данной системой болиды не демонстрировали превосходства над соперниками на большинстве трасс. Однако это может объясняться не столько неэффективностью системы, сколько трудностью её применения в условиях строгих ограничений на вес машины, действовавших в 2009 году в Формуле-1. После соглашения команд не использовать KERS в 2010 году для сокращения издержек, в сезоне 2011 года использование системы рекуперации было продолжено.

По состоянию на 2012 год на систему KERS налагаются следующие ограничения^[2]: передаваемая мощность не более 60 кВт (около 80 л.с.), ёмкость хранилища не более 400 кДж. Это означает, что 80 л.с. можно использовать не более 6.67 с на круг за один или несколько раз. Таким образом, время круга можно уменьшить на 0.1-0.4 с.

Техническим регламентом Формулы-1, утверждённым FIA на 2014 год, предусмотрен переход на более эффективные турбомоторы со встроенной системой рекуперации (ERS). Применение двойной системы рекуперации (кинетической и тепловой) в сезонах 2014—2015 годов стало гораздо более актуально из-за введения жёстких регламентных ограничений на расход топлива — не более 100 кг на всю гонку (в прошлые годы 150 кг) и мгновенный расход не более 100 кг в час. Неоднократно можно было наблюдать, как во время гонки при выходе из строя системы рекуперации машина начинала быстро терять позиции.

Рекуперативное торможение используется также в гонках на выносливость. Такой системой оснащены спортпрототипы класса LMP1 заводских команд Audi R18 и Toyota TS050 Hybrid, Porsche 919 Hybrid^[en].

Рекуперативным торможением на железнодорожном транспорте (в частности, на электровозах и электропоездах, оборудованных системой рекуперативного торможения) называется процесс преобразования кинетической энергии движения поезда в электрическую энергию тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими в режиме генераторов. Выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть (в отличие от реостатного торможения, при котором выработанная электрическая энергия гасится на тормозных резисторах, то есть преобразовывается в тепло и рассеивается системой охлаждения). Рекуперативное торможение используется для подтормаживания состава в случаях, когда поезд идет по относительно некрутому уклону вниз, и использование воздушного тормоза нерационально. То есть, рекуперативное торможение используется для поддержания заданной скорости при движении поезда по спуску. Данный вид торможения дает ощутимую экономию энергии, так как выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть и может быть использована другими локомотивами на данном участке контактной сети.

Рекуперативное торможение имеет следующие проблемы, которые требуют особого учета при разработке схемы электровоза для их решения:

а) тормозной момент пропорционален не скорости, а разности между скоростью и «скоростью нейтрали», зависящей от настройки системы управления электровоза и напряжения контактной сети. Так, при скорости ниже нейтрали ТЭДы будут тянуть, а не тормозить. Таким образом, при скорости вблизи нейтрали даже небольшие (в процентах) скачки напряжения сети сильно меняют упомянутую разность, а с ней и момент, и приводят к рывкам. Правильное проектирование схемы электровоза снижает этот фактор.

б) при параллельном включении якорей рекуперирующих ТЭД схема может получиться неустойчивой при боксовании и склонной к «сваливанию» в режим, когда один ТЭД работает в моторном режиме, питаясь от второго ТЭДа, работающего как генератор, что подавляет торможение. Решение: включение обмоток возбуждения крест-накрест от «чужого» ТЭД (см. схемы ВЛ8 и ВЛ10).

в) необходимы меры защиты против короткого замыкания контактной сети или на самом электровозе. Для этого используются быстродействующие контакторы, срабатывание которых вызывает в схеме переходный процесс, перемагничивающий обмотки возбуждения ТЭД и ликвидирующий таким образом остаточную намагниченность статора (возбуждения генерации от которой может быть вполне достаточно для перегрева или пожара в случае КЗ в сети).

Ранее рекуперативным торможением оборудовались электровозы постоянного тока ввиду простоты метода переключения ТЭДов в режим генератора (в СССР схема появилась ещё на сурамском поколении электровозов, например, ВЛ22 и с незначительными изменениями применялась до ВЛ11 включительно, в ней решены все три описанные выше проблемы). В электровозах переменного тока существует проблема, которая заключается в преобразовании выработанного постоянного электрического тока в переменный и синхронизация его с частотой тягового тока, эта проблема решается с помощью тиристорных преобразователей^[3]. Электровозы переменного тока, созданные до использования тиристорных инверторов (ВЛ60, ЧС4 и ЧС4Т, а также все поколения ВЛ80, кроме ВЛ80Р) не имели возможности рекуперативного торможения.

Рекуперативное торможение редко используется в пассажирском движении, по крайней мере на «классических» до-тиристорных электровозах вроде ВЛ10 и ВЛ11 из-за возникновение ощутимых рывков при переключении тормозной рукоятки локомотива со ступени на ступень, а также при скачках напряжения контактной сети. Большинство пассажирских локомотивов той поры вовсе не имели этой возможности.

Кроме того, рекуперативное торможение, как и реостатное, сжимает состав и создает удар от сжатия сцепных устройств.

Тем не менее рекуперативное торможение широко применяется на моторвагонном подвижном составе (МВПС) постоянного тока (ЭР2Р, ЭР2Т и более поздние электропоезда). В отличие от поездной работы, в МВПС обычно постоянен вес поезда (его почти никогда не переформируют), а также намного выше тяговооружённость. Это сильно упрощает создание автомата управления рекуперативным торможением. Применяется и в грузовых локомотивах, к примеру на 2ЭС6.

Рекуперативное торможение на постоянном токе требует переоборудования тяговых подстанций. Как минимум возможно рассеяние энергии на стационарных резисторах в случае изменения направления тока в фидерах ПС (при этом сохраняется возможность использования энергии рекуперации для тяги другого поезда на этом же участке, что важно при тяжелом профиле пути). Как максимум — необходима установка инверторов.

Рекуперативное торможение на железнодорожных локомотивах может использоваться также для подтормаживания в экстренных аварийных случаях при отказе воздушного тормоза. В частности, имеются сведения о неоднократном применении машинистами рекуперативного торможения на крутом участке Ерал — Симская (Челябинская область)^{[4][неавторитетный источник?]}. Следует отметить, что штатное экстренное торможение на локомотивах производится стравливанием воздуха (стоп-кран в пассажирских вагонах), а при полном отсутствии в системе воздуха тормоза блокируются^{[5][нет в источнике]}.

В метрополитенах, где поезда совершают частые остановки, использование рекуперативного торможения очень выгодно. Поэтому уже самые ранние метровагоны имели аппаратуру рекуперативного торможения (за исключением метровагонов, производимых в СССР). Наибольший эффект достигается при согласовании моментов торможения прибывающего на станцию поезда с отправлением другого от той же или со смежной станции. Такая схема движения закладывается в расписание движения поездов.

Использование на городском общественном транспорте[править | править код]

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.

Что такое рекуперация торможения в гибридных авто

Дата публикации: 25 октября 2018.
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.

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.

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».

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%.

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.

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.

О системах рекуперации энергии в автомобилях bmw и других — Auto-Self.ru

Может, это покажется странным, но автомобиль можно рассматривать как устройство для напрасного расходования энергии. Так, кпд бензиновых ДВС по оценкам экспертов составляет максимум тридцать три процента, причем часть ее теряется через систему охлаждения, часть – через систему выхлопа, а часть при торможении и разгоне, а также в пробках. Чтобы уменьшить потери, используется рекуперация энергии.

Рекуперация в автомобиле

При движении на автомобиле, особенно в условиях города, почти постоянно приходится разгоняться и тормозить. При разгоне мощность мотора тратится на увеличение скорости, а при торможении кинетическая энергия разогнавшегося авто просто теряется. Вот для того, чтобы частично ее использовать, существует система рекуперации энергии, благодаря которой осуществляется зарядка АКБ.

Наиболее простым способом это реализуется на гибридном автомобиле. При обычном режиме движения вспомогательный ДВС вращает генератор. Тяговые моторы получают от него питающее напряжение и крутят колеса. Когда машина тормозит, то генератор отключается, и уже колеса крутят тяговые моторы, а они начинают работать как генератор и вырабатывают электроэнергию, которая сохраняется аккумулятором. Вот таким образом в системе рекуперации, энергия торможения становится электроэнергией.

Подобный подход к использованию торможения возможен не только на гибридном автомобиле. Например, на многих машинах семейства bmw реализуется аналогичный способ, только несколько измененный. На некоторых моделях bmw при разгоне генератор не работает, что позволяет уменьшить нагрузку на двигатель, а также снизить потребление горючего. Когда же водитель начинает процесс торможения, то подключается генератор и начинает подзарядку АКБ.

Применение подобным образом рекуперации энергии торможения в автомобиле, для зарядки аккумуляторов, с питанием от них в дальнейшем бортовой электроники, достаточно традиционно. Как уже отмечалось, это позволяет добиться экономии топлива и повысить динамические характеристики, за счет расходования мощности двигателя исключительно на движение. Однако, это не единственный подход, который реализуют изготовители для рационального использования энергии на автомобиле в процессе торможения.

Система старт стоп с рекуперацией

Она реализована на машинах многих семейств – BMW, Audi и другие, успешно ее применяют в конструкции своих авто. Чаще всего ее назначение – экономия топлива, но зачастую при этом она работает совместно с режимом рекуперации энергии. Исследования показали, что до тридцати процентов времени, мотор работает на холостом ходу из-за остановок на светофорах, пробок и других помех движению. Вот в таких условиях применяется режим старт стоп.

Основой его является такой подход – при остановке (в пробке, на светофоре и т.д.) мотор глушится (стоп), а при необходимости начать движение запускается (старт). Все эти действия выполняет электроника, анализируя показания датчиков о режиме работы двигателя и выполняемых водителем действиях. В некоторых случаях этот процесс дополняется рекуперацией, торможение также способствует получению дополнительной зарядки АКБ.

Для того чтобы система, названная по используемому режиму старт стоп, работала успешно, необходимо наличие на машине усиленного стартера или стартер-генератора. В самом простом варианте система, принцип работы которой описан выше, позволяет экономить до восьми процентов топлива, а также снижает содержание вредных веществ в составе выхлопных газов. По оценкам специалистов, в ближайшем будущем не только машины BMW или Audi смогут работать в режиме старт стоп, но подобное станет чуть ли не обязательным для всех производителей.

Однако у ряда из них, система рекуперации энергии дополняет описанный подход. Да и не только рекуперация энергии торможения.

Управление работой генератора

Частично этот режим был затронут ранее, когда рассматривалась рекуперация на автомобилях BMW. Речь идет о том, что генератор отключается, когда машина разгоняется, что совместно с работой мотора в режиме старт стоп дает возможность снизить расход топлива. А вот при сбросе скорости подключается генератор и осуществляется зарядка АКБ.

Однако существуют условия, при которых старт стоп блокируется. Одним из них является уровень заряда аккумулятора. Когда он опускается до величины равной семидесяти пяти процентов от номинальной, то система отключается. Кроме того, водитель может принудительно отключить режим старт стоп с панели управления.

За и против подобной экономии

Стоит отметить, что не все так просто.

• Причина в том, что движение в режиме ускорение — торможение даже в городском цикле составляет малую часть от всего времени. Из-за этого рекуперация оказывается неэффективной и не обеспечивает в достаточной мере зарядку АКБ, а только вызывает усложнение машины.
• Тем не менее, на гибридных автомобилях рекуперация дает до тридцати процентов экономии энергии. В то же время надо учесть, что ведущими производителями – BMW, Audi, Kia Motors и другими, рекуперация достаточно широко внедряется в том или ином виде, в конструкции своих авто.

Очень широко рекуперация применяется на гоночных машинах, таких как Формула 1, на гибридных автомобилях, но и обычные авто, оснащенные подобными системами, позволяют более эффективно расходовать горючее и обеспечивают его экономию за счет использования энергии торможения и специальных режимов движения.

Поделитесь с друзьями в соц.сетях:

Facebook

Twitter

Google+

Telegram

Vkontakte

Рекуперация энергии торможения

Может, это покажется странным, но автомобиль можно рассматривать как устройство для напрасного расходования энергии. Так, кпд бензиновых ДВС по оценкам экспертов составляет максимум тридцать три процента, причем часть ее теряется через систему охлаждения, часть – через систему выхлопа, а часть при торможении и разгоне, а также в пробках. Чтобы уменьшить потери, используется рекуперация энергии.

Рекуперация в автомобиле

При движении на автомобиле, особенно в условиях города, почти постоянно приходится разгоняться и тормозить. При разгоне мощность мотора тратится на увеличение скорости, а при торможении кинетическая энергия разогнавшегося авто просто теряется. Вот для того, чтобы частично ее использовать, существует система рекуперации энергии, благодаря которой осуществляется зарядка АКБ.

Наиболее простым способом это реализуется на гибридном автомобиле. При обычном режиме движения вспомогательный ДВС вращает генератор. Тяговые моторы получают от него питающее напряжение и крутят колеса. Когда машина тормозит, то генератор отключается, и уже колеса крутят тяговые моторы, а они начинают работать как генератор и вырабатывают электроэнергию, которая сохраняется аккумулятором. Вот таким образом в системе рекуперации, энергия торможения становится электроэнергией.

Подобный подход к использованию торможения возможен не только на гибридном автомобиле. Например, на многих машинах семейства bmw реализуется аналогичный способ, только несколько измененный. На некоторых моделях bmw при разгоне генератор не работает, что позволяет уменьшить нагрузку на двигатель, а также снизить потребление горючего. Когда же водитель начинает процесс торможения, то подключается генератор и начинает подзарядку АКБ.

Применение подобным образом рекуперации энергии торможения в автомобиле, для зарядки аккумуляторов, с питанием от них в дальнейшем бортовой электроники, достаточно традиционно. Как уже отмечалось, это позволяет добиться экономии топлива и повысить динамические характеристики, за счет расходования мощности двигателя исключительно на движение. Однако, это не единственный подход, который реализуют изготовители для рационального использования энергии на автомобиле в процессе торможения.

Система старт стоп с рекуперацией

Она реализована на машинах многих семейств – BMW, Audi и другие, успешно ее применяют в конструкции своих авто. Чаще всего ее назначение – экономия топлива, но зачастую при этом она работает совместно с режимом рекуперации энергии. Исследования показали, что до тридцати процентов времени, мотор работает на холостом ходу из-за остановок на светофорах, пробок и других помех движению. Вот в таких условиях применяется режим старт стоп.

Основой его является такой подход – при остановке (в пробке, на светофоре и т.д.) мотор глушится (стоп), а при необходимости начать движение запускается (старт). Все эти действия выполняет электроника, анализируя показания датчиков о режиме работы двигателя и выполняемых водителем действиях. В некоторых случаях этот процесс дополняется рекуперацией, торможение также способствует получению дополнительной зарядки АКБ.

Для того чтобы система, названная по используемому режиму старт стоп, работала успешно, необходимо наличие на машине усиленного стартера или стартер-генератора. В самом простом варианте система, принцип работы которой описан выше, позволяет экономить до восьми процентов топлива, а также снижает содержание вредных веществ в составе выхлопных газов. По оценкам специалистов, в ближайшем будущем не только машины BMW или Audi смогут работать в режиме старт стоп, но подобное станет чуть ли не обязательным для всех производителей.

Однако у ряда из них, система рекуперации энергии дополняет описанный подход. Да и не только рекуперация энергии торможения.

Управление работой генератора

Частично этот режим был затронут ранее, когда рассматривалась рекуперация на автомобилях BMW. Речь идет о том, что генератор отключается, когда машина разгоняется, что совместно с работой мотора в режиме старт стоп дает возможность снизить расход топлива. А вот при сбросе скорости подключается генератор и осуществляется зарядка АКБ.

Однако существуют условия, при которых старт стоп блокируется. Одним из них является уровень заряда аккумулятора. Когда он опускается до величины равной семидесяти пяти процентов от номинальной, то система отключается. Кроме того, водитель может принудительно отключить режим старт стоп с панели управления.

За и против подобной экономии

Стоит отметить, что не все так просто.

• Причина в том, что движение в режиме ускорение — торможение даже в городском цикле составляет малую часть от всего времени. Из-за этого рекуперация оказывается неэффективной и не обеспечивает в достаточной мере зарядку АКБ, а только вызывает усложнение машины.
• Тем не менее, на гибридных автомобилях рекуперация дает до тридцати процентов экономии энергии. В то же время надо учесть, что ведущими производителями – BMW, Audi, Kia Motors и другими, рекуперация достаточно широко внедряется в том или ином виде, в конструкции своих авто.

Очень широко рекуперация применяется на гоночных машинах, таких как Формула 1, на гибридных автомобилях, но и обычные авто, оснащенные подобными системами, позволяют более эффективно расходовать горючее и обеспечивают его экономию за счет использования энергии торможения и специальных режимов движения.

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!

Система Рекуперативного Торможения, Что Это, Рекуперация в Автомобиле

Описание процесса рекуперации в момент торможения

До сегодняшнего времени энергия, которая образовывается во время остановки транспортного средства, не использовалась и просто рассеивается в окружающей среде. Но теперь данную проблему удалось решить на электрических машинах с помощью рекуперации в момент остановки. Основная задача системы заключается в преобразовании выработанной во время остановки автомобиля энергии в электричество.

Рекуперативное торможение

Благодаря представленной статье вы сможете узнать, что такое система рекуперативного торможения, а следовательно и рекуперация энергии торможения.

Рекуперация энергии торможения

Основная информация о рекуперации энергии торможения

Во время передвижения автомобиля, а особенно по городу, практически постоянно водителю приходится разгоняться и тормозить. Во время разгона мощность двигателя затрачивается на увеличение скорости, а во время остановки кинетическая энергия транспортного средства попросту теряется. Именно для того, чтобы пользоваться данной мощностью и была разработана рекуперация торможения, при помощи которой проходит заряжение аккумуляторной батареи.

Самым элементарным способом это реализуется на гибридном транспортном средстве. Современные гибридные машины используют систему рекуперативной остановки. В основании данной системы лежит электронный метод рекуперации.

При передвижении машина обязательно имеет кинетическую энергию. Во время произведения остановки автомобиля, используя традиционную тормозную систему, переизбыток кинетической силы перевоплощается в тепловую и рассеивается по окружающей среде.

Замедляющий эффект производится при помощи электрического двигателя, который включается в трансмиссии машины. Во время произведения остановки транспортного средства электронный двигатель функционирует в генерирующем режиме, на валике двигателя образовывается момент торможения и электричество, сохраняемая в аккумуляторе. Сохраненная электричество применяется впоследствии для передвижения машины.

Использование данной системы гарантирует максимальную передачу от каждой зарядки аккумулятора и высокий уровень экономии топлива. Рекуперация энергии торможения является самой эффективной на передней оси машины, потому как до семидесяти процентов силы во время торможения приходится на именно на данную ось.

Благодаря отдельному электронному блоку руководства реализуются такие функции:

• Контролирование скорости кручения колес автомобиля;
• Поддержка тормозного момента электронного двигателя, который необходим для остановки машины;
• Поддержка момента кручения, который необходим для заряжения аккумулятора
• Перераспределение тормозного усилия на фракционную тормозную систему.

Механическая связь между колодками и педалькой торможения представленной тормозной системы отсутствует. Анализируя действия водителя и характер передвижения машины, электроника принимает решение об остановке.

Система рекуперации кинетической энергии

Существует не только электрический метод рекуперации энергии остановки, но и такие методы как:

• Гидравлический;
• Пневматический;
• Механический.

Самым распространенным из вышеперечисленных способов считается механический, а также разработанная на его основании система рекуперативного торможения. В такой системе кинетическая энергия передвигающегося транспортного средства возвращается во время остановки и сохраняется для последующего применения при помощи маховика. Главное отличие рекуперации энергии от системы рекуперативной остановки заключается в том, что система не может создавать тормозной момент.

Маховичок включается в трансмиссию транспортного средства, вращение происходит в вакуумной емкости и во время остановки способно разгоняться до шестидесяти тысяч оборотов за минуту. Устройство системы дает возможность сохранять энергию до шестисот килоджоулей и передавать мощность до восьмидесяти лошадиных сил или шестидесяти киловатт. Сохраненный запас энергии применяется в кратковременном скоростном рывке во время передвижения или начале движения.

Применяется в машинах «Формула 1», начиная с две тысячи девятого года. Что касается серийного применения, то оно только в планах разработчиков.

Существует мнение, что первыми к серийному использованию придут разработчики от компании «Вольво». Разработчики компании «Вольво» заявляют о том, что при использовании процесса рекуперации топливные затраты уменьшаются на двадцать процентов, а также значительно сокращаются вредные выбросы.

Одной из интеллектуальных систем технологий BMW EfficientDynamics является система рекуперации энергии торможения. Позволяя заряжать аккумулятор, когда автомобиль тормозит, замедляет ход или движется по инерции, данная система снижает расход топлива автомобиля

Одной из интеллектуальных систем технологий BMW EfficientDynamics является система рекуперации энергии торможения. Позволяя заряжать аккумулятор, когда автомобиль тормозит, замедляет ход или движется по инерции, данная система снижает расход топлива автомобиля почти на 3% по сравнению с неоснащенными аналогами. Причем, при ускорении используется вся мощность двигателя, что позволяет улучшить динамические характеристики автомобиля.

В современные автомобили устанавливается огромное количество различной электроники, использование которой необходимо для комфорта и безопасности водителя. Соответственно, машины тратят большое количество электроэнергии для поддержания работоспособности этих систем. В обычных автомобилях электроэнергия вырабатывается генератором переменного тока, который преобразует крутящий момент двигателя в электрическую энергию. При этом генератор постоянно связан приводным ремнем с двигателем.

Однако в автомобилях BMW используется система рекуперации энергии торможения (Brake Energy Regeneration) — уникальная технология производства энергии, которая на обычных автомобиля при работе тормозов тратится впустую. Эта технология BMW позволяет не только сохранить выработанную энергию, но и затем использовать ее. Принцип регенерации энергии торможения применяется на всех моделях BMW с бензиновыми и дизельными двигателями, а также гибридными силовыми агрегатами, на которых используется технология BMW EfficientDynamics.

Генератор включается только тогда, когда водитель снимает ногу с педали газа или нажимает на педаль тормоза, то есть при торможении, замедлении хода или движении по инерции. За счет этого кинетическая энергия не теряется впустую, как раньше, а преобразуется генератором в электричество и накапливается в аккумуляторной батарее. Происходит более эффективное использование энергии. При этом, при нажатии педали газа генератор отключается, что позволяет направить весь крутящий момент двигателя на ведущие колеса, то есть ускориться, используя всю мощность автомобиля.

Система рекуперативного торможения: рекуперация энергии

Благодаря системе рекуперации энергии торможения, с одной стороны, расход топлива снижается, с другой — автомобиль становится более динамичным. Интеллектуальная система не даст полностью разрядиться батареи: она постоянно отслеживает уровень заряда аккумулятора и при необходимости сможет продолжить зарядку даже во время ускорения.

Возьмем в качестве примера гибридный автомобиль BMW ActiveHybrid X6, который, как и другие современные модели BMW, оснащается усовершенствованной системой рекуперации энергии торможения. Сердце гибридного BMW ActiveHybrid X6 состоит из бензинового двигателя V8 мощностью 407 л.с. и двух электромоторов, развивающих по 91 л.с. и 86 л.с. Именно эти электродвигатели при торможении или движении автомобиля на холостом ходу выполняют функцию генераторов, вырабатывающих энергию для зарядки высоковольтного аккумулятора. В зависимости от скорости это делает либо один, либо сразу два электромотора. Причем, мощность, которая вырабатывается ими в режиме генератора, примерно в 25 раз выше (почти 50 кВт), чем у системы рекуперации энергии торможения, использовавшейся ранее.

В гибридной модели BMW ActiveHybrid 7 серии, которая оснащается бензиновым турбодвигателем V8 объемом 4,4 л и трехфазным синхронным электромотором, который потребляет энергию литий-ионной батареи и выполняет функцию генератора при рекуперации энергии торможения. При движении накатом или торможении электроэнергия вырабатывается и сохраняется. При ускорении накопленная энергия подается из литий-ионной батареи в бортовую сеть, тем самым освобождая двигатель внутреннего сгорания от задачи преобразования энергии топлива в электрический ток. Благодаря этому двигатель может тратить больше мощности на ускорение, а электроэнергия генерируется без дополнительного потребления топлива при торможении.

Как устроен и работает электровоз, тяговый подвижной состав

Рекуперация – торможение электрическим двигателем способным работать в режиме генератора, при котором часть кинетической энергии транспортного средства преобразуется в электрическую и возвращается назад в аккумуляторную батарею. Основная цель торможения электродвигателем – увеличение пробега.
Есть ли на вашем электровелосипеде система рекуперации? Это наиболее часто задаваемый вопрос. Многие считают, что зарядка аккумулятора в процессе движения на велосипеде не представляет особых физических трудностей для велосипедиста. При этом совсем забывают о том, что приобретают электровелосипед по его прямому назначению — для облегчения обычной езды на велосипеде, а не для зарядки аккумуляторов.

Давайте разберемся с рекуперацией на электровелосипеде:
Рекуперация возможна, если на электровелосипеде установлен двигатель прямого привода. Этот тип двигателя способен работать в генераторном режиме. Однако практика использования систем рекуперации на электровелосипедах говорит о том, что это довольно спорная затея. Опыт использования системы рекуперации на электровелосипеде показывает, что возвращается не более 3 % заряда батареи. При движении в сильно холмистой местности до 5 %. Это связано с тем, что для осуществления заряда аккумуляторной батареи колесо должно иметь достаточно большие обороты, чтобы двигатель в генераторном режиме мог выдавать достаточное напряжение необходимое для зарядки аккумулятора. Во-вторых, торможения двигателем может быть недостаточно, и на крутом спуске приходится задействовать штатные тормоза, при этом возможны значительные потери энергии. Да и батарея не способна к скоростной перезарядке и способна поглотить всего 25-30% энергии. Для этой цели больше подошли бы суперконденсаторы (ионисторы) а не аккумулятор. В-третьих, система преобразования кинетической энергии в электрическую и возврате ее назад в батарею имеет кпд около 50%.
Заряжать же аккумуляторную батарею педалируя велосипед по относительно равнинной местности, задача не из легких. Даже просто ехать на велосипеде с выключенным двигателем прямого привода не очень легко.

Oh no, there’s been an error

Наличие большого количества сильных магнитов в двигателе прямого привода и отсутствие обгонной муфты приводит к тому, что двигатель существенно подтормаживает колесо велосипеда даже при отсутствии питания. А при работе двигателя в режиме генератора это торможение можно сравнить с движением в достаточно крутую гору. Причем скорость движения при этом должна быть около 20 км/час.
При скорости 20 км/час зарядный ток аккумулятора будет около 2 ампер. (При таком токе аккумулятор емкостью 10 A/час зарядится за 5 часов.) Велосипедист при этом должен развивать мощность 2A*48В= 96 Вт. Однако здесь не учтены потери в системе преобразования энергии и потери при зарядке. А они составляют около 50%. Другими словами – велосипедисту необходимо развить мощность для зарядки аккумулятора в два раза большую – приблизительно 180 Вт. Следует также учесть, что для движения с такой скоростью на обычном велосипеде велосипедист должен отдавать мощность около 100 Вт. Суммарная мощность, требуемая от велосипедиста, для зарядки аккумулятора и само передвижение со скоростью, по крайней мере, в 20 км/час составит около 180+100=280 Вт.
Для справки:
— хороший спортсмен велосипедист может отдавать кратковременно, мощность 500-600 Вт;
— при движении в гору с большим уклоном нетренированный человек может кратковременно отдавать мощность 220-290 Вт;
Нетрудно сделать вывод, что ехать на велосипеде в таком режиме, сколько ни будь продолжительное время нереально.

Недаром практически на все электровелосипеды заводского изготовления устанавливают не двигатели прямого привода способные работать в генераторном режиме, а двигатели с редуктором и обгонной муфтой. И это неспроста.
Если сравнивать экономичность этих двух двигателей, то можно увидеть, что редукторные двигатели более чем на 30% экономнее расходуют энергию, запасенную в аккумуляторной батарее, чем двигатели прямого привода, и они не тормозят движение при отсутствии питания. Ко всему, редукторные двигатели в два раза легче – если сравнивать двигатели с эквивалентным вращающим моментом. По этой причине почти на всех серийно изготавливаемых электровелосипедах устанавливают  только редукторные двигатели.
Сравните:
— используя двигатель прямого привода и систему рекуперации, вы можете вернуть в батарею максимум 5% энергии, а если будете использовать редукторный двигатель, то сможете, сэкономить 30% энергии запасенной в батарее, другими словами проехать расстояние на 30% больше, чем на двигателе прямого привода. И ваш велосипед будет существенно легче. Выбор как говорится очевиден.
Применив в качестве движущей силы на велосипеде мотор-колесо с редукторным двигателем идею рекуперации энергии на электровелосипеде можно успешно забыть, выиграв при этом около 30% пробега на одной зарядке.

Двигатели прямого привода логично применять, если Ваша цель скорость и Вас не сильно волнует экономическая сторона вопроса. В таком случае этому двигателю не будет конкурента со стороны редукторного собрата. Если необходима скорость более 50 км/час, приготовьтесь взять двигатель мощностью 1000 – 1500 Вт (максимальная мощность 1500-2500 Вт) в комплекте с энергоемкой , тяжелой и дорогостоящей аккумуляторной батареей. Батарея должна быть рассчитана на  номинальный разрядный ток 20-30 A. Велосипед будет очень тяжелым. Это будет уже не велосипед. Это уже скорее скутер.

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

—————————————————

<————- Р ¦ Режим

————-> 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 &#966;Э = 370эл, для тиристорных ЭПС &#966;Э = 420эл. Коэффициент реактивной мощности для режима тяги tg &#966;Э = 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.

Угловые сдвиги между током и напряжением ЭПС в режиме рекуперации составляют &#966;Э = 60 эл. гр. Коэффициент реактивной мощности для режима рекуперации tg &#966;Э = 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. 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&#8721; = (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.

Потеря напряжения в режиме тяги

&#8710; Uтс = Iт RТС cos &#966;Т + Iт Хтс sin &#966;Т = Iат RТС + IрХТС.

Напряжение у источника

U1 = Uэпс + &#8710; Uтс.

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. Рекуперация энергии в подвеске

Потеря напряжения в режиме рекуперации

&#8710; Uтс = Iр RТС cos (180 — &#966;1р)+ Iр Хтс sin (180 — &#966;1р) =

— IраR + IррХ.

Напряжение у источника U1 = Uэпс + &#8710; Uтс.

В режиме рекуперации U1 > Uэпси повышение напряжения на ЭПС выше предельно допустимого значения не возможно из-за значительного потребления реактивного тока и значительной величины потери напряжения от реактивного индуктивного тока в сопротивлении системы тягового электроснабжения. Проблема повышенного напряжения на ЭПС в режиме рекуперации при тяге переменного тока отсутствует. Низкого напряжение на ЭПС в режимах рекуперации также не должно быть из-за повышения напряжения за счёт активного тока в активном сопротивлении тяговой сети. Активная составляющая сопротивления тяговой сети двухпутного участка равна 0,1 Ом/км, реактивная составляющая – 0,3 Ом/км.

Значительное потребление реактивной мощности в режиме рекуперации увеличивает потери активной мощности в тяговой сети.

Потери активной мощности в тяговой сети

P2 + Q2

DP = * R = (P2/U2)*R*(1+tg2j).

U2

Потери активной мощности в режиме тяги диодных ЭПС j = 370 эл.

(tg 370 = 0,754, cos 370 = 0,799) и при снижении напряжения до 0,95 Uн:

Потери мощности от передачи активной нагрузки (j = 0, tgj = 0, cosj = 1) при U = 1,05Uн

DP1 = (Р2 * R) / (1, 05Uн)2 = 0,907(Р2 * R) / Uн2 .

Потери активной мощностиот передачи нагрузки с tgj = 0,754 (j = 370, соsj = 0,799) ипри снижении напряжения до 0,95 Uн

DP2 = / (0,95Uн)2 = 1,74 (Р2 * R) / Uн2.

Увеличение активных потерь составляет 1,74/ 0,907 = 1,92, то есть в 1,92 раза. Потери активной мощности от реактивной мощности в суммарных потерях составляют 47,9%.

Потери активной мощности в режиме тяги тиристорныхЭПСj = 420 эл (tg 420 = 0,9; соs420 = 0,743) и при снижении напряжения до 0,95 Uн

DP2 = / (0,95Uн)2 = 2 (Р2 * R) / Uн2

Увеличение потерь составит 2 / 0,907 = 2,21, то есть 2,21 раза. Потери активной энергии от реактивной мощности в суммарных потерях составляют 54,6%.

Потери активной мощности в режиме рекуперации ЭПС (без тяги)j = 600 эл (tg 60 = 1,73; cos j = 0,5)и при снижении напряжения до0,95 Uн

DP2 = / (0,95Uн)2 = 3,993Р2R / (0,95 Uн)2 =

= 4,42(Р2 * R) / Uн2.

Увеличение потерь составит 4,42/0,907 = 4,88, то есть в 4,88 раза. Потери от реактивной мощности в суммарных потерях составляют 79,5%. Увеличение потерь по сравнению с режимом тяги 4,88 / 2,21 = 2,2 раза.

Потери активной мощности в режиме рекуперации ЭПС(Рт = Рр) Q&#8721; = (0,9 + 1,73)Рт = 2,63Рти при снижении напряжения до0,95 Uн

P2 + Q2

DP2 = * R = /(0,95 Uн)2 =

U2

=7,92P2R/0,9025 Uн2 = 8,776 (Р2 * R) / Uн2

Увеличение потерь составит 8,772/0,907 = 9,67, то есть в 9,67 раз. Потери от реактивной мощности в суммарных потерях составляют 89,7%. Увеличение потерь по сравнению с режимом тяги 9,67 / 2,21 = 4,4 раза. Так как соотношения активного электропотребления ЭПС в режимах тяги и рекуперации меняется, то увеличение потерь электроэнергии в тяговой сети в режиме рекуперации по сравнению с режимом тяги увеличивается 2 ÷ 4 раза.

Таблица. Потери активной мощности в сети при потреблении реактивной мощности в режимах тяги и рекуперации

Режим работы ЭПС	j, гр. эл.	tgj	DPаа, %	DPар, %	Кратность увеличения потерь	Напряжение	Приме= чание
Приём и передача активной энергии	—	1,05Uн	Активная мощность — постоянная величина
Режим тяги	0,9	45,4	54,6	0,95Uн
Режим рекуперации(без тяги)	1,73	20,5	79,5	2,2	0,95Uн
Режим рекуперации и тяги (Рр = Рт)	—	10,3	89,7	4,4	0,95Uн

DPаа –активные потери мощности при передачи активной мощности;

DPар –активные потери мощности при передачи реактивной мощности;

Выводы: Нагрузочные потери активной мощности при передаче реактивной мощности по СТЭ от полных потерь для tgj = 0,8 — 1,5составляют 50-75%.

Увеличение потерь активной мощности требует дополнительных затрат энергоносителей на электростанциях, а в период наибольших нагрузок увеличения установленной мощности на электростанциях. Увеличение потерь активной мощности ухудшает технико-экономические показатели работы системы электроснабжения

Генерация (рекуперация) электрической энергии обеспечивает:

— значительный эффект экономии электрической энергии;

— повышение безопасности движения поездов появлением дополнительного электрического торможения наряду с пневматическим;

— экономия тормозных колодок.

Рекуперация электрической энергии – основное направление энергосбережения на электрифицированных железных дорогах переменного тока 25 кВ.

Рекуперативное торможение приводит и к отрицательным эффектам:

— увеличение износа рельсов из-за сосредоточения тормозных усилий на локомотиве;

— повышенное реактивное электропотребление увеличивает активные потери мощности в системе тягового электроснабжения, может потребовать оплаты за потребление реактивной электроэнергии выше экономического значения;

— появление при рекуперации повышенного уровня высших гармоник;

— дополнительные затраты на фильтрокомпенсирующие устройства.



Статьи по теме:

• КАК ПРАВИЛЬНО ТОРМОЗИТЬ

  Как правильно тормозить на механике?Водители, которые за рулем уже достаточно давно, знают, насколько необходимо для…